Pojďme se zastavit u jedné z technologií, které umožňují sítím 5G dosahovat velmi nízké latence a vysoké spolehlivosti. Jmenuje se Ultra-reliable low latency communication (URLLC) - česky bychom řekli Ultra spolehlivá komunikace s nízkou latencí. Na rozdíl od LTE/4G, které byly primárně navrženy pro zvýšení datových rychlostí a kapacity, 5G s URLLC cílí na zcela novou úroveň výkonu v oblasti latence a spolehlivosti.
Na obrázku je vidět, k čemu je URLLC zamýšlené a jak si stojí oproti ostatním technikám v 5G sítí, jako je eMB, tedy enhanced mobile broadband a mMTC, massive machine type communication.
URLLC v 5G dosahuje latence v řádu milisekund (řekněme 1-4 ms) s extrémně vysokou spolehlivostí (99,9999%), což je výrazné zlepšení oproti LTE/4G, kde typická latence byla kolem 20-30 ms. Tohoto výsledku je dosaženo kombinací několika technologií a architektonických změn. 5G využívá kratší intervaly přenosu (TTI), flexibilní numerologii (tedy číslování přenašečů) a nové schéma plánování, které umožňuje rychlejší zpracování a přenos dat. Dále, 5G zavádí koncept network slicingu, který umožňuje vytvořit dedikovaný “slice” čili plátek sítě optimalizovaný pro URLLC provoz.
Na fyzické vrstvě 5G implementuje robustnější kódování a modulaci, které zvyšují odolnost proti chybám. URLLC také těží z edge computingu v 5G, který přibližuje zpracování dat blíže k uživateli, čímž dále snižuje latenci. Navíc, 5G podporuje dual connectivity, což umožňuje zařízením současně komunikovat s více základnovými stanicemi, zvyšujíc tak spolehlivost připojení.
Tyto vylepšení umožňují 5G podporovat uživatelské případy, které byly v LTE/4G nemyslitelné, jako je dálkové ovládání robotů, autonomní vozidla, průmyslovou automatizaci v reálném čase nebo telemedicínu. URLLC tak otevírá dveře novým aplikacím a službám, které mohou transformovat průmysl a společnost.
Teď už si to rozebereme v bodech podrobněji:
- Fyzická vrstva (PHY):
- Kratší časové sloty: 5G NR používá subnosné rozestupy až 120 kHz, což umožňuje kratší symboly a time-slots (0.125 ms).
- Flexibilní numerologie: Umožňuje dynamickou změnu délky OFDM symbolů a cyklického prefixu. Mini-sloty: Umožňují začít přenos uprostřed slotu, snižujíc čekací dobu.
- Robustní kódování: Použití pokročilých LDPC (Low-Density Parity Check) kódů pro kontrolu chyb.
- MAC vrstva:
- Preemptivní plánování: Umožňuje přerušit probíhající přenos pro URLLC data.
- Grant-free uplink: UE může vysílat bez čekání na explicitní povolení od základnové stanice.
- Častější HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) cykly: Rychlejší opravy chyb.
- RRC (Radio Resource Control):
- Configured grants: Předkonfigurované přidělení zdrojů pro rychlý uplink přenos.
- Dual connectivity: Simultánní připojení k více základnovým stanicím pro zvýšení spolehlivosti.
- Síťová architektura:
- MEC (Multi-access Edge Computing): Zpracování dat blíže k uživateli.
- Network slicing: Dedikované síťové zdroje pro URLLC provoz.
- Optimalizovaná core network: Kratší cesty paketu a efektivnější směrování.
- QoS mechanismy:
- 5QI (5G QoS Identifier): Specifické identifikátory pro URLLC provoz zajišťující prioritizaci.
- Reflective QoS: Dynamická aplikace QoS pravidel bez signalizace.
- Pokročilé anténní techniky:
- Massive MIMO: Zlepšuje spolehlivost signálu a snižuje interference.
- Beamforming: Cílené směrování signálu pro zvýšení SNR.
- Redundance a diverzita:
- Packet duplication: Stejný paket je odeslán přes více cest pro zvýšení spolehlivosti.
- Interface diversity: Využití různých rozhraní (např. sub-6 GHz a mmWave) pro redundanci.
- Prediktivní techniky:
- Proactive packet scheduling: Plánování na základě predikce síťových podmínek.
- ML-based resource allocation: Využití strojového učení pro optimální alokaci zdrojů.
- Cross-layer optimalizace:
- Těsná integrace mezi PHY, MAC a vyššími vrstvami pro minimalizaci overhead.
- End-to-end QoS management: Zajištění URLLC požadavků napříč celou síťovou cestou.
URLLC má své velké zastánce v průmyslu, především v segmentu automotive a Industry 4.0. V obojím se hodí jako spolehlivý přenašeč potřebných informací. Aliance 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) je velkým zastáncem URLLC pro průmyslové využití. V každém případě je URLLC teprve na počátku cesty a jak to s jeho adaptací dopadne, teprve uvidíme. Navíc více či méně se překrývá s jinými technologiemi, které mohou být komplementární nebo zcela substitutivní. Jen namátkou:
- TSN (Time-Sensitive Networking): IEEE standard pro deterministické přenosy v Ethernetových sítích.
- DECT-2020 NR: Nový standard pro průmyslový IoT s nízkým zpožděním.
- Wi-Fi 6 (802.11ax) a budoucí Wi-Fi 7: Zaměřují se na snížení latence v bezdrátových sítích.
- Privátní LTE sítě: Dedikované LTE sítě pro průmyslové použití.
- LoRaWAN a NB-IoT: Pro IoT aplikace, které nepotřebují extrémně nízkou latenci, ale vyžadují nízkou spotřebu energie.
Je důležité poznamenat, že zatímco tyto technologie mohou konkurovat URLLC v určitých aplikacích, URLLC má unikátní kombinaci nízké latence, vysoké spolehlivosti a mobility, kterou jiné technologie zatím nemohou plně napodobit.
URLLC je stále ve fázi rozvoje a jeho plný potenciál se teprve začíná realizovat. S postupným nasazováním 5G sítí a vývojem use cases se očekává, že využití URLLC bude významně růst v nadcházejících letech.
