Technologia 5G – jakie daje korzyści?

Czy warto nadal mówić na temat 5G? Ansys niedawno opublikował rezultaty badania ankietowego przeprowadzonego na ponad 16 000 osobach. Wynika z niego m.in., że 44% z nich uważa, iż technologia ta będzie miała pozytywny wpływ na ekonomię. Jednocześnie ponad 20% nie wie czym ona właściwie jest.

Brak wiedzy o 5G może być związany z dosyć powszechnym zjawiskiem jakim jest brak zaufania i krytyka wobec tych przełomowych rozwiązań. Niniejszy artykuł ma za zadanie przedstawienie faktów na temat budzącej duże emocje technologii w przystępny sposób.

Czym jest 5G?

5G oznacza piątą generację sieci komórkowej. Jej maksymalna prędkość, w zależności od możliwości technicznych, wynosi od 1 do 10 Gb/s. Dla porównania, 4G LTE-A osiąga maksymalnie od 300 Mb/s do 1 Gb/s. Przekłada się to na ponad 10-krotny wzrost prędkości w technologii 5G względem 4G.

Według sondażu to właśnie przyspieszenie najbardziej przemawia do respondentów. Ludzie z łatwością mogą sobie wyobrazić, że nowa technologia zapewnia większą prędkość pobierania i eliminuje problemy z siecią w zatłoczonych miejscach.

W jaki sposób możliwy jest tak duży wzrost prędkości przekazywania danych? Związane jest to ze sposobem, w jaki przesyłane są informacje. Nowa sieć będzie wykorzystywać fale milimetrowe oraz technologię MIMO (ang. Multiple Input Multiple Output), która umożliwia wysyłanie z anteny ukierunkowanego sygnału. Na Rysunku 1. przedstawiono symulację przykładowej anteny systemu MIMO.

Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie opóźnienia sygnału, zwiększenie przepustowości kanału oraz szybsza transmisja danych.

Kompromisem za te 3 korzyści jest wymóg, aby infrastruktura antenowa była oddalona od siebie maksymalnie o kilkaset metrów. Dla porównania, obecne stacje bazowe telefonii komórkowej obsługują obszar kilkudziesięciu kilometrów.

Korzyści 5G dla branży transportowej

Oczekuje się, że 5G zrewolucjonizuje całą branżę transportową, umożliwiając rozwój w pełni autonomicznych pojazdów.

Jak wynika z danych przeanalizowanych przez Intel, autonomiczny samochód może generować nawet 4 TB danych każdego dnia. Wynika to z faktu, że konsekwentnie zbiera informacje z czujników, kamer, sonaru, lidaru i radaru. Zwiększona prędkość komunikacji i wyższa przepustowość umożliwiają przesyłanie, przetwarzanie i powrót danych do samochodu na tyle szybko, aby mógł on reagować na otaczający go świat.

Dzięki 5G przesyłanie danych i odbieranie instrukcji z różnych systemów jest znacznie szybsze i bardziej niezawodne. W rezultacie infrastruktura 5G będzie katalizatorem wdrażania autonomicznych pojazdów na szeroką skalę (Rysunek 2.).

Możemy spodziewać się, że 5G zapoczątkuje lub przyczyni się do rozwoju szeregu nowych technologii, takich jak:

• ulepszonej mobilnej łączności szerokopasmowej, np. wideo 8k i rzeczywistość wirtualna/rozszerzona (VR/AR)
• masowej komunikacji typu maszynowego, takiej jak: internet rzeczy (IoT), inteligentne miasta, domy i aplikacje przemysłowe
• niezawodnej komunikacji o niskim opóźnieniu, czyli  telemedycyny i pojazdów autonomicznych

Utrudnienia przy wprowadzaniu 5G

Aby zrealizować te scenariusze, należy zająć się kluczowymi wyzwaniami technologicznymi. Należą do nich:

1. Wysoka częstotliwość: nadajniki 5G będą wykorzystywać fale milimetrowe i techniki wielu wejść i wielu wyjść (MIMO). Ich zaletą jest to, że zamiast przesyłać energię fali wokół kuli, anteny MIMO wysyłają energię w określonym kierunku. Ta właściwość pozwala na ukierunkowany zasięg, który koncentruje się na pojedynczych urządzeniach lub małych obszarach geograficznych. Stawia to jednak bardzo duże wyzwanie w opracowaniu odpowiednich systemów, które będą realizowały te funkcje.
2. Większa szybkość transmisji danych: masowa komunikacja danych wymaga ultraszybkich układów i obwodów. Może to prowadzić do szeregu problemów, takich jak niezawodność termiczna, integralność sygnału i kompatybilność elektromagnetyczna. Kwestie te należy w pełni rozważyć i rozwiązać na wczesnym etapie projektowania.
3. Duża skala i forma: producenci urządzeń 5G chcą tworzyć rozwiązania, które są przystępne cenowo i łatwe w utrzymaniu. Dlatego należy je zbadać i zoptymalizować jeszcze przed wprowadzeniem do produkcji.

Wysoce niezawodny scenariusz aplikacji przebiega następująco: od układu scalonego, przez obwód, po komunikację bezprzewodową, stację bazową i przetwarzanie w chmurze. Aplikacje krytyczne dla bezpieczeństwa ludzi wymagają projektowania systemu o wyjątkowo wysokiej niezawodności i bezpieczeństwie. Dwa aspekty niezawodności to sprzęt i oprogramowanie. Czynniki wpływające na niezawodność sprzętu obejmują rozpraszanie ciepła, odporność na warunki atmosferyczne, żywotność i interakcję człowiek-maszyna. Ekosystem oprogramowania obejmuje zabezpieczenia, interfejs użytkownika i systemy podejmowania decyzji.

Aby lepiej sprostać tym wyzwaniom technologicznym i opracować optymalne rozwiązania, producenci mogą skorzystać z symulacji komputerowej. Po dziesięcioleciach szybkiego rozwoju, nowoczesne technologie symulacyjne przekształciły się w systemy symulacyjne, które tworzą zintegrowany ekosystem. Technologie symulacji firmy Ansys bezproblemowo współpracują ze sobą, aby zapewnić kompleksowe rozwiązania. To sprawia, że ​​są idealnym wyborem dla zespołów pracujących zdalnie.

Jak symulacja pomaga sprostać wyzwaniom związanym z infrastrukturą 5G?

Wdrożenie nowoczesnych sieci będzie dużym przedsięwzięciem. Budowanie, testowanie i poprawianie tych systemów może być kosztowne i czasochłonne.

Wirtualne prototypowanie i symulacja mogą pomóc w skróceniu cyklu rozwoju i obniżyć koszty testowania tych systemów. Symulacja umożliwia również dalsze innowacje i modernizację technologii komunikacji radiowej (Rysunek 3).

Inżynierowie systemów bezprzewodowych mogą korzystać z symulacji i analizy na poziomie systemu, aby  sprawdzać i ulepszać tory radiowe urządzeń komunikacyjnych. Pozwala to na badanie i rozwiązywanie problemów związanych z fizyką 3D urządzenia i integracją systemu w rzeczywistym środowisku. Na przykład wykorzystanie narzędzi takich jak:

• Ansys HFSS i Ansys HFSS SBR+: wpłynie na poprawę konstrukcji i zasięgu instalacji antenowych.
• Ansys Icepak: wpłynie na integralność cieplną urządzeń infrastruktury telekomunikacyjnej.
• Ansys SIwave: pozwoli na poprawę integralności sygnału oraz integralności zasilania urządzeń 5G.
• Ansys Sherlock: pozwoli na weryfikację projektu obwodów drukowanych pod kątem niezawodności.

Jak interpretować dane z symulacji komputerowej?

5G stawia kilka wyzwań w zakresie przetwarzania danych z symulacji i analizy wydajności urządzeń. Jednym z ułatwień w środowisku Ansys jest funkcja dystrybucji skumulowanej CDF (ang. Cumulative Distribution Function) dla macierzy antenowych. To analiza, która pozwala określić zasięg szyku antenowego 5G, niezależnie od tego, czy jest on częścią urządzenia klienckiego czy systemu sieciowego. Korzystając z CDF, można szybko zwizualizować ogólną charakterystykę promieniowania układu antenowego tylko na podstawie projektu i w oparciu o zestaw wstępnie określonych kątów (Rysunek 4).

Podczas projektowania dowolnego urządzenia 5G, takiego jak telefon komórkowy lub stacja bazowa, ilość energii, którą to urządzenie może wypromieniować jest określona przez rygorystyczne normy. Funkcja automatycznego wyodrębniania gęstości mocy (PD) pozwala szybko i skutecznie przeprowadzić analizę jej rozkładu (Rysunek 5). Tego typu symulacje umożliwiają przeprowadzenie analiz pod kątem bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń 5G. Pozwala to stwierdzić, kiedy może być konieczne obniżenie poziomów mocy lub całkowite przeprojektowanie urządzenia, aby spełnić wymogi bezpieczeństwa określone normami.

Wymieniliśmy wiele korzyści z wprowadzenia technologii 5G. Prawda jest jednak taka, że zwiększenie prędkości i przepustowości w przesyłaniu danych otworzy nam drogę do rozwiązań, których być może na razie jeszcze nie bierzemy pod uwagę. Pomysły i wyobraźnia inżynierów pracujących nad nimi pokażą prawdziwe możliwości, które niesie ze sobą 5G.

Autor artykułu

dr inż. Marek Szymczak, Application Engineer w Symkom. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektromagnetyzmem, wysokimi częstotliwościami oraz obwodami drukowanymi. Absolwent wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Tytuł doktora uzyskał za pracę: Analiza porównawcza możliwości zastosowania filtrów pasywnych i aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych.