Telekomunikačný štandard pre nové mobilné siete 5G stručne a prehľadne
Uverejnené: 27. 10. 2020 | Čas potrebný na prečítanie: 9 minút
Od zavedenia telekomunikačného štandardu piatej generácie (5G) sa poskytovatelia mobilných služieb a prevádzkovatelia sietí, ako napríklad aj Deutsche Telekom, predbiehajú vo svojich ponukách. Ukazujú nám nový, fascinujúci digitálny svet, ktorý je nám vďaka super-rýchlej 5G sieti k dispozícii vždy a všade.
Časy, kedy museli majitelia mobilných telefónov čeliť masívnym problémom s pripojením do sietí, sú definitívne preč. Podľa toho, čo prevádzkovatelia sietí vyhlasujú, sú vďaka tejto novej technológii možnosti mobilného prístupu k internetu v reálnom čase prakticky neobmedzené. Vďaka tomu je možné bez meškania streamovať filmy alebo živé podujatia pre milióny ľudí súčasne.
Mobile Gaming a Augmented Reality sa v nadchádzajúcich rokoch posunú do úplne novej dimenzie. Reálny svet a virtuálne prvky sa navzájom plynule prepoja. Ale aj virtuálna realita sa od základu zmení a úplne nanovo pred-definuje spôsob, akým sa učíme.
V našom radcovi vám vysvetlíme, čo sa za telekomunikačným štandardom 5G skrýva a čo všetko táto nová technológia dokáže, resp. čo v nadchádzajúcich rokoch bude ovládať.
Aby sme mohli prenášať signály ako reč, hudbu alebo dáta na veľké vzdialenosti, potrebujeme mať nejaké prenosové médium. V prípade mobilnej komunikácie sa ako nosná frekvencia používajú vysokofrekvenčné (HF) kmity.
Tie sa potom prenášajú vzduchom od antény k anténe. Pokiaľ je úžitkový signál s nízkou frekvenciou (NF), napr. reč alebo hudba, skombinovaný s vysokofrekvenčnou nosnou frekvenciou, hovoria odborníci o modulácii.
Najbežnejšími druhmi modulácie pri analógovom prenose rozhlasového a televízneho signálu je amplitúdová modulácia (AM) a frekvenčná modulácia (FM). Naproti tomu, pri mobilnej komunikácii sú však digitálne informácie prenášané v podobe núl a jednotiek.
Preto sa tu používa fázová modulácia (PSK, Phase Shift Keying). Keď vlna nosnej frekvencie kmitne nahor, prenesie sa „jednotka“. Keď vlna kmitne smerom nadol, prenesie sa „nula“.
Nosná frekvencia pracuje v určitom frekvenčnom spektre, ktoré je definované dolnou a hornou medznou frekvenciou. Táto oblasť sa označuje aj ako šírka pásma. Čím je šírka pásma vyššia, tým viac informácií je možné prenášať.
Na strane prijímača je demoduláciou spätne získavaný nízkofrekvenčný úžitkový signál, resp. dátová informácia. To ale funguje, iba ak sú prijímač a vysielač presne vzájomne zladené a pokiaľ využívajú rovnaké frekvencie a rovnakú metódu prenosu.
Pri telekomunikačných štandardoch je okrem iného celosvetovo presne definovaná štruktúra rádiových signálov a priebeh prenosu dát. Výrobcovia smartfónov tak majú k dispozícii konkrétne parametre a používatelia smartfónov môžu neskôr svoje zariadenia používať kdekoľvek na svete.
Vývoj mobilného telekomunikačného štandardu sa vždy odvíja aj od vývoja správania užívateľov. Alebo inak povedané, mobilné telekomunikačné štandardy sa vždy snažili uspokojiť neustále rastúci dopytu po objeme a rýchlosti dát. Zatiaľ čo pri mobilnom telekomunikačnom štandarde prvej generácie ešte stále bolo na prvom mieste telefonovanie, požiadavky užívateľov a tiež výkonnosť moderných smartfónov sa výrazne zmenili. Ako rýchlo sa tieto zmeny odohrali a aké významné boli, môžeme pozorovať na vývoji rôznych mobilných telekomunikačných štandardov.
Mobilný telekomunikačný štandard 1G
Štandard prvej generácie mobilnej komunikácie (1G) fungoval od roku 1958 s analógovým prenosom hovorov prostredníctvom tzv. A-siete. Hovory ešte museli byť ručne sprostredkované „pani spojovateľkou“.
Existoval bezdrôtový vysielač s pevnou oblasťou pokrytia, ktorú nebolo možné opustiť, pretože by sa hovor ihneď prerušil. Tieto veľmi nešikovné zariadenia boli navyše aj poriadne drahé.
V roku 1972 nasledovala B-sieť, ako prvá samovytáčacia sieť, ktorá sa už obišla bez spojovateľky a v roku 1984 C-sieť, ktorá bola založená na rádiových bunkách. Taktiež telefóny sa v priebehu rokov výrazne zmenšili a stali sa skutočnými mobilnými telefónmi.
Mobilný telekomunikačný štandard 2G
Pod názvom „Global System for Mobile Communication“ alebo tiež GSM sieť bola v roku 1992 predstavená druhá generácia mobilných sietí. Vďaka prechodu k digitálnej technike bolo možné prenášať v D-sieti a neskôr aj v E-sieti vedľa hovorov aj dáta, ako napr. SMS správy. Vďaka digitalizácii sa navyše výrazne zlepšila kvalita prenášaných hovorov a oveľa viac osôb mohlo súčasne hovoriť alebo prenášať dáta. V sieťach GSM boli používané dve frekvenčné pásma.
GSM 900 využíva frekvencie 890–915 MHz a 935–960 MHz.
GSM 1800 (pôvodne Personal Communications Network 1800) využíva frekvencie 1
710–1 785 MHz a 1 805–1 880 MHz.
Vďaka efektívnej metóde modulácie (technika GPRS) boli možné dátové prenosy až 150 kbit/s.
Mobilný telekomunikačný štandard 3G
Zavedenie mobilného telekomunikačného štandardu tretej generácie alebo tiež „Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)“ sa uskutočnilo v Nemecku v roku 2004.
Týmto štandardom boli položené základy mobilného a rýchleho prenosu veľkých množstiev dát. Mobilné surfovanie na internete alebo prehrávanie a zdieľanie hudby a videí boli už s týmto štandardom bez problémov možné.
UMTS využíva frekvencie 1 920–1 980 MHz a 2 110—2 170 MHz.
Vďaka technickým rozšíreniam, ako je napr. HSPA+ (High Speed Packet Access), bolo možné dosiahnuť prenosovú rýchlosť až 42 Mbit/s.
Mobilný telekomunikačný štandard 4G
Aby bolo možné vyhovieť neustále rastúcim požiadavkám na objem prenášaných dát, bol vyvinutý mobilný telekomunikačný štandard LTE (Long Term Evolution). U neho ale nešlo iba o zvýšenie prenosovej rýchlosti. Predovšetkým mal byť vyvinutý jednotný celosvetovo platný štandard, ktorý bol následne spustený v roku 2009 v Štokholme. V máji 2010 bol LTE uvedený aj v Nemecku.
LTE využíva frekvencie 800 MHz, 1 800 MHz a 2 600 MHz. Od júna 2015 boli pridané ešte ďalšie frekvencie v pásme 700 MHz, ktoré boli využívané pre digitálnu televíziu (DVB-T). Vďaka inovatívnej technike viacerých antén, lepšiemu umiestneniu rádiových buniek a zníženiu oneskorenia (latencie) sú možné rýchlosti prenosu dát s objemom až 300 Mbit/s. Spájanie frekvenčných pásiem (LTE-Advanced Pro) umožňuje teoretickú rýchlosť až 500 Mbit/s.
Mobilný telekomunikačný štandard 5G
Zatiaľ čo ešte prebiehalo budovanie siete LTE, boli už zahájené prípravy vývoja jej nástupcu, siete 5G, resp. mobilného telekomunikačného štandardu piatej generácie.
Zavedenie 5G pritom ale neznamenalo koniec LTE, resp. G4. 5G je predovšetkým rozšírením LTE. Iba pri paralelnej prevádzke LTE a 5G totiž bude v budúcnosti možné dosiahnuť potrebné objemy dát a prenosové rýchlosti.
Komunikácia napokon jedného dňa nebude prebiehať len medzi miliónmi ľudí. Aj stroje a zariadenia sa budú v rámci internetu vecí (IoT) vzájomne prepájať a budú si medzi sebou neustále vymieňať informácie. Kompletná priemyselná automatizácia (Priemysel 4.0) alebo autonómne vozidlá – to všetko sa stane realitou až v čase, keď bude k dispozícii spoľahlivé spojenie s extrémne veľkým objemom dát a nízkym oneskorením.
Smartfóny kompatibilné so sieťou 5G
Ktoré frekvencie využíva sieť 5G?
Telekomunikačný štandard 5G využíva v Nemecku na prenos dát frekvenčné pásma 700 MHz (o ktoré sa delia s LTE), 2,1 GHz a 3,6 GHz.
Prenos v mobilnej sieti 5G sa v Nemecku odohráva najčastejšie v troch pásmach:
700 MHz
S týmito frekvenciami LTE sa pôvodne mal uskutočňovať prenos v regiónoch. Vďaka technológii Intelligent Dynamic Spectrum Sharing (DSS) je teraz možné, aby sa siete 4G a 5G o frekvenčné pásmo delili, pričom LTE slúži ako základná frekvencia a spojovací článok. Vďaka tomu neboli nutné nákladné prestavby na vysielacích stožiaroch. Na prechod na nový štandard boli potrebné iba úpravy softvéru.
2 100 MHz (2,1 GHz)
Pri aukcii frekvencií v roku 2019 boli okrem pásma 3,6 GHz odpredané ešte voľné kapacity v pásme 2 GHz (gigahertz). Keď bola na konci roku 2020 dokončená likvidácia siete UMTS, boli pre sieť 5G k dispozícii uvoľnené frekvencie UTMS.
3 600 MHz (3,6 GHz)
Frekvenčné pásmo 3,6 GHz patrilo, pri predaji Spolkovou sieťovou agentúrou, k najžiadanejším frekvenčným pásmam na budovanie siete 5G. Dosah je síce v tomto frekvenčnom pásme skôr malý, zato ale je možné prenášať veľmi veľké objemy dát. Vďaka tomu sa toto frekvenčné pásmo ideálne hodí pre mestá.
V rozsahu 700 MHz až 3,6 GHz spolu vzájomne čulo spolupracujú najrôznejšie mobilné telekomunikačné štandardy od 2G až po 5G. Napriek tomu, že je v Nemecku 3G sieť odstraňovaná, je priestor, ktorý bude v budúcnosti k dispozícii, jednoducho príliš malý. O existujúci priestor sa okrem iného musí deliť čoraz viac užívateľov. Tým môže dochádzať k stále väčšiemu spomaľovaniu dátového prenosu. To je možné pozorovať najmä na miestach, ako sú štadióny alebo nákupné centrá, kde sa na obmedzenom priestore schádza veľký počet užívateľov s ich chytrými telefónmi. Veľmi skoro je dosiahnutá hranica výkonnosti poskytovateľa siete.
Preto boli v minulosti poskytovatelia mobilných služieb nútení využívať stále vyššie frekvenčné pásma.
Napríklad LTE takto využíva vyššie frekvencie ako 3G. A v prípade 5G sa využiteľné frekvencie tiež posunuli ďalej smerom nahor. Aby bolo do budúcnosti možné dosiahnuť požadované frekvenčné pásma pre enormné množstvo dát, upínajú sa prevádzkovatelia sietí, rovnako ako Deutsche Telekom, k mikrovlnám (mmWave). Teda k frekvenčnému pásmu 24 až 100 GHz. To by umožňovalo gigantické dátové prenosy 20 Gbit/s a viac, pre milióny ľudí a ich koncové zariadenia.
Fyzikálne vlastnosti týchto vĺn však v tejto chvíli hovoria skôr proti ich praktickému využitiu. Pretože, čím je vyššia frekvencia, tým je výkon v určitom dosahu menší . Navyše je pri tomto frekvenčnom pásme priechod stenami alebo budovami dosť veľmi zlý alebo dokonca nemožný. Keďže sú vlny len mierne odtienené, je možné v podstate len spojenie takpovediac na dohľad. Pokiaľ by sme však namiesto jedného veľkého vysielacieho stožiara použili veľké množstvo malých inteligentných rádiových buniek (Smart Cells) v rôznych umiestneniach, dali by sa tieto problémy ľahko vyriešiť. Podobne ako pri WLAN routeri by bolo potom možné namontovať zariadenie vo vnútri budov, do miestností alebo vonku, na lampách verejného osvetlenia.
Ďalšie inovatívne koncepty ako beamforming (ovplyvnenie vysielacej charakteristiky) a techniky MIMO (používanie viacerých vysielacích a prijímacích antén v jednom prenosovom systéme) taktiež pomáhajú znížiť nevýhody mikrovĺn. Ďalšia výhoda: Pretože sa Smart Cells vždy nachádzajú v bezprostrednej blízkosti užívateľa, znižuje sa vysielací výkon telefónu, s ním aj spotreba energie.
Plány na uvoľnenie mikrovĺn
V tejto chvíli je ale technológia mmWave pre mobilné siete v Nemecku ešte hudbou budúcnosti. O pridelení frekvencií totiž Spolková sieťová agentúra doteraz nerozhodla. Navyše musia byť vysielače rádiových buniek bezpodmienečne pripojené optickým vláknom, aby bol možný rýchly prenos dát napr. z internetu. Je však len otázkou času, kedy bude technológia mmWave zavedená aj tu.
Ako sme už spomínali, pre mobilný telekomunikačný štandard 5G sú k dispozícii rôzne frekvenčné pásma. Ktoré frekvencie sa kde používajú, to nakoniec záleží na očakávaniach užívateľov.
Vidiecke oblasti
Na vidieku s nízkou hustotou obyvateľstva sa poskytovatelia sietí zameriavajú najmä na pokrytie. Tu sa ideálne hodí frekvenčné pásmo 700 MHz, ktoré umožňuje vysoký dosah v rade kilometrov.
Malé mestá alebo komerčné zóny
Pre oblasti obmedzenej veľkosti sa používajú frekvenčné pásma 2,1 GHz a 3,6 GHz. Kombinácia vysokého dosahu (frekvencia 2,1 GHz) a vysokej prenosovej rýchlosti (frekvencia 3,6 GHz) umožňuje perfektné pokrytie.
Veľkomestá
Vo veľkomestách sa prednostne používa frekvenčné pásmo 3,6 GHz. Menší dosah je vyrovnaný vyšším počtom buniek. Zato je k dispozícii vysoké frekvenčné pásmo pre veľký počet používateľov.
Nákupné centrá, štadióny, priemyselné celky
Ak súčasne viac ľudí potrebuje rýchly internet, na to sa ideálne hodí mikrovlnné frekvenčné pásmo. Inteligentné rozmiestnenie buniek a cielený beamforming umožňujú optimálne pokrytie a vysokú prenosovú rýchlosť.
Toto je len niekoľko málo príkladov širokého spektra aplikácií. V závislosti od požiadaviek sa môžu používané frekvenčné pásma líšiť alebo môžu byť tiež kombinované.
Hoci to, čo nám už dnes sľubujú reklamy, v tejto chvíli ešte nemá také úplne dokonalé obrysy, mobilný telekomunikačný štandard 5G skrýva naozaj veľký potenciál. Preto všetci poskytovatelia mobilných služieb horúčkovito pracujú na tom, aby svoje siete touto technológiou vybavili. Najmä pomerne jednoduchá transformácia 700MHz LTE zariadenia pomohla s rýchlym celoplošným pokrytím sietí 5G. Aktuálny vývoj je v každom prípade napínavý a tiež v budúcnosti napínavý zostane – vďaka zavádzaniu mikrovlnnej technológie.