Aktualizacje dotyczące wycofania z eksploatacji sieci 2G, 3G, LTE 4G

W epoce zmierzchu niektórych sieci komórkowych i rozwoju sieci 5G cały sektor łączności komórkowej ulega istotnym zmianom. Firmy stosujące urządzenia oparte na starszych sieciach koncentrują dzisiaj swoją uwagę na przewidywanej żywotności tych sieci - jak długo sieci LTE 4G będą jeszcze rentowne oraz czy rozwój technologii 5G nastąpi dostateczne szybko, aby zaspokoić ich potrzeby. Artykuł ten analizuje i udziela odpowiedzi na te kwestie.

Dlaczego starsze sieci są wycofywane z eksploatacji

Operatorzy muszą być w stanie ponownie wykorzystywać pasma częstotliwości do rozbudowy nowych sieci i oferować swoim klientom szybsze, bardziej responsywne technologie. Stara infrastruktura 2G/3G musi ustąpić miejsca nowym sieciom - oznacza to, że starsze urządzenia komórkowe przestaną być rentowne i muszą być wycofane.

Dwa wskaźniki mają w tym kontekście szczególne znaczenie:

1. Wydajność widmowa, mierzona w bitach na sekundę/Hz. Parametr ten określa wydajność transferu danych przy dostępnej szerokości pasma. Schematy modulacji i kodowania oraz korekcja błędów odgrywają tu kluczową rolę. Schematy modulacji wyższego rzędu jak 64-QAM i 256-QAM, stosowane powszechnie w sieci LTE 4G, umożliwiają transfer danych z 8-krotnie wyższą wydajnością bit/Hz w porównaniu z siecią 2G lub 3G.
2. Latencja. Jest to opóźnienie między żądaniem a odpowiedzią, a więc wskaźnik określający responsywność sieci komórkowej. W toku doskonalenia sieci i technologii komórkowych latencja zmniejszyła się z kilku sekund na początku ery technologii 2G, poprzez setki milisekund w 3G, aż po dziesiątki milisekund w sieci LTE 4G i przewidywane jednocyfrowe wartości latencji w przyszłych autonomicznych sieciach 5G (SA).

Dobra wiadomość to fakt, że technologia LTE 4G będzie jeszcze dostępna co najmniej przez dekadę i będzie współistnieć z sieciami 5G. Artykuł ten zawiera aktualne informacje dotyczące odchodzenia od sieci 2G i 3G oraz perspektyw rozwoju sieci LTE 4G i 5G w celu wsparcia operatorów planujących ścieżkę migracji.

Prognoza zmierzchu technologii 2G

Ilustracja 1: wszyscy główni operatorzy na rynku północnoamerykańskim wycofają się z sieci 2G przed końcem 2021 r. (Źródło ilustracji: Digi)

Najwięksi operatorzy w USA są już na etapie wycofywania z eksploatacji usług 2G:

• Firma AT&T zaprzestała obsługi sieci 2G w 2016 r.
• T-Mobile odejdzie od technologii 2G w grudniu 2020 r.
• Verizon Wireless również zakończy eksploatację swojej sieci CDMA 2G pod koniec 2020 r.
• Sprint wyłączy swoją sieć CDMA 2G w grudniu 2021 r.

Jednakże już przed ostatecznym wycofaniem z eksploatacji sieci 2G, urządzenia 2G przestaną działać optymalnie. Czego należy oczekiwać:

1. Urządzenia komórkowe 2G nadal mogą łączyć się z siecią, ale nie będzie możliwa aktywacja nowych urządzeń.
2. Takie urządzenia prawdopodobnie nie będą działały tak dobrze jak w przeszłości, ponieważ operatorzy będą dokonywać alokacji widma częstotliwościowego, aby stworzyć miejsce dla uruchamianych nowych sieci.

Co jeszcze wydarzyło się na świecie:

• Firma Bell Canada wyłączyła sieci 2G w 2018 r.
• Inni operatorzy w Kanadzie - Telus i Rogers - wstrzymali już obsługę technologii 2G
• W Europie technologia 2G przetrwa dłużej. Vodafone zamierza obsługiwać sieć 2G co najmniej do 2025 r. Jednakże alokacja widma częstotliwościowego rozpocznie się prawdopodobnie wcześniej.

Prognoza zmierzchu technologii 3G

Ilustracja 2: główni operatorzy na rynku północnoamerykańskim planują wyłączenie sieci 3G do końca 2022 r. (Źródło ilustracji: Digi)

Podobnie jak 2G, sieci 3G wykorzystują widmo wymagane do obsługi technologii LTE 4G, co oznacza, że operatorzy planują ich stopniowe wygaszanie. Oprócz tego, urządzenia 3G mają ograniczoną szybkość działania, uzyskując maksymalnie 3Mbps. W odróżnieniu technologia LTE 4G jest szybsza i efektywniej wykorzystuje widmo, dzięki czemu więcej urządzeń może współużytkować dostępne spektrum częstotliwości.

Aktualne plany głównych operatorów:

• Verizon zakończy eksploatację swojej sieci CDMA pod koniec 2020 r.
• AT&T planuje wyłączyć swoją sieć 3G w lutym 2022 r. i nie jest już możliwa aktywacja telefonów 3G
• T-Mobile zamierza wycofać z eksploatacji swoje sieci 3G do końca 2021 r.
• Sieci 3G operatora Sprint zostaną wyłączone w grudniu 2022 r. - nie jest już możliwa aktywacja urządzeń 3G

To dobry czas na ocenę implementacji urządzeń LTE 4G - zostanie to omówione poniżej.

Prognoza rozwoju sieci LTE 4G

Ilustracja 3: technologia 2G i 3G zostanie wkrótce wyłączona, jednak brak jest planów odejścia w najbliższej przyszłości od technologii 4G. (Źródło ilustracji: Digi)

Technologia LTE 4G stanie się w pewnym momencie przestarzała, jednak nikt nie musi się martwić z powodu jej szybkiej likwidacji, która nastąpi dopiero za dekadę bądź jeszcze później. Przedsiębiorstwa planujące dzisiaj wdrażanie Internetu rzeczy (IoT) mogą to czynić ze spokojem na bazie długoterminowej żywotności sieci LTE.

W rzeczywistości całkowite wyparcie sieci 4G przez technologię 5G nastąpi najwcześniej za dekadę, a nie ulega też wątpliwości, że LTE 4G w całej szerokości pasma obsługuje większość potrzebnych dziś zastosowań i jest najbardziej opłacalnym rozwiązaniem. LTE 4G, akronim oznaczający „długoterminową ewolucję” (ang. Long Term Evolution), efektywnie współdzieli pasmo częstotliwości z rozrastającymi się sieciami 5G obejmującymi wiele sukcesywnie projektowanych urządzeń z funkcjami 4G i 5G.

5G jest obecnie stosowane głównie przez innowatorów, którzy są gotowi zapłacić wyższą cenę za nowinki techniczne lub w celu przeprowadzenia wczesnych, ograniczonych testów. Jak w przypadku wszystkich nowych technologii, zanim nastąpi powszechne wdrożenie, konieczny jest konsekwentny rozwój przyrostowy.

Kluczowe aspekty związane z wprowadzeniem technologii 5G

Poniżej podano kilka ważnych aspektów dotyczących planowania migracji aktualnych systemów:

• Sieci 5G mają innowacyjny charakter, jednakże ich zasięg jest dzisiaj ograniczony. Infrastruktura sieciowa musi zostać rozbudowana, aby urzeczywistnić wizję 5G jako „jednej wszechobecnej sieci obejmującej wszystkie zastosowania”.
• Technologie 5G mmWave nie sprawdzają się najlepiej w obszarach z przeszkodami, takimi jak budynki lub gęste listowie oraz w lokalizacjach narażonych na intensywne opady deszczu lub śniegu. Nawet podwójne szyby zespolone mogą zablokować sygnał 5G mmWave.
• Ze względu na konieczność rozwoju i testowania wykonalności technicznej w odniesieniu do sygnałów i gęstości węzłów sieci, pełne wdrożenie technologii 5G nastąpi w ciągu najbliższych 3-5 lat lub później, zależnie od regionu geograficznego.

Ilustracja 4: 5G umożliwi szybszy transfer danych, wyższą gęstość urządzeń i niższą latencję. (Źródło ilustracji: Digi)

• Podobnie jak LTE 4G, technologia 5G podlega długoterminowej ewolucji i zapewnia coraz większą wartość. Najlepiej widać to w specyfikacjach technologii, zebranych w komunikatach wydawanych przez organizację normalizacyjną 3^rd Generation Partnership Project (3GPP):
  • Komunikat 15 3GPP był pierwszym raportem na temat 5G z grudnia 2018 r., skupiającym się na stworzeniu standardu Enhanced Mobile Broadband (co oznacza dostęp do aplikacji wysokich prędkości).
  • Komunikat 16 (nazywany niekiedy Fazą 2 5G) został wydany w lipcu 2020 r. Koncentrował się on na kontroli krytycznych zastosowań, a także rozwijał standard Enhanced Mobile Broadband.
  • Komunikat 17 jest planowany na koniec 2021 r. lub początek 2022 r. i zajmie się masowym Internetem rzeczy oraz dwoma innymi zagadnieniami: niższymi latencjami oraz satelitarną technologią 5G.
    

Jak technologie LTE 4G i 5G będą kroczyć wspólnym szlakiem

O ile wprowadzenie technologii LTE 4G wymagało likwidacji sieci 2G i 3G, nie ma takiej potrzeby w przypadku sieci 4G i 5G. 5G wykorzystuje nowe widmo milimetrowe mmWave i może współpracować z istniejącą technologią 4G. Odbywa się to dzięki dynamicznemu współużytkowaniu widma (ang. Dynamic Spectrum Sharing, DSS).

Czym jest dynamiczne współużytkowanie widma (DSS)?

DSS to technologia pozwalająca na implementację obu sieci LTE 4G i 5G w tym samym paśmie częstotliwości. Następuje dynamiczna alokacja zasobów widmowych między dwiema technologiami na bazie zapotrzebowania użytkowników.

Bez DSS operator dysponujący 20MHz z dostępnego widma LTE 4G musiałby podzielić to widmo, tzn. rozdzielić 10MHz widma na sieć LTE 4G i „upchać” wszystkich użytkowników LTE w zakresie tych 10MHz spektrum. Pozostałe 10MHz widma może być wykorzystywane przez sieć 5G, nawet jeżeli na początku aktywna była jedynie minimalna liczba użytkowników 5G.

Z technologią DSS operator nie musi dzielić widma ani przydzielać widma dla sieci LTE 4G albo 5G. Zamiast tego możliwe jest współużytkowanie tych 20MHz widma przez dwie technologie. Na początku widmo będzie wykorzystywane głównie przez sieć LTE 4G, jednakże wraz ze wzrostem liczby urządzeń 5G spektrum będzie w coraz większym stopniu używane przez sieć 5G. Ostatecznie w przewidywanym okresie od 15 do 20 lat, jeżeli używanych będzie niewiele urządzeń LTE 4G, większość, a nawet cały zakres widma będzie wykorzystywany przez sieć 5G.

Dynamiczne współużytkowanie widma (DSS) pozwala operatorom na stosowanie tego samego pasma widma dla obu sieci 4G i 5G. Analogicznie do ruchu drogowego zamiast budowy oddzielnych dróg dla autobusów i samochodów, DSS jest niejako jedną wielką autostradą z wydzielonymi pasami ruchu dla pojazdów różnego typu.

Od nieautonomicznej do autonomicznej sieci 5G

Wiele urządzeń 5G, jak routery komórkowe, będzie wyposażonych zarówno w nadajniki radiowe 4G, jak i 5G, umożliwiając łączenie z obydwiema sieciami. Na wczesnym etapie rozwoju sieci 5G urządzenia muszą połączyć się najpierw z LTE 4G, a dopiero później z dostępną ewentualnie siecią 5G. Jest to tzw. nieautonomiczna sieć 5G (NSA).

Najpierw większość danych jest przesyłana przez sieć LTE 4G. Jednakże wraz z rozszerzeniem zasięgu sieci 5G i przechodzeniem infrastruktury komórkowej na autonomiczną sieć 5G (SA) coraz więcej danych będzie przesyłanych przez 5G, a urządzenia komórkowe będą łączyć się bezpośrednio z siecią 5G z pominięciem LTE 4G. Kontynuując analogię do ruchu drogowego, 5G przejmie ostatecznie technologię 4G jako szerszy pas ruchu na autostradzie.

Jakie miejsce w technologii 5G zajmuje LTE-M oaz NB-IoT?

Załóżmy, że w najbliższej przyszłości wymagana będzie instalacja większej liczby urządzeń LTE-M lub NB-IoT. Czy urządzenia te staną się przestarzałe, gdy dostępna będzie technologia 5G? Czy należy zaczekać z wdrożeniem na technologię 5G?

Wybór technologii LTE-M lub NB-IoT ma epokowe znaczenie - są to technologie LTE 4G opracowane na bazie paradygmatu długoterminowej ewolucji LTE i z myślą o technologii 5G.

W pierwszym etapie rozwoju technologii LTE-M i NB-IoT szczególną uwagę poświęcono architekturze 5G, aby zapewnić współpracę technologii LTE-M i NB-IoT w paśmie częstotliwości systemu 5G. Zapewnia to kompatybilność z przyszłą technologią 5G, gdy sieć LTE 4G nie będzie już dostępna.

Jak wspomniano wcześniej, komunikat 17 planowany na koniec 2021 r. lub początek 2022 r. będzie pierwszym raportem na temat masowego Internetu rzeczy, co oznacza, że mikroukłady i urządzenia będą dostępne najwcześniej w 2022 lub 2023 r.

Cztery sposoby przygotowania się do 5G już dzisiaj

Jak można przygotować się już dzisiaj do technologii 5G? Czy przeprowadzić modernizację już teraz, czy jeszcze czekać? Czy 5G jest naprawdę dzisiaj potrzebne? Digi reaguje na te i inne pytania klientów. W odpowiedzi na te pytania zestawiono listę możliwych działań:

1. Identyfikacja zastosowań 5G

Należy określić zastosowania, których znacznie wyższa szybkość i niższe latencje zoptymalizują operacje. Głównym przykładem są zastosowania wykorzystujące przetwarzanie brzegowe do uczenia maszynowego i konserwacji prewencyjnej.

Czy w ciągu najbliższych 5 lat zastosowanie będzie wymagało zmian w zakresie ilości danych, latencji i wydajności? Na przykład technologia LTE-M i NB-IoT pozwala na eksploatację nowych urządzeń zasilanych z baterii i nowe modele biznesowe, które wcześniej nie były możliwe z wykorzystaniem technologii 2G/3G.

Dodatkowe pytania: jakie właściwości sieci 5G są potrzebne? Czy potrzebna jest sieć 5G sub-6 ze swym ogólnokrajowym zasięgiem, lecz o podobnej wydajności jak dzisiejsza technologia LTE 4G, czy też preferowana jest superszybka technologia 5G mmWave, dostępna głównie w gęsto zaludnionych obszarach wielkomiejskich? To ważny czynnik, ponieważ - jak wspomniano wcześniej - nie wszędzie będzie dostępne całe widmo częstotliwościowe, a jego dostępność będzie ulegała okresowym zmianom. Czy dążymy do tego, aby technologia 5G współpracowała z istniejącymi urządzeniami, czy aby je zastąpiła?

2. Przeprowadzenie inwentaryzacji urządzeń

Zrozumienie właściwej ścieżki ewolucji od 4G do 5G ułatwi planowanie przyszłości. Być może urządzenia 2G lub 3G są ciągle w użyciu lub w danym zastosowaniu używane są urządzenia 4G pierwszej generacji z szybszymi procesorami oraz prędkości komórkowe 4G Gigabit LTE. W takim przypadku należy wybrać urządzenia modułowe bądź typu „5G ready”, które przeważnie posiadają moc i interfejsy do obsługi 5G poprzez modernizację części radiowej.

3. Określenie kosztów lub ryzyka utrzymywania bieżącej implementacji

Jeżeli urządzenia 2G lub 3G są ciągle w użyciu, występuje ryzyko utraty łączności i przerwy w dostawie usług wskutek wyłączenia sieci. W przypadku użycia urządzeń LTE 4G, są one generalnie uważane za odpowiednie, jednakże należy sprawdzić wiek urządzeń i określić, czy pożądana jest wymiana 1:1, czy też modernizacja z użyciem nowszego sprzętu. Kluczowe aspekty do rozważenia to bezpieczeństwo urządzeń i aktualizacje oprogramowania układowego. Firma Digi zawsze służy pomocą przy podejmowaniu takich decyzji.

4. Sporządzenie planu biznesowego migracji

Należy sporządzić analizę kosztów i zysków w celu określenia, kiedy i czy w ogóle przejście na technologię 5G jest opłacalne. Rozważyć istotne przejściowe operacje technologiczne jako etap większej migracji. Na przykład: należy uwzględnić teraz zastosowanie modułowych, bardziej zaawansowanych urządzeń LTE 4G/5G-ready, które umożliwią modernizację, gdy technologia 5G stanie się dostępna, a opracowany plan biznesowy uzasadni migrację do sieci 5G.

Współpraca z producentami urządzeń i operatorami sieci mobilnych umożliwia dostosowanie procedur do harmonogramu dostępności urządzeń i sieci. Należy uwzględnić koszty instalacyjne, np. zewnętrznego sprzętu 5G mmWave.

Planowanie zmian

Obecnie, szczególnie w krajach rozwiniętych, technologia LTE 4G znacznie ułatwia przygotowanie implementacji urządzeń, oferując wysoką szybkość transferu danych i stosunkowo niską latencję w przypadku większości zastosowań.

W krajach mniej rozwiniętych technologia LTE 4G pozostanie standardowym rozwiązaniem na kilka najbliższych dekad.

Jednocześnie wzrastać będzie zasięg sieci 5G, oferując ultraszybki transfer danych i niską latencję, co w ogólnym przekonaniu zmieni reguły gry w dziedzinie zaawansowanych technologii jak pojazdy autonomiczne.

W przypadku implementacji urządzeń 2G/3G dni ich rentowności są już policzone, dlatego też z pewnością nadchodzi czas planowania procedur inicjujących lub kontynuujących wdrażanie technologii 4G. Użytkownikom wdrażającym już teraz technologię 5G w sektorze komercyjnym i przemysłowym przypadnie zaszczytna rola pionierów. Skontaktuj się z firmę Digi, aby omówić plany dotyczące dostosowania aplikacji do przyszłych wymagań.