5G+: turbosprint mobilnih mreža

Obilježavajući prvu godišnjicu komercijalnog rada prve 5G mreže u Hrvatskoj, 21.listopada 2021., po prvi puta u Hrvatskoj, pokazali smo mogućnosti revolucionarne 5G+ mreže. Ovdje je riječ o primjeni 5G tehnologije u frekvencijskom području od 26 GHz.

Ova tehnologija, iako ograničena u svojoj upotrebi na manja područja zbog upotrebe visokih frekvencija, omogućava višegigabitne brzine prijenosa, velike kapacitete i ultraniske latencije. Njena primjena se očekuje u segmentima mreže gdje postoje izrazito velike potrebe za prijenosom podataka poput zatvorenih trgovačkih centara, sportskih arena i stadiona, gradskih trgiva i središta, kao i uredskih/poslovnih prostora. Prema analizama Bell Consultinga, u ovim područjima 5G+ obećava čak do 75% niži trošak po GB prenesenih podataka u odnosu na 5G primjenjen u 3.6 GHz-om spektru.

26 GHz je najviši ali i najmlađi frekvencijski pojas u kojemu 5G može raditi u Europi. 5G+ obično se još naziva i 5G-om u milimetarskom valnom području (eng. milimitar wave- mmWave) i predstavlja jednu od najkontroverznijih tehnologija još tamo od razvoja i primjene (W)CDMA tehnologije u 3. generaciji mobilnih mreža. Uzrok kontroverzama leži u njenoj složenosti i brojnim tehnološkim izazovima koje je potrebno razriješiti da bi bila funkcionalna u okviru mobilnih mreža kakve danas poznajemo.

S tim više, demonstracija koju smo nedavno održali, ima višestruki značaj jer smo u njoj pokazali kako 5G+ funkcionira u punom "end-to-end" smislu u komercijalnoj mreži Hrvatskog Telekoma. Počnimo od korisničkog uređaja. Za početak nismo koristili sklopovsku skalameriju u vidu "terminala veličine bazne stanice" niti uređaja iz kojeg još uvijek vire žice upakiranog u jeftinu prototipnu plastiku. U našem slučaju to je bio komercijalni (doduše još ne u Hrvatskoj, ali u Južnoj Koreji) Sony Xperia Pro smartphpone, pokretan, a to je u ovom slučaju najvažnije, 4. generacijom mmWave radiofrekvencijskog Qualcomm-ovog modema SnapDragon.

Smartphone je putem radijskog sučelja bio povezan s Ericssonovom mmWave baznom stanicom koja se zbog svojih dimenzija i načina izvedbe uvelike razlikuje od tradicionalnih baznih stanica na kakve smo navikli u srednjim i nižim frekvencijskim područjima. Ovakva izvedba u malom volumenu od svega 50 cm X 20 cm X 12,5 cm ima integrirane sve elemente konvencionalne bazne stanice - radijski dio, dio za obradu signala kao i dio za prijenos podataka prema ostatku mreže putem optičkog kabela. Inženjerska ljepota ovog rješenja je u tome što sama izvedba u istom uređaju sadrži i antenu, zapravo bolje je reći pravo malo antensko polje koje sadrži čak 192 dvo-polarizirana antenska elementa ili slikovito rečeno male antenice. Realizacija ovakvih malih antena je moguća upravo zbog visokih frekvencija jer optimalna veličina antena ovisi o valnoj duljini signala, što je za 26 GHz iznosi svega oko pola centimetra.

Ova bazna stanica je dalje povezana s našom komercijalnom 4G/5G jezgrenom mrežom koristeći funkcionalnosti definirane 3GPP R15 standardom koja omogućuje da se korisnici tj. terminali povežu sa sadržajima na internetu.

mmWave bazna stanica i Sony Xperia Pro terminal korišteni u demonstraciji

Pri demonstraciji smo postizali brzine od 2,5 Gbit/s do preko 4 Gbit/s, uz latencije od svega 10-tak milisekundi. Ove performanse su čak 2-4 puta bolje od performansi u 3.6 GHz-nom području koji je trenutačno europski i svjetski "5G mainstream".

Međutim, pitanje koje se logički samo po sebi nameće je zašto 5G+ već sada nije 5G mainstraim i zašto višegigabitna renesansa već nije tu. Za to postoje dva glavna razloga, prvi je dostupnost radiofrekvencijskog spektra, a drugi je specifičnost i složenost same tehničke implementacije.

mmWave spektar za 5G u Europi postaje šire dostupan tek od prošle godine. U SAD-u situacija je bitno drugačija, te je mmWave spektar dostupan još od 2017. godine a svi najveći operatori su ga već implementirali u svoje mreže. S obzirom na raniju dostupnost spektra, i cijeli mmWave ekosustav, uključujući i raspoložive korisničke uređaje, je u SAD-u puno zreliji. mmWave spektar je ovo ljeto bio dijelom natječaja za 5G spektar i u Hrvatskoj. Na tom natječaju HT je osigurao 400 MHz od ukupno raspoloživih 1000 MHz ovom pojasu, što je dvostruko više od prvog sljedećeg konkurenta.

Što se tiče tehničkih svojstava koja su ujedno i prednosti te izazova mmWave 5G+ tehnologije mogu se izdvojiti:

1.     Posebnost viših frekvencija je činjenica da je na njima moguće osigurati puno šire frekvencijske pojaseve za rad mobilnih sustava. Širi pojasevi znače više brzine prijenosa i veće kapacitete. Primjera radi, danas je u 3.6 GHz-nom području za sve operatore u Hrvatskoj dostupno 400 MHz spektra, dok samo HT u 26 GHz-nom području raspolaže s točno tolikom količinom spektra.

2.     Sposobnost širenja signala s višom frekvencijom je slabija od signala s nižom. To znači da je doseg pokrivanja bazne stanice manji, a na širenje signala počinju utjecati novi faktori koji su na nižim frekvencijama zanemarivi. Slabljenje radiofrekvencijskog signala prilikom njegovog širenja u slobodnom prostoru je u 26 GHz-nom području oko 12 X veće nego u 3,6 GHz-nom području. Također propagacija signala u mmWave području može postati problematična već u slučaju lišća ili jače kiše ako je riječ o otvorenim prostorima.

3.     Dok tehnička realizacija baznih stanica u mmWave području vjerojatno i nije najteža stvar na svijetu, realizacija korisničkog terminala inženjerski je jako zahtjevna jer je primopredajnik potrebno realizirati u maloj, zadanoj veličini tzv. form-faktoru. Prvo se radi o antenama koje svojom veličinom i smještajem moraju omogućiti prijem i odašiljanje signala bez obzira kako korisnik držao uređaj u svojoj ruci i bez obzira gdje se uređaj nalazio u odnosu na baznu stanicu. Drugi aspekt je napajanje i disipacija snage samog uređaja jer je riječ o procesiranju vrlo širokih frekvencijskih pojaseva čak do 800 MHz.

Međutim, gledajući mmWave 5G+ u kontekstu mobilnih usluga, glavno pitanje je kako osigurati visoke performanse rada u uvjetima mobilnosti i uvjetima kada ne postoji optička vidljivost između predajnika (bazne stanice) i prijamnika (smartphone-a). U tim uvjetima postoji najveće gubljenje snage radiofrekvencijskog signala kao i smanjenje njegove kvalitete uslijed negativnih učinaka interferencije.

Odgovor na ove izazove je primjena napredne MIMO tehnologije. Kao što je opće poznato, MIMO tehnologija omogućava da se jedan tok podataka istovremeno šalje i prima putem više različitih antena tj radiofrekvencijskih signala. Kombiniranjem tih signala na prijamnoj strani postiže se veća kvaliteta primljenog signala. Što su signali na odašiljačkoj strani manje korelirani to će njihova upotrebljivost a i vrijednost na prijamnoj strani biti veća, tj. brzina prijenosa korisničkih podataka će biti veća. Smanjenje korelacije se postiže unošenjem različitog, fiksno-definiranog faznog pomaka za svaki signal prije njegovog odašiljanja kroz antenu. Da bi ovo bilo moguće potrebno je ispred svake antene imati poseban sklop za fazni pomak. Ovaj postupak se naziva analogno oblikovanje signala (tzv beamforming).

Alternativa analognom je digitalno oblikovanje signala. Ono se primjenjuje prije digitalno-analogne konverzije i podrazumjeva drugačiju tehničku izvedbu. Pri digitalnom oblikovanju signala svaka antena mora biti povezana na zaseban primopredajnički modem što rezultira skupljom i težom izvedbom uređaja, pri čemu se ujedno povećava i potrošnja snage. U slučaju analognog oblikovanja signala, potrebe za zasebnim primopredajničkim čipovima nema pa samim time se izbjegavaju i svi ostali izazovi.

Realizacija analognog oblikovanja signala se obavlja u antenskim modulima. Primjer na lijevoj strani doljnje slike prikazuje tri, žutim kvadratom označena, modula na 5G+ smartphone-u. Svaki od ovih modula može sadržavati do 8 malih antena skupa sa sklopovima za fazni pomak. Ono što je u ovom slučaju impozantno je veličina modula koja iznosi samo 19mm X 7 mm X 2,9 mm. Svaki od ovih antenskih modula se povezuje sa samo jednim mmWave 5G+ modemom.

Qualcomm referentni dizajn mmWave smartphone-a (Lijevo, izvor: anandtech.com); Veličina antenskog modula (Desno, izvor: Qualcomm)

Upravo ovakvo tehničko rješenje je omogućilo komercijalizaciju prvih mmWave terminala. Trenutačno je na tržištu više od 20 modela smartphone-ova u različitim cjenovnim razredima. Istina ovdje nije riječ o europskom nego o američkom tržištu gdje 5G+ radi na 28GHz. Iako su ove frekvencije nešto drukčije od europskih, tehnički koncept realizacije je u potpunosti isti.

Zaključno, imajući u vidu rast podatkovnog prometa, koji se svake dvije godine udvostruči, jasno je da mobilne mreže moraju i dalje evoluirati kako bi omogućile kapacitete i unaprijedile performanse za nove aplikacije poput X-reality-a, samovozećih automobila i industrije 4.0. 5G+ tehnologija nudi jedan obećavajući odgovor, s tim više što su glavne tehničke prepreke za njenu primjenu razriješene. Stoga i slijedeći primjer SAD-a, veću primjenu 5G+ u Europi možemo vjerojatno očekivati u sljedeće 3-4 godine.