5G – 100x rýchlejšie, tisícnásobná kapacita, stonásobok terminálov

Vývoj mobilných sietí beží už viac ako štyri desaťročia a po 4G sa v hmle na obzore pomaly rysujú kontúry ďalšej technologickej generácie. Bude 5G len evolúciou, alebo prinesie skutočný technický prevrat?

5G

POZRITE SI: Samsung má prototyp 5G terminálu. Priekopníkmi sú však Japonci


Štandard pre siete 5G zatiaľ neexistuje, svetoví technologickí lídri však už roky tvrdo pracujú na tézach a východiskách, ktoré budú pri jeho vývoji odrazovým mostíkom. Už vieme, čo máme od sietí 5G očakávať, existujú aj prognózy vývoja zákazníckych potrieb a preferencií o päť či desať rokov. Skúšajú sa už dokonca aj čiastkové technológie, na akých by mali fungovať aj budúce siete 5G.

Podľa Satja Atreyama z analytickej spoločnosti IDC, hoci štandard ešte nie je definovaný, 5G už prešla zo štádia technologickej teórie a vízie do skutočného sieťového a obchodného plánovania mobilných operátorov. Čo teda môžeme od 5G sietí očakávať? A potrebujeme ich vôbec?

Posun výkonnosti o tri rády

Skok oproti 4G bude skutočne impozantný a v kvantitatívnom vyjadrení pôjde o zlepšenie niektorých parametrov o dva, prípadne až o tri rády. Áno, hovoríme o 100-násobne vyššej typickej rýchlosti, 100x vyššom počte pripojených terminálov a 1 000x vyššej systémovej kapacite na kilometer štvorcový. Okrem toho má byť v sieťach 5G minimálne päťnásobne kratšia latencia.

Etalónom, s ktorým sa tieto parametre porovnávajú, sú siete LTE, súčasná pýcha mobilných operátorov. Výrazne prekonaná bude však aj ich vylepšená verzia LTE-Advanced (LTE-A). Technologické zlomy ale obvykle neprichádzajú zčista-jasna. LTE tiež nie je priamym nástupcom prvých 3G sietí UMTS, ale predchádzali mu nadstavby HSPA a HSPA+, ktoré sa v niektorých parametroch s LTE prekrývajú. Inak tomu nebude ani v prípade 5G.

5G

Vývojové stupne LTE-Advanced majú pomaly konvergovať k 5G. Rel-XX sú jednotlivé špecifikácie štandardizačnej organizácie 3GPP.

foto | International Telecommunication Union

POZRITE SI: Long Term Evolution (LTE) – sme členmi klubu

 

Čo bude po LTE?

Kreativita výrobcov a operátorov je niekedy obdivuhodná. Pôvodná skratka LTE-A dnes už zrazu označuje len prvú fázu LTE-Advanced. Nasledovať majú ďalšie vylepšenia označované ako LTE-B a LTE-C. Pritom LTE-C očakávané po roku 2018 sa má parametrami približovať už štandardu 5G.

Organizácia síce proti označeniam LTE-B a LTE-C protestuje a tvrdí, že správne sa majú označovať ako LTE-A Rel-12, Rel-13, Rel-14 atď., ale rozhoduje skôr marketing a 3GPP určite nie je významným zadávateľom reklamy. Aktuálne máme v živej pamäti nezvratnú, aj keď nekorektnú prax v označovaní LTE za 4G. Pritom štandard 4G spĺňa až LTE-Advanced.

5G

Časová os zavádzania siete 5G do praxe v porovnaní so zavádzaním sietí LTE

foto | Huawei

Hlavný rozdiel pokročilého LTE (LTE-A) oproti LTE je schopnosť komunikovať na niekoľkých kanáloch súčasne. S kanálom šírky 20 MHz ponúka LTE-A rýchlosť sťahovania dát „len“ 150 Mbit/s podobne ako bežné LTE, dokáže však agregovať dva až päť kanálov. Pri šírke pásma 40 MHz a s anténami 2×2 MIMO tak ponúkne rýchlosti sťahovania dát 300 Mbit/s a s kanálom o šírke 100 MHz až 750 Mbit/s. Rýchlosť je ďalej možné zvyšovať pomocou viacnásobných MIMO antén.

POZRITE SI: V Japonsku sa už chystá test siete 5G s rýchlosťou 10 240 Mbit/s!

Renesančná architektúra

S rovnakou filozofiou počítajú aj siete 5G, kde budú vysoké rýchlosti výsledkom viacerých faktorov súčasne – vyššej spektrálnej efektivity, vyššej šírky kanála a väčšieho počtu MIMO antén. Očakávajú sa maximálne rýchlosti na úrovni optických sietí, až 10 Gbit/s na jeden terminál v pokoji alebo 1 Gbit/s v aute či vo vlaku pri rýchlostiach do 350 km/hod.

Teória je síce pekná vec, ale od reality býva často vzdialená, poviete si. Lenže 5G sa má vyrovnať aj so zaostávaním užívateľskej skúsenosti oproti deklarovaným parametrom. Dnes sú reálne priemerné rýchlosti v živých sieťach 3G alebo LTE bežne na úrovni 20-30% maxima, vo vyťaženej sieti alebo na okrajoch pokrytia aj nižšie. Riešenie by mali priniesť takzvané flexibilné bunky. Užívateľský terminál (mobil, tablet, modem) komunikuje podľa potreby s niekoľkými základňovými stanicami v dosahu, čím sa rozloží prevádzkové zaťaženie a maximalizuje sa prenosová rýchlosť.

Výrazne to zlepší parametre pokrytia na okrajoch buniek. Pripomeňme, že súčasné mobilné technológie využívajú pripojenie vždy len jednej základňovej stanice k účastníckemu terminálu. Flexibilná sieť 5G môže dokonca v prípade potreby aj krátkodobo odpojiť niektorú BTS v dosahu, ak zistí, že jej signál spôsobuje interferencie a zhoršuje prenosové parametre prebiehajúceho spojenia.

5G

Siete 5G budú využívať šírku spektra, aká nemá v histórii obdobu. Najvyššie frekvencie sa uplatnia v pikobunkách, kým najnižšie v makrobunkách.

foto | Huawei

Flexibilné bunky už v spolupráci s Ericssonom testuje juhokórejský operátor SK Telecom. Skúsenosti ukazujú, že v sieťach LTE dokážu elastické bunky zlepšiť dátovú priepustnosť na okrajoch pokrytia oproti klasickej bunkovej sieti až o 50 percent. V sieťach 5G majú takéto bunky prispieť v súčinnosti s ďalšími opatreniami k dosiahnutiu rýchlostí v pohybe 1 Gbit/s a vyšších.

5G

Viacvrstvová architektúra je ďalšou typickou črtou budúcich sietí 5G. Pod „dáždnikom“ makrobuniek majú väčšinu spojenia zabezpečovať miniatúrne pikobunky. Uplatnia sa hlavne v hustej zástavbe a pomôžu vykryť hluché miesta v administratívnych budovách a v ďalších stavbách. Takáto architektúra sa začína uplatňovať aj v sieťach LTE a LTE-A, v 5G však bude samozrejmosťou aj kvôli nasadeniu širokého spektra frekvencií.

V pásme centimetrových vĺn neprekročí dosah základňových staníc desiatky až stovky metrov, pri milimetrových vlnách bude ich dosah ešte kratší. Na druhej strane to prinesie výhodu v efektívnejšom využití frekvencií na určitej ploche. Keďže veľké rýchlosti napriek efektívnej modulácii, sofistikovanej komunikácii a inteligentným 3D MIMO anténam budú potrebovať predovšetkým veľkú šírku dostupného pásma, 5G siete nevyhnutne obsadia dnes málo využívané, prípadne úplne nevyužité oblasti vysokých kmitočtov.

Na dosah je relatívne nízke pásmo 3,5 GHz využívané dnes technológiami FWA a WiMAX. Ale pre veľké prídely spektra sa bude treba presunúť do pásma centimetrových vĺn (desiatky GHz) a vyššie. Využívať sa majú súčasne licencované aj voľné pásma, a to kvôli tomu, aby sme dokázali dať dokopy na dnešné pomery enormné šírky kanálov.

POZRITE SI: Ericsson demonštroval v 5G sieti ”päťku”

 

Keď výkon prúdi hrubými rúrami

Nové siete budú komunikovať po čoraz širších kanáloch. Kým 3G/HSPA používa kanál so šírkou 5 MHz a DC-HSPA beží na 2×5 MHz, LTE vie komunikovať flexibilne na kanáloch od 1,25 MHz do 20 MHz. LTE-Advanced opiera mohutnosť svojho výkonu o združovanie kanálov (až 5×20 MHz). Avšak oproti novej RAT (Radio Access Technology) v sieťach 5G sú to všetko len frekvenční trpaslíci. Pre siete 5G sa totiž počíta s kanálom so šírkou až 1 000 MHz a neskôr aj viac.

V tomto svetle sa paberkovanie vo viacerých frekvenčných pásmach súčasne javí zrozumiteľnejšie. Načo ale vôbec mobilné siete s takou výkonnosťou potrebujeme? Už v sieťach LTE môžeme bez problémov streamovať Full HD video a prevádzať multitasking, aby sme nejako zamestnali to množstvo jadier procesorov, ktoré výrobcovia do mobilov a tabletov vkladajú.

Ktovie, na čo je to vlastne dobré? Pripomína mi to princíp oných samonapĺňacích sa proroctiev, v tomto prípade poňatých ako samogenerujúci sa dopyt po technológiách. Často sa spomína Ultra HD video, ktoré by malo dostatočne odôvodniť enormné rýchlosti 5G sietí. To je však nezmysel, lebo Ultra HD video by pokojne stíhali s novými kodekmi (HEVC/H.265) streamovať aj LTE siete a LTE-A majú určite naviac.

Jasné, po Ultra HD príde televízia s 8K rozlíšením a mnohokanálovým 3D zvukom a tento vývoj teoreticky nemá konca, ale ani náročné videostreamy nie sú tým hlavným motívom pre vznik sietí 5G.

POZRITE SI: Samsung dal vo svojej sieti 5G rýchlosť 1,2 Gbit/s v idúcom aute!

5G

foto | Samsung

Tým pravým dôvodom je internet vecí (IoT, Internet of Things). Táto evolučná zmena komunikácie M2M (stroj-stroj) otvára dvere k ďalšej obrovskej trhovej expanzii. Pri pomaly stopercentnej penetrácii mobilných sietí totiž už nie je možné rásť získavaním nových používateľov v radoch ľudskej populácie. Internet vecí, hoci je to podľa môjho názoru trochu neistý podnik a do istej miery buzzword, ten naopak otvára teoretické možnosti pre desať a viacnásobné zvýšenie on-line pripojených terminálov.

IoT má byť všade od súčiastok odevu, náramkov, implantátov, kuchynských spotrebičov, až po autá, merače čohokoľvek (vody, plynu, elektriny, tepla …) a tak ďalej. Neprekvapí preto, že jednou z hlavných vlastností sietí 5G je stonásobné zvýšenie počtu terminálov a až 1 000x vyššia kapacita spojení na kilometer štvorcový oproti LTE. Ľudia takéto kapacity priamo nevyužijú, veci a stroje možno áno.

 

Ako so štandardom?

Alokácia frekvencií sa dohaduje celosvetovo na odborných konferenciách, kde sa prijímajú záväzné pravidlá a harmonogram prípadného uvoľnenia obsadených frekvencií. Z pohľadu 5G bude zrejme dôležitá World Radiocommunication Conference 2015 (WRC15), ktorá sa bude konať v novembri 2015 v Ženeve, no práce na vývoji technológií pre budúce siete 5G bežia už niekoľko rokov.

Firmy ako NTT DoCoMo, SK Telecom, Ericsson, Huawei a ďalší výrobcovia telekomunikačnej infraštruktúry už vyvíjajú, a dokonca aj demonštrujú čiastočné výsledky. Pritom všetko nasvedčuje tomu, že čas od začatia štandardizácie po prvé komerčné siete sa skracuje. Napríklad na 3G sieťach sa začalo pracovať už v roku 1989, (viaceré) štandardy boli hotové v roku 1999 a komerčné siete sa rozvinuli v roku 2003. Celý proces trval 14 rokov.

V prípade 4G (LTE-A) prešlo po prvú demonštráciu siete 11 rokov a 5G by sa mala vyvíjať ešte turbulentnejšie. Štandardizácia by mala odštartovať v roku 2016, od roku 2017 by malo prebiehať testovanie technológií súbežne s ďalším vývojom (aj keď v rámci výskumu sa to deje už dnes) a koncom roku 2018 by sa mohli objaviť prvé siete so skúšobnou prevádzkou. Komerčné siete 5G sa všeobecne očakávajú až po roku 2020.

5G

Kulminácia technologickej éry sietí rôznych generácií. Dnes zažívame hviezdne chvíle 3G, LTE to čaká až o 10 rokov.

foto | University of Surrey

Tento časový horizont však vôbec neznamená, že 4G v tretej dekáde poputuje do histórie. Práve naopak, jeho hviezda bude naďalej stúpať a kulminovať by mala globálne technológia LTE, aj keď zrejme v jej rozvinutejšej podobe LTE-Advanced až okolo roku 2025.

Pravdepodobne až okolo roku 2030 sa stanú siete 5G dominantnou mobilnou technológiou. V tom čase už ale s veľkou pravdepodobnosťou nebudeme používať siete 3G a staré dobré francúzske GSM bude už len v učebniciach dejepisu.

2G siete už v mnohých krajinách totiž operátori opustili, aby ich frekvencie efektívnejšie využili v modernejších sieťach. Tento trend sa bude rozširovať. Aj Orange Slovensko ráta s využitím pásma 900 MHz v sieťach 3G/HSPA+ namiesto sietí GSM.

5G

Príprava a testovanie štandardu 5G má trvať do roku 2020.

foto | University of Surrey

Svedkom podobného upgradu sme boli aj v prípade pásma 450 MHz používaného pôvodne v analógových sieťach 1G (NMT). V mnohých krajinách operátori namiesto nich neskôr nasadili 3G technológie CDMA 1X EV-DO (aj český Eurotel, dnes O2). Slovenský T-Mobile (Telekom) zas spustil v 450-ke technológiu Flash-OFDM. Aj tieto dátovo orientované technológie už expirovali a je pravdepodobné, že operátori budú v blízkej budúcnosti klientelu z tohto pásma opäť migrovať na nejakú inú technológiu.

Možno LTE, alebo možno si aj tieto kmitočty nájdu cestu k sofistikovaným terminálom pre siete 5G. Nasledujúca generácia bezdrôtových sietí bude určite diametrálne odlišná od čohokoľvek, čo sme poznali doteraz. Odborníci dokonca tvrdia, že po príchode technológií 5G už nebude treba filozofovať o budúcich sieťach ”6G”.

Štandard 5G má byť taký flexibilný a otvorený, že vraj obslúži aj budúce aplikácie. Takže akási definitíva? Nuž, večnosť v tomto prípade bude trvať možno dve desaťročia. Používanie desiatok on-line zariadení na osobu však vyvoláva viac otáznikov, než je možno pánom rysujúcim našu budúcnosť milé. Kým v časoch 1G bol frajer ten, kto položil na stôl v kaviarni mobil, dnes je hrdina ten, kto ho nepoužíva, alebo ho aspoň dokáže vypnúť. Zvyšok je stádo.

POZRITE SI: Ericsson ukázal 5G technológiu naživo

 

Vždy existuje množstvo scenárov, ako sa bude budúcnosť vyvíjať a nadšenie prognostikov sa nie vždy trafí do tej pravej budúcej reality. Tú vlastnú budúcnosť si tvoríme hlavne každý sám, preto aj na nás záleží, koľko a akých zariadení IoT a všemožných smart komunikátorov budeme používať. Bez ohľadu na generáciu sietí.

Komentáre k článku