5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Często używamy urządzeń nawet nie zastanawiając się nad tym, że są to urządzenia radiowe – wystarczy wspomnień chociażby pilot do sterowania centralnym zamkiem w samochodzie. Z racji tak wielu odmiennych zastosowań, a także zważywszy, że częstotliwość, jako pewien zasób jest dobrem skończonym i w związku z tym wymaga regulacji i koordynacji w celu racjonalnego i sprawnego wykorzystania, spektrum częstotliwości radiowych podzielono na szereg pasm dedykowanych do określonych zastosowań. W pasmach tych zaś mieszczą się różne zakresy i podzakresy częstotliwości, do których przypisane są konkretne przeznaczenie oraz sposób użytkowania.  Naturalnie częstotliwości, czy też raczej fale radiowe są jednym z wielu ich rodzajów. W dość ogólnym podziale, zależnie od wartości częstotliwości, możemy zatem wyróżnić:

• Fale radiowe: częstotliwości do 300 GHz, zawierają także mikrofale, mają charakter niejonizujący, są powszechnie używane w komunikacji radiowej. W tym zakresie częstotliwości pracują sieci komórkowe (2G, 3G, 4G i 5G), stacje radiofoniczne AM, FM i DAB, stacje telewizyjne DVB-T i wiele, wiele innych.
• Podczerwień: częstotliwości od 300 GHz do 400 THz, ma charakter niejonizujący,  podczerwień jest inaczej również zwana promieniowaniem cieplnym, ponieważ jego źródłem jest każdy obiekt o temperaturze większej od zera bezwzględnego. W tym zakresie częstotliwości działają też np. piloty telewizyjne. Z uwagi na słabą propagację fal i silne tłumienie w przestrzeni zasięg pilota jest niewielki i nasz pilot nie jest w stanie zmienić kanału w telewizorze znajdującym się za ścianą. Na tych częstotliwościach działają także…
• … światło widzialne: częstotliwości od 400 THz do 700 THz, ma charakter niejonizujący. Źródłem tego rodzaju fal jest np. Słońce. A dzięki naturze, która wyposażyła nas w siatkówkę, możemy rozpoznawać kolory.
• Promieniowanie ultrafioletowe (UV): częstotliwości od 700 THz – 30 PHz, ma charakter jonizujący. Większość tego rodzaju promieniowania jest zatrzymywane przez atmosferę Ziemi, część jednak dociera do jej powierzchni. Tego rodzaju fale wykorzystujemy np. podczas procesu dezynfekcji.
• Promieniowanie rentgenowskie: częstotliwości od 30 PHz – 30 EHz, ma charakter jonizujący. Ten zakres fal jest powszechnie wykorzystywany w medycynie w prześwietleniach RTG. Pozwala także prowadzić obserwacje kosmosu.
• Promieniowanie gamma: częstotliwości powyżej 30 EHz, ma charakter jonizujący. Jest emitowane przez promieniotwórcze lub wzbudzone jądra atomowe podczas przemian jądrowych.  Ten zakres fal jest również wykorzystywany w medycynie w tomografii komputerowej oraz w radioterapii do zwalczania nowotworów.

Dziedzina częstotliwości jest ogromna. Im wyższe częstotliwości, tym szersze pasma, lecz słabsze charakterystyki propagacyjne. Nie sposób jednak pisać o wszystkim. Dalej skupimy się więc już tylko na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych, a dokładniej tych używanych w sieciach komórkowych.

Częstotliwości stosowane w sieciach komórkowych są powszechnie znane – to 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz oraz 2600 MHz. Niby względna różnica tych częstotliwości jest niewielka, ale cechują je jednak zupełnie odmienne właściwości, które skrupulatnie, zgodnie w prawami fizyki, są wykorzystywane.

Niższe częstotliwości, ze względu na dobre właściwości propagacyjne (rozprzestrzeniania się), są zwane częstotliwościami zasięgowymi bądź pokryciowymi. Dość dobrze pokonują przeszkody przez co zapewniają zasięg w miejscach znacznie oddalonych od stacji bazowych. Jednocześnie dostępne pasmo na tych częstotliwościach jest niewielkie, co skutkuje niską pojemnością sieci (czyli możliwością obsługi wielu urządzeń naraz z wystarczającą jakością usług). Dlatego też częstotliwości 800 MHz czy 900 MHz wykorzystywane są na obszarach słabiej zaludnionych, gdzie duża pojemność sieci nie jest wymagana, ale jednocześnie punkt krytyczny stanowi odpowiednie zapewnienie zasięgu poprzez pokrycie dużego obszaru, na którym znajdują się „rozrzuceni” użytkownicy.

Częstotliwości wyższe, jak np. 1800 MHz, 2100 MHz czy 2600 MHz, z uwagi na stosunkowe szerokie bloki widma (po kilkadziesiąt MHz), mają charakter typowo pojemnościowy. Zapewniają lepszą przepustowość pozwalając na transmisję większych wolumenów danych (sumaryczną od wielu użytkowników), jednakże na znacznie krótszych dystansach. Powodem są gorsze warunki propagacji niż w przypadku niskich częstotliwości. Częstotliwości wysokie wykorzystuje się zatem głównie w miastach, gdzie na niewielkim obszarze zazwyczaj gromadzi się jednocześnie wielu użytkowników korzystających z transmisji danych w sieci komórkowej, np. na lotniskach, dworcach, w centrach miast, na stadionach, a więc w typowych miejscach, gdzie trzeba na raz obsłużyć dużą liczbę połączeń.

Obrazowo można powiedzieć, że różnica między pasmami zasięgowymi i pojemnościowymi przypomina trochę różne ustawienia latarki.

Tak obecnie działają sieci 2G, 3G, 4G – wykorzystują zarówno częstotliwości pokryciowe, jak i pojemnościowe.

Jednak 2020 rok wprowadził dość spore zamieszanie na „rynku” częstotliwości. I choć właściwa aukcja na częstotliwości dedykowane typowo dla sieci 5G jeszcze nie została ogłoszona, to jednak operatorzy już uruchomili sieć 5G w ramach posiadanych bloków częstotliwości*. Jak to możliwe?

Operatorzy przeprowadzili tzw. refarming pasm. Polegał on na wycofaniu lub ograniczeniu dotychczasowego wykorzystania części lub całości zasobów częstotliwości, które znajdowały się w rezerwacji operatorów (np. 1800 MHz i 2100 MHz) i dotychczas były wykorzystywane w sieciach 2G, 3G, 4G, a następnie przeznaczenie ich na inne potrzeby, w tym przypadku na potrzeby uruchomienia sieci 5G.

Z uwagi na to, że operatorzy dysponują niedużym zbiorem zasobów częstotliwości, a dodatkowo przeznaczenie ich chociażby w części na potrzeby sieci 5G spowodowałby spadek prędkości w działających sieciach, do budowy w pełni wydajnych sieci 5G konieczne jest pozyskanie nowych częstotliwości.

*Prowadzenie działalności komercyjnej przez operatorów sieci komórkowej wiąże się z tym, że ich instalacje radiokomunikacyjne (czyli stacje bazowe) wykorzystują pewne zasoby częstotliwości zwane blokami, w których nadają/odbierają sygnały do/od abonentów. Blok ma pewną szerokość wyrażaną zazwyczaj w MHz, znajduje się wewnątrz określonego zakresu / pasma częstotliwości i jest jego częścią. Jedno pasmo może być podzielone na kilka lub nawet kilkanaście bloków.

System 5G to nowy standard telekomunikacyjny, który ma umożliwić pięćdziesięcio-, a nawet stukrotne zwiększenie prędkości transmisji w porównaniu do obecnie wykorzystywanej sieci 4G. Sieć 5G ma przyspieszyć m.in. rozwój Internetu rzeczy, usług telemedycyny, autonomicznych pojazdów, czy inteligentnych miast. Jednym z kluczowych warunków wdrażania 5G jest zapewnienie odpowiednich zasobów częstotliwości, która po prostu stanowi nośnik informacji.

Warto w tym miejscu zauważyć, że dla częstotliwości to po prostu zupełnie obojętne, jaki system obsługuje, czy w jakim systemie przenosi informacje. Dobrym przykładem jest tu pasmo 2,4 GHz, w którym może pracować zarówno system Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n20/n40), jak i Bluetooth (w różnych wersjach, w tym Bluetooth Low Energy), czy też kuchenka mikrofalowa. Podobnie jest z „pasmami komórkowymi”. Na częstotliwości 2100 MHz może np. pracować sieć i 3G, i 4G. Można także uruchomić sieć 5G.

Przewiduje się wykorzystanie trzech, tzw. pionierskich pasm częstotliwości dla sieci 5G. Pasma te są umownie określane jako: 700 MHz (694 – 790 MHz); 3,6 GHz (3,4 – 3,8 GHz) i 26 GHz (24,25 – 27,5 GHz). Maksymalne zasoby częstotliwości do wykorzystania w tych pasmach wynoszą odpowiednio: 60 MHz (2 × 30 MHz pasma), 400 MHz i 3250 MHz. Wymienione szerokości pasm doskonale pokazują, jak dostępne zasoby częstotliwości rosną wraz ze wzrostem częstotliwości – wystarczy chociażby porównać pasmo 60 MHz z pasem 3250 MHz.

Należy też podkreślić, że pasma częstotliwości podlegają harmonizacji na terenie Europy, a także w wielu krajach na świecie. Dzięki temu użytkownicy terminali ruchomych będą mogli mieć dostęp do usług sieci 5G na terenie różnych krajów bez potrzeby zmiany telefonu

Pasmo 700 MHz, docelowo dedykowane dla sieci 5G, obecnie wykorzystywane jest przez urządzenia telewizji naziemnej DVB-T. Dlatego też w 2020 roku dokonano stosownych zmian w Krajowej Tablicy Przeznaczeń Częstotliwości. Istotą tych zmian jest przeznaczenie zakresu 694 – 790 MHz (kanały telewizyjne DVB-T od 49 do 60) dla sieci ruchomych, jako służby pierwszej ważności.

• Pasmo 700 MHz (694 – 790 MHz) umożliwia uzyskanie zasięgu łączności radiowej nawet do kilkunastu kilometrów od stacji bazowej. Charakteryzuje się dobrą penetrację sygnału radiowego wewnątrz budynków. Z tych powodów pasmo to nazywane jest pasmem pokryciowym lub zasięgowym i bardzo dobrze nadaje się do budowy sieci na terenach pozamiejskich, gdzie konieczne jest zapewnienie zasięgu na dużych obszarach, przy jednocześnie względnie małej gęstości użytkowników sieci 5G i w wyniku ich liczby obsługiwanych przez jedną stację.
• Pasmo 3,6 GHz (3,4 – 3,8 GHz) umożliwia uzyskanie zasięgu łączności do kilku kilometrów od stacji bazowej (mniej niż ok. 5 km). Charakteryzuje się słabą penetrację sygnału radiowego wewnątrz budynków. Jednak, w odróżnieniu od pasma 700 MHz, zasób częstotliwości (dostępne pasmo) jest zdecydowanie większy, co umożliwia uzyskanie dużych przepustowości – nawet ok. 10 krotnie większych względem sieci 4G. Z tego powodu pasmo to nazywane jest pasmem pojemnościowym i zapewnia parametry wymagane do jednoczesnej obsługi wielu podłączonych urządzeń. Ponadto pasmo (z pewnymi ograniczeniami) jest już dostępne od dawna i może być z powodzeniem wykorzystywane do budowy sieci 5G na obszarach dużych miast o gęstej zabudowie do transmisji znacznych ilości danych.
• Pasmo 26 GHz obejmuje zakres od 24,25 GHz do 27,5 GHz. Częstotliwości z tego zakresu umożliwią uzyskanie bardzo dużych przepustowości przy bardzo małych opóźnieniach transmisji (rzędu kilku milisekund). Jednak należy się spodziewać, że zasięgi łączności dla terminali ruchomych w terenie otwartym nie przekroczą 500 m. Zatem planowane jest ich wykorzystanie głównie na potrzeby łączy stałych, określanych często jako "radiowy światłowód”, oraz miejsc o bardzo dużej „gęstości” użytkowników takich jak stadiony czy lotniska.

Mówić o sieci 5G bez przytaczania fake newsów, to jakby w ogóle nie mówić. Tak więc mamy fake news i to grubego kalibru: „5G będzie grillować nasze mózgi - jak mikrofalówka!”. To tylko jedno zdanie z licznego ich zbioru, które często przytaczane są na forach przeciwników wdrażania sieci 5G, tak w Polsce, jak i na świecie. Wyjaśnijmy w czym rzecz.

Jak wspomniano wcześniej, jedno z pasm przewidzianych dla sieci 5G to 26 GHz. Trochę żartem mówiąc, 26 GHz to „dużo GHz”. Dla częstotliwości z tego pasma fale osiągają długości rzędu kilkunastu milimetrów. Są to mikrofale, a dokładniej tzw. fale milimetrowe.

Dla przypomnienia – długość fali to odcinek pomiędzy kolejnymi szczytami fali. Z pojęciem długości fali „λ” oczywiście nieodłącznie związana jest częstotliwość „f”, którą można połączyć również z prędkością światła „c” następującymi zależnościami:

 lub  

Ponieważ prędkość światła jest wartością stałą, to jasno widać, że im wyższa częstotliwość, tym mniejsza długość fali. I na odwrót.

Ale co to ma wspólnego z grillowaniem w mikrofalówce? Wspólnym mianownikiem są właśnie te nieszczęsne „GHz” i mikrofale w nazwie kuchenki. W kuchence mikrofalowej wykorzystuje się częstotliwość ok. 2,45 GHz, a więc o rząd wielkości mniejszą niż 26 GHz. Dla częstotliwości 2,45 GHz długość fali to kilkanaście centymetrów. Idąc tym tropem, w zasadzie czy kilkanaście milimetrów czy kilkanaście centymetrów to praktycznie to samo, a i tak jedno i drugie to przecież mikrofale. Wniosek jest tu oczywisty. Sieć 5G będzie grillowała jak mikrofalówka. No wiadomo, przecież musi, skoro „pracuje na mikrofalach". Ale, ale… wszak to wszystko kwestia skali. Trzeba wiedzieć, że kuchenka mikrofalowa ma taką konstrukcję, aby wytwarzana energia mikrofalowa pozostawała w jej wnętrzu i ogrzewała potrawy, a nie wydostawała się na zewnątrz. Nikt głowy do kuchenki mikrofalowej nie wkłada. Podobnie nie ma miejsc dostępnych dla ludności bezpośrednio przy antenie stacji bazowej. Pamiętajmy też, że istnieje prawny obowiązek dotrzymania dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku we wszystkich miejscach dostępnych dla ludności. Uspokajamy – sieć 5G, czy ta pracująca w paśmie 3,6 GHz, czy 26 GHz nie będzie grillowała naszych mózgów. Nie będzie też prażyła popcornu ani nie będzie gotowała jajek na twardo. Notabene na częstotliwościach mikrofalowych nadawany jest sygnał telewizji satelitarnej, który odbieramy w naszych domach za pomocą sporych rozmiarów anten, nadawany z satelit i odbierany przez nasze osobiste smartfony jest też  sygnał GPS, nie wspominając już w ogóle o Bluetooth i Wi-Fi, które także działają w paśmie mikrofalowym 2,4 GHz.

A jeśli te argumenty nie są przekonywujące, to może chociaż informacja, że zanim w Polsce zostanie wprowadzone pasmo 26 GHz minie jeszcze kilka lat podziałają kojąco...

Udostępnianie częstotliwości dla operatorów sieci telekomunikacyjnych świadczących usługi publiczne, poprzedzane jest aukcją ogłaszaną przez Prezesa UKE. Wyniki aukcji będą podstawą do dokonania rezerwacji częstotliwości dla podmiotów, które spełniły warunki uczestnictwa i zaoferowały najwyższą cenę. Warto zaznaczyć, że aukcje są obecnie najczęściej stosowaną formą sprzedaży częstotliwości w Polsce i na świecie.

Kiedy odbędzie się aukcja? W tym roku rozdane zostaną częstotliwości z zakresu 3420-3600 MHz w formie 4 bloków po 80 MHz. Decyzje rezerwacyjne zwycięzcy powinni otrzymać na przełomie roku, a pierwszych, komercyjnych instalacji należy spodziewać się w I kwartale 2021 r. Z racji, że są to częstotliwości pojemnościowe, w pierwszej kolejności sieci 5G opartych o nie należy oczekiwać w dużych miastach, głównie byłych wojewódzkich. W ciągu kilku lat zejdą one „pod strzechy” także w miejscowościach powiatowych, a potem w miejscowościach będących siedzibami większych gmin. Dzięki sieciom 5G i nowym zasobom częstotliwości użytkownicy zyskają coraz wyższe uzyskiwane przepływności, bo jak pokazują statystyki, co roku na pojedynczą kartę SIM przypada o kilkadziesiąt procent. więcej wykorzystanej transmisji danych. Bez nowych częstotliwości dotychczasowe sieci by się po prostu „zapchały”.

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.