Explicația simplă pentru 5G: slicing, frecvențe, servicii, modemuri, FWA, radiație și altele

Încerc să explic pe înțelesul tuturor majoritatea termenilor legați de rețelele 5G, că-i anul pentru așa ceva în România și am nevoie de un astfel de articol spre care să tot pun linkuri în viitor. Anterior am explicat și de ce avem nevoie de 5G.

Ce înseamnă 5G?

5G, adică a cincea generație de comunicații mobile. Generațiile acestea reprezintă momente de schimbare semnificativă a standardelor de comunicație, ceea ce deschide și noi servicii de oferit clienților.

Au fost anterior alte patru generații, da:

• 1G – erau niște telefoane mobile conectate prin cablu la un echipament de transmisie-recepție și o baterie de mari dimensiuni. Totul arăta ca o geantă de umăr. În România, prin 1995, a operat un astfel de sistem numit NMT 450.

• 2G – Connex și Dialog au venit în România, în 1996, direct cu telefonie de a doua generație. Aveai telefon mobil, puteai vorbi și trimite SMS-uri, iar traficul de date se făcea prin GPRS, la viteze de genul 128 kbps.
• 3G – a adus tuturor ideea de trafic de date de viteză mai mare pe mobil și a coincis și cu răspândirea pe scară largă a smartphone-urilor așa cum le știm astăzi. Viteze de ordinul Mbps făceau posibile browsingul confortabil, apelurile video, trimiterea și primirea de fotografii șamd.
• 4G – avantajul principal a fost creșterea substanțială a vitezelor de download și upload, ajungându-se chiar la sute de Mbps. Au fost introduse și alte servicii precum Voice over LTE și altele.

Cu ce vine nou 5G?

Noul standard este astfel gândit încât să ofere trei tipuri de servicii clienților:

Enhanced Mobile Broadband (eMBB) înseamnă, de fapt, bandă mult mai mare. 5G duce până la 20 Gbps (și cine știe cât, de fapt, cu agregare de mai multe frecvențe), dar nu asta contează așa mult pentru un sigur client, ci faptul că “antena” ce deservește o anumită zonă are o capacitate mult mai mare de transfer pe care o împarte clienților din acea zonă, așa că fiecare beneficiază de o conexiune mult mai rapidă decât pe 4G.

Cum îmi place mie să zic, 4G este ca un tort mare din care se împarte câte o felie tuturor celor aflați la masă în acea zonă, iar 5G este un tort mult mai mare care se împarte acelorași oameni, deci fiecare primește o felie mult mai mare. Asta e important pentru că se consumă tot mai mult video, Spotify, instastories și altele, pe upload vrem smart city, camere video și mașini autonome, deci fiecare are nevoie de mai mult trafic de date.

După cum am mai spus, directorul  unui operator telecom mi-a spus că traficul prin rețea crește atât de mult de la an la an încât la final de 2020 va fi nevoie de 5G și pentru utilizatorii obișnuiți, că 4G nu va mai putea oferi vitezele sale uzuale din trecut.

Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) înseamnă latență foarte mică, de doar câteva milisecunde.

Aplicația asta are multe utilizări potențiale. Va fi posibil gamingul prin 5G. Vor putea fi manevrate cu precizie și fluență tot felul de utilaje, de roboți și altele de la distanță.

Massive Machine-Type Communications (mMTC) înseamnă că mii de dispozitive mărunte, de senzori, relee și altele tipuri, pot fi conectate la rețeaua 5G existentă, nu la una wifi ce trebuie construită de la zero într-o fabrică, de exemplu, sau la nivelul unui oraș pentru aplicații smart city pe fiecare lampă stradală, segment de țeavă de apă și gaze, semafor șamd.

Le-am explicat mai pe larg în articolul despre de ce avem nevoie de 5G, dacă vă interesează alte detalii.

Cum face 5G acestea?

Din fericire, cei care au creat standardul au identificat niște nevoi viitoare ale tehnologiei diverse și au gândit 5G pentru a veni în întâmpinarea ei.

Banda mult mai mare este obținută prin mai multe schimbări față de 4G, cele mai importante fiind creșterea numărului de antene din stația de bază, ceea ce permite comunicații mai eficiente cu fiecare client, și utilizarea de frecvențe mai înalte. În general, frecvență mai înaltă = bandă mai mare. Și cu cât ai la dispoziție blocuri mai mari de frecvență, cu atât crește și banda totală.

Mai sunt și alte schimbări ce țin de modulare, codarea datelor și alte principii de comunicație, dar am zis că o țin pe explicația simplă. Pentru cea inginerească, sunt necesare câteva semestre pe la Facultatea de Electronică.

Latența mult mai mică este obținută prin utilizarea unor scheme de împachetare, codare și transmisie a datelor care reduc întârzierile apărute în întregul lanț de transmisie până la câteva milisecunde.

Intervine apoi un concept numit slicing, care presupune împărțirea întregii rețele 5G fizice în felii, în rețele virtuale, fiecare adaptată unor scenarii necesare de lucru. Gândiți-le ca un fel de VPN-uri sau chiar ca rețele 5G complet separate între ele.

Mașinile autonome au nevoie de upload mare și latență mică? Hai să le conectăm pe toate pe o bucată de rețea în care echipamentele vor fi configurate pentru a oferi upload mare și latență mică.

O fabrică are nevoie de conectivitate machine-to-machine între roboții și senzorii ei? În loc să investească într-o rețea wifi proprie, operatorul telecom îi alocă un slice de rețea 5G pe care administratorul fabricii o gestionează ca pe un VPN propriu, la care sunt conectate doar dispozitivele sale.

Teoretic această opțiune de virtualizare este gândită și pentru a permite operatori telecom virtuali (MVNO), că pot apărea companii specializate pe anumite tipuri de servicii și oferte, iar operatorii telecom le “taie” o bucată din rețea și îi lasă să facă ce vor cu ea.

Care este diferența între rețelele standalone și non-standalone 5G?

Acești doi termeni se folosesc în terminologie. Explicația lor este următoarea:

Rețeaua non-standalone (5G NSA) este cea în care doar comunicația dintre “antenele” de pe blocuri și telefoane folosește tehnologia 5G. Antenele în sine sunt conectate prin tehnologii specifice 4G la echipamente de management și la nucleul rețelei telecom. În limbaj de specialitate, se spune că doar segmentul aerian, cel final, este 5G.

Rețeaua standalone (5G SA) este cea construită de la cap la coadă pe tehnologia 5G, cu tot ce aduce ea nou. Doar într-o astfel de rețea sunt posibile servicii de latență mică, virtualizare și restul “bunătăților”.

În acest moment, toate rețelele 5G din România sunt non-standalone, urmând ca unele stand-alone să apară pe final de 2020 sau în 2021. Cam aceasta este și recomandarea celor de la 3GPP, organizația care dezvoltă standardele. Activarea inițială a unor rețele 5G NSA permite o tranziție treptată spre 5G din punct de vedere al costurilor și poți să-i prezinți și clientului treptat avantajele 5G.

De fapt, asta s-a văzut și în testul meu cu rețeaua Orange și un telefon Samsung S10 5G. O fi ea non-standalone, dar vitezele obținute sunt mult mai mari decât pe 4G, deci deja avantajul noii tehnologii în segmentul aerian, chiar și pus peste nucleul 4G, este vizibil în servicii de bandă mare.

 

Dar care-i treaba cu frecvențele folosite de 5G?

5G este gândit pentru a schimba frecvențele utilizate în funcție de nevoia de moment a clientului. Sunt doi termeni utilizați de obicei în discuțiile despre 5G:

• Sub6: frecvențe mai mici de 6 GHz, adică de obicei cele deja utilizate pentru telefonie și până acum de operatorii telecom. 5G definește un mod de a transmite informația, dar poți folosi acest mod pe orice frecvență, inclusiv deja existentele 700, 800, 1800, 2600, 3600, 4400 MHz șamd. Aceste frecvențe vor asigura acoperire de suprafață mare pentru 5G și viteze de câțiva Gbps.
• mmWave: frecvențe în jur de 26 GHz, unde sunt posibile viteze de ordinul Gbps. Numele vine de la faptul că frecvența de 26 GHz este la începutul benzii de “unde milimetrice”.

Frecvențele Sub6 mai sunt uneori împărțite în două: frecvențe joase, precum 700 MHz, și medii, de obicei 2.600-3.600 MHz.

Este nevoie de mai multe frecvențe din următorul motiv: frecvențele mici oferă acoperirea cea mai mare, dar viteze mici, iar frecvențele mari oferă viteze foarte mari, dar semnalele se propagă pe distanțe scurte.

Așadar, pentru 5G, operatorii vor jongla în cele din urmă cu două sau trei frecvențe, trecând telefoanele clienților de pe una pe alta în funcție de nevoia de moment:

• 700 MHz pentru cea mai bună acoperire, în special în afara orașelor, unde stațiile de bază sunt mai puține.
• 3.600 MHz pentru un raport echilibrat între acoperire și viteză. În prezent, Vodafone, Orange și Digi operează rețele 5G în banda de 3.600 MHz cu viteze de până la 1.200 Mbps și ar putea crește după ce vor achiziționa mai mult spectru în această frecvență.
• 24 GHz pentru momentele când vrei download sau upload serios. Problema cu această frecvență este că acoperirea este foarte mică și este foarte ușor de atenuat, adică va fi disponibilă doar în zonele aglomerate de prin orașe, acolo unde este nevoie de o capacitate mare pentru toți cei conectați.

Ce se află într-un telefon 5G?

Altfel spus, de ce sunt mai scumpe și care-i treaba cu modemul 5G. Folosesc ca exemplu un Samsung S10 5G, care este singurul telefon 5G pe care l-am butonat până acum, dar care, alături de Note10+ 5G, este probabil cel mai performant de pe piață în acest moment.

Telefonul nu este un simplu S10 sau S10+ cu modem 5G adăugat, ci sunt mai multe diferențe. Specificațiile sale hardware sunt:

• ecran 6,7 inchi, rezoluție 1440 x 3040 pixeli, Gorilla Glass 6, AMOLED HDR
• chipset Exynos 9820 octa-core, 8 GB memorie RAM
• 256 sau 512 GB stocare internă, fără microSD
• patru camere foto pe spate: normală 12 mpx, F/1.5-2.4, stabilizare optică; zoom 2x 12 mpx, F/2.4, stabilizare optică; ultrawide 16 mpx, F/2.2; cameră ToF; filmare 4K@60 fps.
• două camere foto pe față: selfie 10 mpx, f/1.9; cameră ToF pentru defocalizarea mai bună a fundalului
• wifi 802.11ax, bluetooth, wi-fi direct, senzor de amprentă în ecran, plăți prin NFC, USB 3.1 tip C
• baterie 4.500 mah, încărcare rapidă 25W, încărcare wireless 15W
• mai multe detalii găsiți pe site-ul oficial.

Adică are ecran mai mare chiar și decât un S10+, se încarcă la 25W, are baterie mult mai mare, dar nu mai are slot microSD. Și iată-l comparat la dimensiuni cu propriul meu S10:

Note10+ 5G este și mai bun, că are stylus și probabil este mai potrivit clienților business ce vor fi primii care trec la 5G.

Modemul său 5G se numește Exynos 5100 Modem și este dezvoltat tot de Samsung. Modem, adică modulator-demodulator, componenta care ia datele ce trebuie transmise (câteva fotografii, să zicem) și le împachetează într-un format conform cu standardele 5G; face și operațiunea inversă, desigur.

Dacă ați citit cele de mai sus, veți înțelege ușor când spun că Exynos 5100 suportă atât frecvențele Sub6 cu o viteză maximă de 2 Gbps, cât și cele mmWave cu maxim 6 Gbps.

Dacă vreți mai multe detalii tehnice, suportă o modulație 256-QAM în Sub6 și 64-QAM în mmWave. Modulația în cuadratură este o tehnică utilizată în transmisiuni digitale pentru a coda mai mulți biți printr-un singur simbol și am învățat-o în anul 4 la Electronică. Cifra indică numărul de simboluri disponibile: cu cât mai multe, cu atât mai bine, deși nu poți pune foarte multe pentru că riști să apară erori la transmisie și mai mult timp pierzi retransmițând pachetele respective.

Exynos Modem 5100 suportă și 4G și restul standardelor anterioare, cu până la 1,6 Gbps și carrier aggregation pe 8 benzi, așa că este o soluție completă și suficientă inclusiv câțiva ani în viitor.

Modemul nu-i singur. În acest telefon, îi stă alături un Exynos RF 5500, care este un transceiver, adică transmițător și receptor. Este componenta care ia semnalul pregătit de modemul 5100 și îl urcă în frecvență pe cea necesară transmisiei propriu-zise, adică frecvența pe care “dialoghează” în mod curent telefonul cu stația de bază la care este conectat. Când primești un pachet, face operațiunea inversă de coborâre în frecvență.

Exynos RF 5500 suportă MU-MIMO 4×4 și modularea 256-QAM, dar lucrează doar cu frecvențe Sub6. Asta nu-i o problemă acum, pentru că în România estimez că abia prin 2024 vom vedea 5G în frecvențe mmWave, iar până atunci Samsung va produce telefoane în care poate împerechea modemul 5100 cu un alt transceiver.

Exynos SM 5800 este a treia componentă necesară subsistemului 5G din telefon. Este un supply modulator, adică alimentează componentele de mai sus cu o tensiune variabilă, după nevoia de moment.

Ideea este că un telefon care doar stă conectat la rețea și primește din când în când notificări consumă mult mai puțină energie decât atunci când trage cu 300 Mbps ceva de pe net. Modemul 5G ar putea fi alimentat mereu la maxim cu energie, dar asta ar consuma rapid bateria telefonului. SM 5800 ajustează, în schimb, alimentarea modemului și transceiverului după nevoi, crescând puterea semnalului atunci când acoperirea este slabă sau când ai nevoie de o bandă largă, crescând astfel autonomia totală a telefonului.

Toate cele trei componente asigură partea de 5G a telefonului. După cum vedeți, nu doar modemul este important, ci contează și cu ce transceiver este cuplat, iar un supply modulator bun are impact asupra bateriei telefonului.

Soluția Samsung este performantă și un astfel de telefon va utiliza la maxim 5G-ul din România până prin 2024, când poate operatorii telecom vor instala și stații de bază mmWave și acest telefon nu le va putea accesa, fiind limitat la “doar” cei 2 Gbps din frecvențele Sub6. Până atunci, însă, vor apărea și telefoane cu transceiver mmWave.

Dar de ce nu poate fi îmbunătățit 4G-ul curent?

Din mai multe motive, cel principal fiind că tehnologia 4G a ajuns deja aproape de ceea ce poate oferi maxim.

O stație de bază telecom, o “antenă de pe bloc”, cum ar fi, poate comunica pe un număr finit de mici frecvențe cu clienții din zona ei de acoperire, adică îi aloca fiecăruia câte o felie din capacitatea ei totală.

Nu poți adăuga încă o stație de bază în aceeași zonă, care să emită pe aceleași frecvențe cu alte telefoane, pentru că ar interfera cu prima. S-ar bruia între ele.

În alte cazuri, este folosită o tehnologie de diviziune în timp, adică antena comunică pe rând cu fiecare client pentru câte 20 de milisecunde, să zicem. Asta înseamnă că poate comunica într-o secundă cu 50 de telefoane, dar există o limită inferioară a acestor intervale de timp.

Am tot folosit analogia cu tortul din care se împarte câte o felie fiecărui client din zonă. Nu poți veni cu încă un tort pentru cei care n-au primit felie deoarece la masa respectivă există și un număr finit de scaune de pe care se poate mânca tort.

Soluția 5G este să vină cu tort mai mare și masă mai mare, cu mai multe scaune în jurul ei, plus cu ospătari mai rapizi. Este un standard gândit să deservească mai bine, mai mulți clienți, simultan.

Și nu mai repet restul avantajelor 5G care nu sunt incluse în 4G, adică latența mică și posibilitatea de virtualizare a rețelei.

Care-i treaba cu licitația ANCOM pentru 5G și ce se va vinde acolo?

Operatorii telecom nu pot emite pe ce frecvențe vor ei pentru că acestea, cu câteva excepții care n-au legătură cu 5G, aparțin statului român. Statul, prin ANCOM, le va vinde deci dreptul de a emite pe anumite frecvențe. Sumele sunt de ordinul sutelor de milioane de euro la achiziția acestui drept și apoi se mai plătește anual o taxă destul de mare, încât pe 10 sau 20 de ani probabil se mai adună câteva sute de milioane de euro plătite statului.

ANCOM va vinde blocuri de spectru în diverse frecvențe. Adică noi spunem că 5G-ul este pe 3.600 MHz, dar în practică un operator are frecvențele de la 3.455 la 3.500 MHz, altul de la 3.520 la 3.635 MHz șamd, adică pe un interval mai mare în jurul frecvenței pe care o numim, simplu, 3.600 MHz.

Operatorii telecom se înțeleg cu ANCOM și în privința a ce vor emite pe respectivele frecvențe, adică ce tip de servicii 4G, 5G șamd.

Licitația curentă trebuia făcută la final de 2019, dar schimbarea guvernului și memorandumul semnat cu SUA privind dezvoltarea 5G au amânat lucrurile. Din câte știu, licitația aceasta va avea loc până la finalul lunii iunie 2020 și se vor vinde următoarele blocuri:

ANCOM va pune la dispoziţia operatorilor interesaţi spectrul disponibil în benzile 700 MHz, 800 MHz, 1500 MHz, 2600 MHz şi 3400-3800 MHz. În banda de 700 MHz este disponibilă o cantitate de 2 x 30 MHz (FDD) şi 1 x 15 MHz (SDL), în banda de 800 MHz – 2 x 5 MHz (FDD), în banda de 1500 MHz – 1 x 40 MHz (SDL) iar în banda de 2600 MHz – 2 x 40 MHz (FDD).

În ceea ce priveşte banda 3400-3800 MHz, se vor putea aloca 90 MHz (în regim de funcţionare TDD) pe un termen mai scurt, de 6 ani, şi 400 MHz (în regim TDD) pe un termen mai lung, de 10 ani. (ANCOM)

Bătaia mare va fi pe blocuri din benzile de 700 și 800 MHz pentru că, după cum am spus mai sus, un semnal pe aceste frecvențe se propagă la distanțe mari, deci poți asigura 5G în afara orașelor pe suprafețe mari doar dacă ai dreptul să emiți pe aceste frecvențe. Pentru blocurile respective se vor licita sumele cele mai mari.

Operatorii vor dori să cumpere spectru suplimentar față de ce au deja acum și în 3.400-3.800 MHz, adică ceea ce am numit până acum, mai simplu, 3.600 MHz. Și aceasta va sta la baza 5G-ului până când se va trece la frecvențele mmWave, că în aceste frecvențe poți oferi vitezele mari care sunt necesare creșterii consumului de date mobile.

Nu știu dacă benzile 1.500 MHz și 2.600 MHz vor fi achiziționate pentru 5G, ci mai degrabă pentru a muta acolo serviciile 3G și 4G actuale, dintre care unele sunt în benzi ce-ar fi mai bine utilizate pentru 5G.

Când se vor vinde frecvențele mmWave?

Nu știe nimeni. ANCOM nu a anunțat un calendar pentru licitarea benzilor de 26 GHz. Într-o discuție informală cu un operator telecom, estimarea respectivului CEO era că prin 2023-2024 și de asta am spus și eu în mai multe locuri mai sus că probabil prin 2024 vom vedea 5G în mmWave.

Este periculos 5G-ul?

Eu zic că nu, dar păstrez discuția asta pentru alt articol, că sunt multe de explicat. Voi pune aici link către el imediat ce-l voi scrie.

Pe scurt, însă, vă reamintesc că avem telefonie de vreo 30 de ani în frecvențe Sub6, iar schimbarea modului în care sunt împachetați biții când sunt transmiși pe aceste frecvențe nu va schimba impactul câmpurilor electromagnetice asupra țesuturilor biologice.

Majoritatea oamenilor se tem de 5G-ul în frecvențe mmWave, unde acoperirea este de câteva sute de metri și deci va fi nevoie de multe antene montate prin oraș. Corect, dar antenele au puterea limitată prin lege, iar semnalul pe acele frecvențe este atât de slab încât este atenuat puternic de frunze și de picături de apă, iar adâncimea de pătrundere în piele este mai mică decât grosimea stratului superficial. Inclusiv telefoanele vor avea probleme cu acoperirea în mmWave, iar eu cred că astfel de antene vor fi montate doar în zone cheie (Piața Victoriei, stadion etc).

Înțeleg că mulți oameni se tem de 5G pentru că-i nou și greu de înțeles și rapid, iar tot ce-i rapid pare și nociv, că doar viteza produce cele mai multe accidente auto. În privința factorilor de risc, însă, aș spune că poluarea aerului din oraș ne face de câteva zeci de ori mai mult rău decât cea electromagnetică (în București scade speranța de viață cu vreo 3 ani din cauza poluării aerului), la fel și zahărul, fumatul și alți factori. Dacă vreți să vă arătați scandalizați și indignați că ceva vă face rău, începeți cu acestea.

Ce înseamnă 5G FWA?

FWA înseamnă Fixed Wireless Access și se referă la posibilitatea de a nu mai trage cablu până la casa sau apartamentul cuiva, ci de a-i oferi Internet și televiziune prin 5G. De obicei este nevoie de fibră pentru viteze mari de net în casă, dar 5G-ul va oferi viteze la fel de mari.

Avantaje sunt pentru toate părțile implicate:

• operatorii nu mai pierd timp și bani cablând segmentul “last mile”, adică de la punctul de distribuție din cartier și până în fiecare casă și apartament. Asta va face mai simplă răspândirea internetului și televiziunii în zone rezidențiale noi, în mediul rural și alte situații, de exemplu la hoteluri și pensiuni.
• clienții nu mai așteaptă după o echipă de instalare care să le găurească pereții și să le tragă cabluri prin curte, bloc și casă, ci primesc un aparat 5G care le va da în casă wifi, semnal de tras până la televizor și telefonie fixă.

Am văzut un astfel de test făcut de Orange la Florești în 2018. Antenele de pe un stâlp telecom din zonă asigurau și partea de FWA pentru un cartier de case și un supermarket din zonă, pe o rază de aproximativ 1 km. Sistemul de acolo a fost făcut de Samsung și CISCO, iar echipamentul CPE (customer premise equipment, adică ceea ce trebuie să aibă clientul în casă) era cel de mai jos:

A fost un test organizat chiar de grupul Orange. Nu știu dacă astfel de servicii vor fi lansate în România, dar cred că da. Va fi un serviciu interesant deoarece operatorii telecom vor putea concura mult mai bine între ei.