16/06/2020 0 Categories Uncategorized

Čo prinesie piata generácia mobilných sietí

Špeciálny projekt

V článku sú zosumarizované informácie z rozhovoru so Zsoltom Komzsíkom riaditeľ pobočky spoločnosti Ericsson na Slovensku a technickým riaditeľom Matúšom Turcsánym

Keďže sa bavíme o mobilných sieťach piatej generácie, nezaškodí na úvod pripomenúť čo umožňovali a aké technické vymoženosti priniesli siete predchádzajúcich generácií.  Prechod medzi jednotlivými generáciami mobilných sietí bol vždy skokový, či už z pohľadu technológií, taktiež čo sa týka frekvenčného spektra, ktorú siete tej ktorej generácie využívali a k skokovej zmene došlo aj čo sa týka služieb, čo na rozdiel od technologických aspektov vnímali aj bežní používatelia.

Siete prvej generácie (1G) boli analógové.

2G – GSM (Global System for Mobile Communications)  siete využívajú statické delenie časovo frekvenčného kanálu. Z pohľadu používateľov tieto siete umožnili masovú hlasovú komunikáciu vrátane roamingu, takže tento štandard mal oprávnene prívlastok globálny. V súčasnosti sa tento štandard využíva len na hlasové služby.

3G – siete tretej generácie namiesto delenia časovo frekvenčných kanálov využívajú technológiu CDMA (Code Division Multiple Access) a prenos dát sa realizuje na frekvencii 450-2100 MHz. V porovnaní s technológiami GPRS či EDGE, ktoré sa označovali aj ako 2.5 G  dosahuje tento typ pripojenia výrazne lepších výsledkov, čo sa týka prenosových rýchlostí aj latencie, ktorá sa pohybuje okolo 300 ms. Smartfóny podporujúce 3G prišli na trh v roku 2009

4G – štvrtú generáciu mobilných sietí označujeme skratkou LTE (Long Term Evolution). Priniesla zmenu vo fyzickej vrstve na prenos údajov. CDMA nahradil ortogonálne frekvenčný multiplex (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a MIMO schémy. Vysielanie pomocou OFDM je rozdelené do úzkeho počtu frekvencií, kde, každá samostatnú časť prenášaných dát. Keďže sa využíva veľa nezávislých frekvencií, je sieť flexibilná. Využije tie frekvenčné kanály, ktoré má momentálne k dispozícií. Čím sú širšie, tým je vyššia prenosová rýchlosť. Výhodou je podstatne nižšia latencia, 5 ms pre dáta, 40 – 50 ms pre signalizáciu a prenosové rýchlosti 75Mbps pri šírke kanálu 10MHz a 150Mbps pri šírke 20 MHz. LTE Advanced, umožňuje zvýšiť kapacity 4G siete až na maximálnu hodnotu 180 Mbps. Využíva technológiu Carrier Aggregation, ktorá je založená na spájaní blokov frekvenčného spektra v pásme 800 a 1800 MHz. V 4G sieťach už nie je dominantný prenos hlasu, ale dátové prenosy. Nastal nebývalý rozmach počtu pripojení a objemu prenesených údajov a vysokorýchlostné mobilné dátové pripojenie prinieslo aj rozmach rôznych služieb.

Sieť piatej generácie (5G) neprináša žiadne revolučné zmeny, je to skôr prirodzená evolúcia dosiať používaných štandardov a osvedčených technológií ako OFDM a MIMO, čiže v podstate sa jedná o vylepšené LTE. Tento štandard tiež prešiel silnou evolúciou a posunul sa smerom k masívnemu IoT, čiže M2M (Machine to Machine) komunikácii, taktiež aj smerom k privátnym a mission critical sieťam. Prax ukázala, že technologický základ štandardu LTE je veľmi dobrý, takže 5G sieť ho len ďalej rozvíja. Napríklad Massive MIMO už v komerčných sieťach funguje viac než dva roky.  Na základňovej stanici BTS pre 4G sieť je veľké množstvo aktívnych anténových elementov, presne kalibrovaných aby mohli smerovať vektor rádiového signálu priamo na účastníkov. Táto technológia násobí kapacitné zdroje pre všetkých používateľov súčasne prihlásených na jednu bunku mobilného vysielača, takže Sa dosahujú  vyššie rýchlosti prenosu dát. Pilotná prevádzka, ktorá prebiehala v spolupráci Ericssonu s Telekomom v bratislavskej Dúbravke v januári 2019, bola prvým testom technológie mMIMO na Slovensku a jedným z prvých testov technológie v Európe vôbec. V ideálnom prípade môže riešenie mMIMO navýšiť kapacitu bunky vysielača približne päťnásobne, v praxi ide o zhruba trojnásobok.

5G sieť je možné prevádzkovať všade, kde sú siete predchádzajúcich generácií. V niektorých prípadoch je potrebné komunikáciu posunúť do iných frekvenčných pásiem. Dramatickou zmenou oproti 4G bude šírka využitia 5G konektivity nielen pre smartfóny, či masívne IoT, ale hlavne nasadzovanie týchto technológií do priemyselnej sféry. Veľa sa hovorí o privátnych priemyselných sieťach, o pripojení robotov a ďalších kritických komunikačných systémov v rámci výrobných hál .

Z hľadiska frekvenčného spektra rozoznávame dva typy 5G sietí

5G wide – v rozsahu frekvencií 700 MHz až  2.6 GHz je prevádzka kapacitou aj prenosovou rýchlosťou veľmi podobná LTE sieti. Jediným rozdielom je výrazne rýchlejšia odozva siete. Šírka alokovaných kanálov je 10 – 20 MHz.

5G fast –   túto oblasť frekvencií môžeme rozdeliť na dve pásma. V pásme 3.5 – 3.7 GHz je možné alokovať širšie kontinuálne kanály až do 100 MHz, čo umožňuje dosiahnuť v ideálnych podmienkach maximálnu rýchlosť 1.3 – 1.4 Gbit/s. V pásme milimetrových vĺn nad 24 GHz, kde šírka jedného kanálu môže byť od 200 MHz až po 1 GHz, čo umožňuje dosiahnuť prenosové rýchlosti 5 – 10 Gbit/s

Vo všeobecnosti platí, že čím chceme dosiahnuť vyšší dosah, tak je nižšia prenosová rýchlosť a kapacita siete a opačne – čím vyššia priepustnosť, tým je menší dosah.

Pokrytie bunky závisí od viacerých faktorov, hlavne od nosnej frekvencie, takže LTE a 5G bunka využívajúca podobné frekvencie, tak aj dosah je prakticky rovnaký. Čím je frekvencia vyššia, tým sa dosah bunky znižuje. Treba však zdôrazniť, že dosah bunky nie je limitovaný vysielacím výkonom BTS, ale koncového zariadenia, napríklad smartfónu. Tam je maximálny výkon obmedzený predpismi, u smartfónu je to 23 dbm, čo je približne 200 mW. V pásme do 3 GHz, kde sú v súčasnosti prevádzkované LTE siete tak dosah 5G sietí je rovnaký. Aj pásme 3.5 – 3.7 GHz  sa stále dá dosiahnuť dostatočné pokrytie pomocou existujúcich staníc. Až v pásmach nad 24 GHz, čiže v pásme milimetrových vĺn, ktoré sú už úzko smerové klesá dosah bunky na rádovo 100 – 200 m v priamej viditeľnosti. V týchto pásmach sa však používa aj oveľa nižší vysielací výkon. Čo sa týka vyžarovania, tak vďaka technologickým vylepšeniam 5G sietí, ktoré majú menej spoločných kanálov, tak sieť v kľudovom stave vyžaruje oveľa menej energie, takže 5G sieť vyžaruje menej „rádiového smogu“ než 4G sieť.

Pri definícii štandardov pre 5G siete boli definované tri oblasti využívania, ktoré dokážu nahradiť už spomínanú heterogénnu komunikáciu jednou technológiou:

Enhanced broadband – pre bežných používateľov je 5G je evolúciou LTE, čiže prinesie vyššiu prenosovú rýchlosť, vyššiu kapacitu a rýchlejšiu odozvu

Massive IoT – evolúcia technológií LTE-M a NB-IoT

Critical IoT – niekedy označované aj ako priemyselné IoT  pre Industry 4.0

Nielen priemysel, ale aj bežní používatelia pocítia niektoré významné prínosy 5G sietí, napríklad nízku latenciu pri on-line hrách. Vo vyšších frekvenčných pásmach je možné dosahovať oveľa vyššie prenosové rýchlosti, čo je dôležité napríklad na prenos 4K, či 8K videa. Podstatne sa zvýši aj kapacita sietí, takže nebude problém pokryť veľké podujatia ako sú festivaly, koncerty, či športové zápasy.    V priemyselnom nasadení bude najväčším prínosom 5G sietí skutočnosť, že konektivita bude poskytovaná na jednej platforme. V súčasnosti má priemyselný podnik pre každý druh služby, inú komunikačnú platformu. Inú pre hlas, inú pre internetové pripojenie, či už káblové, alebo WiFi, inú pre IoT siete. Kritická infraštruktúra ako priemyselné roboty, či iné zariadenia sú z dôvodu latencie pripojené pomocou káblov.

Technológie spoločnosti Ericsson sa v súčasnosti celosvetovo využívajú v 33 komerčných a verejne ohlásených 5G sieťach. Má spustené siete vo všetkých troch skupinách frekvenčných pásiem, čiže do 3 GHz, 3 – 4 GHz. V Číne je Ericsson etablovaný ako jediný nečínsky dodávateľ 5G technológie s podielom približne 12% u všetkých troch tamojších operátorov

Z pohľadu operátorov sa dajú identifikovať tri prístupy k spúšťaniu 5G sietí. Buď sa niektorý operátor chce v tejto oblasti etablovať ako technologický líder a zhodou okolností už prebehla aukcia spektra. Operátor postaví novú prístupovú sieť spravidla v pásme 3.5 – 3.7 GHz s fokusom na husto osídlené oblasti. Aby došlo k celoštátnemu pokrytiu, využíva sa postup označovaný Ericsson Spectrum Sharing, kedy vďaka podobnosti frekvencií je možné z jednej bázovej stanice dynamicky vysielať naraz obidva signály – 5G aj LTE. Typickým príkladom je Swisscom, ktorý to zrealizoval v pásme 2.1GHz a podarilo sa mu pokryť 90% populácie. Z pohľadu používateľa so 4K zariadením sa mu sieť javí ako 4G a používateľom s 5G zariadeniami ako 5G sieť.

Druhý spôsob využil napríklad operátor Vodafone Ziggo v Holandsku, kde sa aukcia spektra 700 MHz a 3,5 GHz uskutoční v dlhšom časovom horizonte, takže operátor sa rozhodol pre zdieľanie spektra v pásme 1 800 MHz. Pomocou softvérových úprav vysielačov umožnili 5G prevádzku vysielačov v tomto pásme.  Po aukcii začnú využívať aj iné pásme.

Tretí spôsob využil ako prvý operátor Verizon v USA, ktorý začal využívať rovno pásmo milimetrových vĺn nad 24 GHz.

Veľa technologických zariadenia Ericssonu pre LTE siete od roku 2015 je označovaných ako 5G-ready. V praxi to znamená že ak niektorý operátor po roku 2015 zmodernizoval svoju sieť týmto hardvérom, tak po výmene softvéru môže na ňom prevádzkovať 5G sieť, samozrejme iba v príslušnom frekvenčnom pásme.