Počátkem roku 2020 vstoupí do praxe systémy pro veřejnou pozemní mobilní rádiovou komunikaci páté generace (5G). Ty budou splňovat stále rostoucí nároky na vyšší uživatelskou datovou rychlost i systémovou propustnost, nižší síťovou latenci, větší energetickou a spektrální účinnost a spolehlivost a velkou hustotu spojení. Tyto atributy umožní sítím 5G zvládnout celou řadu nových aplikací, které leží zcela mimo možnosti sítí 1G až 4G. Architektura sítí 4G a přechod k sítím 5G Každý systém pro mobilní komunikaci se skládá z rádiové přístupové sítě RAN (Radio Access Network) a jádra CN (Core Network). Na obr. 1 je znázorněna zjednodušená architektura buňkového systému čtvrté generace 4G. Data se zde přenášejí ve formě tzv. paketů, stejně jako u internetu. Každý uživatel systému komunikuje pomocí mobilní stanice UE (User Equipment) na svém rádiového kanálu s nejbližší fixní rádiovou základnovou stanicí BS (Base Station). Ta zajišťuje provoz všech UE, ležících na jí obsluhovaném území, zvaném buňka. U starších mobilních sítí homogenního typu se používaly jen velké makrobuňky o průměru až několika kilometrů. U sítí 4G a hlavně 5G se budou v lokalitách s velkým provozem budovat také malé mikro- a pikobuňky, o velikostech řádu stovek až desítek metrů. Stanice UE a BS propojené rádiovým rozhraním vytvářejí přístupovou síť RAN, označovanou zde jako 4G LTE (4G Long Term Evolution), zaručující všem uživatelům dokonalou mobilitu. Stanice BS je dále spojena fixním širokopásmovým spojem „backhaul“ s jádrem sítě CN, plnícím funkce radiokomunikační ústředny, databáze uživatelů apod. Linka backhaul bývá realizována měděnými spoji nebo radioreléovými, resp. optickými prostředky. Jádro, značené symbolem 4G EPC (4G Evolved Packet Core), je propojeno s internetem, umožňujícím uživatelům vstup do jiných telekomunikačních sítí, zejména do klasické telefonní sítě, mobilních sítí starších generací (2G, 3G) apod. Velké objemy dat, která již dnes systémy 4G zpracovávají, je nutí využívat techniku cloud computingu (CC), což je ukládání, zálohování a zpracování dat, realizované v samostatných velkých externích výpočetních centrech, dostupných přes internet „na dálku“. Jednoduché síťové koncepce v uvedené podobě se používaly v počátcích 4G, další vývoj však vyžadoval modernizaci. První krok spočíval v doplnění velkých vzdálených cloudových center bližšími centry lokálními. Ta mají buď podobu FOG computingu – s funkčností rozptýlenou po celé použité infrastruktuře, nebo mobilního koncového computingu MEC (Mobile Edge Computing), s elementy soustředěnými co nejblíže ke koncovým uživatelům. Tím se redukuje přenosová latence v síti a snižuje se zatížení jejich interních spojů. V jádru sítě CN se zavádí virtualizace síťových funkcí NFV (Network Functions Virtualization), která vede k jejich nezávislosti na hardwarové platformě. Výrazné vylepšení přináší i koncepce softwarově definovaných sítí SDN (Software Defined Networking), jež jsou verzí cloud computingu, usnadňující síťový management. Sítě 5G musejí zvládat úplně nové aplikace (komunikace s velkou spolehlivostí a nízkou latencí apod.), na které ani vylepšený přístup 4G LTE nestačí, a proto je nutné do systému 5G implementovat zcela novou přístupovou síť 5G NR. Naproti tomu jádro systému značené symbolem 5GC je jádru 4G EPC koncepčně bližší. Aplikace sítí 5G Přístupové sítě 4G LTE, budované od roku 2010, realizují klasickou hovorovou komunikaci, ale i přenos stále se zkvalitňujícího videa a zrychlujících se dat. Technicky jsou řešeny jako mobilní systémy s velkou šířkou rádiového pásma MBB (Mobile Broadband). Přicházející nový přístup 5G NR (5G New Radio) tuto komunikaci převede do ještě dokonalejší „obohacené“ podoby eMBB (enhanced MBB). Navíc zavede dvě nové aplikace, a to masivní strojovou komunikací mMTC (massive Machine Type Communication) velkého počtu terminálů bez účasti člověka a také komunikaci s velmi vysokou spolehlivostí a nízkou latencí URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication). Díky tomu budou systémy 5G pokrývat obsáhlou nabídku aplikací, zahrnujících např. vysokorychlostní internet, Průmysl 4.0, dálkovou robotickou chirurgii, učebny s virtuální realitou, ale i technologie pro inteligentní dopravní systémy apod. Přehled uvedených tří kategorií přináší obr. 2. Aplikace eMBB sledují hlavně dosažení co nejvyšší uživatelské datové rychlosti, která je u nejnáročnějších variant (ultrarychlý internet, kvalitní 3D video aj.) řádu minimálně několika Gbit/s. Aplikace mMTC akcentují až extrémní hustotu koncových terminálů, u některých aplikací (chytrý dům aj.) až 106 na 1 km2 (tj. jeden terminál na 1 m2). Špičkové aplikace URLLC (autonomní vozidlo, Průmysl 4.0 apod.) by měly vykazovat jednosměrnou latenci přenosu pod 1 ms při spolehlivosti přenosu 99,999 % (tj. bitové chybovosti BER=10–5). Koexistence sítí 4G a 5G V počátku svého rozvoje sítě 5G NR nedokážou zajistit kompletní mobilní provoz, a proto bude nutná jejich těsná kooperace se sítěmi 4G LTE. Po několik let tedy musí být uživatelům k dispozici jak dosavadní terminály UE LTE, tak nové terminály UE NR. Tento režim, značený zkratkou NSA (Non Stand Alone), bude mít několik variant (Options). Častá bude zejména ta, kdy síť 4G LTE bude realizovat provoz v kontrolní rovině CP (Control Plane) přenášející pomocné servisní informace, kdežto 5G NR bude plně sloužit k náročným přenosům vlastních dat v uživatelské rovině UP (User Plane). Po dalším zdokonalení rozhraní 5G NR i jádra 5GC však veškerý provoz bude schopen zajistit už jen „čistý“ režim 5G, což označuje zkratka SA (Stand Alone). Jeho výhodou je vylepšená činnost, která se projeví hlavně na okrajích buněk a povede k nižší ceně. Frekvence využívané sítěmi 5G Z obr. 3 je patrné, že síť 5G využívá jednak aktuální spektrum sítě LTE, jednak zcela nové segmenty v centimetrové a milimetrové oblasti (obr. 3 vlevo). Milimetrové frekvence umožní zvětšit maximální šířku pásma rádiového kanálu z dosavadních 20 MHz (4G) až na 400 MHz (5G). V inovované přístupové síti se prosazují heterogenní buňkové koncepce, v nichž se kromě makrobuněk užívají i mikro- a pikobuňky (obr. 3 vpravo). Technologické pilíře sítí 5G Ve vyspělých verzích sítě 4G LTE se již objevují výše zmíněné inovace FOG, MEC, SDN a VFN. V sítích 5G budou tyto inovace dále rozšířeny, a to o nové typy modulací a multiplexu, ochranného kódování, úsporného režimu a jiné. Dále se zmiňme jen o jediné z těchto novinek, a to o anténních systémech s mnoha vysílacími i přijímacími anténami, tj. s rádiovým kanálem s mnoha vstupy a mnoha výstupy, označované zkratkou mMIMO (massive Multiple Input Multiple Output), ilustrované obr. 4. Mýty doprovázející nástup sítí 5G 1. Síť 5G přináší jen ultrarychlý internet, takže smysl jejího zavádění je problematický: omyl, aplikací 5G je velmi mnoho, některé z nich (mMTC, URLLC…) však vyžadují důkladné inovace, jež nelze v síti 4G implementovat. 2. Sítě 5G budou drahé: nebudou, vůči 4G u nich bude znatelně nižší především poměr cena/výkon, a to díky modernizaci jejich hardwaru i softwaru. 3. Sítě 5G představují vzhledem k aplikacím mm vln a ultrahustým buňkám velké zdravotní riziko: nikoliv, neboť právě tato nová koncepce umožňuje jejich parametry (vysílací výkony apod.) vyladit tak, aby vyhovovaly platným zdravotním normám. 4. Sítě 5G představují značné riziko z hlediska osobní i národní bezpečnosti, zejména při případné monopolizaci jejich technologií: tato rizika však existují u všech dosavadních sítí a vytvářejí je nejen výrobci technologií, ale i jejich provozovatelé (operátoři) – a v případě sítí 4G/5G navíc i domény internetu, cloudových úloúložišť a dalších nových entit, bez nichž se 5G neobejde, proto úplná monopolizace kompletního silně diverzifikovaného systému 5G není prakticky možná. Je ovšem nutná jeho komplexní důkladná kontrola na vysoké profesionální úrovni, která může udržet rizika jakéhokoliv zneužití v bezpečných mezích. S dalšími poznatky a aktuálními novinkami z oblasti rozhlasového a televizního vysílání, mobilní komunikace apod. se můžete seznámit na XXIX. konferenci RADIO KOMUNI KACE. Více na www.konferadio.cz. Doc. Ing. Václav Žalud, CSc.
