Bez standardu to nejde, a tak se o vše stará organizace 3GPP. I když 3GPP letos vydali v krátném sledu slibovanou Release 15 a následně zahájili přípravu Release 16, ke akceptovanému standardu to má ještě daleko. Aktuální stav harmonogramu zveřejnilia 3GPP 17.prosince. Z harmonogramu je vidět, že jednotlivá vydání standardu na sebe nenavazují, ale dochází ke štěpení, kdy nové problémy bude řešit budoucí vydání.
Na 5G je zajímavé to, že jde v podstatě o dvě samostatné sítě. Jedna bude fungovat na frekvencích pod 6 GHz, druhá nad 6 GHz. Nízkofrekvenční 5G sítě budou využívat v současnosti používaná mobilní pásma a k dispozici jim budou 100MHz kanály. Výsledkem by měl být až 50% nárůst rychlosti oproti LTE. Měla by však stoupnout také kapacita jednotlivých sektorů sítě, které by měly pojmout až čtyřnásobek zařízení. Z hlediska pokrytí nebude v podstatě rozdíl oproti 4G, dosah i hustota jednotlivých buněk bude stejná. V praxi budou operátoři moci využít stávající infrastrukturu (samozřejmě po modernizaci). Operátor Sprint v USA už například oznámil, že všechny své přístupové body 4G modernizuje na 5G a až bude síť připravena, pouze je přepne. Všechna tato omezení se však vyplatí překonat, protože široké kanály na těchto frekvencích umožňují dosahovat dosud netušených hodnot. Teoretické přenosové rychlosti se pohybují okolo 20 gigabitů za vteřinu a odezva klesá pod úroveň 1 ms.
Mnohem zajímavější je však pásmo nad 6 GHz. Zde dochází k té opravdové inovaci, která dělá z 5G revoluční technologii umožňující rozvoj v mnoha oblastech. Bavíme se o frekvencích v teoretickém rozsahu 24–86 GHz, nicméně v Evropě půjde o 24,25 až 27,5 GHz. Toto spektrum má výhodu, že je poměrně nevyužité a umožňuje tedy nasadit široké 400MHz kanály s možností dvojité agregace. Tyto frekvence se využívaly pro páteřní komunikaci, ale nebyly dosud využity v uživatelských přístrojích. Důvod je jednoduchý, neexistovaly dostatečně miniaturní antény a dostatečný výpočetní výkon nutný pro komunikaci v těchto frekvencích. Dalším důvodem je to, že tzv. milimetrové vlny (možno také použít označení mikrovlny) nejsou vhodné pro pokrývání větších oblastí. Jejich dosah je velmi omezen a špatně také procházejí překážkami.
Rozdělení frekvencí (Zdroj: National Instruments)
Vylepšení techniky MIMO
Technika více antén ve vysílači i v přijímači MIMO („multiple input multiple output“) zvyšuje spektrální účinnost rádiového přenosu, a to zhruba přímo úměrně počtu antén ve vysílači, resp. v přijímači. Například nejvyspělejší mód 8 x 8 MIMO, plánovaný pro standard LTE-A (4G), má ve vysílači i v přijímači osm antén, čímž se zvětší jeho přenosová rychlost – vůči systému s jedinou vysílací a jedinou přijímací anténou – osmkrát, a to při nezvětšeném frekvenčním pásmu a s nezvětšeným celkovým vysílacím výkonem! V síti 5G bude technika MIMO dále zlepšována. Počet antén na miniaturním mobilním terminálu sice zůstane malý, avšak počet antén na základnové stanici BS bude běžně dosahovat několika stovek. Tento systém, označovaný jako velmi velké MIMO (VLM, tj. „very large MIMO“) nebo také masivní MIMO, umožní vysílat data od základnové stanice k velkému počtu mobilních terminálů ve společném nezvětšeném frekvenčním pásmu a s nezvětšeným celkovým vysílacím výkonem. Velký počet antén v základnové stanici potom navíc dovolí vysílat signály k jednotlivým terminálům MS v ostře směrovaných anténních svazcích, což povede k dalšímu nárůstu energetické účinnosti systému a také k výraznému zmenšení interferencí jak se sousedními směrovými svazky, tak se svazky jiných buněk.
5G sítě jsou navrženy tak, aby podporovaly tři kategorie služeb:
- eMBB (rozšířené mobilní širokopásmové připojení): přístup k internetu s vysokou šířkou pásma vhodný pro prohlížení webových stránek, streamování videa a virtuální realitu. Jedná se o službu internetového přístupu, na kterou jsme zvyklí na smartphonech.
- mMTC (komunikace typu Massive Machine): Úzkopásmový přístup k internetu pro snímací, měřicí a monitorovací zařízení.
- URLLC (Vysoce spolehlivá komunikace s nízkou latencí): Služby pro zařízení citlivá na latenci pro aplikace jako automatizace továren, autonomní řízení a vzdálené operace. Tyto aplikace vyžadují milisekundovou latenci s chybovostí, které je nižší než 1 ztráta paketu z 105 paketech.
Testování sítí 5G
První evropské vysílače signálu 5G podle předběžného standardu 5G NR úspěšně otestovala již v říjnu 2017 v Berlíně společnost Deutsche Telekom a naměřila rychlost kolem 2 Gbit/s. V České republice otestoval T-Mobile na začátku roka 2018 podpůrnou technologii Massive MIMO, která několikanásobně zvyšuje kapacitu mobilních vysílačů, v červenci 2018 pak Vodafone testoval v Karlových Varech první ukázku sítě 5G, přičemž dosáhl rychlosti okolo 1,8 Gbit/s. V německém i českém testu byly použity technologie čínské společnosti Huawei. V únoru 2018 byla technologie testována na zimních olympijských hrách v Pchjongčchangu; při společných testech jihokorejské telekomunikační společnosti KT Corporation, Intelu a Samsungu bylo vyzkoušeno a předvedeno využití 5G v samořídících autobusech, při 360stupňových přímých přenosech a při vytváření virtuální reality.
Spouštění sítí
Předpokládá se, že zavádění 5G začne na konci roku 2018 a bude probíhat nejrychleji v severoamerickém a asijském regionu. V roce 2019 plánují spuštění sítí jihokorejští operátoři KT Corporation a SK Telecom. Spuštění první komerční evropské sítě plánuje skupina Deutsche Telekom v roce 2020 v Německu. Ve druhé polovině roku 2019 plánuje Český telekomunikační úřad vypsání aukce kmitočtů v pásmu 3,5 GHz pro české mobilní sítě 5G. Poskytování služeb operátorem bude muset být spuštěno do dvou let a licence mají mít patnáctiletou platnost, přičemž spuštění sítí úřad očekává v roce 2020. Při zavádění 5G v České republice úřad spolupracuje v rámci pilotního projektu se společností Nokia,díky čemuž se spuštění komerčního provozu očekává už v roce 2022.
Jak jsou na tom největší výrobci čipů a mobilních telefonů?
Apple
Apple nepospíchá a iPhony s podporou 5G sítí uvede až v roce 2020. Příslušný hardware, který podporuje 5G sítě pro Apple dodá Intel, který je aktuálně jediným dodavatelem LTE modemů pro rok 2018. Ještě minulý rok byli použity čipy od Qualcommu. Inženýři Intelu proto vyvíjejí modem s označením 8161, který vzniká technologií 10nm.Vyšší hustota zajistí konektivitu a vzroste i energetická účinnost. Příchod 5G by měl přinést i zvýšení výdrže baterie a oproti provozu v dnešních 4G sítích by nárůst rozhodně měl být znát. Vývoj nezbytného hardwaru běží v laboratořích Intelu naplno. Probíhají první testy modemu 8060, který je považován za interní označení prototypu 8161. Nová technika se obvykle neobejde bez komplikací a nejinak tomu je i v tomto případě. Intelu dělá nejvíce starostí odvod vznikajícího tepla. Zahřívání trápí i Qualcommem vyvíjený 5G modem s označením Snapdragon X50.
MediaTEK
MediaTek oznámil, že brzy představí 5G modem Helio M70, který bude vyrábět TSMC svým 7nm výrobním procesem. Dodávky modemů do koncových zařízení začnou v průběhu roku 2019. MediaTek se při návrhu modemu pro 5G sítě spojil s Nokií, Huawei a operátorem China Mobile. A spolu s finalizací standardu 5G výrobce oznámil, že modem Helio M70 bude k dispozici pro nasazení do smartphonů různých výrobců při zachování kompatibility s telekomunikačními operátory po celém světě. Výrobu obstará taiwanská společnost TSMC a v průběhu druhé poloviny roku navýší výrobní kapacity, aby vůbec mohla pokrýt poptávku. Novým výrobním procesem budou totiž produkovány, nejen mobilní čipsety a modemy, ale také serverové procesory, síťové procesory, grafické čipy, hardware pro těžbu kryptoměn, čipy umělé inteligence a další komponenty.
Samsung
Samsung Electronics představil Exynos Modem 5100, multimediální komunikační čip vyvinutý v souladu s 5G mobilními komunikačními standardy. Je plně kompatibilní s Release 3 (3GPP) verze 15. Prototyp úspěšně prošel testováním datových volání založeným na síti 5G-NR (New Radio) s využitím základnové stanice Samsung 5G. Je postavený na výkonné technologii 10 nanometrů (nm), podporuje také starší technologie. Exynos Modem 5100 podporuje jak sub-6GHz tak i mmWave, které je specifikované ve standardu 3GPP 5G. Podporuje starší sítě včetně 2G GSM / CDMA, 3G WCDMA, TD-SCDMA, HSPA a 4G LTE sa to vše na jednom čipu. Modem poskytuje maximální rychlost pro download 2Gbps v nastavení 5G -sub 6GHz a 6 Gbps v nastavení mmWave. Což je asi 1.7 a pětinásobek rychlosti přenosu dat svého předchůdce. Tato rychlost by měla přinést nové uživatelské možnosti nejen z mobilního telefonu, ale také v oblastech, jako je Internet věcí (IoT), videozáznamy s ultra vysokým rozlišením, hologramy, umělá inteligence v reálném čase (AI) a autonomní řízení. Více informací o produktech Samsung Exynos najdete na adrese: http://www.samsung.com/exynos.
Analog Device
Oznámil aktualizaci technologie ADVI RadioVerse designového ekosystému, který zjednodušuje a zrychluje vývoj pro bezdrátové operátory a výrobce telekomunikačních zařízení při přechodu svých základnových stanic z 4G na 5G sítě. Rozšířené portfólio ADVI RadioVerse obsahuje nové hardwarové rádiové vysílače ADRV9009, softwarové nástroje a robustní návrhové prostředí, které umožňuje menší radiostanice potřebné pro sítě nové generace. Nová nabídka umožňuje zákazníkům rychle vyhodnotit a vyvíjet návrhy rádiových systémů pro 4G a 5G systémy. Přechod na 5G technologii umožní rychlejší přenos dat a zároveň zlepší propojení a datovou propustnost v hustě osídlených oblastech s vysokou dopravou, jako jsou kancelářské budovy, sportovní stadiony a veřejné dopravní systémy. RadioVerse obsahuje transciever AD9375RF, který má integrovaný DPD algoritmus přímo na čipu a tím snižuje spotřebu energie DPD o 90 procent ve srovnání s konkurenčními řešeními.
Qualcomm
Qualcomm vyvinul první 5G modem nazvaný Snapdragon X50. Čip pracuje v pásmu 28 GHz a v něm dokáže využít šířku až 800 MHz. Teoretická rychlost stahování je až 5 Gb/s. Podporuje rovněž technologie beamtracking a beamforming, které zvyšují sílu a dosah signálu, pokud mezi anténami není přímá viditelnost. Firma uvedla, že X50 nasadí do svých zařízení Asus, HMD Global (Nokia), HTC, Inseego/Novatel, LG, NetComm, Oppo, Sierra, Sony, Telit, Vivo, Wingtech, WNC, Xiaomi a ZTE. Nejde jen o producenty mobilů, ale čip by našel uplatnění v počítačích, brýlích pro virtuální realitu či přímo prvcích tvořících síťovou infrastrukturu.
Pod názvem QTM052 se skrývá anténní modul pro mobily a tablety. Při takové velikosti podporuje nejen klasické rádiové sítě v pásmech od 600 MHz do 5,8 GHz, ale spektrum nad 24 GHz. Konkrétně jde o pásma N261 (27,5– 28,35 GHz) a a N260 (37–40 GHz). Toto spektrum má krátký dosah a neprostoupí překážkami, takže se paprsky signálu mezi přijímačem a vysílačem musí velmi přesně směrovat a počítat s odrazy od okolí. QTM052 si s tím ve spolupráci s modemem Snapdragon X50 hravě poradí. Qualcomm uvádí, že pro plné využití potenciálu 5G sítí bude možné do mobilů integrovat až čtyři tyto moduly (kvůli MIMO). Rychlosti stahování se díky širokému pásmu mají pohybovat až okolo 5 Gb/s. V prvních produktech by se novinka mohla objevit ještě v první polovině roku 2019. Bez podpory operátorů ale není kam spěchat.
Qualcomm svůj modem X50 nedává do každého vyrobeného čipu Snapdragon 855, ale integruje jej s novým LTE modemem X24, který je schopen teoretických rychlostí stahování dat do 2 Gb/s.Výrobci pak budou mít možnost implementovat modem X50 do svého hardwaru, budou-li chtít, aby jejich zařízení podporovala konektivitu 5G.
Huawei
Pro síť 5G využívá vlastní čipovou sadu Balong 5G01, která dosáhne teoretické rychlosti až 2,3 Gb / s pro download. Podporuje 5G ve všech frekvenčních pásmech včetně sub-6GHz a milimetrových vln (mmWave). Od propojených vozidel a inteligentních domů až po videa AR / VR a hologramů to vše chce Huawei díky svým telefonům nabídnout svým zákazníkům. HUAWEI 5G CPE má dva modely, nízkofrekvenční (sub6GHz) 5G CPE a vysokofrekvenční (mmWave) 5G CPE. HUAWEI s nízkou frekvencí 5G CPE je malý a lehký, kompatibilní se sítěmi 4G a 5G a má ověřené rychlosti stahování až 2Gb / s. Vysokofrekvenční model 5G CPE je určen pro vnitřní i venkovní aplikace. Přáním 5G sítě dle Huawei je vysokorychlostní, širokopásmové bezdrátové připojení s nízkou latencí a špičkovou rychlostí 20 Gb / s pro download. Podpora jednoho miliónu přístrojů na kilometr čtvereční a latence pouhých 0,5 ms. Huawei cílí nejen na inteligentní mobilní telefony, ale také do průmyslových zařízeních, která propojují lidi a objekty ve svých domácnostech, automobilech i mimo ni. Společnost Huawei spolupracuje s více než 30 globálními telekomunikačními operátory včetně společností Vodafone, Softbank, T-Mobile, BT, Telefonica, China Mobile a China Telecom. V roce 2017 začala Huawei testovat obchodní sítě 5G s partnery. Společnost Huawei dokončila testování interoperability a začala nabízet první kolo obchodních sítí 5G již v roce 2018.
Huawei také představil svůj zbrusu nový čipset Kirin 980, který je jako první na světě vyrobený 7nm výrobním procesem, což je skutečně přelomová událost. Znamená to výrazně vyšší výkon při nižší spotřebě energie a rozdíly jsou opravdu velké. Oproti předchozímu Kirinu 970 je novinka o 75 % výkonnější a o 58 % úspornější. Čipset postavený na jádrech Cortex-A76 má být i znatelně lepší než nejnovější čipset od Qualcommu – Snadpragon 845. Oproti němu je o 37 % výkonnější a přitom o desítky procent úspornější. Zároveň má mít mnohem lepší spolupráci se sítěmi zaručující až o 20 % nižší latenci a o 20 % vyšší přenosovou rychlost. Ostatně Kirin 980 je také první čipset s podporou LTE Cat 21 s rychlostí až 1,4 Gb/s.
Intel
Nabízí modem Intel XMM 8160. Bude podporovat maximální rychlost 6 gigabitů za sekundu, což je třikrát až šestkrát rychlejší než poslední dostupné moduly LTE. Intel XMM 8160 je multimodální modem, což znamená, že bude podporovat nový standard 5G New Radio (NR), včetně samostatných (SA) a nestandardních (NSA) režimů, stejně jako 4G, 3G a 2G v jediné čipové sadě. Modem nabízí pokročilou technologii potřebnou pro podporu milimetrových vln (mmWave), stejně jako podporu sub 6 GHz (včetně pásem FDD a TDD od 600 MHz do 6 GHz) a rychlosti stahování až 6 Gb / s. Očekává se, že modem Intel XMM 8160 5G bude dodán ve druhé polovině roku 2019. Komerční zařízení využívající modem Intel XMM 8160 5G včetně telefonů, počítačů a širokopásmových přístupových bran jsou očekávány v první polovině roku 2020.
V oblasti testování jsou o krok napřed
National Instrumetns
Co se týče software, tak tam je National Instruments dlouhodobě připraven, protože nabízí Labview NXG, které má implementovány veškeré funkce pro ladění a testování bezdrátových technologií a to i na vysokých frekvencích, ve kterých se pohybují sítě 5G. Pro podrobnou analýzu je zapotřebí rychlý a spolehlivý hardware. Jednou z možností je použití mmWave Transcieveru, který dokáže analyzovat bezdrátovou komunikaci v reálném čase až do frekvence 24GHz. 5G sítě dokáží pracovat jako tzv. Mesh sítě a tam je potřeba použít hardware, který dokáže připojit až 128 antén. Pro tento účel nabízí Massive MIMO. Více informací o testování 5G sítí naleznete na http://www.ni.com/en-gb/innovations/wireless/5g.html
Keysight
Není jednoduché navrhnout hardware pro tak vysoké frekvence, a tak Keysight poskytuje potřebné knihovny pro simulaci, které pomohou předejít případným problémům v reálném zapojení.
• W1906EP 5G Baseband Verification Library poskytuje 5G referenci se základním pásmem a bloky pro zpracování více anténových signálů.
• W1906BEL 5G Baseband Exploration Library poskytuje referenci připravenou k použití zpracování IP signálů, který pomůže zrychlit návrh fyzické vrstvy 5G základního pásma.
• W1720 Phased Array Beamforming Kit poskytuje nástroje pro vyhodnocování fázového pole a podsystémy vytváření paprsků, včetně RF, digitálního a hybridního vytváření paprsků celé architektury.
Pro softwareovou analýzu nabízí Signal Studio for 5G NR a 89600 VSA Software with 5 NR Modulation Analysis. Pro tak vysoké frekvence je potřeba spolehlivých generátorů M8190A, M8195A nebo M9336A. Síťový analyzér PNA-X umožňuje plně analyzovat zesilovače, směšovače a frekvenční měniče na sub-6 GHz a mmWave frekvence. Pomocí softwaru Physical Test System (PLTS) můžete kalibrovat,měřit a analyzovat lineární pasivní propojení, jako jsou kabely, konektory, backplane a desky s plošnými spoji. K testování a vývoji 5G sítí toho Keysight nabízí mnoho a vše je přehledně popsáno v brožuře http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3260EN.pdf nebo na webových stránckách https://www.keysight.com/us/en/solutions/5g.html
Rohde-Swarz
Být připraven pro testování 5G sítí v podání Rohde-Schwarz znamená poskytnutí testovacího hardware. Nezaměřuje se na návrh designu, ale spíše klade důraz na splnění frekvenčních a spektrálních podmínek daného designu.
Danou problematiku rozděluje následovně:
- Enhanced mobile broadband (eMBB)
- Massive machine type communications (mMTC)
- Ultra-reliable, low latency communications (URLLC)
- 5G NR testing
Závěr
V pásmu pod 6 GHz by neměl být problém s implementací, jelikož se využije stávající infrastruktura. Problém vidím v infrastruktuře nad 6GHz. Tam se pohybujeme v pásmu 25 až 30 GHz a dokonce až 50GHz. To jsou frekvence, kde je potřebná kvalitní infrastruktura a přímá viditelnost vysílačů. Připravenost infrastruktury není dle dostupných informací příliš dokonalá. Navíc se dle mého názoru tato problematika stává spíše politickou hrou než technologickou. Bezpečnost této sítě je taky hodně diskutabilní téma, které významně ovlivní počátek nasazení technologie do praxe. Předpokládané přenosové rychlosti nebyli ještě dosáhnuty ani v laboratorních podmínkách, takže si myslím, že 5G sítě budou ještě hodně dlouho otevřeným tématem s nekončící diskuzí.
