Mobilní sítě 4G – co umí a jak to dokáží?

Sítě čtvrté generace jsou zatím více méně teoretickou záležitostí. Ale přicházejí se zajímavými myšlenkami, jak docílit vysokorychlostních datových přenosů, především pak s násobnými přijímacími anténami a virtuální cellulární sítí.Sítě 3G ještě ani zdaleka pořádně nefungují v praxi, ani zdaleka není jisté, zda na nich jejich provozovatelé někdy vydělají, ale vývoj se nezastavuje. Již drahnou dobu se hovoří o sítích 4G ba dokonce i o sítích 5G.

Pravda je, že o obou sítích se zatím hovoří spíše v teoretické rovině a zatímco pojem 4G se používá pro označení nového technického řešení, označení 5G se používá především pro teoretické rozpravy o konvergenci jednotlivých typů bezdrátových sítí. Důvody jsou nasnadě – zatímco se ukazuje, že datové rychlosti nabízené sítěmi 3G jsou dnes vlastně nízké a tedy je třeba přemýšlet o nové generaci mobilních sítí, konvergence a slučování jednotlivých digitálních standardů je běh na dlouhou trať.

Je hezké, že propagátoři digitálního rozhlasu a televize touží po tom, aby jejich standardy do sebe zahrnuly mobilní telefony v sítích budoucnosti, prakticky se ale vyrovnat s tímto teoretickým požadavkem není žádná legrace. Přitom jeho opodstatněnost se zdá být dnes zřejmá: zákazníci mobilních sítí, tedy uživatelé mobilních telefonů, jistě přivítají možnost sledovat na svém mobilu fotbalový zápas, případně poslouchat rádio v digitální kvalitě a těžko jim tento požitek zprostředkují technologie 3G, určené primárně pro něco jiného a zpracovávající tuto úlohu s velkými obtížemi a značnou režií. Proto se opatrně hovoří o tom, že tyto technologie se „někde v horizontu 5G protnou“ – hovoří-li se tedy o 5G, pak spíše jako o tematu filosofickém, než ryze technickém a je možno, že skutečné 5G sítě budou v roce 2020 vypadat úplně jinak.

My se ale zaměříme na teorii 4G sítí. Také tyto sítě jsou stále ještě spíše v rovině teoretické, ačkoliv se na jejich vývoji začalo pracovat v roce 1997 jakožto na akademickém 4GW Project (Fourth Generation Wireless Project).

4G sítě vycházejí z několika požadovaných funkcionalit:


Telepresence – požadavek vytvoření multimediální přítomnosti, multimediálního jednání, tedy plně kvalitního přenosu obrazu a zvuku z jednání atd. Tedy požadavek na real-time vysokokvalitní videostreaming.

Intermachine communication – komunikace mezi stroji pomocí mobilní sítě, tedy dostatečně rychlá komunikace za pomoci velmi levných zařízení.

Bezpečnost – ta je nutná všude.

Ad hoc nelicencované spojení – možnost vytvořit síť dle požadavků z jednoduchých a levných zařízení v nelicencovaných frekvencích (5 a 60 GHz) a tedy provozovat síť fakticky bez operátora.

Vysoká rychlost a heterogenní sítě – 4G musí již z výše uvedených požadavků zajišťovat vysokorychlostní spojení, tedy až 100 Mbps vyhrazeno pro jednoho uživatele. K tomu je také nutné používat heterogenní radiové sítě, tedy pracovat na více frekvenčních pásmech. 4G je v podstatě zamýšleno jako „datový doplněk“ k 3G sítím, tedy rozšíření GSM a 3G o vysokorychlostní datové služby v pásmech 5, 17 a 60 GHz.


Radiové spektrum


Velmi důležitá otázka pro 4G sítě – kam je umístit, do jaké části radiového spektra? Zatím se prosazuje myšlenka kombinace nelicencovaných pásem 5 GHz a 60 GHz a licencovaného pásma 17 GHz. Zatímco pásmo 5 GHz nabízí velmi solidní dosah a v podstatě již dnes fungující výrobky se sdílenou rychlostí 54 Mbps, kterou ve výhledu je možno posunout přes 108 Mbps, pásmo 60 GHz nabízí kromě spousty problémů také podstatně větší frekvenční prostor. Zatím se uvažuje o tom, že samotná 60 GHz frekvence pro 4G sítě by obnášela šířku 5 GHz, tedy naprosto obrovský prostor, ale již se mluví o tom, že by to mělo být ještě o něco více. Proč ne – frekvence nad 40 GHz byly ještě nedávno považovány za „odpadní“ a nevyužitelné, takže jsou také nepoužívané. Není nemyslitelné, aby uživatel měl v tomto pásmu vyhrazenou kapacitu 100 Mbps.

Volba radiového interface se zatím kloní k nadějné a poměrně mladé modulaci OFDM používané například v 802.11a WiFi sítích. Tato modulace je vhodná pro vysokorychlostní přenosy u vysokých frekvencích vyznačujících se signálovou nestabilitou,

Problémy jsou právě v pásmu 60 GHz


Problém 4G sítí v pásmu 60 GHz je především v použitém frekvenčním pásmu, ne nadarmo kdysi označovaném za pásmo odpadní. Je třeba si uvědomit, že oproti GSM v pásmu 1800 MHz je vlnová délka 4G třicetkrát menší, zatímco šířka radiového kanálu je tisícinásobná, tedy 4G nabídne 1000x takovou datovou rychlost, jako GSM1800, ale bude podstatně citlivější na překážky. Zatímco radiové vlny GSM/3G sítí bezproblémů překonávají nábytek a osoby, 60 GHz pásmo v tomto ohledu bude mít zásadní problémy – rozdíl ve vlnové délce znamená třicetínásobnou citlivost 4G oproti GSM1800 v oblasti překážek šíření radiového signálu.

To není poslední problém, s kterým se v tomto pásmu je potřeba potýkat. Je nutno si uvědomit, že těleso (typicky uživatel) pohybující se v 4G sítí rychlostí 1 m/s je ekvivalentem tělesa pohybujícího se v GSM síti rychlostí 108 km/h. Pokrytí typické buňky 60 GHz pásma bude představovat 25 metrů, tedy zhruba jeden pokoj, takže tyto sítě v tomto pásmu velmi pravděpodobně nebudou vhodné pro používání rychle se pohybujícími objekty. Co na tom – pro ně budou nižší frekvence. Tím si ale vymezujeme použití 60 GHz pásma pro pomalu se pohybující objekty.


Problémy stínění


V pásmu 60 GHz uživatelé pohybující se kolem AP (základnové stanice) stíní signál. Stínění se stává závažným problémem. Pokud uživatel stojí, zatímco ostatní se pohybují, může se mu snadno stát, že ztratí spojení s AP – rozdíly centimetrů hrají roli, protože mezi AP a terminálem je třeba zachovávat přímou viditelnost. Je třeba provést handover k jinému AP a je potřeba vyhodnocovat potřebu a handovery provádět mnohanásobně rychleji než v 3G sítích. Navíc je evidentně potřeba, aby se oblasti pokrytí jednotlivých AP překrývaly, tedy a by bylo možné uživatele přepojit na jiný AP v případě, že mu spojení zastíní jiný uživatel. Prekérní situace…

Virtual Cellular Network


Navrhované řešení spočívá ve vytvoření virtuální síťové buňky kolem každého uživatele, takzvané virtual cellular network (VCN).

VCN vytvoří kolem každého uživatele jeho virtuální buňku, která ho bude stále následovat. Proces handoveru přebírá z mobilního terminálu samotný access point. Sama síť určuje, který AP je pro spojení s terminálem nejvhodnější a podle toho jej aktivuje. Toto přepínání access pointů vytváří onu virtuální síťovou buňku kolem uživatele – v podstatě je tak převrácen princip známý z GSM sítí.

Toto řešení samozřejmě není tak jednoduché, jak vypadá – především ve veřejných prostorech, kde se očekává více AP patřících různým provozovatelům, bude s aplikací a harmonizací provozu po stránce technické dostatek problémů. Přes to všechno je to zatím nejslibnější řešení umožňující eleminovat problémy se stíněním a interferencemi v pásmu 60 GHz. Očekává se také, že další technologie podpoří fungování VCN – kupříkladu radio-over-fiber je velmi slibné.

Násobné přijímací antény


Další silnou zbraní mají být násobné přijímací antény, tedy vlastně více antén schopných přijímat najednou signály více frekvencí a z více směrů. Problém je totiž v interferencích, v odrazech radiového signálu od předmětů. Násobné přijímací antény slouží k lepšímu vyhodnocení, který přijímaný signál je nejméně deformovaný odrazem a tedy bude poskytovat i nejlepší kvalitu. Vzhledem k vlnové délce v tomto pásmu může být anténa velmi malá a není problém zajistit dostatečnou vzdálenost mezi jednotlivými anténami takovéto Násobné přijímací antény, aby byla funkce rozlišení nekvalitního signálu funkční i na velmi malých zařízeních. Očekává se, že násobná přijímací anténa nebude o mnoho větší, než současné antény 3G telefonů. Nasazení násobných přijímacích antén navíc jen podporuje technologii virtuální síťové buňky…

4G jsou hlavně data


Jak vidíte, 4G sítě jsou určené především pro přenos dat – pro přenos hlasu plně postačují stávající mobilní sítě. Všechno se točí kolem vysokých datových rychlostí a kolem problémů, které požadavek na tyto rychlosti přináší. Především je tu použité frekvenční spektrum s malým dosahem a vysokou citlivostí na rušení i překážky – tento problém se snaží 4G řešit především OFDM radiovým rozhraním a použitím architektury virtuální síťové buňky a násobné přijímací antény, tedy velmi inovativních technik.

I přes to všechno se 4G sítě stanou spíše nástupci WiFi sítí, protože nabídnou krátký a střední dosah. Jejich výhodou bude možnost necentralizovaného provozu, tedy provozu bez operátora a také možnost propojení s dalšími službami operátora. A samozřejmě vysoké datové rychlosti.

Mnoho problémů je vyřešeno zatím spíše teoreticky, například frekvenční harmonizace AP pracujících v 60 GHz nelicencovaném spektru. Mnoho záležitostí není prakticky dořešeno, ale zatím se zdá, že cíle, které si 4G sítě kladou, lze dosáhnout. Jen to bude chtít další léta vývoje. Pro normální lidi je ale příjemné, že 4G sítě se již odklánějí od závislosti na operátorech…

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