V minulém čísle jsme popsali vývoj veřejné pozemní mobilní komunikace a shrnuli základní poznatky o buňkových strukturách. Na následujících řádcích přiblížíme, k jakým dalším pokrokům směrem k perspektivním systémům 5. generace došlo v nedávné době.
Původní homogenní buňkové sítě z konce minulého století se skládaly jen z velkých „kilometrových“ makrobuněk. Pokud je každé buňce k dispozici stejný počet rádiových kanálů, zajistí síť tohoto typu stejnou hustotu provozu na celém obsluhovaném území. Počet zájemců o nabízené služby však od počátku prudce narůstal, zejména v obydlených prostorech, ale i v jiných „horkých bodech“, jako jsou nádraží či supermarkety. Pro nedostatečnou provozní kapacitu pak v těchto kritických lokalitách docházelo k přetížení nebo i k výpadkům spojení. Tato situace se z počátku řešila tzv. dělením buněk („cell splitting“) a jejich členěním na sektory („sectorization“). Další opatření spočívala v tom, že se na území pokrývaném velkými deštníkovými makrobuňkami začaly budovat navíc malé mikro- a pikobuňky, a dokonce metrové femtobuňky, čímž se od homogenní koncepce přecházelo k heterogenní koncepci HetNet („heterogeneous network“), uvedené na obr. 1.
Pokud mají buňky k dispozici dostatečné neměnné počty kanálů, potom se přímo úměrně jejich plošnému zmenšování zvětšuje jejich provozní kapacita, a tím se odstraňuje nebezpečí jejich přetížení. Menší vysílací výkony základnových stanic v malých buňkách navíc v souhrnu vedou také ke značným energetickým úsporám, neboť s klesajícím poloměrem buňky se snižují potřebné výkony vysílačů (v BS i MS) rychleji než její plocha.
Obr. 1: Moderní heterogenní rádiová přístupová síť C-RAN s velkým počtem rádiových hlavic RRH, které jsou spojeny optickou distribuční sítí DROF (fronthaul) s jednotkami BBU, koncentrovanými do kabinetů CO; ty jsou potom napojeny na jádro sítě CN. Součástí sítě jsou i terminály D2D, reléové uzly RN apod. Centralizované jednotky BBU využívají podporu cloudových technologií.
Radikální krok vpřed
Rychle se rozvíjející monolitické technologie a další technické inovace však umožňují při modernizaci buňkových sítí ještě radikálnější krok vpřed, a to prostorové rozdělení funkcionalit základnových stanic BS, které je rovněž zachyceno na obr. 1. To se provádí tak, že se jejich rádiové jednotky RFU umístí těsně u antén na vrcholech stožárů, kde se potom označují jako vzdálené rádiové hlavice RRH („remote radio head“). Tímto opatřením se odstraní citelné ztráty v klasických anténních napaječích. Jednotky základního pásma BBU více základnových stanic se naopak soustředí do jediné společné procesní jednotky CO („BBU central office“, „BBU pool“), která je potom ovšem od hlavic RRH značně vzdálena.
Vzájemné propojení bloků RRH a BBU zprostředkuje síť, anglicky označovaná termínem „mobile fronthaul“. Tu mohou realizovat klasické mikrovlnné radioreléové spoje. Jako velmi nadějné se zde však ukazují optické spoje, které snadno překlenou vzdálenosti až několika desítek km při podstatně větší šířce pásma a menším útlumu, než mají spoje metalické. Optické spoje přenášejí digitalizované rádiové signály buď ve standardu DROF („digital radio over fiber“), nebo CPRI („common public radio interface“). Jednotky BBU soustředěné do jediné lokality (CO) lze již snadno vzájemně propojit širokopásmovými spoji (rozhraní X2), což usnadňuje jejich kooperaci.
Virtualizace síťových funkcí
Heterogenní přístupovou síť HetNet dále zdokonalí aplikace nových počítačových cloudových technologií. Tak vzniká cloudová síť C-RAN („cloud-RAN“), v níž operátor využívá k plnění potřebných síťových funkcí místo dosavadního dedikovaného aplikačně specifického fixního hardwaru v jednotlivých kabinetech CO komerční servery v datových centrech. Tím dochází k virtualizaci uvedených síťových funkcí NFV („network function virtualization“).
Virtualizovaná síť C-RAN nabízí zvýšenou spektrální a energetickou účinnost. Kromě toho umožňuje velice efektivní využití výpočetní kapacity datových center, která se může dynamicky přesouvat podle okamžité potřeby mezi různými lokalitami obsluhované oblasti v závislosti na denní době apod. Tímto způsobem („load-balancing“) lze například čelit nepříznivému efektu „přílivu – odlivu“ uživatelů systému, vznikajícímu ranními přesuny z jejich obydlí na pracoviště a jejich odpoledními návraty. Podobně se řeší nerovnoměrné vytížení sítě při velkých sportovních zápasech nebo při přírodních katastrofách apod. V cloudové síti se také snáze provádějí její inovace.
Pro zlepšení pokrytí v zastíněných lokalitách nebo na okrajích buněk lze uvedenou fixní strukturu doplňovat ještě radioreléovými uzly RN („relay nodes“), které mají dobré spojení jak se základnovou stanicí BS, tak s odlehlou mobilní stanicí MS. Ty potom mohou slabé přijímané signály základnové stanice BS zesilovat a předávat dále k přijímači mobilní stanice MS, která je pro přímé spojení s BS nedostupná; stejně pak působí RN i v opačném směru.
Densifikace buňkové sítě
Uzly RN byly v prvé vývojové fázi fixní (FRN), v dalším vývoji se pak objevují reléové uzly mobilní (MRN), použitelné například v prostředcích veřejné dopravy. V tomto prostředí se mohou též provozovat uživatelské terminály s možností vzájemné přímé komunikace typu D2D („device to device“), které snižují zatížení základní sítě. Ke zlepšení pokrytí přispívají i distribuované anténní systémy DAS („distributed antenna systems“), nahrazující jedinou anténu centrální základnové stanice BS několika dílčími anténami rozptýlenými po celé buňce, jež jsou s BS spojeny například metalickými nebo optickými spoji.
Uvedené přídavné vysílací body přispívají k densifikaci celé buňkové sítě, která je jedním ze základních rysů systému 5G. Densifikace by měla vést k mimořádně hustým sítím, které mohou prakticky všem svým uživatelům nacházejícím se v obsluhovaném území poskytovat co nejvyšší přenosové rychlosti, a to s co nejnižší energetickou spotřebou a v omezených frekvenčních pásmech. Takto modernizovaná přístupová síť C-RAN je dále spojena již běžným způsobem s jádrem sítě CN.
S rostoucí hustotou sítě se ale zvyšuje nebezpečí vzájemných interferencí. Tento problém pomáhá řešit vzájemná kooperace jejich fixních složek, která zajistí potlačení interferencí a následkem toho zvýší kvalitu spojení, a to zejména na okrajích buněk nebo v zastíněných oblastech.
Obr. 2: Koncepce masivního MIMO, umožňující díky velkému počtu antén na základnové stanici BS vysílat k mobilním stanicím velké objemy dat, a to s velkou spektrální i energetickou účinností.
Technologické novinky pro 5. generaci
Mají-li systémy 5. generace plnit náročné úkoly, je nutné v nich prosadit nejen novou architekturu, ale i nové technologie. Připomeňme si alespoň některé z nich.
• V systému LTE (4G) se úspěšně uplatňuje jako základní modulační technika ortogonální frekvenční multiplex OFDM („orthogonal frequency division multiplex“), který díky přenosu signálu na mnoha paralelních subnosných vlnách („multicarrier“) vykazuje značnou odolnost proti mnohocestnému šíření.
Pro systémy 5G – vzhledem k široké škále jejich aplikací, a tedy i rozdílným požadavkům na přenos – však není OFDM optimální. Jako vhodnější se ukazují formáty, které rovněž využívají koncepci mnoha subnosných vln, avšak opouštějí principy jejich ortogonality a striktní synchronizace. Jako nadějný se ukazuje například univerzální filtrovaný multiplex UF OFDM („universal filtered OFDM“), zkoušejí se však i některé další modulační techniky.
• Technika více antén ve vysílači i v přijímači MIMO („multiple input multiple output“) zvyšuje spektrální účinnost rádiového přenosu, a to zhruba přímo úměrně počtu antén ve vysílači, resp. v přijímači. Tak například nejvyspělejší mód 8 x 8 MIMO, plánovaný pro standard LTE-A (4G), má ve vysílači i v přijímači osm antén, čímž se zvětší jeho přenosová rychlost – vůči systému s jedinou vysílací a jedinou přijímací anténou – osmkrát, a to při nezvětšeném frekvenčním pásmu a s nezvětšeným celkovým vysílacím výkonem (!).
V systému 5G bude technika MIMO dále zlepšována. Počet antén na miniaturním mobilním terminálu sice zůstane malý, avšak počet antén na základnové stanici BS bude běžně dosahovat několika stovek, tak jak ukazuje obr. 2. Tento systém, označovaný jako velmi velké MIMO (VLM, tj. „very large MIMO“) nebo také masivní MIMO, umožní vysílat data od základnové stanice k velkému počtu mobilních terminálů ve společném nezvětšeném frekvenčním pásmu a s nezvětšeným celkovým vysílacím výkonem. Velký počet antén v základnové stanici potom navíc dovolí vysílat signály k jednotlivým terminálům MS v ostře směrovaných anténních svazcích, což povede k dalšímu nárůstu energetické účinnosti systému a také k výraznému zmenšení interferencí jak se sousedními směrovými svazky, tak se svazky jiných buněk.
• Splnění vysokých nároků na kapacitu systému 5G bude vyžadovat mnohem širší frekvenční prostor. Ten lze získat osvojením nových pásem uvolněných televizí v důsledku její digitalizace (digitální dividenda) a zejména pronikáním do nových, dosud nevyužitých milimetrových vlnových délek λ ≤ 1 cm (frekvencí nad 30 GHz).
Závěr
Systém 5G představuje ve vývoji pozemní mobilní komunikace revoluční skok vpřed. Personální služby přinesou vůči sítím LTE/4G zvýšení špičkové datové rychlosti z hodnoty 1 Gb.s-1 na 10 Gb.s-1 a zmenšení latence z 10 ms na 1 ms. Dále obohatí sortiment aplikací o rádiovou komunikaci strojového typu MTC (M2M) a o přímou komunikaci D2D mezi uživatelskými terminály. V současné době je již v celosvětovém měřítku v plném proudu studijní etapa systému 5G. Jeho definitivní specifikace lze očekávat v období let 2016 až 2018, uvedení do života potom okolo roku 2020.
Ing. Václav Žalud, CSc., Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze