5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Wybór miejsca, w którym ma powstać instalacja nowej stacji bazowej telefonii komórkowej nie jest dziełem przypadku – wręcz przeciwnie, determinuje go kilka istotnych czynników. Decyzja o uruchomieniu nowej stacji bazowej lub jej rozbudowy wynika przede wszystkim z potrzeby zapewnienia odpowiedniego zasięgu użytkownikom lub z potrzeby zwiększenia pojemności sieci na obszarze, na którym jej wymagany zasięg jest już zapewniony. Pojemność sieci to po prostu zdolność jednoczesnego obsłużenia wielu połączeń czy transmisji danych w tym samym momencie. Ponadto, działania te mogą wynikać z potrzeby wdrożenia nowoczesnej technologii radiowej w celu świadczenia coraz to lepszych usług oraz optymalizacji sposobu wykorzystania zasobów radiowych.

Zasoby radiowe, co należy wyraźnie zaznaczyć, są dobrem rzadkim i ograniczonym, więc sposób gospodarowania nimi jest szczególnie ważny, a wręcz krytyczny. Zasoby radiowe w postaci bloków częstotliwości nabywane są przez operatorów odpłatnie. Tutaj warto dodać, że w niektórych krajach do świadczenia usług komórkowych wykorzystuje się także pasma współdzielone lub nawet nielicencjonowane (którego operator nie musi nabywać odpłatnie, np. pasmo 5 GHz, takie samo, jak dla Wi-Fi), m.in. dzięki technice zwanej LAA (ang. Licensed-Assisted Access), co ma na celu zwiększenie wypadkowej przepustowości transmisji danych po stronie użytkownika, bez konieczności ponoszenia opłat za dostęp do zasobów widma radiowego. Zwiększenie to z kolei, od strony technicznej, realizowane jest dzięki zestandaryzowanemu rozwiązaniu, które określa się mianem agregacji nośnych CA (ang. Carrier Aggregation). To pozwala użytkownikowi „dołączyć się" do kilku nośnych jednocześnie (nośną określamy transmisję w pojedynczym kanale radiowym na określonej częstotliwości, np. kanał o szerokości 5 MHz w paśmie częstotliwości 800 MHz). Agregacja nośnych pozwala na jednoczesną transmisję w kilku różnych nośnych, z których każda jest w innym paśmie częstotliwości. Zasoby radiowe są ograniczone, pamiętacie? Zamiast, jak kiedyś, prowadzić transmisję w tylko jednym paśmie, np. wspomnianych 5 MHz w częstotliwości 800 MHz, dzięki CA możliwe jest „dołączenie” nośnych w innych pasmach danego operatora, czyli np. 10 MHz w 1800 MHz, i 10 MHz w 2100 MHz. Mamy wtedy do dyspozycji 5+10+10, czyli 25 MHz w sumie, a to przekłada się na istotnie lepsze parametry usługi, np. prędkość transferu.

Wybór potencjalnej lokalizacji nowej stacji bazowej nie jest przypadkowy. Lokalizację dobiera operator na etapie tzw. procesu planowania radiowego. To właśnie wówczas, poprzez modelowanie propagacyjne (rozchodzenie się fal radiowych) uwzględniające topografię i zabudowę terenu, można ocenić tłumienie sygnału radiowego. Podstawowym krokiem w procesie planowania jest opracowanie bilansu łącza radiowego, który pozwala policzyć szacowany zasięg komórki, uwzględniając sumarycznie poziom mocy modułu radiowego, zyski antenowe, straty w torze radiowym oraz zbiór poprawek odnoszących się do statystycznego charakteru rozchodzenia się fal radiowych, wpływu zakłóceń od komórek sąsiednich, tłumienia budynków, itp. Mówiąc krótko bilans łącza radiowego pozwala ustalić, jak daleko dociera użyteczny sygnał stacji bazowej, oraz z jak daleka stacja bazowa jest w stanie odebrać sygnał z naszego telefonu, gdybyśmy np. chcieli zadzwonić, albo obejrzeć kolejny odcinek ulubionego serialu podczas jazdy komunikacją miejską. Kolejnym etapem jest wymiarowanie sieci ze względu na jej zakładaną pojemność (pamiętacie? Pojemność, czyli zdolność jednoczesnego obsłużenia wielu połączeń, np. mama rozmawia z koleżanką przez telefon, ty oglądasz Netfliksa, a inny członek rodziny ma w tym czasie zajęcia on-line z polskiego). Na tym etapie istotne jest oszacowanie przez operatora obecnego i przyszłego zapotrzebowania na dane oraz określenie rodzaju ruchu, poprzez podzielenie go na kategorie mówiące o wielkości wolumenu danych (zużyciu) oraz czasowej charakterystyce dostępu do nich. Co istotne, na etapie planowania radiowego dochodzi do odrzucenia wielu nieodpowiednich miejsc – tych niewłaściwych ze względu na propagację fal radiowych (np. takich miejsc, które znajdują się w obniżeniach terenu) oraz tych niewłaściwych ze względów typowo praktycznych z uwagi na ich niedostępność (np. środek jeziora). Wreszcie – następuje odrzucenie takich miejsc, w których nie przebywają ludzie, więc zapewnienie tam zasięgu byłoby nie do końca uzasadnione. Dla wybranych, konkretnych lokalizacji, stacja bazowa jest szczegółowo konfigurowana odnośnie wszystkich tych czynników, które wpływają bezpośrednio na poziom odbieranego sygnału w jej otoczeniu (np. orientacja sektorów, wysokość środków elektrycznych anten, pochylenia anten, moce promieniowane). Poprawna konfiguracja jest niezwykle ważna – nie można zapominać, że pojedyncza stacja bazowa nie pracuje w izolacji, jako niezależna, autonomiczna „wyspa radiowa”, lecz jest częścią dużej sieci. Tym samym, dobrane lokalizacje i parametry stacji muszą zapewnić taki poziom odbieranego sygnału radiowego, aby na skraju zasięgu określonej komórki (masztu) pozwalał on na zestawienie równoczesnego chwilowego połączenia z komórką sąsiednią. To właśnie dzięki temu możliwe jest płynne i niezauważalne przeniesienie połączenia pomiędzy kolejnymi komórkami (ang. handover), co ma miejsce wtedy, gdy użytkownik korzysta z połączenia pozostając w ruchu np. jadąc samochodem. Warto pamiętać, że przeniesienie połączenia pomiędzy komórkami może odbywać się nawet w obrębie jednej stacji bazowej, co może mieć na celu nadanie danemu użytkownikowi dostępu do większej ilości zasobów radiowych (tzw. load balancing). Dzieje się tak wtedy, kiedy duża liczba użytkowników korzysta z jednej nośnej, a druga nośna świeci pustkami. Wtedy twoja rozmowa/transmisja może być, w sposób dla ciebie niezauważalny, przełączona na nośną w obrębie innego pasma, a ty nie doświadczysz spadku jakości połączenia.

I to właśnie kwestia zapewnienia możliwości handoveru często jest decydująca, jeśli chodzi o precyzyjną lokalizację nowej stacji bazowej. Ona nie może stać 20 metrów dalej, albo 15 metrów w lewo, bo wtedy handover nie będzie realizowany, a użytkownicy telefonów komórkowych nie będą mogli korzystać z usług, za które płacą, z pełną jakością. Połączenia będą zrywane, transmisja przerywana z powodu „dziury” w zasięgu sieci.

Wybrane w powyższy sposób, w efekcie planowania radiowego, lokalizacje dla nowej instalacji radiowej muszą być również dostępne dla operatora z punktu widzenia szeregu uwarunkowań i regulacji prawnych. Na tym etapie, dokonywana jest m.in. analiza oddziaływania inwestycji na środowisko, która może skutkować koniecznością podjęcia dodatkowych działań, takich jak uzyskanie decyzji środowiskowej. Ponadto sprawdzane są zapisy miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, opcjonalnie wymagane jest uzyskanie decyzji o lokalizacji inwestycji celu publicznego. Inwestor finalnie musi oczywiście zadbać o uregulowanie kwestii prawa dostępu do lokalizacji (kupno, dzierżawa) oraz przejść procedurę budowlaną. O tym jak dokładnie wygląda ten etap procesu pisaliśmy w ubiegłym tygodniu.

Należy też pamiętać, że stacje bazowe telefonii komórkowej pracują w trybie ciągłym, więc niezbędne jest doprowadzenie do nich odpowiednich przyłączy elektroenergetycznych oraz telekomunikacyjnych – w dużym uproszczeniu można powiedzieć, że stacja bazowa musi zostać połączona z siecią szkieletową poprzez sieć transportową, a do tego wykorzystuje się właśnie łącza światłowodowe lub mikrofalowe (tzw. radiolinie). Takie działanie wymusza często konieczność stosowania dodatkowych urządzeń instalowanych na masztach, w dedykowanych kontenerach lub pomieszczeniach w sąsiednich budynkach. Do stacji bazowej, najpierw na etapie budowy, a następnie w celu jej utrzymania, muszą mieć zapewniony dostęp ekipy serwisowe. Finalnie, przed komercyjnym uruchomieniem stacji bazowej, odbywa się weryfikacja dotrzymania dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych, polegająca typowo na wykonaniu pomiarów natężenia pola elektromagnetycznego przez akredytowane laboratorium.

Właśnie dlatego pozorna dostępność alternatywnej lokalizacji nie zawsze jest rozwiązaniem w przypadku sporu z lokalną społecznością. Czasami przesunięcie planowanej inwestycji „na mapie” sprawia, że z punktu widzenia budowy całej sieci przestaje ona mieć sens.

O projekcie

Projekt „Sprawna telekomunikacja mobilna jako klucz do rozwoju i bezpieczeństwa" realizowany przez KPRM we współpracy z Instytutem Łączności - Państwowym Instytutem Badawczym w ramach Programu Operacyjnego Polska Cyfrowa Działanie 3.4. Kampania ma na celu zwiększenie świadomości Polaków w zakresie działania, wykorzystania, bezpieczeństwa i znaczenia mobilnych sieci telekomunikacyjnych, a tym samym usług (w tym publicznych) opartych o te sieci. W ramach projektu zrealizowane zostaną działania w następujących obszarach: walka z dezinformacją, edukacja, podstawy prawne procesu inwestycyjnego, bezpieczeństwo i jakość życia.