Sledujte nás na YouTube

5G klepe na dveře: fascinující technologie plná úskalí

O 5G slyšíme stále častěji. Výrobci se předhánějí, kdo dřív představí lepší 5G telefon, operátoři soutěží v rychlosti implementace a okolo celé věci panuje spousta dohadů a nepřesností.

V tomto článku, který je zároveň prvním dílem našeho nového technologického seriálu SMARTtech, se pokusíme našim čtenářům přiblížit, co vlastně spojení 5G znamená, kdy se s ním budeme moci reálně setkat a co to bude znamenat pro naše každodenní životy. Jde o velmi komplexní a technicky složitou tématiku, proto si nedáváme za cíl exaktně popsat jednotlivé technické aspekty, zaměříme se spíše na zjednodušený uživatelský pohled.

Proč zrovna 5G?

Co znaky 5G znamenají, asi leckdo tuší. Jde o jednoduchou zkratku pro pátou generaci mobilních sítí. Systém dělení na generace se začal používat až retroaktivně po nástupu 2G. Za 1G dnes označují první mobilní sítě vzniklé okolo roku 1982, které ještě byly částečně analogové a podporovaly pouze hlasové hovory.

Když se v roce 1991 přešlo na digitální standardy, byla tato evoluce pojmenována jako 2G a telefony se naučily datové přenosy, nejprve v podobě textových zpráv.

5G síť připojení rychlost
Zdroj: Commscope

Tímto způsobem jsme se dostali až k dnešnímu 4G, potažmo pak nastupujícímu 5G. Mezi generacemi nás zpravidla čekal velký nárůst přenosových rychlostí a kapacity sítě. Měnily se také další parametry, jako používané frekvence, šířka kanálů a podobně.

Každá generace se navíc v průběhu svého „života“ vyvíjela, lze se tedy setkat například s 2,75G, 3,5G a podobně. Do těchto detailů ale nebudeme zabíhat.

Podstatné je, že přechod z dnešní čtvrté generace na 5G bude po dlouhé době opět revoluční. Přechod z 3G na 4G totiž pro běžné uživatele představoval spíše vyšší rychlosti na více místech, ale šlo spíše o evoluci.

Dvě tváře 5G

Na 5G je zajímavé, že jde v podstatě o dvě samostatné sítě. Jedna bude fungovat na frekvencích pod 6 GHz, druhá nad 6 GHz.

Nízkofrekvenční 5G sítě (frequency range 1 – FR1) 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.

Milimetrové vlny

Mnohem zajímavější je však pásmo nad 6 GHz (frequency range 2 – FR2). 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.

Nákres ukazující zahlcenost současných frekvencí a možnost využití „prázdného“ spektra nad 6 GHz (Zdroj: IEEE Spectrum)

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.

Bez nové infrastruktury to nepůjde

Za chvíli si vysvětlíme, k čemu jsou tyto pohádkové parametry důležité a proč se vyplatí kvůli nim budovat síť v takto problematických frekvencích. Nejprve se však v rychlosti podíváme na to, jak se bude řešit zmiňovaný krátký dosah a špatná prostupnost překážkami.

Například takto mohou microcells vypadat (Zdroj: Rohanmkth)

Ve zkratce by se dalo říct, že použitelné pokrytí zajistí kombinace kvantity a kvality. Operátoři budou muset vybudovat novou infrastrukturu v podobě tzv. microcells, tedy malých buněk rozmístěných poměrně hustě všude tam, kde to bude potřeba. Typicky tedy půjde především o různé sloupy (ať už samostatné, či třeba lamp), stromy, zdi budov, střechy a podobně. Tyto buňky musí být umístěny blíže k zemi než ty v současnosti používané. Microcells mají typicky relativně nízký výkon a jejich provoz není ani energeticky nijak zvlášť náročný, takže budou moci být umístěny i ve větších budovách, kde budou zajišťovat lepší pokrytí.

Beamforming

Ani hustá síť by ale neřešila problémy s pokrytím, protože nejen, že se tyto vlny špatně šíří, ale vysílače pro 5G navíc budou umět současně vysílat i přijímat násobně větší množství jednotlivých signálů, než je tomu dnes. Ve výsledku je tedy potřeba zajistit v podstatě přímé spojení mezi buňkou a cílovým přístrojem. Lze však využít i odrazu o překážky. Toto spojení musí překonat nejen problémy šíření signálu jako takového, ale také vzájemné rušení dané množstvím vysílaných informací najednou.

Bez beamformingu by se signály vzájemně rušily a bylo by téměř nemožné dosáhnout spolehlivého spojení. „Semafor“ na obrázku představuje buňku rozlišující signály z jednotlivých přístrojů. (Zdroj: IEEE Spectrum)

To bude řešeno pomocí technologie tzv. beamformingu, tedy vlastně tvarování rádiových paprsků. Buňky i uživatelské přístroje budou opatřeny „chytrými“ anténami skládajícími se z desítek miniaturních vysílačů a přijímačů, které budou pracovat tak, aby vytvořily intenzivní a směrově zaměřený paprsek, který se tak vyhne rušení a zajistí spolehlivé spojení. Tyto paprsky se pochopitelně budou neustále měnit podle vzájemné polohy a zařízení tedy budou schopna udržovat spojení i při pohybu.

Tato technologie není nijak nová, používá se například při komunikaci ve vesmíru. Masové nasazení v mobilní komunikaci však bude vskutku revoluční novinkou.

K čemu je 5G dobré?

Jak už asi tušíte, využití 5G (zejména pak ve vysokých frekvencích) sahá daleko za mobilní internet. Ve skutečnosti by se dalo říct, že rychlejší mobilní internet ve smartphonech je jen takovým bonusem k celé technologii.

Podstatná bude z hlediska technologického pokroku především vysokofrekvenční část sítě, která bude extrémně rychlá, kapacitní a bude mít velmi nízkou odezvu.

Autonomní vozy

To umožní například rozvoj autonomních vozů nové generace, které se už nebudou muset spoléhat pouze na své senzory, ale budou neustále komunikovat se svým okolím. Provoz tedy bude moci tvořit jakýsi živoucí organismus, v němž každý člen bude mít přístup k veškerým informacím ze svého okolí. Auta se tak budou moci „dohodnout“ na řešení určitých situací, budou se moci upozornit na problémy ve větší vzdálenosti a podobně. Do systému samozřejmě budou moci být zapojena i další čidla a senzory z nejrůznější dopravní infrastruktury.

Takovéto prostředí bez 5G v podstatě nelze vybudovat, protože současná kapacita sítí není schopna pracovat s takovým množstvím klientů. Odezva navíc není dostatečně krátká na to, aby nepoznamenávala komunikaci v krizových situacích.

Internet věcí

Internet věcí, chytrá domácnost a obdobné termíny už slýcháme pár let. Celý koncept světa více, či méně inteligentních spotřebičů, které spolu komunikují, však v současnosti poněkud brzdí právě problém se vzájemnou komunikací. V prostředí domácnosti se komunikace řeší pomocí Wi-Fi, což v zásadě není problém, ačkoliv to předpokládá dobré pokrytí každého koutu domácnosti, což třeba u velkých rodinných domů může být trochu oříšek.

Pokud ale termín internet věcí rozšíříme i na městské prostředí, kde by spolu měly komunikovat například různé informační systémy, začínáme narážet na limitace současných sítí. Veřejný prostor je Wi-Fi prosycen, dochází k rušení a představa, že by spolu nejrůznější městský mobiliář měl komunikovat pomocí Wi-Fi je dost problematická. Pokud už tedy někde k budování takových systémů dochází v současnosti, často používají vlastní uzavřené způsoby komunikace, což pochopitelně brání širšímu propojení.

Vložením mezičlánku v podobě microcells bude vyřešen problém se špatným šířením signálu ve vysokých frekvencích (Zdroj: IEEE Spectrum)

Oproti tomu 5G nabídne více méně všude dostupný, jednotný, energeticky nenáročný, velmi rychlý a spolehlivý způsob spojení.

Pevný internet

Ačkoliv je 5G mobilní síť, může znamenat revoluci i v klasickém domácím či firemním pevném připojení k internetu. Již dnes operátoři nabízí domácí LTE internet, ovšem zpravidla bývá poměrně omezen objemem přenesených dat. Důvodem je kromě snahy operátorů maximalizovat svůj zisk také to, že by současná 4G síť jednoduše nezvládla plošné zapojení domácností. 5G si však poradí s mnohem větší kapacitou a je tedy využitelné i pro tyto účely.

V USA již někteří operátoři pevné 5G připojení testují a plánují ho nabízet. Zákazníkům nabídne velmi rychlý internet často násobně překonávající současné kabelové možnosti. Operátoři pak trochu paradoxně ušetří na budování infrastruktury.

Zatímco v současnosti musí fyzicky rozvádět optické kabely až téměř k jednotlivým zákazníkům, s 5G připojením by stačilo jim dodat pouze modem, který se bezdrátově připojí k nějaké z microcells.

V zásadě by se jednalo o jakousi obdobu k současnému připojení pomocí Wi-Fi, které nabízejí zejména menší poskytovatelé.

Virtuální realita, zábava a výpočetní výkon

Již jsme měli možnost vidět demonstrace streamovaného VR či třeba 360° videí. To vše jsou věci dnes v podstatě nemyslitelné, ale v budoucnu možná úplně běžné. Přenosové rychlosti 5G a extrémně nízká odezva zkrátka znamenají, že se výpočetní výkon i úložiště budou moci ve velké míře přesouvat do cloudu.

Nejdříve to poznáme pravděpodobně právě v možnosti streamovat videa v extrémně vysokém rozlišení. Vcelku snadno si lze také představit větší rozšíření VR do mobilních zařízení, kterým by v podstatě stačil kvalitní displej a veškeré výpočty by se prováděly kdesi na vzdáleném serveru. Odezva pod 1 ms by neměla nijak ovlivnit výsledný zážitek.

Pokud trochu popustíme uzdu fantazii, můžeme se bavit také o tom, jestli v budoucnu s kvalitním 5G pokrytím vůbec budou potřeba výkonné smartphony a další mobilní zařízení. V podstatě by stačil minimální hardware, neboť by veškerou výpočetní sílu bylo možno řešit vzdáleně. To je však pochopitelně čistě futuristická vize, která nezáleží ani tak na 5G, jako spíše ochotě někoho vybudovat vzdálená výpočetní centra a pokusit se na trh prorazit s takovýmto typem mobilních přístrojů.

Představivosti se meze nekladou

Možných způsobů, jak benefitovat z parametrů 5G, lze vymyslet opravdu hodně. Ty nejvíce očekávané jsme zmínili. Zejména rychlou odezvu ale jistě bude možno zužitkovat také v různých průmyslových nasazeních, jako jsou třeba robotizované výrobní závody. Představit si lze také využití na poli medicíny či pro vojenské účely.

Technologie pouze pro velkoměsta?

Každého určitě napadne, že sítě z microcells asi nebude možné budovat všude. To je bohužel pravda, a tak vysokofrekvenční část 5G sítí vyžadující husté pokrytí přístupovými body bude omezena pouze na města, zpočátku zřejmě pouze na ta největší.

Problém není ani tak s cenou instalace či provozu jednotlivých buněk, ale spíše s tím, že je prostě nereálné je rozmístit v každé vesnici. S tím, jak se bude rozšiřovat autonomní doprava, ale budou pravděpodobně tyto sítě budovány i podél silnic, v průmyslových areálech a podobně. Budou tak vznikat jakési „kapsy“ FR2 5G sítí.

5G sítě„Zbytek světa“ si bude muset vystačit s pásmem pod 6 GHz, které může být dostupné v podstatě všude. Jak již bylo řečeno, tato část sítě bude vznikat především modernizací současné 4G infrastruktury. Plošnému rozšíření 5G pro klasické použití v mobilních telefonech tedy nic nebrání a dá se předpokládat, že do pár let od spuštění bude dostupné minimálně všude tam, kde je dnes LTE. Připomínáme, že i tato méně zajímavá část 5G pořád přinese nárůst rychlostí minimálně v řádu desítek procent, vyšší kapacitu sítě a nižší odezvu.

Kdy se dočkáme?

Otázka reálné dostupnosti je trochu složitá. 5G se již v ostrém provozu testuje, má to však několik háčků. Prvním z nich je, že ještě donedávna neexistoval pevně daný standard, různí operátoři tedy své testy prováděli za různých podmínek a přizpůsobení se standardu je teprve čeká. Finální detaily specifikace navíc budou doladěny až v roce 2020.

Obecně lze říct, že 5G telefony začneme ve větší míře vídat v příštím roce. Zpočátku půjde však spíše o marketingový tah, protože ve většině světa ještě použitelné 5G sítě ve velké míře nebudou. Jako tradičně má nejblíže pokrytí skutečným 5G Jižní Korea a Japonsko. Ve velkých městech USA se už také připravuje 5G infrastruktura. Nezaostává ani Evropa, zde jsou asi nejdále pobaltské státy a Finsko, kde již v některých místech 5G sítě fungují.

Rok 2020 by pak měl znamenat skutečné spouštění samostatných 5G sítí ve větším měřítku. Slovo samostatných zdůrazňujeme proto, že operátoři marketingově používají označení 5G i pro sítě, které ve skutečnosti 5G nejsou. Jde zejména o různé 4,5G sítě využívající některé nové technologie pro zlepšení rychlostí stávajících sítí.

Existuje navíc také standard 5G Non-Standalone, který počítá s provozem 5G technologií, jejichž základ ale budou tvořit současné LTE sítě. Smyslem tohoto kroku na půl cesty je zrychlit rozšíření 5G. Někteří operátoři však kritizují, že se zbytečně zpomaluje nástup opravdových samostatných a na LTE nezávislých sítí.

Například americký operátor AT&T nicméně právě tuto cestu plánuje zvolit. Jeho 5G sítě tedy budou fungovat tak, že v případě blízkosti některé z microcells bude použito jich, ovšem jinak komunikace bude probíhat na bázi LTE.

Jak je na tom Česká republika?

V ČR již různé testování probíhá, oznámena byla také spolupráce s Nokií. Kdy se 5G dočkáme doopravdy je však poněkud nejisté.

Český telekomunikační úřad bude dražit frekvence uvolněné přechodem na televizní standard DVB-T2 v druhé polovině roku 2019. Jde samozřejmě o frekvence pro FR1. Podmínky aukce jsou nastaveny tak, že by snad mohly přilákat čtvrtého operátora, neboť pozici nového zájemce zvýhodňují.

Ať už dopadne aukce jakkoliv, s budováním by se mohlo začít v roce 2020. Česká republika však není úplně známa tím, že by naši operátoři sledovali světové trendy. Je tak bohužel asi bezpečné říct, že 5G je pro většinu obyvatel ČR hudba budoucnosti, a ještě to tak nějakou dobu zůstane.

Nejvíce pesimisticky situaci vidíme v oblasti vysokofrekvenčních sítí „FR2“. Česká republika totiž kvůli své velikosti není zrovna ideálním adeptem na budování infrastruktury microcells. Je tedy vcelku pravděpodobné, že pokud se někdy dočkáme i této části sítě, bude to asi jen v malém počtu největších měst. Aby navíc tyto sítě měly smysl, museli by naši operátoři přehodnotit svůj přístup k tarifům.

Při balíčcích v řádech maximálně několika GB totiž asi moc lidí zájem streamovat obří objemy dat mít nebude. Mohlo by však dojít k většímu rozšíření „pevného mobilního internetu“, o němž byla řeč výše.

Ve vzdálené budoucnosti asi i v České republice budou chytrá města a autonomní vozy standardem. Je však na místě pochybovat o tom, jestli tou dobou už nebude znát 5G svého nástupce.

Tomáš Krompolc

Fanoušek Androidu, Googlu a moderních technologií. Rád si poslechne tvrdší hudbu a mezi jeho nejoblíbenější seriály patří ty z produkce Netflixu. V současné době je spokojeným majitelem telefonu OnePlus 6.

6 komentářů

  1. pet (neregistrovaný)

    k cemu to kdyz jsou ceny tak brutalni. dokud nebude 1 gb do 1 eur tak to stejne nikdo nevyuzije..

    • Tomáš (neregistrovaný)

      I tak by to bylo drahé. Už bude potřeba neomezený mobilní internet!

    • Hm (neregistrovaný)

      Ked som naposledy pozeral ceny v CR, tak ste to nemali praveze az tak drahe.
      Na SR je dnes mozne ziskat za 30-40 EUR (zalezi ci s mobilom alebo bez) pausal s nekonecnymi hovormi, SMS a 22GB datami v EU.
      Jeden operator ponuka neobmedzene data za 20 eur, ale nema este dobudovanu siet.

      Neverim ze v CR su tie ceny nejak razantne horsie.

  2. Readytogo (neregistrovaný)

    Na slovensku stavia o2 uz 10 rokov infranstrukturu a stale nieje dokoncena. Takze 5G tu vidim realne az v roku 2028.

  3. John (neregistrovaný)

    Chtěl bych se autora článku zeptat, proč používá pojem “microcells” anglicky, proč jednoduše nepoužije český používaný překlad mikrobuňky?

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *