Jaké jsou rozdíly mezi 5G SA / 5G NSA? Z druhého dne konference Radiokomunikace 2023

Video na mobilních sítích zabírá dnes více jak 60 % celkového objemu přenesených dat. A stále stoupá. Kapacity sítí zaostávají nad požadavky a o vysokých rychlostech nezbytných pro streamovací služby si někteří obyvatelé mohou nechat zdát, zvláště po tom, když byly zrušeny 3G sítě a 5G ve složitém horském terénu je v nedohlednu, jak jsem se o tom sám přesvědčil. Co je překážkou rychlejšího nasazení 5G technologií?

Síťová neutralita pod drobnohledem britského regulátora

Streamovací služby, formou OTT přes internetové sítě obecně telekomunikačních operátorů, v poslední době zejména na západ od nás, chtějí poskytovatelé internetu (ISP) využít k tomu, aby se obsahové platformy –poskytovatelé obsahu – podíleli formou „spravedlivého podílu“ na zvýšených nákladech na budování vysokokapacitních sítí pro šíření videí, což odporuje pravidlu síťové neutrality, principu rovnoprávnosti přenášených dat po internetu. Zabraňuje ISP zvýhodňování nebo naopak zpomalování či blokování přístupu na vybrané internetové stránky nebo k vybranému obsahu různých aplikací i formou plateb podle typu přenášených dat.

Touto otázkou se v poslední době zabýval britský regulátor OFCOM, který ve svém stanovisku konstatoval, že princip síťové neutrality, který je dán legislativou, funguje dobře a podporuje jak výběr nabídky konzumentem, tak poskytovatelům dodávat obsah. K tomu však poznamenává, že ISP by mohli nabízet prémiovou kvalitu jako maloobchodní balíčky v případě, že by zákazník požadoval aplikace typu vysoce kvalitní virtuální reality, případně služby s ultra nízkou latenci (pro video hry). Nové sítě 5G a plné optické sítě nabízejí totiž poskytovatelům internetových služeb příležitost inovovat a rozvíjet své služby. Aktualizované pokyny OFCOM objasňují, kdy mohou ISP poskytovat „specializované služby“ pro poskytování specifického obsahu a aplikací, které je třeba optimalizovat, což může zahrnovat komunikaci v reálném čase, virtuální realitu nebo autonomní vozidla. Toto jisté uvolnění pravidla síťové neutrality by mělo podpořit rozvoj a nabídku nových služeb a efektivní řízení sítí při jejich současné ochraně v případech, kdy úroveň provozu se blíží jejich limitu.

5G sítě jako SA nebo jen NSA?

Tak daleko zatím nejsme. Sítě s označením 5G, které se objeví na mobilním přístroji, jsou založeny ještě na jádru LTE a označovány jako NSA (Non Stand Alone) sítě. Ty dosahují latence podobně jako LTE sítě 4G 10–40 ms a maximální datové rychlosti do 1 Gb/s, jak je uvedeno v příspěvku 5G Campus Networks Lukáše Abazida z T-Mobile ČR, který se zabýval kampusovými sítěmi 5G.

Dalším vývojovým stupněm jsou sítě 5G SA (Stand Alone). Tyto sítě jsou již budovány na jádru 5G (5G CORE) a mohou dosahovat latence od 1 do 10 ms s rychlostí desítek Gb/s v závislosti na alokované šířce kmitočtového spektra. Prozatím mají použití jako tzv. kampusové sítě zejména v průmyslu, kde umožňují bezobslužný pohyb vozidel či rozšířenou realitu (AR) při navigaci při montážních pracích. T-Mobile spolupracuje při vytváření kampusových/privátních sítí s našimi univerzitami, první byla Vysoká škola báňská v Ostravě, kde byl použit ještě 5G NSA model sítě, zatímco na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRK) se již jednalo test pro průmyslové využití IoT v rámci druhého evropského testovací pracoviště 5G SA (Stand Alone). Mezi další kooperující univerzity patří na příklad TU v Liberci nebo VUT Brno, avšak již s plnohodnotnými 5G SA sítěmi.

Jak fungují privátní mobilní sítě

Podobně se, kromě internetu věcí (IoT), mobilními privátními sítěmi zabývali pánové Otto Zeman a Martin Roubíček z Vodafonu. V úvodu osvětlili různé možnosti internetu věcí při použití NB-IoT nebo LTE-M. Obě technologie jsou komplementární skupinou celosvětově využívaných technologií jak u chytrých měřičů spotřeby vody, plynu (NB-IoT), tak i elektrické energie (LTE-M).

Z interaktivní prezentace Vodafonu o srovnán NB-IoT a LTE-M (Foto Václav Udatný)

Kromě dedikovaných soukromých sítí je možno využít i hybridní nebo segregované sítě. Všechny zajišťují kvalitu služby QoS, v soukromých jsou data ukládána přímo v kampusu a jsou pod 100% kontrolou zákazníka, hybridní mají napojení do veřejné sítě a segregované dělí síť na privátní a veřejnou část. Výrobce automobilů Ford projektuje použít 5G SA privátní síť s podporou sváření, která by z obrovského množství dat mohla obsloužit až 30 svářecích bodů na mm, při trvání jednoho svaru 860 ms. Jiným příkladem je plocha 8,5 tisíce čtverečných metrů na základně Lufthansy v Hamburku, kde fungují soukromé 5G SA sítě s virtuální a rozšířenou realitou pro spolupráci mezi techniky a vývojáři komponentů pro návrh kabinového zařízení. Němci hojně kampusových sítí využívají, nejenom v průmyslu, ale třeba i na stadionech, kde tak umožní přítomným divákům, sledovat třeba zpomalené záběry nebo jiné zajímavé události z hrací plochy ve větším detailu.

Vodafone nabízí “Síť jako službu“ s privátní vlastní 5G sítí pro firemní zákazníky (Foto z firemní prezentace na KR23: Václav Udatný)

5G sítě budoucnosti

Sítě páté generace jsou závislé na kmitočtovém spektru. V podstatě jsou uvažovány tři rozsahy: nízké pásmo pod 1 GHZ vhodné pro plošné pokrytí, C-band v rozsahu 3 600 MHz pro městskou zástavbu a následně při vysokých nárocích na kapacitu s ultra vysokými rychlostmi a nízkou latenci se nabízejí kmitočty milimetrových vln v pásmech 26 GHz a 28 GHz. Zejména v této oblasti se nachází cenný zdroj pro mobilní sítě páté generace vzhledem k tomu, že je zde dostatek volného spektra. Optimální šířka pásma je totiž 800 MHz a v tomto rozsahu je jí dostatek.

Pro dosažení optimálního výkonu a efektivního využití je totiž nutné vybudovat celý ekosystém do něhož je třeba zahrnout nejenom pouhé nasazení technologie New Radio (NR), ale zabezpečit síť, která zahrnuje end-to end (E2E) schopnosti sladěné napříč zařízeními, jejíž nedílným prvkem je nejen mobilní jádro pro odstranění limitů propustnosti, ale i systémy správy sítě, páteřní 10 Gb/s transport na optice a samozřejmě rozšíření a dostupnost zařízení na trhu.

To byly základní informace obsažené v přednášce Tomáše Prokopíka z O2 Czech Republic. Teprve takto budované sítě přinesou sdílení zážitků s mobilním videem na místech s vysokou koncentrací uživatelů, dostupnost bezdrátového gigabitu v městských aglomeracích, nebo byznysové aplikace průmyslu 4.0.

O2 jako první operátor u nás od června 2022 testuje 5G s využitím milimetrových vln v reálném prostředí veřejné sítě na pražském Chodově a na Brumlovce. K tomu používá pohyblivá zařízení router Inssego, laptop Acer Spin 7 5G a Asus Smartphpne s čipem Qualcomm Smartdragon na kanále n258 (26 500 -27300 MHz) na 8 nosných po 100 MHz. Dosažené hodnoty jsou: download 4,3 Gb/s, upload 250 Mb/s se zpožděním jednotek ms. Při tom je ale nutné si uvědomit, že maximálních hodnot je možno dosáhnout v případě přímé viditelnosti do 500 m, přičemž maximální vzdálenost od středu buňky byla 800 m.

A to je také o nákladech, při kterých, jak jsme v úvodu zmínili, britský OFCOM umožňuje pro obdobné speciální služby vytváření speciálních cenových balíčků. Pan Prokopík na závěr své přednášky uvedl, že komerční provoz jedné základnové stanice by v tuto chvíli stál 8,8 mil Kč/rok. Komplikací je nedokonalá harmonizace 5G spektra v celosvětovém měřítku, což způsobuje nejednotnost použitých technologií a tím i možnosti snížení výrobních cen.

5G pásma přidělená na světě ve vybraných zemích (zdroj: Prezentace T.Prokopík: Testování 5G s využitím milimetrových vln v reálném prostředí veřejné sítě, KR 2023, Pardubice)

Kam směřuje další vývoj v mobilní komunikaci

Popis vývoje v mobilních sítích podal Michal Poupa z Českého institutu informatiky robotizace a kybernetiky (CIIRK) při ČVUT v Praze a stručně zmínil požadavky na další generaci sítí 6G. Zatímco u sítí 5G jsou maximální rychlosti dat 20 Gb/s u 6G by to mělo být 1 Tb/s a latence by se měla snížit z jednotek milisekund na 100 µs. Základní vlastnosti na bezpečnost sítě 5G jsou mnohonásobně vyšší než na předchozí generaci 4G. Mimo jiné zabezpečení dat kryptováním se provádí z důvodu zachování důvěrnosti od zdroje přes síť k příjemci (E2E). Požadavky na 6G sítě by měly být stanoveny v příštím roce jako 3GPP Release 19. Rozvoj se potom očekává zhruba od roku 2028 s Rel. 21 a 22.

Na ČVUT fakultě elektrotechnické existuje již dnes laboratoř 6G. Její činnost popsal Pavel Mach z katedry telekomunikační techniky. Věnují se otázce přímé komunikace mezi zařízeními, při nichž přenášená data neprochází sítí, ale data jdou přímo od zařízení k zařízení (D2D). Dnešní Bluetooth nebo WIFI direct jsou sice běžné, ale v budoucnu bude vyžadována vyšší kvalita a na delší vzdálenost, přičemž přímá viditelnost je v reálném prostředí velmi obtížně realizovatelná.

V rámci této laboratoře se proto zkoumá možnost využít místo pozemních základnových stanic létající základnové stanice v podobě dronů, označovaných FlyBS. To by mohlo být alternativou k budoucímu hustému nasazení pozemních základnových stanic v sítích 5G/6G, které budou pracovat na kmitočtech až 100 GHz.

A něco z kosmického prostoru

I letos nevynechala Konference Radiokomunikace oblast satelitů. S přehledem globálních navigačních satelitních systémů (GNSS) a principů družicové navigace vystoupil Václav Navrátil z katedry radioelektroniky na FEL ČVUT. V současnosti jsou v provozu čtyři globální navigační družicové systémy: americký GPS, evropský GALILEO, ruský GLONASS a čínský Beidou. Existují však i další dru­žicové navigační systémy s regionálně omezeným pokrytím (např. indický IRNSS), i lokální družico­vé systémy pro augmentaci GNSS (např. evropský EGNOS, americký WAAS, japonský QZSS-SBAS a další).

Družice GNSS se pohybují po téměř kruhových oběžných drahách MEO (Medium Earth Orbit) ve výšce mezi 19100 a 23650 km. Tomu odpovídá perioda oběhu 11 až 14 hodin. Pro všechny družice jednoho systému jsou tyto parametry téměř stejné. Inklina­ce drah je pro každý z systém jiná, pohybuje se v rozmezí 55° a 64°, v závislosti na tom se liší také kvalita pokrytí polárních oblastí. Signály GNSS jsou vysílané v L-pásmu. Nejčastěji je využíváno pásmo označo­vané L1/E1 s nosnou frekvencí 1575,42 MHz, mezi další frekvence patří např. L5/E5 (1176,45 MHz) a L2 (1227,6 MHz).

Modulované signály všech systémů GNSS – GPS, Galileo, BeiDou s výjim­kou ruského GLONASS – využívají kódové dělení (CDMA), jejich družice tak mohou vysílat na totožné frekvenci. Družice jsou rozlišeny dálkoměrným kódem, přes nějž je přenášena navigační zpráva (rychlost 50 b/s). V případě ruského GLONASS je využito frekvenční dělení (FDMA) a všechny družice využívají identický dálkoměrný kód.

Využívá se přenosu s rozprostřeným spektrem DSSS (Direct Sequence Spread-Spectrum), zpravidla je použita modulace BPSK, u moderni­zovaných signálů pak často nějaká z variant modulace BOC (Binary-offset ca­rrier). Právě evropský Galileo používá tento typ modulace, který je možné provozovat na totožné nosné frekvenci, jeli­kož v místě hlavního spektrálního laloku BPSK modulovaného signálu je nulová hodnota spektra při  modulaci BOC. Právě technologie rozprostřeného spektra, resp. kódový zisk, umožňuje pro navigaci přijímat a využívat extrémně slabé signály družic GNSS. Jako příklad uveďme, že minimální garantovaný výkon L1 C/A na příjmu u signálu systému GPS se v závislosti na elevaci družice pohybuje okolo -128 dBm. Ty musí přijímače přijmout a ze 4 družicových signálů podle jejich rozdílu v čase vypočítat polohu.

Významným zdrojem chyb v praktických aplikací je vícecestné šíření GNSS signá­lů. K tomu dochází vlivem odrazů od objektů v okolí přijímače. Pro odstranění chyb se používají různé metody jako dvou frekvenční, kterou je možno potlačit ionosférické chyby, nebo diferenciální s využitím signálů referenčních stanic. Galileo poskytuje velmi přesnou službu určení polohy (HAS), která by měla být maximálně 25 cm, dokonce v případě spojení údajů s GPS je udávána horizontální přesnost <=15 cm a v prostorových souřadnicích do 20 cm.

Václav Navrátil při výkladu technologie služby HAS u systému Galileo (Foto: Václav Udatný)

V poslední době vzniká poptávka po speciálních autentifikovaných signálech, které omezují tzv. spoofing-rušičku s podvrženým signálem. Jedním ze současných trendů v opatření proti tomuto záměrnému rušení je autentifikace signálů, tj. potvrzení, že přijímáme opravdu signál od družic daného systému a nikoli jeho podvrh.

O kosmických technologií již od základní školy

Rádiová komunikace v meziplanetárním prostoru patří ke špičkovým aplikacím současné radiotechniky a k té není možno dospět bez přípravy od žákovského věku. V příspěvku Petra Ondráčka Podpora vzdělávání v kosmických radiokomunikacích na FEL ČVUT v Praze byl prezentován pilotní projekt uvedeného programu, obsahující vybraná témata středoškolských odborných činnosti, které pro realizaci využijí vybavení nově budovaného radioklubu OK1KUR na Elektrotechnické fakultě ČVUT, jehož činnost je možno sledovat na internetových stránkách https://radioklub.fel.cvut.cz.  A to jak v jeho družicové sekci pro rádiové komunikace malých družic v pásmu VHF a UHF, tak i pro volnočasové aktivity a vzdělávání v oblasti zemského a družicového radioamatérského vysílání. K tomu slouží motivační program s názvem „Malé družice a já“, zasazený do rámce spolupráce mezi pražskou elektrofakultou se základními, středními a vyššími odbornými školami, který je plánován od 1.ledna 2024 do 31.12.2027.

Prezentace na stránkách agentury UNIT

Zájemci o podrobnosti jednotlivých přednášek se mohou na jednotlivé prezentace podívat na stránkách https://www.konferadio.cz/program, kde rovněž najdou kromě jiného zajímavou prezentaci o mobilní komunikaci na železnici s ohledem na zabezpečovací systémy, o nichž se v poslední době často hovoří.

Úvodní snímek převzat z našeho článku o využití kampusových sítí při sportovních přenosech z roku 2020