Veřejná pozemní mobilní komunikace (PLMC - Public Land Mobile Communications) se rozvíjí od 80. let minulého století. Umožňuje nejširší veřejnosti - na rozdíl od vývojově starších systémů tzv. privátního mobilního rádia PMR (Private Mobile Radio) - využívat všech výhod přímého rádiového spojení. Veřejné rádiové systémy se podle velikosti prostorového dosahu spojení mezi dvěma účastníky dělí do čtyř základních kategorií.
Do první náleží personální systémy WPAN (Wireless Personal Area System) s dosahem nejvýše několika metrů. K nim patří například známá technologie Bluetooth. Velice rozšířené jsou systémy pro rádiovou lokální komunikaci WLAN (Wireless LocalArea System). Jejich nejznámějším zástupcem je rodina standardů WiFi, vhodná pro ostrůvkovité lokality o velikostech v řádech desítek až stovek metrů. Poměrně nové jsou rádiové metropolitní systémy (Wireless Metropolitan Area System), zastupované zatím hlavně systémem Wi- MAX (World Introperability for Microwave Access). Ty jsou určené pro spojení uvnitř větších metropolitních celků a mohou mít rozměry v řádu až desítek kilometrů. Zřejmě nejrozšířenější jsou rádiové buňkové (celulární) systémy (Wireless Wide Area Network), které usilují o pokud možno celoplošné pokrytí celých států a postupně i celých kontinentů. Mezi ně patří původně celoevropské systémy GSM, UMTS a LTE, dále americké systémy CDMA a řada dalších. Dále budeme věnovat pozornost hlavně buňkovým sítím.
ČTYŘI GENERACE BUŇKOVÝCH SÍTÍ Buňkové sítě se z hlediska časového vývoje dělí do čtyř generací. První generace (1G) se objevuje počátkem 80. let minulého století, nejprve v USA a záhy nato i jinde. Tato generace byla určena jen pro přenos telefonních hovorů. Využívala rádiový analogový přenos, tj. přímou modulaci nosné vlny analogovým hovorovým signálem. Od počátku 90. let se již začínaly uplatňovat systémy druhé generace (2G) s digitálním přenosem, založené na digitální modulaci jediné nosné vlny (Single Carrier, tj. SC) a mnohonásobném přístupu s časovým dělením individuálních účastnických kanálů TDMA (Time Division Multiplex Access). Z nich byl v Evropě standardizován systém GSM (Global System for Mobile communication), na americkém kontinentu systém DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) a na Dálném východě japonský JDC (Japan Digital Cellular). Systémy 2G se zpočátku využívaly rovněž jen k přenosu telefonních hovorů, případně dat o rychlosti cca 10 kbit/s. Avšak již asi od roku 1995 se u nich začala zavádět technika přenosu informací v podobě tzv. paketů, čehož využil například systém GSM k zavádění nové pokročilejší přenosové varianty GPRS (General Packet Radio Service). Ta mu umožňovala přenášet nejen hovory, ale i krátké textové zprávy SMS (Short Message Service). Další zvýšení přenosových rychlostí ve zdokonalené variantě EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) až na několik stovek kbit/s potom již dovoluje přenos multimediálních zpráv MMS (Multimedia Messaging Service), obsahujících kromě textu i statické obrázky, audio- a videoklipy. Přirozená touha uživatelů po neustálém zvyšování kvality a rozšiřování sortimentu nabízených služeb však kladla další zvýšené nároky na přenosové rychlosti, které by umožňovaly přenos dokonalejšího živého videa a náročnějších multimediálních aplikací. K tomu potřebné přenosové rychlosti v řádu několika Mbit/s však již přenosová technika SC/ TDMA nemůže dosáhnout. Proto se po roce 2000 pozvolna přechází v rámci systémů třetí generace (3G) na zcela nový přenosový formát, založený na technice rozprostřeného spektra (Spread Spectrum, tj. SS), která umožňuje velmi efektivní mnohonásobný přístup s kódovým dělením kanálů CDMA (Code Division Multiple Access). Na technice SS/CDMA je založen jak celoevropský univerzální mobilní telekomunikační systém třetí generace UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), tak americké systémy CDMA a čínský TD CDMA, které již umožňují přenos i jakostního videa. Avšak i u těchto systémů se při požadavcích na přenosové rychlosti nad cca 10 Mbit/s objevují zásadní potíže, související s mnohocestným šířením vln v pozemských kanálech, které vedou k frekvečně selektivním nebo i plochým únikům a dalším závažným problémům. Radikálním řešením uvedených problémů je přechod od přenosových formátů s jedinou nosnou vlnou SC na formáty s více nosnými MC (Multi Carrier), u nichž se třeba i jen jediný modulační signál přenáší na více paralelních subnosných vlnách se stejnými vzájemnými odstupy.
ORTOGONÁLNÍ FREKVENČNÍ MULTIPLEX Velmi důležitou variantou tohoto formátu je ortogonální frekvenční multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), v němž subnosné vlny vytvářejí tzv. ortogonální soustavu. To umožňuje redukci jejich odstupů na nejmenší možnou míru, což se projeví ve výrazném zvýšení spektrální účinnosti, tj. v redukci potřebné šířky pásma celého systému. Přechod od rychlého sériového přenosu bitů na přenos pomalejších paralelních symbolů vede také k výraznému prodloužení periody těchto paralelních symbolů. Ta je potom mnohem delší než časová disperze přijímaných mnohocestných složek v přijímači, což má za následek vysokou přirozenou imunitu tohoto formátu především vůči frekvenčně selektivním únikům. Další vylepšení vlastností multiplexu OFDM přináší vkládání tzv. cyklického prefixu CP do přenášených symbolů. Přechodem od prostého multiplexu OFDM ke kódované variantě COFDM (Coded OFDM) potom zlepší imunitu i vůči plochým únikům a přispívá i k dalším unikátním přednostem. Všechny tyto atributy vedly k nasazení multiplexu OFDM již v 90. letech do systémů digitálního rozhlasu DAB a digitální televize DVB a DRM, po roce 2000 i do sítí pozemní komunikace WiMAX, WiFi a nakonec i do systému čtvrté generace LTE (Long Term Evolution). MAGICKÁ HRANICE Standard LTE/SAE přináší ve srovnání se standardy 3G (UMTS) zdokonalení především v oblasti maximální dosažitelné přenosové rychlosti, kde ve variantě LTE- -A Rel na sestupné trase DL (vysílá základnová stanice) je dosaženo magické hranice 1 Gbit/s. Uvážíme-li, že standard druhé generace GSM disponoval v době svého nástupu okolo roku 1990 přenosovou rychlostí cca 10 kbit/s, je zřejmé, že během dvaceti let vývoje došlo ke zvětšení tohoto parametru 109/104 = 105krát, tj. o neuvěřitelných pět řádů. Současně s tím se výrazně snížila latence přenosu a zlepšily se i ostatní technické parametry. Mezi další atributy standardu LTE/SAE patří lepší využití stávajících a osvojení nových frekvenčních pásem s možností jejich sdružování do větších kompozitních celků, jednodušší, „plochá“, a tím i levnější architektura fixní infrastruktury (jádra sítě) EPC a redukce složitosti a zmenšení spotřeby mobilních terminálů UE. Výsledkem všech těchto vylepšení je mj. i výrazné snížení ceny za jeden přenesený bit. Podle předpovědí Bezdrátového světového výzkumného fóra (WWRF) bude v roce 2020 na 7 miliard obyvatel Země připadat celkem 7 trilionů nejrůznějších rádiových zařízení, takže jedna osoba jich bude využívat v průměru jeden tisíc! Tato zařízení budou - a částečně jsou již dnes - určena k přenosu nejrůznějších dat, získávaných ve fixních i mobilních inteligentních senzorech, aktuátorech nebo zabudovaných procesorech, do prostorově vzdálených koncových bodů, jimiž mohou být různá sběrná centra či servery. Přijímané informace jsou zde potom buď jen monitorovány, resp. měřeny a vyhodnocovány, mohou však být využity také interaktivně, ke zpětnému působení na své primární zdroje nebo jiné entity. Podstatná část všech těchto procesů, včetně uvedené rádiové komunikace, je přitom realizována zcela - nebo alespoň z větší části – automaticky, bez účasti člověka.
NASTUPUJE KOMUNIKACE M2M Tato komunikace, označovaná jako komunikace strojového typu MTC (Machine Type Communication), nebo častěji jako komunikace M2M (Machine to Machine), začne tedy hrát již v nejbližších letech v našem životě zcela zásadní úlohu a bude vytvářet nové formy interakce člověk-stroj. Z mnoha jejích aplikací lze zmínit monitorování zdravotního stavu, kontrolu a zajištění bezpečnosti objektů, monitorování a řízení dopravy nebo zásobování obchodů. Nyní dospíváme k otázkám příštího vývoje vybraných rádiových systémů (sítí) pro veřejnou pozemní mobilní (pohyblivou) komunikaci. Z několika kategorií se zaměřujeme pouze na evropské systémy s velkým dosahem W-WAN, které jsou založené na buňkových (celulárních) strukturách - systémy druhé generace GSM (Global System for Mobile Communications) ve všech vývojových variantách, tedy GSM (2G), GPRS (21/2 G) a EDGE (23/4 G). Dále je třeba připomenout rychle se rozvíjející evropský systém třetí generace UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), včetně jeho poslední vývojové varianty HSPA (High Speed Packet Access). Vývoj těchto systémů koordinuje Mezinárodní telekomunikační unie (ITU - International Telecommunications Union), dále Evropský telekomunikační standardizační institut (ETSI - European Telecommunications Standards Institute) a v posledních letech také evropský Partnerský projekt systémů třetí generace (3GPP - Third Generation Partnership Project). Na systém UMTS volně navazuje projekt dlouhodobé evoluce LTE (Long Term Evolution), který se sice rozvíjí pod patronací 3GPP, avšak postupně se stává základnou pro globální systémy čtvrté generace 4G, častěji zahrnované pod obecnější označení B3G (Beyond 3G) nebo také NGN (Next Generation Networks). U všech uvedených systémů probíhá v posledních letech neustále se zrychlující vývoj, charakterizovaný především zvyšováním dosažitelných přenosových rychlostí. Například standard GSM začínal těsně po roce 1990 s přenosovou datovou rychlostí 14,4 kbit/s, avšak jeho nejnovější evoluční varianta E-EDGE, která vstoupila do života ještě před rokem 2010, se s maximální rychlostí 1894,4 kbit/s již řadí mezi systémy 3G. Projekt LTE dokonce ve své zatím poslední vývojové verzi bude dosahovat přenosových rychlostí až 326 Mbit/s, které již spadají do specifikací systémů B3G. S postupujícím časem se ovšem zlepšují i další parametry těchto radiokomunikačních prostředků, dochází zejména ke snižování latence jejich přenosu a zvyšování spolehlivosti.
Doc. Ing. Václav Žalud, CSc. Katedra radioelektroniky, FEL ČVUT Praha