Standard telekomunikacyjny dla nowych sieci komórkowych 5G
Od czasu wprowadzenia standardu łączności komórkowej piątej generacji (5G), operatorzy telefonii i sieci konkurują ze sobą w swoich ofertach. Pokazują nam nowy, fascynujący cyfrowy świat, który jest dostępny zawsze i wszędzie dzięki superszybkiej sieci 5G.
Czasy, w których właściciele telefonów komórkowych musieli zmagać się z ogromnymi problemami z siecią, definitywnie dobiegły końca.Według zapewnień operatorów sieci, nowa technologia oferuje nieograniczone możliwości dostępu do Internetu w czasie rzeczywistym. Umożliwia to milionom ludzi strumieniowe przesyłanie filmów lub wydarzeń na żywo bez opóźnień.
Gry mobilne i rzeczywistość rozszerzona wejdą w zupełnie nowy wymiar w nadchodzących latach. Świat rzeczywisty i elementy wirtualne płynnie się ze sobą połączą. Wirtualna rzeczywistość zasadniczo zmieni i całkowicie przedefiniuje sposób, w jaki się uczymy.
W naszym poradniku wyjaśniamy, co jeszcze kryje się za standardem komunikacji mobilnej 5G i co nowy standard komunikacji mobilnej może i będzie w stanie zrobić w nadchodzących latach.
-
Jakie korzyści oferują fale milimetrowe w 5G?
Aby przesyłać sygnały, takie jak głos, muzyka lub dane na duże odległości, potrzebujemy medium transmisyjnego. W przypadku komunikacji mobilnej jako częstotliwość nośną wykorzystywane są oscylacje wysokiej częstotliwości (HF) .
Są one następnie przesyłane z anteny do anteny w powietrzu. Eksperci mówią o modulacji, gdy użyteczny sygnał o niskiej częstotliwości (LF), taki jak mowa lub muzyka, jest łączony z częstotliwością nośną o wysokiej częstotliwości.
Najpopularniejszymi rodzajami modulacji w analogowej transmisji radiowej i telewizyjnej są modulacja amplitudy (AM) i modulacja częstotliwości (FM). Natomiast w przypadku łącza radiowego informacja cyfrowa przesyłana jest w postaci zer i jedynek.
Dlatego właśnie stosuje się tu modulację fazową (PSK - phase shift keying). Jeśli fala częstotliwości nośnej oscyluje w górę, transmitowana jest "jedynka".
Jeśli fala oscyluje w dół, transmitowane jest "zero".
Częstotliwość nośna działa w pewnym spektrum częstotliwości , które jest określone przez dolną i górną częstotliwość graniczną. Zakres ten jest również znany jako szerokość pasma. Im wyższa, tym więcej informacji można przesłać.
Po stronie odbiornika użyteczny sygnał o niskiej częstotliwości lub informacje o danych są odzyskiwane przez demodulację. Działa to jednak tylko wtedy, gdy odbiornik i nadajnik są precyzyjnie dostrojone do siebie i używają tych samych częstotliwości i tej samej metody transmisji.
Standard komunikacji mobilnej precyzyjnie definiuje strukturę sygnałów radiowych i proces transmisji danych na całym świecie. Producenci smartfonów mają zatem konkretne dokumenty projektowe, a użytkownicy smartfonów mogą później korzystać ze swoich urządzeń na całym świecie.
Rozwój standardów komunikacji mobilnej zawsze ma związek z rozwojem zachowań użytkowników. Innymi słowy, standardy telefonii komórkowej starały się zawsze sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu na ilość i szybkość przesyłanych danych.Pierwsza generacja standardów komunikacji mobilnej koncentrowała się na telefonii komórkowej, jednak wymagania użytkowników i wydajność nowoczesnych smartfonów uległy znacznej zmianie. Jak szybko te zmiany nastąpiły i jak duże były, możemy zaobserwować w rozwoju różnych standardów telekomunikacji mobilnej.
Standard telekomunikacji mobilnej 1G
Standard telefonów komórkowych pierwszej generacji (1G) funkcjonował od 1958 roku z analogową transmisją rozmów poprzez tzw. sieć A. W połączeniach nadal musiał pośredniczyć operator.
Dostępne były nadajniki radiowe o stałym zasięgu transmisji, których nie wolno było opuszczać, w przeciwnym razie połączenie zostałoby przerwane. Poza tym bardzo mało wydajne urządzenia były naprawdę bardzo drogie .
W 1972 r. pojawiła się sieć B, która działała bez centrali, a w 1984 r. sieć C , która opierała się na ogniwach . Telefony również stopniowo się zmniejszały.
Standard telekomunikacji mobilnej 2G
Druga generacja sieci telefonii komórkowej została wprowadzona w 1992 roku pod nazwą "Global System for Mobile Communication" lub GSM. Dzięki przejściu na technologię cyfrową możliwe było przesyłanie danych, takich jak wiadomości SMS, oprócz połączeń telefonicznych w sieci D, a później także w sieci E. Cyfryzacja znacznie poprawiła również jakość rozmów głosowych i pozwoliła większej liczbie osób wykonywać połączenia lub przesyłać dane w tym samym czasie. W sieci GSM wykorzystywane były dwa pasma częstotliwości.
GSM 900 wykorzystuje częstotliwości 890 - 915 MHz i 935 - 960 MHz.
GSM 1800 (dawniej Personal Communications Network 1800) wykorzystuje częstotliwości 1,710 - 1,785 MHz i 1,805 - 1,880 MHz.
Dzięki efektywnej metodzie modulacji (technika GPRS) możliwa była transmisja danych z szybkością do 150 kbit/s .
Standard telekomunikacji mobilnej 3G
Wprowadzenie standardu komunikacji mobilnej trzeciej generacji lub "Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)" miało miejsce w 2004 roku.
Standard ten stworzył podstawę dla mobilnej i szybkiej transmisji dużych ilości danych.
Dzięki temu standardowi możliwe stało się mobilne surfowanie po Internecie lub odtwarzanie i dystrybucja muzyki i filmów.
UMTS wykorzystuje częstotliwości 1,920 - 1,980 MHz i 2,110 - 2,170 MHz.
Udoskonalenia techniczne, takie jak HSPA+ (High Speed Packet Access), umożliwiły transmisję z prędkością do 42 Mbit/s.
Standard telekomunikacji mobilnej 4G
Standard komunikacji mobilnej LTE (Long Term Evolution) został opracowany, aby poradzić sobie ze stałym wzrostem ilości przesyłanych danych na przestrzeni lat.
Jednak celem nie było jedynie zwiększenie szybkości transmisji.
Głównym założeniem było opracowanie globalnie zharmonizowanego standardu, który został zaprezentowany w Sztokholmie w 2009 roku.
LTE wykorzystuje częstotliwości 800 MHz, 1800 MHz i 2600 MHz. Od czerwca 2015 r. dodano również dodatkowe częstotliwości w zakresie 700 MHz, które wcześniej były wykorzystywane przez telewizję cyfrową (DVB-T). Szybkość transmisji danych do 300 Mbit/s jest możliwa dzięki innowacyjnej technologii wieloantenowej, lepszemu podziałowi komórek radiowych i zmniejszeniu opóźnień (latencji). Łącząc pasma częstotliwości (LTE-Advanced Pro), możliwe jest osiągnięcie teoretycznej prędkości do 500 Mbit/s.
Standard telekomunikacji mobilnej 5G
Jeszcze w trakcie budowy sieci LTE rozpoczęto przygotowania do rozwoju jej następcy - sieci 5G , czyli standardu telekomunikacji mobilnej piątej generacji .
Wprowadzenie 5G nie oznacza jednak końca LTE, ani G4. 5G to przede wszystkim rozwinięcie LTE
Tylko przy równoległym działaniu LTE i 5G możliwe będzie w przyszłości osiągnięcie niezbędnych ilości danych i prędkości transmisji.
Ostatecznie komunikacja w przyszłości będzie odbywać się nie tylko między milionami ludzi. Ponadto maszyny i urządzenia będą ze sobą połączone w ramach Internetu Rzeczy (IoT) i będą stale wymieniać między sobą informacje. Złożona automatyka przemysłowa (Przemysł 4.0) lub autonomiczna jazda będą możliwe tylko dzięki niezawodnemu połączeniu z niezwykle dużą ilością danych i krótkimi czasami opóźnień.
Smartfony kompatybilne z siecią 5G
Z jakich częstotliwości korzysta sieć 5G?
Standard telekomunikacyjny 5G wykorzystuje do transmisji danych pasma częstotliwości 700 MHz (współdzielone z LTE), 2,1 GHz i 3,6 GHz.
Transmisja w komunikacji mobilnej 5G odbywa się w trzech głównych obszarach:
700 MHz
Pierwotny plan zakładał wykorzystanie tych częstotliwości LTE do transmisji LTE do obszarów wiejskich. Dzięki inteligentnemu dynamicznemu współdzieleniu widma (DSS), 4G i 5G mogą teraz współdzielić pasmo częstotliwości, przy czym LTE służy jako częstotliwość bazowa i łącze komunikacyjne. Oznacza to, że na masztach transmisyjnych nie jest wymagana skomplikowana przebudowa. Do aktualizacji potrzebna będzie jedynie aktualizacja oprogramowania.
2.100 MHz (2,1 GHz)
Oprócz pasma 3,6 GHz, wolna pojemność w zakresie 2 GHz (gigaherców) została również sprzedana na aukcji częstotliwości w 2019 roku. Wraz z zakończeniem likwidacji sieci UMTS pod koniec 2020 roku udostępniono zwolnione częstotliwości UTMS dla sieci 5G .
3.600 MHz (3,6 GHz)
Pasmo częstotliwości 3,6 GHz było jednym z najbardziej poszukiwanych pasm częstotliwości do budowy sieci 5G, gdy zostało sprzedane przez Federal Network Agency. Chociaż zasięg w tym paśmie częstotliwości jest raczej niewielki, nadal możliwe jest przesyłanie bardzo dużych ilości danych . Dzięki temu to pasmo częstotliwości jest idealne dla miast.
W zakresie od 700 MHz do 3,6 GHz różne standardy telekomunikacji mobilnej od 2G do 5G aktywnie ze sobą współdziałaj. Coraz więcej użytkowników musi dzielić istniejącą przestrzeń. Może to prowadzić do coraz wolniejszego przesyłania danych. Widać to szczególnie w miejscach takich jak stadiony czy galerie handlowe, gdzie na ograniczonej przestrzeni gromadzi się duża liczba użytkowników ze swoimi smartfonami. Bardzo szybko osiągane są limity wydajności dostawcy sieci.
W przeszłości operatorzy telefonii komórkowej byli zatem zmuszeni do korzystania z coraz wyższych zakresów częstotliwości.
Na przykład LTE wykorzystuje wyższe częstotliwości niż 3G. W przypadku 5G częstotliwości użytkowe również przesunęły się w górę. Aby osiągnąć niezbędną przepustowość dla ogromnych ilości danych w przyszłości, operatorzy sieci zwracają się w stronę mikrofal (mmWave). Czyli do zakresu częstotliwości od 24 do 100 GHz. Umożliwiłoby to gigantyczne transfery danych z prędkością 20 Gbit/s i więcej dla milionów ludzi i ich urządzeń końcowych.
Właściwości fizyczne tych fal początkowo przemawiają jednak przeciwko ich praktycznemu wykorzystaniu. Dzieje się tak dlatego, że im wyższa częstotliwość, tym niższy zasięg. Ponadto przenikanie przez ściany lub budynki jest bardzo słabe lub nawet niemożliwe w tym zakresie częstotliwości. Ze względu na to, że fale są łatwo zasłaniane, połączenie jest możliwe tylko na poziomie pozornym.
Niemniej jednak, jeśli wiele małych inteligentnych komórek radiowych (smart cells) zostanie wykorzystanych w różnych lokalizacjach radiokomunikacji mobilnej, zamiast jednego dużego masztu radiowego, problemy te można łatwo rozwiązać. Podobnie jak w przypadku routerów WLAN, urządzenia mogłyby być montowane wewnątrz budynków lub na zewnątrz na latarniach.
Inne innowacyjne koncepcje, takie jak kształtowanie wiązki (wpływające na charakterystykę promieniowania) i techniki MIMO (wykorzystanie kilku anten nadawczych i odbiorczych w jednym systemie transmisji) również pomagają zmniejszyć wady mmWave. Kolejna zaleta: ponieważ smartfony są zawsze w bezpośrednim sąsiedztwie użytkownika, moc nadawcza telefonu, a tym samym zużycie energii, są zmniejszone.
Planowanie emisji fal milimetrowych
Obecnie jednak technologia mmWave nie jest jeszcze przedmiotem zainteresowania komunikacji mobilnej. Wynika to z faktu, że nadajniki komórek radiowych muszą być połączone za pomocą kabla światłowodowego, aby umożliwić szybką transmisję danych, np. z Internetu. Wprowadzenie technologii mmWave jest jednak tylko kwestią czasu.
Jak już wspomnieliśmy, w standardzie telekomunikacji mobilnej 5G dostępne są różne pasma częstotliwości. To, które częstotliwości zostaną wykorzystane, ostatecznie zależy od oczekiwań użytkownika.
Obszary wiejskie
Na obszarach wiejskich o małej gęstości zaludnienia dostawcy sieci skupiają się głównie na zasięgu. Tutaj idealnie sprawdza się pasmo częstotliwości 700 MHz, ponieważ umożliwia duży zasięg wynoszący kilka kilometrów.
Małe miasteczka lub strefy handlowe
W przypadku obszarów o ograniczonej wielkości wykorzystywane są pasma częstotliwości 2,1 GHz i 3,6 GHz . Połączenie dużego zasięgu (częstotliwość 2,1 GHz) i dużej prędkości transmisji (częstotliwość 3,6 GHz) umożliwia doskonałe pokrycie.
Duże miasta
W dużych miastach preferowane jest pasmo częstotliwości 3,6 GHz. Krótszy zasięg jest kompensowany przez odpowiednio dużą liczbę komórek radiowych. Dzięki temu duża przepustowość jest dostępna dla wielu użytkowników.
Centra handlowe, stadiony, kompleksy przemysłowe
Gdy wiele osób potrzebuje szybkiego Internetu w tym samym czasie, zakres częstotliwości fal milimetrowych jest idealny. Przemyślane rozmieszczenie komórek radiowych i ukierunkowane kształtowanie wiązki umożliwia optymalny zasięg i wysoką szybkość transmisji danych.
To tylko kilka przykładów z szerokiego zakresu zastosowań. W zależności od wymagań, stosowane zakresy częstotliwości mogą się różnić, a nawet być łączone.
Mimo że świetlane czasy, które obiecują nam reklamy, nie są obecnie tak kolorowe, w standardzie łączności komórkowej 5G wciąż tkwi duży potencjał. Dlatego też wszyscy operatorzy telefonii pracują na pełnych obrotach, aby wyposażyć swoje sieci w nową technologię. W szczególności stosunkowo prosta transformacja urządzeń LTE 700 MHz pomogła w szybkim rozszerzeniu ogólnokrajowego zasięgu sieci 5G. Obecny rozwój jest zdecydowanie ekscytujący i pozostanie interesujący w przyszłości ze względu na wprowadzenie technologii fal milimetrowych.