Telekomunikační standard pro nové mobilní sítě 5G stručně a přehledně
Zveřejněno: 27. 10. 2020 | Doba potřebná k přečtení: 9 minut
Od zavedení telekomunikačního standardu páté generace (5G) se poskytovatelé mobilních služeb a provozovatelé sítí, jako například Deutsche Telekom, předhánějí ve svých nabídkách. Ukazují nám nový, fascinující digitální svět, který je nám díky superrychlé 5G síti k dispozici vždy a všude.
Doby, kdy museli majitelé mobilních telefonů čelit masivním problémům s přístupem k síti, jsou definitivně pryč. Podle toho, co provozovatelé sítí prohlašují, jsou díky této nové technologii možnosti mobilního přístupu k internetu v reálném čase prakticky neomezené. Díky tomu je možné streamování filmů a živých událostí pro miliony lidí současně, a to bez prodlevy.
Mobile Gaming a Augmented Reality se v nadcházejících letech posunou do úplně nové dimenze. Reálný svět a virtuální prvky se navzájem plynule propojí. Virtual Reality se ale také od základu změní a zcela předefinuje způsob, jakým se učíme.
V našem rádci vám vysvětlíme, co se za telekomunikačním standardem 5G skrývá a co všechno tato nová technologie umí, resp. co v nadcházejících letech umět bude.
Abychom mohli přenášet signály jako řeč, hudbu nebo také data na velké vzdálenosti, potřebujeme nějaké přenosové médium. V případě mobilní komunikace se k tomu jako nosná frekvence používají vysokofrekvenční (HF) kmity.
Ty se pak přenášejí vzduchem od antény k anténě. Pokud je užitný signál s nízkou frekvencí (NF), např. řeč nebo hudba, zkombinován s vysokofrekvenční nosnou frekvencí, odborníci hovoří o modulaci.
Nejběžnějšími druhy modulace při analogovém přenosu rozhlasového a televizního signálu je amplitudová modulace (AM) a frekvenční modulace (FM). Naproti tomu u rádiového spojení jsou přenášeny digitální informace v podobě nul a jedniček.
Proto se zde používá fázová modulace (PSK, Phase Shift Keying). Když vlna nosné frekvence kmitne nahoru, přenese se „jednička“. Když vlna kmitne dolů, přenese se „nula“.
Nosná frekvence pracuje v určitém frekvenčním spektru, které je definováno dolní a horní mezní frekvencí. Tato oblast se označuje jako šířka pásma. Čím vyšší je šířka pásma, tím více informací lze přenášet.
Na straně přijímače je demodulací zpětně získáván nízkofrekvenční užitný signál, resp. datová informace. To ale funguje, pouze pokud jsou přijímač a vysílač přesně vzájemně sladěné a pokud využívají stejné frekvence a stejnou metodu přenosu.
U telekomunikačních standardů je celosvětově přesně definovaná mj. struktura rádiových signálů a průběh přenosu dat. Výrobci smartphonů tak mají k dispozici konkrétní parametry a uživatelé chytrých telefonů pak mohou svá zařízení využívat kdekoliv na světě.
Vývoj mobilního telekomunikačního standardu se vždy odvíjí také od vývoje chování uživatelů. Jinak řečeno, mobilní telekomunikační standardy se neustále pokoušejí vyhovět neustále se zvyšující poptávce po objemu dat a rychlosti. Zatímco u mobilního telekomunikačního standardu první generace stále ještě bylo na prvním místě telefonování, požadavky uživatelů a také výkonnost moderních smartphonů se posunuly výrazně dále. Jak rychle se tyto změny odehrály a jak významné byly, můžeme pozorovat na vývoji různých mobilních telekomunikačních standardů.
Mobilní telekomunikační standard 1G
Standard první generace mobilních telefonů (1G) fungoval od roku 1958 s analogovým přenosem hovorů prostřednictvím tzv. A-sítě. Hovory ještě musely být zprostředkovány spojovatelkou.
Existoval bezdrátový vysílač s pevným pokrytím, které nebylo možné opustit, protože by se hovor přerušil. Velmi nešikovné přístroje byly navíc opravdu hodně drahé.
V roce 1972 přišla B-síť, která se už obešla bez spojovatelky a roku 1984 C-síť, která se opírala o buňky. Také telefony se postupně zmenšovaly.
Mobilní telekomunikační standard 2G
Pod názvem „Global System for Mobile Communication“ nebo také GSM síť byla v roce 1992 představena druhá generace mobilních sítí. Díky přechodu k digitální technice bylo možné přenášet v D-síti a později také v E-síti vedle hovorů také data, jako např. SMS zprávy. Díky digitalizaci se navíc výrazně zlepšila kvalita přenášených hovorů a mnohem více osob současně mohlo hovořit nebo přenášet data. V GSM sítích byla používána dvě frekvenční pásma.
GSM 900 využívá frekvence 890–915 MHz a 935–960 MHz.
GSM 1800 (původně Personal Communications Network 1800) využívá frekvence 1 710–1 785 MHz a 1 805–1 880 MHz.
Díky efektivní metodě modulace (technika GPRS) byly možné datové přenosy až 150 kbit/s.
Mobilní telekomunikační standard 3G
Zavedení mobilního telekomunikačního standardu třetí generace nebo také „Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)“ proběhlo v Německu v roce 2004.
Tímto standardem byly položeny základy mobilního a rychlého přenosu velkých množství dat. Mobilní surfování na internetu nebo přehrávání a sdílení hudby a videí už byly s tímto standardem bez problému možné.
UMTS využívá frekvence 1 920–1 980 MHz a 2 110–2 170 MHz.
Díky technickým rozšířením, jako je např. HSPA+ (High Speed Packet Access), bylo možné dosáhnout přenosové rychlosti až 42 Mbit/s.
Mobilní telekomunikační standard 4G
Aby bylo možné vyhovět neustále rostoucím požadavkům na objem přenášených dat, byl vyvinut mobilní telekomunikační standard LTE (Long Term Evolution).
U něho ale nešlo jen o zvýšení přenosové rychlosti. Především měl být vyvinut jednotný celosvětově platný standard, který pak byl spuštěn v roce 2009 ve Stockholmu. V květnu 2010 byl LTE uveden také v Německu.
LTE využívá frekvence 800 MHz, 1 800 MHz a 2 600 MHz. Od června 2015 byly přidány ještě další frekvence v pásmu 700 MHz, které byly využívány pro digitální televizi (DVB-T). Díky inovativní technice více antén, lepšímu umístění buněk a snížení prodlevy (latence) jsou možné přenosy dat o objemu až 300 Mbit/s. Spojování frekvenčních pásem (LTE-Advanced Pro) umožňuje teoretickou rychlost až 500 Mbit/s.
Mobilní telekomunikační standard 5G
Zatímco ještě probíhalo budování sítě LTE, byly zahájeny přípravy pro vývoj jejího nástupce, sítě 5G, resp. mobilního telekomunikačního standardu páté generace.
Zavedení 5G přitom ale neznamená konec LTE, resp. G4. 5G je především rozšířením LTE. Pouze při paralelním provozu LTE a 5G totiž bude v budoucnosti možné dosáhnout potřebných objemů dat a přenosových rychlostí.
Komunikace ostatně jednoho dne nebude probíhat jen mezi miliony lidí. Také stroje a zařízení se budou vzájemně propojovat v rámci internetu věcí (IoT) a budou si mezi sebou neustále vyměňovat informace. Kompletní průmyslová automatizace (Průmysl 4.0) nebo autonomní vozidla – to všechno se stane realitou až v době, kdy bude k dispozici spolehlivé spojení s extrémně velkým objemem dat a nízkou prodlevou.
Smartphony kompatibilní se sítí 5G
Které frekvence využívá síť 5G?
Telekomunikační standard 5G využívá pro přenos dat v Německu frekvenční pásma 700 MHz (o které se dělí s LTE), 2,1 GHz a 3,6 GHz.
Přenos v mobilní síti 5G se v Německu odehrává nejčastěji ve třech pásmech:
700 MHz
S těmito frekvencemi LTE se původně měl uskutečňovat přenos v regionech. Díky technologii Intelligent Dynamic Spectrum Sharing (DSS) je nyní možné, aby se sítě 4G a 5G o frekvenční pásmo dělily, přičemž LTE slouží jako základní frekvence a spojovací článek. Díky tomu nebyly nutné nákladné přestavby na vysílacích stožárech. Pro přechod na nový standard byly nutné pouze úpravy softwaru.
2 100 MHz (2,1 GHz)
Při aukci frekvencí v roce 2019 byly kromě pásma 3,6 GHz odprodány ještě volné kapacity v pásmu 2 GHz (gigahertz). Když byla na konci roku 2020 dokončena likvidace sítě UMTS, byly k dispozici uvolněné frekvence UTMS pro 5G síť.
3 600 MHz (3,6 GHz)
Frekvenční pásmo 3,6 GHz patřilo při prodeji Spolkovou síťovou agenturou k nejžádanějším frekvenčním pásmům pro budování sítě 5G. Dosah je sice v tomto frekvenčním pásmu spíše malý, zato je ale možné přenášet velmi velké objemy dat. Díky tomu se toto frekvenční pásmo ideálně hodí pro města.
V rozsahu 700 MHz až 3,6 GHz spolu vzájemně čile interagují nejrůznější mobilní telekomunikační standardy od 2G až po 5G. Přestože je 3G síť v Německu odstraňována, je prostor, který bude do budoucna k dispozici, jednoduše příliš malý. O stávající prostor se kromě jiného musí dělit čím dál více uživatelů. Tím může docházet ke stále většímu zpomalování datového přenosu. To lze pozorovat zejména na místech, jako jsou stadiony nebo nákupní centra, kde se na omezeném prostoru schází velký počet uživatelů s jejich chytrými telefony. Velmi záhy je dosaženo mezí výkonnosti poskytovatele sítě.
Proto byli poskytovatelé mobilních služeb v minulosti nuceni využívat stále vyšší frekvenční pásma. Například LTE tedy využívá vyšší frekvence než LTE. A v případě 5G se využitelné frekvence rovněž posunuly dále směrem nahoru. Aby bylo do budoucna možné dosáhnout požadovaných frekvenčních pásem pro enormní množství dat, upínají se provozovatelé sítí, stejně jako Deutsche Telekom, k mikrovlnám (mmWave). Tedy k frekvenčnímu pásmu 24 až 100 GHz. To by umožňovalo gigantické datové přenosy 20 Gbit/s a více, pro miliony lidí a jejich koncových zařízení.
Fyzikální vlastnosti těchto vln nicméně v tuto chvíli hovoří spíše proti jejich praktickému využití. Totiž, čím vyšší je frekvence, tím menší je výkon v určitém dosahu. Navíc je u tohoto frekvenčního pásma průchod stěnami nebo budovami jen velmi špatný nebo dokonce nemožný. Protože je možné vlny snadno odstínit, je v podstatě možné jen spojení takříkajíc na dohled. Pokud bychom ovšem namísto jednoho velkého vysílacího stožáru použili velké množství malých inteligentních buněk (Smart Cells) v různých umístěních, daly by se tyto problémy snadno vyřešit. Podobně jako u WLAN routeru by pak bylo možné namontovat zařízení uvnitř budov, do místností nebo venku, na lampách veřejného osvětlení.
Další inovativní koncepty jako beamforming (ovlivnění vysílací charakteristiky) a techniky MIMO (používání více vysílacích a přijímacích antén v jednom přenosovém systému) rovněž pomáhají omezit nevýhody mikrovln. Další výhoda: Protože se Smart Cells vždy nacházejí v bezprostřední blízkosti uživatele, snižuje se vysílací výkon telefonu, s ním také spotřeba energie.
Plány pro uvolnění mikrovln
V tuto chvíli je ale technologie mmWave pro mobilní sítě v Německu ještě hudbou budoucnosti. O přidělení frekvencí totiž Spolková síťová agentura dosud nerozhodla. Vysílače buněk navíc bezpodmínečně musejí být připojené optickým vláknem, aby byl možný rychlý přenos dat např. z internetu. Je ale jen otázkou času, kdy bude technologie mmWave zavedena.
Jak už jsme zmínili, pro mobilní telekomunikační standard 5G jsou k dispozici různá frekvenční pásma. Které frekvence se kde používají, to nakonec záleží na očekáváních uživatelů.
Venkovské oblasti
Na venkově s nízkou hustotou obyvatelstva se poskytovatelé sítí zaměřují zejména na pokrytí. Zde se ideálně hodí frekvenční pásmo 700 MHz, které umožňuje vysoký dosah v řádu kilometrů.
Malá města nebo komerční zóny
Pro oblasti omezené velikosti se používají frekvenční pásma 2,1 GHz a 3,6 GHz. Kombinace vysokého dosahu (frekvence 2,1 GHz) a vysoké přenosové rychlosti (frekvence 3,6 GHz) umožňuje perfektní pokrytí.
Velkoměsta
Ve velkoměstech se přednostně používá frekvenční pásmo 3,6 GHz. Menší dosah je vyrovnán vyšším počtem buněk. Zato je k dispozici vysoké frekvenční pásmo pro velký počet uživatelů.
Nákupní centra, stadiony, průmyslové celky
Pokud více lidí současně potřebuje rychlý internet, ideálně se hodí mikrovlnné frekvenční pásmo. Chytré rozmístění buněk a cílený beamforming umožňují optimální pokrytí a vysoké přenosové rychlosti.
Toto je jen několik málo příkladů širokého spektra aplikací. V závislosti na požadavcích se mohou používaná frekvenční pásma lišit nebo mohou být také kombinována.
Přestože to, co nám už dnes slibují reklamy, v této chvíli ještě nemá tak úplně dokonalé obrysy, mobilní telekomunikační standard 5G skrývá opravdu velký potenciál. Proto všichni poskytovatelé mobilních služeb horečně pracují na tom, aby své sítě touto technologií vybavili. Zejména poměrně jednoduchá transformace 700MHz LTE zařízení pomohla s rychlým celoplošným pokrytím sítí 5G. Aktuální vývoj je v každém případě napínavý a také v budoucnosti napínavý zůstane – díky zavádění mikrovlnné technologie.