5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Telefonia komórkowa jest z nami już od ponad 30 lat. W roku 1992 została uruchomiona w Polsce sieć pierwszej generacji (1G). Niska jakość zabezpieczeń i wydajność, duże gabaryty telefonów oraz wysokie ceny połączeń nie przyniosły popularności tej generacji. Kiedy w Polsce pojawiła się sieć 1G, kolejna generacja (2G) rozwijała się na świecie i w krótkim czasie wyparła sieci 1G. Sieć 2G zyskała przez lata znaczną popularność, a kolejne unowocześnienia (GPRS, EDGE) pozwoliły na pierwszą transmisję danych. Dekadę później, na początku XXI wieku do powszechnego użytku weszły sieci trzeciej generacji (3G). Dzięki ich rozwojowi możliwa stała się szybsza transmisja danych – w kolejnych latach rozwinięta do prędkości łącza w dół rzędu kilkadziesiąt Mb/s.

W czerwcu 2003 roku Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) opublikował Zalecenie ITU-R M.1645 dotyczące ogólnych celów przyszłego rozwoju systemów komórkowych. Dokument ten nadał kierunek dalszym pracom standaryzacyjnym. W 2008 roku ukazało się Sprawozdanie ITU-R M.2134 określające wymagania dotyczące interfejsu radiowego systemów IMT-Advanced. W Sprawozdaniu zawarto wymagania dotyczące m.in. efektywności widmowej, komunikacji głosowej Voice over IP (VoIP) oraz opóźnień.

Równolegle trwały prace standaryzacyjne dla systemu zgodnego z wymaganiami stawianymi dla systemów IMT-Advanced. Na świecie rozwijał się także system WiMAX, jednak wraz z wprowadzeniem LTE zaczął tracić popularność i stopniowo zastępowano go systemem LTE.

Prace standaryzacyjne systemu LTE zakończyły się w 2008 roku wydaniem Release 8 specyfikacji 3GPP. Istotnym przełomem z punktu widzenia użytkownika była możliwość transmisji z prędkością do 300 Mb/s w łączu w dół. Release 9 specyfikacji 3GPP przyniósł dalszy rozwój sieci LTE, jednak dopiero Release 10 (LTE-Advanced) był zgodny z wymaganiami ITU stawianym sieciom IMT-Advanced. Release 10 przyniósł możliwość transmisji danych z prędkością do 1 Gb/s w łączu w dół i 500 Mb/s w łączu w górę. Kolejne wersje specyfikacji 3GPP rozwijały takie funkcjonalności, jak m.in. agregacja nośnych, integracja z sieciami WiFi, zwiększanie możliwości MIMO.

Podobnie jak w przypadku historii LTE, definiowanie wymagań na systemy piątej generacji rozpoczęło się w Międzynarodowym Związku Telekomunikacyjnym (ITU). Wizja rozwoju w kierunku systemów IMT-2020 została opublikowania we wrześniu 2015 roku przez ITU w Sprawozdaniu ITU-R M.2083. Następnie w Sprawozdaniu ITU-R M.2410 wydanym w 2017 roku określono minimalne wymagania interfejsu radiowego sieci IMT-2020. Organizacja 3GPP rozpoczęła prace nad Release 15 pod koniec 2017 roku, który miał opisywać 5G w pierwszej fazie, czyli sieć Non-Standalone, bazującą na sieci szkieletowej LTE. Intensywne prace trwały w 2018 roku i ostatecznie zostały zamknięte w roku 2019. Równolegle z pracami nad Release 16, trwającymi do 2020 roku, 3GPP rozpoczęło prace nad Release 17. Aktualny plan prac 3GPP obejmuje kolejne wydania aż do 2027 roku.

Tak jak w przypadku wcześniejszych generacji, prace nad kolejną generacją telefonii komórkowej rozpoczynają się w ITU wiele lat przed wdrożeniem na rynek. W listopadzie 2023 roku ukazało się Zalecenie ITU-R M.2160 opisujące ogólne cele i kierunek rozwoju dla sieci IMT-2030. Jako główne kierunki wskazuje się konieczność dostosowania sieci do przyszłych trendów, m.in.:

• immersyjna komunikacja z wykorzystaniem rozszerzonej rzeczywistości (XR) oraz hologramów,
• pełna automatyzacja procesów przemysłowych,
• dołączanie do sieci jeszcze większej liczby urządzeń i czujników,
• połączenie wszystkiego – zapewnienie łączności niezależnie od lokalizacji geograficznej,
• komunikacja rozproszonych aplikacji oraz aplikacji sztucznej inteligencji (AI).

Oczekuje się, że w dalszym ciągu rozwijane będą podstawowe parametry sieci (prędkość transmisji, opóźnienia, bezpieczeństwo, niezawodność), ale także pojawią się nowe możliwości związane z pozycjonowaniem o dokładności 1-10 cm, efektywnością energetyczną i zrównoważonym rozwojem, estymacją prędkości i detekcją oraz lokalizowaniem obiektów dzięki czujnikom, rozporoszonymi obliczeniami prowadzonymi przez AI.

Sieci 6G, choć obecnie wydają się odległą przyszłością, mają szansę trafić na rynek już w roku 2030, czyli dekadę po tym, kiedy rozpoczęło się wdrożenie sieci 5G. Szczytu popularności sieci 6G należy spodziewać się jednak jeszcze później.

Jednym ze sposobów osiągania bardzo dużych przepływności w sieciach jest zwiększanie szerokości kanału. Widmo elektromagnetyczne jest zasobem limitowanym i licencjonowanym, przez co nowe aplikacje wymagają wyłączania obecnie istniejących lub poszukiwania nowych zakresów częstotliwości. W przypadku sieci 5G wykorzystano obie te metody – przeznaczono pasmo 700 MHz dla sieci mobilnych w miejsce telewizji naziemnej oraz wykorzystano nowe pasma 3600 MHz oraz 26 i 28 GHz. Wraz ze wzrostem częstotliwości możliwe jest też zwiększenie szerokości kanału. W technologii 6G zakłada się wykorzystanie kanałów o szerokości do 1 GHz. Pasmo 6 GHz (dokładnie 5925 – 7125 MHz) oraz pasmo 10 GHz (10 – 13,25 GHz) są kandydatami dla systemów 6G w średnim zakresie częstotliwości. W zakresie pasm milimetrowych możemy wyróżnić częstotliwości 71-76 GHz oraz 81-86 GHz. Sieci 6G sięgną jednak jeszcze wyżej, po pasma terahercowe.

 

---

Autor: Igor Michalski, Kierownik Pracowni Gospodarki i Inżynierii Widma, Instytut Łączności - PIB.