Politechnika Gdańska z prywatną siecią 5G i zespołem specjalizowanych laboratoriów badawczych. Część I: Ogólna charakterystyka projektu PL-5G oraz specyfika sieci piątej generacji | Politechnika Gdańska

Podczas tej uroczystości, z udziałem władz uczelni oraz WETI, JM Rektor Politechniki Gdańskiej prof. Krzysztof Wilde, członek korespondent PAN, przecinając symboliczną wstęgę, powiedział: – Z radością i entuzjazmem otwieram nowe laboratorium na uczelni. Powstało bowiem miejsce bardzo ważne, gdzie mamy dostęp do najnowocześniejszych metod testowania komunikacji z wykorzystaniem bardzo wysokich częstotliwości. To przyszłość dla informatyki i cyfryzacji.

Wydarzenie to jest również powodem do satysfakcji nie tylko dla zespołu wykonawców tego laboratorium, współrealizatorów projektu PL-5G, ale także dla całego Konsorcjum PL-5G, reprezentowanego podczas otwarcia przez prof. Andrzeja Bębna, kierownika projektu (w jego końcowej fazie), przedstawiciela lidera Konsorcjum – Politechniki Warszawskiej.

Uruchomienie laboratorium sieci 5G Politechniki Gdańskiej jest efektem trzyletnich prac prowadzonych od stycznia 2021 roku w ramach projektu PL-5G: „Krajowe laboratorium sieci i usług 5G wraz z otoczeniem”. Intensywne prace projektowe oraz wdrożeniowe realizowane były przez konsorcjum sześciu jednostek naukowo-badawczych, w skład którego wchodziła Politechnika Gdańska. Projekt PL-5G, z racji swoich unikatowych założeń, został na początku 2020 roku wpisany oficjalnie na tzw. Polską Mapę Infrastruktury Badawczej. Uczestnikami konsorcjum poza naszą uczelnią są: Politechnika Warszawska (lider projektu), Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Politechnika Wrocławska oraz Instytut Chemii Bioorganicznej PAN – Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe (PCSS) (por. rys. 1).

Inicjatorem i kierownikiem projektu był prof. Wojciech Burakowski z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Nagła śmierć Profesora, 6 stycznia br., była dla nas wszystkich wielkim wstrząsem i ogromnym dramatem. Przez lata był On pomysłodawcą i liderem szeregu innych wspólnych projektów.

Unikatowość naszego przedsięwzięcia, bez wątpienia nawet w skali światowej, wynika ze stworzenia badawczej sieci międzyregionalnej na rzadko spotykaną skalę (sieć łączy główne ośrodki akademickie w Polsce) oraz z ogromnej różnorodności specjalizowanych instalacji lokalnych, z wręcz tysiącami urządzeń do badań nad sieciami i usługami związanymi zarówno z technologią 5G, jak i podwalinami 6G. Połączenie wspomnianych ośrodków siecią operacyjną (której łącza światłowodowe udostępnia PCSS i akademicka sieć PIONIER) wspieraną przez Centra Danych w każdej lokalizacji zapewni bez mała pełny dostęp do praktycznie wszystkich zasobów, także tych lokalnych, u poszczególnych konsorcjantów. Dodajmy też, że w naszej, gdańskiej lokalizacji Data Center ulokowane zostało w serwerowni budynku WETI B.

Funkcjonowanie tego typu sieci radiowej wymaga oczywiście pozwoleń na użytkowanie licencjonowanych pasm częstotliwości. Politechnika Gdańska oraz pozostali konsorcjanci PL-5G uzyskali od Urzędu Komunikacji Elektronicznej pozwolenia radiowe na użytkowanie kilku pasm częstotliwości w lokalnej i międzyregionalnej sieci 5G na cały 5-letni okres trwania projektu (tj. do końca 2028 roku). Dodatkowo Politechnika Gdańska pozyskała także na okres roku pozwolenia testowe.

Po stronie Politechniki Gdańskiej w realizację projektu zaangażowane były zespoły z dwóch katedr WETI – Katedry Teleinformatyki oraz Katedry Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych. Całkowity koszt projektu opiewa na kwotę ok. 242 mln zł, w tym koszty kwalifikowane w wysokości ok. 195 mln zł. Dofinansowanie projektu sięga natomiast prawie 167 mln zł. W przypadku PG pozyskane dofinansowanie przekroczyło 22,5 mln zł. Politechnika Gdańska zrealizowała blisko 60 postępowań przetargowych niezbędnych do zakupu zaplanowanej w projekcie aparatury badawczej na kwotę ponad 18 mln zł, a zestawienie poniesionych wydatków zawiera setki (a z drobiazgami nawet tysiące) pozycji!

Sześć dużych postępowań przeprowadzonych zostało wspólnie – w ramach całego konsorcjum, co wymagało pełnej współpracy z władzami poszczególnych jednostek i ich działami prawnymi. Trzy takie postępowania przeprowadził PCSS w Poznaniu: dotyczące wyposażenia centrum danych, rdzenia badawczego sieci 5G z dostępem do kodu źródłowego oraz przełączników sieci operacyjnej. Dwa zrealizowała nasza uczelnia (prywatne systemy 5G z usługami głosowymi/wideo oraz system Open-RAN), a jedno AGH w Krakowie – dotyczące wdrożenia sieci międzyregionalnej.

Prace nad projektem zapoczątkowano na przełomie lat 2017 i 2018, a pierwszym istotnym krokiem na drodze do pozyskania finansowania był wspólny wniosek jednostek o wpisanie planowanej infrastruktury na tzw. „Mapę Drogową”, czyli Polską Mapę Infrastruktury Badawczej. Wniosek został złożony w czerwcu 2018 roku. Poprzedziło to podpisanie wspólnej umowy Konsorcjum zawartej w Warszawie w dniu 8 czerwca 2018 roku, a przygotowanie wstępnej wersji wniosku zajęło konsorcjantom pierwsze półrocze 2018 roku.

Podkreślmy też mocno, że prace nad projektem „Krajowe laboratorium sieci i usług 5G wraz z otoczeniem” miały, zarówno w tamtym okresie, jak i później, życzliwe wsparcie JM Rektora prof. Krzysztofa Wildego oraz dziekanów WETI dwóch kolejnych kadencji – prof. Jerzego Wtorka i prof. Jacka Stefańskiego. W czerwcu 2019 roku Politechnika Gdańska oraz pozostali konsorcjanci upoważnili Politechnikę Warszawską, lidera Konsorcjum, w oparciu o umowę Konsorcjum podpisaną w 2018 roku oraz w związku z Komunikatem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSW) z dnia 4 czerwca 2019 roku, do złożenia podania do MNiSW o wpisanie infrastruktury badawczej „Krajowe laboratorium sieci i usług 5G wraz z otoczeniem” na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej – na podstawie informacji zawartych w Komunikacie MNiSW z dnia 12 kwietnia 2018 roku o otwartym naborze wniosków.

Na konkurs ogłoszony w czerwcu 2019 roku do MNiSW wpłynęło 146 wniosków o wpisanie proponowanej infrastruktury badawczej na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej. Każdy z nich został poddany ocenie merytorycznej przez Zespół doradczy do spraw Polskiej Mapy Infrastruktury Badawczej oraz dwóch ekspertów zewnętrznych – krajowego i zagranicznego.

Zespół doradczy przedłożył Ministrowi Nauki i Szkolnictwa Wyższego rekomendacje w sprawie wpisania 65 najwyżej ocenionych przedsięwzięć na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej. Minister, przychylając się do rekomendacji Zespołu, podjął jednocześnie decyzję o umieszczeniu na Mapie pięciu dodatkowych projektów, w odniesieniu do których istnieją międzynarodowe zobowiązania Rządu Rzeczypospolitej Polskiej.

Opublikowana w styczniu 2020 roku Polska Mapa Infrastruktury Badawczej zawierała więc 70 przedsięwzięć podzielonych, wzorem klasyfikacji stosowanej przez Europejskie Forum Strategii ds. Infrastruktur Badawczych, na sześć obszarów badań, tj.: nauki techniczne i energetyka (14 projektów); nauki o Ziemi i środowisku (5); nauki biologiczno-medyczne i rolnicze (16); nauki fizyczne i inżynieryjne (23); nauki społeczne i humanistyczne (6) oraz cyfrowe infrastruktury badawcze (6). W następstwie oficjalnego wpisania projektu na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej wniosek o dofinansowanie projektu został złożony przez Konsorcjum, wraz z pozostałymi dokumentami, 15 lipca 2020 roku w ramach Konkursu 4/4.2/2020, Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020, Działania 4.2: Rozwój nowoczesnej infrastruktury badawczej sektora nauki.

Wśród 8 projektów wybranych do dofinansowania, złożonych w ramach wspomnianego Programu Operacyjnego, propozycja PL-5G znalazła się na wysokiej czwartej pozycji.Na przełomie października i listopada 2020 roku odbyły się panele z Komisją Konkursową. Projekt zyskał wysoką ocenę Komisji i akceptację finansową Ośrodka Przetwarzania Informacji – PIB – dysponenta środków, desygnowanego przez Ministerstwo do obsługi projektów z Polskiej Mapy Infrastruktury Badawczej. Finalnie umowa na dofinansowanie i realizację projektu została podpisana 29 grudnia 2020 roku.

Czym jest i co oferuje technologia piątej generacji, czyli 5G?

Mamy już za sobą kilkadziesiąt lat doświadczeń związanych z użytkowaniem sieci telefonii komórkowej, które począwszy od drugiej generacji (2G) zapamiętanej jako GSM (Global System for Mobile Communications, pierwotnie fr. Groupe Spécial Mobile) są sieciami w pełni cyfrowymi. Z kolei od trzeciej generacji (3G) począwszy, czyli sieci UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) wspierają one technikę IP (Internet Protocol), czyli dominującą w światowym Internecie komunikację datagramową. Wraz z tą generacją telefonia komórkowa zanurzyła się na dobre w Internecie, ale i Internet nie może żyć dalej bez telefonii komórkowej (wykorzystując oferowaną przez telefonię komórkową mobilność w dostępie do usług). Zmiany związane z 4G (czyli LTE – Long Term Evolution) stanowiły kontynuację powyższego trendu, całkowicie likwidując tryb komutacji kanałów i realizując wszystkie usługi w trybie komutacji pakietów. W połączeniu z nową architekturą, powiększonym zestawem usług oraz szybkościami przekazu rzędu nawet 1 Gb/s (w przypadku wersji LTE-Advanced) uczyniło to sieć LTE rozwiązaniem dobrze dostosowanym do aktualnych potrzeb użytkowników.

Czym jednak, o ile w ogóle, może nas jeszcze zaskoczyć 5G?

Pierwsze skojarzenie, które nasuwa się użytkownikowi w sposób oczywisty, to wielokrotna poprawa parametrów funkcjonowania sieci. Patrząc na podstawowe wskaźniki oferowane przez 5G, wystarczy powiedzieć, że to 10–20-krotnie większa szybkość przekazu (por. rys. 2) w stosunku do 4G (ten obszar w 5G określamy zwykle jako Enhanced Mobile Broadband), radykalne skrócenie czasu reakcji sieci, nawet do pojedynczych milisekund (oczywiście nie zawsze i nie wszędzie), setki razy większa pojemność systemu, szczególnie w przypadku komunikacji między sensorami czy różnymi elementami wykonawczymi Internetu Rzeczy (Massive Machine-Type Communications) i zdecydowanie wyższa niezawodność oraz jakość obsługi naszych żądań (Ultra Reliable and Low Latency Communications). Powyższe scenariusze wykorzystania systemów 5G, czyli eBBC, MMTC czy URLLC, bazują na w pełni programowej koncepcji funkcjonowania sieci i udostępniania usług, a nie jak dotąd postrzeganej bardzo sprzętowo.

Technika 5G, jak żadna z wcześniejszych generacji sieci telefonii komórkowej, otwiera się na możliwość tworzenia prywatnych sieci 5G. Dotyczyć to może w szczególności środowisk przemysłowych (Przemysł 4.0/Industry 4.0) wymagających wysokiej niezawodności i niewielkich opóźnień w reakcji na realizowane procesy technologiczne. Przykładem sieci prywatnej jest także sieć PL-5G.

Z 5G wiąże się skomplikowana infrastruktura nadawczo-odbiorcza oraz informatyczno-programistyczna, umożliwiająca jednak w pełni programową realizacją usług i funkcjonalności systemowych. Mówimy bowiem w przypadku 5G o tzw. Service Based Architecture, oferującej pełną wirtualizację zasobów, czyli możliwość logicznego podziału i wydzielania zasobów zgodnie z potrzebami, nawet pojedynczych użytkowników (tzw. Network Slicing), a także wszystko, co jest potrzebne do optymalnego funkcjonowania sieci.

Z tymi, zdecydowanie już technicznymi spojrzeniami na 5G wiąże się oczywiście bardzo szeroka współpraca naukowców, producentów, organizacji standaryzacyjnych i rządów, w tym ich regulatorów (jak w naszym przypadku UKE). Dodajmy, że wiele powiązań się zazębia, gdyż w prace różnych organizacji standaryzacyjnych zaangażowane są gigantyczne korporacje. Wdrażanie sieci 5G to z kolei domena operatorów sieci komórkowych, lokalnych i globalnych, co wymaga współpracy i zawierania przez nich wieloletnich umów z regulatorami. Dorzućmy do tego także wsparcie ze strony nie mniej ważnych producentów urządzeń końcowych, czyli wytwórców modemów, routerów i telefonów 5G.

Ciekawostką związaną z 5G jest wykorzystanie w tej sieci do różnych zadań trzech zakresów pasm: pierwszego z nich związanego z częstotliwościami poniżej 1 GHz (np. 700 MHz), drugiego i jednocześnie podstawowego z przedziałem częstotliwości poniżej 6 GHz oraz pasma wyższego (mikrofalowego), o częstotliwościach 26–28 GHz. Różne właściwości propagacji fal radiowych w różnych zakresach częstotliwości powodują, że zakresy te są, w sieciach komórkowych, używane do obsługi abonentów w odmiennych środowiskach. Niższe częstotliwości, poniżej 6 GHz, są powszechnie stosowane w warunkach zewnątrzbudynkowych, przy czym im niższa częstotliwość, tym większe są możliwe do uzyskania zasięgi komunikacji. Z kolei pasmo mikrofalowe, choć pozwala na osiągnięcie znacznie większych przepływności transmisji danych, cechuje się ograniczonymi zasięgami i bywa stosowane do zapewnienia dostępu na małych obszarach, w tym w środowiskach wewnątrzbudynkowych.

Ponieważ, jak już wspomniano, w przypadku systemów 5G przekazy danych na najwyższych częstotliwościach (26–28 GHz) będą realizowane w tzw. piko- i mikrokomórkach, czyli na niewielkie odległości oraz z ograniczonymi mocami, przetwarzanie takich danych będzie często miało miejsce bliżej urządzeń końcowych. Taki scenariusz, minimalizujący opóźnienia, będzie zwykle związany z przetwarzaniem brzegowym (czyli Edge Computing). W znacznej mierze będą to przeróżne implementacje aplikacji rozszerzonej (Augmented Reality) i wirtualnej rzeczywistości (Virtual Reality) wykorzystywanych jako wsparcie dla medycyny, procesów technologicznych, a także pracy służb mundurowych czy obronności państwa.

Technologia 5G to nie tylko duże sieci operatorskie, ale także sieci kampusowe, czyli prywatne, niedostępne dla osób z zewnątrz (i taka będzie i nasza sieć). Rozwiązania takie są (i będą) wdrażane przez uczelnie czy też duże firmy, np. na terenach kompleksów fabrycznych, portowych czy kopalnianych, do usprawnienia procesów produkcji i logistycznych, nadzoru kamer przemysłowych i obsługi dronów. Taki charakter ma też uruchamiane Krajowe laboratorium PL-5G.

Projekt PL-5G

Zgodnie z wnioskiem projektowym oraz założeniami zawartymi w Studium Wykonalności i Agendzie Badawczej dla PL-5G celem projektu było zaprojektowanie i budowa infrastruktury badawczej zgodnej z architekturą sieci 5G SA (Standalone). Infrastruktura wdrożona w ramach projektu PL-5G została podzielona na trzy powiązane ze sobą grupy: Laboratorium sieci 5G, Laboratorium symulatorów i aparatury pomiarowej 5G i Laboratorium otoczenia 5G, które zostaną szerzej opisane w drugiej części niniejszego artykułu.

Znaczenie projektu PL-5G dla dynamicznego rozwoju technologii jest bardzo istotne. Operatorzy coraz powszechniej wdrażają rozwiązania 5G w krajowych sieciach operatorskich, co w niedalekiej przyszłości umożliwi rozwój nowoczesnych i niedostępnych dotąd usług. Chociaż w większości przypadków uruchamiane obecnie przez dużych operatorów publicznych rozwiązania 5G to systemy 5G NSA (Non-Standalone – wykorzystujące do celów sygnalizacji systemy LTE 4G), to należy oczekiwać, iż większość nowo uruchamianych systemów prywatnych wykorzystywać będzie niezależną od LTE architekturę 5G SA (Standalone). Przewiduje się dynamiczny wzrost liczby wspomnianych powyżej prywatnych sieci 5G, które będą w kolejnych latach budowane przez firmy oraz jednostki samorządowe.

Tym samym laboratorium 5G Politechniki Gdańskiej pozwoli z wyprzedzaniem przeprowadzać szereg testów, badań i analiz istotnych zarówno z punktu widzenia operatora, jak i użytkownika końcowego – związanych z parametrami sieci 5G, w tym z warunkami propagacyjnymi, opóźnieniami w dostarczaniu i przetwarzaniu danych, szybkościami transferu danych, ale także możliwością wykorzystania algorytmów sztucznej inteligencji czy współpracy interoperacyjnej między różnymi typami sieci czy odmiennymi instalacjami rdzeniowymi sieci 5G.

Szczegółowe założenia projektu PL-5G oraz możliwości badawcze oferowane przez zaprojektowaną i zrealizowaną przez zespół wykonawców z WETI infrastrukturę sieciową zaprezentowane zostaną w drugiej części artykułu, w kolejnym wydaniu „Pisma PG”.

Józef Woźniak, Krzysztof Gierłowski, Michał Hoeft, Wojciech Gumiński, Krzysztof Nowicki, Jacek Rak, Jarosław Sadowski, Piotr Rajchowski, Sławomir Gajewski
jozwozni@pg.edu.pl