V současné době začíná vcházet do života čtvrtá generace (4G) rádiových systémů pro veřejnou pozemní mobilní komunikaci, v podobě již celosvětového standardu LTE (Long Term Evolution). Ten je určen k tradičnímu přenosu hlasu, ale také kvalitního videa a velmi rychlých dat – tedy multimediálních kontentů, a to vše v těsné kooperaci s internetem. Avšak přední světové průmyslové, akademické i další výzkumné instituce prakticky současně s tím již začínají připravovat následující generaci–pátou (5G). Dále si uvedeme alespoň některé základní informace o tomto významném projektu ze světa radiokomunikací. Přitom se zaměříme na systémy 5G, které zaručují celoplošnou dostupnost poskytovaných služeb, a to díky tzv. buňkové (celulární) koncepci. Do kategorie 5G budou ale postupně zahrnuty – nebo s ní budou alespoň kooperovat – také „nebuňkové“ lokální či personální rádiové sítě (gigabitová WiFi apod.), které se dále neprobírají. Tř i hlavn í směry ro zvoj e aplikací 5G Systémy pozemní mobilní komunikace 5. generace se budou z hlediska svých aplikací vyvíjet ve třech různých směrech, které ukazuje obr. 1. Směr radiokomunikace (radiocommunication) zde reprezentují dosavadní klasické rádiové služby, určené k přenosu hovoru, videa a dat mezi lidmi; tato vývojová varianta se proto označuje jako personální rádiová komunikace H2H (human-to-human), resp. P2P (person-to-person). Ta se ovšem bude po technické stránce nepřetržitě zdokonalovat, a to hlavně ve dvou parametrech. Především se bude zvyšovat přenosová rychlost. Na sestupné trase DL (down link), po níž přicházejí informace k mobilní stanici MS (mobile station) uživatele systému, se počítá za ideálních podmínek s rychlostí nejméně 10 Gbit/s (10 gigabitů, tj. 10 miliard bitů za jednu sekundu!), která je o řád vyšší než u systému LTE. I když se o tuto téměř neuvěřitelnou rychlost bude dělit většinou více uživatelů, zcela určitě všem přinese podstatné zvýšení kvality přenosu živého videa (video streaming) i výrazné zkrácení doby potřebné ke stahování objemných datových souborů apod. Stejně důležité bude i zmenšování doby zpoždění (latence) přenosu, která by měla být zejména v aplikacích vyžadujících přenos v téměř reálném čase, co nejmenší. Tak například při videokonferenčních přenosech nepostřehnou účastníci zpoždění přenosu nižší než 10 ms, při náročných elektronických hrách bývají požadavky i přísnější. Plánovaná latence pod 1 ms tedy má zřejmě vyhovovat i v nejnáročnějších provozních situacích. Všechna uvedená uživatelská zlepšení zde budou také doprovázena mohutným zvětšováním celkového počtu aktivních uživatelů. Druhý vývojový směr systémů 5G (obr. 1) je zaměřen na všestranný automatický dálkový monitoring (remote monitoring) nejrůznějších jevů, procesů či aktivit, probíhajících v našem osobním nebo profesním prostředí, v přírodě, ale třeba i v blízkém nebo i vzdáleném kosmu. Dálkové monitorování využívá rádiovou komunikaci strojového typu MTC (machine type communication), často označovanou také zkratkou M2M (machine- -to-machine). Ta bude mj. podporovat rozvoj dalšího fenoménu nejbližších let, a to internetu věcí IoT (Internet of Things). Připomeňme, že pod pojmem monitorování se obecně rozumí sběr dat prováděný obvykle pomoci senzorů a jejich zpracování, po němž pak následuje jejich uchování anebo přenos. Monitorování v uvedeném smyslu již realizují mobilní systémy předchozích generací (3G, 4G), u kterých se však ještě potřebné pracovní režimy předem neplánovaly. Naproti tomu funkce monitorování bude u systémů 5G od samého počátku zakotvena do jejich specifikací a poskytne proto daleko lepší výsledky. Monitorování vnese dramatické změny do našeho života, které se budou týkat například osobní i veřejné bezpečnosti, zdravotního stavu, sportu, různých forem zábavy apod. Uvedené procesy budou probíhat kontinuálně v čase, mohou se však uskutečňovat i nespojitě ve vymezených časových intervalech, obvykle s velmi nízkou průměrnou přenosovou rychlostí řádu 1 až 10 bit/s. Monitorovací terminály M2M mají často pracovat v nejrůznějším prostředí, a to naprosto bez obsluhy – včetně výměny akumulátorů – a většinou po velmi dlouhou dobu řádu 10 let i více. Jejich počet se bude v nejbližších létech masivně zvětšovat, takže se stanou velice aktuální otázky jimi způsobeného přetěžování sítí 5G. Třetí směr rozvoje systémů 5G je orientován na techniku rádiového dálkového řízení (remote control) v reálném čase, tedy dálkového ovládání nejrůznějších přístrojů, strojů apod., které často navazuje právě na techniku monitorování. V této aplikaci se stává velmi důležitým ukazatelem latence přenosu, podobně jako v některých aplikacích radiokomunikačních. Ta se obvykle specifikuje časem zpoždění na uzavřeném okruhu RTTL (round trip time latency), tj. časem potřebným k přenosu informace od jejího zdroje (např. senzoru) přes nezbytně nutnou část sítě zpět k tomuto zdroji. V systémech dálkového řízení, na jejichž provozu se podílí člověk, je nutné respektovat limity lidských smyslových orgánů. S ohledem nato, by parametr RTTL neměl překročit zhruba 1 ms. Uveďme si dále hlavní směry systémového vývoje 5. generace, a to z hlediska jejich síťových koncepcí a také z hlediska příslušných technologií. Buňkové sítě a jejich vývoj Mají-li systémy pozemní mobilní komunikace pokrývat pokud možno celoplošně velká území (celé státy, kontinenty), musí mít buňkovou strukturu. V té je celé obsluhované území rozděleno na zhruba kruhové buňky, které se však pro snazší početní rozbor aproximují buňkami 6úhelníkovými (obr. 2a). V prvních vývojových fázích v konci minulého století měly tyto buňky poměrně velké rozměry, obvykle řádu několika kilometrů i více, a proto se označovaly jako makrobuňky. Každá z tehdejších makrobuněk má svoji jedinou základnovou stanici BS (base station), v níž se nachází mnohakanálová rádiová jednotka RFU (radio frequency unit), obsahující více dílčích vysílačů a přijímačů. Druhou základní součástí BS je jednotka pro zpracování signálu v základním pásmu BBU (base band unit). Stanice BS spoluvytvářejí rádiovou přístupovou síť RAN (radio access network), pro spojení s uživatelskými mobilními stanicemi MS (mobile station), označovanými také jako terminály anebo hovorově mobily. Jednotky RFU a BBU jsou umístěny společně v klimatizovaném boxu a kabelem spojeny s anténou, situovanou obvykle na přilehlém vysokém stožáru nebo jiném vyvýšeném místě (obr. 2b). Libovolný uživatel systému potom udržuje pomocí své stanice MS rádiové spojení pouze se stanicí BS, v jejímž rádiovém dosahu se právě nachází. Každá základnová stanice BS je spojena s využitím dedikovaných radioreléových či metalických spojů s fixním jádrem sítě CN (core network), jehož základním blokem je radiotelefonní ústředna MSC (mobile switching center). Jádro CN je dále propojeno s klasickou pevnou telefonní sítí a u pokročilejších systémů 2G/3G… také s internetem. Tímto způsobem potom může libovolný mobilní uživatel systému komunikovat s libovolným uživatelem pevné sítě a ovšem i s jinými uživateli dané mobilní sítě. Celková maximální datová rychlost, kterou může buňkový systém poskytnout všem mobilním stanicím nacházejícím se v jediné buňce, se nazývá buňková kapacita a vyjadřuje se v bitech za sekundu, připadajících právě na tuto jedinou buňku (bit/s/cell). O tuto kapacitu se však musí dělit všichni právě aktivní uživatelé, nacházející se v dané buňce. Takto byla uspořádána např. evropská síť GSM (global system for mobile communications) ve své úvodní podobě z 90. let minulého století, náležející k 2. generaci mobilních systémů (2G), kterou řada z nás ještě používá. Tato síť obsahovala ze začátku pouze makrobuňky o zhruba stejné velikosti a stejné technické koncepci, a proto se označovala jako homogenní. Každá rádiová stanice BS zde disponovala stejným počtem rádiových kanálů a mohla tedy obsluhovat stejný počet účastníků, nacházejících se v její buňce. Proto se již tehdy v řídce osídlených oblastech budovaly větší makrobuňky a naopak ve městech poněkud menší makrobuňky, které zde mohly zajistit zvýšenou provozní kapacitu. Počet zájemců o mobilní provoz se však již od počátků budování sítě GSM začal velice rychle a navíc prostorově nerovnoměrně zvětšovat, a to zejména v centrech měst, supermarketech apod. Tam potom byla síť přetížena a vlivem toho se zde zhoršovala kvalita přenosu, nebo dokonce docházelo k výpadkům spojení. Významné zlepšení situace přinášejí moderní heterogenní sítě HetNet (heterogenous network), které se začaly objevovat po roce 2000 již u systémů 3G a později i 4G, avšak naplno se rozvinou až u systémů 5G. Ty se vytvářejí postupným doplňováním základní struktury makrobuněk mnohem menšími piko, resp. femto buňkami, jejichž základové stanice BS disponují zhruba stejným počtem kanálů jako původní velké buňky, avšak vysílače v nich mají malé výkony a tedy i malý dosah. Tyto malé buňky se umísťují do lokalit s předpokládaným intenzivním provozem (centra měst, univerzitní kampusy, letiště apod). Zde slouží venkovním uživatelům (outdoor), lze je však budovat i uvnitř různých objektů (indoor). Větší počet malých buněk s odlišnými frekvenčními kanály vytváří svazek (cluster). Několik svazků je potom obvykle překryto jedinou velkou „deštníkovou“ makrobuňkou. Využívají ji např. rychle se pohybující terminály, u nichž se „zavěšením“ na makrobuňku zmenší frekvence přepojování pracovní frekvence (hand-over) při přejezdu hranic buněk, která by byla u malých buněk neúnosně vysoká. Při zvětšování počtu malých buněk na jednotku plochy (tj. jejich hustoty) se zvětšuje kapacita sítě v dané oblasti. Menší vysílací výkony stanic BS v malých buňkách však vedou také ke značným energetickým úsporám, neboť při zmenšování plochy buňky klesá potřebný výkon vysílače v její základnové stanici BS rychleji, než její plocha. S rostoucí denzifikací malých stanic BS se ale zvyšuje nebezpečí vzájemných interferencí. Jednou z hlavních možností řešení tohoto problému je kooperace sobě blízkých základnových stanic v malých buňkách, která ovšem vyžaduje jejich vzájemné propojení a náročný management jejich frekvenčně časových zdrojů. Uvedené metody se již používají u sítí 3G a 4G, v podobě tzv. kooperativních mnoha bodů CoMP (Cooperative multipoint). V systémech 5G se potom stanou jejich nedílnou součástí. Následující podstatný krok ve vývoji buňkových struktur představuje prostorové oddělení obou bloků základnové stanice BS. Což spočívá v tom, že rádiová jednotka RFU se přesune těsně k anténě (na vrchol stožáru apod.), čímž se eliminují citelné ztráty v přívodních kabelech; tyto separované jednotky se označují jako vzdálené rádiové hlavice RRH (remote radio head). Jednotka základního pásma BBU se potom přemístí, společně s větším počtem dalších jednotek BBU příslušejících jiným buňkám, do společného úložného prostoru – kabinetu jednotek BBU („BBU pool“). Čímž se výrazně usnadní vzájemné propojení jednotek BBU, a tím i jejich výše zmíněná kooperativní činnost CoMP. Ta pak umožňuje účinné potlačení interferencí mezi buňkami ICIC (intercel interference cancelation), které se přímo promítá do zvýšení energetické účinnosti systému (energetických úspor) a také do zvýšení jeho spektrální účinnosti (úspor nedostatkového kmitočtového prostoru). Centralizované jednotky BBU mohou být vzdáleny od svých jednotek RRH až na několik desítek kilometrů. Jejich náročné propojení, vyžadující značnou šířku pásma a nízkou latenci přenosu, však mohou úspěšně zvládnout např. optické spoje. Takto modifikovaná rádiová přístupová síť je zobrazena na obr. 3. Popsanou koncepci heterogenní rádiové přístupové sítě RAN, skládající se z rádiových jednotek RRU hustě rozložených v terénu a z centralizovaných jednotek BBU, je možné dále zdokonalit aplikací nových počítačových cloudových technologií. Tak potom vznikají cloudové sítě C-RAN, u nichž operátor využívá k plnění potřebných funkcí místo dedikovaného fixního hardwaru komerční servery v datových centrech. Připomeňme, že písmeno C v předchozí zkratce se interpretuje nejen anglickým termínem cloud, ale také termíny centralized processing, collaborative radio a také clean (= green) system. Všechny tyto techniky zvyšují spektrální a energetickou účinnost dané sítě. Kromě toho se usnadňuje její inovace, zejména její snadná adaptace na různé nové přenosové technologie. V důsledku všech těchto atributů potom klesají pořizovací i provozní náklady. Další významné zlepšení celkové funkce systému 5G přinese zavádění mobilních stanic MS s možností vzájemného přímého spojení D2D (device to device) na krátké vzdálenosti. Nové techno logie v systém ech 5G Mají-li systémy 5. generace plnit náročné úkoly, je nutné v nich uplatnit nejen nové koncepce jejich architektury, ale i nové technologie a pokrokové metody zpracování signálu. Připomeňme si alespoň některé nejdůležitější z nich: » Splnění vysokých nároků na kapacitu systému 5G bude vyžadovat mnohem širší frekvenční prostor. Ten lze získat osvojováním nových frekvenčních pásem uvolněných televizí v důsledku její digitalizace (digitální dividenda) a také razantním pronikáním do nových milimetrových vlnových délek λ ≤ 1 cm (tj. frekvencí nad 30 GHz). » V sítích předchozích generací se již začaly prosazovat techniky více antén ve vysílači i v přijímači MIMO (multiple input multiple output), zvyšující spektrální účinnost rádiového přenosu. Jejich zatím nejdokonalejší verze 8x8 MIMO, jež je specifikována v systému LTE-A, může zvýšit datovou rychlost jediného terminálu v porovnání s klasickým systémem s jedinou vysílací a jedinou přijímací anténou SISO (single input single output) až osmkrát, přičemž není nutné zvětšovat vysílací výkon nebo šířku pásma (vůči SISO). V systému 5G bude technika MIMO dále zlepšována. Počet antén na miniaturním mobilním terminálu sice zůstane malý, avšak počet antén na základnové stanici bude běžně dosahovat několika stovek (obecně bude větší, než asi desetinásobek počtu mobilních terminálů v dané buňce). 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 společné nezvětšené časově- frekvenční doméně, tj. paralelně v čase a v nezvětšeném pásmu. Nadměrný 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. » V systému LTE (4G) se úspěšně uplatňuje ortogonální frekvenční multiplex OFDM (orthogonal frequency division multiplex), který dík 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 celého systému. Z několika možných technik se ukazují jako nejnadějnější generalizovaný frekvenční multiplex GFDM (generalized frequency division mutiplex) a dále univerzální filtrovaný multiplex UF OFDM (universal filtered OFDM), známý též pod zkratkou UFMC (universal filtered multi-carrier). Závěr Nástup systému 5. generace má ve vývoji mobilní komunikace představovat skutečně revoluční krok vpřed. Kromě generační inovace a rozšíření dosavadních personálních služeb 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, zaměřená na zdokonalování stávajících, a vývoj zcela nových systémových koncepcí a technologií, vhodných pro 5. generaci. Můj článek přináší některé poznatky získané v této vývojové fázi, které je však nutné považovat pouze za určitá možná řešení aktuálních problémů systému 5G. Jeho definitivní specifikace lze očekávat v období let 2016 až 2018, uvádění do života bude začínat okolo roku 2020. Doc. Ing. Václav Žalud, CS c. Katedra radioelektroniky FEL ČVUT v Praze
