Jaká je vize komunikace dalších let podle ITU? Interaktivní a hyper rychlá ve virtuálním světě

Předcházející Radiokomunikační shromáždění RA-23, které se konalo od 13. do 17. listopadu, stanovilo rámec vývoje standardů rádiových rozhraní pro šestou generaci mobilních systémů, obvykle nazývaných 6G, vlastně o seznam požadavků pod souhrnným názvem IMT-2030 na sítě, zařízení, služby a kmitočty, které by měla nová generace 6G splňovat, jako Doporučení ITU-R M.2160.

Nový rámec vývoje IMT-2030 je pojat z celosvětového hlediska a budoucnosti v roce 2030 a za něj. I když Evropa si stanovila vlastní politiku spektra a zatím direktivně neplánuje rozšíření o další pásma pro IMT pod 1 GHz, nejde z pohledu budoucnosti ignorovat vize a technologické směry, kterými se vývoj ve světě bude s největší pravděpodobností ubírat.

Evropa preferuje dlouhodobé zachování UHF pásma pro DTT minimálně až do roku 2031  (Foto: Václav Udatný)

I na setkání s novináři, ještě před koncem WRC-23, Marcel Procházka (CRA) naznačil, že směr budoucího vysílání bude hybridní ve spojení broadcast-broadband (HbbTV). I stávající 5G sítě již definují vysílací mód 5G BC (5G Broadcast).

Vývoj celulárních digitálních technologii od 2G po 5G

Všechny předchozí generace mobilních telekomunikací – analogové celulární (1G), digitální celulární (2G), IMT – 2000 (3G), IMT – Advanced (4G) a IMT – 2020 (5G) – byly také standardizovány prostřednictvím ITU doporučení. Rámec IMT-2030 navazuje na předchozí strategie IMT-2000 a posléze IMT-2020, vydanou v červnu 2015 a tvořící základ standardů skupiny 3GPP pro sítě 5G. Celkový vývoj rámcových doporučení pro mezinárodní mobilní komunikace je patrný z následující obrázku.

Časový plán vývoje a nasazování IMT (Zdroj ITU R REC—M.2083-0)

Jak z obrázku patrno, mělo v době publikace v roce 2015 dojít v dnešních dnech k plnohodnotnému nasazení 5G se všemi deklarovanými parametry. I u nás jsou sice sítě 5G tak nazývány, ale povětšinou všechny požadavky nesplňují. Příkladem mohou být uživatelské přenosové rychlosti v hustém městském prostředí pro downlink 100 Mbit/s, či uplink 50 Mbit/s, které však nejsou v 5G NSA (Non Stand Alone) sítích dosud dosahovány. Přehled parametrů, kterých by se mělo v sítích páté generace SA (Stand Alone) dosáhnout dle IMT-Advanced bylo opět publikováno v Doporučení ITU R REC—M.2083-0 v roce 2015 a vícekrát bylo znázorněno podle následujícího grafu.

Rozšíření klíčových schopností podle IMT-2020 – Advanced (Zdroj ITU R REC—M.2083-0)

Aby byla usnadněna migrace celulárních sítí z LTE na standard 5G New Radio, 3GPP kodifikoval dva režimy nasazení pro sítě 5G: Non-Standalone Architecture (NSA) a Standalone Architecture (SA). NSA 5G využívá stávající síťovou infrastrukturu, zatímco SA 5G modernizuje základní síťovou infrastrukturu tak, aby vyhovovala potřebám a požadavkům podnikatelské sféry které jsou na obrázku naznačeny.

Samostatné 5G (SA) přináší rychlejší, spolehlivější a mnohem schopnější telekomunikace než kdykoli předtím. Představuje však také logistické, finanční a provozní výzvy pro síťové operátory, kteří musí investovat obrovské množství času a financí do modernizace infrastruktury a organizačních opatření, aby uvedli 5G do života.

Co obnášejí sítě další generace 6G

Rámcové Doporučení IMT-2030, schválené na Radiokomunikačním shromáždění (RA-23) mezi 13. a 17. listopadem před vlastní WRC-23, je možno považovat za technickou referenci pro nejnovější generaci mezinárodních mobilních telekomunikací pro budoucí vývoj IMT pro rok 2030 a dále.

Identifikuje 15 možností pro technologii 6G. Devět z těchto možností je odvozeno od stávajících systémů 5G. Očekává se, že IMT-2030 pomůže řešit potřebu zvýšené environmentální, sociální a ekonomické udržitelnosti. Pod pojmem enviromentální udržitelnosti je nutné si představit, že nové technologie budou muset klást důraz i na energetickou náročnost, které u sítí 5G nebyla věnována pozornost a vycházela pouze z předchozích generací, tak že nároky na energie se zaváděním 5G podstatně narostly a komunikace prostřednictvím mobilních sítí se stala žroutem energie.

Očekávané scénáře použití pro 6G tak zahrnují 4 hlavní směry: udržitelnost, propojení nepřipojených, bezpečnost a odolnost a všudypřítomnou inteligenci. V kostce mezi ně patří

• Pohlcující komunikace poskytující uživatelům bohatý a interaktivní zážitek z videa.
• Hyperspolehlivá komunikace s nízkou latencí, která umožňuje rozšíření inteligentních průmyslových aplikací včetně telemedicíny a správy energetických sítí.
• Posílená všudypřítomná konektivita, zejména ve venkovských, odlehlých a řídce osídlených oblastech, s cílem překlenout digitální propast.
• Masivní komunikace zahrnuje rozšířené používání zařízení a aplikací internetu věcí (IoT) v chytrých městech, inteligentních dopravních systémech a sektorech, jako je zdravotnictví, zemědělství, energetika a monitorování životního prostředí.
• Umělá inteligence (AI) a komunikace pro podporu aplikací využívajících umělou inteligenci.
• Integrované vícerozměrné snímání pro zlepšení asistované navigace a vysoce přesné určování polohy včetně detekce objektů a přítomnosti, lokalizace, zobrazování a mapování.

Původní trojúhelník scénářů 5G podle IMT-2020, o němž jsme v souvislosti se standardizaci 3GPP psali již téměř před pěti lety v článku o aukci kmitočtů v pásmu 700 MHz, se rozrůstá na šestiúhelník s umělou inteligencí (AI) a komunikací pro podporu aplikací využívajících AI, integrovaným vícerozměrným snímáním pro zlepšení asistované navigace a vysoce přesné určování polohy, včetně detekce objektů, lokalizace, zobrazování a mapování a s všudypřítomnou konektivitou.

Scénáře využití pro IMT-2030 (Zdroj: Doporučení ITU-R M.2160-0 (11/2023) Řada M: Mobilní, rádiové určování, amatérské a související satelitní služby. Rámec a celkové cíle budoucí vývoj IMT pro rok 2030 a dále)

Ultraspolehlivá komunikace s nízkou latencí (URLLC) se rozšiřuje na hyperspolehlivou (HRLLC) a má umožňovat rozšiřování inteligentních průmyslových aplikací včetně telemedicíny a elektrorozvodných sítí pomocí masivní komunikace, která zahrnuje rozšířené používání zařízení a aplikací internetu věcí (IoT) v chytrých městech pro inteligentní dopravní systémy v návaznosti na autonomní vozidla.

Není ani vynechána pohlcující komunikace poskytující uživatelům bohatý a interaktivní zážitek z videa nebo posílená všudypřítomná konektivita, zejména ve venkovských, odlehlých a řídce osídlených oblastech, s cílem překlenout digitální nevyváženost.

Cílové parametry 6G podle IMT-2030

Dosáhnout maximální datové rychlosti 50, 100, 200 Gbit/s a pro uživatele 300 Mbit/s and 500 Mbit/s. Rychlosti pohybujících se vozidel v hodnotách 500–1000 km/hod pro spolehlivý přenos dat při definované kvalitě služby QoS. Zpoždění – Latence (příspěvek rádiové sítě k době od okamžiku, kdy zdroj odešle paket určité velikosti, do okamžiku, kdy jej cíl přijme) by mělo být v rozsahu 0,1 – 1 ms, zatímco v 5G bylo definováno minimální zpoždění 4-1 ms. Z pohledu chybovosti, tj. úspěšného přenosu předem stanoveného objemu dat v daném časovém úseku, by se mělo dosáhnout počtu v rozsahu od 1×10^-5 do 1×10^-7.

Vize multimédií podle ITU

Očekává se, že budoucnost multimédií a komunikace zaměřené na člověka, kterou umožňuje IMT-2030, poskytne pohlcující zážitek prostřednictvím více smyslových interakcí a hloubkové integrace mezi fyzickým a digitálním světem. To poskytne interaktivní video zážitek v reálném čase a rozšířená realita (AR) bude přizpůsobena a vyvinuta do pohlcujícího zážitku pro uživatele. Kromě těchto trendů se holografická teleprezence může stát běžnou pro práci, sociální interakce, zábavu a televzdělávání.

Digitální dvojčata v metaverzu

První seznámení se s virtuální realitou v metaverzu nám nabídl neúspěšný prezidentský kandidát Karel Janeček již v září 2022 při zahájení své netradiční kampaně se svým virtuálním dvojčetem. Na tom je zajímavé to, že digitální dvojče je již definováno v Doporučení ITU-T Y.4600 jako digitální reprezentace objektu zájmu a může mít různé schopnosti v závislosti na konkrétní doméně aplikace. Při tom se nemusí vždy jednat o člověka, ale může jít i o synchronizaci mezi fyzickou věcí a její digitální podobou s reálnou – časovou podporou.

Digitální dvojčata mají podle zpracované vize ITU potenciál poskytovat všudypřítomné nástroje a znalostní platformy pro modelování, monitorování, správu, analýzu a simulaci fyzických aktiv, zdrojů, prostředí a situací pomocí pokročilých technologií, jako je integrace komunikace s negenerativní umělou inteligencí AI. Digitální dvojčata by mohla také synchronizovat digitální svět s fyzickým světem a poskytovat spojení mezi komponentami digitální repliky. Očekává se, že digitální dvojčata se nejen replikují, ale také ovlivní fyzický svět poskytováním digitálních map pro virtuální zážitky lidem a počítačového řízení strojům. Pro praxi se zcela vážně předpokládá, že digitální repliky se stanou mocným nástrojem ve vývoji mnoha průmyslových odvětví, včetně zdravotnictví, zemědělství a stavebnictví.

Již dnes je možné pro sledování videí použít headset Meta Quest 3 (k dispozici i na našem trhu) pro virtuální/rozšířenou realitu (Zdroj: koláž autora z screenshotu z videa YT )

Standardizace a interoperabilita základem pro uskutečnění vizí

Systémy IMT-2030 budou od začátku navrženy tak, aby využívaly transparentní a státy přijatými standardizovanými a interoperabilními rozhraními, která zajistí, že různé části sítě, ať už od stejných nebo různých dodavatelů, budou spolupracovat jako plně funkční a interoperabilní systém. Měly by také podporovat kontinuitu služeb a poskytovat flexibilitu uživatelům prostřednictvím úzké spolupráce s implementacemi neterestrických sítí, stávajícími systémy IMT a dalšími přístupovými systémy mimo IMT-2030. Navrhované systémy by měly rovněž podporovat hladkou migraci ze stávajících mobilních telekomunikací, kde bude zahrnuta podpora konektivity s IMT-2020 a potenciálně IMT-Advanced zařízeními vhodnými pro jejich začlenění.

Žádné nové spektrum po roce 2030 pro IMT

Očekává se, že systémy IMT-2030 budou i nadále využívat směs různých frekvenčních pásem jako v současném systému IMT, ale s potenciálně větší šířkou pásma a vyššími provozními frekvencemi, přičemž bude využita široká škála frekvenčních pásem od sub-1 GHz až po frekvenční pásma nad 100 GHz. Nízká pásma budou i nadále klíčová pro umožnění celostátního pokrytí, zejména při řešení digitální propasti a pro rozšiřování vnitřního pokrytí. Střední pásma poskytnou rovnováhu mezi pokrytím široké oblasti a kapacitou.

Bude pokračovat výzkum a vývoj zaměřený na lepší koexistenci a sdílení spektra (včetně technických aspektů). Nové generace IMT mohou očekávat nové spektrum pro zvýšení rychlosti přenosu dat, kapacity, nových aplikací a poskytnutí nových schopností. Využití spektra lze dále zlepšovat efektivní správou zdrojů prostřednictvím různých technologií, jako je pokročilá agregace nosných (CA) a distribuované nasazení buněk, stejně jako jsou technologie sdílení spektra a technologie pro širší frekvenční spektrum.

Při tom Doporučení ITU navíc výslovně uvádí, že odkaz na spektrum obsažený v jeho textu, by v žádném případě neměl být chápán jako nárok na nové potřeby spektra pro mobilní komunikace roku 2030 a za něj, což lze z pohledu terestrické televize alespoň dnes považovat za dobrou zprávu.

Jaké budou nové technologie

Za účelem dosažení lepšího výkonu lze zvážit nové pokročilé modulační metody k překonání poruch RF při vysokých frekvencích. Technologie mohou také zvážit pokročilá schémata kódování, jako jsou pokročilé verze polárního kódování, kódy kontroly parity s nízkou hustotou (LDPC) a další schémata kódování. Pokročilý návrh tvaru vlny mezi ortogonálními, biortogonálními a neortogonálními metodami by byl přínosem pro zajištění žádoucího výkonu ve specifických scénářích. V případě vícenásobného přístupu se očekává, že technologie neortogonálního vícenásobného přístupu (NOMA) a bezpodmínečného vícenásobného přístupu budou považovány za splňující budoucí požadavky. Extrémní MIMO (E-MIMO) by bylo nasazeno s novými typy anténních polí, mnohem většími anténními poli, distribuovanými mechanismem s podporou AI. Očekává se, že se tím dosáhne lepší účinnosti spektra, většího pokrytí sítě, přesnějšího určování polohy, přesnějšího snímání při vyšší energetické účinnosti atd.

Technologie SIC (self-interference cancelling) v zařízeních a sítích by umožnila v budoucích mobilních komunikacích vnitropásmový plný duplex (IBFD), čímž by se zvýšila účinnost spektra a potlačila interference mezi společně umístěnými heterogenními systémy, zejména pro scénáře s vysokým výkonem a masivní MIMO.

A jaké z toho plynou závěry?

IMT-2030 je rámcové doporučení a udání směru, ve kterém mají být podniknuty výzkumné práce, tak, aby bylo možno přistoupit k jejich prvnímu vyhodnocení v roce 2027 u příležitosti další Světové radiokomunikační konference. Činnost radiokomunikačního sektoru (ITU-R) se zaměří na definování technických požadavků, procesu předkládání a hodnotících kritérií pro potenciální technologie rádiového rozhraní 6G.Do závěrů letošní konference, které budou podrobně publikovány asi až na jaře příštího roku (viz náš článek o konferenci WQRC-23), se konkrétní doporučení a upřesněné cíle objeví pravděpodobně jen jako body příštích konferencí v roce 2027 a 2031.

Ale co je podstatné: Evropská unie připravuje dlouhodobou koncepci telekomunikačního sektoru, o čemž svědčí i proběhlá konsultace „O budoucnosti sektoru elektronických komunikací a jeho infrastruktuře“, jejíž výsledky je možno stáhnout z výše uvedeného odkazu. Podobně ČTÚ vyhlásilo konsultaci ke Strategii správy spektra již v létě minulého roku, avšak na rozdíl od EU jsou výsledky neveřejné, i když se jedná o podstatnou změnu revidované strategie Digitální Česko z roku 2015. Je tudíž více než jasné, že alespoň některé vývojové trendy obsažené ve strategii IMT-2030 budou začleněny i do budoucí Strategie frekvenčního spektra i u nás.

Úvodní foto: ITU, ze zasedání RA-23 v Dubaji