Hrozí kríza z nedostatku frekvencií?

Požiadavky na mobilný broadband stúpajú enormne rýchlo. Smartfóny a tablety zvyšujú zaťaženie sietí a tie vraj čoskoro kapacitne nezvládnu nápor používateľov. Ceny za mobilný internet pôjdu hore, varujú niektorí mobilní operátori, tvrdiac, že frekvenčné prídely sú nedostatočné a oni pri súčasných spotrebiteľských trendoch (a aktuálnych cenách) nebudú vedieť uspokojiť dopyt.

Hlas nie je problémom

Je pravdou, že nároky GPRS alebo EDGE na šírku pásma sú mnohonásobne nižšie ako v prípade 3,5G, alebo dokonca LTE, ale tomu zodpovedajú aj nepomerne vyššie rýchlosti mobilného prenosu dát pri nových technológiách. Hlasovú komunikáciu nechajme bokom, pretože z hľadiska súčasnej prevádzky v mobilných sieťach prestáva byť hlavným bremenom. V sieťach GSM/GPRS/EDGE zaberá hlasové spojenie 1 timeslot, kým dátové spojenie podľa aktuálnej záťaže bunky/sektoru pokojne 4+1 timesloty, ba aj viac, ak to sieť umožňuje.

Okrem toho pri penetrácii nad 100 percent už hlasové komunikácia nemá veľmi kam expandovať (pravda ak by operátor ponúkal volania „zdarma“, účastníci dokážu aj cez hlas generovať slušné prevádzkové zaťaženie) a už pred niekoľkými rokmi mobilná dátová prevádzka prevýšila hlasovú.

Objem hlasovej prevádzky sa v zásade nemení, zato dátová spotreba nepretržite rastie, pretože sa vyvíjajú preferencie používateľov smerom k náročnejším multimediálnym aplikáciám a cez mobilný širokopásmový prístup „ťahajú“ čoraz viac videa.

Okrem toho v mobilných sieťach novej generácie – od LTE vyššie, bude vďaka All IP charakteru siete aj hlas prenášaný cez IP, no jeho príspevok k celkovej prevádzke nebude podstatný.

Reálne obavy, alebo hry operátorov?

Podľa New York Times najväčší mobilní operátori v USA – Verizon, AT&T, Sprint, či T-Mobile tvrdia, že spektra budú mať čoskoro nedostatok a previs dopytu po dátových službách vyvolá ich následné zdražovanie. Naozaj?

Je pravdou, že prevádzka v sieťach mobilného internetu rastie rýchlejšie ako pri fixnom pripojení a podľa analýzy Cisco sa mobilná dátová prevádzka len za minulý rok zdvojnásobila, ale situácia nie je taká beznádejná, ako sa ju snažia maľovať operátori.

Aj podľa spomínaného článku v N.Y.Times hrajú operátori svoje vlastné zákulisné hry s regulátorom, aby dosiahli priaznivejšie podmienky pri rozdeľovaní onoho obmedzeného zdroja, ktorým je frekvenčné spektrum. Pekne sa však k problému vyjadril bývalý profesor počítačových vied na Massachusetts Institute of Technology David P. Reed, ktorý je v súčasnosti viceprezidentom SAP Labs: „Hovoriť, že dôjde spektrum, je ako tvrdenie, že sa minú farby“. Vnímanie rádiovej komunikácie v súvislosti s frekvenciou ustrnulo podľa Reeda na úrovni začiatku 20 storočia, kedy sa začalo rozvíjať rozhlasové vysielanie.

Rádiové spektrum z pohľadu dnešných technológií nie tým istým obmedzeným priestorom, akým bolo pred pár desaťročiami, kedy sa tvorila koncepcia mobilných sietí 1. a 2. generácie. Na druhej strane je pravda, že mobilní operátori neradi siahajú po technológiách a metódach, ktoré im umožnia poskytovať rovnaké služby v užšom frekvenčnom pásme. Radšej obsadia čo najväčší priestor, aby eliminovali vstup potenciálnej konkurencie. Platí to v Amerike rovnako ako na Slovensku - v mobilných sieťach aj v televízii.

Bolo by naivné domnievať sa, že voľba kompresie MPEG-2 pre slovenskú DVB-T bola motivovaná len prospechom divákov, aby si mohli kúpiť lacnejšie set-top boxy.

Tak ako MPEG-4 v DVB-T, prípadne nasadenie modernejšej technológie DVB-T2 umožňuje preniesť minimálne dvojnásobok informácií v rovnakom pásme, existujú možnosti lepšieho využitia spektra aj pri mobilnom broadbande.

Jednou z možností je využitie inteligentných MIMO antén. Ďalšou je nasadzovanie nových technológií. Efektivitu využitia frekvenčného spektra môžeme hodnotiť pomocou parametru spektrálnej účinnosti. Spektrálna účinnosť je pomer bitovej rýchlosti a šírky pásma a vyjadruje sa v jednotkách bit/s/Hz. Čím vyššia rýchlosť pri rovnakej šírke kanála, alebo čím užší kanál pri rovnakej rýchlosti, tým vyššia je spektrálna účinnosť.

Napríklad LTE dosahuje spektrálnu účinnosť približne 5 bit/s/Hz, z čoho vychádza pri šírke kanálu 20 MHz práve deklarované maximum 100 Mbit/s pre DL. Pomocou MIMO a ďalších technológií pritom môže LTE túto hranicu rýchlosti posunúť aj vyššie. Hovorí sa o teoretickej maximálnej rýchlosti 326,4 Mbit/s, čomu zodpovedá špičková spektrálna účinnosť asi 16,3 bit/s/Hz.

Pre LTE je charakteristická aj spektrálna flexibilita, keďže môže využívať šírku pásma medzi 1,25 až 20 MHz. Užšiemu pásmu však zodpovedá aj adekvátne nižšia rýchlosť, hoci spektrálna účinnosť môže byť rovnaká.

HSPA pri maximálnej rýchlosti 14,4 Mbit/s na kanáli o šírke 5 MHz má spektrálnu efektivitu 2,9 bit/s/Hz, ale pri nižších maximálnych rýchlostiach, napr. v HSPA sieti Telekomu je maximálny DL len 7,2 Mbit/s, je to len polovica, tzn. 1,44 bit/s/Hz. Naopak lepšiu spektrálnu účinnosť – okolo 4,2 bit/s/Hz dosahuje HSPA+. Efektivita je pritom rovnaká pri HSPA+ s rýchlosťou 21 Mbit/s, alebo DC HSPA+ s rýchlosťou 42 Mbit/s, ktorá je ale dosahovaná v kanáli o šírke 2x5 MHz. Pri nasadení MIMO antén môže však spektrálna účinnosť HSPA+ dosiahnuť až dvojnásobok.

Technológie kopírujú reálny dopyt

Vývoj sa však nezastavil. Systém LTE Advanced, ktorý je súčasťou odporúčania 3GPP Release 10 a spätne kompatibilný s LTE Release 8 aj Release 9, má dosahovať niekoľkokrát vyššiu spektrálnu účinnosť oproti LTE - v downlinku 30 bit/s/Hz a v uplinku 15 bit/s/Hz a polovičnú latenciu (5 ms). Rozmenené na drobné to znamená, že pokiaľ by operátor nasadil technológiu LTE Advanced (zatiaľ nie je, bohužiaľ, komerčne dostupná), dokáže pri rovnakej priemernej dátovej prevádzke obslúžiť v tom istom frekvenčnom priestore zhruba sedemnásobok zákazníkov oproti HSPA+ alebo desaťnásobok oproti HSPA. Takáto matematika však nefunguje, lebo, ako sme už spomínali, užívateľské preferencie sa posúvajú a priemerná dátová spotreba stúpa. Okrem toho maximálne rýchlosti sa pri žiadnej mobilnej technológii v praxi nedosahujú, takže je potrebné pracovať s priemernými hodnotami spektrálnej efektivity, ktoré lepšie odrážajú skutočné podmienky v sieti.

Lepšie využitie spektra prinesú nielen nové technológie, ale aj efektívnejšie využívanie tých existujúcich. Inteligentné MIMO antény dokážu pri rovnakej šírke pásma dosiahnuť vyššiu spektrálnu účinnosť a tým aj vyššiu rýchlosť. Okrem toho sa sprístupňujú nové oblasti spektra, ktoré vo vyšších pásmach umožňujú získať väčšie frekvenčné prídely. V nižších pásmach (800 MHz, 900 MHz) zas môžu operátori rýchlo dosiahnuť celonárodné pokrytie. Zaujímavá je v tomto smere nielen digitálna dividenda, ktorá sa má na Slovensku deliť už čo nevidieť, ale aj potenciálne nasadenie LTE v pásme 900 MHz namiesto GSM. Šibnutím čarovného prútika by sa tak mnohonásobne zvýšila spektrálna účinnosť v najrozšírenejšom pásme.

Sú teda obavy z nedostatku spektra reálne? Odpoveďou je názor vynálezcu mobilu Martina Coopera, bývalého viceprezidenta spoločnosti Motorola. „Kríza spektra je tu každého 2,5 roka a vždy bola vyriešená. Už dnes poznáme technológie na budúcich päťdesiat rokov dopredu,“ cituje M. Coopera New York Times. Napriek „nádherne hrozivým“ štatistikám rastu dátovej prevádzky mobilné siete neskolabujú, môžeme byť pokojní. Operátori, regulačné orgány a tvorcovia technológií nakoniec vždy dospejú k funkčnému modelu mobilnej komunikácie.