5G – rewolucja czy ewolucja?

Tocząca się obecnie emocjonalna dyskusja na temat skutków, jakie spowoduje wprowadzenie technologii 5G skłania do postawienia zasadniczego pytania: dlaczego właśnie piąta generacja prowadzić będzie do depopulacji naszego społeczeństwa? Przed nią w telekomunikacji wprowadzono cztery generacje i żadna z nich nie wywołała tak silnego odzewu społecznego. Aby zrozumieć czym jest 5G należy zrobić krótki przegląd poszczególnych generacji.

Zarys rozwoju telefonii komórkowej

Telefonia komórkowa jest wytworem inżynierii telekomunikacyjnej i jej początki datuje się na się końcówkę XIX wieku, kiedy to Heinrich Rudolf Hertz przeprowadzał swoje  eksperymenty z bezprzewodowym przekazem sygnału. W grupie twórców inżynierii telekomunikacyjnej należy umieścić Nikolę Teslę i Guglielmo Marconiego, twórców bezprzewodowych przekazów sygnałów radiowych. W XX wieku telekomunikacja rozwijała się bardzo dynamicznie: od przekazów głosu (radio), obrazu (telewizja), poprzez monitorowanie ruchu obiektów (radar), do wyrafinowanych technologii telekomunikacyjnych, jaką jest technologia 5G.

Twórcą telekomunikacji był jednak tak naprawdę James Clerk Maxwell, który matematycznie przewidział generację fali elektromagnetycznej (prąd przesunięcia, displacement current). Chichotem historii jest to, że organizacje, obwiniające fale elektromagnetyczne za zło cywilizacyjne, posługują się jego osobą w nazwach swoich instytucji…

Telefonia komórkowa pierwszej generacji – 1G

Pomysł stworzenia powszechnego systemu komunikacji radiowej pojawił się już w latach 40. XX wieku w laboratoriach firmy Bell Telephone Company w USA. Standardy transmisji analogowej zostały opracowane w początkach lat osiemdziesiątych. Opracowano wtedy kilka niekompatybilnych ze sobą systemów analogowych. Największe znaczenie odegrały jednak dwa z nich:

  • skandynawskiNMT (Nordic Mobile Telephone System), system wykorzystywany m.in. w krajach skandynawskich, wschodniej i centralnej Europie oraz w Rosji
  • opracowany w USA, AMPS (Advanced Mobile Phone System), znany w Europie jako TACS (Total Access Communications System)

Zastosowanie technologii analogowej pociągało za sobą szereg wad takich, jak niski poziom bezpieczeństwa sieci, możliwość indukowania błędów w przekazie, znikome  możliwości transmisji danych czy ograniczony roaming międzynarodowy. Największy rozwój telefonii pierwszej generacji nastąpił w latach 90. XX wieku w Finlandii i Szwecji, gdzie gęstość abonentów wynosiła ok. 5%. W innych krajach gęstość nie przekraczała 2%.

W czerwcu 1992 w Polsce powstała sieć Centertel. Była i jest to jedyna sieć komórkowa pierwszej generacji w systemie NMT w naszym kraju. Na rys.1 pokazany jest terminal działający w 1G. W żadnej z następnych generacji takie telefony się nie pojawiały. Zatem to przejście z 1G na 2G, przynajmniej w obszarze terminali, można uznać za rewolucyjne.

Rys.1 Telefon komórkowy w technologii 1G (analogowy)

Telefonia komórkowa drugiej generacji – 2G

Sieć 2G została wprowadzona po raz pierwszy na początku lat 90. XX wieku. Jest to pierwsza technologia komórkowa bazująca na sygnale cyfrowym. Przejście z przekazu analogowego na cyfrowy stanowiło swoistą rewolucję technologiczną – zmiana przekazu spowodowała przede wszystkim usunięcie niedostatków sieci analogowej 1G, dzięki czemu ta ostatnia została skutecznie wyparta z rynku telekomunikacyjnego. Oprócz zlikwidowania wad sieci 1G, związanych ogólnie z przekazem analogowym, sieć 2G wniosła istotną nowość, jaką była możliwość nadawania i odbierania krótkich wiadomości tekstowych SMS (ang. Short Message Service). Możliwość przesyłania wiadomości pojawiła się w wyniku wzrostu szybkości przesyłu informacji do kilkudziesięciu kb/s. W świetle dzisiejszej technologii telekomunikacyjnej prędkości te wydają się śmiesznie małe, ale wysyłanie wiadomości tekstowych było istotnym krokiem naprzód. Sieć 2G jest w niektórych miejscach wciąż aktywna, z czasem planuje się jednak jej całkowite wyłączenie.

Najpopularniejszym (do dziś) standardem drugiej generacji jest GSM (ang. Global System for Mobile Communications, fran. Groupe Spécial Mobile). W założeniu, w systemie drugiej generacji dominującą miała być usługa głosowa. Następnym etapem rozwoju telefonii komórkowej było wprowadzenie pakietowego przesyłania danych – tę generację określa się mianem 2.5G. Wprowadziła ona standardy GPRS (General Packet Radio Service), a później EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) – technika związana z pakietowym przesyłaniem danych w sieciach GSM. Oferowana w praktyce prędkość transmisji rzędu 30-80 kb/s dla GPRS i około 200-400 kb/s dla EDGE umożliwia korzystanie z Internetu lub z transmisji strumieniowej audio/wideo. Użytkownik płaci w niej za faktycznie wysłaną lub odebraną ilość bajtów, a nie za czas, w którym połączenie było aktywne. GPRS i EDGE nazywane są często technologią 2.5G, ponieważ stanowią istotny element ewolucji systemu GSM (jako telefonii komórkowej drugiej generacji) do sieci w standardzie 3G, umożliwiając korzystanie z Internetu.

Telefonia komórkowa trzeciej generacji – 3G

Początek pierwszej dekady XXI wieku przyniósł kolejną generację w telekomunikacji, technologię 3G. To, co odróżniało ją od technologii 2G to szybkość transmisji danych. W sieciach 2G osiągała ona szybkość kilkudziesięciu kb/s, a w późnych wersjach sieci 3G transmisja danych może odbywać się z prędkością przekraczającą nawet 40 Mb/s. Taka szybkość transmisji umożliwiła płynną łączność z internetem. W tym czasie rozpowszechnione zostały jednocześnie tzw. smartfony.

Nie ma jednak róży bez kolców – szybko zauważono, że sieć 3G nie jest tak wydajna, jak zakładano, a dodatkowo bardzo wysoki koszt instalacji i utrzymania infrastruktury sprawiał, że dalszy rozwój był mocno utrudniony. Szybko więc zaczęto prace nad kolejną generacją, którą po raz pierwszy uruchomiono już w 2009 roku. Nie ulega jednak wątpliwości, że sieć 3G, z której powszechnie korzysta się do dziś, była jednym z motorów napędowych rewolucji internetowej w komórkach. Dziś trudno sobie wyobrazić sytuację, w której nie można prawdzić maila w telefonie, wejść na portale społecznościowe czy po prostu przejrzeć kilku stron internetowych. Z punktu widzenia użytkownika, sieć 3G nadal jest bardzo funkcjonalna i pozwala na komfortowe korzystanie z telefonu do różnych celów.

Obowiązującym standardem trzeciej generacji jest UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Sieci budowane na bazie tego standardu oferują swoim użytkownikom możliwość wykonywania połączeń głosowych, wideorozmów, wysyłania wiadomości tekstowych oraz przesyłania danych.

Telefonia komórkowa czwartej generacji – 4G

Komercyjne działanie sieci 4G rozpoczęło się około 2008 – 2009 roku. Technologia 4G zapewnia znacznie większą szybkość transmisji danych: prędkość mobilnego internetu przekracza 100 Mb/s, a wysyłanie pakietów odbywa się z prędkością powyżej 25 Mb/s. Technologia 4G pozwala zatem na szybki dostęp do Internetu, dedykowaną telefonię oraz dostęp do nowoczesnych serwisów multimedialnych.

W porównaniu do sieci 3G telefonia komórkowa czwartej generacji odznacza się wieloma zaletami, m.in. 10-krotnie szybszym czasem reakcji czy ograniczeniem pojawiania się przestojów i błędów.

Wiodącym standardem bezprzewodowej transmisji danych w technologii 4G jest LTE (Long Term Evolution) – z jednej strony kontynuator systemu UMTS, a z drugiej technologia, w której zastosowano odmienne podejście do wykorzystania cennych zasobów, jakimi są częstotliwości radiowe. Głównymi celami nowego standardu jest zwiększenie możliwości telefonii komórkowej poprzez zwiększenie prędkości przesyłania danych, zmniejszenie opóźnień, zwiększenie efektywności spektralnej łączy radiowych, zmniejszenie kosztów transmisji danych oraz uproszczenie architektury.

Telefonia komórkowa piątej generacji – 5G

Jako nowy etap w rozwoju sieci telekomunikacyjnych 5G powinno spełniać założenia Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU – International Telecommunication Union). Założenia te zawierają wymagania na parametry wydajnościowe, jak i zastosowania, które system piątej generacji musi być w stanie obsłużyć.

Kluczowe wymagania wydajnościowe zdefiniowane przez ITU dla sieci 5G:

  • Przepływność do 20 Gb/sw łączu do terminala (downlink)
  • Przepływność do 10 Gb/s w łączu do sieci (uplink)
  • Opóźnienia na poziomie kilku ms

Pierwsza wersja standardu sieci 5G została zamieszczona w 3GPP Release 15 (3G Partnership Project). 3GPP to wspólny projekt kilku organizacji standaryzacyjnych mający na celu rozwój systemów telefonii komórkowej trzeciej generacji – 3G. W tym fakcie najlepiej ujawnia się cecha kontynuacji telefonii komórkowej. 3GPP podzieliło potencjalne częstotliwości dla 5G na tzw. pasma niskie i wysokie, a wartość graniczna została ustalona na 6 GHz. Jednocześnie wszystkie możliwe do wykorzystania przy budowie sieci 5G pasma zostały zapisane w standardzie 3GPP TS 38.101-1 dla pasm poniżej 6 GHz oraz 3GPP TS 38.101-2 dla pasm powyżej 6 GHz.

5G na świecie

Intensywny rozwój sieci 5G rozpoczął się w 2017 roku, kiedy firmy Telia, Ericsson i Intel uruchomiły pierwsze testy 5G w Estonii i Szwecji. Testy dotyczyły Tallinna i Sztokholmu. Z kolei prezes Grupy Orange w grudniu 2018 zapowiedział, że na kolejny rok planowanych jest 17 komercyjnych wdrożeń sieci 5G w sieciach należących do Orange.

Unia Europejska planuje wykorzystywać do tego w pierwszej kolejności pasma: 700 MHz, 3,4–3,8 GHz i 26 GHz. Pasmo 700 MHz ma zostać udostępnione na potrzeby szerokopasmowych usług internetowych do czerwca 2020 roku (najpóźniej do czerwca 2022). Według Komisji Europejskiej, wprowadzenie technologii 5G wygeneruje powstanie dwóch milionów miejsc pracy w krajach UE.

5G w Polsce

Ministerstwo Cyfryzacji w styczniu 2018 roku zasugerowało Łódź, jako miasto pionierskie we wdrożeniu sieci 5G. Efektem wdrożeń pierwszych sieci 5G będzie wprowadzenie usług takich, jak: inteligentne budownictwo, sterowanie dostępnością parkingów, elektroniczny system sterowania ruchem oraz monitorowanie on-line jakości powietrza.

Pierwsze testy w warunkach miejskich zostały przeprowadzone we wrześniu 2018 roku przez Orange Polska we współpracy z Huawei w Gliwicach. W kolejnych miesiącach kontynuowano testowanie sieci, co w grudniu 2018 doprowadziło do testowego uruchomieniu pierwszej w Polsce komercyjnej stacji 5G zgodnej z 3GPP Release 15.

Z kolei 7 grudnia 2018 w Warszawie T-Mobile uruchomił pierwszą w Polsce w pełni funkcjonalną instalację 5G, składająca się z pięciu stacji bazowych, pracujących w paśmie 3,5 GHz o szerokości kanału 100 MHz.

Odpowiedź na zwiększone zapotrzebowanie

Przedstawiony powyżej rozwój sieci teleinformatycznych wskazuje na to, że wprowadzenie kolejnych rozwiązań technologicznych w telefonii komórkowej stanowi odpowiedź na zwiększone zapotrzebowanie odbiorców na wygodniejsze i bardziej funkcjonalne narzędzie. Technologia 4G służyła światu dobrze przez wiele lat i część funkcji przewidzianych w technologii 5G jest już skutecznie realizowanych w standardzie 4G.

Okazuje się jednak, że powstające nowe technologie w komunikacji, jak pojazdy autonomiczne, powiększanie się zakresu usług stojących przed internetem rzeczy, czy wreszcie potrzeba odbioru bardzo dużych zbiorów, szczególnie w obszarze medialnym, spowodowało, że system 4G z czasem okaże się niewydolny i zaistniała potrzeba wprowadzenia nowych rozwiązań, odpowiadających, wspomnianym wyżej, potrzebom i wyzwaniom.

W ten sam sposób jak kolejne generacje zastępowały swoje poprzedniczki, tak technologia 5G zastąpić ma 4G. Nie wydaje się zatem uzasadnione nadawanie technologii 5G demonicznych atrybutów, ale za to jest czymś oczywistym, że podniesiony zostanie poziom jakości życia, podobnie jak to było przy wprowadzaniu każdej kolejnej generacji. I tak jak ludzie zżywali się z poprzednimi generacjami telefonii komórkowej, tak i będą korzystać z dogodności, jakie niesie technologia 5G.

Sieć 5G ma być częściowo wprowadzana w początkach trzeciej dekady XXI wieku, a uczeni i inżynierowie pracują już nad technologią 6G. Przewiduje się, że z tą technologią spotkamy się już na przełomie trzeciej i czwartej dekady XXI wieku. Informacje o prowadzonych pracach można znaleźć na stronie: http://ptze.pl/elektrofakty/?article=technologia-6g-niedaleka-przyszlosc.

Odpowiadając na tytułowe pytanie: rewolucja czy ewolucja? można stwierdzić, że system 5G jest naturalnym etapem w rozwoju telefonii komórkowej i pomimo tego, że pewne rozwiązania techniczne mogą być uznane za nowatorskie, to 5G wiele przejmuje z dorobku poprzednich generacji. Zatem mamy do czynienia z EWOLUCJĄ.