V současné době hraje připojení k internetu stále větší roli v hodnocení kvality života v dané lokalitě. Ti šťastnější jsou v dosahu nějaké vysokokapacitní technologie typu optického vlákna nebo koaxiálních rozvodů kabelové televize. Velká část obyvatelstva, zejména mimo velké bytové domy a velká města, tyto možnosti nemá, proto ke slovu přichází bezdrátový přenos dat. Bezdrátové připojení k internetu má v Česku velkou budoucnost, a to i proto, že jsme zemí malých obcí – více než polovina obcí v ČR má méně než pět set obyvatel.
Stále zrychlujícím přípojkám Wi-Fi v některých oblastech konkuruje přeprodej zbytkové kapacity LTE sítě mobilních operátorů a rozvíjejí se i sítě založené na nedávno vydraženém kmitočtovém pásmu 3,7 GHz. U domácností připojených standardní bezdrátovou technologií založenou na Wi-Fi dochází sice ke statisticky významnému navyšování rychlosti připojení, ale to spíše souvisí s investicemi do páteřních a přípojných sítí.
Poskytovatelé „ždímou“ maximum z přístupových bodů založených na protokolech 802.11ac někde na úrovni rychlosti stahování dat kolem 60 Mb/s. Je sice pravda, že po dalším upgradu přístupových bodů na Wi-Fi 6 rychlosti a spolehlivost sítě ještě narostou, ale zatím nemají co nabídnout klientům s požadavky na připojení podobnými jako pro kabelové optické sítě. Tato situace se může změnit už ve velmi blízké době nástupem pásma 60 GHz pro fixní připojení koncových uživatelů.
Slepice, nebo vejce?
Technologie a regulace mají nevyvážený vztah. Někdy regulace předběhne technologické možnosti nebo očekávání trhu a musí se nějakou dobu čekat, než vývojáři pochopí novou tržní niku a dodají na trh potřebné technologie. Častěji to je naopak. Technologie jsou už dostupné, ale regulatorní omezení je nedovolí používat. Ty proto nemají masové použití, případně se nedostatečně rozvíjejí, protože jejich využití je možné pouze v nějaké části trhu, případně v jiné části světa.
K něčemu podobnému došlo v pásmu 60 GHz. Velká část světa neumožňovala kvůli zastaralým regulačním omezením pásmo využívat mimo uzavřené prostory (kvůli již dávno neužívaným technologiím v letectví), jeho atraktivita pro vysokorychlostní přenosy dat zejména v průmyslu umožnila už dávno zavést potřebnou standardizaci a masovou výrobu. Běžná cena radiového zařízení s kapacitami okolo 1 Gb/s dosahuje několika desítek tisíc korun, masová produkce chipsetů pro 60 GHz dokázala srazit cenu podobného zařízení na úroveň lepšího 5 GHz Wi-Fi spoje za několik tisícovek. Připojit domácnost násobně vyšší rychlostí tak nemusí být v blízké budoucnosti o moc dražší nežli u klasické bezdrátové přípojky.
Proč až v blízké budoucnosti? V České republice je doposud toto pásmo vyhrazeno výhradně pro vnitřní užití a telekomunikační společnosti jej nemohou využívat tak, jak to povoluje od začátku roku evropský regulační rámec. Český telekomunikační úřad otevření přislíbil na září 2019, ale už nyní je jasné, že zrychlování přípojek bude nutné zhruba do konce roku odložit. Pevně doufáme, že další odložení český regulátor nedopustí.
Šířka kanálu rozhoduje
Bezdrátové spoje v pásmu 60 GHz (přesněji 57–66 GHz) přináší řadu výhod. Jde o pásmo bezlicenční a jeho využití je tedy pro uživatele (ať již operátora, nebo koncového zákazníka) bezplatné. Nabízí velikou šíři využitelného spektra, čímž umožňuje použití širokých kanálů a vysoké kapacity, z principu šíření signálu je díky malému dosahu odolné vůči vzájemnému rušení, existují pro něj levná zařízení a standardizované protokoly (standard 802.11ad) a je mezinárodně harmonizované.
Při přímém porovnání s technologií Wi-Fi v pásmu 2,4, resp. 5 GHz vynikne hlavní rozdíl, který předurčuje pásmo 60 GHz pro poskytování vysokorychlostního bezdrátového internetu – zatímco v současných Wi-Fi sítích se šířka používaného kanálu pohybuje v řádu desítek megahertzů (20/40/80 MHz), v pásmu 60 GHz se prozatím jedná o 2,16 GHz, tedy šířku o dva řády vyšší. Tato skutečnost umožňuje dosahovat přenosových kapacit až několika Gb/s bez použití pokročilých technologií, jako je např. MIMO. Už v současné době, tedy na začátku masového nasazení, jsou běžně dostupná zařízení v cenové relaci několika tisícikorun, která dokáží přenést 1 Gb/s na vzdálenost stovek metrů.
Autor: Zdroj (úpravy autor)
Porovnání šířky využitelného spektra u frekvenčních pásem 2,4 GHz, 5 GHz a 60 GHz.
Kyslík v hlavní roli
Krom možnosti bezplatného využití extrémně širokých kanálů má pásmo 60 GHz ještě jedno specifikum – a to jak v pozitivním, tak v negativním slova smyslu. V těsné blízkosti kmitočtu 60 GHz se totiž nachází rezonanční frekvence molekul kyslíku, díky čemuž se obrovským způsobem zvyšuje útlum prostředí pro šíření signálu. Zatímco běžně používaná pásma do 40 GHz mají přídavný útlum způsobený atmosférou v úrovni setin až desetin dB/km, na frekvenci 60 GHz je tento útlum již 16 dB/km. Vše přehledně graficky shrnuje následující obrázek.
Autor: ITU-R, P.676–6. „Attenuation by Atmospheric Gases,“ 2012
Závislost útlumu atmosférou (dB/km) na frekvenci (GHz); logaritmické měřítko. Modrá křivka zobrazuje útlum suchého vzduchu.
Tento fakt, který je konstantní a neměnný (na rozdíl např. od útlumu deštěm), sice značně omezuje dosah – na stovky metrů u point-to-multipoint spojů, resp. nízké jednotky kilometrů u point-to-point spojů, ale zároveň přináší unikátní možnost využívat toto pásmo pro malé buňky, které se vzájemně neruší. Díky výše popsanému principu není fyzikálně možné rušení na velké vzdálenosti, jako je tomu u dnes běžných Wi-Fi pásem 2,4 a 5 GHz. Síť přístupových bodů musí být sice díky kratšímu dosahu hustší, nicméně riziko rušení, tolik známé ze stávajících Wi-Fi sítí, je minimalizováno. Zároveň je tak na jeden přístupový bod možné připojit jen menší množství bližších klientů, což dále prospívá kvalitě služby.
S beamformingem vstříc lepšímu signálu
S posledním uvedeným bodem navíc pomáhá technologie zvaná beamforming, která je v případě pásma 60 GHz použita hned ve dvou různých případech. Beamfoming totiž umožňuje „dotvarování“ vysílaného signálu (vyzařovacího diagramu antény) dle konkrétních požadavků. Pro klientské jednotky to znamená, že se samy dosměrují přesně na přístupový bod tak, aby přijímaný signál byl co nejlepší. V případě pásma 60 GHz je toto obzvlášť důležité, jelikož hlavní vyzařovací lalok parabolické antény je extrémně úzký a správné nasměrování je proto nejen obtížné, ale navíc i náchylné na uchycení antény z hlediska pevnosti konstrukce nebo vibrací.
Autor: Zdroj
Příklad beamformingu na straně přístupového bodu – vysílaná energie je „natvarována“ tak, aby co nejlépe pokryla připojené klienty a zbytečně nezářila do všech (nežádoucích) směrů.
Na straně přístupového bodu naopak beamforming umožňuje anténě přepínat mezi různými vyzařovacími charakteristikami a tím co nejúčinněji směrovat signál pouze na připojené klienty. Nedochází tak ke zbytečnému rušení v místech, kde nikdo připojen není, a pro aktivní klienty je k dispozici vyšší vysílaný/přijímaný výkon.
Technicky je beamforming řešen pomocí soustavy většího množství malých vyzařovacích prvků, u kterých je aktivně řízena fáze vyzařovaného signálu. Díky tomu je možné „skládat“ vyzařovací charakteristiku dle konkrétních požadavků. Základní princip je vidět na obrázcích níže, podrobnější informace nabízí například anglická Wikipedie pod termínem Phased Array.
Autor: Wikipedia
Ilustrace antény s fázovaným polem…
Autor: Wikipedia
…a reálný model její vyzařovací charakteristiky.
Pro koncového zákazníka i poskytovatele internetu přichází zajímavá možnost – bez nutnosti vysokých investic nabídnout rychlosti blížící se bájnému „gigabitu“ i v místech, kde by jinak bylo neekonomické či technicky nemožné zřizovat optické přípojky. Typickým použitím spojů v pásmu 60 GHz jsou totiž ony poslední metry z přístupového bodu poskytovatele až do domácnosti. Díky již zmíněným fyzikálním parametrům pásma se minimalizuje i problém vzájemného rušení, stejně jako ovlivňování spojů počasím (díky malé vzdálenosti) nebo vzájemného rušení klientů na stejné lokalitě.
Z hlediska technologického je pásmo 60 GHz připraveno do značné míry změnit trh a vnést čerstvý vítr do oblasti poskytování bezdrátového internetu. Na straně poskytovatelů internetu bude masivní nasazení těchto spojů vyžadovat zejména investice do páteřní sítě – tak, aby existovalo dostatečně kapacitní připojení dál směrem do internetu. Typickým scénářem mnoha českých měst se může stát případ, kdy je do lokality přivedena konektivita optickou linkou a poslední skoky jsou realizovány množstvím malých přístupových bodů v pásmu 60 GHz.
Praktický dosah přístupových bodů v tomto pásmu se totiž pohybuje v řádu nižších stovek metrů – v závislosti na použité konfiguraci antén a požadované kapacitě. Na dnes běžně dostupné přístupové body s 60° sektory se lze připojit na vzdálenost cca 500 metrů, což je dostačující pro velkou část instalací jak ve městě, tak v malých obcích. S postupným připojováním nových klientů lze síť přístupových bodů zahušťovat a poloměr buňky tím snižovat pro zachování kvality služby. Při uvažování maximálně 8 klientů na sektor se dostáváme k cca 45 klientům na jedno všesměrové AP.
Pro 1Gb/s konektivitu přístupového bodu to i při plném obsazení umožňuje bezproblémově nabízet připojení převyšující standardy NGA přípojek. A to na poměrně velkém území bez nutnosti investice do optické sítě do každého domu/objektu.
Je tedy nač se těšit?
V současné době tak poslední překážkou masovějšího nasazení zůstává legislativa. Momentálně jsou povoleny pouze vnitřní instalace a na povolení venkovního fixního užití se stále čeká. Dle dostupných informací Český telekomunikační úřad připravuje v nejbližší době veřejné konzultace v ohledu tohoto pásma a do konce roku 2019 bychom se mohli dočkat jeho otevření.
Pro zájemce o tuto problematiku nezbývá než doporučit návštěvu konference KKTS Plzeň 2019, kde na toto téma promluví předseda Rady ČTÚ Jaromír Novák. Z hlediska uživatelů i poskytovatelů internetu si můžeme pouze přát, aby Úřad slíbené termíny dodržel a nástup nové technologie pro vysokokapacitní bezdrátové připojení k internetu se stal v blízké době realitou.