Revista >> Martie 2023 [Nr. 252] >> IT&C

Provocări tehnice în telecomunicațiile 5G

Mircea Badut

15 Martie 2023

Pentru a rămâne pe piață, operatorii de telecomunicații au fost nevoiți să se înhame la „valul" 5G înainte de a ști bine ce dificultăți tehnice și economice prespune aceasta. Deși trecerea la noua generație a rețelelor de telefonie mobilă implică eforturi și șocuri mai semnificative decât la trecerile dintre generațiile anterioare, adoptarea și asimilarea noilor tehnologii este teoretic realizabilă. Iar în cele ce urmează iterăm o serie de aspecte tehnice pe care le implică 5G.

Preambul
Se spune că generația a cincea a rețelelor de telefonie mobilă (5G) aduce o creștere de peste zece ori a performanței în comparație cu 4G (generația anterioară fiind lansată în anul 2009). Însă pentru a atinge parametrii de viteză și de capacitate presupuși, rețelele trebuie să încorporeze (respectiv să înlocuiască) o mulțime de echipamente și dispozitive, inclusiv cabluri de fibră optică, ceea ce înseamnă investiții substanțiale dar și eforturi de asimilare și de adaptare a tehnologiilor.
Înainte de a intra în detalii și aspecte tehnice, trebuie spus că – pe linie economică – se prevede ca investițiile să fie acoperite în principal (și în primul rând) de segmentul utilizatorilor de smartphone-uri, și apoi (mai de perspectivă) de traficul M2M/IoT, adică de comunicația dintre automate/mașini. Un aport semnificativ, și totodată o motivație, se constituie din transmisiunile video 4K și din serviciile de cloud-computing (precum SaaS).

Câteva aspecte tehnice
Despre rețelele folosite la comunicația 5G aflăm că folosesc lumină laser modulată, că laserul este generat folosind semiconductori pe bază de indiu (InP sau InGaAs), și că lungimea de undă a acestei lumini este de 1310-1550 nanometri, iar distanța maximă realizabilă cu un segment de cablu optic poate acoperi câțiva kilometri. În general, presupunând o comunicație bidirecțională, la capetele cablului de fibră optică se află un dispozitiv care include atât sursa de lumină cât și detectorul de lumină (dispozitiv numit transceiver), iar mărirea ratei de transfer a acestui dispozitiv (peste 10 Gigabiți/secundă) se realizează fie printr-o modulație mai rapidă a luminii, fie printr-o codificare mai complexă. (De exemplu, dacă trebuie menținută infrastructura de cabluri optice anterioară, atunci se poate recurge la o multiplexare mai densă a semnalului luminos, prin tehnici DWDM.) Un transceiver tipic pentru 4G lucrează la 10 Gbits/s, pe când unul pentru 5G trebuie să asigure minim 25 Gbits/s, ceea ce se poate obține dacă sursa de laser și detectorul de semnal lucrează la o rată mai mare, deziderat presupunând o tehnologie laser mai potentă și o reproiectare a circuitelor electronice asociate. Dacă devin necesare conexiuni de 50-100 Gbits/s, atunci probabil că trebuie să se interpună mai multe procesoare digitale de semnal, ceea ce, pe de altă parte, implică apariția unor latențe nedorite (precum este cazul în segmentul M2M, reprezentat de automobilele autonome sau de mașinile industriale, unde nu se pot admite întârzieri în recepționarea datelor). Probabil că în viitor evoluția tehnico-științifică va îngădui obținerea unor componente de rețea care să atenueze/anuleze problemele de sincronizare ale comunicațiilor.
Referitor la modularea semnalelor transmise prin cablurile optice – și comparativ cu rețelele 4G, unde se folosește codificarea ON/OFF fără revenire la zero –, pentru transmiterea datelor în rețelele 5G s-au proiectat mai multe modele noi de modulare, precum PAM4 (modularea fază-amplitudine pe patru nivele) care practic dublează cantitatea de date transmise, și care este fezabilă chiar dacă sistemului i se impun cerințe dificile de putere/consum și de sincronicitate/latență.

Multiplexarea datelor pe același canal
Spuneam mai devreme că, pentru a atinge parametrii caracteristici 5G, creșterea lățimii de bandă se face uzual prin multiplexare (transmitere în serie a unei mulțimi de intrări paralele, prin repartizare în timp, și reconstituire paralelă la recepție), direcție în care s-a ajuns astăzi ca un nod de rețea cablată optic (și lucrând cu lumină de o singură lungime de undă) să poată suporta până la 64 de canale DWDM, cu fiecare canal lucrând la o rată de 400 Gbits/s, ceea ce înseamnă atingerea unei rate totale de transmitere de 25,6 Tbits/s printr-o singură fibră optică.
Se știe că transceiver-ul modern conține dispozitive optice capabile de auto-negociere: ele nu știu apriori lungimea de undă a luminii din fibra optică, așa încât atunci când încep să comunice ele se autoreglează până ajung la parametrii nominali de lucru. Ei bine, această auto-negociere poate fi optimizată printr-un aport de inteligență implementată electronic, constituind astfel o altă metodă de optimizare a dispozitivelor optice existente și a ruterelor WAN/LAN pentru conformare cu specificațiile 5G. (Altfel spus, transceiverele cu facilitatea de auto-reglare a lungimii de undă permit sistemelor mai vechi să lucreze împreună cu tehnologiile mai noi, inclusiv în multiplexare prin divizarea lungimii de undă, WDM). Transceiverele cu multiplexare ramifică comunicația pe lungimi de undă diferite în cadrul de transmisie al unui sistem DWDM, ceea ce înseamnă că fiecare canal DWDM are alocată o lățime spectrală de aproximativ 0,8 nm, pentru transmisia centrată în jurul valorii de 1550 nm.
Protocolul de inițiere a comuncației dintre două transceivere folosește semnale suplimentare chiar în canalul de comunicație, această strategie on-off simplă asigurând informațiile necesare pentru ca dispozitivele de la capetele conexiunii optice să știe pe ce canal (pe ce lungime de undă) pot comunica bidirecțional.

Sinteze tranzitorii
Analiștii prognozează că piața de telecomunicații nu va impune o standardizare prea intensă (deci nu se va putea miza pe o compatibilitate riguroasă a echipamentelor), ci mai degrabă aspectele economice vor fi acelea care vor determina în timp o convergență a tehnologiilor.
Interesant este și faptul că deja se vorbește despre (și se pregătește) următorul val în telecomunicații, 6G, care ar putea să se ivească peste patru-cinci ani, și în care conexiunile optice vor trebui să lucreze la 800-1600 Gbits/s, adică de patru ori mai mult decât conexiunile 5G actuale. De altfel, rate de transmisie de această magnitudine sunt deja atinse în interiorul centrelor de date, prin cabluri optice scurte, și este de presupus ca, odată validate aceste tehnologii la interior, ele să poată migra și înspre conexiunile exterioare, de distanță mare.