5G – klucz do przemysłowej przyszłości

  • Rok temu opisywaliśmy sieć 5G jako wizję bliskiej przyszłości.
  • Dziś możemy na rozwój sieci piątej generacji popatrzeć już jak na faktyczny proces.
  • Polscy operatorzy w kilku miastach uruchomili technologię 5G NSA, czyli nowy standard sieci, działający na bazie architektury LTE.
  • Szybszy internet mobilny to furtka dla inteligentnych fabryk i miast wykorzystujących pełniej m.in. wirtualną rzeczywistość i sztuczną inteligencję – pisze w artykule Jacek Tomczyk.

Dokładnie 12 miesięcy temu prognozowaliśmy w Platformie Przemysłu Przyszłości, co może wydarzyć się w niedługim czasie w obrębie 5G. Teraz podsumowujemy postępy, jeśli chodzi o budowę sieci piątej generacji. Przypominamy też drogę, jaką przez 3 dekady przeszła w Polsce technologia łączności komórkowej. A przede wszystkim pokazujemy korzyści, które 5G da docelowo przemysłowi. W głębi tekstu jest dodatkowo wątek poświęcony mocno rozpowszechnionym obawom dotyczącym zdrowia i bezpieczeństwa w kontekście nadajników oraz sieci najnowszego standardu.

5G w 2020 roku

Obecnie, według danych GSMA, na świecie działa 107 komercyjnych sieci 5G (w tym 27 w Europie), które obejmują zasięgiem 7% światowej populacji. Z kolei, jak wynika z analiz Ericssona, rozwój 5G na całym świecie będzie szybszy niż podczas wprowadzania LTE. Do 2025 roku 88% subskrypcji mobilnych (około 8,9 miliarda) będzie realizowanych w technologii 5 generacji. Pod tym względem 5G najszybciej rozwinie się w Ameryce Północnej, we wschodniej Azji i w Europie Zachodniej. W Europie Centralnej i Wschodniej dominującym rozwiązaniem pozostanie jeszcze przez dłuższy czas LTE, które do 2025 roku pokryje 66% subskrypcji, prawie całkowicie zastępując starsze generacje łączności. 27% rynku w naszym regionie w bliskiej perspektywie ma zagospodarować 5G.

Rozwój sieci to także urządzenia (rutery i smartfony) obsługujące łączność piątej generacji. O ile sprzęt już wcześniej wchodził na rynek, dopiero w tym roku pojawił się szerszy wybór urządzeń, które działają na różnych częstotliwościach. Dziś głównym motorem dla 5G jest pandemia – wielu operatorów postanowiło zmodernizować swoją infrastrukturę, aby obsłużyć zwiększone zapotrzebowanie na transfer sieciowy. Coraz częściej pracujemy zdalnie i korzystamy z multimediów, przesyłając przez internet nie tylko dźwięk, ale i obraz. To z kolei coraz mocniej obciąża sieć (analitycy mówią o dwukrotnym wzroście ruchu internetowego). Po pandemii ten trend ma nie zniknąć i do 2025 roku 76% transferu sieciowego będzie związana z przesyłaniem obrazu wideo.

Paradoksalnie to zwiększone zapotrzebowanie jednocześnie nieco zahamowało rozwój technologii związanych z internetem rzeczy, który ciągle opiera się na 2G i 3G. Niemniej do 2025 roku co trzecie połączenie IoT na świecie zostanie obsłużone przez 4G. W 2021 roku pojawią się elementy infrastruktury krytycznej IoT, pozwalające realizować usługi, które wymagają bardzo niskich opóźnień. Dużo w tym względzie zależy od operatorów i od procesu przyznawania częstotliwości przez Urząd Komunikacji Elektronicznej.

(Zapotrzebowanie na transfer mobilny rośnie wykładniczo – graf. IEEE)

Trzy dekady łączności mobilnej

Sieć mobilna rozwija się w Polsce od blisko 30 lat. Pierwsza generacja została uruchomiona w naszym kraju w 1992 roku i oferowała na początku jedynie połączenia głosowe. Cztery lata później, kiedy wprowadzono sieć 2G, pojawiły się nowe usługi, takie jak SMS-y i transmisja danych, która początkowo charakteryzowała się bardzo wolnym transferem. Mimo to sieć 2G i standard GSM posłużyły do pierwszych mobilnych zastosowań M2M (ang. machine to machine) w rodzaju opracowanego przez Samsunga modułu M1 wykorzystywanego w terminalach POS, telematyce i zdalnym monitoringu.

Ewolucja

W rozwoju sieci mamy do czynienia z ewolucją i dokładaniem kolejnych usług do istniejącej infrastruktury. Wiele państw zdecydowało o pozostawieniu 2G jako zapasowego systemu łączności. Takie rozwiązanie wydaje się rozsądne – standard GSM to w zasadzie wszystkie podstawowe usługi, które można wykorzystać np. podczas klęsk żywiołowych, a jego zaletą jest fakt, że działają w nim także starsze urządzenia. Równolegle operatorzy modernizują stacje bazowe, poprawiając przepustowość i zmniejszając opóźnienia oraz dodając nowe usługi. Ponieważ przejście do kolejnej generacji łączności mobilnej nie następuje skokowo, w ramach jednej infrastruktury mogą koegzystować różne standardy, co powoduje, że użytkownicy nie muszą martwić się o kompatybilność urządzeń.

(Sieci kolejnych generacji są udoskonaleniem już istniejących technologii mobilnych – graf. GSMA)

W 2004 roku w Polsce pojawiła się sieć 3G, która wprowadziła usługi multimedialne, a użytkowników w erę smartfonów. Każda kolejna generacja poprawia parametry połączeń mobilnych i transferu danych. Od 2010 korzystamy z LTE, które pozwoliło zwiększyć kilkunastokrotnie prędkość przesyłu w stosunku do 3G. Po nadchodzącym 5G możemy spodziewać się lepszej stabilności i nawet 100 razy większej pojemności sieci niż w przypadku czwartej generacji. A 6G (najwcześniej za około 10 lat) najpewniej wprowadzi nas w erę post-smartfonów i sprawi, że urządzenia internetu rzeczy staną się doskonalsze i sprytniejsze dzięki algorytmom sztucznej inteligencji.

Czym różni się 5G SA od 5G NSA?

Są dwie drogi, które mogą wybrać operatorzy, wprowadzający 5G. Mogą od razu postawić na 5G SA (ang. StandAlone), czyli samodzielną sieć piątej generacji wyposażoną we wszystkie funkcje i cechy tej technologii, albo zastosować model przejściowy 5G NSA (ang. NonStandAlone), oparty na infrastrukturze sieci 4G. Podobnie wyglądało przejście z architektury 2G na 3G i z 3G na LTE. Polscy operatorzy wybrali drugi wariant jako łatwiejszy do wprowadzenia, również ze względu na fakt, że UKE nie przydzielił jeszcze pasm 700 MHz, 3,6 GHz i 26 GHz. Aukcja częstotliwości ma zostać rozstrzygnięta w pierwszym kwartale 2021 roku. Tymczasem miał miejsce tzw. refarming, a zatem zwolnienie pasma 700 MHz przez stacje telewizyjne. W większości wypadków widzowie nawet tego nie zauważyli, ponieważ nowsze odbiorniki same się przestroiły, jedynie użytkownicy starszych telewizorów musieli dostosować urządzenia ręcznie.

Trzeba jednak zwrócić uwagę na fakt, że ze względów bezpieczeństwa niektóre usługi będą możliwe do zrealizowania dopiero po wprowadzeniu samodzielnego 5G. Stabilność sieci i niskie opóźnienia są konieczne między innymi do rozwoju autonomicznych pojazdów czy do prowadzenia operacji chirurgicznych na odległość. W obu przypadkach nawet niewielkie opóźnienie mogłoby skończyć się tragicznie. Jest jednak wiele zastosowań, w których 5G NSA sprawdzi się znakomicie.

Od M2M do IoT

O ile na początku połączenia M2M wykorzystywały w niewielkim stopniu przesył danych, tak teraz, wraz z rozwojem sieci mobilnej i koncepcji internet of things, zapotrzebowanie na transfer rośnie w tempie wykładniczym. Coraz więcej urządzeń komunikuje się ze sobą, a to ma przełożenie zarówno na rynek konsumencki, jak i firmy produkcyjne czy logistyczne, które coraz częściej automatyzują swoją działalność. Z tego powodu rozwój sieci mobilnej jest koniecznością, bez wprowadzenia nowych generacji nie byłaby możliwa realizacja takich celów, jak inteligentne fabryki i miasta.

(Intranet rzeczy oraz IoT – graf. Lech Mazurczyk)

Internet of things jest rozwinięciem koncepcji M2M, oba rozwiązania różni skala. Wykorzystanie pojemnych i stabilnych sieci najnowszych generacji pozwoli komunikować się znacznie większej liczbie urządzeń. Osiągalne staną się zadania, które wymagały dotąd kilku usług.

Wirtualna rzeczywistość wymaga sieci 5G

Technologiami, które szczególnie zyskają na znaczeniu w ciągu najbliższych lat za sprawą rozwoju 5G, są wirtualna i rozszerzona rzeczywistość. Zestawy VR i AR znajdą zastosowanie na rynku konsumenckim, w biznesie oraz produkcji. Do tej pory praca zdalna dotyczyła głównie pracowników biurowych, tymczasem 5G i wirtualna rzeczywistość umożliwiają wykonywanie obowiązków służbowych z domu również operatorom i konserwatorom sprzętu. Specjalista siedzący w domu połączy się za pomocą aplikacji (np. TeamViewer Pilot) i zaznaczy na obrazie transmitowanym z gogli mieszanej rzeczywistości, używanych przez pracownika fabryki, co ten powinien po kolei robić, aby naprawić urządzenie. Żeby realizacja takiego scenariusza była możliwa, konieczne jest stabilne połączenie z niskimi opóźnieniami oraz szybkim transferem. Te wszystkie cechy ma sieć 5 generacji.

(Za pomocą okularów mieszanej rzeczywistości można przeprowadzać konserwacje i naprawy sprzętu na odległość – fot. Jacek Tomczyk)

5G nie takie straszne, jak je malują

Ministerstwo Cyfryzacji opublikowało Białą Księgę 5G, z której możemy dowiedzieć się o szczegółach technicznych dotyczących tej technologii. Eksperci z Państwowego Instytutu Łączności rozwiewają wątpliwości na temat zjawisk fizycznych związanych z 5G. W ostatnim czasie rozpowszechniło się wiele mitów na temat sieci piątej generacji, dlatego warto zapoznać się z rzetelnymi informacjami zebranymi przez autorów opracowania. W Białej Księdze 5G czytamy m.in., że promieniowanie radiowe i mikrofalowe (w przeciwieństwie chociażby do promieniowania rentgenowskiego) nie jonizuje materii, co oznacza, że nie ingeruje w budowę komórek organizmów żywych i nie wpływa na ich funkcje. Co więcej, w przypadku tego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego nie występuje efekt kumulacji.

Pomimo braku dowodów na szkodliwość niejonizującego promieniowania elektromagnetycznego obowiązują jednak normy natężenia PEM. W Polsce przez wiele lat były one bardzo restrykcyjne, blokując rozwój infrastruktury telekomunikacyjnej. Na początku 2020 roku sytuacja zmieniła się i normy zostały dostosowane do obowiązujących na terenie Unii Europejskiej. Dzięki temu jest możliwe uruchomienie sieci piątej generacji, która pozwala udostępnić nowe usługi i zwiększać konkurencyjność polskiej gospodarki.

Warto dodać, że także ludzkie ciało jest źródłem pola elektromagnetycznego. Energia fotonów stale emitowanych przez ludzką skórę jest milion razy większa niż energia fal radiowych i mikrofalowych. To zjawisko jest powszechnie wykorzystywane w medycynie w badaniach fal mózgowych (EEG) i monitorowaniu pracy serca (EKG). Co więcej, jako ludzie jesteśmy wyposażeni w biologiczne detektory pola elektromagnetycznego. Bardzo dokładnym „przyrządem” jest skóra wyczuwająca promieniowanie podczerwone, czyli ciepło. Z kolei zmysł wzroku pozwala nam rejestrować fotony w zakresie światła widzialnego, które również zaliczamy do PEM.

(graf. Getty Images)

Pole elektromagnetyczne jest jednym z fundamentalnych elementów świata przyrody, występuje w pobliżu wszystkich cząstek naładowanych elektrycznie, przemieszczających się ładunków czy magnesów stałych. Fale elektromagnetyczne otaczają nas zewsząd, a ich źródło może być zarówno naturalne (jak w przypadku Słońca), jak i wytwarzane przez każde działające urządzenie elektryczne. Zatem telewizor, suszarka do włosów, lodówka, płyta indukcyjna, laptop albo telefon komórkowy są źródłem promieniowania elektromagnetycznego.

Autorzy wspomnianego opracowania zwracają uwagę na jeszcze jeden aspekt – poszczególne mikrokomórki, czyli gęsto rozlokowane nadajniki 5G, mają zdecydowanie mniejszą moc niż jeden nadajnik o dużej mocy, który pokryłby ten sam obszar. Zatem wbrew temu, co w pierwszej chwili może podpowiadać intuicja, w przypadku mikrokomórek mamy do czynienia z dużo mniejszym natężeniem PEM w pobliżu nadajnika. Taki model pozwala też ograniczyć moc sygnału wytwarzanego przez urządzenie końcowe (np. telefon).

(Usługi w 4G i 5G – graf. Lech Mazurczyk)

Wszechobecna inteligencja

Kolejnym etapem rozwoju sieci i internetu rzeczy będzie włączenie algorytmów sztucznej inteligencji w ramy infrastruktury sieciowej. Takie rozwiązanie prawdopodobnie stanie się konieczne, aby udało się zapanować nad ogromnymi ilościami danych, jakie trzeba przetworzyć w tym samym czasie. Możemy sobie wyobrazić fabrykę przyszłości, która na podstawie informacji z czujników o stanie maszyn automatycznie zoptymalizuje działanie pracujących w niej urządzeń, a także podejmie decyzję o przestawieniu produkcji np. w razie zmiany zapotrzebowania na dany produkt na rynku. W przyszłości takie zadania, jak predictive maintenance, będą realizowane na brzegu sieci, czyli blisko zdarzenia. Dlatego odpowiednio zaprojektowane protokoły sieciowe pomogą integrować różne systemy, by tworzyły jeden ekosystem.

Co wspólnego mają inteligentne miasto i fabryka przyszłości?

Chiński rząd pod koniec 2019 roku w mieście Wuxi stworzył specjalny obszar o powierzchni 6 kilometrów kwadratowych przeznaczony do testowania autonomicznych pojazdów komunikujących się ze sobą i otaczającą infrastrukturą za pośrednictwem 500 stacji bazowych 5G. W projekt zaangażowanych jest 13 firm technologicznych, m.in. Ford, Audi, Huawei oraz China Mobile. Władze planują do końca 2022 roku powiększyć obszar do 1200 kilometrów kwadratowych, co zapewni pokrycie ponad połowy aglomeracji siecią. Takie rozwiązanie sprawi, że autonomiczne pojazdy będą zachowywały się w bardziej inteligentny sposób, np. kiedy dojdzie do niebezpiecznego zdarzenia na drodze, takiego jak wypadek czy pojawienie się innego pojazdu albo pieszego na kursie kolizyjnym. Pojazd otrzyma informację o zagrożeniu od innych autonomicznych samochodów i z czujników zamontowanych na drodze.

W analogiczny sposób można zaprojektować fabrykę i poruszające się po niej roboty. Urządzenie otrzyma informację o zbliżającym się człowieku dzięki sensorom, monitoringowi zakładu albo ze smartfonu znajdującego się w kieszeni pracownika, dzięki czemu robot zatrzyma się, zanim dojdzie do zderzenia. Co ważne, podobne rozwiązanie bardzo dobrze skaluje się – im więcej połączonych urządzeń, tym większe bezpieczeństwo i efektywność całego systemu.