5G

Technologia 5G, czyli mobilna sieć piątej generacji, jest nowym standardem w telekomunikacji, który zastępuje wcześniejszy standard 4G.

Charakterystyka

5G to system, który musi spełniać normy ustanowione przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU), określane jako IMT-2020. Wymagania te obejmują parametry wydajności oraz różnorodne zastosowania, które sieć piątej generacji ma obsługiwać.

Wśród kluczowych wymagań wydajnościowych dla sieci 5G, zdefiniowanych przez ITU, znajdują się:

• przepływność do 20 Gb/s w kierunku do użytkownika („download”);
• przepływność do 10 Gb/s w kierunku od użytkownika („upload”);
• opóźnienia na poziomie 4 ms dla zastosowań eMBB oraz 1 ms dla URLLC;
• efektywność widmowa do 30 bit/s/Hz;
• poziom błędów dla URLLC wynoszący 10−5.

Scenariusze zastosowań dla sieci 5G według ITU obejmują:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) – szybkie połączenia, w tym dla użytkowników stacjonarnych (Fixed Wireless Access);
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) – aplikacje wymagające minimalnych opóźnień (poniżej 1 ms) oraz wysokiej niezawodności (poziom błędów 10−5);
• mMTC (massive Machine Type Communications) – obsługa szerokiego zakresu zastosowań Internetu Rzeczy, z możliwością podłączenia do 1 miliona urządzeń na km².

Standard 3GPP

Technologia New Radio (NR) to oficjalna nazwa opracowana przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP), która ma na celu spełnienie wymagań 5G określonych przez ITU. Obecnie przyjęta jest tylko nazwa NR. W przypadku technologii 4G wymagania ITU były spełniane przez LTE. Logo 5G zostało zastrzeżone przez 3GPP i może być używane tylko w odniesieniu do technologii zgodnych z tymi specyfikacjami.

Pierwsza wersja standardu sieci 5G została opublikowana w 3GPP Release 15, która spełnia niektóre wymagania ITU. Pełne dostosowanie do norm ma nastąpić w standardzie 3GPP Release 16, planowanym na początek 2020 roku. Oznacza to, że sieci 5G mogą być budowane oraz wykorzystywane komercyjnie oparte na Release 15.

3GPP Release 15, jako pierwszy etap standardu piątej generacji, został podzielony na trzy części:

• „Early drop” – zawiera rozwiązania non-standalone (NSA) 5G, czyli architekturę Option 3, gdzie urządzenia są podłączone do sieci LTE oraz 5G. Specyfikacja została zamrożona w marcu 2018;
• „Main drop” – zawiera rozwiązania standalone (SA) 5G, czyli architekturę Option 2, specyfikacja zamrożona we wrześniu 2018;
• „Late drop” – zawiera dodatkowe architektury systemu (Option 4, Option 7 oraz 5G-5G Dual Connectivity), planowane zamrożenie specyfikacji w czerwcu 2019.

Częstotliwości pracy sieci 5G

3GPP podzieliło pasma częstotliwości dla 5G na niskie i wysokie, z granicą ustaloną na 6 GHz. Wszystkie możliwe do wykorzystania pasma zostały opisane w standardzie 3GPP TS 38.101-1 dla pasm poniżej 6 GHz oraz 3GPP TS 38.101-2 dla pasm powyżej 6 GHz.

Według Światowej Organizacji Zdrowia, częstotliwości stosowane w sieciach 5G nie mają udokumentowanego wpływu na zdrowie ludzi.

Architektura sieci 5G

Wprowadzenie Dual Connectivity i możliwości podłączenia 5G oraz LTE do dwóch rdzeniowych sieci prowadzi do powstania różnych architektur systemu. Na początku standaryzacji 5G zdefiniowano 8 opcji, w tym:

• Architektura 3x (zawarta w 3GPP Rel-15 „Early drop”) – oba systemy podłączone do EPC;
• Architektura 2 (zawarta w 3GPP Rel-15 „Main drop”) – całkowity standalone NR podłączony do sieci rdzeniowej 5G;
• Architektury 4 i 7 (zawarte w 3GPP Rel-15 „Late drop”) – zawierają 5GC oraz Dual Connectivity 5G z LTE zakotwiczone w sieci core 5G;
• Architektura 5 (zawarta w 3GPP Rel-15 „Main drop”) – LTE podłączone do rdzeniowej sieci 5G, co umożliwia LTE korzystanie z części funkcji 5G.

Sieć 5G pozwala na tworzenie wyspecjalizowanych wirtualnych sieci (ang. „network slice”) na wspólnej infrastrukturze. Koncepcja ta umożliwia świadczenie usług o różnorodnych wymaganiach dotyczących parametrów transmisji. Możliwe będzie wydzielenie „plastrów” sieci dla określonych zastosowań oraz klientów, co zapewni dodatkowe usługi i bezpieczeństwo.

Współpraca 5G z 4G

Podczas nawiązywania połączenia 5G, urządzenie użytkownika łączy się najpierw z siecią 4G, aby zapewnić sygnalizację kontrolną, a następnie z siecią 5G dla szybszego połączenia, co zwiększa pojemność 4G.

W przypadku ograniczonego zasięgu 5G, dane będą przesyłane w taki sam sposób jak w sieci 4G, co zapewnia nieprzerwane połączenie. Takie zaprojektowanie sieci 5G sprawia, że uzupełnia ona istniejącą infrastrukturę 4G.

Systemy MASSIVE MIMO

Stacje bazowe z technologią Massive MIMO oferują większą pojemność, umożliwiając jednoczesne połączenie większej liczby użytkowników i szybszą transmisję danych.

5G wykorzysta anteny (Massive MIMO), które mają wiele elementów, co pozwala na równoczesne wysyłanie i odbieranie większych ilości danych. Dzięki temu więcej osób może łączyć się z siecią, uzyskując wysoką przepustowość.

Fizyczny rozmiar anten Massive MIMO będzie zbliżony do anten 4G.

Urządzenia obsługujące 5G, takie jak telefony komórkowe, będą miały wbudowane anteny w technologii MIMO dla fal milimetrowych.

Beamforming (Sterowanie wiązką)

Sterowanie wiązką to technologia, która pozwala antenom Massive MIMO w stacjach bazowych kierować transmisję radiową do konkretnych użytkowników, zamiast rozpraszać sygnał we wszystkich kierunkach. Technologia ta stosuje zaawansowane algorytmy przetwarzania sygnału w celu określenia najlepszej ścieżki dla sygnału radiowego, co zwiększa efektywność i zmniejsza zakłócenia.

Jak działa sieć 5G

Sieć 5G składa się z dwóch głównych komponentów: Radiowej Sieci Dostępowej (RAN) oraz Sieci Rdzeniowej (core).

Radiowa Sieć Dostępowa

Sieć RAN składa się z różnych urządzeń, w tym małych nadajników komórkowych, wież, masztów oraz systemów wykorzystywanych wewnątrz budynków, które łączą mobilnych użytkowników z główną siecią rdzeniową.

Małe nadajniki komórkowe będą kluczowym elementem przyszłych sieci 5G, zwłaszcza w kontekście częstotliwości milimetrowych, które mają niewielki zasięg. Aby zapewnić stabilne połączenie, małe nadajniki będą rozmieszczone w grupach w miejscach o dużym zapotrzebowaniu na łączność, uzupełniając sieć makrokomórek.

Makrokomórki 5G będą korzystały z anten MIMO, co pozwoli na równoczesne przesyłanie i odbieranie dużych ilości danych.

Ich zaletą jest to, że wiele osób może się jednocześnie łączyć z siecią, zachowując dużą przepustowość.

Sieć rdzeniowa (core)

Centralna część sieci zajmuje się zarządzaniem usługami głosowymi, transmisją danych oraz połączeniami internetowymi. Dla technologii 5G, sieć rdzeniowa została zaprojektowana z myślą o lepszej integracji z Internetem oraz chmurą danych.

Sieć rdzeniowa 5G zawiera rozproszone serwery, które mają na celu poprawę czasów reakcji i obniżenie opóźnień.

W sieci rdzeniowej zarządzane są zaawansowane funkcje 5G, w tym wirtualizacja funkcji sieciowych oraz warstwowanie sieci dla różnych zastosowań i usług.

Możliwości sieci 5G

Rozwój technologii 5G ma umożliwić wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań w różnych branżach, w tym w przemyśle oraz farmacji. Wczesne wdrożenia sieci obejmują szybszy transfer danych za pomocą telefonów komórkowych i innych urządzeń przenośnych. 5G ma także zapewnić tak zwany Fixed Wireless Access, czyli stacjonarny dostęp do internetu o prędkości porównywalnej z szybkim internetem kablowym.

Główne kategorie zastosowań sieci 5G to:

• Masowa łączność między urządzeniami (machine-to-machine) – znana także jako Internet Rzeczy (IoT), umożliwiająca połączenie miliardów urządzeń bez udziału człowieka, co ma potencjał zrewolucjonizować współczesne procesy przemysłowe, w tym rolnictwo i produkcję;
• Ultraniezawodna łączność o niskich opóźnieniach – stosowana w krytycznych aplikacjach, takich jak kontrola urządzeń w czasie rzeczywistym, robotyka przemysłowa, komunikacja między pojazdami oraz systemy bezpieczeństwa, w tym autonomiczne pojazdy i bezpieczniejsze sieci transportowe. Niskie opóźnienia otwierają nowe możliwości, takie jak zdalna opieka medyczna;
• Ulepszona bezprzewodowa transmisja szerokopasmowa – oferująca znacznie szybsze przesyłanie danych oraz większą pojemność, co pozwala na wsparcie połączonego świata, w tym bezprzewodowy dostęp do internetu dla domów, transmisje telewizyjne w terenie bez użycia wozów transmisyjnych oraz lepszą łączność dla osób w ruchu.

Logo sieci 5G

Nowa generacja sieci komórkowej została powszechnie określona jako 5G. Oficjalne logo zostało zaprezentowane przez 3GPP w lutym 2017 roku, wraz z wytycznymi dotyczącymi jego użycia.

Infrastruktura

W 2017 roku firmy Telia, Ericsson i Intel uruchomiły pierwszą działającą w czasie rzeczywistym sieć 5G w Europie, a testy przeprowadzono w Tallinnie i Sztokholmie. W tym samym roku rozpoczęto również testy 5G w Londynie. W 2019 roku na rynku pojawiły się pierwsze komercyjne smartfony obsługujące standard 5G. Według Deutsche Telekom, w 2020 roku technologia ta miała opuścić fazę prototypu i być udostępniana klientom biznesowym. Prezes Grupy Orange w grudniu 2018 roku zapowiedział, że w nadchodzącym roku planowane jest 17 komercyjnych wdrożeń sieci 5G w Orange.

Unia Europejska planuje wykorzystać pasmo 700 MHz, które ma zostać przypisane do szerokopasmowych usług internetowych od czerwca 2020 roku.

Komisja Europejska szacuje, że technologia 5G „ma potencjał stworzenia dwóch milionów miejsc pracy w całej UE”.

Wdrażanie

Polska

Rządowe założenia

W zgodzie z strategią opublikowaną przez Ministerstwo Cyfryzacji w styczniu 2018 roku, Łódź ma być pierwszym miastem objętym siecią 5G. Wybór Łodzi był podyktowany dużym węzłem komunikacyjnym w okolicy oraz szeregiem usług opartych na tej sieci, które wprowadza lokalny samorząd.

Usługi oparte na sieci 5G w Łodzi mają obejmować:

• inteligentne budynki,
• system naprowadzania na miejsca parkingowe,
• nowoczesny system oświetlenia,
• lokalne aplikacje wspierające mieszkańców,
• Elektroniczny System Sterowania Ruchem,
• mapa jakości powietrza w czasie rzeczywistym.

9 lipca 2018 roku podpisano list intencyjny między firmą Ericsson a Łódzką Specjalną Strefą Ekonomiczną dotyczący prowadzenia szkoleń dla przedsiębiorców w zakresie nowej technologii.

Do 2025 roku planowane jest zapewnienie nieprzerwanego dostępu do sieci 5G we wszystkich obszarach miejskich oraz na głównych trasach transportowych. Już jednak w 2019 roku operator Orange zapowiedział uruchomienie sieci dla swoich klientów. Prace nad systemem potwierdził również T-Mobile Polska.

Wdrożenia komercyjne

We wrześniu 2018 roku Orange Polska, we współpracy z Huawei, przeprowadził pierwsze w Polsce testy 5G poza laboratoriami, w Gliwicach. W warunkach miejskich, przy większych odległościach, transfer danych osiągnął prędkość 1,5 Gb/s, korzystając z kanału o szerokości 100 MHz. Testy kontynuowano w kolejnych miesiącach, a na początku grudnia 2018 roku operator ogłosił uruchomienie pierwszej w Polsce komercyjnej stacji 5G zgodnej z 3GPP Release 15, działającej na tych samych częstotliwościach, jak stacja użyta w pierwszym teście.

7 grudnia 2018 roku w centrum #5G_LAB w Warszawie uruchomiono pierwszą w Polsce w pełni funkcjonalną sieć 5G, składającą się z pięciu stacji bazowych pracujących w paśmie 3,5 GHz o szerokości kanału 100 MHz. W inauguracji uczestniczyli minister cyfryzacji Marek Zagórski, prezes zarządu T-Mobile Polska Andreas Maierhofer, prezes zarządu Deutsche Telekom Timotheus Höttges oraz członek zarządu odpowiedzialny za rynek europejski, Srini Gopalan.

W połowie września 2019 roku Orange Polska, w współpracy z Ericssonem, uruchomił testową sieć 5G w Warszawie, obejmującą dwie dzielnice (Ochota i Powiśle). 7 stycznia 2020 roku operator sieci Play planuje uruchomienie swojej pierwszej stacji 5G w Trójmieście i udostępnienie jej mieszkańcom.

11 maja 2020 roku sieć Plus jako pierwsza uruchomiła 5G w 7 miastach (Warszawa, Gdańsk, Katowice, Łódź, Poznań, Szczecin i Wrocław) w ofercie komercyjnej, korzystając z infrastruktury europejskich producentów – Nokii i Ericssona.

Wdrożenia komercyjne 5G wywołały kontrowersje z powodu lokalizacji urządzeń bazowych. Infrastruktura sieci Play pod Szczecinem została umiejscowiona w pobliżu osiedli mieszkaniowych, co spowodowało protesty mieszkańców w sierpniu 2021 roku.

Zwiększenie norm dotyczących promieniowania

Aleksander Piskorz z portalu Interia Mobtech informował w listopadzie 2019 roku, że obowiązujące w Polsce regulacje dotyczące promieniowania dla sieci komórkowych są jednymi z najbardziej restrykcyjnych w Europie, ponieważ bazują na założeniach ustalonych przed powszechnym dostępem do telefonów komórkowych. Aby wprowadzić sieć 5G w Polsce, od 1 stycznia 2020 roku, rozporządzeniem ministra zdrowia zwiększono maksymalną dozwoloną gęstość promieniowania z 0,1 W/m² do wartości od 2 W/m² do 10 W/m², w zależności od częstotliwości. Nowe normy są zgodne z zaleceniami Komisji Europejskiej oraz rekomendacjami Światowej Organizacji Zdrowia i Międzynarodowej Komisji ds. Ochrony Przed Promieniowaniem (ICNIRP).

Ministerstwo Zdrowia, wprowadzając zmiany, określiło wcześniejsze przepisy jako „archaiczne i nieadekwatne w stosunku do obecnej wiedzy naukowej”. Oczekuje się, że dzięki efektywniejszemu wykorzystaniu mocy stacji bazowych ekspozycja ludzi na promieniowanie elektromagnetyczne znacząco spadnie, a zasięg sieci komórkowych oraz moc nadawania urządzeń (telefonów) potrzebna do połączenia ulegnie poprawie.

Rozwój i aukcje częstotliwości w 2025 roku

W marcu 2025 roku Urząd Komunikacji Elektronicznej przeprowadził aukcję pasm 700 i 800 MHz przeznaczonych dla sieci 5G. Proces zakończył się w ciągu dwóch dni, a łączna kwota uzyskana od czterech głównych operatorów (Orange, T-Mobile, Play, Plus) wyniosła ponad 2,58 miliarda złotych.

Operatorzy uzyskali częstotliwości w następujący sposób:

• Orange Polska – dwa bloki w paśmie 700 MHz;
• Play – dwa bloki w paśmie 700 MHz;
• T-Mobile Polska – jeden blok w paśmie 700 MHz oraz jedyny dostępny blok w paśmie 800 MHz;
• Plus (Polkomtel) – jeden blok w paśmie 700 MHz.

Pasmo 700 MHz, wcześniej wykorzystywane przez naziemną telewizję cyfrową (DVB-T), charakteryzuje się szerokim zasięgiem i dobrą penetracją sygnału, co czyni je szczególnie przydatnym na obszarach wiejskich. Pasmo 800 MHz, przyznane T-Mobile, ma potencjał poprawy jakości usług w miastach, zwłaszcza wewnątrz budynków.

Obawy

W Brukseli wstrzymano testy 5G z powodu przepisów dotyczących pól elektromagnetycznych. Ograniczenia wprowadzono w niektórych gminach we Włoszech, takich jak Florencja i Rocca di Papa, oraz w wybranych kantonach Szwajcarii. W amerykańskim stanie New Hampshire uchwała dotycząca badania wpływu technologii 5G na środowisko i zdrowie, autorstwa senatora Toma Shermana, zwraca uwagę na liczne badania naukowe sugerujące związek pomiędzy falami radiowymi telefonii komórkowej a chorobami. Według doniesień, 220 wiodących naukowców na świecie podpisało apel do WHO i ONZ w celu ochrony zdrowia publicznego przed promieniowaniem bezprzewodowym.

Również w Polsce istnieją wątpliwości dotyczące wpływu fal elektromagnetycznych na zdrowie. Profesor Marek Zmyślony z łódzkiego Instytutu Medycyny Pracy, kierujący Zakładem Ochrony Radiologicznej, zauważa, że pole elektromagnetyczne związane z telefonami komórkowymi ma wpływ na organizm, jednak brak jest jednoznacznych danych dotyczących jego skutków zdrowotnych. W związku z tym, w odniesieniu do norm promieniowania, korzystne jest przyjęcie zasady ostrożności. „O skutkach zdrowotnych promieniowania milimetrowego wiemy niewiele. Wykorzystanie takich fal było ograniczone, a na szeroką skalę nie przeprowadzono badań”. Zmyślony podkreśla, że fale milimetrowe, wykorzystywane w technologii 5G, są niemal całkowicie pochłaniane przez skórę, co minimalizuje ich oddziaływanie na głębsze tkanki. Mimo to, skóra jest istotnym organem, a wszelkie zaburzenia mogą wpływać na resztę organizmu.

Dezinformacja

Technologia 5G i jej wdrażanie stają się często przedmiotem dezinformacji, w tym fake newsów, teorii spiskowych oraz propagandy. Analitycy EUvsDisinfo wskazują, że działania mające na celu podważenie poparcia dla technologii 5G w krajach zachodnich są częścią szerszej strategii Federacji Rosyjskiej zmierzającej do osłabienia Zachodu wszelkimi możliwymi środkami i zrównania szans poprzez tworzenie przewagi konkurencyjnej. Utrudnianie wprowadzenia 5G na Zachodzie, na przykład poprzez spory regulacyjne, jest korzystne dla Kremla.

Reakcje

W czerwcu 2019 Ministerstwo Cyfryzacji opublikowało i udostępniło do pobrania Białą Księgę przygotowaną przez Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy, zatytułowaną „Pole elektromagnetyczne a człowiek. O fizyce, biologii, medycynie, normach i sieci 5G”. Uruchomiono również stronę gov.pl/5g. Biała Księga jest kompendium wiedzy na temat promieniowania elektromagnetycznego oraz wpływu sieci komórkowych na zdrowie. Celem tych działań jest rozpowszechnienie faktów opartych na badaniach naukowych w kontekście technologii 5G oraz walka z dezinformacją w tym obszarze.

Przypisy

Linki zewnętrzne

Instytut Łączności: Pole elektromagnetyczne a człowiek. O fizyce, biologii, medycynie, normach i sieci 5G (PDF). Warszawa: Ministerstwo Cyfryzacji, 2019. ISBN 978-83-916146-5-5. Brak numerów stron w książce. Informacja o wydawnictwie na stronie Ministerstwa Cyfryzacji.

Strona gov.pl/5g

Zastosowania technologii 5G

Dokument IARC (Międzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem), podlegającej WHO (Światowej Organizacji Zdrowia), który klasyfikuje promieniowanie elektromagnetyczne jako potencjalnie rakotwórcze.