Preteky šampiónov: Po LTE príde LTE-A aj 5G

Kým na Slovensku alebo v Česku je LTE stále len prísľubom budúceho zlepšovania mobilného internetu, vo väčšine krajín EU, nehovoriac o USA, Južnej Kórei či Japonsku, už operátori LTE siete rozvinuli. Tieto preteky v zrýchľovaní síce používateľom neprinesú vždy revolučné zlepšenie kvality, ale modernizácia sietí nie je len o rýchlosti sťahovania a odosielania dát, alebo o latencii.

Faktom je, že pre väčšinu bežne používaných aplikácií v mobiloch, tabletoch aj prenosných počítačoch postačujú rýchlosti technológií 3,5G dostupných aj u nás. Hovoríme o HSPA, HSPA+ a o DC HSPA+, pričom to posledné stále nedosiahlo svoje limity.

Zmysel zrýchľovania

Otázkou je, akú dolnú hranicu reálnych rýchlostí dokážu mobilní operátori garantovať na existujúcej infraštruktúre? Keďže rýchlosť priemerného používateľa závisí od kapacity daného sektora bunky, na danú otázku neexistuje spoľahlivá odpoveď. Parametre siete sa menia v čase, aj v priestore, takže riadiť sa môžeme len štatistikou. Aj tá však môže dramaticky kolísať v závislosti od preferencií používateľov.

Ak sa zrazu zmenia na „sťahovačov“, alebo sa mnohí rozhodnú cez smartfóny a tablety sledovať v rovnakom čase televízny prenos dôležitého zápasu, ľahko sa ukáže, kde je úzke hrdlo mobilného internetu. Je ním prístupová sieť rádiového rozhrania. A práve tu majú technologické inovácie najväčší zmysel.

Zvyšovanie rýchlosti „hrubou silou“, pomocou pridávania a rozširovania kanálov (čiže nosných frekvencií a MIMO antén), dokáže aj HSPA+. A teoreticky tým môže v rýchlosti sťahovania dát súťažiť aj s LTE. Nové technológie však prinášajú lepšie vyťaženie pásma, nižšiu latenciu (odozvu) a ďalšie vylepšenia.

Rádiové spektrum je nedostatková komodita a operátori pri rozvoji, aký praktikujú doteraz, už siahajú na dno dostupných zdrojov. Boom smartfónov a tabletov tento vývoj len stimuluje.

Myslíte si, že HSPA už povedalo posledné slovo? Vývoj nominálnych rýchlostí HSPA v závislosti od šírky pásma a počtu antén. Graf: Nokia Siemens Networks

Konečne pravé 4G

LTE má vyššiu spektrálnu efektivitu (teda efektivitu vyťaženia pásma) než HSPA a HSPA+ a dokáže pružnejšie narábať s frekvenčným spektrom, okrem iného aj vďaka variabilnej šírke kanála od 1,25 MHz do 20 MHz. Pokiaľ sa sieť využije aj na prenos hlasu prostredníctvom VoLTE , prináša to ďalšie úspory spektra a znižovanie nákladov.

Nepochybne je LTE dobre premyslená a zrelá technológia, ktorá bude dôstojným nástupcom sietí 3G. Ale aj keď sa z marketingových dôvodov označuje ako 4G, LTE je len „skoro 4G“. Podľa klasifikácie IMT Advanced je technológiou sietí 4G až takzvané pokročilé LTE, čiže LTE-Advanced (LTE-A) a WiMAX rel.2 (802.16m).

Zvýšenie prenosovej kapacity pri LTE-A agregáciou 5x20 MHz kanálov. Obr.: QUALCOMM

S kanálom šírky 20 MHz bez MIMO antén ponúka LTE-A rýchlosť sťahovania dát „len“ 150 Mbit/s. Dokáže však agregovať dva až päť kanálov a pri šírke pásma 40 MHz až 100 MHz dosiahnuť rýchlosti od 300 do 750 Mbit/s (pri použití 2x2 MIMO), alebo viac ako 1 Gbit/s s anténami 4 x 4 MIMO.

Podstatným prínosom LTE-A však budú vylepšenia, ktoré počítajú s integráciou malých buniek (picocells) do klasických makro-buniek pokrývaných zo sajtov eNodeB a flexibilné riadenie frekvenčných rámcov medzi piko-bunkami a nadradenými makro-bunkami. Tu už môžeme hovoriť o skutočnej 4G technológii.

Zvýšenie rýchlosti typického (medián) LTE účastníka vplyvom zvýšenia dosahu piko-buniek v LTE-A oproti sieti LTE Release 8 len na báze „veľkých“ základňových staníc je až 2,8-násobné. Obr.: QUALCOMM

V niektorých krajinách sa už prvé siete LTE-A objavili. Kórejský operátor SK Telecom ako prvý spustil komerčnú sieť LTE-Advanced koncom júna 2013 a hoci zatiaľ ponúka len polovicu z plánovanej rýchlosti 300 Mbit/s, záujem zákazníkov je veľký. Po komerčnom spustení siete rástol počet používateľov LTE-A o desaťtisíc denne, takže po dvoch týždňoch malo k dispozícii rýchle dáta už 150-tisíc Kórejčanov, uviedol portál TNW . Nedávno spustil ako prvý sieť LTE Advanced v pásme 1 800 MHz a 900 MHz austrálsky operátor Telstra.

5G sa blíži, nebude však skoro

5G je zatiaľ skôr symbolickým označením pre mobilné siete, ktoré predstavujú ďalšiu fázu po 4G/ LTE-A. Rok 2020 je míľnikom, kedy sa očakáva príchod prvých sietí piatej generácie, ale mnoho kľúčových technologických inovátorov a inštitúcií aplikovaného výskumu na vývoji technológií 5G pracuje už roky. Napríklad japonský mobilný líder NTT DoCoMo, ktorý sa podieľal aj na vývoji UMTS, HSPA a ďalších technológií, už v decembri 2005 dosiahol s použitím antén 6x6 MIMO a modulácie 64-QAM, pri šírke kanála 100 MHz rýchlosť prenosu 2,5 Gbit/s.

Terminál bol umiestnený v dodávke, pohybujúcej sa rýchlosťou 20 km/hod. Hoci sme pred rokmi o týchto experimentoch informovali ako o prípravách na 4G, dnes vieme, že NTT DoCoMo už pracoval na ďalšej generácii – 5G.

Podľa špecifikácií IMT Advanced majú totiž siete 4G zabezpečiť prenosovú rýchlosť 1 Gbit/s pri statickom pripojení a od pohybujúcich sa terminálov požaduje „len“ 100 Mbit/s.

Keď hodnotíme spektrálnu efektivitu - teda mieru vyťaženia nejakého pásma, musíme uznať, že 25 bit/s/Hz dosahovaných pri uvedených prenosoch NTT DoCoMo výrazne presahuje výsledky dnešných technológií. Napríklad „slovenské“ DC HSPA+ pri šírke kanálu 10 MHz bez použitia MIMO antén má maximálnu rýchlosť downlinku 42 Mbit/s, čomu zodpovedá zhruba šestinová spektrálna efektivita (4,4 bit/s/Hz) oproti japonskému experimentu. LTE-A s rýchlosťou 150 Mbit/s s 20 MHz kanálom, je na tom už výrazne lepšie ako HSPA+, keďže má spektrálnu efektivitu zhruba 7,9 bit/s/Hz.

5G je kombináciou toho najlepšieho z najnovších verzií existujúcich technológií, doplnenou o nové vlastnosti. Stane sa základom „zosieťovanej spoločnosti“ (Network Society) po roku 2020. Zdroj: Ericsson

Doteraz s každou novou generáciou mobilných technológií výrazne rástla šírka kanála. V sieťach 1G to bolo do 30 kHz, 2G cca 200 kHz, 3G až do 20 MHz a 4G až 100 MHz. Siete 5G by mali využívať opäť väčšiu šírku kanálu oproti 4G a mohli by to byť znovu násobky, takže dospejeme k stovkám MHz. Používať na zvyšovanie kapacity už spomínanú „hrubú silu“ širších spektrálnych prídelov už ale pôjde ťažšie ako doteraz. Disponibilné spektrum pre pozemné vysielanie je už značne obmedzené a niektorí odborníci dokonca spochybňujú zmysel skorého zavádzania 5G.

Nuž, tak skoro to zas nebude. Ak hovoríme o časovom horizonte po roku 2020, pôjde o sedem, reálnejšie možno až o desať rokov a to je v mobilných technológiách viac než jedna historická epocha.

Siete 5G majú operovať v širokom frekvenčnom spektre a využívať ich má mnoho rôznych typov aplikácií. Zdroj: Ericsson

Pre zabezpečenie potrebnej konektivity majú siete 5G operovať v širokom spektrálnom rozsahu od stoviek MHz, po stovky GHz. Ťažisko vysoko výkonných 5G sietí má byť pritom v pásme 10 až 100 GHz. Takéto pásma majú ale špecifiká z hľadiska šírenia sa signálu a nie sú výhodné pre pokrývanie rozsiahlych riedko osídlených oblastí.

5G pre výrazné šetrenie batérií

Treba povedať, že špecifikácie 5G zatiaľ nie sú zahrnuté v žiadnych oficiálnych štandardoch, ba ešte neexistuje ani ucelená predstava, čo všetko by mali tieto siete podporovať. Projekt konzorcia METIS (Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society), ktorý sumou 16 miliónov eur podporila aj Európska komisia predpokladá, že technológie 5G prinesú až 100-krát vyššiu prenosovú rýchlosť pri 5 x nižšej latencii oproti súčasným technológiám. Referenčným rámcom pre tento odhad má byť pritom súčasné LTE.

Vďaka novým topológiám siete, frekvenčnému manažmentu a vyššej spektrálnej efektivite zvládne 5G až 1000-násobok dátového objemu v danej oblasti (v sektore BTS) a vďaka nižšej spotrebe energie by mali mať terminály 5G až 10 krát dlhšiu životnosť batérie. V súčasnosti prebieha za účasti kľúčových hráčov spomedzi operátorov, výrobcov a akademikov diskusia o atribútoch 5G. Štandardizačný proces by mal začať už čoskoro.

5G je otázkou prestíže

Nemusíme dookola opakovať klišé o konkurencieschopnosti, informačných diaľniciach, pracovných príležitostiach, či práci z domu. Všetky tieto oblasti samozrejme 5G posunie o veľký kus dopredu.

Vzhľadom k odlišnostiam vo filozofii fungovania siete 5G sa však môžeme naozaj dočkať revolučných zmien (áno, už zase) v mobilných službách, aj v termináloch. Ale prechod od 4G k 5G môže byť nakoniec aj plynulý, tak ako tomu bolo v prípade sietí 2,5G a 3G a zrejme tomu nebude inak ani na technologickej osi HSPA(+) – LTE – LTE Advanced. Výrobcovia totiž nerešpektujú dohody o nejakých generáciách a radi predbiehajú dobu, ak dokážu vyťažiť z nových funkcií implementovaných do svojich produktov.

V odporúčaní 3GPP Rel.11 sa napríklad pre HSPA+ počíta s kanálom až 40 MHz pre prijímanie dát s 8 nosnými a 10 MHz (2 nosné) pre opačný smer – uplink. Rýchlostné maximá s použitím 2x2 MIMO antén majú dosiahnuť 336 Mbit/s pre DL a 69 Mbit/s pre UL. Podotýkam, že sa stále nachádzame v technologickej oblasti HSPA+, čiže pod 4G. 

Od roku 2007 investovala EÚ do výskumu sietí budúcich generácií (NGN) vyše 700 mil. eur, pričom väčšina z týchto prostriedkov smerovala do oblasti bezdrôtových technológií.

Aj v tomto roku rozhodla EK o podpore výskumu mobilných technológií 5G predbežnou dotáciou 50 miliónov eur. Viceprezidentka európskej komisie Neelie Kroes by rada videla EÚ na čele globálneho mobilného priemyslu a nie je jediná. Finančná injekcia smeruje do výskumných projektov  Mobile Cloud Networking , METIS ,  5GNOW , TROPIC , COMBO , MOTO , iJOIN  a ďalších.

Strategický význam budúcej generácie mobilných sietí si uvedomujú popri odborníkoch aj politici, takže vývoj sietí 5G nachádza podporu na vládnej, aj nadnárodnej úrovni. Keďže náš každodenný život je s mobilnými technológiami čoraz viac previazaný, je táto pozornosť inštitúcií pochopiteľná.