Sieci 5G

W fabrykach na znaczeniu zyskują sieci bezprzewodowe. To wynika głównie z upowszechniania się Przemysłowego Internetu Rzeczy. Ponadto koszty ich instalacji są niższe niż sieci przewodowych. Łatwiejsze jest też wprowadzanie w nich zmian, co wpisuje się w trend zwiększania elastyczności linii produkcyjnych. Kluczowy jest jednak rozwój standardu komunikacji bezprzewodowej, który odpowiada potrzebom aplikacji w przemyśle. Takim są sieci 5G.

Dotychczas wykorzystanie łączności bezprzewodowej w fabrykach ograniczało się do zastosowań w systemach sterowania w otwartej pętli i systemach MES. Poza nimi sieci tego typu nie spełniały oczekiwań pod względem niezawodności i możliwości transmisji w czasie rzeczywistym. To się zmieniło wraz z wprowadzeniem sieci 5G.

Zasadnicza różnica między nimi a sieciami komórkowymi poprzednich generacji polega na tym, że w ich specyfikacji skoncentrowano się na obsłudze komunikacji M2M (Machine to Machine) i IoT (Internetu Rzeczy). Dzięki temu zapewniają wymagane w takich aplikacjach: dużą przepustowość, bardzo małe opóźnienia, nieosiągalne wcześniej niezawodność, dostępność i pojemność pozwalającą na obsługę ogromnej liczby węzłów IoT. Otwiera to drogę do wykorzystania opartych na nich łączy bezprzewodowych w przemyśle w wielu aplikacjach i na niespotykaną dotychczas skalę.

Specyfikacja sieci 5G projektowana jest z myślą o trzech typach usług. Są to: masowa komunikacja typu maszynowego (Massive Machine Type Communication, mMTC), ulepszona mobilna łączność szerokopasmowa (Enhanced Mobile Broadband, eMBB) i ultraniezawodna komunikacja o małych opóźnieniach (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC).

mMTC, EMBB, URLLC

mMTC ma zapewnić gęstość połączeń przekraczającą 1 mln urządzeń na km², poprawę zasięgu o 20 dB w porównaniu z LTE oraz żywotność baterii powyżej 10 lat. Zwiększenie zasięgu zapewnia powtarzanie transmisji i ograniczenie aktywnego pasma częstotliwości. Na prostotę urządzenia oraz jego niski koszt wpływa ograniczenie szerokości pasma (do 1 MHz i mniej), prędkości szczytowej (do kilkuset kb/s), mocy wyjściowej (20 dBm). Wykorzystuje się też transmisję półdupleksową, aby ograniczyć liczbę filtrów. Długą żywotność baterii zapewnia dopuszczalność nieciągłego odbioru, co wydłuża pracę w trybie uśpienia. Docelową aplikacją trybu mMTC są sieci IoT.

URLLC w sieciach 5G Od sieci przemysłowych wymaga się maksymalnej niezawodności transmisji przy minimalnych opóźnieniach. Niestety oba parametry w sieciach komórkowych w wersjach przed 5G traktowano rozłącznie. Skutkowało to tym, że większą niezawodność osiągano przeważnie dzięki technikom redundancji obejmującym m.in. retransmisję, co zwiększało opóźnienia. W wielu zastosowaniach, na przykład w transmisji danych, było to akceptowalne. Jeżeli opóźnienia były niedopuszczalne, na przykład w usługach sieciowych wymagających interakcji, liczono się ze spadkiem niezawodności łącza. Generalnie duża niezawodność wykluczała małe opóźnienia i to właśnie przede wszystkim zmiany tej zależności oczekiwano od sieci 5G. W szkieletowych sieciach 5G te sprzeczne wymogi pozwala spełnić lokalny hosting usług oparty na przetwarzaniu brzegowym (edge computing). Polega to na świadczeniu usług (hostowaniu zasobów sieciowych) przez operatora sieci i/albo stronę trzecią w pobliżu punktu dostępowego urządzenia użytkownika (jak najbliżej użytkownika). Zmniejsza to opóźnienia, a jednocześnie obciążenie sieci. Ponadto udoskonalono mechanizm QoS Class Identifier (QCI) wprowadzony w sieciach 4G LTE. Zmiany obejmują nowe wartości QCI dla wysoce niezawodnych usług o małych opóźnieniach, dla których w obliczeniach współczynnika Packet Error Loss Rate uwzględniono pakiety dostarczane po upływie granicznej wartości opóźnienia Packet Delay Budget. W zakresie interfejsu radiowego sieci 5G małe opóźnienia zapewnia m.in. transmisja przez ułamek szczeliny z minimum 2 symbolami (w porównaniu z 14 symbolami w przypadku całej szczeliny) i częste monitorowanie wskaźnika PDCCH (Physical Downlink Control Channel). Rozwiązania te zostały wprowadzone w pierwszej wersji standardu sieci 5G (Release 15). Kolejne uzupełniono m.in. o mechanizm transmisji redundantnej poprawiającej niezawodność: pakiety są duplikowane i równocześnie wysyłane do odbiornika dwoma rozłącznymi trasami. Te nadmiarowe są potem eliminowane po stronie odbiorcy. Dzięki temu unika się awarii usług nawet, jeżeli pakiet nie dotrze daną trasą do odbiorcy albo przekroczy dopuszczalne opóźnienie. W warstwie fizycznej sieci z kolei m.in.: wprowadzono nowe formaty DCI (Downlink Control Information), ulepszono możliwości monitorowania PDCCH, zmodyfikowano mechanizm HARQ-ACK. Jeśli chodzi o sieć szkieletową opartą na przetwarzaniu brzegowym, jest ona udoskonalana m.in. przez możliwość wykonania relokacji brzegowej.

W eMBB osiągalne będą szczytowe prędkości transmisji 20 Gb/s w łączu downlink oraz 10 Gb/s w uplink. Zapewni to transmisja szerokopasmowa (do 400 MHz), wieloantenowa w technice Massive MIMO i modulacje wysokich rzędów (256 QAM i więcej). Wykorzystywane będą częstotliwości nośne od poniżej 1 do 86 GHz, w pasmach licencjonowanych i nielicencjonowanych. Docelowo tryb eMBB sprawdzi się m.in. w wymagających dużej przepustowości zastosowaniach rzeczywistości wirtualnej.

W przypadku URLLC już pierwsza wersja standardu sieci 5G (Release 15) umożliwia osiągnięcie opóźnienia 1ms przy niezawodności 99,999%. Pozwala to na zrealizowanie niezawodnego łącza dla małych pakietów danych o wielkości do kilku bajtów, co przy gwarantowanym deterministycznym opóźnieniu wystarczy na przykład w systemie sterowania w pętli zamkniętej. Niezawodność jest uzyskiwana dzięki specjalnym systemom modulacji/kodowania, zaś małe opóźnienie dzięki krótkim szczelinom transmisyjnym. Więcej o tych rozwiązaniach piszemy w ramce.