5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Kolejne generacje urządzeń, określanych mianem „smart”, wymagających ciągłego dostępu do sieci komórkowej oraz niezliczone telefony komórkowe, tablety czy laptopy, które po zainstalowaniu karty SIM działają w sieciach komórkowych powodują systematyczne obciążanie sieci i wzrost ruchu, który powinien być obsłużony z zapewnieniem wymaganej jakości. W konsekwencji jeden użytkownik, korzystający realnie z wielu takich urządzeń zalogowanych do sieci komórkowej, z punktu widzenia tej sieci nie jest już  pojedynczym abonentem generującym jednostkowy ruch, który wymaga obsłużenia. Drugim elementem „napędowym” wywołującym znaczące obciążenie sieci jest sam fakt szczególnego wzrostu znaczenia tych urządzeń w naszym życiu. Media społecznościowe bazują obecnie na przekazie obrazu i dźwięku wysokiej jakości. I nie mówimy tutaj już tylko o obrazach statycznych (zdjęciach), ale o plikach wideo w jakości HD, których pobranie z Internetu, jeszcze kilka lat temu, wymagało kilkugodzinnej sesji. Co jednak ten opis ma wspólnego z pytaniem zadanym na początku? Już śpieszymy z wyjaśnieniem!

W poprzednich generacjach telefonii komórkowej (zwłaszcza 2G), gdzie priorytetem było zapewnienie łączności głosowej, zwykle dostępność usługi była utożsamiana z zasięgiem. Zasięg się, więc albo miało i można było zadzwonić lub odebrać połączenie, albo nie miało, co skutkowało tym, że jako potencjalny rozmówca byliśmy nieosiągalni, a zamiast sygnału nawiązywania połączenia można było usłyszeć komunikat: „abonent jest poza zasięgiem”. Dzisiaj również, chociaż co prawda już dużo rzadziej, ale jednak zdarza się usłyszeć podobny komunikat np. wówczas, gdy nasz przyszły rozmówca znajduje się w windzie, piwnicy lub bardzo gęstym lesie. Są to naturalne konsekwencje właściwości propagacji fal radiowych o częstotliwościach stosowanych w telefonii komórkowej, które są silnie tłumione przez konstrukcje żelbetowe, a w środowisku leśnym w ogóle rozchodzą się źle. Co do zasady przyzwyczailiśmy się już do faktu bycia „w zasięgu”, co jest zjawiskiem normalnym i pożądanym z wielu względów. Natomiast sytuacja braku zasięgu jest zdecydowanie nietypowa. Na przeważających obszarach środowiska, w których człowiek codziennie się znajduje, mieszka, pracuje lub wypoczywa, na ekranie smartfonu wyświetlane są „kreski” zasięgu. Nawet będąc w wagonie warszawskiego metra, kilkanaście metrów pod powierzchnią ziemi, nasz telefon wskazuje, że jesteśmy w zasięgu sieci komórkowej. Czy „bycie w zasięgu” gwarantuje sukces skorzystania z usług? Otóż okazuje się, że wcale nie. Zdarzają się bowiem takie wydawałoby się dziwne sytuacje, że mimo bardzo dobrego zasięgu np. usługa dostępu do Internetu działa bardzo wolno, często nawet wręcz uniemożliwiając surfowanie po sieci lub sprawdzenie poczty. Przykład zasięgu powiązany z dostępnością usług w metrze pozwoli w prosty sposób wyjaśnić to zjawisko.

Z metra w godzinach szczytu korzysta bardzo dużo pasażerów. Typowy skład potrafi zabrać ponad tysiąc osób. Podstawowym sposobem spędzenia czasu w trakcie podróży jest, oprócz czytania książek, korzystanie ze smartfonu, przeglądanie Internetu, słuchanie muzyki czy oglądanie wideo. Większość z tych aktywności wymaga dostępu do sieci. Nawet słuchanie muzyki, to już nie tylko odtwarzanie plików zapisanych w pamięci urządzenia. Co więcej, użytkownicy w większości korzystają z platform streamingowych, z których muzyka „pobiera się” w tle bez konieczności zapisywania w lokalnej pamięci urządzenia. I nagle okazuje się, że część użytkowników ma problem z dostępem do zasobów sieciowych, pomimo tego, że symbol na ekranie wskazuje znakomity zasięg sieci.

Podobną sytuację możemy sobie wyobrazić np. podczas koncertu na Stadionie Narodowym, a więc w sytuacji, gdy w jednym miejscu w tym samym czasie zgromadzonych jest około 70 tysięcy osób. Każdy chce przekazać znajomym krótki film lub zdjęcie z wydarzenia. Niestety tu następuje rozczarowanie – pojawia się błąd wysłania wiadomości.

Dlaczego takie zjawisko ma miejsce? Kluczem do rozwiązania zagadki jest tzw. pojemność stacji bazowej. Pojemność można zdefiniować jako maksymalną liczbę użytkowników, którzy mogą być jednocześnie obsłużeni przez określoną stację bazową. Albo jako maksymalną przepływność,  którą sumarycznie mogą wykorzystać wszystkie urządzenia obsługiwane przez konkretną stację.

Pojemność każdej stacji bazowej ma tę cechę charakterystyczną, że jest ona ograniczona. W praktyce oznacza to dokładnie tyle, że stacja bazowa nie jest w stanie jednocześnie obsłużyć więcej użytkowników niż ich pewna określona maksymalna liczba. Stacja ma też zdefiniowaną przepływność, która jest współdzielona pomiędzy urządzenia. Zatem jeśli na niewielkim obszarze zbyt wielu użytkowników jednocześnie będzie chciało skorzystać z usług, po prostu część z nich (mimo dobrego zasięgu stacji bazowej) nie zostanie obsłużona. Podobnie, jeżeli dany sektor stacji oferuje maksymalną prędkość np. na poziomie 400 Mb/s, a obsługuje obszar, na którym aktualnie znajduje się 1000 aktywnie korzystających z sieci użytkowników, to każdy z nich będzie miał do dyspozycji mniej niż 0,5 Mb/s, czyli prędkość znaną z sieci GSM (EDGE).

Przytoczone wyżej przykłady to oczywiście przypadki skrajne, które jednak, mimo starań operatorów, występują dość regularnie i mają miejsce właśnie podczas takich wydarzeń jak imprezy masowe. Dzieje się tak także w tych miejscach, gdzie powstają nowe osiedla mieszkaniowe (skupiska ludności), a tym samym dużo nowych użytkowników „zalogowanych” do jednej, konkretnej stacji bazowej.

Jednym ze sposób na okresowe zwiększenie pojemności sieci jest tymczasowe umieszczenie mobilnej stacji bazowej w wymaganej lokalizacji. Podobnie jest w przypadku kurortów wypoczynkowych, w których zapotrzebowanie na zwiększoną pojemność sieci jest okresowe i typowo wiąże się z okresami urlopowymi (latem nad morzem oraz zimą w górach). I tak chociażby jeden z operatorów poinformował na swojej stronie internetowej, że w 2019 roku udostępnił 10 nowych stałych stacji bazowych i kilka mobilnych w okolicy kurortów i stoków narciarskich.

Problemy z ograniczoną pojemnością sieci są również słabym punktem zatłoczonych centrów miast i dzielnic typowo biznesowych. Na obszarach, gdzie zapotrzebowanie na transmisję danych w usługach mobilnych jest duże, nie obejdzie się bez zainstalowania większej liczby stacji bazowych, „doświetlających” wręcz wybrane, niewielkie obszary. Trzeba tu wspomnieć, że chodzi przede wszystkim o stacje bazowe pojemnościowe, a nie zasięgowe. Instalowane w efekcie są mniejsze urządzenia, tworzące tzw. mikro- lub femtokomórki, nawet wewnątrz budynków, które emitują sygnał o niskiej mocy, ale jednocześnie są wstanie obsłużyć wiele połączeń. Drugim wyjściem jest rozbudowa istniejących już stacji tak, aby były w stanie obsłużyć większą liczbę klientów albo zaoferować im sumarycznie większą prędkość transmisji danych.

Rozwój technologii związanej z sieciami bezprzewodowymi globalnie zmierza w kierunku znacznego obniżenia mocy urządzeń nadawczych (i to zarówno stacji bazowych, jak i terminali użytkownika), zwiększenia możliwości po stronie odbiorczej i rozbudowania siatki małych komórek, które funkcjonalnością zastąpią duże, znane wszystkim maszty komórkowe. Takie konstrukcje nie znikną – mają charakter zasięgowy, a więc pozostaną wciąż w miejscach oddalonych od dużych skupisk ludności. Charakterystyka obszarów mniej zurbanizowanych wymaga zlokalizowania anteny na dużej wysokości w celu pokrycia sygnałem radiowym większego obszaru, którego zapotrzebowanie pojemnościowe jest zdecydowanie niższe niż w centrach miast.

---

Jakub Kwiecień, Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy