Ve vývoji veřejné pozemní mobilní komunikace bude představovat revoluční krok vpřed systém páté generace (5G), který začne ožívat okolo roku 2020. Tento systém umožní přístup k informacím a sdílení dat kýmkoli nebo čímkoli, kdekoli a kdykoli.
BUDE TEDY SPLŇOVAT velice náročné a různorodé požadavky na komunikaci budoucí informační „zasíťované“ společnosti, a to jak v rovině dosavadní personální komunikace H2H („human to human“), tak perspektivně i komunikace strojové čili M2M („machine to machine“). Do systému 5G budou začleněny nepřetržitě se vyvíjející technologie poslední, čtvrté generace LTE a WiFi, jeho páteří však budou zcela nové koncepce rádiového přístupu, které kromě dosavadních nižších frekvenčních pásem budou disponovat i novými pásmy milimetrových vln.
V roce 1896 uskutečnil Guglielmo Marconi první pokusy s rádiovým přenosem ve formě jiskrové telegrafie. Na počátku minulého století se začaly provozovat první rozhlasové vysílače a ve 30. letech zahájila experimentální vysílání i televize. Již od doby experimentů s hromadným rádiovým přenosem se však objevují pokusy umožnit rádiové spojení také individuálním osobám.
V roli průkopníků detroitští strážci pořádku
První systémy tohoto typu propojovaly jen dvě rádiové stanice. Rádiovou síť pro vzájemnou komunikaci více mobilních uživatelů uvedla do provozu detroitská policie v roce 1921. Policejní mobilní stanice využívaly jedinou stacionární radiotelefonní ústřednu s velkým vysílacím výkonem, která zajišťovala komunikaci v celém Detroitu, tedy v okruhu asi 50 km.
Tato koncepce však byla energeticky velmi neefektivní, neboť uživatelské stanice musely disponovat velkými vysílacími výkony, špatné bylo i využití frekvenčního prostoru. Pro pokrytí velkých území (států nebo kontinentů) je tedy tento přístup nevhodný.
Efektivní pokrytí libovolně velkého území s omezeným počtem rádiových kanálů mohou zajistit buňkové (celulární) sítě, jejichž principy byly poprvé formulovány v roce 1946 (Bell Systems, USA). V praxi se však začaly uplatňovat až po roce 1980, kdy monolitické technologie již umožňovaly hromadnou výrobu mobilních stanic za přijatelnou cenu.
V buňkových sítích je celé obsluhované území rozděleno na kruhové buňky, které se však pro snazší početní rozbor aproximují buňkami šestiúhelníkovými (obr. 1a). Tyto buňky jsou oproti zmíněné „předcelulární“ struktuře relativně malé, takže vysílače jejich základnových stanic vystačí s menšími výkony. V zobrazené buňkové koncepci tři sousední buňky vytvářejí tzv. svazek (cluster) o rozměru N = 3, časté však jsou i svazky s N = 4...12.
Buňková koncepce stále aktuální
Každá buňka má svoji základnovou stanici (BS – „base station“), které je přidělen specifický soubor kanálů, takže se s ostatními buňkami svazku vzájemně neruší. Mobilní stanice (MS – „mobile station“) nacházející se v určité buňce potom komunikují s její BS právě těmito kanály. V rámci svazku lze využít úplně všechny kanály přidělené národním regulačním orgánem danému systému. Tyto kanály přitom lze opakovat v buňkách sousedních svazků, aniž hrozí jejich vzájemné rušení. Buňky se stejnými kanály, nacházející se ve dvou sousedních svazcích, mají totiž již dostatečnou vzájemnou „izolační“ vzdálenost, při níž se téměř neruší. Díky tomu lze s relativně malým počtem kanálů – a tedy s omezeným celkovým rádiovým pásmem BRF – poskytovat služby prakticky neomezenému počtu uživatelů buňkového systému a dosahovat tak vysoké spektrální účinnosti systému ηs. Malé potřebné výkony vysílačů (v BS i MS) potom navíc přinášejí i vysokou energetickou účinnost ηe. To má v současné době neustále narůstajícího nedostatku volného frekvenčního prostoru i energetických zdrojů zcela zásadní význam. Proto je v případě veřejných sítí buňková koncepce stále velmi aktuální a neustále se zdokonaluje.
V první vývojové fázi na konci 20. století měly buňky poměrně velké rozměry, obvykle v řádu několika km i více, a proto se označovaly jako makrobuňky. V každé jejich BS se nacházela mnohakanálová rádiová jednotka RFU („radio frequency unit“, transceiver) obsahující více dílčích vysílačů a přijímačů.
Druhou základní součástí BS byla jednotka pro zpracování signálu v základním pásmu BBU („base band unit“). Obě jednotky byly umístěny společně v klimatizovaném boxu a koaxiálním kabelem spojeny s anténou, situo vanou obvykle na přilehlém vysokém stožáru nebo jiném vyvýšeném místě (obr. 1b). Libovolný uživatel systému potom udržoval pomocí své MS rádiové spojení pouze s BS, v jejímž rádiovém dosahu se právě nacházel.
Každá BS byla prostřednictvím dedikovaných radioreléových či metalických prvků spojena s fixním jádrem sítě CN („core network“), jehož základním blokem byla radiotelefonní ústředna MSC („mobile switching center“). Jádro CN bylo propojeno s klasickou pevnou telefonní sítí a u pokročilejších systémů – 2G či 3G – také s internetem.
První generace: pouze hlas
Buňkové systémy veřejné pozemní mobilní komunikace se začaly budovat v 80. letech minulého století, a to nejprve ve formě první, analogové generace (1G), určené jen k hlasové komunikaci.
Zhruba deset let poté přicházející druhá, již plně digitální generace (2G) umožňovala kromě přenosu řeči také textové zprávy (SMS – „short message service“) a multimediální zprávy (MMS – „multimedia messaging service“), a to nejprve ve své evropské verzi GSM („global system for mobile communications“) a záhy nato i v systémech amerických a japonských. Systémy 2G se také již pokoušely o bezdrátové zpřístupnění internetu. Datové přenosy však většinou nepřekročily rychlost několika desítek kbitů/s.
Po roce 2000 vstupuje na scénu třetí generace (3G), a to ve formě evropského, avšak postupně se globalizujícího standardu UMTS („universal mobile telecommunications system“). Jeho pokročilá varianta HSPA („high speed packet access“), kterou většina z nás dnes používá, disponuje již tak vysokou přenosovou rychlostí a současně tak malou latencí (zpožděním) přenosu, že umožňuje i distribuci kvalitního živého videa, resp. televize. Její efektivní spojení s internetem zpřístupňuje i velmi rychlé datové přenosy a nejrůznější další širokopásmové multimediální aplikace. Díky tomu lze nahrazovat klasické mobilní telefony jejich chytrými („smart“) následovníky s výrazně rozšířenými funkcemi. Do popředí zájmu se dostávají také nové podoby uživatelských terminálů s většími displeji, jako jsou tablety či netbooky.
Čtvrtá generace (4G), reprezentovaná již skutečně celosvětovým systémem LTE („long term evolution“), se měla v praxi rozvíjet již asi od roku 2010. Tento předpoklad se však dařilo plnit jen v průmyslově nejvyspělejších oblastech světa – v USA, Japonsku, Jižní Koreji a v posledních letech i v Číně.
Relativně příznivě se vyvíjel nástup systému LTE také v západní Evropě. Naproti tomu východní Evropa, Střední východ, Afrika a Jižní Amerika zůstávají v aplikaci technologie 4G zatím značně pozadu. Technické parametry LTE jsou však pozoruhodné. V pokročilé vývojové variantě LTE-A za ideálních podmínek při vysílání na sestupné trase DL („down link“) od základnové k mobilní stanici překonává „magickou“ přenosovou rychlost 1 Gbit/s.
Přichází nový druh komunikace: M2M
Pro generaci 4G je však charakteristické nejen další zdokonalování konvenční personální komunikace H2H, ale v jejím rámci se již začíná prosazovat i strojová komunikace M2M, uskutečňovaná automaticky mezi nejrůznějšími stroji, přístroji či jinými neživými objekty.
Ačkoli je čtvrtá generace teprve v počátcích, přední světové akademické i průmyslové výzkumné instituce již začínají připravovat generaci pátou (5G). Ta kromě výrazného zdokonalení dosavadních služeb H2H začne systematicky a ve velkém měřítku rozvíjet již zmíněnou rádiovou komunikaci M2M. Tato komunikace je určena hlavně k pasivnímu dálkovému senzorovému monitorování („remote monitoring“) a ovládání („remote control“) životního prostředí, ale i nejrůznějších dalších jevů souvisejících s naší existencí.
Pro komunikaci M2M jsou typické velmi nízké přenosové rychlosti v průměru pod 10 bit/s, dlouhá provozní doba bez výměny napájecích zdrojů v řádu několika let a extrémně velký počet uživatelských terminálů, který v budoucnu výrazně přesáhne počet osobních MS.
V návaznosti na tyto skutečnosti se budou prosazovat i nové pracovní režimy systému 5G, určené k aktivnímu řízení nejrůznějších procesů („remote control“). U nich bude často důležité malé zpoždění přenosu, které by nemělo přesahovat při přenosu od zdroje informace k jejímu příjemci cca 1 milisekundu. Nástup páté generace, očekávaný kolem roku 2020, tedy ovlivní náš život mnohem výrazněji, než tomu bylo v případě generací předchozích. (Pokračování v příštím čísle.)
Doc. Ing. Václav Žalud, CSc.