Srovnávat klasické a velmi známé Wi-Fi sítě s privátními 5G sítěmi je zcela relevantní. Oba typy slouží ke společnému účelu, a to poskytování bezdrátové síťové infrastruktury počítačům, strojům, čidlům, robotům, vozíkům, kamerám a dalším nezbytným zařízením v rámci kampusových sítí nebo sítí pro Průmysl 4.0.
Zatímco Wi-Fi sítě tu jsou s námi již více než dvacet let, privátní 5G sítě jsou relativně nová implementace standardu 5G New Radio (NR). Za posledních dvacet let proběhl v oblasti Wi-Fi sítí značný vývoj standardů. Nyní jsme u verze Wi-Fi 6 s modulací 802.11ax s tím, že výrobci implementují rozšíření nazvané Wi-Fi 6E, které k již používaným pásmům 2,4 GHz a 5 GHz přidává ještě 6 GHz. Wi-Fi 6 se zároveň snaží řešit bolesti starších implementací, jako jsou problémy při připojení většího počtu stanic či rušení od okolních přístupových bodů.
Privátní 5G síť (P5G)
U privátních sítí platí základní princip. Při přenosu dat se nespoléháte na veřejnou síť operátora, ale data putují plně po vašich prostředcích. V případě P5G pak provozujete (nebo máte v pronájmu) kompletní 5G síťovou infrastrukturu jen pro sebe.
Wi-Fi sítě jsou ve svém principu také privátními sítěmi. Infrastrukturu jako takovou provozujete buď přímo vy, nebo se vám o ní stará váš poskytovatel služeb. Data, pokud je potřeba, nemusí opustit perimetr vaší sítě.
Oba typy sítí, tedy Wi-Fi a privátní 5G, se zcela liší svým designem, zabezpečením, použitými frekvencemi či koncovými zařízeními. Vzájemně se ale skvěle doplňují. Při jednotlivých implementacích se klade důraz na klíčové výhody a benefity.
Dva příklady využití
V prvním případě potřebujeme vybudovat síť pro nekritické, například kancelářské aplikace. Může se jednat o připojení kancelářské sítě, kde jsou zapojeny počítače, tiskárny, televize a další vybavení. Jsou zde požadavky na mobilitu účastníků, nejsou zde požadavky na QoS (z pohledu kapacity a latence), protože kancelářské aplikace nejsou na kvalitu služby nikterak náročné. Není potřeba v reálném čase reagovat na nastalé události. Tento případ užití je ideálním kandidátem pro managed Wi-Fi.
Naopak ve druhém případě potřebujeme vybudovat síť, ve které budeme provozovat kritickou aplikaci (typu mission critical nebo business critical) s požadavky na extrémní dostupnost a SLA, protože je na tom závislá například výroba. Každý výpadek ve výrobě či taktu výroby může způsobit ztráty. Každá ztráta signálu nebo nedostatečná kvalita připojení může způsobit třeba to, že se nepřenese obraz v reálném čase na analýzu a nebude možné provést srovnání kvality.
Tento typ projektu sice můžeme také realizovat pomocí Wi-Fi sítě, ale pravděpodobně nebudeme spokojeni s výsledkem. A to z důvodu, že jsme nasadili kritickou aplikaci do sítě, která na ten účel není stavěná a nemá mechanismy, jak přenos v síti zaručit s určitými parametry. Zde se hodí nasadit 5G síť.
Srovnání obou sítí
Kapacita obou typů sítí je velmi vysoká a je závislá na dostupné šířce pásma. Zatímco v licencovaném pásmu pro 5G lze dostupnost šířky pásma garantovat, u Wi-Fi sítí je pro vás pásmo dostupné, jen pokud již není obsazeno někým/něčím jiným a nikdo vás tam neruší. U sítí Wi-Fi 6E se otevírá spektrum v pásmu 6 GHz. Pro 5G se plánuje otevření pásma 26 GHz (takzvané mmWave spectrum) a již dnes můžete požádat o individuální oprávnění pro experimentální účely.
Technické srovnání Wi-Fi a privátního 5G
Ve srovnání počtu koncových zařízení na jednu buňku/základnovou stanici suverénně vede 5G technologie s více než pětinásobnou kapacitou sítě. Některé pojmy stojí za to více rozepsat.
Pojmy
Prvním je spektrální efektivita. Jde o přenosovou rychlost vztaženou k šířce pásma. V modelovém případě je v ideálním nezarušeném prostředí u obou technologií přibližně na stejné úrovni, a to teoreticky 20 bitů/s/Hz na jeden stream, s použitím MIMO je to více. Proč je u obou technologií stejná? Protože jak Wi-Fi 6, tak 5G používá stejné maximální modulační schéma 1024-QAM.
Jeden z důvodů, proč však mohou být 5G sítě rychlejší a propustnější, souvisí ještě s jedním aspektem, kde se opět dostáváme k rušení. V případě 5G sítí se pohybujeme v licencovaném spektru a licencovaném pásmu, kde většinou nemáme rušení z jiných zdrojů. Máme zde vyšší odstup signálu od šumu (SNR), který je důležitý pro určení výsledné spektrální efektivity, viz Shannonův-Hartleyův teorém.
U Wi-Fi sítí může dojít k vyššímu rušení od ostatních zdrojů (pohybujeme se v nelicencovaném pásmu, které je používáno dalšími technologiemi nebo zařízeními) a v reálných podmínkách je hodnota SNR nižší ve srovnání s 5G sítěmi. Díky vyššímu odstupu signálu od šumu u 5G sítí tak v reálných nasazeních mohou 5G sítě dosahovat zhruba dvou- až čtyřikrát vyšší spektrální efektivity ve srovnání s Wi-Fi 6 (v závislosti na reálném SNR).
Dalším aspektem, který vylepšuje u 5G sítí spektrální efektivitu, je vyzářený výkon. Vyšší vyzářený výkon umožní vyšší odstup signálu od šumu. U Wi-Fi sítí je maximální výkon vysílače regulačně omezen.
Dalším pojmem je air latence, neboli zpoždění. 5G sítě byly navrhovány pro speciální případy s aplikacemi v reálném čase, kde je velmi důležité nízké zpoždění a vysoká dostupnost. URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) definuje velmi vysokou dostupnost sítě, a to na úrovni 99,999 procenta, a radiovou latenci jedna milisekunda.
Uváděná latence u Wi-Fi sítí není řádově jiná, ale nesmírně záleží, jestli se pohybujeme v prázdné síti, kolik zařízení je tam připojeno a tak podobně. Protože Wi-Fi síť je kolizní médium, může na společném médiu docházet ke kolizím vedoucím ke zpoždění paketů, a výsledná latence tudíž není predikovatelná. V zaplněnější síti může značně kolísat.
5G sítě v pásmu sub-6GHz používají časový multiplex (TDD), kde je přesně dáno, kdy se budou data vysílat a kdy přijímat. Zde tedy ke kolizím nedochází. Přenos může být naplánován schedulerem a pro jednotlivé služby můžeme nastavovat jejich kvalitu (QoS).
Frekvence jsou jedním z nejdůležitějších diferenciátorů obou technologií. Wi-Fi sítě používají volné (nelicencované sdílené) frekvence, které při splnění daných podmínek může používat každý. To zní výhodně, ale nezapomínejme, že to samozřejmě implikuje i to, že vás může kde kdo rušit (i třeba nechtěně).
Dobrým příkladem zarušených Wi-Fi sítí jsou místa, kde je použito větší množství přístupových bodů, a to z důvodů buď potřeby pokrytí (například byty na sídlišti), nebo kapacity sítě (větší množství zařízení). Použití licencovaných pásem v případě privátních 5G je tak jedním z nejdůležitějších benefitů. Nemůže vás jen tak někdo rušit. A tam, kde není rušení, je i velká spolehlivost sítě.
Dále je zde výstupní výkon, což je důležitý aspekt zejména pro návrh a budování sítě. U Wi-Fi sítí nám maximální výstupní výkon určují národní předpisy a regulační úřad. A protože se u Wi-Fi sítí jedná o nelicencované pásmo a chceme předcházet rušení sítí navzájem, je logické, že maximální výkon bude nízký. To nám pak ovlivňuje stavbu sítě jako takové, kdy musíme použít více rádiových jednotek.
Jedna zpráva například uvádí, že většina úspor nákladů, alespoň z hlediska nasazení privátních 5G sítí, je způsobena tím, že 5G síť jednoduše vyžaduje méně základnových stanic (ve srovnání s Wi-Fi) díky větší velikosti buněk. 5G sítě vyžadují čtyřikrát až šestkrát méně vnitřních a venkovních přístupových bodů než Wi-Fi. 5G základnové stanice mohou vysílat vyšším výstupním výkonem než Wi-Fi, protože používají licencované spektrum (není omezeno regulací). To má za následek u 5G vyšší poměr signálu k šumu u koncového zařízení a vyšší propustnost.
Mobilita
V 5G sítích, které jsou z definice sítě mobilní, není s mobilitou připojeného zařízení žádný problém. Pro mnoho případů je mobilita klíčová, například pro AGV čili automatická robotická vozítka, logistiku obecně, semi-autonomní zařízení v přístavech a překladištích a podobně. Jednotlivé gNodeB (základnové stanice) si v reálném čase přebírají klientské UE, které na předávání datového toku spolupracují. Koncová zařízení si monitorují okolní dostupné vysílače a na základě příjmových podmínek se rozhodují o provedení handoveru k té či oné základnové stanici.
Oproti tomu ve Wi-Fi není handover v případě pohybu koncového zařízení úplně tak samozřejmý. UE se drží původního přístupového bodu, dokud jej slyší a může si s ním vyměňovat data, nehledě na fakt, že mezitím přišel do zóny se silnějším signálem od nového přístupového bodu. Teprve až ztratí komunikaci s původním přístupovým bodem, naváže spojení s tím silnějším a novým. Tento nedostatek je v managed sítích vylepšován mechanismem, kde samotná managed síť zná příjmové podmínky koncových stanic a je schopná koncové zařízení odpojit od slabšího přístupového bodu. Následně koncové zařízení vzápětí naváže spojení se silnějším přístupovým bodem. Také je to řešení, ale není tak hladké.
Spolehlivost
Spolehlivost obou řešení je dána především spolehlivostí přenosu. Spolehlivost je také velmi silně navázána na možnost rušení a přístupu k médiu. U 5G sítí je spolehlivost velmi vysoká hlavně díky použití licencovaného pásma (nemá vás kdo rušit) a TDD přístupové metody k médiu (víte přesně, kdy se na vás dostane).
Bezpečnost
Základním stavebním kamenem bezpečnosti v mobilních sítích je SIM karta. Bez ní se zařízení do sítě nepřipojí. SIM karta obsahuje důležité klíče pro identifikaci a autentizaci klientů v síti, přičemž bez SIM karty (nebo e-SIM) není přístup do 5G sítě možný. Bezpečnost přístupu do sítě je na té nejvyšší úrovni. Jedinou možností, jak by se vám útočník dostal do sítě, je ta, že by útočník SIM kartu fyzicky ze zařízení vyjmul a zneužil ve svém zařízení. Na to ale přijdete docela jednoduše. V případě privátního 5G máte síť plně pod kontrolou.
Oproti tomu u Wi-Fi sítí je přístup zabezpečen buď na úrovni klíče, který je předdefinován (buď společný pro celou síť, nebo definovaný pro každého klienta zvlášť), nebo prostřednictvím ověření RADIUS serverem. V případě bezpečnostně kritických aplikací je ke zvážení ještě nějaké další bezpečnostní opatření, protože se zranitelností a nedokonalostí v protokolech WEP, WPA i WPA2 jsme se již setkali. Další možné zranitelnosti Wi-Fi sítí jsou postaveny na „podvodném přístupovém bodu“ nebo „phishing přístupovém bodu“.
I když Wi-Fi sítě mohou být nakonfigurovány jako bezpečné, stejně tak mohou být nakonfigurovány jak potenciálně zranitelné (leaknuté přístupové údaje, nižší nastavené zabezpečení) a neexistuje zde nic jako „kouzelný šém“, který autorizuje přístup do sítě.
Lokalizace
Lokalizace zařízení ve vnitřním prostoru, kde není dostupný GPS signál, se provádí na základě triangulace, kdy známe přesnou polohu minimálně tří základnových stanic a odhadujeme polohu UE, které se v prostoru dosahu těchto základnových stanic pohybuje.
Díky tomu, že 5G sítě jsou synchronizovány přesným časem z GPS, je určená poloha přesnější. LBS (lokalizační služby) jsou součástí 3GPP Release 16, a budou tedy nativní službou v 5G sítích, nebo je možné je realizovat už nyní na základě řešení jednotlivých dodavatelů sítě.
Zpětná kompatibilita
Nové sítě ve standardu Wi-Fi 6E mohou podporovat i starší protokoly, i když třeba za cenu nižšího zabezpečení (viz WPA2 versus WPA3). I privátní sítě lze navrhnout tak, že budou podporovat připojení jak starších 4G zařízení, tak novějších 5G, ale nemá to valný smysl. Privátní 5G sítě stavíme právě kvůli unikátním vlastnostem 5G standardu.
Náklady na UE
Pokud porovnáváme náklady na koncová zařízení, respektive čipsety podporující Wi-Fi nebo 5G, narazíme na řádový rozdíl v ceně. Wi-Fi sítě jsou tak rozšířené, že tato masovost srazila náklady na výrobu čipu na opravdu nízkou úroveň. 5G čipy ještě nejsou tak masivně vyráběné a rozvoj těchto síti byl nepochybně zabrzděn i „čipovou krizí“. Stejně tak prodražují náklady na jejich výrobu i příslušné licenční poplatky. Nicméně v příslušném business case na privátní 5G síť většinou netvoří náklad na 5G koncové zařízení majoritní položku.
Proč ještě nejsou privátní 5G sítě více rozšířené
Wi-Fi sítě si už své místo vydobyly. Nenarazíte na firmu, která by neměla Wi-Fi síť alespoň pro připojení kancelářských prostor. V případě privátních 5G sítí pro Průmysl 4.0 je situace značně odlišná. V České republice je jen několik testovacích kampusových sítí nebo sítí ve verzi PoC (proof-of-concept).
Paradoxně jednou z překážek, proč se u nás privátní 5G sítě prozatím nerozšířily, je jedna z jejich výhod, a to licenční spektrum. Spektrum pro Průmysl 4.0 bylo dostupné až v roce 2021 jako jedna z podmínek z poslední aukce kmitočtů. Získat, respektive pronajmout si spektrum, není tak jednoduché a přímočaré jako rozsvítit Wi-Fi síť.
Privátní 5G sítě mají ambici nahradit v podnikových sítích Wi-Fi všude tam, kde je potřebné business critical nasazení. To znamená všude tam, kde Wi-Fi sítě neplní a nemohou splnit požadované parametry kritických aplikací. Privátní 5G sektor bude v budoucnu těžit hlavně ze svých výhod, jako jsou vysoká kapacita, spolehlivost, a hlavně bezpečnost.
ČLÁNKY DO MAILU