5G mreža neće promeniti svet - Milan Kragujević
5G mreža neće promeniti svet

5G mreža neće promeniti svet


Propaganda o “5G revoluciji” od strane neinformisanih medija u svetu je dostigla svoj vrhunac, ukazujući na “četvrtu industrijsku revoluciju” uz pametne gradove, telemedicinu, veštačku inteligenciju, samoupravljajuće automobile, omasovljenje minijaturnih bespilotnih letelica, primenu hiperpovezane nanotehnologije u svim sferama života, i slično.

Svima bi trebalo biti jasno da je u pitanju klasično napumpavanje nadolazeće nove tehnologije, i da bi navedeno moglo biti štetno po komercijalizaciju i razvoj 5G mreže (mada, opet, isto je rađeno za 3G mrežu u Srbiji od strane Telekoma Srbija sloganom “Život uživo”, i od strane Telenora sa 4G “Pametnom mrežom”).

U ovom članku želim više da se fokusiram na realna unapređenja koja će 5G tehnologija doneti u naš život.

5G hiper-povezana revolucija

Ne postoji jedna “5G mreža”

“5G”, odnosno tehnologija pete generacije mobilnih ćelijskih mreža, se sastoji iz više standarda (i podstandarda) koji određuju različite prekretnice u razvoju tehnologije. Kao i kod 4G mreže, postojalo je više standarda koji se i danas razvijaju, a omogućavaju veće brzine prenosa podataka, manje kašnjenje, veći kapacitet ćelije i efikasniju upotrebu RF (radio-frekvencijskog) spektra i multipleksing.

3GPP konzorcijum definiše “5G” kao bilo koji sistem komunikacija koji koristi 5G NR (New Radio) radio-pristupni interfejs za komunikacije između ćelije i terminala.

5G NR definiše dve najbitnije podele, na FR 1 (frequency range 1, <6 GHz) i FR 2 (frequency range 2, mmWave tj. 24-100 GHz).

3GPP Release 15, standardizovan u 2018. godini, definiše temelje današnjih 5G mreža, i predstavlja prvu fazu razvoja tehnologije. Release 16 definiše drugu fazu, i biće finalizovan do kraja 2020. godine, a Release 17 dalje razvija definiciju narednih faza i biće objavljen do kraja 2021. godine.

Primena širokog spektra frekventnih opsega kod 5G mreža

U praksi ovo znači da smo u narednom periodu od barem 5 godina ograničeni na prvu fazu razvoja 5G mreža, uzimajući u obzir povećanje kompleksnosti i manju interoperabilnost između 5G i 4G mreža, u poređenju sa uvođenjem 4G tehnologije (koja se do skoro morala oslanjati na 3G za realizaciju glasovnog saobraćaja).

Poređenje frekventnih opsega 5G mreža

Frekventni opsezi

Kao što sam naveo, 5G mreže se pre svega dele na frekventni opseg - odatle potiču i mnoga obećanja revolucije kao i panika i strah oko nekog potencijalnog uticaja na životnu sredinu.

5G tehnologija podržava dva glavna frekventna opsega - FR 1 označen kao “sub-6GHz” (frekvencije ispod 6 GHz) i FR 2 označen kao “mmWave” (millimeter wave, frekvencije između 24-100 GHz).

5G FR 1 (< 6 GHz)

FR 1 predstavlja trenutnu stepen realizacije 5G tehnologije u većini država. Radio talasi [relativno] nižih frekvencija imaju određene prednosti i mane, i imaju svoju upotrebu u razvoju i primeni 5G tehnologije.

Frekvencije ispod 6 GHz pre svega imaju dosta dobru prodornost, tj. sposobnost da se probijaju kroz prepreke kao što su zidovi, staklo, ali takođe i krošnje drveća pa čak i kapljice vode. Trenutna 4G tehnologija (kao i 3G i 2G pre nje) koristi ovaj frekventni opseg za komunikaciju.

Generalno, 4G mreže u svetu imaju jedan opseg nižih frekvencija (u Evropi / LTE-FDD to je 800 MHz, tj. Band 20) i jedan ili više opsega viših frekvencija (npr. 1800 MHz - Band 3 i 2100 MHz - Band 1).

Niskofrekventni opseg pruža veću pokrivenost jer ima veću prodornost i manje slabljenje, ali pruža manji kapacitet (i samim tim i brzinu) u odnosu na visokofrekventni opseg. Visokofrekventni opseg pruža veći kapacitet ali ima manju prodornost i veće slabljenje.

Veći kapacitet kod visokofrekventnog opsega je moguć pre svega zbog većeg propusnog opsega dostupnog za svaku pojedinačnu ćeliju (ovo se označava i kao širina kanala, i kod 4G mreža obično iznosi 20 MHz na višim frekvencijama i 10 MHz na nižim frekvencijama).

5G mreža na telefonu

Bitno je napomenuti i da se veći kapacitet i brzina kod visokofrekventnog opsega realizuju i zato što je domet ćelije smanjen, i samim tim je dostupan kapacitet ćelije (koji je generalno nepromenjiv i iznosi između 150-300 Mbps downlink kapaciteta po sektor anteni) deljen sa manje korisnika. Ovaj način “povećanja” kapaciteta (dodavanjem više ćelija manjeg dometa) je posebno primenjiv kod 5G FR2 mreža.

5G FR1 donosi povećanje brzine i kapaciteta pre svega povećanjem propusnog opsega (širine kanala) sa 20 MHz na vrednosti preko 100 MHz. Dodatno, povećana efikasnost u radio-pristupnom interfejsu 5G NR može u određenim uslovima pružiti veće brzine za isti propusni opseg.

U praksi, ovo znači da (u prvom “talasu”) možemo očekivati brzine između 200-600 Mbps za prenosne terminale na frekvencijama između 2500-3800 MHz. Ovo predstavlja značajno poboljšanje brzine u odnosu na 4G mrežu, gde se brzine kreću između 20-200 Mbps (uz LTE Advanced i Carrier Aggregation), ali svakako ne možemo očekivati gigabitne brzine u stvarnom svetu na prenosnim uređajima.

Primena FR 1 u svakodnevnom životu

Poboljšanja koja donosi 5G FR1 će se u svakodnevnom životu odraziti u većoj prosečnoj brzini prenosa podataka, kao i veći kapacitet usluge što će poboljšati sveobuhvatno korisničko iskustvo.

U praksi ovo znači da ćete primetiti poboljšanje samo u urbanim naseljima koja imaju veliki broj stanovnika i upotrebe mobilnog Interneta a mali broj baznih stanica. Ukoliko sada imate malu brzinu Interneta (~ 20 Mbps) preko dana, dok noću imate znatno veću brzinu (npr. 100 Mbps oko 4h ujutru), putem 5G mreže ćete imati veću brzinu u intervalima sa najviše saobraćaja tj. najvećim zauzećem kapaciteta, ali će maksimalna brzina ostati realtivno nepromenjena, uz eventualno dupliranje (npr. sa 100 Mbps na 200 Mbps).

Domet 5G FR1 mreže varira u zavisnosti od konkretne frekvencije koja se koristi na određenoj ćeliji, ali bi trebao biti sličan dometu 4G mreže, uz smanjenje na višim frekvencijama oko 3 GHz.

Prezentacija Qualcomm Snapdragon Summit

5G FR 2 (mmWave)

Gigabitne brzine, hiper-povezane pametne gradove, samoupravljajuće automobile i bespilotne letelice, i slična obećanja mogu biti realizovani samo preko visokofrekventnih talasa koje koristi 5G FR 2 (“mmWave”).

FR 2 obuhvata nekoliko frekventnih opsega, između 26 GHz i 41 GHz (u planu je korišćenje frekvencija iznad 50 GHz). Dostupne širine kanala u navedenim opsezima se kreću od 50 MHz do čak 400 MHz (što predstavlja 20x više RF kapaciteta u odnosu na 4G LTE mrežu i između 4-8x više kapaciteta od 5G FR 1).

Novi mmWave frekventni opseg predstavlja neiskorišćen RF spektar sa velikim kapacitetom, koji će omogućiti izuzetno visoke brzine prenosa podataka i drastično veći kapacitet ćelija mreže, što će poboljšati kvalitet usluge svim korisnicima.

Međutim, FR 2 ima jednu veliku manu koja dolazi od činjenice da su u pitanju radio talasi izuzetno visoke frekvencije, a to je niska prodornost. mmWave talasi ne mogu da prodiru kroz zidove, vodu (uključujući i kapljice kiše), organsku materiju (npr. lišće drveća), staklo, itd. Ovo znači da će za rasprostanjivanje 5G FR 2 mreža biti neophodan drastično veći broj baznih stanica (tzv. male “picocell” ćelije koje se nalaze unutar objekata i na uličnoj rasveti, zgradama, manjim objektima, itd.)

Postavljanje ovoliko baznih stanica predstavlja znatan finansijski izdatak za mobilne operatere, ne samo zbog cene same opreme, već i neophodnih dozvola za postavljanje opreme i zakup prostora, kao i troškove stvaranja backbone mreže i sprovođenje optičkih kablova do velikog broja pristupnih tačaka.

Poređenja radi, zbog relativno niskih brzina, veliki broj 4G baznih stanica nema direktnu vezu sa CORE mrežom putem optičkih kablova već se oslanjaju na bežičnu mikrotalasnu vezu sa drugim baznim stanicama, što neće biti dovoljno za 5G brzine koje prevazilaze 10 Gbps ukupnog kapaciteta po baznoj stanici.

Dodatni otežavajući faktor za rasprostranjivanje 5G mmWave mreža predstavlja i mogući uticaj na životnu sredinu i zdravlje ljudi, što je u poslednje vreme izazvalo značajnu paniku u širon javnosti, pospešeno anti-naučnim teorijama zavere o takozvanoj povezanosti 5G mreža i pandemije COVID-19. U praksi ovo neće značajno uticati na usporenje širenja 5G mreža, pre svega zato što će biti finalizovane dodatne, višegodišnje, naučne studije o uticaju visokofrekventnih mmWave talasa primenjenih kod 5G mreža na živi svet mreže.

Unapređena arhitektura pristupne mreže

Unapređenja koja donosi 5G tehnologija

Nevezano za nove frekventne opsege, 5G tehnologija nam svakako donosi nekoliko bitnih unapređenja koja će povećati pre svega kapacitet (odnosno, povećati prosečnu i minimalnu brzinu na mreži), ali i mnogo veće maksimalne brzine prenosa podataka.

Beamforming

5G tehnologija uvodi “beamforming” (usmeravanje radio talasa) tehnologiju koja će omogućiti “recikliranje” frekventnih opsega na mnogo manjim teritorijalnim jedinicama, što će povećati kapacitet i smanjiti broj korisnika koji dele frekventni opseg.

Beamforming funkcioniše koristeći veći broj antena kao i elektronsko usmeravanje radio talasa sa tzv. “phased array” antenama, što omogućava baznoj stanici da preciznije usmeri snop radio talasa ka lokaciji prijemnog terminala, i time omogući kvalitetniji signal sa manje smetnji uz manju upotrebu energije.

Isto tako, mobilni telefon može da koristi jednu od više antena kako bi ostvaro najpovoljniju komunikaciju sa baznom stanicom uz manju potrošnju energije.

Beamforming na masivnoj skali (stotine antena) je primenjiv samo uz mmWave frekvencije, ali se svakako može na manjoj skali primeniti i na niže frekvencije, i dovesti do značajnog povećanja kapaciteta mreže.

Poređenja radi, većina današnjih 4G baznih stanica poseduje samo 3 “snopa talasa”, odnosno 3 sektor antene koje imaju definisan opseg zračenja između 90-120°.

Beamforming kod 5G mreža

New Packet Core

Jedno od najbitnijih unapređenja koje donosi 5G tehnologija je smanjenje kašnjenja na vrednosti blizu 1 ms, u poređenju sa 10-50ms kašnjenja, što je standardno za trenutnu 4G LTE mrežu. Međutim, da bi se od ovog unapređenja došlo, neophodno je promeniti svu infrastrukturu mreže i sisteme koji “sede iza” radio-pristupnog interfejsa.

Kod mobilnih ćelijskih mreža tzv. Core komponenta predstavlja jezgro koje se brine o svim aspektima kontrole, evidencije, upravljanja i kretanja podataka i terminala na mobilnoj mreži i nalazi se između RAN (radio-access network, radio-pristupna mreža, tj. fizički interfejs za bežični komunikaciju) i Gateway-a (koji predstavlja servise pružene na mreži, kao što su razgovori preko IMS, pristup Internetu, razmena tekstualnih poruka, ali takođe i AAA sistemi za autentikaciju, autorizaciju i naplatu).

Dijagram 5G New Packet Core SA arhitekture

Core mreža se uglavnom deli na MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server).

MME se bavi evidencijom kretanja terminala kroz mrežu (sa jedne ćelije na drugu), i bitno utiče na brzinu povezivanja terminala na mrežu kao i stabilnost konekcije dok je u toku handoff između dve ćelije. MME takođe kontroliše i nadzire parametre terminala, i komunicira sa HSS radi evidentiranja terminala.

HSS vodi evidenciju o korisničkoj opremi (mobilni terminal i identifikacioni modul - USIM kartica, kao i identifikacioni parametri kao što su IMSI, IMEI, ICCID, MSISDN…) i korisnicima, izdaje odobrenja za pridruživanje mreži, kao i za prenos podataka, i prima evidenciju o ostvarenom saobraćaju.

Unapređenja na polju MME mogu znatno da smanje kašnjenje kod terminala koji se aktivno kreću, kao što su npr. samoupravljajući automobili ili bespilotne letelice. Seamless handoff je neophodan preduslov za bilo koju vrstu daljinskog upravljanja u realnom vremenu. Istovremeno, neophodna su i unapređenja kod PGW komponente, kako bi prenos podataka između Interneta i terminala na mreži bio što efikasniji i brži.

Dual-Mode connectivity sa 5G mrežom u NSA režimu

4G mreža koristi Evolved Packet Core, što je donelo velika unapređenja u brzini prenosa podataka i smanjenje neefikasnosti signaling protokola. Međutim, maksimum je dostignut i sva dalja unapređenja bi bila suviše radikalna kako bi se zadržala interoperabilnost sa postojećim terminalima, usled čega je započet proces definisanja dizajna 5G Core mreže.

Nažalost, većina 5G mreža u svetu trenutno koristi 4G Packet Core, tj. funkcioniše u non-standalone režimu, što znači da korisnici tih mreža neće primetiti značajno smanjenje kašnjenja na strani Core mreže.

Istovremena primena SA i NSA režima u mešanom okruženju 5G/4G mreža

Massive MIMO

MIMO (multiple-input multiple-output) označava korišćenje više od jedne antene za slanje i/ili prijem podataka. 4G mreža već koristi MIMO da omogući stabilniju i kvalitetniju vezu kao i veće brzine prenosa podataka (ovo je odvojeno od Carrier Aggregation, pri čemu je MIMO preduslov za CA), ali je to u praksi ograničeno na 2x2 MIMO, tj. 2 antene za prijem i slanje.

MU-MIMO (multi user MIMO) primenjuje MIMO princip na komunikaciju (iz perspektive bazne stanice) sa više korisnika, što omogućava znatno povećanje kvaliteta i stabilnosti linka i u određenim situacijama i brzine prenosa podataka. 4G mreža već koristi MU-MIMO.

“Novitet” 5G mreže predstavlja Massive MIMO (za koji je preduslov korišćenje Beamforming tehnologije). Massive MIMO predstavlja primenu MIMO u situacijama kada broj prijemnih terminala (mobilnih telefona) znatno manji od broja antena ćelije tj. bazne stanice (korišćenjem npr. phased-array antena na ćeliji). U ovakvim situacijama, svaki terminal bi teoretski imao “rezervisanu” antenu koja dinamičkom rekonfiguracijom u realnom vremenu (beamforming) može da mu pruži najviši mogući kvalitet servisa bez uticaja na druge terminale.

Primena Massive MIMO bi značajno povećala kapacitet novih ćelijskih mreža, posmatrano sa strane radio-pristupne mreže i fizičkog interfejsa za bežični prenos podataka.

Massive MIMO kod 5G mreža

Mobile edge computing

Mobile edge computing (ili Multi-access edge computing; MEC) predstavlja novi način projektovanja mreža, koji omogućava realizovanje tačaka prisustva (PoP - point of presence) za online servise (cloud computing) na ivici pristupne mreže, tj. na lokaciji koja je najbliža korisniku.

MEC se realizuje dodavanjem minijaturnih virtuelnih “data centara” u sastavni deo mobilnih baznih stanica, što omogućava pružaocima usluga da svoje servise distribuiraju blizu svojih korisnika, na infrastrukturi koja je direktno povezana sa bežičnom pristupnom mrežom mobilnog operatora.

Primena Edge computing kod IoT uređaja

MEC omogućava drastično smanjenje kašnjenja kod pristupa raznim servisima, kao što je npr. cloud gaming ili virtual cloud computing, jer se servisi fizički i logički nalaze blizu korisnika, ali i rasterećenje mreža operatora i pružaoca usluga (u vidu mini CDN node-ova koji bi keširali npr. multimedijalni sadržaj, čime bi se Internet linkovi pružaoca usluga i operatora rasteretili i pritom bi se omogućila najveća moguća brzina pristupa keširanom sadržaju od strane krajnjih korisnika).

Edge computing kod 5G mreža

Edge computing se na manjoj skali već realizuje, u vidu point-of-presence tačka tj. servera, koje CDN (content delivery network) provajderi (kao što su Akamai, Google, CloudFlare, Amazon, Azure, Netflix, itd.) smeštaju u data centre mrežnih operatora širom sveta, čime rasterećuju Internet linkove i omogućavaju veći kvalitet servisa. Međutim, ovo se ipak realizuje u data centru operatora, koji može biti u drugom gradu, stotine kilometara udaljen od korisnika. MEC će PoP tačke smestiti na par stotina metara do par kilometara od korisnika.

Važno je napomenuti da MEC nije direktno vezan za 5G tehnologiju, ali predstavlja logičan smer daljeg razvoja mreža, uz isti cilj kao i 5G mreža - povećanje kapaciteta i brzine uz smanjenje kašnjenja.

Telemedicina i proširena stvarnost (Augmented Reality)

Standalone i Non-Standalone režim

U prvoj fazi realizacije 5G mreža se koristi tzv. Non-Standalone režim (NSA), koji se oslanja na postojeću 4G LTE mrežu za kontrolne funkcije i većinu CORE infrastrukture, i koji omogućava deljenje i dinamičko alociranje RF spektra sa 4G LTE mrežom.

NSA režim donosi poboljšanja u efikasnosti prenosa podataka na radio-pristupnoj mreži, kao i određena poboljšanja na fizičkom sloju mreže vezana za beamforming i MIMO. Primena NSA režima kod novih 5G mreža će dovesti do povećanja brzine prenosa ali neće biti drastičnog poboljšanja kašnjenja (latency) osim delimično na radio-pristupnom delu mreže.

Standalone (SA) režim donosi potpuno novo paketno jezgro, značajno povećanje brzine prenosa i drastično smanjenje kašnjenja, kao i povećanje kapaciteta i poboljšanje kvaliteta servisa na lokacijama sa velikim brojem korisničkih terminala.

Standalone režim zahteva zamenu svih delova mreže, i ne može da funkcioniše istovremeno sa 4G mrežom niti da dali RF spektar, što povećava cenu i otežava realizaciju. Iz navedenog razloga se većina operatera u svetu odlučila na NSA režim za prvi talas realizacije 5G mreže. Svakako, postoje pitanja o ceni naknadnog prelaska na SA režim, odnosno strepnja da će prelazak sa 4G na 5G NSA i kasnije na 5G SA biti skuplji i teži od direktnog prelaska sa 4G na 5G SA.

Istovremena primena SA i NSA režima kod 5G mreža

Fixed Wireless Broadband

Značajan dobitak sa nadolazećom realizacijom 5G mreža će imati korisnici Fixed Wireless Broadband servisa (“kućni internet” preko mobilne mreže).

Potreba za brzim pristupom Internetu je drastično porasla u svetu i kod nas u prethodnih 5 godina, i nastaviće da raste. Ono što nije tako brzo “poraslo” jeste infrastruktura operatera koji pružaju usluge fiksnog pristupa Internetu (bilo preko telefonske parice, koaksijalnog kabla ili optičkog vlakna).

Postojeća rešenja za veliki broj korisnika bez pristupa brzom Internetu, a koja su realizovana preko 4G LTE mreže (npr. Vip mobile “Kućni net”) su dostigla maksimalni kapacitet što je dovelo do degradacije servisa na velikom broju lokacija.

5G mreža bi omogućila brzi Internet mnogim korisnicima koji nisu imali uslova za to, ali bi takođe rasteretila pristupnu infrastrukturu tradicionalnih fiksnih operatera u situacijama kada korisnici nemaju potrebu za brzinom većom od 100 Mb/s ili neograničenim protokom (npr. više od 500 GB mesečno), i naravno postojećim korisnicima fiksnog bežičnog pristupa poboljšala kvalitet servisa, stabilnost i naravno brzinu pristupa.

Veći kapacitet 5G mreže bi doveo i do povećanja mesečne količine saobraćaja, i omogućio uštedu određenim korisnicima.

U situacijama kada je u pitanju fiksni bežični pristup, moguće je primeniti mmWave frekvencije uz manji broj baznih stanica, korišćenjem spoljnih antena koje bi bile montirane na objektu korisnika (krov, terasa, zid kuće). Dodatno, primena femtoćelija bi omogućila korišćenje 5G mreže i unutar objekta jer bi CPE (modem/ruter, integrisani pristupni uređaj) odašiljao dodatni signal za mobilne telefone.

Fixed Wireless Broadband putem 5G mreže

Zaključak

5G tehnologija je ilustrativni primer nezaustaviljosti tehnološkog napretka, koji nam omogućava nezamislivu revoluciju u svim sferama života. Kao i sve tehnologije bežičnog pristupa do sada, 5G će uneti nepredvidljive promene u našu svakodnevnicu. Ipak, do promena neće doći preko noći.

Dosta polja primene 5G tehnologije su nepraktična za narednih 5 godina, što uključuje i hiperpovezane gradove, samoupravljajuće automobile i bespilotne letelice. Navedene tehnologije imaju mnogo veće prepreke do omasovljenja od bežičnih komunikacija, i nije evidentno da će one biti rešavane u toku sa razvojem 5G tehnologija.

Razvoj mreža će ići u smeru postepenog proširenja i omasovljenja, što znači da će mmWave frekventni opseg ostati “za kasnije” u većini zemalja sveta. Svakako, unapređenja 5G mreža će procureti “unazad” i do 4G LTE sistema, što možemo da vidimo i na primeru Gigabit LTE mreža, NB-IoT i LTE-M tehnologija za povezane uređaje, kao i sama unapređenja 4G tehnologije kroz redovne revizije 3GPP standarda.

Smatram da će 5G mreža imati najveći uticaj na fiksni bežični pristup, kao i u gusto naseljenim mestima gde 4G mreže imaju velikih problema sa dostupnim kapacitetom. Novi frekventni opsezi će omogućiti dodatni kapacitet i olakšati ulazak novih operatera na tržište (kao što se može videti na primeru Reliance Jio Infocomm - Indijskog operatera koji od prvog dana posluje isključivo sa 4G mrežom, koristeći VoLTE za razgovore, a koji je revolucionizovao tržište telekomunikacija u Indiji i drastično smanjio cene Interneta i razgovora).

Naredne godine će biti jako uzbudljive za ljubitelje mobilnih mreža (ili brzog Interneta 😁).

P.S. naslov je clickbait 😜

0
❤️
1
👍
0
😲
0
😢
0
😠
0

Loading...

Scroll to top