Proč je frekvencí na mobilní sítě málo, když je frekvencí nekonečně

Patrick Zandl · 11. duben 2014

Prý nemám představivost a jdu jen po technické stránce věci. V mobilních sítích by mohla existovat dokonalá konkurence, kdyby se stát nematlal do přidělování frekvencí a nedělal z nich umělým zásahem vzácný statek. Toliko ke kritice části mé obhajoby současného uspořádání. 

Musím přiznat, že moje představivost je omezená. Soudil jsem, že některé technické aspekty omezení ve frekvenčním spektru dané zejména přírodními zákony jsou obecně známy a nepotřebujeme je znovu probírat. Stejně tak některé historické události. Opak se ukázal být pravdou. Nu a protože kdo historii nestudoval, musí si ji zopakovat, pojďme si zopakovat ji i přírodní zákony. 

Právě existence přírodních zákonů způsobuje, že pro výstavbu mobilních sítí jsou nejvýhodnější rádiové frekvence v rozmezí 400 - 1000 MHz. Frekvence pod tímto pásmem se šíří příliš daleko, což není vhodné kvůli hustotě sítě a přeslechům.  Navíc jejich lambda je příliš velká, což přináší nutnost větších a užších antén, zatímco se zvyšující se frekvencí se hodí spíše kratší a silnější. Kdo jste viděl anténu z klasického CBčka na 27 MHz, která má lambdu přes 11 metrů, dáte mi za pravdu, že půllambdová anténa o délce 5,5 metru není do ručky příliš vhodná. Oproti tomu v 900 MHz je vlnová délka cca 30 cm a půlvlnný dipól se i nějakou dobu v GSM mobilech používal. No a v základu platí, že čím větší anténa k lambdě, tím lepší. Nebudeme zabíhat do detaiů konstrukcí moderních složených a integrovaných antén, platí tam ale totéž. V pásmu pod 500 MHz se potkáme s historickými službami jako je rádiové analogové vysílání (ano, to ještě funguje!), ale také navigační, meteorologická a letecká služba plus družicová komunikace se zemí a astronomické služby. Je tu pár výseků používaných pro přímou komunikaci, které se do mobilních sítí zhmotnily ve frekvenčním pásmu 450 MHz použitém pro mobilní sítě, u nás někdejší NMT, dnešní CDMA2000 a na úsvitu snad UMTS-450. 

Pásmo 450 až 900 MHz (vždy plus mínus kousek) je dnes využito především televizním vysíláním, to se ale trochu zkomprimuje, protože místo analogu tu máme digitální DVB-T, takže pásmo 800 MHz se postupně uvolní. Jde o cca patnáctiletý plán přechodu od analogové k digitální televizi, jehož jednou výhodou má být vyšší kvalita vysílání (technická, ne programová!) a možnosti jako HD, ale také uvolnění velmi lukrativního osmistovkového pásma pro mobilní telekomunikační sítě. U nás se pásmo rozstřílelo mezi naši trojici operátorů, žádný další nový operátor o něj zájem neměl. 

No a pásmo 900 MHz je určeno pro sítě GSM. Dlužno upřesnit, že toto pásmo je rozděleno mezi čtyři podpásma, ale od toho teď pro jednoduchost abstrahujme. Podstatné je, že toto 900 MHz pásmo pro GSM sahá od 870 do 960 MHz. Pásmo pod tím, tedy 790 až 862 MHz Evropa (a velký kus světa) rezervoval právě pro ty sítě 4G. 

Těch 90 MHz pro GSM vypadá, jako slušný flák prostoru pro hromadu operátorů, zejména s ohledem na to, že jeden GSM kanál čítá šířku 0,2MHz, tedy do jednoho MHz se jich může vejít pět. Může, ale nevejde. To záležít. Jednou ze zákonitostí rádia jsou interference, rušení. Při vysílání na blízkých frekvencích z různých zdrojů k rušení dochází, což se dá vyřešit zatím jen tak, že se frekvence oddělí něčím, co zoveme hraniční pásmo. Kolem sousedních technologií se dává z každé strany tradičně 5MHz, takže stomegové pásmo má v praxi 90 MHz šířku. Podobně si musí odsazovat operátoři antény v síti GSM v rámci plánování, oddělují se od sebe i samotní operátoři. Hodně pásma takhle musíte ponechat stranou, abyste se vyhli problémům s přírodou, které těžko jest překonati. 

Druhou nepříjemností je, že pásma je sice teoreticky 90 MHz, jenže vaši zákazníci budou chtít zřejmě nejenom hovořit, ale i poslouchat, nebo-li fungovat duplexně. Budete tedy potřebovat jednu frekvenci tam, jednu zpět (pro pořádek připomínám, že časový duplex by sice nepotřeboval jednu frekvenci tam a jednu zpět, měl by jen jednu, ale o dvojnásobné šíři, takže si nepomůžete). Ve výsledku tedy máme k dispozici 45 MHz bez hraničních a oddělovacích pásem. V praxi se považuje za vhodné, aby operátor s ohledem na možnosti plánování složité sítě a její kapacitu měl k dispozici něco jako 2x7 MHz (to 2x znamená tu duplexitu). Do oněch 90 MHz tedy nacpete něco jako šestici operátorů. A čím více, tím větší prořez vygenerujete v oddělovacích pásmech mezi nimi. Proč v Česku máme tři operátory? Nu, něco frekvencí držela armáda, něco je drážní GSM, které je technicky specifické a používá se celoevropsky (aj jinde) pro komunikaci na dráze, něco z toho je představa trunkového GSM, které se ale zatím nerozjelo. Takže jsme tu i tak měli pět uživatelů. 

Dalo by se říci, že další příhodné pásmo se rozkládá nad 1GHz. Velkou část těchto frekvencí mají přidělené družice a armáda, s nimiž je diskuse těžká, zejména, když prosazujete svobodnou a silovou debatu na bázi silnější pes mrdá. Prostě mají lepší výzbroj a určité historické předpoklady vás do pásma nepustit. Další příhodné pásmo tedy v praxi začíná někde u 1700 MHz, čemuž se říká AWS (čili 3G-UMTS) a GSM-1800.  Končí se na 2,3 GHz, odkud jsou zase radioamatéři a nelicencovaná pásma WiFi (a mikrovlnné trouby).

AWS pásmo je 2x45 MHz, přičemž se považuje za vhodné, aby operátor měl 2x15 MHz. Proč tolik? 5MHz je standardní šířka kanálu v UMTS/WCDMA technologii, takže aby operátor měl tři kanály a nemusely spolu dva frekvenčně zcela bezprostředně sousedit, i když ve WCDMA technologii funguje rádiové plánování významně jinak, tenhle přírodní zákon interferencí zůstal zachován. Ergo do 45MHz duplexního pásma (tedy do 90 MHz šířky pásma) nacpete něco jako tři plnohodnotné operátory nebo čtyři chcípáčky. Když byly první frekvenční aukce 3G  na přelomu tisíciletí, dohazovali regulátoři ještě TDD pásmo, bloky po 5MHz z 20 MHz pásma, kde by se dalo uvažovat o tom, že se převede na 2x10MHz duplexně, jenže se to moc nehodí, protože jednak z části slouží jako hraniční pásmo díky nekolizní technologii a z části technologie TDD je velmi zajímavá a bylo by dobré pro ni něco nechat (akorát se nechytila). Není bez zajímavosti, že existuje i pásmo bezlicenčního UMTS, je to 10 MHz, kde mezi sebou mohou komunikovat terminály a vůbec by se s ním dalo zajímavě hrát, protože i neoperátorská zařízení by mohla vstoupit do 3G sítě, většinu zamýšlených funkcí ale přejalo WiFi nebo Bluetooth, nebo nakonec nebyly zajímavé nijak. Uvažovalo se o tom, že by se tohle bezlicenční pásmo převedlo pod licenční TDD, ale nezájem o TDD způsobil, že se neudálo ničeho. Po pravdě řečeno, tady je jedno z mála pásem, které by se při troše úklidu daly použít pro obsluhu jednoho operátora, ovšem za cenu odpískání dvou zajímavých technologií.

Nad frekvenci 2,5 GHz už pásmo není pro mobilní komunikaci vůbec vhodné. Důvody jsou opět čistě fyzikální: signál se láme, překážky způsobují vícecestné odrazy, takže na komunikaci v NLOS (tedy bez přímé viditelnosti) je nevhodné. A přímou viditelnost mezi anténou mobilu a anténou základnové stanice je těžké zajistit. Toto pásmo lze použít pro spoje, mezi nimiž je přímá viditelnost, ostatně v pásmu 5GHz se tak úspěšně používá opět pro WiFi.

Tak, teď byste mohli namítnout, že jsme se přeci dopočítali tomu, že by mohlo existovat nějakých deset, dvacet či až třicet mobilních operátorů. A to není málo. Situace ale není zase tak jednoduchá. Kdyby šlo o hlasové služby, bylo by to skutečně možné. Horší je to s daty. Pro rychlé datové služby je potřeba hodně pásma. Aby LTE Advanced běhalo na rychlostech přes 100 Mb/s, potřebujete celkem 2x20 MHz, tedy 40 MHz šířku pásma. Pokud tuhle sdílenou rychlost chcete nabízet více lidem a častěji, musíte mít toho pásma spíše dvojnásobek, lépe více. A to už začíná být těsno vlastně kdekoliv. 

To je také důvod, proč dnešní regulátoři nejenom v Evropě intenzivně čistí "staré frekvence". Pro LTE bude k dispozici ještě pásmo 2,6 GHz (už víme, že to není žádná paráda) a něco se vyškrábne kolem 1800 MHz, takže celkem bude v 1800 MHz pásmu k dispozici něco jako 2x75 MHz na většině světových trhů. V Arábii se ještě uvolní pásmo 2,3 GHz (tam snadněji razí heslo, ať jdou radioamatéři do prdele)  a USA i Japonsko jsou napřed ve vytěsňování televize ze 700 MHz pásma, takže budou mít volněji i tam. V Evropě se tam cpe DVB-T2, taky bych ji s přehledem poslal k šípku, kdo by čučel na telku, jenže televizáci, zdá se, si to uřvou, protože tu byli dříve a mají větší kladivo na masy. 

Otázka, kolik můžete mít operátorů, není tak těžká, pokud ji nemusíte zodpovídat s otázkou druhou: a jaké služby mají být schopni nabízet. Pokud bychom zůstali u služeb hlasových, už by se jich sem začínalo vejít dost. Jenže hlasové služby už přestávají být atraktivní. Číslo mezi třemi a pěti, jako odpověď na to, kolik může být plnohodnotných a celoplošných operátorů s vlastní frekvencí, se zatím zdá být velmi obhajitelná odpověď. 

Otázka je, zda je třeba dělat takovou regulaci. Proč se mají frekvence vyhrazovat určitým technologiím, není to opovrženíhodná nesvoboda? Inu, i to má své opodstatnění a opět by pomohlo více pozoru dávat při fyzice. Radiové technologie, které používají rozdílné způsoby modulace informace, se vzájemně snadno ruší. Když vám do frekvenční modulace vlétne časová nebo kódová, nevyleze na žádném přijímači nic použitelného. Proto ta strategie službám frekvence vyhrazovat podle způsobu přenosu informací a použití - není v tom žádný totalitarismus a dlouho to fungovalo úplně na bázi “kdo dřív přijde, ten dostane”, až v posledních letech, spolu s vyčerpáním příhodných frekvencí a umíráním či vývojem některých služeb, se přistoupilo ke změnám a tomu, co je tfujtfuj regulace. Jenže díky téhle regulaci ty technologie nakonec fungují vcelu předvídatelně. 

Jistěže se můžete kojit nadějí, že zúrodníte lány frekvencí nad 3GHz, budu vám držet palečky, osobně bych doporučil vsadit na kvantovou komunikaci, kde kromě penízků kyne i světská sláva v podobě pár nobelovek, když to lousknete. Můžete taky zkusit vytěsnit armádu - a s ní meteorology a družice (rychle zjistíte, že většina toho je zase armáda). Můžete vyhazovat rádia, televize. Ale řekl bych, že ostře narazíte, protože tu byli před vámi a navíc se umí dobře bránit.

Kontumačně tedy předpokládejme, že více jak pět operátorů prostě dnes nerozchodíme, pokud chceme, aby nabízeli moderní služby (alespoň do doby, než louskete ta kvanta). No a příště se podíváme, jak by asi tak vypadal trh na bázi silnější bere. To abychom si ujasnili ty chialistické vize svobodného přístupu k rádiovému spektru. 

Regulace rádiového spektra v Evropě ve skutečnosti nezpůsobuje jeho nedostatek, ale jeho lepší dostupnost a využitelnost. Je to zhruba totéž, jako dát na křižovatku semafor. Víte, proč se tam dává? Ne proto, že bylo třeba upíchnout semafor, ale proto, aby se zlepšila využitelnost křižovatky, ačkoliv je nebohý řidič buzerován opovrženíhodným semaforem.

PS: Abych to shrnul méně technicky. I když uzákoníte, že občané Česka nemohou být nemocní, nezbavíte se problémů s nemocností. Můžete následně přistoupit k vykořenění zla a vyhnat všechny doktory, ale odpusťte mi moji škarohlídnost, stejně nevěřím, že s chorobami zatočíte. 

Chcete tyto články emailem?

Twitter, Facebook