Instytut Łączności: pierwsze sieci 6G mogą wystartować już za parę lat

Ministerstwo Cyfryzacji wraz z Instytutem Łączności na swoich stronach internetowych publikuje cykl artykułów na temat technologii 6G.

Tak jak w przypadku wcześniejszych generacji, prace nad kolejną generacją telefonii komórkowej rozpoczynają się w ITU wiele lat przed wdrożeniem na rynek. W listopadzie 2023 roku ukazało się Zalecenie ITU-R M.2160 opisujące ogólne cele i kierunek rozwoju dla sieci IMT-2030. Oczekuje się, że w dalszym ciągu rozwijane będą podstawowe parametry sieci (prędkość transmisji, opóźnienia, bezpieczeństwo, niezawodność), ale także pojawią się nowe możliwości związane z pozycjonowaniem o dokładności 1-10 cm, efektywnością energetyczną i zrównoważonym rozwojem, estymacją prędkości i detekcją oraz lokalizowaniem obiektów dzięki czujnikom.

Sieci 6G, choć obecnie wydają się odległą przyszłością, mają szansę trafić na rynek już w roku 2030, czyli dekadę po tym, kiedy rozpoczęło się wdrożenie sieci 5G. Szczytu popularności sieci 6G należy spodziewać się jednak jeszcze później.

Jednym ze sposobów osiągania bardzo dużych przepływności w sieciach jest zwiększanie szerokości kanału. Widmo elektromagnetyczne jest zasobem limitowanym i licencjonowanym, przez co nowe aplikacje wymagają wyłączania obecnie istniejących lub poszukiwania nowych zakresów częstotliwości.

W przypadku sieci 5G wykorzystano obie te metody – przeznaczono pasmo 700 MHz dla sieci mobilnych w miejsce telewizji naziemnej oraz wykorzystano nowe pasma 3600 MHz oraz 26 i 28 GHz. Wraz ze wzrostem częstotliwości możliwe jest też zwiększenie szerokości kanału.

W technologii 6G zakłada się wykorzystanie kanałów o szerokości do 1 GHz. Pasmo 6 GHz (dokładnie 5925 – 7125 MHz) oraz pasmo 10 GHz (10 – 13,25 GHz) są kandydatami dla systemów 6G w średnim zakresie częstotliwości. W zakresie pasm milimetrowych możemy wyróżnić częstotliwości 71-76 GHz oraz 81-86 GHz. Sieci 6G sięgną jednak jeszcze wyżej, po pasma terahercowe.

Jednym z istotnych dla rozwoju radiokomunikacji aktów przyjętych podczas ostatniego WRC jest Rezolucja 255 (WRC-23). Opisuje ona jakie działania powinny zostać podjęte przez sektor radiokomunikacji ITU oraz kraje członkowskie, aby podczas WRC-31 móc podjąć decyzje dotyczące wykorzystania sub-terahercowych zakresów częstotliwości 102-109,5 GHz, 151,5-164 GHz, 167-174,8 GHz, 209-226 GHz, 252-275 GHz na potrzeby naziemnych komponentów systemów Międzynarodowej Telekomunikacji Ruchomej (IMT).

W bliższej perspektywie, podczas WRC-27, podejmowane będą decyzje dotyczące przeznaczenia zakresów 4400 – 4800 MHz, 7125 – 7250 MHz, 7750 – 8400 MHz oraz 14,8 – 15,35 GHz na potrzeby naziemnych systemów IMT. Interesującym kierunkiem rozwoju są także badania nad przeznaczeniem zakresu częstotliwości 694 – 2700 MHz na potrzeby bezpośredniej komunikacji pomiędzy satelitami a terminalami użytkowników (smartfonami), czyli komunikacji Direct-to-Device (D2D).

Pomijając kwestie niedoskonałości technicznej rzeczywistych urządzeń transmisyjnych, można łatwo dojść do wniosku, że istnieją dwa sposoby zwiększenia przepustowości: zwiększenie szerokości kanału lub poprawa stosunku mocy sygnału do mocy szumu. Drugie rozwiązanie jest wyjątkowo trudne do zrealizowania, ponieważ minimalny poziom szumu wynika z praw fizyki, a na dodatek obecnie, w świecie z wysoce rozwiniętą siatką różnego rodzaju nadajników, nie możemy pozwolić sobie na dowolne zwiększanie mocy sygnału. Choć nie jest to oczywiste, musimy być świadomi, że systemy pracujące nawet w różnych zakresach częstotliwości mogą się wzajemnie zakłócać. Doskonałym przykładem są restrykcyjne ograniczenia mocy transmitowanej w zakresie przeznaczonym dla prywatnych sieci 5G. Są one wynikiem ochrony radiowysokościomierzy – przyrządów mierzących wysokość samolotu nad poziomem terenu przy wykorzystaniu fal radiowych.

Mając na uwadze te ograniczenia jedynym rozwiązaniem jest zwiększanie szerokości kanału. I tak możemy zauważyć zmianę w systemach komórkowych: sieci 2G pracują z wykorzystaniem kanału o szerokości 0,2 MHz, sieci 3G wykorzystują kanał o szerokości 5 MHz, sieci LTE do 20 MHz, sieci 5G do 100 MHz w zakresach poniżej 7,125 GHz i do 400 MHz w zakresie fal milimetrowych. Release 18 specyfikacji 3GPP przewiduje już nawet pojedynczy kanał o zawrotnej szerokości 2 GHz. Gdyby zestawić kanał 400 MHz (5G, fale milimetrowe) z kanałem o szerokości 20 MHz (LTE), to okazuje się, że przepustowość wzrosłaby 20 razy.

Z punktu widzenia techniki i potrzeb ludzkości  najprostszym rozwiązaniem,  popartym potrzebami rozwijanych systemów, było wykorzystanie fal od najdłuższych do coraz krótszych (o wyższej częstotliwości). Niskie częstotliwości wiążą się z wąskim kanałem, ale w zamian oferują bardzo dobre właściwości propagacyjne. Technicznie jest też bardzo łatwo realizować nadajniki, odbiorniki i anteny przeznaczone na niższe częstotliwości. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie tłumienie fali radiowej, a na dodatek jest ona bardziej tłumiona przez przeszkody takie jak budynki, samochody, ludzi czy nawet rośliny. Dodatkowo rośnie złożoność układów elektronicznych i anten. W zakresie częstotliwości powyżej 5 – 10 GHz istotną rolę zaczynają odgrywać także opady atmosferyczne. Deszcz lub śnieg mogą okazać się skuteczną barierą dla sygnału. Również wyzwania związane z koniecznością stosowania zaawansowanych technik przy projektowaniu i produkcji układów elektronicznych oraz anten przez wiele lat były przeszkodą do sięgnięcia po wyższe zakresy częstotliwości.

O wyborze częstotliwości zawsze decyduje kwestia dostosowania do potrzeb danego systemu. Straż pożarna podczas akcji ratunkowej będzie oczekiwała doskonałej łączności, która pozwoli na przesłanie przede wszystkim głosu. Idealnie sprawdzą się do tego częstotliwości z zakresu poniżej 1 GHz. Operatorzy komórkowi chcąc pokryć siecią drogi biegnące przez lasy (i jednocześnie nie budować nadmiarowo gęstej sieci stacji bazowych) również z dużym prawdopodobieństwem sięgną po częstotliwości z zakresu poniżej 1 GHz. Jednak, aby zapewnić odpowiednią prędkość transmisji danych dla znaczącej liczby osób w centrum dużego miasta będą zmuszeni sięgnąć po wyższe zakresy częstotliwości (w Polsce to 3,4 GHz lub 26 GHz w przyszłości).

Aby systemy 6G mogły dostarczać nam coraz więcej możliwości, muszą być gotowe na różne scenariusze. Stąd z dużym prawdopodobieństwem będą korzystały z tych samych zakresów, z których obecnie korzystają sieci starszych generacji, a także z nowych pasm.

Według Instytutu Łączności, w kolejnych latach wizja ta będzie ulegać dalszym zmianom. Ostateczną weryfikację wszelkie założenia przejdą dopiero na etapie wdrożenia rozwiązania na rynek, kiedy to zostaną skonfrontowane z rzeczywistymi potrzebami konsumentów.