Širokopasovni internet je tudi – 5G
Čeprav je optično vlakno edini pravi širokopasovni medij, ki bo tudi na dolgi rok izključevalo druge danes poznane tehnološke možnosti, vsi mobilni in nomadski uporabniki prisegajo na uporabo celičnih radijskih omrežij. Le tako je namreč mogoča osvoboditev od informacijske vrvice, ki jih veže ob mizo.
izr. prof. dr. Boštjan Batagelj
Katedra za informacijske in komunikacijske tehnologije
Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Slovenija je že takoj po osamosvojitvi začela graditi svoje prvo komercialno radijsko celično omrežje – po vzoru nordijskih držav se je odločila za tehnologijo NMT. Ne dolgo za tem (že pred četrt stoletja!) je digitalizacija omrežja omogočila prehod iz analogne prve generacije (1G) v prvo digitalno celično omrežje GSM (2G), ki je nudilo šifriranje pogovorov in prenos kratkih besedilnih sporočil SMS. Od prenosa govora, ki je bil osnova prvih dveh generacij, je vodilno vlogo v kasnejših generacijah prevzel prenos slikovnih, video in drugih širokopasovnih podatkovnih informacij. Nadaljnji razvoj je sledil vse večjim zahtevam uporabnikov, zato so slovenski operaterji svoja mobilna omrežja z novim generacijami posodabljali v približno desetletnih ciklih. Od tehnološko neposrečene tretje (3G), imenovane UMTS, prek uspešne četrte generacije (4G), imenovane LTE, do danes aktualne »zloglasne« pete generacije (5G). Raziskovalci sicer že delajo pri nadgradnji, šesti generaciji (6G), ki naj bi predstavljala nadaljnji korak v digitalizaciji in izboljšavi kakovosti življenja. Čeprav ob novih generacijah mobilnih omrežji večina najprej pomisli na večje hitrosti prenosov, je treba poudariti, da napredek upravičeno pričakujemo tudi na področju nemotene razpoložljivosti, povečane odzivnosti, varnosti in varčnosti.
Razlike med 4G, 5G in 6G. Vir: International Mobile Telecommunications (IMT) Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond ITU-R M.2083-0; 2015
Naraščajoče prometne zahteve
Zaradi naraščanja prometnih zahtev smo tako v svetu kot doma priče trendu povečevanja števila celic mobilnega omrežja. V Sloveniji je število baznih postaj z začetnih zgolj 16 v letu 1992 naraslo na današnjih skorajda 3.500. Mimogrede, posamezna celica je določena z radijskim pokrivanjem znotraj ene bazne postaje, pri čemer ta zagotavlja povezavo večjemu številu mobilnih uporabnikov, ki lahko med celicami tudi nemoteno prehajajo. Naraščanje zahtev je še vedno silovito (vse večje količine prenesenih podatkov in število naprav), zato bi se moralo število baznih postaj v naslednjih petih let povečati za približno 2,5 krat. K sreči prehajamo na tehnologijo 5G, ki je spektralno učinkovitejša, zaradi novega frekvenčnega prostora pa bo do nadaljnjega omogočeno nemoteno delovanje celičnega omrežja s približno enakim številom celic, kot jih imamo zdaj.
Nadgradnja omrežja iz 4G v 5G je potrebna zaradi naraščajočih prometnih zahtev, ki jih v omrežju 4G ni mogoče obvladati, če se celično omrežje ne zgosti. Vir: H. Bernold, M. Steiger, M. Wilms, W. Bock, R. Schicht, A Playbook for Accelerating 5G in Europe, Boston Consulting Group, september, 2018
V teoriji zmogljivost prenosa informacij prek telekomunikacijske zveze, ki jo merimo v bitih na sekundo, podaja Shannonov izrek, kjer je poleg sistemskega razmerja med močjo signala in šuma (motnje) tudi razpoložljiva frekvenčna pasovna širina. K izboljšanemu razmerju med signalom in šumom v novih generacijah prispeva izboljšano kanalsko kodiranje in večje število anten, ki tvorijo večantenski sistem na bazni postaji (angl. multiple-input, multiple-output – MIMO). Antene se bodo v svoji najbolj prefinjeni različici s snopom usmerile zgolj proti uporabniški napravi in s tem omejile sevanje.
V Sloveniji je število baznih postaj z začetnih zgolj 16 v letu 1992 naraslo na današnjih skorajda 3.500.
Navkljub omenjenim izboljšavam je visokofrekvenčna tehnika v zadnjih 10 letih premalo napredovala, da bi zmogljivost prenosa naraščala s potrebami uporabnikov, zato je ena od najučinkovitejših rešitev novih generacij mobilnega omrežja povečanje pasovne širine. Medtem ko je za uporabnika ključna zmogljivost povezave, ki jo merimo v bit/s, je za operaterje glaven optimizacijski parameter mobilnega omrežja spektralna učinkovitost (bit/s/Hz), saj morajo za pridobljen frekvenčni spekter plačevati državi.
Novi operater za poslovno kritične komunikacije
V slovenskem prostoru imamo novega operaterja mobilnega omrežja in storitev – BeeIN. To je prvi operater za digitalizacijo industrije, ki je na februarski dražbi pridobil frekvence za zagotavljanje poslovno kritičnih komunikacij M2M (Machine to Machine). Namenska omrežja bo začel vzpostavljati v frekvenčnem pasu 700 MHz.
Danes razpoložljiva mobilna omrežja delujejo na različnih frekvenčnih področjih, pri čemer ima vsak frekvenčni pas svoje fizikalne lastnosti. Za pokrivanje večjih podeželskih geografskih območji z do 100 uporabniki na kvadratni kilometer je najprimernejši frekvenčni pas 700 MHz, ki ga je nekoč zasedala analogna prizemna televizija. Gostejše pokrivanje urbanega mestnega okolja s 10.000 uporabniki na kvadratni kilometer, ki potrebujejo večje zmogljivosti, je primerneje izvesti na frekvenčnem področju 3,5 GHz. Gosta mestna središča in pokrivanje znotraj stavb, kjer gostota uporabnikov doseže tudi do 250.000 uporabnikov na kvadratni kilometer, pa je najprimerneje pokrivati s še višjimi frekvencami. Višje frekvenčne pasove, ki jih uporablja 5G, se lahko uporabi tudi za usmerjene zveze za fiksni dostop do uporabnikov kot alternativo optičnim omrežjem v primeru, ko gospodinjstvo še nima možnosti priklopa na fiksno omrežje.
Slikovni prikaz primerjave med pokritostjo in zmogljivostjo za različna frekvenčna področja. Dupleksno delovanje na osnovi frekvenčnega in časovnega multipleksa (Frequency Division Duplex – FDD, Time Division Duplex – TDD).
Kaj smo prodali na dražbi
Vsaka generacija mobilnih omrežij ima na razpolago različne frekvenčne spektre, ki jih z namenom enakomerne tehnološke in tržne razvitosti med operaterje delijo države oziroma njihovi regulatorji. V Sloveniji za to odgovorno skrbi agencija Akos, ki je letos uspešno izvedla kar dve frekvenčni dražbi za postavitev naprednih mobilnih omrežij. Ta bodo v vseh segmentih bistveno prispevala k dodatni digitalizaciji Slovenije.
Prva je bila podelitev frekvenc 2 × 3 MHz v pasu 700 MHz, namenjenih izgradnji omrežja za poslovno kritične komunikacije M2M (Machine to Machine), druga, mnogo obsežnejša, večfrekvenčna dražba pa je vključevala vse pionirske frekvenčne pasove 5G. Operaterji so za frekvence plačali skoraj 170 milijonov EUR, vendar se za izgradnjo omrežij od njih pričakuje še večja vlaganja. Enako tudi za vzpostavitev namenskega omrežja M2M za poslovno kritične komunikacije. Največji kupec frekvenc na večfrekvenčni dražbi je bil Telekom Slovenije, ki je že v sredini lanskega leta postavil komercialno delujoče omrežje 5G (na obstoječih frekvencah, ki jih sicer uporabljajo omrežja 4G oz. LTE) in tudi že intenzivno razvija rešitve za uporabnike iz različnih vertikal, kjer je bolj kot količina prenesenih podatkov pomembna visoka stopnja razpoložljivosti omrežja.
Zanesljivost omrežja IKT je kritično pomembna predvsem za nove uporabnike iz različnih vertikal, ki upravljajo kritično državno infrastrukturo: elektroenergetska omrežja, javno zdravstvo, javni transport, oskrba z vodo in s prehrano ter druge ključne funkcije, ki jih definira zakon o kritični infrastrukturi. Vsaka sekunda nedelovanja storitev je velikega pomena, saj vpliva na varnost kritične infrastrukture in njenih uporabnikov.
Prednosti novih mobilnih tehnologij
V idealnem praznem prostoru jakost elektromagnetnega valovanja upada s kvadratom razdalje od oddajne antene. V realnem podeželskem okolju, kjer so prisotni tudi odboji od tal, je upadanje jakosti s četrto potenco, v urbanih okoljih pa celo s peto. To, na prvi pogled za domet zveze neugodno, hitro upadanje jakosti signala je pravzaprav tisto, ki omogoča gradnjo ekonomsko smotrnih celičnih mobilnih omrežij, saj lahko iste frekvence ponovno uporabimo na drugi celici. Operater lahko posamezno frekvenco v urbanem okolju ponovi pogosteje, kot bi to storil v praznem prostoru, hkrati pa s tem zagotovi večjo zmogljivost celotnega omrežja.
Upadanje jakosti signala v celičnem omrežju in ponovna uporaba frekvence z optimizacijo razmerja med jakostjo signala ter motnje.
Poleg širokopasovnosti je v mobilnih omrežjih nove generacije pomembna tudi odzivnost, torej zakasnitev prenosa podatkov, ki jo v praksi podajamo v milisekundah. Če bodo v omrežjih 5G zakasnitve res zgolj 1 ms, bomo naprave lahko krmilili na daljavo in pri tem imeli občutek, da so neposredno ob nas. Interaktivnost bo veliko večja, kot je lahko zdaj. Hitra odzivnost omrežja 5G se pričakuje tudi v industrijskem okolju, kjer bi industrijske objekte sicer lahko opremili tudi z žičnimi povezavami, vendar je z uporabo brezžične tehnologije fleksibilnost veliko večja. V ta namen svoja mobilna omrežja že začenjajo graditi tudi zasebna podjetja. Dobra primera sta podjetje Iskratel, ki je že maja lani uvedlo 5G v svoje proizvodne prostore, in Luka Koper, kjer omrežje 5G pomaga pri optimizaciji logističnih procesov.
V novih generacijah mobilnih omrežjih je bistveno, da se prenos podatkov izvede varno, v čim krajšem času, s čim manjšo porabo frekvenčnega spektra in tudi električne energije. Prav pri zadnjem sodobna omrežja obljubljajo bistveno odstopanje od predhodnih, saj optimizirajo porabo električne energije in so zato bolj ekološka. Od 5G se pričakuje od 10- do 100-krat manjšo porabo električne energije v primerjavi s 4G. Smiselno je zato stremeti k čimprejšnjemu prehodu v 5G in opustitvi starih energijsko potratnih omrežij, kot je, na primer, 3G.
K energijski varčnosti bodo v omrežjih 5G na makro ravni pripomogli ukrepi na področju topologije omrežja, kjer igrata ključni vlogi hierarhija celic in optimizacija njihove velikosti. Sodoben nadzor omrežja mora omogočati stanje hibernacije baznih postaj v manj prometnih časovnih obdobjih ali takrat, ko se v celici ne nahajajo uporabniki, ter omogočati neposredno povezljivost terminalnih naprav, ki je ključna pri komunikaciji med vozili. Že današnje mobilno omrežje pozna upravljanje z oddajno močjo, ki je vedno na meji prenosa podatkov z dovolj majhnim številom napak, da jih algoritmi za popravljanje napak še lahko popravijo. V bodoče se poleg upravljanja moči in motenj pričakuje še dinamično in vzajemno upravljanje frekvenčnega spektra, kar bo še za trikrat povečalo spektralno učinkovitost. Tudi elementi omrežja, kot so ojačevalniki, pretvorniki A/D in D/A, antene in filtri so danes učinkovitejši kot pred desetletjem. Ne nazadnje je omrežje zgrajeno iz prilagodljivih oddajnikov in sprejemnikov, ki omogočajo prilagajanje modulacije, kodiranja, števila anten in podnosilnikov ter ostalih komunikacijskih parametrov.
Za brezhibno delovanje mobilnih omrežij nove generacije poleg radijskih parametrov poskrbi tudi izboljšano zaledno omrežje (fiksno omrežje optičnih kablov), kamor so priključene bazne postaje. Že danes je večina baznih postaj povezana z optičnimi vlakni, ker fotonika za prenos informacije porabi do tisočkrat manj energije kot elektrika in obenem ponuja tudi enormne širokopasovnosti. Ker se število baznih postaj povečuje, se v upravljanje omrežja uvaja avtomatske postopke in umetno inteligenco. Zadnja je nujna predvsem zaradi vse večjega števila naprav, ki jih človek ne more več obvladati. Ta pri upravljanju še vedno lahko vnaša – človeške napake.
