Czym jest 5G i jak zmieni świat?

Sieć komórkowa piątej generacji jest określana jako 5G. Jest to zupełnie nowa, wszechstronna technologia bezprzewodowa, która jest kompatybilna z sieciami 1G, 2G, 3G i 4G. Sieć 5G jest w drodze do reprezentowania następnej generacji bezprzewodowych sieci komórkowych, poza obecną 4G Long Term Evolution (LTE). Oczekuje się, że będzie ona oferować wyższe szybkości transmisji danych 1-10 Gb/s, większą szerokość pasma 4000 Mb/s, opóźnienia mniejsze o 1 ms, efektywność energetyczną 90%, niezawodność 99,9%, pojemność danych mobilnych 10 Tb i dłuższą żywotność baterii niż sieci 4G. Dzięki unikalnym usługom szerokopasmowego przesyłu danych i aplikacjom działającym w czasie rzeczywistym, 5G obiecuje sprostać stale rosnącym wymaganiom użytkowników, zapewniając miliardy niezawodnych połączeń i masową komunikację Internet-of-Things (IoT) comm. Będzie w stanie zintegrować wiele nowoczesnych technologii i technik, których poprzednie generacje nie mogły obsługiwać ze względu na ich ograniczoną pojemność i kompatybilność.

Kto wynalazł i posiada 5G

5G jest częścią ewolucyjnej podróży komórkowych sieci bezprzewodowych. Nie została wynaleziona ani nie jest własnością żadnej konkretnej firmy lub kraju, a raczej jest wynikiem wysiłku włożonego przez różnych badaczy, producentów i dostawców usług. 3^rd Generation Partnership Project (3GPP) jest organizacją odpowiedzialną za definiowanie specyfikacji każdej technologii komórkowej, w tym 5G. Odgrywa ona znaczącą rolę w projektowaniu sieci 5G, biorąc pod uwagę technologię interfejsu radiowego, standardy komunikacji co1TP15, widmo, warstwy usług itp. Jednak branża telekomunikacyjna w każdym kraju stara się być pierwszą, która ogłosi pełne komercyjne wdrożenie sieci 5G zgodnie ze standardami zdefiniowanymi przez 3GPP.

Jak działa 5G?

Początkowo sieć 5G jest wdrażana w istniejących sieciach 4G dla podstawowych uruchomień komercyjnych. Ta część standardu sieci 5G nosi nazwę Non-Standalone (NSA). Jest to jak dodatkowy szybki kanał danych dołączony do istniejącej infrastruktury 4G LTE w celu zarządzania płaszczyzną sterowania i dużym ruchem. Wraz z ewolucją technologii 5G, pojawi się nowa architektura rdzenia 5G i będzie obsługiwać całą sieć samodzielnie, określaną jako sieć 5G Standalone (SA).

Technologia i zasady działania 5G są takie same jak 4G LTE, ale bardziej ulepszone. Podobnie jak 4G, 5G wykorzystuje technikę Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) do szybkiej i zasobooszczędnej transmisji i odbioru danych. Innowacyjne i ulepszone usługi sieciowe 5G wynikają z nowego radia (NR), które jest bardziej elastycznym, wydajnym, skalowalnym i rozszerzalnym interfejsem radiowym. Zapewnia on szybkie mobilne usługi szerokopasmowe, które znacznie poprawiają wrażenia użytkownika i jakość usług (QoS).

Architektura sieci 5G

Architektura sieci 5G składa się z dwóch głównych części:

1. Sieć dostępu radiowego (RAN): 

RAN obejmuje część dostępową sieci, która obejmuje małe komórki, makrokomórki, stacje bazowe (eNB), sprzęt komórkowy oraz sprzęt budowlany i domowy, które są wykorzystywane do przesyłania danych użytkownika do sieci rdzeniowej. 5G poprawi łączność z użytkownikami brzegowymi, wdrażając różne małe komórki, femto-komórki, pikokomórki i mikrokomórki nad warstwą makrokomórek, zapewniając silny zasięg sieci i wypełniając dziury, zwłaszcza na brzegu komórki. Te małe komórki będą działać w paśmie częstotliwości fal milimetrowych (mmWave), nowej funkcji 5G, która będzie przydatna w lokalizacjach wymagających krótszego zasięgu sygnału, takich jak stacje robocze.

Makrokomórki będą działać w taki sam sposób jak w 4G LTE, jednak ich poziom wydajności wież zostanie poprawiony dzięki technologii multiple-input-multiple-output (MIMO). Jak sama nazwa wskazuje, MIMO składa się z dużej liczby anten umożliwiających jednoczesne nadawanie i odbieranie wielu sygnałów. Masywna konstrukcja anteny zapewnia liczne korzyści użytkownikom i dostawcom usług, takie jak łączność większej liczby użytkowników, lepsze wykorzystanie zasobów sieci, szybszy dostęp, lepsze zarządzanie ruchem danych i mniejsze opóźnienia.

2. Sieć podstawowa:

Sieć rdzeniowa 5G jest projektowana w taki sposób, że będzie w stanie zintegrować wiele innowacyjnych technologii opartych na chmurze, dzięki którym użytkownicy pozostaną wirtualnie połączeni ze sobą i będą zarządzać wszystkimi swoimi danymi i operacjami przez Internet z szybszą reakcją i mniejszym wskaźnikiem utraty danych. Sieć rdzeniowa 5G obejmuje również rozproszone serwery, świadczące usługi natychmiastowo z mniejszymi opóźnieniami. Sieć rdzeniowa jest również odpowiedzialna za zarządzanie podstawowymi funkcjami 5G, w tym wirtualizacją funkcji sieciowych (NFV), siecią definiowaną programowo (SDN) i cięciem sieci.

Jakie są pasma częstotliwości 5G na świecie?

Przedstawiliśmy jakie są pasma częstotliwości 5G w szczegółach wcześniej, obecnie działające pasma częstotliwości 4G LTE wynoszą do 6 GHz. Jednak technologia 5G będzie mogła działać w paśmie częstotliwości od 30 GHz do 300 GHz. Jest to powód superszybkiej prędkości sieci i stałej łączności. Jednak początkowe pasmo częstotliwości dla 5G wynosi poniżej 6 GHz, w szczególności od 3,3 GHz do 3,8 GHz. Technologia mmWave 5G będzie działać powyżej 6 GHz, w zakresie od 26 GHz do 28 GHz. mmWave zapewni krótszy zasięg i większą pojemność, aby zapewnić maksymalną liczbę użytkowników z niezaprzeczalnie lepszą wydajnością niż poprzednie sieci komórkowe. Co więcej, według niektórych badań, 5G będzie również ponownie wykorzystywać istniejące pasma niskich częstotliwości w przyszłości, ponieważ wykorzystanie konwencjonalnych sieci zmniejsza się z powodu ich niezdolności do obsługi aplikacji i usług nowej generacji.

Kluczowe cechy 5G

5G będzie erą łączności, w której wszyscy i wszystko będzie ze sobą połączone, w tym ludzie, urządzenia, przedmioty i maszyny. Ta nadchodząca technologia składa się z wielu funkcji, które są kluczowymi czynnikami wpływającymi na jej wysoką wydajność i efektywność. Omówmy szczegółowo, czym są te funkcje:

1. Massive MIMO

Jest to jedna z istotnych cech sieci 5G, która umożliwia jednoczesną obsługę wielu transmisji i odbiorów danych za pośrednictwem dużej liczby anten. Rozmiar masywnej anteny MIMO jest podobny do konwencjonalnych anten 3G lub 4G, ale jej możliwości będą znacznie wyższe w porównaniu do nich. Obejmuje wyższy zakres częstotliwości Sub-6 GHz (taki jak 3,5 GHz) i zapewnia duży zysk multipleksowania, aby osiągnąć większą pojemność i niezawodną łączność.

2. Sub-6 GHz

Częstotliwość poniżej 6 GHz obejmuje częstotliwości średniego pasma, takie jak Wi-Fi, w zakresie od 3 do 6 GHz. Anteny sieci 5G będą głównie wykorzystywać to widmo średniego zasięgu, ponieważ umożliwia ono małym komórkom świadczenie usług wewnątrz pomieszczeń, a także potężnym ewolucyjnym NodeB (eNB) w celu spełnienia wymagań dotyczących zasięgu zewnętrznego. Technologia 5G, obejmująca większe odległości, będzie działać w niskim paśmie częstotliwości, takim jak poniżej 800 MHz.

3. Kształtowanie wiązki

Wśród wielu innych skutecznych technologii 5G, formowanie wiązki odgrywa kluczową rolę w umożliwieniu sieci maksymalnego wykorzystania jej potencjału. Umożliwia on kierunkowym antenom 5G przesyłanie wąskich wiązek kierunkowych w kierunku konkretnego urządzenia użytkownika po wybraniu najbardziej wydajnego kanału transmisji danych. Beamforming zmniejsza również zakłócenia z pobliskimi użytkownikami ze względu na skupione wiązki, zapewniając w ten sposób wysokiej jakości usługi i ogólny zasięg sieci. Wykorzystuje on szereg anten fazowych, które skupiają wiązkę w wymaganym kierunku.

4. mmWave

Jak wspomniano wcześniej, mmWave zapewnia bardzo wysoką przepustowość i częstotliwość w zakresie od 17 GHz do 110 GHz. Będąc technologią krótkiego zasięgu, będzie ona wdrażana głównie w gęsto zaludnionych obszarach, aby obsługiwać maksymalną liczbę użytkowników z dużą prędkością i pojemnością oraz łagodzić zakłócenia.

5. Dzielenie sieci

Zdolność sieci 5G do obsługi dużej liczby użytkowników korzystających jednocześnie z różnych usług wynika z podziału sieci na części. Dzielenie sieci tworzy wiele sieci wirtualnych na wspólnej architekturze fizycznej. Te wirtualne sieci są następnie dedykowane określonym użytkownikom, usługom, aplikacjom lub operatorom w zależności od ich wymagań.

6. Wirtualizacja funkcji sieciowych (NFV)

Pozwala to zwirtualizowanemu oprogramowaniu na gotowym sprzęcie commercial zastąpić funkcje sieciowe na dedykowanych urządzeniach, takich jak load balancery, routery i zapory ogniowe. NFV upraszcza funkcje sieciowe i usprawnia projektowanie sieci oraz dostarczanie usług. Umożliwia to dostawcom usług tworzenie takich usług, które generują wyższe przychody i zwiększają produktywność.

7. Sieć definiowana programowo (SDN)

Umożliwia 5G efektywne projektowanie, zarządzanie i kontrolowanie sieci. SDN oddziela płaszczyznę sterowania i płaszczyznę przekazywania sieci, umożliwiając w ten sposób bezpośrednie sterowanie siecią. Mówiąc prościej, płaszczyzna sterowania nie jest już powiązana ze sprzętem sieciowym, a przepływ danych może być kontrolowany zewnętrznie za pośrednictwem jednostki oprogramowania zwanej kontrolerem, zlokalizowanej między urządzeniami sieciowymi a aplikacjami.

Gdzie wykorzystywana jest sieć 5G?

Trzy główne obszary usług 5G obejmują: wzmocniony masowy IoT, mobilny internet szerokopasmowy i krytyczną dla misji kommunikację. 5G jest testowane i wdrażane w wielu dziedzinach w celu zapewnienia różnych aplikacji i zwiększenia wydajności ich pracy. Poniżej przedstawiono niektóre z funkcji 5G:

1. Szybka sieć komórkowa

5G zapewni wyjątkową szybkość transmisji audio i wideo w czasie rzeczywistym. Znacząco zminimalizuje opóźnienia do 1 ms, co jest bardzo ważne dla autonomicznej jazdy i aplikacji o znaczeniu krytycznym. Od produkcji po branżę transportową, każdy obszar będzie działał wydajnie w sieci komórkowej 5G.

2. Internet rzeczy (IoT)

IoT będzie ewoluować z pomocą 5G, ponieważ zapewnia superszybką prędkość i pojemność setkom i tysiącom urządzeń, aby mogły się ze sobą komunikować i pozostawać w kontakcie przez cały czas. 5G IoT poprawi sposób, w jaki ludzie zarządzają swoimi zadaniami osobistymi i zawodowymi. Umożliwi szybkie sieci przemysłowe, strumieniowanie wideo i mobilne przetwarzanie danych. Branże korzystające z 5G IoT obejmują motoryzację, transport, inteligentne miasta, inteligentne fabryki, inteligentne rolnictwo, inteligentne narzędzia, inteligentne sieci, rolnictwo, handel detaliczny, bezpieczeństwo, nadzór i opiekę zdrowotną.

3. Rozrywka i multimedia

5G zapewni wrażenia wideo w ultrawysokiej rozdzielczości z dowolnego miejsca na świecie na urządzeniu mobilnym. Pobieranie filmów 4K nie zajmie dużo czasu, a wydarzenia na żywo będą transmitowane w czasie rzeczywistym, ponieważ 5G jest w stanie zapewnić jakość wideo 120 klatek na sekundę i wyższy zakres dynamiki (HDR) bez buforowania.

Różnice między poprzednimi generacjami sieci komórkowych a 5G?

Sieć komórkowa 1G została wprowadzona w 1984 roku z szybkością transmisji danych 2,4 Kbps. Była to technologia analogowa z podstawową usługą głosową. 2G pojawiła się w 1990 roku z szybkością transmisji danych 64 Kbps. Wprowadziła standardy cyfrowe i została zaprojektowana do obsługi głosu. Następnie w 1998 roku pojawiła się sieć 3G z szybkością transmisji danych 2 Mb/s. Zapewniała użytkownikom usługi głosowe, a także mobilne usługi szerokopasmowe, ale z obniżoną jakością usług. 5G zapewnia znacznie wyższą szybkość transmisji danych i pojemność w porównaniu do poprzednich generacji. Sieć 4G pojawiła się w 2011 roku z szybkością transmisji danych 100 Mbps. Wprowadziła ona protokoły oparte na protokole IP i wysokiej jakości usługi szerokopasmowe. Oczekuje się, że nadchodząca era 5G przewyższy wszystkie poprzednie generacje dzięki superszybkiej szybkości transmisji danych od 10 do 100 Gb/s, wyjątkowo niskim opóźnieniom i wysokiej przepustowości.

Jak szybkie jest 5G?

Prędkość 5G odbierana po stronie użytkownika będzie zależeć od różnych czynników, takich jak lokalizacja użytkownika, urządzenie użytkownika i liczba użytkowników podłączonych do sieci w danym momencie. Jedno jest jednak pewne, szybkość transmisji danych 5G będzie znacznie wyższa niż 4G/4G LTE. 4G obsługuje szczytową szybkość transmisji danych wynoszącą 150 Mb/s i średnią szybkość transmisji danych wynoszącą 10 Mb/s. 4G LTE obsługuje szczytową szybkość transmisji danych od 300 Mb/s do 1 Gb/s i średnią szybkość transmisji danych od 15 Mb/s do 50 Mb/s. Oczekuje się, że 5G będzie obsługiwać do 20 Gb/s szczytowej szybkości transmisji danych i ponad 100 Mb/s średniej szybkości transmisji danych. Oznacza to, że 5G będzie co najmniej 100 razy szybsze niż technologia 4G LTE. Są to jednak teoretyczne szybkości transmisji danych w sieci 5G. Rzeczywiste szybkości transmisji danych będą się różnić w zależności od rozwoju i typu sieci 5G. Według raportu analitycznego Ookla zebranego w drugim kwartale 2022 r., prędkość pobierania 5G w USA wyniosła 187,33 Mb / s osiągnięta przez T-Mobile, będąc na szczycie. Verizon Wireless jest drugi z prędkością pobierania 113,52 Mbps, a AT&T jest trzeci z 71,54 Mbps. W związku z tym oczekuje się, że 5G zajmie trochę czasu i osiągnie tak wysokie wartości szczytowe, ponieważ obecnie znajduje się w początkowej fazie wdrażania.

Czy 5G jest już dostępne?

Chociaż początkowe wdrażanie 5G rozpoczęło się już w wielu krajach rozwiniętych, w tym w Korei Południowej, Chinach, Japonii, Europie i Stanach Zjednoczonych, to jego całkowite wdrożenie komercyjne ma nastąpić do 2025 roku, przy 3,6 miliarda połączeń 5G. Chiny i USA rozwijają wdrażanie 5G w znacznie szybszym tempie niż inne kraje.

Wnioski

5G obiecuje zrewolucjonizować świat communication dzięki szybkiej łączności i innowacyjnym technologiom, których wcześniej nie było. Przybliży ludzi do siebie i zmieni metodologię pracy w każdej dziedzinie, czyniąc ją bardziej wydajną i produktywną.