5G: a skálázódás a rádiós kommunikáció jövője?

Világszerte, így nálunk is javában zajlik még a 4G-s mobilhálózati hozzáférés kiépítése, miközben a nagy beszállítók már gőzerővel dolgoznak a következő, ötödik generációs hálózatok technológiáinak fejlesztésén. Ugyan műszaki szempontból a 4G-ben még hatalmas potenciál van (például sebességet tekintve), az LTE szabvány olyan alapvető korlátokkal rendelkezik, amelyek miatt később skálázódási problémákba ütközhet.

Nem csak a sebességről szól

A kitűzött célszámok igen meggyőzőek. A Huawei év elején publikált víziója szerint az 5G-s rendszerek a maihoz képest ezerszeres backend-kapacitással rendelkeznek majd, a kliens felé pedig 10 gigabites (elméleti maximális) letöltési értéket kínál - szemben a 4G-re jellemző 100 megabites célszámmal. Értelemszerűen a kiszolgáló mikrohullámú és optikai hálózatnak is fejlődnie kell ahhoz, hogy ez a sebesség a felhasználók széles rétegei számára elérhetővé válhasson, így jelentős fejlesztések szükségesek ezeken a területeken is.

Az új generáció azonban nem csak átviteli sebességben lép majd óriásit előre, hanem két másik, eddig kevéssé hangsúlyos ponton is: ez a kiszolgált kliensek száma/sűrűsége és késleltetés. A cég víziója szerint 2020-ra mintegy 50-100 milliárd eszköz csatlakozik a mobilhálózatokra, a sűrűbben lakott városokban pedig a maihoz képest drámaian megnő a mobilos eszközök koncentrációja. A jelenlegi technológiák és szabványok nem ilyen eszközsűrűségre készültek - erről ma is meggyőződhetünk, ha például egy nagyobb koncertről töltenénk fel fotót. A Huawei szerint az érdemi előrelépéshez vadonatúj szabványra lesz szükség, amely már helyén kezeli a gyakorlatilag tetszőleges számú csatlakozó eszközt.

A sebesség-sűrűség-késleltetés hármasból talán a harmadik tűnik a legkevésbé érdekesnek, pedig ez hozhat valódi áttörést a mobilhálózatok használatában. Jelenleg ugyanis a hálózat reakcióideje jelenti a szűk keresztmetszetet rengeteg esetben, például az OnLive-típusú, szerveroldalon renderelt játékoknál. A rádióhullámok terjedési sebessége persze fizikai korlátokat képez a késleltetésben, a mai, késleltetésre nem optimalizált hálózatokhoz képest azonban több nagyságrenddel is javítható a kapcsolat minősége.

A nagy dobás: skálázódás

Az 5G igazán nagy dobása azonban nem ez a három terület, hanem a szélsőséges skálázódás lesz. Jelenleg különböző szabványok alá tartozó, igen eltérő technológiákat használunk a rövid távú és nagy sebességű eléréshez (Wi-Fi), a mobilhálózatokhoz (GSM), a nagy távolságú pont-pont csatlakozásokhoz (mikrohullám) illetve a nagy lefedettséget nyújtó alacsony frekvenciás hálózatokhoz (300-450 MHz). Az 5G legnagyobb ígérete, hogy ezeket egyetlen szabványba fogja össze, így egyetlen implementáció igen széles dinamikatartományban tudja kiszolgálni a klienseket.

A rugalmasság és skálázódás jelentősége könnyen megfogható: míg a belvárosban a lámpákra szerelt mikrocellák néhány tíz méteres távolságra elképesztő, 10 gigabites sebességű, alacsony késleltetésű kapcsolatot biztosíthatnak, a lakott területtől messze lévő tanyán 450 MHz-en alacsonyabb sebességű és magasabb késleltetésű, de stabil, megbízható kapcsolat érhető el. Ezzel szemben például a 4G/LTE gyakorlatilag bináris: vagy van, vagy nincs. Ha van, akkor gyors, ha nincs, akkor vissza kell váltani a korábbi szabványokra, jöhet a 3G vagy épp az EDGE/GPRS. A probléma: a korábbi szabványok mára igen elavultnak számító kódolást és átvitelt gyorsító megoldásokat használnak, emiatt a frekvencia kihasználása nem olyan hatékony, mint modernebb szabványokkal lenne. Ilyen értelemben tehát az 5G nem csak a 4G-t váltaná le, hanem egyszerre lenne az elavult szabványok nyugdíjazója is.

Ugyanez a logika érvényes a sűrűn lakott, kiváló lefedettséggel rendelkező területeken is. Ugyan a cellák itt kisebbek, a távolságok pedig rövidebbek, az LTE ezt az előnyt nem tudja felfelé skálázódással kihasználni, bizonyos közelséget elérve a kapcsolat nem gyorsul tovább. Az 5G-s szabvány ezt a plafont eltüntetné és minden kliens felé a maximális, még stabilan átvihető sebességet nyújtja - vagyis felfelé is skálázódik. A skálázódásra való igény egyébként a kliensek oldalán is tapasztalható, az M2M rendszerek sem válaszidőben, sem átviteli sebességben nem támasztanak komoly követelményeket, a lefedettségre és maximális sűrűségre azonban nagyon érzékenyek. Ezzel szemben az autós szórakoztatáshoz mind lefedettségre, mind átviteli sebessége közepesen optimalizálni kell, késleltetésre azonban nem.

Komoly áttörésekre van még szükség

A Huawei szakemberei szerint az 5G sarokszámainak eléréséhez nem elegendőek a mai technológiák, komoly áttöréseket kell elérni számos területen ahhoz, hogy egy ilyen rendszer valósággá váljon. Új megoldásokra lesz szükség például a rádióhullámok kódolási és modulációs algoritmusaiban, enélkül csak álom a spektrum hatékonyabb kihasználása. A baseband és RF architektúráknak kezelniük kell az új algoritmusok megnövekedett számítási igényeit, így a mainál jóval erősebb feldolgozólapkákra is szükség lesz, például a tömegesen használt MIMO-hoz. Szinte biztosra vehető, hogy még a hordozható eszközökben is elterjednek a komplex, sok kis antennából álló tömbök RF-modullal integrált egységei (Huawei-terminológiában ez a radiotenna).

A hálózatok kiépítését a cég reményei szerint új, önszervező bázisállomások könnyítik majd, amelyek automatikusan felveszik a kapcsolatot a környező állomásokkal és mesh topológiába szervezik magukat. Szintén megoldandó probléma az energiatakarékosság, az ilyen sebességű átvitel ma is lehetséges, egy okostelefon vagy notebook akkuját azonban pillanatok alatt lemerítené a hálózati kommunkáció.

A rádiós interfész 2020-ra várhatóan teljesen szoftveressé válik, nem csak a bázisállomások oldalán, hanem a kapcsolódó eszközökben is (erre már van példa, például az NVIDIA Icera baseband-je szoftveres modemmel rendelkezik). Ez azt jelenti, hogy az új szabványok támogatása pusztán a lapka teljesítményétől és a szoftverfrissítéstől függ, új hardver telepítésére nincs automatikusan szükség. A bázisállomások oldalán ez már most is széles körben elterjedt, 2020-ra pedig abszolút általánossá válik.

Lassan halad a szabványosítás

A Huawei várakozása szerint az 5G-s hálózatok 2020-ra, vagyis mintegy hat év múlva állhatnak kereskedelmi működésbe. Az új szabvánnyal kapcsolatos munka a különböző szakmai fórumokban már elkezdődött, a hivatalos, végleges dokumentum várhatóan 2018-ra készül el. Ezt követően indul be a szabványt támogató tulajdonképpeni termékek fejlesztése és legyártása, 2020-tól pedig az 5G-képes hálózatok üzembe állítása.

A Huawei már aktívan készül az 5G-s szabványosítás egyik kulcsmomentumára, amikor a megfelelő testületek összeülnek és kiválasztják azokat a technológiákat, amelyek a szabvány kötelező részei lesznek. A hosszas, több éves folyamat során a szakmai fórumok mérlegelik a különböző gyártók által felajánlott megoldásokat, technológiákat, ezekből készül el a végül gyártófüggetlen, iparági szabvány. A szabványosítás során nem csak a megoldások műszaki tartalma számít, a gyártók piaci ereje és a politika is mindig szerepet játszik, sőt, megvan az esélye annak, hogy a WiMAX/LTE mintájára versengő szabványok is lesznek az "5G" címke alatt.

Ünnepi mix a bértranszparenciától a kódoló vezetőkig Négy IT karrierrel kapcsolatos, érdekes témát csomagoltunk a karácsonyfa alá.

Az ilyen technológiákat a felajánlónak FRAND (fair, reasonable and non-discriminatory) alapon kell licencelnie mindenki számára - cserébe azonban a világ összes 5G-implementációja után jogdíjat kap majd, az idők végezetéig. Emellett még egy fontos versenyelőnye van a beválasztott technológiák kidolgozóinak: a kész implementáció, amely a konkurensekkel szemben akár több éves előnyt is jelenthet.

Minek 5G, ha még 4G sincs?

Az iparágban hosszú ideig téma volt a 4G, vagyis a negyedik generációs mobilhálózat definíciója. A standard definíciót az ITU (nemzetközi távközlési egyesület) adta, eszerint rögzített kliensnek egy gigabites, mobil kliensnek pedig 100 megabites nettó letöltési sebesség jelenti a 4G alsó határát.  Ezt a sebességet hosszú ideig egyik versengő szabvány sem érte el, sem az LTE, sem a WiMAX nem képes ilyen sebességű átvitelre. Az ITU 2010-ben iparági nyomásra engedélyezte a "4G" használatát az LTE és a WiMAX számára, sőt, olyan fejlett 3G-s technológiák számára is, amelyek "jelentős előrelépést jelentenek teljesítmény és képesség dolgában" az első generációs 3G-UMTS rendszerekhez képest. Ettől függetlenül a testület csak az LTE-Advanced és a WirelessMAN-Advanced szabványokat ismeri el 4G-ként hivatalosan.