Na rychlost sítí 4G si musíme počkat, už ale víme, co slibují

Ze šesti technologií, které pracovní skupina vyhodnocovala na svém říjnovém setkání v čínském Chogqingu, nakonec zůstaly dvě, kterým se dostává oficiální posvěcení být IMT-Advanced, tedy součástí budoucího 4G standardu. 

Pokud přemýšlíte nad tím, jak je možné, že součástí standardu nové telekomunikační sítě se stane více technologií než jen a právě jedna, pak je situace ekvivalentní té, jaká před patnácti lety vznikla při ustanovení standardu sítí 3G, třetí generace. I tehdy podmínkám odpovídalo více technologií, které byly zařazeny pod shrnující standard, ačkoliv často nebyly přímo a jednoduše interoperabilní. Například byl (a je) součástí 3G standardu i telefonní systém DECT, což ale neznamená, že by DECTové telefony bylo možné používat v 3G sítích, které provozují naši operátoři. I nadále tedy bude potřeba dbát na to, že označení 4G je souhrn kvalitativních, kvantitativních a funkčních požadavků, ale nehovoří nic o samotné technologii.

Co musí splňovat 4G

Nejdříve se podívejme na to, jaké jsou požadavky na technologie, které by se mohly honosit označením 4G.

Tak především je to rychlost přenosu dat. Ve špičce by 4G technologie měla za plné mobility být schopna zvládnout 100 Mb/s, za omezené mobility až 1 Gb/s na downlinku, tedy pro stahování dat. Omezenou mobilitou se rozumí spíše stacionární připojení nebo připojení za chůze, plná mobilita naopak předpokládá i jízdu v rychle se pohybujícím vlaku. Tento předpoklad je základním kritériem pro sítě 4G a taky prubířským kamenem, na kterém většina technologií, dnes honosně označovaných jako 4G, troskotá. Jen pro pořádek zdůrazněme, že jde o rychlosti sdílené, nikoliv vyhrazené.

Samozřejmostí má být kompatibilita služeb se současnými sítěmi zahrnutými pod IMT (International Mobile Telecommunications) včetně sítí pevných a také schopnost interoperability s jinými rádiovými systémy. Mezi předpoklady také patří to, že síť je vystavěná kompletně nad IP technologií a její jádro už je plně paketově spínané, není tu žádný hybrid slučující okruhové spínání, jako předpokládaly sítě 3G. Důležitým předpokladem je také kvalita služby, QoS (řízení kvality služeb) má být dostupné na celé trase sítě. To je nakonec důležitý a logický předpoklad pro transport hlasových služeb v IP síti. Přehled všech technologických požadavků najdete v sekci Requirements na webu ITU.

Kandidáti na 4G

S výběrem vhodných technologií pro sítě čtvrté generace se začalo již v roce 2002 a do uzávěrky v říjnu 2009 dorazilo šest návrhů na vhodné kandidáty. Z nich byli vybráni dva, kteří slibují splnit podmínky, které mezitím na technologii 4G vykrystalizovaly. Jde o LTE-Advanced a WirelessMAN-Advanced, ty také budou předloženy ke schválení v listopadu na ženevském setkání ITU-R Study Group 5.

Jak funguje standardizační kolečko, je zřejmé z následujícího obrázku, jehož autorem je ITU.

Od prvních vizí do funkční specifikace, podle které mohou začít výrobci produkovat své zázraky, uplyne zhruba deset let (tak to bylo i u 3G standardu). Za tu dobu se protancuje minovým polem patentových nároků a zájmů, kdy každý z výrobců chce, aby se uplatnila technologie obsahující jeho patenty, protože z nich mu bude plynout zisk. Za což lobbují jeho regionální zástupci. Pro technologii je podstatné, že ji vlastně předkládají především telekomunikační firmy, takže standard nevzniká na zelené louce, ale podle toho, co se aktuálně v průmyslu děje. Když pak standard „zamrzne“, tedy je definován, výrobci nemusí zuřivě stahovat dokumentaci, ale vlastně už mají připraveno a jen odlaďují své odchylky od standardu, tedy místa, kde se podařilo protlačit někomu něco jiného. Díky tomuto postupu se čas od uvedení standardu do uvedení výrobků na trh daří stlačovat na velmi krátkou dobu a například u WiFi standardu 802.11n bylo na trhu dostatek výrobků označovaných jako pre-N standardy několik let před tím, než byl standard přijat. Nikoliv pro všechny ovšem výrobci nabídli možnost update na skutečný N standard, což je pro zákazníky jisté riziko.

Na obrázku vidíte, jak se standardizace vysokorychlostních mobilních sítí vyvíjí, od prvního 3G UMTS standardu označovaného jako Release 99, až po LTE Advanced označované jako R10.

Podstatné je, všimnout si těch dodatků Advanced. Ani klasické LTE ani běžný WiMax nebudou technologiemi standardu 4G, protože nedosahují rychlostních i jiných parametrů. 4G technologiemi se (zřejmě) stanou až jejich rozvinutější a o dva roky mladší sourozenci.

Podívejme se na souhrn vlastností, které IMT-Advanced technologie budou mít:

Rychlostní požadavky lépe ilustruje následující obrázek:

Otázkou je, jak dosáhnout gigabitových rychlostí. Odpovědí je rozšíření pásma, které služba využívá. Pokud jsme v případě 3G sítí považovali šířku 5MHz za širokou (Wideband CDMA), tak v případě LTE se již běžně počítá s tím, že šířka jednoho kanálu může vzrůst až na 20 MHz. Pro LTE-Advanced se jde ještě dále, více nosných se může sloučit do jednoho datového kanálu, který ve výsledku může mít šířku 100 MHz. Pak už záleží na další optimalizaci, jak zajistit co nejnižší chybovost datového toku při přenosu rádiem. Předpokládá se, že agregováním 40 až 100 MHz přenosového pásma může být dosaženo rychlostí 300 až 750 Mb/s, pokud je použita technologie 2×2 MIMO, pokud se použije 4×4 MIMO, počítá LTE Advanced s rychlostmi až 1200 Mb/s. Ovšemže teoretickými.

Co je technologie MIMO?

Vícenásobné vysílání a přijímání datového toku. V případě 4×4 MIMO jsou vysílány čtyři nezávislé datové toky skrze čtyři antény. Další čtyři antény signál přijímají a skládají, vyhodnocují chyby a vybírají jeho nejlepší části. Tím se minimalizuje režie a chybovost. Technologie se dnes využívá u WiFi ve standardu 802.11n a můžete se setkat s kombinacemi 2,3 a 4 antén, podle toho se značí 2×2 až 4×4 antény, myslí se čtyři vysílají a čtyři přijímají.

Na obrázku vidíte, jak se použití MIMO technologie v kombinaci s lepší modulací projevuje na efektivnosti přenosu.

Na dalším obrázku je zřejmé, jak si používání vícepřenašečového režimu, kdy zařízení využívá více nosných najednou, představují výrobci. 

Je z toho zřejmé, že toto řešení posouvá komplexitu modemů ještě o kus dále. Technické řešení je samozřejmě myslitelné, horší je však řešení energetické, vysílání i příjem v šířce pásma 100 MHz je náročný na proudové odběry, a pokud se tedy těšíte na USB stick do vašeho notebooku nabízející gigaherzovou rychlost, přemýšlejte rovnou o tom, kde seženete větší baterie. A netroškařte. Jestli jsou proudové nároky LTE Advanced v pásmu 20 MHz momentálně zhruba trojnásobné oproti HSPA+, u gigabitových rychlostí a využití pásma 100MHz se dostáváte o řád výše a tím také k desetiminutovým životnostem baterií mobilního zařízení. Opět na to narážíme, nedostatečné pokroky stran napájení mobilních zařízení začínají být stále větší brzdou.

V případě standardu WiMax je kandidátem mobilní standard 802.16m, označovaná též jako Mobile WiMax Release 2.0. Porovnání jejích vlastností s požadavky IMT-Advanced najdete v následující tabulce.

Neúspěšnými kandidáty na technologii 4G jsou Mobile Wimax (802.16e), UMB (někdejší EV-DO Revize C), Flash-OFDM a MBWA standardizované jako IEEE 802.20.

Kdy, komu a za kolik

Na sítě 4G se zatím příliš netěšte a na konzervativním českém trhu ovládaném oligopolní skupinou operátorů už vůbec. Jestliže sítě 3G přišly do Česka s desetiletým zpožděním, u 4G očekávejme realisticky něco podobného. Pravda, první sítě se začínají v cizině právě stavět, naprostá většina z nich staví na starších standardech LTE a WiMax, nikoliv na jejich Advanced (a jak my už víme, jediných pravých) 4G verzích. Skutečné 4G sítě přijdou do provozu spíše až po roce 2012, a to jen v omezených lokalitách, ITU předpokládá, že více se začnou rozmáhat kolem roku 2015, a to na rozvinutějších trzích USA, Asie a Evropy. Do Česka dorazí spíše později, předpokládejme tedy, že cílovým termínem pro naše země bude rozmezí 2017 až 2020.

       

A k čemu se stomegabitové rychlosti využijí? Konzumace zábavy a obsahu. V té době už dnešní teenagerská generace doroste do produktivního věku, své zvyklosti si přenese na mobilní telefony a bude chtít rutinně sledovat videa a hrát datově náročné hry přes mobilní sítě, vzniknou služby, které si dnes ani neumíme představit a které umožní právě veliká šířka pásma a rychlost stahování.

Že LTE Advanced nefunguje již dnes, vás mrzet nemusí. Je dobré se upamatovat na to, že váš FUP limit nastavený mobilním operátorem byste překročili již po šesti minutách stahování. I v tomto ohledu se tedy operátoři budou muset připravit na změny – a to změny mentální, psychologické. Ty také trvají a pro úspěch technologie jsou rozumě nastavené tarify, limity a ceny vlastně spolurozhodující. Pamatujme případu wap…