Tehnologia 5G

5G este cea de-a cincea generație de tehnologie pentru comunicațiile mobile. Este în prezent cea mai nouă astfel de tehnologie standardizată internațional, lansată începând din a doua jumătate a anului 2018 în unele state ale lumii și preconizată să devină tehnologia dominantă în comunicațiile mobile mondiale în anul 2025.

5G va îmbunătăți serviciile existente și va favoriza dezvoltarea de noi servicii (așa cum aplicațiile mobile s-au dezvoltat cu adevărat odată cu răspândirea 4G).

Sursă imagine: ANCOM

Tehnologia 1G implementată în primele telefoane mobile a fost introdusă la jumătatea anilor ’80 și permitea apeluri vocale la distanță, utilizând terminale fără fir, cu semnal radio analogic.

Tehnologia 2G a fost introdusă la începutul anilor ’90 și a permis, pe lângă apelurile vocale, și transmiterea de mesaje text scurte (SMS), roaming național sau apeluri în așteptare, utilizând semnal radio digital și standardele CDMA sau GSM. Dezvoltări ale 2G au permis și forme incipiente de date mobile, pentru internet.

La începutul anilor 2000, introducerea tehnologiei de a treia generație (3G) a permis noi funcționalități, precum accesarea internetului și a e-mailului de pe telefonul mobil, dar și apelurile video, odată cu primele telefoane inteligente și apariția standardului UMTS.

Introducerea tehnologiei 4G în anul 2009 a făcut posibilă accesarea internetului mobil de mare viteză simultan cu apariția de terminale tot mai inteligente și utilizarea standardelor LTE și WiMAX.

În esență, 5G aduce viteze mai mari pentru transmisiile de date, posibilitatea conectării mai multor dispozitive decât în prezent, dar și răspuns instantaneu al dispozitivelor la instrucțiuni.

Sursă imagine: ANCOM

Într-o primă fază de dezvoltare, 5G va oferi viteze mult mai mari de transfer comparativ cu generațiile precedente. De exemplu, dacă în 4G viteza medie de descărcare (download) este de aprox. 30 Mbps iar viteza maximă de aprox. 90 Mbps, vitezele medii așteptate de la 5G sunt cuprinse între 130 – 240 Mbps, cu viteze maxime de peste 1 Gbps.

Tehnologie Viteze de descărcare (Mbps) Timp necesar descărcării unui film full HD
medie maximă
3G 8 20 > 24 ore
4G 36,4 100 >7 minute
4G+ 42 300 2,5 minute
5G 100 – 200 1 – 10 Gbps (teoretic) 4 – 40 secunde

Link sursă – Articolul „Ce este 5G?” (secțiunea 3.1. Viteze mult mai mari)

Latența mult mai mică, respectiv timpul scurs între instrucțiunea dată unui dispozitiv de a realiza o acțiune și realizarea acțiunii respective, va însemna că rețeaua răspunde mai bine, transmisia de date este instantanee. Exemple practice sunt dispariția micilor întârzieri în jocurile interactive online. Într-o etapă ulterioară de dezvoltare, 5G va permite și o latență adecvată mediului „profesional”, pentru servicii specializate (de exemplu, mașinile autonome necesită o latență de 1 ms, telemedicină).

Cea mai mare schimbare preconizată odată cu răspândirea 5G vizează internetul lucrurilor. Tehnologia 5G va facilita conectarea simultană a unui număr foarte mare de dispozitive (de exemplu, telefoane, aparate electrocasnice inteligente, senzori, mașini etc). Locuințele inteligente, autovehiculele inteligente, fabricile inteligente și orașele inteligente se vor dezvolta prin utilizarea unui număr tot mai mare de obiecte inteligente, conectate, care schimbă informații între ele. Potrivit estimărilor Statista, până în 2030 numărul dispozitivelor conectate la internet la nivel mondial va fi de 50 de miliarde.

Rețeaua 5G va facilita o altă experiență de utilizare, anume percepția de internet fără limite sau a unei capacități infinite a rețelei, ceea ce presupune că va exista întotdeauna suficientă capacitate disponibilă pentru orice fel de transfer de date solicitat.

Potrivit Recomandării ITU-R M.2083-0 – Viziunea IMT – Cadrul general și obiectivele principale pentru dezvoltarea viitoare a IMT pentru 2020 și după 2020 (paginile 13-14), 5G vine cu performanțe superioare comparativ cu 4G, după cum se poate observa, de exemplu, în figura de mai jos. De reținut că tehnologia 5G va evolua pe măsură ce se găsesc soluții pentru aplicarea tuturor standardelor:

  • viteze maxime de aproximativ 20 de ori mai mari decât cele permise de rețelele 4G, în 5G viteza de date la vârf fiind de ordinul zecilor de Gbit/s;
  • o viteză mult mai mare de procesare a datelor, corelată cu latența mai mică, rezultând în răspunsul mult mai rapid la comenzi privind transferul de date al dispozitivelor, de la 10 milisecunde în cazul 4G, la o milisecundă, în cazul 5G, luând în considerare performanțele cele mai bune ale celor două tehnologii;
  • reducerea de până la 100 de ori a consumului de energie al rețelei;
  • densitate de 10 ori mai mare a conexiunilor care pot fi menținute simultan (de ordinul a cel puțin 1 milion de dispozitive/km2).
imaginea 4_performante-ITU

Sursă imagine: ANCOM

De reținut însă că nu va fi posibilă cumularea performanțelor (de exemplu, 1 milion de utilizatori pe 1 km2, toți conectați simultan la 1 Gbps și cu latență de 1 ms).

Mai multe detalii sunt disponible aici: Recomandarea UIT-R M.2083-0 – Viziunea IMT – Cadrul general și obiectivele principale pentru dezvoltarea viitoare a IMT pentru 2020 și după 2020.

La ce folosesc astfel de performanțe? La furnizarea de servicii mai avansate sau la apariția unor noi servicii. Pe termen scurt, internet mobil foarte bun, aproape de experiența în utilizarea internetului fix. Pe termen mai lung, odată cu maturizarea tehnologiei, noi servicii, facilitate prin 5G, ca de exemplu:

  • Orașe, transporturi și case inteligente („smart”), interconectate pe scară largă
  • Aplicații avansate de inteligență artificială, realitate augmentată (AR), realitate virtuală (VR), sport sau industrii creative
  • Utilizarea pe scară largă a dronelor în zone altfel greu accesibile (zone conflictuale, platforme petroliere, zone afectate de dezastre naturale etc.)
  • Precizie, viteză și reducere de costuri în agricultură, irigații, industrie minieră, logistică, medicină etc.
  • Automatizarea spectaculoasă a industriei, a proceselor de producție, a operațiunilor logistice
  • Îmbunătățirea calității serviciilor publice de intervenție în caz de urgență, pe baza datelor colectate de managementul traficului
  • Autovehicule autonome (fără șofer, interconectate, utilizând algoritmi de inteligență artificială).

Sursă imagine: Articolul Comisiei Europene „Către 5G” (traducere ANCOM)

Pentru mai multe informații, se poate consulta și site-ul Comisiei Europene, prin intermediul căruia sunt oferite răspunsuri la Întrebări frecvente despre 5G (răspunsurile aferente întrebărilor 2, 5, 6, 7, 9) sau articolul „Explicații referitoare la 5G – Cum funcționează 5G”, la secțiunea „Ce va permite 5G?”.

5G și undele radio

Undele radio sunt un tip de unde electromagnetice şi sunt caracterizate prin lungimea de undă (exprimată în metri) și frecvență (exprimată în hertzi). Frecvența reprezintă numărul de oscilații care trec printr-un punct într-o secundă. Cele două mărimi fizice sunt corelate între ele printr-o relație de proporționalitate inversă: cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și viceversa. O undă electromagnetică are forma unei sinusoide, iar, în cea mai simplă descriere, lungimea de undă reprezintă distanța dintre două vârfuri consecutive ale sinusoidei (kilometri, metri, nanometri, micrometri etc).

Undele electromagnetice circulă cu viteza luminii, 300.000 km/s. Pentru exemplificare, să considerăm un post de radio FM care emite pe frecvența de 100 MHz, în acest caz lungimea de undă fiind de 3 metri. Dacă „am număra” undele emise de acest post care „trec” prin fața noastră, rezultatul ar fi fix de 100 de milioane de unde la fiecare secundă.

Spectrul electromagnetic reprezintă totalitatea undelor electromagnetice existente în Univers. Pământul, Soarele, fulgerele din atmosferă, fenomenele cosmice, în fapt orice materie cu o temperatură peste zero absolut, este o sursă naturală de câmpuri electromagnetice.

Odată cu dezvoltarea civilizației și utilizarea electricității, oamenii au început să producă surse artificiale de câmpuri electromagnetice. Practic, orice obiect care este alimentat cu energie electrică este o sursă artificială de câmpuri electromagnetice, de exemplu: frigiderul, aspiratorul, telecomanda televizorului sau a mașinii, becul veiozei, aparate de radio, televizoare, calculatorul, rețeaua de alimentare cu energie electrică sau rețeaua electrică aferentă căilor ferate.

Suntem înconjurați de o mare varietate de surse de câmpuri electromagnetice, care diferă în frecvență, lungime de undă, putere, caracteristici de propagare etc.

De ce este importantă lungimea de undă/frecvența în discuția despre radiații?

Undele electromagnetice sunt utilizate atât în comunicațiile radio, cât și în cazul radiografiilor (pe baza razelor X), însă ceea ce diferențiază fundamental utilizarea lor, respectiv „radiațiile” pe care le emit, este energia pe care ele o transportă. În funcție de aceasta, undele electromagnetice pot fi ionizante sau neionizante.

Peste o anumită frecvență (3 PHz sau 3.000 THz sau 3.000.000 GHz), respectiv sub o anumită lungime de undă (100 nm), radiațiile EMF devin ionizante, expunerea la acest tip de radiații provocând alterarea structurii celulare. În această categorie intră razele X sau Gamma.

Radiațiile EMF cu frecvențe de sub 3000 THz și lungimi de undă de peste 100 nm sunt considerate radiații neionizante, deoarece nu au capacitatea de a produce schimbări în structura atomică prin dezintegrarea acesteia. Astfel, în categoria radiațiilor neionizante intră radiațiile ultraviolete (UV) (lungimi de undă între 100 nm – 400 nm), lumina vizibilă (lungimi de undă între 400 nm – 700 nm), radiațiile infraroșii (lungimi de undă între 780 nm – 1 mm), câmpurile electromagnetice de frecvență radio (frecvențe între 100 kHz–300 GHz), de frecvențe joase (între 1 Hz–100 kHz) sau câmpurile magnetice și electrice statice (0 Hz).

Efectele negative asupra sănătății ale radiațiilor ionizante sunt bine-cunoscute. Cu o lungime de undă foarte mică și o frecvență foarte mare, radiațiile ionizante afectează structura celulelor însă efectele asupra corpului uman sunt extrem de diferite în funcție de durata expunerii și intensitatea expunerii: putem fi expuși, la nevoie, câteva secunde la o radiografie (raze X) la un interval de câteva luni, fără vreo consecință asupra sănătății.

Radiațiile neionizante nu produc modificarea structurii celulelor, singurele efecte dovedite și universal acceptate în teorie și în practică fiind cele termice (încălzirea țesuturilor, ca urmare a transferului de energie prin absorbție de la sursa de radiații la corpul uman). Undele electromagnetice utilizate de comunicațiile mobile (inclusiv pe baza tehnologiei 5G) aparțin categoriei de radiații neionizante, fiind caracterizate de lungimi de undă mult mai mari decât ale radiațiilor electromagnetice ionizante. Chiar și în aceste condiții, radiațiile neionizante sunt limitate mult sub pragul efectelor termale (a se vedea articolul despre limitele expunerii în România).

După cum se poate observa din figura de mai sus, demarcația între radiațiile ionizante și cele neionizante este realizată la frecvențe superioare luminii vizibile, în spectrul ultraviolet, categorie care cuprinde radiațiile solare sau produse din surse artificiale (de ex. lămpi UV etc.). Expunerea limitată la radiațiile UV poate avea și efecte benefice, precum stimularea producției unui nutrient vital (vitamina D). Pe de altă parte, conform OMS (Organizației Mondiale a Sănătății), expunerea excesivă la acest tip de radiații poate fi riscantă (arsuri, îmbătrânire prematură a țesuturilor, cancer de piele sau cataractă), mai ales în contextul creșterii intensității radiațiilor solare de tip UVA și UVB care ajung pe Pământ, efect al reducerii stratului de ozon.

În România și în Europa, pentru comunicațiile mobile sunt utilizate benzile de frecvențe de 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz și 3500 MHz (aceasta din urmă fiind o denumire alternativă  pentru banda 3400 – 3800 MHz).

În România, în viitorul apropiat vor fi utilizate și benzile de 700 MHz, 1500 MHz iar în perspectivă pe termen mediu, banda de 26 GHz.

Undele electromagnetice cu frecvențe în benzi considerate „joase”, sub 1 GHz (700 MHz, 800 MHz, 900 MHz) sunt favorabile acoperirii unor suprafețe mari, pe distanțe mari, se propagă bine în interiorul clădirilor, însă viteza posibilă de transmisie a datelor este limitată. Pe de altă parte, undele cu frecvențe în benzi „medii” (2600 MHz, 3400-3800 MHz) se propagă pe distanțe mai mici și nu penetrează bine în interiorul clădirilor, însă permit o viteză mare de transmitere a datelor.

Licențele de comunicații mobile din România (și din Europa) sunt neutre tehnologic – operatorii pot utiliza orice tehnologie disponibilă (2G, 3G, 4G, 5G etc), atât timp cât respectă condițiile tehnice din licențe. Astfel, tehnologia 5G utilizează frecvențe care deservesc deja de decenii tehnologiile 2G, 3G sau 4G, iar benzile milimetrice, precum banda de 26 GHz, preconizată a fi utilizată pentru 5G pe termen mediu, undeva în orizontul anului 2025, au deja utilizări în domenii specifice. Astfel, benzile milimetrice sunt utilizate de zeci de ani, inclusiv în România, pentru legături punct-la-punct pe suport radio, destinate transportului traficului rezultat din reţelele de comunicaţii mobile, de la staţiile de bază către nodurile de gestiune şi control ale reţelelor respective.

Cuptorul cu microunde utilizează frecvența de 2,45 GHz, apropiată de cele corespunzătoare comunicațiilor mobile 4G (banda de 2,6 GHz) și prepară mâncarea în câteva secunde. Cum se poate așa ceva?

Simplificat, putem spune că diferența în densitatea de putere între cele două, cuptor cu microunde și stații de bază pentru 4G, este pur și simplu enormă:

  • în cuptorul cu microunde, o putere de 1 kW se distribuie în 20 de litri (volumul cuptorului), ca într-o cușcă Faraday;
  • la comunicații mobile, o putere efectiv radiată tipică pentru o stație de bază în banda de 2,6 GHz (aprox. 2 kW), se disipează pe o suprafață de cca 3 milioane de metri pătrați.

Densitatea de putere (energia/puterea radiată pe unitatea de suprafață) scade odată cu creșterea distanței față de sursa de radiație, fiind invers proporțională cu pătratul distanței. De asemenea, intensitățile câmpului electric și câmpului magnetic (componentele câmpului electromagnetic) descresc pe măsură ce distanța crește (sunt invers proporționale cu distanța), fenomen cunoscut ca atenuare în spațiul liber (a se vedea figura de mai jos).

În cazul propagării în medii reale, atenuarea câmpului electromagnetic cu distanța este mai mare decât atenuarea în spațiul liber, din cauza prezenței obstacolelor de-a lungul traseului de propagare a undelor radio (dealuri, munți, clădiri, vegetație, structuri metalice etc.).

Sursă imagine: Cartea „Expunerea umană la câmpuri electromagnetice: de la frecvență extrem de scăzută (ELF) la radiofrecvență”, autor Patrick Staebler, capitolul 1 (Figura 1.13. Scăderea câmpului electric, a câmpului magnetic și a densității puterii cu distanța față de sursă, pagina 19)

Rețele de comunicații electronice mobile

Un terminal/telefon aflat la marginea unei celule mari, de exemplu într-o zonă rurală, transmite aproape de puterea sa maximă pentru a face posibilă recepția semnalului său de către stația de bază, iar pe măsură ce se apropie de antenă, își reduce puterea de emisie. În orașe, densitatea de celule face în așa fel încât terminalul/telefonul să se poată conecta simultan la mai multe celule și să o aleagă automat pe cea cu cel mai bun semnal, astfel încât, implicit, să își minimizeze puterea de emisie. Practic, radiațiile emise de telefonul mobil al utilizatorului predomină local, fiind mai mari în jurul utilizatorului decât radiațiile stației de bază.

Sursă imagine: Publicație a Guvernului polonez „Câmpul electromagnetic și oamenii. Despre fizică, biologie, medicină, standarde și rețeaua 5G” –Figura 5. Efectul distanței de la stația de bază asupra puterii de transmisie a unui telefon mobil, autor: Paweł Woźniak, pagina 44 (traducere ANCOM).

Mai mult, sistemele mobile digitale utilizează în prezent mecanisme de control al energiei a căror funcție primară este menținerea emisiilor de semnale radio la nivelurile minime necesare și suficiente pentru asigurarea calității serviciilor. Cu alte cuvinte, telefoanele mobile „lucrează” la cea mai mică putere posibilă necesară pentru asigurarea unei calități corespunzătoare. În rețelele GSM, comanda de modificare sau menținere a nivelului de semnal al telefonului este dată de 2 ori pe secundă, astfel încât, pe măsură ce telefonul se apropie de antenă, își reduce puterea de transmisie. Rațiunea principală a acestui mecanism este eficiența (reducerea probabilității de interferențe, respectiv reducerea consumului de energie), însă un efect indirect semnificativ este reducerea expunerii la radiații. Iar odată cu progresul tehnologic, tehnicile avansate de control al puterii devin tot mai sofisticate – de exemplu în 3G/UMTS, puterea între stația de bază și telefon este ajustată de 1500 ori pe secundă.

Efectele progresului tehnologic se văd și în puterea maximă a telefoanelor. Astfel, de la o generație la alta, valorile tipice ale puterii terminalelor au scăzut dramatic:

  • 1G 6 – 15 W
  • 2G 1-2 W
  • 3G, 4G 0,25 – 0,2 W

Link sursă: Publicație a Guvernului polonez ”Câmpul electromagnetic și oamenii. Despre fizică, biologie, medicină, standarde și rețeaua 5G”, pagina 44

Indiferent de tehnologie, orice rețea de comunicații mobile se dezvoltă în două faze: inițial se realizează o acoperire de suprafață, prin instalarea de macro-celule. Apoi, observând creșterea traficului (internet, telefonie etc.) în anumite zone (de exemplu, în localități, în centre comerciale etc), se realizează suplimentarea capacității, prin densificarea celulelor de putere mai mică și prin utilizarea de frecvențe suplimentare.

Așadar, în zonele dense, cu mult trafic, vor exista mai multe stații de bază, care vor utiliza frecvențe mai multe dar și puteri de emisie (radiații) comparativ mai mici, față de macrocelule. Distanța mai mică între stațiile de bază și telefoane înseamnă, totodată, putere mai mică și implicit radiație cumulată mai mică, generată atât de stațiile de bază, cât și de terminalele utilizatorilor.

În scopul introducerii 5G, operatorii de rețele pot utiliza amplasamentele staţiilor de bază existente, din rațiuni de eficiență investițională, și pot de asemenea dezvolta noi amplasamente de stații de bază.

5G va putea de asemenea conduce la instalarea de stații de bază de mică putere, așa numitele „celule mici”, comparabile cu emițătoarele wi-fi, în special în locuri aglomerate precum stadioane, aeroporturi sau centre comerciale.

În cele din urmă, anumite întreprinderi ar putea fi interesate să-și echipeze propriile zone industriale cu rețele 5G private, conform unor reguli de instalare specifice propriilor nevoi și constrângeri, cu sau fără ajutorul operatorilor de rețele publice.