Częstotliwości 5G    Oryginalny artykuł po niemiecku

Z jakich częstotliwości i pasm korzysta 5G?

Ilość danych generowanych na całym świecie w ruchomych sieciach radiowych od lat stale rośnie, niekiedy o 50 proc. w skali roku. W znacznym stopniu napędzany przez korzystanie z mobilnych usług strumieniowania wideo. Eksperci spodziewają się 4 miliardów urządzeń końcowych podłączonych do sieci [1] do 2023 r. – słowo kluczowe Internet of Things (IoT). Aby poradzić sobie z tym narastającym zalewem ruchu, dostawcy telefonii komórkowej na całym świecie pokładają ogromne nadzieje w następcy LTE „ 5G ”. Ale podobnie jak w przypadku 4G/LTE , działanie sieci radiowych wymaga przede wszystkim darmowych pasm użytkowników. Jednak na całym świecie zawsze brakuje ich. Pokazujemy, które zakresy częstotliwości są już wykorzystywane w 5G, a które są dostępne zgodnie z aktualnym planem .

1. Co muszą wiedzieć niemieccy konsumenci

Zanim szczegółowo zajmiemy się wszystkimi pytaniami dotyczącymi poszczególnych zakresów częstotliwości oraz ich zaletami i wadami, kwestią zasięgu, a także indywidualnym podziałem pasm dla wszystkich operatorów sieci komórkowych, najpierw krótko przedstawimy najważniejsze informacje dla niemieckich klientów 5G w grafice. Co należy wziąć pod uwagę przy zakupie nowego smartfona lub routera 5G i jakie pasma należy obsługiwać teraz i w przyszłości?



Obecnie najważniejszym pasmem jest „n78” (przy 3,6 GHz). Wszyscy czterej niemieccy dostawcy 5G będą tutaj w dłuższej perspektywie radiowej. N78 służy przede wszystkim do zaopatrzenia miast. Z kolei N1 (2,1 GHz) jest promowany przede wszystkim przez Deutsche Telekom za rozbudowę obszaru. Z drugiej strony Vodafone polega na n28 (700 MHz) i n3 (1,8 GHz) do ekspansji na obszarach wiejskich. Jednak n1/n3 i n28 są używane tylko jako częstotliwości kotwiczne za pomocą dynamicznego współdzielenia widma w połączeniu z LTE. W dalszej części tego przewodnika dowiesz się, co to wszystko konkretnie oznacza. O2 początkowo operowało tylko 5G z częstotliwością 3,6 GHz, ale od połowy 2021 r. rozszerza ją również do 700 MHz i 1800 MHz.

2. Przegląd wszystkich pasm 5G i powiązanych częstotliwości

Niestety konsumenci, którzy chcą kupić nowy smartfon 5G lub odpowiadający mu router, mają do czynienia z nieco tajemniczo wyglądającymi informacjami. Ponieważ częstotliwości 5G obsługiwane przez urządzenie są zwykle podawane w skróconej nazwie pasma, np. „n78”.

Podobnie jak w przypadku LTE, pasma 5G są również definiowane przez nazwę. Pasmo 20 to przykład działania 4G przy 800 MHz. Od wydania 5G 15 (przez RAN4) branża wprowadziła nieco inną nomenklaturę. Zamiast „Band XY” oznaczenie to „ n xxx ”. Dla zakresu częstotliwości poniżej 6 GHz (FR1) możliwe są w zasadzie wartości od 1 do 255 wartości. W segmencie fal milimetrowych (FR2) dla lepszego zróżnicowania wartości zaczynają się dopiero od 256. Wspomniane już pasmo n78 5G reprezentuje ważny zakres użytkowania około 3,6 GHz w Niemczech.

Poniższa tabela zawiera listę najważniejszych pasm na świecie według FR1. Rejestrowany jest zakres częstotliwości dla szybkości pobierania i wysyłania, a także zamierzony tryb dupleksu. Eksperci mogą również znaleźć informacje na temat maksymalnej przepustowości kanału i odstępów między dupleksami.

Częstotliwości 5G w zakresie FR2:

3. Brakuje widma radiowego

W tym kraju obszary o częstotliwości 800, 1800 i 2600 MHz są obecnie wykorzystywane głównie w technologii mobilnej łączności radiowej 4G. Każdy operator telefonii komórkowej, czyli Deutsche Telekom, O2 i Vodafone, kupił w ostatnich latach kilka zakresów widmowych do obsługi LTE na dwóch aukcjach. Na przykład w segmencie 800 MHz Telekom może korzystać z zakresu 811-821 MHz dla downstream i 852-862 MHz dla upstream. Dostępne jest pasmo o szerokości 10 MHz każde. W uproszczeniu tę przepustowość można sobie wyobrazić jako superautostradę danych. Im szerszy, tym więcej informacji można przesłać w jednostce czasu.

Ponieważ jednak łączność komórkowa musi dzielić ograniczone widmo elektromagnetyczne z innymi technologiami, wolne częstotliwości są rzadkością. Przykładami są telewizja naziemna DVBT-2 (w tym 470 MHz do 690 MHz) i radio policyjne (w tym 406,1 do 410 MHz). W sumie sami niemieccy operatorzy komórkowi zapłacili prawie 10 mld euro opłat licencyjnych w 2010 r. (4,4 mld) i 2015 r. (5 mld). Jednak w przypadku 5G potrzebne były nowe „superautostrady danych”, zwłaszcza dla docelowych prędkości maksymalnych 10-20 GBit. W 2019 roku Federalna Agencja Sieci sprzedała na aukcji pierwsze licencje operacyjne dla 5G.

4. Wyniki pierwszej aukcji 5G

Aukcja pierwszych zasobów 5G ponownie wpłynęła do państwowej kasy w czerwcu 2019 roku 6,6 mld euro. Ale jak zobaczymy za chwilę, to nie wystarczy...



Lwią część zainwestowały Vodafone (1,88 mld) i Deutsche Telekom (2,175 mld). Nowicjusz 1und1 Drillisch wszedł do branży dostawców od podstaw z dobrym 1,07 miliarda. O2 wyłożył 1,425 miliarda na stół, aby zabezpieczyć swój udział w przyszłości komunikacji mobilnej.

5. Dystrybucja wylicytowanych częstotliwości 5G

Obecnie i w niedalekiej przyszłości do działania 5G w tym kraju wykorzystywane są głównie trzy zakresy częstotliwości. Najpierw wystawione na aukcje pasma to 2,1 i 3,6 GHz, a także w segmencie 700 MHz. Tam jednak głównie w formie swoistego „trybu współpracy” o nazwie „Dynamic Spectrum Sharing”. Ale o tym później w punkcie 8! Poniżej graficznie zmapowaliśmy rozkład częstotliwości, w zależności od dostawcy.

5.1 Alokacja przy 3,6 GHz na dostawcę 5G

Segmenty 3,6 GHz (znane również jako pasmo n78) były jednymi z najpopularniejszych na pierwszej aukcji 5G w Niemczech. Są one przeznaczone przede wszystkim do ekspansji 5G w miastach, ponieważ zasięg jest stosunkowo niewielki (mniej niż 500 metrów). Deutsche Telekom i Vodafone zapewniły sobie większość tortu z pasmem 90 MHz każdy. O2 może mieć 70 MHz, a nowicjusz 1 i 1 sprzedawany na aukcji 50 MHz. A oto, w jaki sposób częstotliwości użytkowe 3,6 GHz są dokładnie rozłożone w widmie:

5.2 Alokacja przy 2,1 GHz

Na aukcji wylicytowane zostały również zasoby z pasma 2 GHz. W szczególności Deutsche Telekom bawi się pasmem 5G n1. Jednak obecnie nie są one dostępne, ponieważ 3G (UMTS) nadal nadaje tutaj. Stopniowo jednak zostaną one usunięte w ciągu najbliższych kilku miesięcy. Od 2021 r. Vodafone, O2 i Telekom mogą tu korzystać z pierwszych obszarów ekspansji 5G. 3G jest demontowane i stopniowo całkowicie wyłączane najpóźniej do 2022 roku.

Następujące obszary są zwalniane dopiero od 2026 r. - wygasa koncesja na prowadzenie wyżej wymienionych segmentów, które zostały zatwierdzone dopiero do 31 grudnia 2025 r. ...

5.3 Używaj przy 700 MHz

Na obszarach wiejskich 4G rozszerzono przede wszystkim na częstotliwości 800 MHz o wysokim zasięgu. Od II dywidendy cyfrowej nadal dostępne są zasoby na 700 MHz. Telewizja naziemna (DVB-T) była kiedyś nadawana na tych pasmach. Następca DVB-T2 przeniósł się do niższych obszarów, dzięki czemu są one teraz dostępne dla komunikacji mobilnej. Poniższa grafika przedstawia podział według dostawców. Vodafone, Deutsche Telekom i O2 mają po 2 x 10 MHz. Pierwotnym celem była dalsza optymalizacja ekspansji LTE na obszarach wiejskich i przyspieszenie szybkości transmisji danych. W maju 2020 r. Vodafone ogłosił jednak, że wykorzysta te częstotliwości również do wprowadzenia 5G na ten obszar. Jest to możliwe dzięki technologii o nazwie Dynamic Spectrum Sharing (DSS)



, gdzie 5G i 4G współdzielą te same pasma. Warunkiem jest jednak „ częstotliwość zakotwiczenia ” przez LTE, która działa jako łącze do sieci szkieletowej. Jeśli tylko 5G działa z częstotliwością 700 MHz, to najpierw na każdym maszcie musiałyby być zainstalowane odpowiednie moduły antenowe 5G. Dzięki DSS działa to stosunkowo łatwo poprzez aktualizację oprogramowania mobilnej stacji radiowej.

Dzięki tej sztuczce Deutsche Telekom był w stanie zwiększyć dostępność 5G z 0 do 80 procent w zaledwie 1,5 roku. Vodafone chce również otworzyć duże obszary Niemiec z najnowszą technologią mobilną i zapewnić wysokie prędkości transmisji w każdym zakątku dzięki specjalnym taryfom bezprzewodowym dla domu .

5.4 Co to są częstotliwości kotwic?

Niestety, robi się to trochę bardziej zagmatwane. Bo jest do pewnego stopnia „prawdziwe” 5G i coś w rodzaju pseudo 5G. Ta ostatnia wyraźnie nadal dominuje w tej chwili. Jako kotwica nadal wymagana jest częstotliwość LTE. Eksperci mówią też o niesamodzielnych sieciach 5G . Tylko samodzielna sieć 5G może obejść się bez swojego poprzednika 4G. Na przykład Deutsche Telekom używa LTE na 1800 i 2600 MHz jako kotwicy do obsługi 5G NSA na 3,6 GHz. 5G SA jest wdrażane stopniowo od połowy 2021 roku. Równie dobrze może minąć do 2030 r., dopóki cała infrastruktura nie będzie się na tym opierać.

6. Powierzchnia a wydajność

Nie każda sekcja częstotliwości jest jednakowo odpowiednia dla każdego scenariusza rozbudowy. Ze względów fizycznych do pokrycia obszaru nadają się tylko obszary o długich falach. Czyli pasma na niższych częstotliwościach. W przypadku ekspansji 5G na obszarach wiejskich można rozważyć np. rzadko używane dotychczas 700 MHz. W trakcie ekspansji LTE skupiono się przede wszystkim na 800 MHz z dywidendy cyfrowej. Prawdą jest, że nie ma bardzo szerokich dostępnych zakresów, więc osiągalne szybkości transmisji danych są raczej niskie. Jednak poza miastami decydującą rolę odgrywa nie tyle wydajność, ile kwestia zasięgu.

Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości zasięg maleje. W zamian te obszary radiowe oferują większą wolną przepustowość, a tym samym osiągalna prędkość transmisji danych również wzrasta. W każdym razie wysokowydajne sieci 5G z 10 lub 20 GBit mogą być zarządzane tylko przy przepustowości kanału 100 MHz lub wyższej. Jedyne pasma, które się do tego nadają, to jednak zakresy powyżej 24 GHz – tak zwane fale milimetrowe, w skrócie mmWave . Takie zakresy częstotliwości wymagałyby również bardzo gęstych sieci komórek radiowych, które można wdrożyć tylko na obszarach miejskich. Tutaj mówimy o kilkuset metrach, żeby potrzebne były mini maszty radiowe np. na latarniach ulicznych. Odpowiednie plany już istnieją. Dlatego zawsze istnieje kompromis między zasięgiem (pokryciem) a szybkością .

Dlatego eksperci najpierw dzielą się z grubsza na trzy tak zwane „ warstwy ”. Podejście wielowarstwowe dzieli wszystkie scenariusze użytkowania i potrzeby zgodnie z parametrami zasięgu i wydajności . W trosce o przejrzystość poświęciliśmy dodatkowe specjalne podejście do wielowarstwowego podejścia do sieci 5G ...

7. Poszukiwane częstotliwości użytkowe dla 5G: „niskie” i „wysokie” pasma 5G

Jak już pokazano we wstępie, istnieje tendencja do braku możliwych zasobów operacyjnych dla nowego standardu telefonii komórkowej. Ponieważ większość omawianych pasm jest już zajęta w „niższym” zakresie częstotliwości (np. dla LTE), są trzy możliwości . (1) Z jednej strony obszary, które nie są już potrzebne do działania 5G, mogą zostać zwolnione lub przełożone. Przede wszystkim należy tu wspomnieć o przestarzałej sieci 2G (EDGE, GSM) lub 3G (UMTS).

W maju 2020 r. Deutsche Telekom, Vodafone i O2 ogłosiły daty zakończenia 3G. Vodafone wystartował jako pierwszy i opuści 3G z Deutsche Telekom w lipcu 2021 roku. O2 planuje wycofać się do końca 2021 r. Wszystkie uwolnione obszary powinny wkrótce zostać wykorzystane w 5G.

(2)  W przypadku drugiej opcji starszy standard LTE i 5G po prostu dzielą się istniejącymi zakresami częstotliwości i, mówiąc prościej, nadają „naprzemiennie”. Eksperci mówią o dynamicznym współdzieleniu widma , o czym już kilkakrotnie wspominano .

(3) Ostatnią szansą na znalezienie nowych zasobów dla komunikacji mobilnej 5G jest wykorzystanie wyższych częstotliwości niż miało to miejsce od dłuższego czasu. Do czasu wprowadzenia 5G w 2019 r. na całym świecie było to głównie 3 do 4 GHz. Na wczesnych etapach rozwoju 5G będzie początkowo używane tylko na obszarach poniżej 6 GHz ( sub 6 GHz ). Eksperci mówią również o „ FR1 ” (FR = zakresy częstotliwości). Wersja 15 zapewnia pasma od 450 MHz do 6 GHz dla FR1, co odpowiada numerom 1-255 (patrz tabela powyżej ).

Podstawową rolę odgrywa pasmo częstotliwości od 3,4 do 3,8 GHz. Na aukcję wystawione były również pasma 2 GHz. Dokładniej 2 x 60 MHz przy 1920 MHz do 1980 MHz i 2110 MHz - 2170 MHz. Ponadto 300 MHz przy 3400 MHz do 3700 MHz [3].

Jednak w przypadku 5G po raz pierwszy zostaną udostępnione lub wykorzystane znacznie wyższe zakresy widmowe . W 2015 roku Światowa Konferencja Radiokomunikacyjna zaproponowała pasma w zakresie od 24 do 86 GHz. FR2 (zakres częstotliwości 2) z wydania 15 w szczególności zapewnia widmo od 24250 MHz do 52600 MHz, co odpowiada numerom pasm 257-511 (tabela powyżej). Powszechnie określany jako obszar mmWave . Temat jest dość złożony. Dlatego w tym przewodniku podsumowaliśmy dla Ciebie wszystkie informacje na temat 5G na mmWave .

8. Elastyczne współdzielenie częstotliwości: dynamiczne współdzielenie widma

Wraz z ekspansją 5G pojawia się kolejna sprytna technologia, tak zwane dynamiczne współdzielenie widma, w skrócie DSS . Procedura była zawsze krótko wspominana. Jednak w przyszłości DSS może mieć ogromne znaczenie . Przede wszystkim dlatego, że umożliwia ogromne przyspieszenie ekspansji 5G. Podstawowa idea: użytkownicy telefonu komórkowego zawsze będą mieli urządzenia 4G lub 5G w określonym stosunku procentowym. Następnie możesz po prostu podzielić istniejące zakresy częstotliwości, które wcześniej były używane tylko dla 4G. Ma to tę zaletę, że na przykład taśmy dalekiego zasięgu można również wykorzystać do ekspansji.

9. Międzynarodowe plany i wykorzystanie częstotliwości 5G

GSA (Global Mobile Suppliers Association) wcześnie wpadło na konkretne pomysły, które pasma mogą być używane w zakresie 3,3 - 5 GHz. W zależności od kontynentu i regionu należy skupić się na różnych widmach. Poniżej znajdziesz aktualnie planowane i/lub używane pasma dla wybranych krajów i regionów. Każdy dla niskich częstotliwości (Sub 6) aw następnym podrozdziale około 24 GHz.

Najpóźniej przy 4990 MHz zakres poniżej 6 GHz się skończył, ponieważ pasmo operacyjne dla WLAN zaczyna się tutaj od 5 GHz. Te obszary oznaczone z * są obszary, które nielicencjonowanych (mogą) być współdzielone z innymi aplikacjami. Te ostatnie osiągają więc czasami nawet 7 GHz.

11. Oznaczenia pasm częstotliwości

Warto też poznać wspólne nomenklatury dla poszczególnych zakresów częstotliwości, które są klasyfikowane literami. To jest historyczne! Poniżej zebraliśmy najważniejsze skróty pasm dla 5G. Przydział odpowiada przydziałowi ITU. W związku z tym większość masztów LTE nadaje teraz radio w pasmach L i S. Ta ostatnia obejmuje również obszary licytowane w pierwszej aukcji 5G podczas lunchu 5G w Niemczech. Ponadto czasami występuje zgrubny podział na niskie, średnie i wysokie pasma .

12. Bardzo wcześnie zaatakowano kilka preferowanych więzadeł

Według białej księgi opublikowanej przez GSA w listopadzie 2018 r. na całym świecie wcześnie pojawiło się od trzech do pięciu preferowanych pasm dla działania 5G. Zakres 28 GHz z prawie 90 sieciami testowymi na całym świecie jest zdecydowanie liderem. Następnie 3,5 GHz z 65 projektami pilotażowymi.

W lipcu 2020 r. sieci 5G, które są albo eksploatowane (niebieskie), licencjonowane (czerwone) lub planowane (fioletowe) w paśmie n77 i n78, faktycznie prowadziły globalnie długą drogę. Zobacz poniższą grafikę. Następnie pojawiły się taśmy FR2 mmWave n257, n258 i n261. Ponadto n260, n28, n7, n38 i n41 również stają się coraz bardziej rozpowszechnione.

Ten trend prawdopodobnie utrzyma się wraz z globalną ekspansją w nadchodzących latach.

Rozkład wykorzystania pasma na całym świecie według częstotliwości | Zdjęcie: GSA czerwiec 2020

13. Zagrożenie dla zdrowia ze strony częstotliwości 5G?

Odkąd sieć 5G została rozszerzona w Niemczech (2019), coraz więcej osób myśli o możliwych zagrożeniach dla zdrowia związanych z 5G. Debata jest podsycana przez wątpliwe fałszywe wiadomości, na przykład o tym, jak technologia koreluje ze śmiercią pszczół, a nawet koroną.

Fakt jest taki: Jak już pokazaliśmy, następca LTE nadaje od początku na nieco wyższych częstotliwościach niż wcześniej 4G. Zamiast maksymalnie 2,6 GHz, używane są również zakresy o około 1 GHz wyższe. W przyszłości wykorzystywane będą nawet pasma w okolicach 26 GHz, czyli 10 razy wyższe niż kilka lat temu. Jednak im wyższa częstotliwość, tym mniejsza głębokość wnikania w ciało. Na przykład, podczas gdy długofalowe LTE800 penetruje głęboko, rozszerzając się na obszarach wiejskich, promieniowanie fal milimetrowych jest pochłaniane bezpośrednio w górnej warstwie naskórka (skóra) i może tam prowadzić tylko do lekkiego ocieplenia, jeśli telefon komórkowy jest dostępny bezpośrednio przy ciele . Miarą tego jest tzw. wartość SAR (współczynnik absorpcji swoistej), która jest określona dla każdego smartfona.

Poza tym oczywiście poprzednie wartości graniczne dotyczą również 5G . Federalny Urząd Ochrony przed Promieniowaniem nie widzi obecnie obaw związanych z wykorzystaniem nowej technologii radiokomunikacji mobilnej, podobnie jak WHO. Jednak w 2019 roku przynajmniej przyznali się do 5G-Anbieter.infoże nadal istnieje potrzeba badań w mmWave. Badania, które widzą związek z rakiem w telefonach komórkowych, wyciągają wnioski głównie tylko z napromieniania zwierząt przez długi czas i ekstremalnie wysokimi dawkami promieniowania [4], na które ludzie nie są narażeni nawet przez krótki czas. W tym przykładzie około 1,5-6 W/kg, podczas gdy limit w tym kraju to 0,08 W/kg. To byłoby tak, jakby przez lata podawać osobom badanym tylko cukier, a potem mówić, że cukier jest rakotwórczy, jeśli ponadprzeciętna liczba osób zachoruje.

Wniosek: Zgodnie z obecnym stanem wiedzy nie ma wystarczających przesłanek, aby częstotliwości 5G miały negatywny lub bardziej negatywny wpływ na zdrowie niż dotychczasowe technologie dla 2G, 3G, LTE, WLAN czy telewizji (DVB-T/SAT). W przypadku następcy 5G, 6G, omawiane są już pasma powyżej 100 GHz do ziemskiego obszaru serca.

14. Nasz wniosek

Nie jest jeszcze jasne, które zakresy częstotliwości wygrają wyścig na całym świecie w dłuższej perspektywie. Jednak istnieje już tendencja, że ​​3,6 GHz i 28 GHz będą odgrywać dominującą rolę, zwłaszcza w przypadku „prawdziwych” autonomicznych sieci 5G . Podobnie jak w przypadku LTE, globalnie znów będą większe różnice, których producenci sprzętu powinni ponownie zażądać.

W Niemczech 5G nadaje obecnie wszystko w paśmie n78 i n1. Cała reszta odbywa się poprzez dynamiczne współdzielenie widma. Trwają prace nad „procesem aplikacyjnym" dla pasm o częstotliwości 26 GHz.

Ponadto w perspektywie średnioterminowej oczekuje się, że obszary starszych standardów radiowych, które nie są już używane, takie jak 2,1 GHz przez UMTS, zostaną usunięte poprzez agregację nośnych, kilka obszarów można następnie połączyć w jeden użyteczny zespół. Technologia ta jest już dziś wykorzystywana z LTE z kategorii 6 ( LTE-Advanced ) i jest elementarną częścią standardu 5G . Obiecujące wydaje się również podejście DSS , w którym 4G i 5G są używane jednocześnie na tych samych częstotliwościach .