Sieć 5G – o co chodzi w tej technologii?

5G to piąta generacja sieci komórkowych. Nie chodzi w niej wyłącznie o szybsze pobieranie plików, lecz także o większą pojemność, obsługę wielu urządzeń jednocześnie i krótszy czas reakcji. Technologia rozwija się jako następny etap sieci 4G LTE, a jej pełne możliwości zależą od architektury, częstotliwości oraz zasięgu.

Dlaczego 5G jest potrzebne?

Sieci 4G LTE nadal dobrze obsługują rozmowy, streaming i codzienne korzystanie z internetu. Problem pojawia się wtedy, gdy w jednym miejscu z siecią łączy się bardzo wiele osób i urządzeń. Smartfony to tylko część tego ruchu. Do sieci trafiają także zegarki, czujniki, samochody, urządzenia przemysłowe i elementy infrastruktury miejskiej.

Trzeba przy tym rozróżnić dwie rzeczy. Prędkość mówi o tym, jak szybko pojedynczy użytkownik pobiera dane. Pojemność sieci określa, ilu użytkowników i urządzeń może korzystać z niej równocześnie bez wyraźnego pogorszenia działania. Właśnie ten drugi parametr ma duże znaczenie w zatłoczonym centrum miasta, na stadionie czy w fabryce.

Można porównać sieć do autostrady. Szybsze samochody skracają czas przejazdu, ale nie rozwiążą problemu korków, jeśli droga ma zbyt mało pasów. 5G ma zapewnić zarówno szybszy „ruch”, jak i więcej pasów dla wielu połączeń:

• Internet Rzeczy – komunikacja dużej liczby czujników i urządzeń bez stałej ingerencji człowieka.
• Przemysł – sterowanie robotami, monitorowanie maszyn i wymiana danych w zakładach produkcyjnych.
• Transport – komunikacja między pojazdami, infrastrukturą drogową i systemami bezpieczeństwa.
• Usługi publiczne – zarządzanie oświetleniem, ruchem ulicznym oraz innymi elementami inteligentnego miasta.

Jak działa 5G w praktyce?

Podstawowa zasada pozostaje podobna jak w 4G. Stacje bazowe wysyłają i odbierają dane za pomocą fal radiowych, a telefon lub inne urządzenie łączy się z najbliższą dostępną komórką sieci. Różnica polega na wykorzystaniu nowych zakresów częstotliwości, bardziej zaawansowanych anten i innej architektury sieci.

Częstotliwość wpływa na kompromis między zasięgiem a przepustowością. Niższe pasma łatwiej pokrywają duży obszar i lepiej przenikają do budynków. Wyższe częstotliwości mogą udostępnić więcej zasobów, ale ich zasięg jest krótszy i są bardziej podatne na przeszkody. Zakresy określane jako mmWave, na przykład około 26–28 GHz, sprawdzają się przede wszystkim w lokalnych, mocno obciążonych obszarach.

Ważną rolę odgrywa Massive MIMO. Stacja bazowa korzysta z wielu elementów antenowych, dzięki czemu może równocześnie wysyłać i odbierać więcej strumieni danych. To tak, jakby autostrada otrzymała więcej pasów, a każdy z nich mógł obsługiwać inny kierunek ruchu.

Drugim mechanizmem jest beamforming, czyli formowanie wiązki. Zamiast rozsyłać sygnał jednakowo we wszystkich kierunkach, antena dostosowuje transmisję do położenia konkretnego urządzenia. Pozwala to lepiej wykorzystać energię radiową i ograniczać zakłócenia. W praktyce wiązka może zmieniać kierunek, gdy użytkownik się przemieszcza.

Wydajność zależy także od sieci rdzeniowej. Rozproszone serwery i przetwarzanie danych bliżej użytkownika skracają drogę, którą muszą pokonać informacje. W sieciach przeznaczonych dla różnych zastosowań można również wydzielać logiczne segmenty, czyli stosować network slicing. Taki segment może mieć inne wymagania niż zwykły dostęp do internetu, na przykład priorytet wysokiej niezawodności.

Najważniejsze różnice między generacjami można ująć następująco:

Opóźnienie, nazywane też latency, to czas potrzebny na przesłanie informacji i reakcję drugiej strony. Nie jest tym samym co prędkość pobierania. Niskie opóźnienie ma znaczenie w sterowaniu maszyną, grze sieciowej czy komunikacji systemów bezpieczeństwa, ponieważ urządzenie szybciej otrzymuje odpowiedź.

5G a rzeczywistość – NSA i SA

Pierwsze wdrożenia 5G często działają w trybie NSA, czyli Non-Standalone. Oznacza to, że część radiowa 5G współpracuje z istniejącą infrastrukturą 4G LTE. Telefon może korzystać z 5G do przesyłania danych, ale sieć 4G nadal odpowiada za część sygnalizacji i zarządzania połączeniem.

Ta warstwa LTE jest potocznie nazywana „nogą LTE” albo kotwicą LTE. W technicznym ujęciu urządzenie może utrzymywać połączenie z obiema warstwami jednocześnie. Taką konfigurację określa się jako Dual Connectivity, a w określonych wdrożeniach jako EN-DC. Gdy sygnał 5G słabnie lub znika, transmisja może przejść na 4G, dzięki czemu połączenie nie musi zostać przerwane.

Dlatego symbol 5G na telefonie nie oznacza, że cała infrastruktura jest już niezależną siecią piątej generacji. Docelowy model SA, czyli Standalone, wykorzystuje własną sieć radiową i rdzeniową 5G. Ułatwia to stosowanie niskich opóźnień, wydzielonych segmentów sieci oraz usług przeznaczonych dla przemysłu i urządzeń IoT.

Przełączanie między 4G a 5G jest więc normalnym skutkiem warunków radiowych i sposobu wdrożenia. Telefon wybiera warstwę, która w danym miejscu zapewnia najlepsze połączenie. Wysoka częstotliwość może zaoferować większą przepustowość, ale jej zasięg będzie zwykle mniejszy niż w paśmie przeznaczonym do szerokiego pokrycia.

Co 5G zmienia dla użytkownika?

Dziś najbardziej odczuwalną korzyścią może być stabilniejsze działanie internetu w miejscach, gdzie wiele osób korzysta z sieci jednocześnie. Sama wyższa prędkość nie zawsze będzie widoczna, jeśli ograniczeniem okaże się zasięg, urządzenie albo obciążenie konkretnej stacji.

W dłuższej perspektywie znaczenie 5G wykracza poza smartfony. Połączenie większej pojemności, niższych opóźnień i elastycznej architektury tworzy podstawę dla automatyzacji przemysłu, rozbudowanego Internetu Rzeczy oraz usług wymagających szybkiej wymiany danych. 5G jest więc przede wszystkim rozbudową infrastruktury komunikacyjnej, a szybszy internet stanowi tylko jeden z jej efektów.