Cesta k sítím 5G (aneb skoro vše, co nepotřebujete vědět)

Už i v Praze máme tu a tam LTE síť a těch několik set metrů čtverečních pokrytí přináší lákavou myšlenku, co bude pak. Nemyslím pak, až vyjdete za pár minut z pokrytí nebo za dalších pár minut, kdy vám přijde SMS, že jste vyčerpali FUP. Ale PAK – co přijde po 4G a sítích LTE. No ano, správně. Další vývoj. Prozatím bez velké invence označovaný jako 5G.

Proč by nás to mělo zajímat? Především proto, že o mobilních sítích páté generace se začíná mluvit v době, kdy už je zřejmé, o co v mobilních sítích vůbec jde: o data. O hodně dat. A naopak je zřejmé, o co nejde: o jednotný standard. Ještě v třetí generaci jsme vnímali ostrý souboj evropského WCDMA a amerického CDMA2000, který nakonec kontumačně vyhrálo WCDMA. Tehdy to trochu mohlo překvapit, jenže „poražený“ Qualcomm se vzdal svého jména ve standardu, business a vliv mu zůstal. Malý ústupek za velký zisk. K obecnému ulehčení se tedy čtvrtá generace vytvořila již jako „jednotný standard“, aby se ukázalo, že má tolik variant a tolik různých frekvencí, že stejně záleží na výrobci zařízení, co do nich dokáží nacpat.

Rychlost a kapacita: připravme se na tisícinásobný růst spotřeby

O co tedy nakonec jde, jsou mobilní data. Ta byla u 3G sítí spíše trpěna, vzpomeňme si, že mobilita (nikoliv stacionární připojení) měla nabízet rychlost 384 Kb/s, což se ukázalo s ohledem na vývoj EDGE v 2G sítích jako směšné. A co hůř, kapacita. I dnešní, již dávno směrem k LTE posunuté sítě ve vyspělé Asii, USA či Západní Evropě trpí přetížením. Zatímco v roce 2003 se počítalo, že 1GB dat je to, co zkonzumuje náročný uživatel na pevnolinkovém připojení, o deset let později je to průměrná měsíční konzumace náročnějšího uživatele chytrého telefonu, přičemž další dvoj-až-trojnásobek přenese tento uživatel přes domácí a firemní WiFi přípojky. Základní teze tedy předpokládá, že do roku 2020 vzrostou nároky na kapacitu mobilních sítí tisícinásobně. A tedy, že nutně nepůjde až tak o rychlost teoretickou (tam už jsme dnes na desítkách megabitů), ale hlavně o celkovou propustnost sítí a jejich kapacitu (měřeno v erlanzích). Ostatně, to se již dnes snaží adresovat návrhy LTE-Advanced, které za samozřejmost považují optické propojení jednotlivých buněk, neboť k čemu je rychlost do mobilu, když ji zkripluje saturovaná metalika (konektivita, ne ta kapela, no flame). A co je důležité říct: mobilní sítě se budou muset přičinit o nižší spotřebu mobilu. Nároky na spotřebu při mobilním datovém přenosu by měly klesnout na desetinu, latence na pětinu.

Vemlouvavě situaci vysvětluje NSN. Ta tvrdí, že tisícinásobné kapacity sítě se dosáhne trojím zdesateronásobením: desetkrát musí do té doby vzrůst počet základnových stanic (to se naši operátoři nasmějí), desetkrát musí vzrůst efektivita využívání rádiového spektra a desetkrát musí narůst dostupné rádiové spektrum. A deset na třetí je tisíc, to je to kouzlo. A odtud se také odrážejí úvahy o tom, co by mělo přijít po 4G – a že by to mělo být něco, co bude zásadně adresovat a řešit skutečnost, že mobilní sítě jsou hlavně mobilní data a mobilní zařízení bez lidské obsluhy (třeba IoT). Hlas a lidský prvek už netřeba vyžadovat a očekávat, je ale potřeba vyrovnat se s vysokou hustotou zařízení.

V rámci ETSI (tedy v rámci EU) prvotní průzkum řeší projekt METIS. Ten se snaží po dva roky (do 2014) posbírat prvotní předpoklady a očekávání, zmapovat trh. Pak proběhne tradiční třífázový standardizační proces, který by mohl skončit v roce 2020, kdy by se také mohly objevit první testovací sítě 5G, do něj ale zřejmě budou zahrnuty i přípravné kroky „odjinud“, zejména čínské IMT-2020, korejské 5GForum a japonské „2020“.

Skutečný rozvoj sítí 5G se očekává spíše po tomto roce s tím, že boom by mohl nastat spíše kolem roku 2030 a vrcholit by měl v roce 2040. Tenhle předpoklad je už činěn s ohledem na komplexnost předpokládaného 5G standardu a s ohledem na zkušenosti s vývojem LTE a jeho pomalou a částečně i neviditelnou adaptací.

Zatím není nic jistého a jasného, však je 5G v tak ranném stádiu, že ani nemá sexy jméno. Ale už teď je zřejmé, že stávající trendy se budou prohlubovat. Buňky se stávají menšími, pokrytí hustší. Řada logiky a obslužných mechanismů se v rámci zrychlení posouvá co nejblíže k uživateli, tedy až do buněk, spolu s tím, jak padají zábrany v cenách hardware. Místo konceptu buněk se prosazuje spíše koncept bezdrátových cloudů, shrnujících různé úrovně rádií, oprávněných klientů a služeb. V 5G se tomu (prozatím) říká cell-less architektura, bezbuňková architektura. V bezdrátových cloudech se celá RAN infrastruktura virtualizuje do sdílených zdrojů co nejblíže uživateli.

DIDO

Používat se dost možná bude distribuovaný přístup k radiovým zdrojům – DIDO – Distributed Input Distributed Output) coby nová fyzická vrstva (PHY).

Podstatou DIDO má být zajištění plné rychlosti připojení pro jednotlivé uživatele, aniž by se rychlost připojením či intenzivním užíváním sítě jinými uživateli snižovala. To poněkud odporuje shannonovu zákonu, ale ve skutečnosti ho jen obicyklujete. Jak přesně, vám poví tento whitepaper  – je tam i vysvětlení pro blbý, který jsem zcela detailně nepobral. Zjednodušeně řečeno DIDO zavádí DIDO Data Center, což je jednotka, která sbírá požadavky z oblastí, v nichž je příliš mnoho překrývajících se vysílacích zařízení. A protože při překryvu dochází k interfrencím a tím i ke snižování propustnosti (drastickému!), tak s tím DIDO Data Center bojuje tím, že všechny požadavky na data zkombinuje a udělá jeden datový stream, který vysílají všechny základnové stanice v oblasti. Tím se má podstatně minimalizovat ztráta na interferencích. Až sem jsem to pochopil, co mi ušlo je, kde zmiznou vícecestné interference (pravda, ty nebudou tak velké) a hlavně soudím, že tím neobicyklujete toho Šannona: ve skutečnosti se o kapacitu nosné dělíte s tolika uživateli, kolik datových streamů se kombinuje, jen se dělíte efektivněji, protože se o ni dělíte na datové a ne radiové vrstvě, což může být významně lepší (a taky matematicky větší pařba). A co je podstatné: koncept DIDO opravdu hází koncept buněk do stoupy, ale to je na větší a samostatné uvažování.

M2M komunikace, latence a hustota sítě

Na chvíli se ještě zastame u datových scénářů. Právě to, že do hry vstupuje M2M komunikace, tedy mezistrojová komunikace, jejímž účastníkem nikoliv nutně je člověk, objevují se požadavky nejenom na vysokou rychlost, ale i (a to především) na ultranízkou latenci. Jedním z typických scénářů použití je vjezd dvou automobilů součastně do křižovatky. Nové vozové radary sice situaci vyhodnotí, ale vozy se nemohou domluvit, protože domluva by dnes trvala více jak půl vteřiny. A tolik času vozy nemají. Latence se tedy musí vtlačit ne na desítky, ale spíše na jednotky milisekund. Stejně tak je potřeba vysoká spolehlivost takového spojení, naopak je ale možné, že zařízení nebudou komunikovat přes infrastrukturu operátora, ale napřímo. A právě kvůli M2M zařízením je potřeba, aby spotřeba šla ještě níže – řada z těchto zařízení neočekává významný zdroj energie, měla by dlouhodobě pracovat bez napájení (různé implantáty v těle – tam si baterku měnit nebudete), takže komunikaci zařídí z indukce či jiného low-power zisku energie.

Pojďme se pustit trochu do teoretizování o rychlostech. Již dnes prováděné testy ukazují, že při užití „důstojné“ technologie se lze pohybovat v rychlostech přes 30 Gb/s. Důstojná v tomto případě znamená masivní MIMO – 24×24 MIMO OFDM na šířce pásma 400 MHz (!) v pásmu 11 GHz a 64QAM. Tedy nic, co by bylo momentálně běžně dostupné ve velikosti krabičky cigaret (ministr varuje: kouření škodí zdraví). Ale i tak, cesta tu je.

Už z tohoto krátkého soupisu jistě cítíte, že je tu mnoho co řešit a šestiletý výhled na standardizaci je spíše optimistický. V roce 2020 se zřejmě ukotví první drafty, první základní sady funkcí, které budou na své precizování čekat dalších několik let. Naštěstí ale dnes posun standardizace probíhá ve velmi úzkém sepětí s průmyslem, takže se většinou už dávno vyvíjí, co se teprve bude standardizovat. Má to svá pro a proti (opět téma na dlouhé a většinou nudné povídání).

Co mi chybí (nikoliv kompletní seznam)

Pokud bych se měl u něčeho pozastavit, je to menší důraz na komunikaci mezi uživatelskými prvky infrastruktury, tedy významnější tlak na decentralizaci, než bych očekával. Již z LTE-Advanced a současného stavu obcházení tohoto aspektu v nejrůznějších technologických projektech (jako jsou vyhledávače ztracených věcí) je zřejmé, že poptávka po něčem takovém tu je. Chápu také, že operátoři se neženou do výzkumu těchto přístupů, ale přínosy jsou příliš velké, než aby mohly být ignorovány. Například zajištění komunikace v oblastech postižených pohromami by decentralizovaný přístup mohl velmi dobře zvládnout, je tedy mnoho důvodů, proč se mu nevyhýbat. I když chápu i ty, které hovoří pro vyhýbání. Jenže vyhýbání se není v tomto případě cesta: jak WiFi, tak Bluetooth již obsahují nějaké drafty či hotové specifikace přímé komunikace bez propojovací infrastruktury, třeba WiFi Direct. S tím, jak se tahle technologie dostává do chytrých mobilů v nízkoodběrové energetické verzi, si s ní začíná hrát čím dál více lidí a firem, během dalších pěti let můžeme čekat průlom, kdy technologie bude natolik pohodlná a rozšířená, že bude i používaná. Nejdříve pro otravování lidí kolem sebe (to až si ve Facebooku spočítají, kolik lidí má v roce 2018 WiFi Direct), pak i pro něco vážnějšího (jako nějaký miliardový startup).

Nu, tak snad příště – ať již ještě v nějaké LTE Release, v 5G nebo v hezkém startupu…

Jak se vám líbil článek?
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (hlasováno , průměr: 4,00)
Loading...

10 komentářů

  • Co by taky dělali velcí bratři všech zemí s decentralizovanými datovými sítěmi, že? Který operátor velkého západního státu by si dovolil naštvat svou nejvlivnější entitu tím, že by si na tohmle písku něco začal?

    Anebo je nejlepší způsob jak ovládnout p2p sítě udělat je jako první, a vestavit backdoory (způsob jak konkrétní uživatele vždy routovat přes ‚centrálu‘)?

    Nebo jsem paranoidní?

  • Desetinásobky sem, desetinásobky tam… Hlavně bude potřeba mít páteře, které povedou co nejdál, ale optika se zatím na venkov netahá a je otázka, zda někdy bude a kdo to zaplatí…
    Se zrušením hlasu a převodem všeho na data ztratí pojem operátor v dnešním smyslu smyl. 😉 Prostě budeme mít zařízení, které bude pro svou funkci potřebovat data. Ideálně všude a ideálně v tlusté trubce.
    Bude více různých infrastruktur? Ale lidé nebudou chtít platit různé poplatky za data na X různých míst…Budou chtít něco pohodlného – ideálně měsíční paušál za určitou kvalitu.
    A do toho ještě myšlenka na nouzovou komunikaci, která by měla mít nějaké priority a měla by fungovat i ve chvílích výpadků… SW řešení?
    Jen samé otazníky… A to určitě nejsou všechny důležité otázky, které je třeba pořešit. Bude zajímavé to sledovat. Díky Patricku. 😉

  • Určitě půjde o data. Otázkou je, zda dojde k nějaké standardizaci komunikačních služeb. Momentálně je situace dost fragmentovaná. Nedokážu si představit, že pokud budu chtít někoho kontaktovat, budu muset používat aplikace jako Facebook, Whatsapp, Viber, GTalk a další zároveň.

  • Ad „stonásobky hustoty“ – podle mě se trochu zapomíná na to, že tady už začínáme narážet i na otázku elektromagnetického smogu a hygienických limitů. Tohle sice po úvodním „rozruchu“ po nástupu telefonů trochu ustoupilo do pozadí, ale podstatné je to „trochu ustoupilo“. Reálně ale vliv elektromagnetického pole na organismus nikdo moc nezpochybňuje a spíš se optimisticky předpokládá, že současný stav, podepřený i normami, je ještě přijatelný.
    Ale pokud by došlo na v článku nastínění desetinásobné zvýšení hustoty stanic a na každé rozšíření současně provozovaných kmitočtů, tak už se patrně začnou současné normy v mnoha místech překračovat a je velká otázka, jaká bude ochota k jejich úpravě (a zda se dokonce spíš postupem času neobjeví tlak na zpřísnění).

    Tohle je totiž dost závažné, osobně si vůbec nejsem jistý, že bude podobné navýšení objemu dat „vzduchem“ v klasické mobilní formě vůbec možné.

  • THR: tak ono to částečně souvisí s tím, že vyšší hustota by také měla znamenat nižší vysílací výkon (a elsmog klesá s kvadrátem vzdálenosti). Takže snad tak horko nebude. Ale samozřejmě rádia bude ve vzduchu stále více a dobře to není. Jak málo dobře, uvidíme (jen nevím, zda na MRI nebo jinde 🙂

  • Ono nejspíš bude muset dojít i k tomu, že konkurence v bezdrátové infrastruktuře nebude, protože nejefektivnější bude jedna jediná bezdrátová infrastruktura… Ale jak potom zajistit její kvalitu?

  • Honzo, myslím si, že poplatek za telefonní hovory je pomaličku v podstatě poplatek za úsporu baterií. Část té infrastruktury, která by jinak zatěžovala tvůj mobil, je prostě outsourcovaná k někomu jinému. Můžeš volat přes Skype atd, pak ti ale mobil vydrží půl dne…

  • Ono je taky otázkou, jak té vámi zmíněné hustoty vůbec dosáhnete, hygiena je jen jedna část „úlohy“…
    Když uděláte 10x tolik stanic, tak se přirozeně budou do jisté míry rušit, pokles výkonu trochu pomůže, ale zas omezí dosah. Zvětšit přenášené pásmo je taky problém, protože frekvencí jednak není nekonečně, hlavně ale při potřebě na extraširokopásmový přenos rostě cena terminálů, anebo při tlaku na cenu klesá kvalita a odolnost (řešení filtrů atd.).
    Osobně si myslím, že nějaký řádový nárůst mobilních dat nad možnosti 4G bude docela velký problém a pokud se to podaří, tak spíš formou nějakého „obejití problému“, něco je ostatně nakousnuto i v článku. Naproti tomu na extenzivní přínos „10x10x10“ nevěřím, to by byl problém nejen ekonomický a „ekologický“, problematické by ale bylo i technické řešení.

  • O5 velmi dobrý článek – proč ich nepíšeš víc Patriku :)? Osobně se domnívám, že to půjde rychleji než je tu popsáno neb čím více dat = tím více prostředků ke šmírování = tím více nástrojů pro ovládání a šikanu. A pro všechny vlády světa je lepší situace, kdy všichni sedí doma a pláčou na FB než aby šli do ulic.

  • Jarda: Odpoved je o clanek nize 🙂