LTE jakiego jeszcze nie widzieliście… i być może nigdy nie zobaczycie

Analitycy globalnego rynku telekomunikacyjnego są zgodni - zapotrzebowanie na przepustowość mobilnej transmisji danych będzie rosnąć a sieci komórkowe nie będą w stanie zapewnić oczekiwanej pojemności danych. Już teraz obserwujemy lawinę danych tworzonych, wykorzystywanych i przesyłanych przez użytkowników internetu, a wkrótce przyjdzie nam zmierzyć się z zupełnie innym poziomem ilości ruchu w sieci.

Autorem wpisu jest Michał Jarski z Ruckus Wireless.

Chodzi przecież także o ruch generowany przez coraz popularniejsze urządzenia należące do tzw. Internetu Rzeczy (Internet of Things) czy też Internetu Wszystkiego (Internet of Everything), czyli łączenia ludzi, procesów, urządzeń, danych, po prostu wszystkiego, co możemy sobie tylko wyobrazić. Rok temu do konsorcjum 3GPP zwróciła się potężna firma Qualcomm z propozycją włączenia do następnego wydania globalnej specyfikacji sieci komórkowych rozszerzeń LTE Advanced w dwóch bardzo interesujących opcjach, obiecujących znaczący wzrost wydajności sieci oraz lokalnych interfejsów.

Ziemia obiecana

Najrzadziej występującym zasobem w świecie technologii mobilnych są częstotliwości, z których operatorzy mogą korzystać do budowania swoich sieci. Stary paradygmat licencjonowania, udzielający wyłączności na użycie danego spektrum częstotliwości jednemu podmiotowi jest w gruncie rzeczy podstawą modelu biznesowego operatorów sieci komórkowych. Za licencję płacą fortunę, stając się jedynymi właścicielami przydzielonego pasma. Także funkcjonujące tam protokoły (GSM/3G/4G/LTE) są jak panowie własnego podwórka, oczekujący spokoju na swoim terenie i egzekwujący swoje prawa do wyłączności.

Czytaj dalej poniżej

Peek Retina - smartfon znowu wykorzystany w medycynie Maciej Sikorski

Tyle mocy w małej kostce. Polski Clime zapowiada się na hit Tomasz Popielarczyk

Przewidywana jakość usługi powiązana jest z wyłącznością oraz wyłącznym dostępem do zasobów danego spektrum, w danej lokalizacji i danym czasie.

Model licencjonowania przypisuje jednak danemu operatorowi bardzo wąskie spektrum. Mogą to być nawet wysoko wycenione kawałki po 5 MHz! Częstotliwości są często pofragmentowane i nie pozwalają na agregację kanałów transmisyjnych, co jest istotne dla zwiększenia wydajności przesyłu danych. Ponieważ zaś operatorzy bardzo rzadko decydują się na połączenie swoich posiadanych częstotliwości (tak zdarzyło się przypadku Everything Everywhere stworzonego przez Orange i T-Mobile w Wielkiej Brytanii, czy NetworkS! w Polsce), wydaje się, że nie ma drogi ucieczki z pułapki spektrum.

Ale chwileczkę! Istnieje przecież wielki, dostępny dla każdego teren - pasma nielicencjonowane. Już w 1985 roku, tak zwane „śmieciowe pasma” - 2.4 i 5.8 GHz - zostały ogłoszone wolnymi do użytkowania przez każdy zainteresowany podmiot. Początkowo przeznaczone przede wszystkim do zastosowań medycznych, obecnie zajmują je głównie sieci WiFi (IEEE 802.11). Zakres nielicencjonowanych częstotliwości jest stale rozszerzany i obecnie dostępne jest niemal całe pasmo 5 GHz - 775 MHz ciągłego spektrum. Uwolnione niedawno pasma nadające przekaz analogowej telewizji TV (tzw. „white band” poniżej 1 GHz) są testowane pod kątem dostępu do Internetu dalekiego zasięgu dla obszarów wiejskich, a częstotliwości w okolicach 60 GHz (ogromny blok wielkości 7 GHz) są już wykorzystywane jako połączenia point-to-point na średnich dystansach lub domowy streaming multimediów HD (standard 802.11ad).

Jednak wolne spektrum jest miejscem nie tylko dla WiFi. Współistnieją tu także inne protokoły, takie jak Bluetooth, czy Zigbee. Początkowo rodziło to wiele konfliktów, ale instytucjom standaryzacyjnym udało się ustalić reguły koegzystencji, by zagwarantować bezproblemowe wspólne wykorzystywanie częstotliwości jak u dobrych sąsiadów, starających się ograniczyć wpływ swoich działań na życie pozostałych.

Jak zachowa się w tym dobrym sąsiedztwie taki samolubny dzieciak jak LTE? Pamiętajmy, że to nie tor wyścigowy na wyłączność. To bardziej przejażdżka autem po mieście, gdzie ulice są dostępne dla każdego będącego w stanie zrozumieć reguły i grać według nich. Czy LTE nauczy się zasad tego ruchu, czy widowiskowo się rozbije?

Klucz do sukcesu

Propozycja Qualcommu określa, że rozszerzenie LTE-U powinno wykorzystywać fragment pasma 5 GHz określany jako U-NII-3, który ma najwyższą dopuszczalną moc emisji EIRP. Podczas gdy na 2.4 GHz instytucje regulacyjne ograniczają EIRP do 100 mW (Europa) lub 200 mW (USA), U-NII-3 cieszy się prawem do osiągania aż do 1000 mW na zewnątrz. Tak - 1 pełnego watu mocy...

Jednak LTE nie przeniesie się całkiem w nielicencjonowany obszar. Postulat dotyczy utrzymania kanału kontrolnego w działaniu na zarezerwowanej częstotliwości. tak żeby „kluczowe informacje sygnałowe zawsze przepływały jak należy”. To oznacza też, że tylko prawdziwy MNO będzie w stanie wdrożyć tę technologię. To wielki całus pożegnalny dla przedsiębiorstw liczących na to, że stworzą prywatne sieci LTE bez kosztów licencji...

W istocie, propozycja LTE-U oparta jest na innym standardowym rozszerzeniu LTE Advanced, nazwanym agregacją pasm (carrier aggregation). Pozwala ono na równoległy przesył danych poprzez wiele kanałów komunikacyjnych. Zostało ono stworzone, by rozwiązać problem „mozaiki częstotliwości”. Zamiast wymieniać i łączyć częstotliwości z innymi graczami celem zwiększenia przepustowości, operatorzy mobilni mogą korzystać z aktualnego układu przyznanych zasobów radiowych. LTE-U mówi tylko, że zamiast posiadać własne częstotliwości, niektóre kanały będą tworzone w paśmie 5 GHz. Agregacja dostawców jest dość adaptacyjną strukturą, możemy więc wylądować w świecie wielu dynamicznie zmieniających się topologii, w których wszystkie połączenia funkcjonują na kanałach licencjonowanych, wszystkie funkcjonują w spektrum nielicencjonowanym lub mamy połączenie jednego z drugim. System powinien dostosować się do zatłoczenia sieci mobilnej i dostępności nielicencjonowanych częstotliwości.

Oto klucz do koegzystencji samolubnego dzieciaka LTE oraz WiFi - efektywne wyczucie dostępnych zasobów, bez skazywania ich z góry na porażkę. Qualcomm twierdzi, że nie będzie zauważalnej degradacji konkurencyjnych sieci WiFi, podczas gdy rzekomo bardziej wydajne kodowanie LTE-U dostarczy większą przepustowość sieci niż sąsiadujące systemy 802.11. Jednak ostatnie analizy wskazują, że proponowane metody wykrywania kolizji w eterze (LBE – Lod Based Equipment) będą znacznie różnić się od już sprawdzonych w boju standardów WiFi (DCF – Distributed Coordination Function). Przy rosnącym zagęszczeniu użytkowników paśmie 5 GHz, ze względu na przyjęty stały czas wycofywania z zajętego kanału będą faworyzować LTE-U kosztem pozostałych użytkowników pasma nielicencjonowanego stosujących wykładnicze narastanie czasu „pauzowania” transmisji.

Rzeczywiste możliwości LTE-U

Kanał kontrolny LTE-U musi zostać zrealizowany poprzez pasmo licencjonowane, tak więc ta technologia może zostać wdrożona jedynie w istniejących obszarach zasięgu LTE. Operatorzy już teraz mają problemy z ogromnymi inwestycjami niezbędnymi do wdrożenia LTE. Czy będą skłonni dodać jeszcze więcej do budżetu za obiecaną zwiększoną przepustowość, bezproblemową agregację nielicencjonowanych kanałów łącza nadawczego oraz możliwość przekazywania połączeń Voice over LTE? Szczególnie, że w celu wykorzystywania LTE-U, ich klienci będą musieli posiadać w pełni kompatybilny terminal z najnowszym chipsetem, co nie stanie się z dnia na dzień.

Może to być dobra opcja dla mniejszych graczy na rynku, duszonych przez brak spektrum oraz nękanych przez wymagania jakościowe ze strony klientów. Mogłaby to być dobra karta przetargowa dla nich, bez nieuniknionych w przeciwnym razie ogromnych opłat licencyjnych za infrastrukturę sieciową.

Z drugiej strony, czemu mieliby czekać na finalizację specyfikacji oraz dostępność sprzętu, jeśli mogą już w tej chwili budować sieci WiFi dostarczając tę samą zwiększoną przepustowość, bezproblemowy roaming między sieciami radiowymi, a nawet przekaz głosowy z VoLTE do VoWiFi i z powrotem? Może dlatego, że celem jest uczynienie WiFi i innych technologii bezprzewodowych przestarzałymi, i przejęcie kontroli nad wolnym niegdyś obszarem? Kolejne rozszerzenie Qualcommu dla LTE Advanced wydaje się być krokiem w tym kierunku.

Komunikacja bezpośrednia odkryta na nowo

Przyszły aż nadto połączony świat, ze wszystkimi i wszystkim rozmawiającym ze sobą nawzajem, prawdopodobnie pochłonie wszystkie możliwe scentralizowane zasoby sieciowe. Nie tylko licencjonowane, ale też wspomniane wcześniej spektrum nielicencjonowane. Stąd koncepcja bezpośredniej komunikacji między urządzeniami bez udziału centralnego zarządzania wygląda na dobrą drogę dla pewnych konkretnych typów aplikacji, jak lokalizowanie urządzeń, meldowanie się w social mediach czy wiadomościach indywidualnych i grupowych. Obecnie, takie aplikacje oparte są na zmodyfikowanych protokołach Bluetooth lub istniejącym zasięgu sieci WiFi. Korzystając z charakterystyki tych systemów i modułów komunikacyjnych w systemach operacyjnych naszych smartfonów czy tabletów, możemy zlokalizować użytkownika we wnętrzu i wywołać daną akcję.

Typowy przykład to asystent zakupowy. Poruszając się po rozległym miejscu publicznym takim jak centrum handlowe, często potrzebujemy „wewnętrznej nawigacji”. Lokalizowanie klienta daje też możliwość analizy zachowań konsumentów, i przekazywanie im informacji marketingowych, kiedy wkraczają w określone strefy (np. wiadomości o promocji podczas przechodzenia obok sklepu, który zapłacił za taką reklamę). Wszystko na podstawie założenia, że użytkownik ma włączone WiFi oraz Bluetooth i jego terminal jest wyposażony w aplikację zdolną do otrzymania takich informacji.

LTE Direct proponowane przez Qualcomm korzysta z okazji przez zastąpienie komunikacji WiFi/BT kolejnym rozszerzeniem LTE Advanced. Wykorzystuje jedynie <1% sygnałów sieciowych, jednak zapewnia bezpośrednią komunikację między urządzeniami użytkowników. Istnieją dwa zdefiniowane typy wiadomości - publiczne i prywatne przekazy (tzw. „expressions”).

Przekazy publiczne dokładnie pasują do funkcjonalności Bluetooth iBeacon. Mogą być wykorzystane do zlokalizowania użytkownika i wypuszczenia dowolnego rodzaju wiadomości na jego urządzenie. Wiadomości nie są filtrowane i nie wymagają aplikacji, by zostały przedstawione klientowi. Znakomite narzędzie marketingowe z zasięgiem większym od iBeacon (ok. 500 metrów zamiast 50), obiecywany niższy pobór mocy oraz lepsza trafność. W dodatku działające zarówno na zewnątrz, jak i pod dachem.

Przekazy prywatne są powiązane z konkretną aplikacją do komunikacji/lokalizacji i mogą podlegać specjalnemu filtrowaniu oraz ustawieniom prywatności, wymuszanym już na poziomie chipsetu urządzenia. Mogą być używane do komunikacji z przyjaciółmi, którzy chcą dołączyć do imprezy, odnalezienia osób z podobnymi zainteresowaniami podczas jakiegoś wydarzenia, albo po prostu jako komunikacja społeczna nowej generacji z kontekstem geolokalizacji.

Haczyk polega na tym, że LTE Direct nadal potrzebuje do funkcjonowania licencjonowanego spektrum oraz kanału kontrolnego LTE. Oznacza to, że podobnie jak z LTE-U, jego zastosowanie jest silnie ukierunkowane na dostawców usług komórkowych, a nie na przedsiębiorstwa. Dokładnie przeciwnie do obecnych beneficjentów usług opartych na lokalizacji, czyli instytucji publicznych wszelkiego typu: centrów handlowych, węzłów komunikacyjnych czy obiektów hotelowych. Można nawet zinterpretować taką definicję standardu jako próbę przywrócenia operatorom szansy na odzyskanie obrotów wyciekających obecnie do takich instytucji lub właścicieli aplikacji OTT (over-the-top) jak Facebook czy Google. Przywrócenie zarządzania komunikacją międzyludzką (oraz opłatami) operatorom sieci. Zwłaszcza w kontekście zmniejszenia roli klasycznych wiadomości tekstowych oraz połączeń telefonicznych. Wreszcie mogliby zacząć znów pobierać opłaty za faktyczne wykorzystanie sieci, zamiast oferować tylko ślepą transmisję danych.

Pozostają jednak pewne nierozwiązane kwestie, aby LTE Direct mogło być wdrażane. Podczas gdy WiFI i Bluetooth działają w trybie „neutral host” i służą wszystkim sprzętom użytkowników, niezależnie od operatora sieci a nawet tym niewyposażonym w interfejs komórkowy (90% urządzeń mobilnych), LTE Direct wymaga jednego, wspólnego pasma sygnałowego. Pozostaje otwartym pytanie, czy operatorzy będą w stanie zgodzić się na dzielenie jednej kontrolnej częstotliwości i na jakich warunkach. Zwłaszcza że taka umowa powinna działać na całym obszarze ich zasięgu, aby to rozszerzenie mogło naprawdę funkcjonować i przynosić zysk.

Przypadek biznesowy

Oba rozszerzenia są częścią nowych standardów 3GPP, i oczekiwane jest ich zatwierdzenie oraz możliwość implementacji w latach 2015-2016. Jako część nakładów na wypuszczenie LTE Advanced, wymagają znaczących inwestycji w infrastrukturę (wyższy rząd wielkości kosztów niż WiFi), ale przede wszystkim - kompatybilnych urządzeń użytkowników. Mała liczba terminali może ograniczać przystępność biznesową takiego „nielicencjonowanego odciążenia” czy usług z wartością dodaną, podczas gdy WiFi i BT są już obecne we wszystkich telefonach komórkowych (standard wspierany globalnie) i są możliwe do wykorzystania natychmiastowo. Większość tabletów, przenośnych komputerów oraz oczekiwanych urządzeń Internet of Everything nie posiada karty SIM. To skazuje LTE-U na bycie przez wiele lat tylko dodatkowym, wspomagającym serwisem, i tylko niewielu najbardziej zdesperowanych operatorów pójdzie tą ścieżką.

Rewolucja WiFi zdaje się iść naprzód szybciej niż LTE-A, ale czy może uczynić przestarzałymi wiele firm dostarczających usługi sieci komórkowej? Już obecnie ponad 75% naszego czasu spędzamy w zasięgu WiFi nie zwracając uwagi na zasięg sieci komórkowej, a nawet unikając jej ze względu na wysokie opłaty roamingowe. Zmieniają się nasze zachowania społeczne i sposoby realizowania kontaktów międzyludzkich. Nowe pokolenia coraz rzadziej wykorzystują wynalezione przez Grahama Bella głosowe połączenia telefoniczne do efektywnej komunikacji. Porzucają je na rzecz mediów społecznościowych, chatów z grafiką i wideo...

Czy naprawdę potrzebujemy kart SIM do porozumiewania się? Być może nadchodzi ich nieuchronny kres, wraz z końcem klasycznego modelu biznesowego operatorów telekomunikacyjnych.

Foto 4G LTE wireless GPRS take control by the engineer in data center via Shutterstock.