Sieci komórkowe w systemach embedded

W erze Internetu Rzeczy komunikacja bezprzewodowa jest podstawą większości nowoczesnych urządzeń elektronicznych, zarówno przemysłowych, jak i konsumenckich. Co ciekawe, w przeciwieństwie do branży komputerowej czy elektroniki konsumenckiej, w przeważającej części typowych rozwiązań IoT nie są wymagane duże szybkości przesyłania danych. Zdecydowanie ważniejsze cechy to: niski pobór energii, znaczny zasięg, poprawność i bezpieczeństwo danych oraz łatwość implementacji w systemie o ograniczonych zasobach. Czy sieci przeznaczone do telefonii komórkowej nadają się do takich zastosowań? Odpowiedź brzmi – tak. Dlatego scharakteryzujemy dostępne standardy i wyjaśnimy najważniejsze pojęcia z tej dziedziny.

Kolejne generacje

Podstawowy podział technologii stosowanych do przesyłu danych w sieciach komórkowych opiera się na generacjach. Obecnie w Polsce funkcjonują jednocześnie sieci 2G, 3G, 4G i 5G, przy czym sieci drugiej i trzeciej generacji są stopniowo wycofywane. Sama idea generacji sieci komórkowych nie odnosi się dokładnie do technik stosowanych do przesyłu danych. Kolejne oznaczenia określają jedynie parametry użytkowe tych sieci. Parametry te można uzyskać za pomocą różnych standardów komunikacji, w efekcie czego w różnych rejonach świata wybrano różne standardy jako podstawowe metody komunikacji w sieciach komórkowych. Różnice obejmują też pasma częstotliwości, w których prowadzona jest komunikacja w poszczególnych rejonach świata. Dlatego, pomimo że standard LTE zdominował komunikację sieci czwartej generacji na całym świecie, w poszczególnych regionach stosowane są różne częstotliwości pracy. Oznacza to, że aby zapewnić pełną przenośność projektowanego sprzętu, trzeba skorzystać z wielopasmowych modułów sieci komórkowych.

Rysunek 1. Różne formaty kart SIM, od najstarszego po lewej, do najnowszego, w postaci układu scalonego SMD montowanego bezpośrednio na płytce PCB urządzenia

Problemem jest też nadużywanie oznaczeń w celu wypromowania swoich produktów. Zdarzało się, że hasłem 4G określano sieci, które wcale nie spełniały wymogów 4G, ale był to sposób na przyciągnięcie klientów. Teraz zaczynamy obserwować podobny trend w odniesieniu do hasła 5G.

2G

Skrót GSM oznacza Global System for Mobile Communications i początkowo był określeniem sieci 2G. Wraz z rozwojem technologii i wprowadzeniem kolejnych generacji, termin GSM nabrał bardziej ogólnego charakteru i dziś często jest stosowany w odniesieniu do wszystkich dostępnych standardów sieci komórkowych. Określenie 2G oznacza sieć drugiej generacji, a w istocie odnosi się do pierwszej na świecie w pełni cyfrowej sieci telefonii komórkowej.

Istnieje pięć głównych pasm częstotliwości używanych w tym standardzie: GSM 400, GSM 850, GSM 900, GSM-1800 (DCS) i GSM 1900 (PCS) oraz dodatkowo pasma GSM 850 i GSM 1900, które są stosowane w większości państw Ameryki Północnej i Południowej. W przeważającej części świata standard GSM działa w pasmach 900 i 1800.

Rysunek 2. 4-zakresowy moduł do komunikacji w sieciach 2G to bardzo korzystne ekonomicznie rozwiązanie

Przełomową właściwością standardu 2G była możliwość transmisji danych. Pierwsza specyfikacja – CSD (Circuit Switched Data), oferowała szybkość transmisji na poziomie niecałych 10 kb/s. Następnie wprowadzono technikę HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), która umożliwiała transfer z prędkością niecałych 60 kb/s. Istotną zmianę wprowadziła technika GPRS (General Packet Radio Service). Oferowała prędkość transmisji na poziomie 30...80 kb/s (teoretycznie nawet 114 kb/p) i umożliwia korzystanie z Internetu lub z transmisji strumieniowej audio/wideo. Komunikacja w tym standardzie bazuje na pakietach, co oznacza, że dane są dzielone na małe bloki i przesyłane różnymi kanałami. Użytkownik płaci w niej za faktycznie wysłaną lub odebraną liczbę bajtów, a nie za czas, w którym połączenie było aktywne. GPRS nazywane jest często technologią 2.5G. Rozszerzeniem dla technologii GPRS jest EDGE (Enhanced Data GSM Evolution, ale używa się też terminu EGPRS – Enhanced GPRS).

Został w niej poprawiony interfejs radiowy, dzięki czemu uzyskano polepszenie przepływności, w większości obecnych systemów wynosi ok. 300 kb/s oraz ma możliwość dynamicznej zmiany szybkości nadawania pakietów w zależności od warunków transmisji. Obecnie GPRS jest uważany za technikę przestarzałą, jednak ciągle funkcjonuje w sieciach GSM ze względu na kompatybilność z wieloma urządzeniami oraz sieciami, których ze względów ekonomicznych nie rozwijano.

Jeśli potrzebujemy korzystnego ekonomicznie rozwiązania, a liczba przesyłanych danych nie będzie duża, możemy sięgnąć po modem 2G. Sieć ta jest dosyć powszechnie dostępna nawet w słabo zurbanizowanych regionach świata. Co ciekawe, jest wycofywana wolniej niż 3G, gdyż wcześnie wprowadzone technologie czwartej generacji są pod niemal każdym względem lepsze niż 3G. Natomiast jeśli zależy nam przede wszystkim na małej przepustowości na dużą odległość przy jak najmniejszych kosztach, to 2G wypada lepiej niż 3G i konkurencją dla drugiej generacji mogą być dopiero nowsze standardy 4G, takie jak Kat M i NB-IoT. Producenci modułów rozumieją tę sytuację i co jakiś czas wprowadzają nowe produkty, które wciąż pracują w 2G, ale korzystają z nowych rdzeni, technologii wytwarzania i technik oszczędzania energii. Dzięki temu sięgnięcie po moduły do sieci komórkowych drugiej generacji wcale nie musi sprawiać, że tworzony projekt już na starcie będzie przestarzały.

3G

Sieć 3. generacji, w odróżnieniu od poprzedniego systemu, w którym dominującą usługą miała być usługa głosowa, od samego rozpoczęcia projektowania jest ukierunkowana zarówno na świadczenie usług telefonicznych, jak i transmisję danych. Obejmowała dwa dodatkowe pasma częstotliwości 2100 MHz i 2600 MHz i bardzo dużą ilość technologii. W Europie podstawowym standardem stał się UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Początkowo dopuszczał transfer danych na poziomie ok. 130 kb/s. Nieco później wartość tę zwiększono do ok. 400 kb/s.

Rozwinięciem standardu UMTS jest HSDPA (High-Speed Download Packet Access), który dodawał dodatkowy kanał warstwy transportowej, obsługiwany przez trzy nowe kanały w warstwie fizycznej. Ich działanie polega na informowaniu sieci z niewielkim wyprzedzeniem na temat zapotrzebowania na pasmo do przesyłu pakietów w najbliższym czasie. Węzeł sieci komórkowej, do której podłączone jest dane urządzenie, przypisuje następnie odpowiedni kanał do transmisji, co pozwala na zwiększenie jej szybkości w stosunku do klasycznego UMTS. Technologia HSDPA implementuje też automatyczny system ponawiania żądań, szybkie harmonogramowanie pakietów oraz adaptacyjne modulowanie i kodowanie. Ważny jest też fakt, że HSPDA występuje w wielu wariantach, określanych mianem kategorii i wprowadzanych grupami w kolejnych odsłonach standardu UMTS. Poszczególne kategorie różnią się sposobem zastosowanej modulacji (16QAM, QPSK, 64QAM), liczbą obsługiwanych jednocześnie strumieni, kodowaniem itd. Wskutek tego uzyskuje się różną przepustowość maksymalną w kierunku do użytkownika.

Wśród kategorii HSDPA najbardziej efektywną pod względem wykorzystania dostępnego pasma przy zastosowaniu jednego strumienia i jednej nośnej jest wprowadzona w UMTS Release 7 kategoria 14. Umożliwia ona transmisję z przepustowością do 21,1 Mb/s. Wyższe kategorie wymagają już użycia dwóch lub czterech strumieni oraz/lub agregacji komunikacji na dwóch, trzech, czterech, sześciu lub nawet ośmiu nośnych. 11. odsłona UMTS teoretycznie pozwala już na uzyskanie transmisji w kierunku do użytkownika z szybkością nawet 337,5 Mb/s (kategorie 36. i 38.). Trzeba jednak zaznaczyć, że są to wartości czysto teoretyczne, które nie uwzględniają narzutów związanych z nagłówkami pakietów i zakładają idealne warunki radiowe. W rzeczywistych warunkach uzyskiwane szybkości są zdecydowanie niższe, przede wszystkim ze względu na odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem i ze względu na innych użytkowników, znajdujących się w tej samej komórce.

Rysunek 3. Wielofunkcyjny i wielozakresowy moduł do komunikacji w sieciach 2G, 3G i 4G daje wiele możliwości, przy umiarkowanej cenie jednostkowej

Niedługo po pierwszym HSDPA opracowano usprawnienie – HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), noszące też nazwę EUL (Enhanced Uplink). Jego celem było przyspieszenie transmisji w kierunku od użytkownika do sieci komórkowej. HSUPA zostało włączone do standardu UMTS w jego 6. odsłonie i również występuje w różnych kategoriach – początkowo o przepustowości do 5,76 Mb/s (kategoria 6.). Zasada działania usprawnienia HSUPA jest podobna do HSDPA – też opiera się przede wszystkim na harmonogramowaniu przesyłu pakietów, z tym że w przypadku HSUPA, urządzenie klienckie zgłasza zapotrzebowanie na przesył pakietów, a kontroler sieci przydziela odpowiednie zasoby do transmisji lub nie. Kolejne kategorie HSUPA były wprowadzane przez organizację 3GPP w kolejnych odsłonach standardu UMTS, wraz z nowymi kategoriami HSDPA. W UMTS Release 11 wprowadzono m.in. 12. kategorię HSUPA, która teoretycznie pozwala na transfer z szybkością do 34,5 Mb/s. Kategorie od 8. wzwyż zostały ponadto zaprojektowane tak, by skrócić opóźnienia w komunikacji.

Warto zauważyć, że w nazewnictwie używanym przez producentów podzespołów do komunikacji w sieciach komórkowych są też określenia HSPA i HSPA+. Pierwsze z nich obejmuje przypadek, gdy urządzenie lub sieć obsługuje HSDPA i HSUPA, choć nie definiuje ono, które kategorie muszą być obsługiwane. Przyjmuje się jednak, że mianem HSPA można już określać system obsługujący technologie HSDPA i HSUPA, wprowadzone w 6. odsłonie standardu UMTS. Natomiast nazwa HSPA+ (oficjalnie Evolved HSPA) przysługuje urządzeniom obsługującym kategorie HSDPA i HSUPA, wprowadzone w UMTS Release 7 i/lub UMTS Release 8. Można też się spotkać z nazwą Dual-carrier HSPA, która obejmuje zastosowanie wprowadzonych w 9. odsłonie UMTS-u standardów DC-HSDPA i DC-HSUPA. Od wersji UMTS Release 11 pojawia się natomiast nazwa MC-HSPA, która obejmuje zastosowanie więcej niż dwóch nośnych do zwiększenia transmisji w sieciach komórkowych. HSPA+ zakłada również możliwość użycia uproszczonej architektury sieci po stronie operatora, w której kontrolery sieci komórkowej bezpośrednio korzystają z protokołu IP. Zmniejsza to koszt wdrożenia i obsługi takiej sieci. Duży wzrost szybkości oferowany przez techniki HSPA+ sprawił, że niektórzy operatorzy zaczęli stosować miano 4G do promowania tego typu sieci komórkowych. Jednakże standard UMTS, nawet ze swoimi najnowszymi usprawnieniami, nie jest prawowitym standardem czwartej generacji.

W opinii wielu ekspertów zajmujących się rynkiem telekomunikacyjnym sieć 3G nie była do końca sukcesem – nie była tak wydajna, jak przewidywano, a dodatkowo infrastruktura była kosztowna w instalacji i utrzymaniu. Dlatego też następna generacja przyszła o wiele szybciej, niż pierwotnie zakładano. Obecnie operatorzy sieci komórkowych rezygnują z technologii 3G i wielu z nich już rozpoczęło działania w tym kierunku. Zwolnione pasma częstotliwości są zajmowane przez sieci nowych generacji – 4G i 5G.

4G

Sieć komórkowa 4. generacji została pierwszy raz użyta komercyjnie już w 2009 roku w Skandynawii. Dawała możliwość przesyłu danych o prędkościach często nieosiągalnych dla stacjonarnych łączy internetowych – w teorii nawet do ok. 300 Mb/s, w praktyce osiągane wartości zależą od wielu czynników i zazwyczaj są niższe. W kontekście sieci 4G obowiązkowo znajduje się LTE (Long Term Evolution) – jest to nazwa standardu przesyłu danych, z których korzystają sieci 4G i jest aktualnie powszechnie stosowany na całym świecie.

LTE funkcjonuje w różnych pasmach radiowych. Lista używanych pasm w poszczególnych regionach świata została zebrana w tabeli 1. Fale o niższych częstotliwościach rozprzestrzeniają się łatwiej i mają większy zasięg. Częstotliwość 800 MHz stosowana w 4G LTE jest tzw. częstotliwością pokryciową – zapewnia dobry zasięg na mniej zaludnionych i słabiej zurbanizowanych terenach. W miastach z kolei zapewnia lepszy zasięg w budynkach. Wyższe częstotliwości (są to najczęściej 1800 MHz, 2100 MHz i 2600 MHz) to tzw. częstotliwości pojemnościowe – sprawdzają się dobrze w miejscach, w których z połączenia z siecią korzysta bardzo wiele urządzeń, np. w dużych miastach.

Teoretyczna szybkość transmisji, możliwa do osiągnięcia w standardzie LTE, zależy od kategorii sprzętu, z którego się korzysta. W pierwotnej wersji standardu zdefiniowano 5 kategorii o przepustowości od 10,3 Mb/s do 299,6 Mb/s w kierunku do użytkownika i o przepustowości od 5,2 Mb/s do 75,4 Mb/s w przeciwną stronę. Wybierając moduł lub modem do sieci komórkowej LTE, należy przede wszystkim zwrócić uwagę na obsługiwane przez niego kategorie. Ma to o tyle duże znaczenie, że po stronie operatora może leżeć decyzja, że dana (stara) kategoria urządzenia nie będzie dopuszczana do sieci ze względu na zbyt niską efektywność wykorzystania pasma radiowego.

Warto też rozumieć, skąd wynikają różnice pomiędzy szybkościami uzyskiwanymi w poszczególnych kategoriach LTE oraz na czym polega odmienność tej sieci od UMTS. Warstwa radiowa interfejsu sieci LTE nosi miano E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access lub Evolved Universal Terrestrial Radio Access). Natomiast nadajniki/odbiorniki i urządzenia klienckie korzystające z E-UTRA tworzą sieć nazywaną EUTRAN (ostatnia literka pochodzi od słowa Network). W sieci tej komunikacja odbywa się w pasmach o szerokości 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 15 MHz lub 20 MHz. Przykładowo, niemal 300-megabitowa szybkość transmisji może być teoretycznie uzyskana przy zastosowaniu 20-megahercowego pasma i czterotorowej transmisji, która wymaga czterech anten odbiorczych w urządzeniu klienckim. W odróżnieniu od standardu UMTS, LTE posługuje się wielodostępem OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) w kierunku do użytkownika i SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access) w kierunku przeciwnym. Użycie dwóch różnych sposobów wielodostępu modulacji jest uzasadnione tym, że pierwszy z nich narzuca zbyt duże wymagania odnośnie do liniowości zastosowanych wzmacniaczy radiowych, co pociąga za sobą zwiększone zużycie energii. Ponieważ urządzenia klienckie są zazwyczaj przenośne, a więc zasilane bateryjnie, w celu nadawania korzystają z bardziej energooszczędnej metody.

Twórcy LTE postarali się też skrócić opóźnienia w komunikacji w sieciach komórkowych. W tym celu uproszczono strukturę sieci i zoptymalizowano ją pod kątem przesyłu danych pakietowych, a nie pod kątem komutacji polegającej na nawiązywaniu i utrzymywaniu połączeń. Odpowiedniki stacji bazowych, występujące w UMTS i nazywane nodeB, zostały zastąpione jednostkami enodeB, które stanowią zintegrowany nodeB z kontrolerem sieci. Zmniejsza to koszt instalacji stacji oraz skraca opóźnienia. Co więcej, jednostka enodeB komunikuje się z otoczeniem bezpośrednio z użyciem protokołu IP, co również upraszcza jej wdrożenie i obsługę. Sieć LTE została też usprawniona względem UMTS, pod kątem obsługi komunikacji z urządzeniami szybko się poruszającymi oraz w celu obsługi bardzo małych komórek sieciowych, choćby o średnicy około 100 m. Oczywiście, zapewniono mechanizmy przekazywania połączeń pomiędzy sieciami LTE i starszych generacji, zwiększono pojemność pojedynczych komórek oraz zoptymalizowano je dla rozmiarów o promieniu 5 km.

O aplikacjach typu IoT pomyślano w 8. wersji specyfikacji, tworząc kategorię 1. Niestety, nie spełnia ona wymagań wielu projektów IoT, oferując niepotrzebnie dużą przepustowość, przy jednoczesnym wcale nie tak małym poborze mocy. Dlatego w wydaniu 12. specyfikacji wprowadzono kategorię 0, która cechowała się już 10-krotnie mniejszą przepustowością do urządzenia, równą przepustowości w kierunku do stacji bazowej i wynoszącą 1 Mb/s. Ale największe zmiany pojawiły się w wydaniu 13., w którym dodano kategorie M1 i NB-IoT1 oraz EC-GSM-IoT. Natomiast w kolejnym, 14. już wydaniu, dodano jeszcze kategorię M2 i NB-IoT2. LTE pokrywa ogromną część obszaru wielu państw, ale poszczególne kategorie LTE bardzo się od siebie różnią. Dlatego przed wyborem modułu/modemu do pracy w tym systemie należy upewnić się, że sieć obsługuje wymagane kategorie.

5G

Piąta generacja sieci komórkowych wyróżnia się przede wszystkim oczekiwaną przepustowością, liczbą jednocześnie obsługiwanych użytkowników w małej przestrzeni i niezawodnością.

Rysunek 4. Moduł do komunikacji w sieciach 5G umożliwia uzyskanie dużych transferów oraz obsługuje wiele protokołów sieciowych, jednak są to stosunkowo kosztowne komponenty

Zgodnie ze specyfikacją (IMT-2020) opublikowaną przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) jej charakterystyka prezentuje się następująco:

• prędkość transferu – do 20 Gb/s pobieranie i do 10 Gb/s wysyłanie,
• opóźnienie (latencja) – maksymalnie 4 ms, ale możliwe nawet 1 ms,
• obciążenie – nawet 1 milion urządzeń na 1 mln/km²,
• niezawodność – utrzymywanie połączenia w trakcie przemieszczania się z prędkością do 500 km/h.

Teoretyczna prędkość transferu danych jest imponująca, ale w praktycznych testach pierwszych działających sieci 5G uzyskiwany transfer jest na poziomie 400...500 Mb/s. Istotny wpływ na jakość 5G mają zastosowania rozwiązania technologiczne, ze szczególnym uwzględnieniem dwóch:

• kształtowanie wiązki (beamforming) – pozwala kierować sygnał dokładnie w kierunku urządzenia odbiorczego i tym samym poprawiać stabilność połączenia,
• massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) – polega na użyciu wielu anten (w stacji bazowej) i wielu odbiorników (w urządzeniu docelowym) w celu zapewnienia większej wydajności.

Przed nową technologią, określaną mianem 5G NR (New Radio), postawiono bardzo ambitne cele. Podstawowym jest prędkość transmisji do 20 Gb/s oraz tysiąckrotny wzrost pojemności sieci. Co więcej, technologia ta musi również zapewnić wsparcie dla nowych usług, w tym tych już znanych pod wspólną nazwą IoT oraz krytycznej czasowo komunikacji maszyna-maszyna i człowiek-maszyna, zapewniając przy tym jak najkrótszy czas latencji i jak najwyższy poziom niezawodności. To wszystko jest bazą do rozwoju nowych technologii monitorowania urządzeń, ich zdalnej kontroli oraz nowych usług transportowych, a także Przemysłu 4.0.

Rysunek 5. Sposób działania technologii beamforming. Dzięki zastosowaniu niewielkiego opóźnienia transmisji sygnału w kolejnych antenach matrycy zjawisko interferencji przyczynia się do powstania silnego, ukierunkowanego toru rozprzestrzeniania fali radiowej

Główne spektrum częstotliwości radiowych wykorzystywanych w sieciach 5G mieści się w zakresie od 3,3 GHz do 4,9 GHz. Niższe częstotliwości, leżące poniżej 1 GHz, m.in. 700 MHz, która dziś jest wykorzystywana przez cyfrową telewizję naziemną, pozostawiono dla urządzeń mających zapewnić pokrycie obszaru oraz penetrowanie pomieszczeń. Pasma o częstotliwościach z zakresu od 24 GHz do 28 GHz oraz 39 GHz, ze względu na bardzo dużą przepustowość są używane przez lokalne hot spoty oraz aplikacje zapewniające łączność na zewnątrz i wewnątrz pomieszczeń. Interfejs radiowy sieci 5G opracowano w taki sposób, aby zapewniał maksymalną elastyczność, pozwalając na łączne użycie fal z różnych zakresów częstotliwości. Stosowane są także techniki MIMO i Massive MIMO, które pozwalają na odpowiednie kształtowanie charakterystyki promieniowania i dzięki temu pokrycia obszaru, a także skierowania wiązki radiowej w kierunku przeciwnym do użytkownika. Dzięki antenom MIMO będzie też możliwe współistnienie na tym samym obszarze technologii LTE i 5G. Ma znaczenie szczególnie na początku, gdy sieci 5G są wdrażane w oparciu na warstwie kontrolnej, pracującą na sieciach czwartej generacji. Co ciekawe, technologię 5G opracowywano z myślą o działaniu w bardzo dużym zakresie częstotliwości radiowych, tj. od 400 MHz nawet do 90 GHz. Wynika to z konieczności zapewnienia ogromnej pojemności i przepustowości sieci.

Sieci LTE wspierają schematy modulacji QPSK, 16QAM, 64QAM i 256QAM, natomiast sieci 5G dodatkowo pracują z modulacją n/2-BPSK.

Można się spodziewać, że w przyszłości do standardu 5G dojdzie jeszcze wsparcie modulacji 1024 QAM. W 5G inaczej zbudowane są też ramki transmisyjne. Przygotowano je m.in. pod kątem minimalizacji opóźnień i w celu uzyskiwania szybkiego potwierdzania. Docelowy czas latencji dla sieci 5G ma wynosić około 1 ms. By było to możliwe, niezbędne staje się stosowanie technologii MEC (Multi-Access Edge Computing), polegającej na przesunięciu wykonywanych obliczeń z centrum sieci do jej krawędzi, bliżej odbiorcy usług. Korzystając z MEC, zamiast przesyłać wszystkie dane do analizy do punktu centralnego, urządzenia znajdujące się na krawędzi sieci analizują, przetwarzają i zapamiętują dane. Wymagania dotyczące bardzo krótkiego czasu latencji są zwykle łączone z wymaganiami odnośnie do niezawodności w wypadku nowych aplikacji, takich jak na przykład sterowanie robotami lub pojazdami autonomicznymi.

Rysunek 6. Mapa zasięgu sieci 5G w Europie. W Polsce nowa technologia jest dostępna praktycznie tylko w dużych miastach

Jest wiele potencjalnych korzyści, jakie może przynieść nowy standard. Najważniejsze to:

• Internet Rzeczy – będący podstawą rozwiązań smart home, Przemysłu 4.0 czy koncepcji inteligentnego miasta. IoT jest jednym z najważniejszych zastosowań sieci 5G, dzięki bezproblemowej i szybkiej łączności pomiędzy wieloma urządzeniami;
• Motoryzacja i transport – 5G może mieć również olbrzymi wpływ na motoryzację i transport. Nowoczesne auta będą mogły wymieniać dane pomiędzy sobą oraz z obiektami infrastruktury miejskiej. Umożliwi to ostrzeganie o zagrożeniach czy informowanie o korkach itp. Nowa technologia umożliwi także rozwój pojazdów autonomicznych.
• Rozrywka – sieć 5G pozwoli na lepszy poziom rozrywki na co dzień. Potencjalne korzyści to transmisje na żywo czy streaming wideo z serwisów VOD w dużej rozdzielczości, a także bezproblemowa obsługa gadżetów rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej.
• Zamiast Wi-Fi – w nowym standardzie dostrzegana jest przyszłość w postaci budynków bez routerów czy punktów dostępu sieci bezprzewodowych. Technologia jest na tyle zaawansowana, że w wielu sytuacjach może zastępować nawet Wi-Fi. To oznacza większy komfort i oszczędność.

Podsumowanie

Chociaż dużo mówi się o 5G w miarę rozwoju sieci w różnych regionach i przez różnych dostawców, to komunikacja komórkowa 4G będzie nadal dominowała w najbliższej przyszłości. W związku z tym projektanci rozwiązań IoT muszą być pragmatyczni w wyborze standardu komunikacji. Wykracza to poza wybór modułu RF i obejmuje staranne rozważenie ekosystemu, który jest potrzebny, aby finalne rozwiązanie było praktyczne. Krytyczne elementy ekosystemu obejmują infrastrukturę komórkową, a nawet plany taryfowe i systemy rozliczeniowe potrzebne do zapewnienia pełnego zasięgu sieci komórkowej na potrzeby korzystania z Internetu Rzeczy. Mimo dużego postępu standardy sieci i sprzętu 5G nie są jeszcze w pełni sfinalizowane. A gdy już do tego dojdzie, zbudowanie i wdrożenie znormalizowanych sieci 5G zajmie kilka lat. Tymczasem sieci 4G LTE działają od dawna i są w stanie zapewnić wydajność i zasięg wymagany przez większość aplikacji IoT. Szacuje się, że sieci 4G LTE stanowią około 40% obecnego światowego rynku komórkowego, podczas gdy starsze sieci 2G i 3G stanowią po około 30% rynku. Przewidywania odnośnie do 5G są takie, że do 2025 nie przekroczy 15% rynku. Mając to na uwadze, projektanci systemów IoT powinni wykorzystać istniejącą infrastrukturę komórkową i dostosować się do 4G LTE i wcześniejszych standardów. Są one nie tylko obecne, ale nawet ewoluują, aby sprostać potrzebom IoT.

Fotografia 1. Przykładowa konstrukcja anteny wieloelementowej typu Massive MIMO. Wewnątrz znajduje się matryca małych anten

Dostępne dzisiaj moduły komunikacyjne do sieci komórkowych pozwalają na wykorzystanie niemal wszystkich dobrodziejstw, jakie niesie ze sobą rozwój nowoczesnych sieci telefonii komórkowej. I choć wspierają połączenia głosowe, to obecnie funkcja ta jest relatywnie najrzadziej używana w urządzeniach spoza segmentu telefonów komórkowych. Do celów transmisji danych sterujących, pomiarowych czy kontrolnych znacznie bardziej przydatna jest możliwość wysyłania i odbierania wiadomości SMS oraz nawiązywania połączeń internetowych. W tym ostatnim przypadku do wyboru są praktycznie wszystkie najważniejsze protokoły i tryby pracy – w tym wysyłanie zapytań HTTP, niskopoziomowe połączenia TCP i UDP, a także obsługa transferu plików do/z serwerów FTP. Co ciekawe, większość modułów jest obsługiwana poprzez komendy AT, czyli prosty w implementacji protokół tekstowy.

Damian Sosnowski, EP