Vyhraje u mobilních uživatelů evoluce v 3G

Cesta k mobilním sítím příští generace 4G je dlouhá a spíše evoluční než revoluční. Pro sítě UMTS vznikla nejprve kombinovaná specifikace HSDPA/HSUPA, nyní se ovšem pracuje na lepším řešení označovaném jako LTE. To už se nápadně blíží některým požadavkům na 4G: rychlost aspoň 100 Mbit/s.

Hlavní trend vývoje WCDMA představuje tzv. dlouhodobá evoluce LTE (Long Term Evolution), dříve označovaná také jako Super-3G, která jde dál než stávající nadstavbové technologie HSPA Release 6. LTE vylepšuje dobu odezvy sítě na 20 ms, což bude přínosné pro všechny služby citlivé na zpoždění, tedy především VoIP a on-line hry.

LTE využívá modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), na níž je postaven třeba WiMAX, a systém chytrých antén MIMO (Multiple Input Multiple Output), tedy principy pronikající do nejrůznějších typů rádiových technologií hlavně pro zvýšení kapacity systému (např. připravovaná rychlá WLAN 802.11n). OFDM je velmi odolné vůči rušení způsobenému signálem putujícím více cestami (kvůli odrazům). MIMO zase používá více antén u vysílače/příjemce a chytrý algoritmus, jak signál rozložit podle počtu antén a z přijatých paralelních signálů zase složit signál původní.

Už se dvěma anténami na základnové stanici a terminálu bude možné dosáhnout kapacity 144 Mbit/s v dopředném směru a 50 Mbit/s ve zpětném směru s využitím kanálu o 20 MHz. Doba odezvy v tomto případě klesá až na 10 ms.

LTE bude schopné využívat více kmitočtových pásem a různé šířky kanálů (od 1,25 MHz po 20 MHz), přičemž stále platí pravidlo, že s větší šířkou kanálu lze docílit větší kapacity. Spektrum je ovšem nedostatkové a opravdu efektivní šířka kanálu 20 MHz bude od mobilních provozovatelů vyžadovat získání další kmitočtová pásma.

Na LTE se pracuje od roku 2004 v 3GPP (Third Generation Partnership Project), sdružení normalizačních organizací a představitelů mobilního průmyslu, založeném v roce 1998. Zadání bylo jednoznačné: přenos dat s nižšími náklady na jeden bit, než dovoluje 3G, podpora více služeb s nižšími přenosovými náklady a vyšší spokojeností na straně zákazníka, schopnost práce v různých kmitočtových pásmech, využití otevřených rozhraní v rámci zjednodušené architektury, schůdné energetické požadavky na mobilní terminály. LTE je optimalizováno pro přenos dat a na rozdíl od 2/3G nebude vyžadovat samostatnou síť s přepojováním okruhů pro přenos hlasu. První specifikace LTE by měly být schváleny do poloviny letošního roku, což umožní prvním mobilním provozovatelům řešení komerčně nasadit v sítích v roce 2009.

Pro doplnění celého obrázku vývoje mobilních sítí je potřeba dodat, že na lepších a rychlejších technologiích 3G pracuje také konkurenční 3GPP2, zaměřující se na CDMA2000. V rámci 3GPP2 se pracuje také na obdobě LTE, která v principu nebude příliš odlišná od řešení pro WCDMA, ale bude mít své dopady na protokolovou architekturu.

Souvislost s HSPA

LTE není první pokus o zvýšení kapacity a kvalit mobilních sítí 3G. Vylepšení 3G se v první řadě má realizovat doplňky HSPDA (High-Speed Downlink Packet Access) v Release 5 3GPP a následně jako rychlejší zpětná komunikace se sítí HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) v Release 6. HSDPA nabídne kapacitu v dopředném směru až 14,4 Mbit/s (pro zpětný směr pouze 384 kbit/s). Kapacita je tím vyšší, čím je menší buňka, resp. čím méně uživatelů službu sítě v jedné buňce využívá, protože kapacita je v rámci jedné buňky sdílená. Např. pro stahování hudby to znamená, že s HSDPA bude 25 uživatelů v buňce schopno stahovat rychlostí 550 kbit/s, zatímco klasické UMTS pouhým deseti uživatelům umožní stahování rychlostí pouhých 80 kbit/s. Latence u HSDPA má být kolem 75 ms.

Nejdůležitějším základem pro zlepšení vlastností je zavedení nového přenosového kanálu pro uživatelská data – sdíleného rychlého kanálu HS-DSCH (High-Speed Dedicated Shared Channel). Základnová stanice v buňce zajistí díky plánovacímu algoritmu vysílání dat k jednotlivým uživatelům. Plánovač bude svá rozhodnutí zakládat na požadavcích dané služby, prioritě datového toku, dostupnosti síťových prostředků na rádiovém rozhraní, technických možnostech koncových zařízení i na zpětné vazbě od uživatelů týkající se kvality.

Jakmile základnová stanice rozhodne, který uživatel má obdržet paket přes HSDPA, musí o tom informovat příslušného uživatele. To se děje prostřednictvím samostatného signalizačního kanálu, který všichni účastníci průběžně sledují. Před přijetím datového paketu musí být uživatel také informován o způsobu modulace a o verzi kódu vybrané základnovou stanicí, rovněž prostřednictvím signalizačního kanálu.

Tento řídicí kanál také informuje mobilní koncové zařízení o požadavcích na rádiové rozhraní. HSDPA stejně jako UMTS používá WCDMA pro vícenásobný přístup k rádiovému rozhraní. Signál se díky WCDMA distribuuje přes celé kmitočtové spektrum na bázi kódu. Koncovému zařízení jednoho uživatele se může přidělit více kódů současně; pro dosažení maximální propustnosti s HSDPA musí mít uživatel rezervováno všech 15 kódů na sdíleném dopředném kanále.

Na rozdíl od UMTS, kde jsou datové pakety odesílány každých 10 ms, HSDPA je posílá každé 2 ms. Díky tomu také HSDPA dokáže reagovat podstatně rychleji na změny kvality v přenosovém prostředí či objemu přenášených dat.

HSDPA používá adaptivní metody modulace a kódování (AMC, Adaptive Modulation and Coding), což zajišťuje uživatelům optimální zacházení ze strany sítě. Např. uživatel blízko základnové stanice potřebuje jen minimální ochranu proti chybám přenosu, protože kvalita přenosu je na tuto krátkou vzdálenost principiálně dobrá. Díky tomu také bude komunikovat vyšší přenosovou rychlostí než uživatel na okraji buňky.

Každé koncové zařízení pravidelně posílá základnové stanice informace o kvalitě kanálu. Základnová stanice pak tyto informace použije pro rozhodnutí, kolik prostředků je na koncovém zařízení k dispozici a jakou modulaci má použít. HSDPA může vybrat mezi QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), které se používá v UMTS, a nově 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Pro řešení chyb při přenosu se používá hybridní protokol ARQ (Automatic Repeat reQuest): při zjištění chyby v přijatém paketu automaticky vyšle základnová stanice paket znovu, případně s jiným kódem pro inkrementální nadbytečnost (incremental redundancy). Mobilní telefon ukládá dočasně všechny verze kódování přijatého paketu, které lze zkombinovat pro docílení efektivní opravy chyb (soft combining). Koncové zařízení si může vyžádat opětovné vyslání paketu tolikrát, kolikrát potřebuje pro jeho dekódování bez chyb. Signalizační kanál současně informuje, zda se posílá paket nový, nebo opětovně vyslaný.

Rychlý mobilní přístup v sítích 3G bude kompletní teprve s HSPA (High-Speed Packet Access), což je HSDPA pro dopředný kanál v kombinaci s HSUPA pro kanál zpětný. HSUPA slibuje rychlosti až 5,7 Mbit/s a latenci 30 až 5 ms. Tato technologie je známá také pod označením vylepšený zpětný kanál EUL (Enhanced UpLink).

Podle Mobile Data Association je jedním ze základních problémů technologie HSPA její asymetričnost v nabízené kapacitě. Navíc je aktuálně k dispozici pouze HSDPA, zatímco navýšení rychlosti pro zpětný směr HSUPA, které by potřebovaly mnohé mobilní aplikace, není zatím na obzoru. Nedostatkem číslo jedna 3,5 G je ovšem největší bolístka mobilního světa: napájení, tedy nedostatečnost baterií. HSPA je pouze dočasným řešením, protože se pilně pracuje na HSOPA (High-Speed OFDMA Packet Access), které má nabízet maximálně 100/50 Mbit/s (v dopředném/zpětném směru).

Konkurence WiMAX

HSxPA i WiMAX jsou velmi zajímavými trendy v mobilních technologiích především díky inzerovaným nebývale vysokým kapacitám (na bezdrátový svět). Většinou ovšem inzerované kapacity jednak neodpovídají reálně dosažitelným rychlostem a jednak s nimi nepřímo úměrně souvisí dosah daných sítí. Příkladem je WiMAX, kde se deklarovaného maxima 70 Mbit/s rozhodně nedosáhne v maximální možné vzdálenosti kolem 100 km od základnové stanice.

LTE není izolovaným řešením, ale bude vyžadovat především navýšení kapacity páteřních sítí, aby se vůbec přiblížilo k zajímavým hodnotám rychlosti. RNC (Radio Network Controller) funkce jsou distribuovány na uzly typu B (node B), což si v případě LTE vyžaduje síť plně propojených uzlů B. Velký mobilní provozovatel jich přitom může mít ve své síti nainstalováno i několik desítek tisíc. Důvodem pro plný mesh jsou technicko-správní požadavky na předávání hovoru: při pohybu uživatele v síti totiž všechny postupně zainteresované uzly B musí komunikovat nejen se svým předchůdcem a následníkem (pro předávání uživatele), ale také s uzlem, kde se hovor generoval (pro potřeby účtování). Řešením se zdá být IP VPN (Internet Protocol Virtual Private Network) s určitou hierarchickou strukturou kvůli počtu zainteresovaných uzlů. IP VPN je přitom ideální cestou nejen pro LTE, ale pro celo-IP rádiovou přístupovou síť.

Páteřní sítě, zejména propojení základnových stanic řešených tradičními pevnými nebo mikrovlnnými spoji, svojí kapacitou nevyhovují ani požadavkům HSDPA, natož vyspělejších řešení, která mají ambici začlenit se do 4G.

Na mobilní WiMAX mnozí mobilní provozovatelé pohlížejí s obavou z přímé konkurence; někteří sice deklarují zájem o začlenění mobilního WiMAX do svých portfolií sítí a služeb, ale mnoho konkrétního se v tomto ohledu zatím neučinilo. Ti provozovatelé, kteří chtějí i do budoucna maximálně vytěžit z mobilních sítí, sázejí právě na LTE, že jim zajistí konkurenční výhodu oproti mobilním sítím WiMAX. Ten má výhodu v tom, že normy jsou již dokončeny a testují se první produkty, takže budování komerčních sítí může začít v plném tempu. Na technické specifikaci pro LTE se bude ještě chvíli pracovat, ale základ mají provozovatelé k dispozici v podobě rozlehlých mobilních sítí, takže nasazení v globálních měřítku pro zachování jejich businessu nebude pro ně až takový problém.

27. 3. 2007

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA