Autor: Lukáš Seliga
Pridané: 30.07.2021
Mobilné siete piatej generácie a mobilné ad-hoc siete
Žijeme v dobe, kedy si ľudia nevedia predstaviť deň bez mobilného telefónu. Áno, je to tak, inteligentné zariadenia nás ovládli a v dnešnom svete bez nich nedokážeme existovať. Niektorí to nazývajú choroba, iní zas pohľad do budúcnosti.
V tomto článku sa dozviete o najnovšej novopoužívanej mobilnej sieti piatej generácie. V úvode si povieme niečo o mobilných sieťach a v krátkosti si vysvetlíme, čím sa jednotlivé generácie mobilných sietí líšia. Jadro tohto článku bude venované mobilným sieťam piatej generácie (5G), ich využitiu, akým spôsobom je riešená komunikácia medzi uzlami, naučíme sa pracovať s pojmom Mobile Ad-Hoc Network (MANET), načo nám takáto sieť slúži a uvedieme si aj nejaké informácie o 5G pokrytí na Slovensku.
Mobilná sieť
Pod pojmom mobilná sieť si každý predstaví komunikačný kanál medzi vysielacou a prijímacou stranou. Je to vlastne duplexná (obojsmerná) komunikácia medzi mobilným zariadením a základňovou stanicou prostredníctvom rádiových vĺn. Rádiový signál môže obsahovať množstvo informácií, s ktorými základňová stanica pracuje. Môžu to byť informácie o polohe mobilného zariadenia, kanále, ktorý sa používa na prenos dát, atď. Základňová stanica je pripojená na MTSO (Mobile Tower Switching Office), ktorá má za úlohu prepínanie hovorov a obsahuje všetky informácie o SIM kartách zariadení, ktoré sú do siete pripojené. Každé mesto disponuje takýmto centrom, ktoré je pripojené na viacero základňových staníc, keďže mobilný telefón nie je schopný vyžarovať výkon potrebný na prepínanie hovorov. Mobilná sieť, ktorou sa budeme zaoberať nazývame bunková alebo celulárna sieť, teda sieť je vytvorená z viacerých buniek, ktoré pokrývajú určité územie, v ktorom môžu zariadenia, ktoré sú pripojené k základňovej stanici, komunikovať.
Generácie mobilných sietí
V terminológii mobilných sietí sa častokrát stretneme s pojmom generácia. Dosiaľ poznáme 5 generácií mobilných sietí a šiesta sa už pripravuje. Asi si kladiete otázku, prečo ich je päť, a či by nám nestačila jedna alebo dve. Odpoveď je jednoduchá, ide tu o pokrok. V dnešnej dobe, kedy sa svet technológií uberá míľovými krokmi vpred, potrebujeme vedieť s dátami pracovať rýchlo, efektívne, s čo najmenším oneskorením a čo najbezpečnejšie. Každá generácia sa líši prenosovou rýchlosťou, šírkou pásma, frekvenciami a prístupovou metódou. Pre všetky generácie platí, čím sme ďalej od vysielača, tým je prenosová rýchlosť menšia a naopak.
Keď bola do sveta vypustená mobilná sieť prvej generácie (1G), ľudia ani len netušili, čo sa bude diať o niekoľko desiatok rokov. Bola to prvá verejná telefónna sieť, ktorá dosahovala prenosovú rýchlosť 2,4kbit/s. Dnes si takéto maličké prenosových rýchlostí nedokážeme predstaviť.
Pri mobilnej sieti 2G (GSM) došlo k veľkému pokroku čo do prenosovej rýchlosti. Tá dosahovala rýchlosť prenosu až 64kbit/s, čo bol na tú dobu veľký skok. Obe generácie však boli založené na verejnej telefónnej sieti, ktorá bola realizovaná okruhovo orientovaným dátovým prenosom.
Až pri 2,5G (EDGE) a 3G (UMTS) prišlo k prevratnému bodu, začal sa používať paketovo orientovaný dátový prenos. Kanál bol teda dostupný pre viacerých používateľov vďaka prístupovej metóde CDMA, ktorá využíva kódové delenie prístupov, teda každý používateľ bol odlíšený jedinečným kódom, kdežto pri mobilných sieťach prvej a druhej generácie ak bol kanál obsadený, zariadenie muselo počkať, kým sa linka uvoľní, a až tak mohlo komunikovať. Prenosová rýchlosť mobilnej siete tretej generácie sa opäť navýšila až na 384kbit/s.
Ale ani táto rýchlosť nebola postačujúca a ľudia začali so sieťou 4G LTE. Štvrtá generácia priniesla prenosové rýchlosti 100Mbit/s, keď je zariadenie v pohybe a až do 1Gbit/s ak sa zariadenie nepohybuje alebo sa pohybuje len veľmi pomaly. Tu by sme si mohli povedať, STOP, čo poviete? Lenže ani tieto prenosové rýchlosti neboli dostačujúce na uspokojenie požiadaviek používateľov.
Mobilná sieť piatej generácie (5G)
Ako všetci dobre vieme, na to, aby sme vedeli nejaké dáta vysielať alebo prijímať, potrebujeme využiť výkon, aby sa táto informácia dostala k cieľovému zariadeniu. Preto sa každá generácia mobilnej siete snažila o to, aby zariadenie nemuselo využívať nadmerné množstvo zdrojov potrebných na prenos dát. Mobilné siete piatej generácie naberajú úplné iný rozmer. Pri týchto sieťach hovoríme o pojmoch ako sú Internet Vecí (IoT), MANET siete, komunikácia typu Machine-to-Machine, ultraspoľahlivá komunikácia s nízkou latenciou (URLLC) či Enhanced Mobile Broadband (eMBB). Siete 5G sa vyznačujú najmä svojimi vysokými prenosovými rýchlosťami vyše 1Gbit/s, odozvou 1ms, až 90% zníženia energetických zdrojov, pokrytie kdekoľvek na svete a obrovskou šírkou pásma. Na to aby sme šetrili životnosť batérie zariadenia, sa v 5G sieťach využíva veľké množstvo MIMO antén, čo sú vlastne antény s viacnásobným vstupom a viacnásobným výstupom. Nevýhodou však je, že tieto antény pokrývajú len veľmi malú oblasť, ale na druhej strane dokážu obslúžiť veľké množstvo používateľov. Je to z dôvodu, aby 5G zariadenia nemuseli vysielať veľké množstvo výkonu na komunikáciu, preto týchto antén bude neúrekom.
Aplikácie sietí piatej generácie
Mobilná sieť piatej generácie nám poskytuje prostriedky, pomocou ktorých vieme oveľa efektívnejšie pracovať s dátami. Využitie 5G sietí bude mať obrovský prínos napríklad pre medicínu vďaka vysokorýchlostnej sieti s nízkou odozvou, čo umožní spoľahlivejšiu monitorizáciu pacientov posielaním veľkého množstva dát o ich zdravotnom stave vo veľmi krátkom časovom intervale. 5G by mohlo slúžiť aj pri nasadení menšieho počtu zariadení, ktoré vyžadujú veľkú šírku pásma. Ako prípad použitia môžeme spomenúť videokamery, ktoré by umožňovali natáčanie videa v 8K kvalite s nízkou latenciou, vysokou priepustnosťou dát a to všetko s oveľa nižšími požiadavkami na hustotu zariadenia, či virtuálnu alebo rozšírenú realitu.
Internet vecí je tiež jednou z tém, ktorá sa v súvislosti s 5G sieťami skloňuje veľmi často. Medzi Internet vecí môžeme zaradiť autonómne autá, inteligentné mestá, domácnosti a podobne. V dobe elektromobilov môže 5G slúžiť aj na komunikáciu medzi vozidlami. Analýzou zozbieraných dát o premávke v reálnom čase z ciest a vozidiel by mali tieto inteligentné dopravné systémy byť schopné včas varovať vodičov pred nebezpečnými úsekmi na cestách a dopravnými zápchami, čím by sa zvýšila bezpečnosť a efektívnosť cestnej premávky.
Ďalším využitím 5G sietí môže byť vytvorenie bezdrôtovej siete v pohotovostnom stave, kedy zlyhá infraštruktúra a používatelia ostatnú bez pripojenia. V takom prípade môžeme vyniesť do vzduchu drony, ktoré by mali na sebe pripojené antény, prostredníctvom ktorých by mohli na základe výšky, v ktorej sa nachádzajú, zväčšovať respektíve zmenšovať polomer pokrytia uzlov a tak obnoviť komunikáciu prostredníctvom viacskokovej komunikácie a vytvorením dočasnej siete.
Mobile Ad-Hoc Network
Ako už bolo vyššie spomenuté, na komunikáciu v 5G sieťach vieme využiť aj viacskokovú komunikáciu, ktorá nám umožní komunikovať so zariadením, ktoré sa nachádza mimo pokrytia základňovej stanice. Každé zariadenie vysiela dáta s nejakým výkonom, a priestor, v ktorom tieto dáta dokáže vysielať alebo prijímať sa nazýva rádiový dosah. Tak ako každá sieť aj sieť MANET sa riadi nejakými pravidlami, ktoré určujú smerovacie protokoly. Pri týchto sieťach hovoríme o reaktívnych, proaktívnych, oportunistických a hybridných protokoloch. MANET je sieť, v ktorej zariadenia komunikujú na základe informácií o susedoch zariadení. To znamená, že akonáhle zariadenie, s ktorým chceme komunikovať, sa nenachádza v dosahu žiadneho zo zariadení, ktoré sú pokryté základňovou stanicou, na základe informácie zo smerovacej tabuľky zariadenia, ktoré je v rádiovom dosahu cieľového zariadenia, vieme dáta preniesť takýmto spôsobom. Z tohto dôvodu nazývame túto komunikáciu viacskokovou, pretože každé zariadenie v sieti predstavuje uzol, ktorý slúži ako skok k ďalšiemu zariadeniu. Na nasledujúcom obrázku je znázornená komunikácia, kedy uzol A posiela dáta uzlu C, ktorý nie je v jeho rádiovom dosahu. Keďže uzol B má vo svojej smerovacej tabuľke informáciu o uzle C, uzol A môže dáta preposlať cez uzol B, a ten tieto dáta sprostredkuje uzlu C, ktorému sú určené.
5G pokrytie na Slovensku
Na našom území bola v roku 2019 uznesením vlády schválená ,,Stratégia digitálnej transformácie Slovenska”, ktorej cieľom je pripraviť Slovensko na celoplošnú digitalizáciu hospodárstva a spoločnosti. Z globálneho hľadiska je najvýznamnejšou technológiou práve 5G.
Čo sa týka frekvenčných pásiem, frekvencie prideľuje nezávislá regulačná autorita - Úrad pre reguláciu elektronických komunikácií a poštových služieb (RÚ) úspešným účastníkom výberového konania. Na našom území sa v rámci mobilnej siete piatej generácie bude používať najmä frekvenčné pásmo 700 MHz. Ďalšími nosnými pásmami budú pásmo s frekvenciou 1800 MHz a pásma s frekvenciami 3,4 GHz až 3,8 GHz.
Ale mať 5G sieť nie je všetko. Na to aby sme mohli z tejto siete čerpať, potrebujeme mobilné zariadenie, ktorého procesor 5G technológiu podporuje. Nakoľko je táto technológia stále vo vývoji, aj ceny týchto zariadení nie sú v súčasnosti dostupné pre širokú verejnosť, ale ak ste šikovní, a venujete sa svetu technológií, tak aj vy môžete mať mobilné zariadenie s podporou 5G za zlomok ceny vlajkovej lode.
Spomedzi operátorov pôsobiacich na Slovensku sa najväčším pokrytím 5G siete pýši Telekom. Ten spustil 5G sieť v Bratislavskom kraji konkrétne v mestských častí Petržalka, Ružinov, Nové Mesto, Trnávka, Vajnory, Vrakuňa, Podunajské Biskupice, Devínska Nová Ves. Spoločnosť taktiež dodala, že sieť sa bude postupne rozširovať naprieč celým Slovenskom. Očakávané maximálne rýchlosti by mali dosahovať hodnoty do 600Mbit/s v smere downlink (Download) a 80Mbit/s v smere uplink (Upload).
Tak toto by bolo o 5G sieťach a sieťach typu MANET všetko. Pevne verím, že ste sa z tohto článku niečo nové dozvedeli a naučili. Je to veľmi rozsiahla téma a toto bol len zlomok informácií o sieťach piatej generácie. Som veľmi zvedavý, čo nám ešte táto technológia prinesie. Už teraz sa diskutuje o 6G sieti, ktorá má byť ešte rýchlejšia, ešte spoľahlivejšia a oveľa bezpečnejšia ako je sieť 5G.
Sleduješ už môj Instagram ? 🧐 @lukas.seliga4
Zdroje
https://www.itrelease.com/2021/03/what-is-mobile-network-with-example/
http://net-informations.com/q/diff/generations.html
http://www.ittoday.info/Excerpts/5G-Overview-Key-Technologies.pdf
https://www.thalesgroup.com/en/markets/digital-identity-and-security/mobile/inspired/5G
https://iot-analytics.com/the-leading-5g-iot-use-cases-2019/
https://www.teleoff.gov.sk/5g/?fbclid=IwAR2U_OyxAPWW6SNewOaGXFY7fs9C4FQbry6pvlKbhgbxdp3VHj_EgfL30ec