Jak daleko přenáší nová mobilní technologie?

Pátá generace mobilní komunikace začala již v létě 2019. Od té doby na jejím rozšíření intenzivně pracují zejména společnosti Vodafone, O2 a Deutsche Telekom. Pokrytí by se mohlo vyrovnat pokrytí jeho předchůdce již v roce 2024. Jak daleko ale 5G skutečně dosáhne? Potřebujeme více rádiových stožárů, a pokud ano, proč?

Pokrytí 5G město/venkov

1. konkrétní pokrytí 5G v praxi
Jak se dozvíte v následující části, v mobilní komunikaci je pro možný dosah rozhodující použitý frekvenční rozsah. Pro 5G je v současné době dominantní pásmo n78 na 3,6 GHz a n1 na 2,1 GHz. Dále dynamické sdílení spektra v pásmech 700 a 1800 MHz. Frekvence 5G, které byly vydraženy v červenci 2019, se nacházejí v pásmech v rozsahu 2,1 a 3,6 GHz. U posledně jmenovaného lze předpokládat maximální dosah 1 km.
LTE, tedy 4G, u nás zatím funguje hlavně na frekvencích 800, 900, 1800, 1500, 2100 a 2600 MHz. Stanice LTE s frekvencí 800 MHz mají maximální dosah 10 až 15 kilometrů, ačkoli u koncového uživatele jsou již vyžadovány externí antény. Ve výjimečných případech již bylo v praxi dosaženo 20 km. Příjem navíc závisí na mnoha faktorech prostředí (viz níže), zejména na regionální topologii. Proto pro zjednodušení předpokládáme rovinatou krajinu. V praxi, spolu s empirickými hodnotami ze 4G, vyplývají pro stanice 5G následující přibližné rozsahy:

Maximální dosah v kilometrech v závislosti na frekvenci (empirické hodnoty).

* Společnost Samsung dosáhla v roce 2018 při testech 5G na frekvenci 28 GHz maximálního dosahu 500 metrů.

1.1 Praktická zkouška v Lipsku

Při testu na frekvenci 3,6 GHz jsme byli stále schopni získat signál přibližně 400-500 metrů od stožáru, bez jakýchkoli pomůcek (externí anténa) a při přímé viditelnosti. Na vzdálenost 100 metrů byla rychlost přenosu dat stále vyšší než 1 Gbit za sekundu. Ze vzdálenosti 300 metrů byla rychlost stále dobrých 800 MBit/s, ale ze vzdálenosti 400 metrů se router odhlásil z 5G a přešel do 4G! Proto je tato frekvence také zcela nevhodná pro rozšíření 5G ve venkovských oblastech. Prezident společnosti Bitkom Achim Berg to uznal již v polovině roku 2018 a varoval: "Dosáhnout celostátního pokrytí tímto způsobem není ekonomicky proveditelné. V průměru by bylo nutné postavit každý kilometr stožár přenosové soustavy, připojit jej optickými vlákny a zásobovat elektřinou. Museli bychom rozkopat celé Německo, abychom dosáhli požadovaného pokrytí. To prostě není možné a ignoruje to realitu mobilního rádia."

2. frekvence rozhodující pro pokrytí

Především je třeba poznamenat, že samotná norma pro mobilní telefony neříká nic o dosahu. Tvrzení, že 4G dosáhne dále než 3G nebo 5G dále než 4G, je prostě nesmysl. Rozhodujícím faktorem je především frekvence používaná základnovou stanicí, na které se vysílá. Frekvence zde tedy udává fyzika, a ne tolik technologie. Obecně platí, že s rostoucí vlnovou délkou roste dosah elektromagnetických vln. Čím nižší frekvence, tím vyšší vlnová délka! Vztah mezi vlnovou délkou a frekvencí je následující:

Vzorec pro výpočet vlnové délky

Příklad výpočtu vlnové délky s frekvencemi 800 a 3600 MHz

Přímo tedy vidíte, že vyšší frekvence má výrazně nižší vlnovou délku, a tedy i dosah, pokud zůstane zachován přenosový výkon.

Základem tohoto vztahu je tzv. útlum ve volném prostoru. S každým metrem vzdálenosti od rádiového stožáru se intenzita pole výrazně snižuje. Již po jednom metru se síla signálu sníží o jednu tisícinu neboli 30 dB. S rostoucí vzdáleností však tento efekt slábne, protože útlum ve volném prostoru se řídí logaritmickou funkcí. Jak je patrné z následujícího vzorce, frekvence f přímo souvisí s útlumem.

Vzorec pro tlumení ve volném prostoru
 

Následující graf ukazuje vztah mezi vzdáleností v metrech a útlumem v dB.

 Útlum ve volném prostoru jako funkce vzdálenosti

Závěr: Při stejném vysílacím výkonu klesá dosah rádiového stožáru úměrně vlnové délce!
+
Útlum ve volném prostoru snižuje dosah s každým metrem v závislosti na frekvenci.

3. faktory: Proč není možné uvést přesný rozsah?

Ve skutečnosti je téměř nemožné přesně určit dosah na konkrétní mobilní rádiové frekvenci. To je způsobeno mimořádně velkým počtem ovlivňujících faktorů. Složitý model COST Hata umožňuje alespoň hrubé modelování v závislosti na frekvenci, výšce antény uživatele a rádiového stožáru a také na vzdálenosti od vysílače.

Kromě toho hraje roli také počasí, okolní budovy/topologie a případně rychlost příjemce (zde vám pomůže náš nástroj výškového profilu!). Částečně však rozhodují i podmínky v místě uživatele. Je v zorném poli vysílače nebo přímo v budově? Vyšší frekvence totiž špatně pronikají do budov. Například frekvence 5G v rozsahu mmWave by nedosáhly ani dovnitř budov.

4 Beamforming dává technologii 5G přece jen malou výhodu v dosahu

Pomocí různých metod mohou stanice 5G za určitých okolností dosáhnout o něco většího dosahu. To je možné díky použití speciálních víceanténních technik (MIMO) a především formování paprsku. Zatímco běžné stožáry 4G "střílejí" rádiové paprsky prakticky do všech směrů bez zaměření, 5G využívá formování paprsku k přímému zaměření každého koncového zařízení. Zjednodušeně řečeno, stožár vysílá k uživateli svazek rádiových kuželů, jako byste na člověka ve tmě svítili baterkou.

Celkově dochází k menší ztrátě dosahu a kapacita stanice se enormně zvyšuje. Dodavatel sítě Ericsson se domnívá, že 5G na frekvenci 3,5 GHz by mohlo dosáhnout podobného dosahu jako v minulosti UMTS na frekvenci 2,1 GHz. K definitivnímu závěru je však ještě třeba získat dostatečné empirické hodnoty v praxi.

5. Další techniky pro zlepšení dosahu

Existuje další technika, kterou lze s 5G použít k pokrytí větších oblastí s jinak stejnými parametry. Velmi slibné je takzvané odpojení uplinku. V novějších fázích vydání (např. Rel 17) by mohly být přidány další metody. Takže je to stále vzrušující!

6. 5G na venkově: frekvence 700 MHz jsou ideální pro pokrytí 5G na venkově.

Pro široké pokrytí 5G mimo velká města je ideální pásmo 28 na 700 MHz. Deutsche Telekom, O2 a Vodafone zde mají každý pouze 2 x 10 MHz. Vodafone již v dubnu 2020 oznámil, že ve venkovských oblastech nasadí 5G na frekvenci 700 MHz, aby pokryl tuto oblast. Tím se dosažitelná vzdálenost zvýší minimálně na úroveň, které dnes dosahuje LTE na frekvenci 800 MHz (15-20 km ve špičce). Vzhledem k malé šířce pásma je však dosažitelná rychlost přenosu dat velmi omezená, a to i v případě 5G. Vodafone hovoří o rychlosti až 200 MBit/s u domácích tarifů s 5G. Po Vodafonu následovala i společnost O2, která od roku 2021 využívá frekvenci 700 MHz. V roce 2022 chce Telekom rozšířit své služby na frekvenci 700 MHz.

Rozdělení pásma 700 MHz

Distribuce na frekvenci 700 MHz | Zdroj: Federální agentura pro sítě

6.1 Ultrakrátký dosah na mmWave

Jak jsme viděli, dosah v pásmu nad 2 GHz je již poměrně krátký. Pro 5G se však plánují ještě vyšší frekvence v mm pásmu 24-100 GHz. Takové rádiové buňky by pak měly dosah jen několik set metrů nebo ještě méně. Podobně jako u domácích sítí WLAN. Proto také hovoříme o malých nebo mikrobuňkách. Důsledkem je potřeba mnohem hustší sítě rádiových buněk. Místo toho, aby se všechny střechy vybavily anténami, by však tento úkol mohly převzít sloupy veřejného osvětlení nebo semafory.

Závěr k otázce rozsahu

Pokud se pro mobilní rádio 5G nepoužívají frekvence pod 2 GHz, bude dosah vysílacích stožárů výrazně menší než u starého 4G. Pro rozšíření je tedy nutná extrémně vysoká hustota převaděčů. Pouze s dlouhovlnnými pásmy, tj. v rozsahu 0,7-2 GHz, lze nákladově efektivně pokrýt větší oblasti.