Sieć 6G – jakich częstotliwości będziemy używać?
31.08.2024
W niedawno opublikowanym artykule dotyczącym sieci 6G, przedstawiliśmy historię i szczegóły powstawania kolejnych wersji standardów sieci komórkowych oraz wizję tego, jakie udogodnienia może wprowadzić do naszego życia sieć kolejnej generacji. Wrocławski Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności od wielu lat specjalizuje się w zagadnieniach związanych z gospodarką i inżynierią widma. Tym razem chcielibyśmy przybliżyć udział wrocławskiego zespołu w pracach Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU) oraz kwestię przydziału częstotliwości dla sieci 6G.
O czym decyduje ITU?
Prace Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego, który zrzesza 193 kraje członkowskie oraz ponad 1000 przedsiębiorstw, uczelni i organizacji z całego świata, prowadzone są w trzech sektorach: radiokomunikacja (ITU-R), standaryzacja (ITU-T), rozwój telekomunikacji (ITU-D). W każdym z nich pracują grupy badawcze wyspecjalizowane w dziedzinach danego sektora.
Prace ITU prowadzone są w okresach czteroletnich, podczas których prowadzone są badania zgodne z agendą Światowej Konferencji Radiokomunikacyjnej (WRC), która odbywa się cyklicznie, co 4 lata, pod auspicjami ITU. Zapadają tam najważniejsze decyzje ustanawiające przepisy prawno-regulacyjne w obszarze radiokomunikacji i tym samym wyznaczane są kierunki rozwoju. Jednym z członków polskiej delegacji i reprezentantem Instytutu Łączności na WRC-23 był Daniel Niewiadomski, kierownik Zakładu Kompatybilności Elektromagnetycznej.
Jednym z istotnych dla rozwoju radiokomunikacji aktów przyjętych podczas ostatniego WRC jest Rezolucja 255 (WRC-23). Opisuje ona jakie działania powinny zostać podjęte przez sektor radiokomunikacji ITU oraz kraje członkowskie, aby podczas WRC-31 móc podjąć decyzje dotyczące wykorzystania sub-terahercowych zakresów częstotliwości 102-109,5 GHz, 151,5-164 GHz, 167-174,8 GHz, 209-226 GHz, 252-275 GHz na potrzeby naziemnych komponentów systemów Międzynarodowej Telekomunikacji Ruchomej (IMT).
W bliższej perspektywie, podczas WRC-27, podejmowane będą decyzje dotyczące przeznaczenia zakresów 4400 – 4800 MHz, 7125 – 7250 MHz, 7750 – 8400 MHz oraz 14,8 – 15,35 GHz na potrzeby naziemnych systemów IMT. Interesującym kierunkiem rozwoju są także badania nad przeznaczeniem zakresu częstotliwości 694 – 2700 MHz na potrzeby bezpośredniej komunikacji pomiędzy satelitami a terminalami użytkowników (smartfonami), czyli komunikacji Direct-to-Device (D2D).
Specjaliści z Wrocławia uczestniczą w pracach i spotkaniach grupy roboczej WP 5D zajmującej się tematyką systemów IMT. Podczas spotkań dyskutowane są m.in. zagadnienia związane z wizją systemów 6G, specyfikowane wymagania, prezentowane wyniki badań krajów członkowskich, przedsiębiorstw i uniwersytetów z całego świata nad możliwymi rozwiązaniami technicznymi. To właśnie podczas prac grupy roboczej WP 5D powstają wspomniane w poprzednim artykule na temat 6G Zalecenia i Sprawozdania, które są podstawą dla rozwoju kolejnych generacji sieci.
Po co systemom komórkowym coraz więcej częstotliwości?
Od czasu wdrożenia pierwszych sieci komórkowych, każda kolejna generacja pozwala na coraz szybszą transmisję danych, a jednocześnie wymaga coraz szerszego kanału transmisyjnego. Wynika to bezpośrednio z ograniczeń jakie nakłada na nas fizyka. Graniczna przepustowość, opisana podstawowym w telekomunikacji twierdzeniem Shannona-Hartleya, wynosi:
gdzie:
C – maksymalna przepustowość kanału wyrażona w bitach na sekundę,
B – szerokość kanału wyrażona w Hz,
S/N – stosunek mocy sygnału użytecznego do mocy szumu.
Pomijając kwestie niedoskonałości technicznej rzeczywistych urządzeń transmisyjnych, można łatwo dojść do wniosku, że istnieją dwa sposoby zwiększenia przepustowości: zwiększenie szerokości kanału lub poprawa stosunku mocy sygnału do mocy szumu. Drugie rozwiązanie jest wyjątkowo trudne do zrealizowania, ponieważ minimalny poziom szumu wynika z praw fizyki, a na dodatek obecnie, w świecie z wysoce rozwiniętą siatką różnego rodzaju nadajników, nie możemy pozwolić sobie na dowolne zwiększanie mocy sygnału. Choć nie jest to oczywiste, musimy być świadomi, że systemy pracujące nawet w różnych zakresach częstotliwości mogą się wzajemnie zakłócać. Doskonałym przykładem są restrykcyjne ograniczenia mocy transmitowanej w zakresie przeznaczonym dla prywatnych sieci 5G. Są one wynikiem ochrony radiowysokościomierzy – przyrządów mierzących wysokość samolotu nad poziomem terenu przy wykorzystaniu fal radiowych.
Mając na uwadze te ograniczenia jedynym rozwiązaniem jest zwiększanie szerokości kanału. I tak możemy zauważyć zmianę w systemach komórkowych: sieci 2G pracują z wykorzystaniem kanału o szerokości 0,2 MHz, sieci 3G wykorzystują kanał o szerokości 5 MHz, sieci LTE do 20 MHz, sieci 5G do 100 MHz w zakresach poniżej 7,125 GHz i do 400 MHz w zakresie fal milimetrowych. Release 18 specyfikacji 3GPP przewiduje już nawet pojedynczy kanał o zawrotnej szerokości 2 GHz. Gdyby zestawić kanał 400 MHz (5G, fale milimetrowe) z kanałem o szerokości 20 MHz (LTE), to okazuje się, że przepustowość wzrosłaby aż 20 razy.
Dlaczego więc nie zaczęliśmy rozwoju od fal milimetrowych?
Z punktu widzenia techniki i potrzeb ludzkości najprostszym rozwiązaniem, popartym potrzebami rozwijanych systemów ,było wykorzystanie fal od najdłuższych do coraz krótszych (o wyższej częstotliwości). Niskie częstotliwości wiążą się z wąskim kanałem, ale w zamian oferują bardzo dobre właściwości propagacyjne. Technicznie jest też bardzo łatwo realizować nadajniki, odbiorniki i anteny przeznaczone na niższe częstotliwości. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie tłumienie fali radiowej, a na dodatek jest ona bardziej tłumiona przez przeszkody takie jak budynki, samochody, ludzi czy nawet rośliny. Dodatkowo rośnie złożoność układów elektronicznych i anten. W zakresie częstotliwości powyżej 5 – 10 GHz istotną rolę zaczynają odgrywać także opady atmosferyczne. Deszcz lub śnieg mogą okazać się skuteczną barierą dla sygnału. Również wyzwania związane z koniecznością stosowania zaawansowanych technik przy projektowaniu i produkcji układów elektronicznych oraz anten przez wiele lat były przeszkodą do sięgnięcia po wyższe zakresy częstotliwości.
Jaki zakres częstotliwości wybrać?
O wyborze częstotliwości zawsze decyduje kwestia dostosowania do potrzeb danego systemu. Straż pożarna podczas akcji ratunkowej będzie oczekiwała doskonałej łączności, która pozwoli na przesłanie przede wszystkim głosu. Idealnie sprawdzą się do tego częstotliwości z zakresu poniżej 1 GHz. Operatorzy komórkowi chcąc pokryć siecią drogi biegnące przez lasy (i jednocześnie nie budować nadmiarowo gęstej sieci stacji bazowych) również z dużym prawdopodobieństwem sięgną po częstotliwości z zakresu poniżej 1 GHz. Jednak, aby zapewnić odpowiednią prędkość transmisji danych dla znaczącej liczby osób w centrum dużego miasta będą zmuszeni sięgnąć po wyższe zakresy częstotliwości (w Polsce to 3,4 GHz lub 26 GHz w przyszłości).
Aby systemy 6G mogły dostarczać nam coraz więcej możliwości, muszą być gotowe na różne scenariusze. Stąd z dużym prawdopodobieństwem będą korzystały z tych samych zakresów, z których obecnie korzystają sieci starszych generacji, a także z nowych pasm.
W kolejnych latach wizja ta będzie ulegać dalszym zmianom. Ostateczną weryfikację wszelkie założenia przejdą dopiero na etapie wdrożenia rozwiązania na rynek, kiedy to zostaną skonfrontowane z rzeczywistymi potrzebami konsumentów.
Autor: Igor Michalski, Kierownik Pracowni Gospodarki i Inżynierii Widma, Instytut Łączności - PIB.