Hatalmas fejlődés előtt áll a dolgok internete (Internet of Things, IoT), az elkövetkező években, évtizedekben több tízmilliárdnyi, vezeték nélküli kapcsolattal az internetre csatlakozó eszköz és egymással kommunikáló gép jelenik meg: a számuk sokszorosan meghaladja majd a világhálót használó emberekét. Ezek a legkülönfélébb célokra kifejlesztett eszközök emberi beavatkozás nélkül, automatikusan gyűjtenek össze, dolgoznak fel és továbbítanak adatokat, illetve vesznek igénybe különféle felhőalapú szolgáltatásokat. Funkciójuktól függően olyan nagy sávszélességet, megbízható adatátvitelt vagy rövid késleltetést igényelnek majd megfelelő működésükhöz, amelyek megvalósítása korábban elképzelhetetlen volt. A jövő IoT-eszközeinek magas szintű kommunikációs igényeit a mai legmodernebb, 4. generációs (4G) vezeték nélküli adatátviteli technológiák már nem képesek kielégíteni. Szakértők, technológiai fejlesztők és mobilszolgáltatók egyetértenek abban, hogy ezek a feladatok a 2020 tájékán megjelenő 5. generációs (5G) mobilhálózatokra hárulnak majd, amelyeknek minden eddiginél sokrétűbb követelményeknek kell majd megfelelniük.
Kielégíteni a jövő igényeit
Itt van mindjárt az IoT-eszközök, az egymással kommunikáló gépek, a vezeték nélküli kapcsolatot használó különféle alkalmazások sokszínűsége. Nagy sávszélességet igényelnek a valós idejű, nagyfelbontású videókat továbbító megfigyelő rendszerek, a kiterjesztettvalóság-eszközök, míg az önjáró autók esetében életbevágó, hogy a biztonságos közlekedést és manőverezést lehetővé tevő információk késedelem nélkül jussanak el a járművekhez, s a kapcsolat a felhőben lévő tudásbázissal minden időpillanatban megbízhatóan rendelkezésre álljon. Ugyancsak nagy megbízhatóságú kommunikációt igényelnek az ipari létesítményekben elhelyezett, kritikus funkciókat ellátó különféle érzékelők és robotok, valamint a betegek egészségi állapotát, szívműködését, vérnyomását figyelő berendezések. Mindezeken túlmenően az 5G mobilhálózatnak gond nélkül kezelnie kell az átlagos – extrém nagy sávszélességet és kivételesen alacsony késleltetést nem igénylő – eszközök milliárdjait, többek között az internetet és a felhős szolgáltatásokat munka és szórakozás céljából használó számítógépeket, okostelefonokat, tableteket és játékkonzolokat, az okosotthonokban lévő intelligens háztartási gépeket, érzékelőket, termosztátokat és riasztórendszereket, nem beszélve a hagyományos hanghívásokról és szöveges üzenetekről.
Tovább nehezíti a helyzetet, hogy az 5G szolgáltatásoknak gyéren és sűrűn lakott területeken, nagy tömegeket megmozgató eseményeken (fesztiválokon, futballmérkőzéseken stb.), ipari környezetekben, valamint kül- és beltéren egyaránt megbízhatóan kell működniük. Mindezekből egyenesen következik, hogy az 5G hálózati architektúrát alapvetően a gépek közötti kommunikációra kell tervezni, mivel ez a terület támasztja a legmagasabb követelményeket.
Jól körvonalazódik tehát, hogy milyen alkalmazásokat kell a következő generációs mobilhálózatoknak megbízhatóan kiszolgálniuk, egyelőre azonban ez csak egy koncepciónak tekinthető. Az új technológiának ugyanis még nincs elfogadott szabványa, ennek kidolgozása évekig eltarthat. Ahhoz, hogy a várakozásnak megfelelően 2020-ban megkezdjék működésüket az első 5G hálózatok, a szabványalkotási folyamatnak jelentősen fel kell gyorsulnia az elkövetkező években. Természetesen a szabvány hiányában is folynak kutatások, kísérletek technológiai cégek, mobilszolgáltatók műhelyeiben, egyetemeken és kutatóintézetekben, továbbá szövetségek alakulnak a fejlesztés felgyorsítására. Bár a mobiltechnológia fejlődése olyan gyors ütemű, hogy szinte lehetetlen megjósolni, a jövőben milyen újonnan felmerülő igényeket kell majd kielégíteniük a következő generációs mobilhálózatoknak, az iparági szereplők egyetértésre jutottak abban, hogy az 5G technológiának a fentebb leírt alkalmazási területeket kell kiszolgálnia. Ennek megvalósításához jelentősen megnövelt, 10 Gb/s-os adatátviteli sebességre, 1 ezredmásodpercnél rövidebb késleltetési időre, a sokmilliárdnyi csatlakozó IoT-eszköz kiszolgálásához elegendő mértékű hálózati kapacitásra, valamint a korábbi mobiltechnológiákénál hatékonyabb energiafelhasználásra lesz szükség.
Összehasonlításképpen, a jelenleg legfejlettebbnek számító 4G technológia legnagyobb elméleti adatátviteli sebessége 1 Gb/s, a gyakorlatban azonban ennél lényegesen lassúbb megvalósításokkal találkozhatunk, a késleltetés pedig 50 ezredmásodperc körüli. Jól szemlélteti a sebességnövekedést, hogy egy 8 gigabájtos HD felbontású film letöltése ideális esetben egy jövőbeli 5G hálózatban csupán hat másodpercet vesz majd igénybe, míg egy 4G hálózathoz csatlakozva az adatátvitel 7 percig, 3G technológia használatakor pedig több mint egy óráig eltart. A rendkívül rövid késleltetésnek a kritikus alkalmazásoknál van igen fontos szerepe. Gondoljunk például arra, hogy egy önjáró autóban ülünk, amely az autópályán halad, kilométerekkel előttünk baleset történt, azonnal lassítani kell, azonban a fékezés beindítását kiváltó információ nem jut el időben a jármű vezérlőrendszeréhez. A következmények beláthatatlanok, így teljesen nyilvánvaló, hogy amíg nem sikerül kiépíteni egy folyamatos rendelkezésre állású, rendkívül rövid késleltetéssel működő kommunikációs hálózatot, a teljesen önjáró autók rendszerbe állítása szóba sem jöhet.
Sok antenna, kisebb cellák
A sokmilliárdnyi eszköz csatlakoztatásához hatalmas sávszélességre lesz szükség, márpedig manapság frekvenciaszűkében vagyunk. Jó megoldásnak tűnik egy új, egységes frekvenciaspektrum kijelölése az 5G számára, mivel a rendelkezésre álló frekvenciasávok mindegyike használatban van a világ valamelyik részén. Szóba jöhet még a meglévő sávok hatékonyabb kihasználása különféle technológiák segítségével, a jelenleg igénybe vett frekvenciák feletti – 6-tól 100 GHz-ig terjedő – tartományok használatba vétele, valamint az infrastruktúra bővítése. Szakértők szerint a meglévő frekvenciasávok hatékonyabb kihasználása önmagában nem elegendő az 5G hálózatok iszonyatos kapacitásigényének a kielégítésére. Ami az új frekvenciasávok használatbavételét illeti, a 30 GHz feletti, milliméteres hullámhosszúságú tartományban némi nehézséget okoz, hogy bár ez a frekvenciasáv nagyobb sávszélességet kínál, mint a hagyományos tartományok, a légkör vagy eső által előidézett csillapítás miatt a hatótávolság csökken, kis cellák alkalmazása esetén azonban ennek nincs jelentősége. Ugyanakkor az átvitelhez zavartalan rálátás szükséges az adó és vevő között, viszont a MIMO (multiple input, multiple output) technológia alkalmazásával lehetőség nyílik a nyalábformálásra, melynek révén a rádióhullám pontosan a kívánt eszközre irányítható. A MIMO esetében a kommunikációban résztvevő mindkét eszköz több tíz vagy akár több száz antennával rendelkezik, így lényegesen jobban kihasználható a sávszélesség, növelhető az adatátviteli sebesség, és csökkenthető a működtetés energiaszükséglete. Tovább javít a helyzeten, és növeli a lefedettséget is a nyalábformálás, mivel az antennáknak nem kell minden irányban kisugározniuk a rádióhullámokat. Az antennatechnológiák fejlesztésével elkerülhetők a kapcsolatok váratlanul bekövetkező megszakadásai is.
Kiküszöböli a milliméteres hullámhosszúságú rádiójelek rövid hatótávolságából eredő problémákat a kisebb, 200-300 méteres hatókörű mobilcellák alkalmazása. Ezek berendezéseit nem szükséges feltétlenül magas tornyokra telepíteni, kis méretüknek köszönhetően a legkülönfélébb helyekre beszerelhetők, és kiváló lefedettséget biztosítanak a sűrűn lakott területeken. Mikrocellákat manapság is alkalmaznak a mobilszolgáltatók olyan irodaépületekben és házakban, ahol a makrocellák jele nem megfelelő erősségű. Hátránya a kis celláknak, hogy a mozgó felhasználóknak sűrűn kell cellát váltaniuk, ami növeli az adatvesztés kockázatát. Ezt úgy lehet kiküszöbölni, hogy a nem egyhelyben tartózkodók kiszolgálását a hálózat a makrocellához irányítja át.
Hatékonyabb hálózatkihasználás
További architekturális fejlesztésekre is szükség lesz az 5G hálózatok hatékony működtetéséhez. A mai mobilhálózatokban folyamatosan továbbítanak adatokat, és a kommunikációban résztvevő eszközök számának növekedésével nő az interferencia. Az 5. generációs technológia esetében a kommunikációt erősen zavaró jelenség hatásának csökkentése érdekében kívánatos a folyamatos adatátvitelt végző eszközök számának minimalizálása. Egy új technológia, a szoftver által definiált hálózatműködtetés (software defined networking, SDN) lehetővé teszi a cellák dinamikus, akár igen rövid ideig tartó kikapcsolását. A cellák készenléti állapotban maradnak, és csak akkor kapcsolódnak be ismét, ha felhasználói adatok továbbítására van szükség. Ily módon hatékonyan csökkenthető az interferencia és az energiafogyasztás.
Az SDN-nel megvalósítható lesz az is, hogy a hálózatban az adatok a legrövidebb utat járják be. Az alacsonyabb késleltetés elérése érdekében az adatoknak nem szükséges a hálózati adatközpontba kerülniük, hanem tárolhatók és feldolgozhatók lesznek akár a bázisállomáson is. Az SDN technológia lényege, hogy szétválasztják a hálózat vezérlési és adatsíkját: az előbbi határozza meg, hogy az adatok miképpen haladjanak át a hálózaton, míg az utóbbi végzi a tényleges adattovábbítást. Ennek eredményeképpen a hálózatot központilag lehet irányítani egy kontroller segítségével. Ez szoftverként futtatja a hálózati hardverből eltávolított vezérlési síkot, lehetővé téve az automatikus hálózatfelügyeletet, továbbá egyszerűbbé teszi a különféle üzleti alkalmazások integrálását és adminisztrációját.
Hogy a különféle kommunikációs technológiákból miképpen áll majd össze egy működőképes 5G hálózat, az elkövetkező években dől el. A célok mindenesetre pontosan meghatározottak, a nagy sebességű és megbízhatóságú, kis késleltetéssel működő mobilhálózat iránt komoly igény mutatkozik, most már csak a fejlesztőkön és a szolgáltatókon múlik a megvalósítás.
