Historicky každá lichá generace mobilních sítí přináší něco nového, ale silněji se to prosazuje až v generaci sudé, popisuje technologický pokrok v mobilních sítích Zdeněk Bečvář. Na Fakultě elektrotechnické Českého vysokého učení technického (FEL ČVUT) vede pracoviště, které se zabývá základním výzkumem technologií pro mobilní sítě.
Z původní 5Gmobile Research Lab se letos v září stala 6Gmobile Research Lab. Změna názvu má signalizovat, že pražští vědci posunuli zkoumání technologií směrem k příští generaci sítí, označované jako 6G.
Jaké dnes mají vědci a operátoři představu o tom, co by mohly 6G sítě umět? Jak se splnila očekávání, která si spojovali s 5G sítěmi? A jakou roli bude v mobilních sítích budoucnosti hrát strojové učení?
Když jsme spolu posledně mluvili o 5G, popisoval jste, co by měla pátá generace mobilních sítí po technologické stránce přinést a kromě vyšších rychlostí a nižší latence jste zmiňoval třeba edge computing. Splnily 5G sítě vaše očekávání?
Právě edge computing je nakonec nezávislý na mobilních sítích a může fungovat i s jakoukoli jinou sítí. Vývojem 5G sítí jsem se začal zabývat před více než 10 lety. A tehdy jsme přišli s řešením, které umožňovalo edge computing do mobilních sítí integrovat, což přináší řadu výhod zejména z hlediska efektivity komunikace a spotřeby energie.
Když máte mobilní síť a výpočty separované, jako to je dnes, nedosáhnete optima. To, co jsme před lety navrhli, dnes ještě ve standardu není. Měl jsem tehdy od 5G vyšší očekávání, ale dnes už vím, že pomalejší vývoj není tak překvapivý. Když se v první fázi začíná mluvit o nové generaci, kladou se vysoké cíle. A ne všechny se pak vyplní. Je to závislé i na poptávce od uživatelů.
Před lety se hodně mluvilo o připojování robotů, strojů, autonomních aut. Velkým tématem byl network slicing, tedy vytváření samostatných podsítí. Ale nic z toho zatím nefunguje. Jaké největší technologické novinky podle vás 5G sítě skutečně přinesly?
Klíčová je možnost nasazení velkého množství zařízení a služby s vysokou spolehlivostí. 5G sítě umožňují připojení velkého počtu zařízení s nízkou latencí. Otázkou je, kdy to bude potřeba v průmyslu. Teprve se objevují první podniky, které by to mohly začít využívat, a jinak si dost často vystačíme se 4G sítěmi. Ale ono to tak bývá, že když se objeví něco nového, chvíli trvá, než si uživatelé zvyknou. Pro průmyslové podniky je to velká změna a velká investice, dobře si spočítají, co jim upgrade přinese, a když se ukáže, že přínos není zásadní, tak do změny zatím nejdou.
Historicky každá lichá generace mobilních sítí přináší něco nového, ale silněji se to prosazuje až v generaci sudé. Třeba třetí generace mobilních sítí přinesla data, ale masově se používají až s příchodem 4G. Takže i u 5G očekávám, že adopce novinek bude ještě několik let trvat. Důležité také je, jak jsou výhody nových generací prezentovány veřejnosti. V ČR se o 5G sítích začalo mluvit hodně pozdě a státní podpora přišla až v posledních dvou, třech letech.
Jak dopadly vaše výzkumné projekty, které se 5G sítí týkaly? Co se povedlo?
V rámci standardizační skupiny jsme měli dost příspěvků ohledně edge computingu. V projektu pro firmu Foxconn se nám pak povedlo vyřešit možnost dynamického přesouvání prostředků pro řízení sítí. Získali jsme několik amerických patentů a firma teď technologii testuje ve svých produktech.
O co konkrétně šlo?
5G sítě jsou postavené na cloudových přístupových sítích – CloudRAN. Ty mají centralizovanou jednotku, která zajišťuje část řídicích funkcí pro komunikaci. A pak mají Remote Radio Heads (RRH), což je v podstatě anténa a zbylé řídicí funkce. Takže máme část řídicích funkcí u antény a část centralizovanou v cloudu. My jsme řešili možnost, jak přesouvat některé řídicí funkce mezi centralizovanou a distribuovanou částí tak, abychom mohli dynamicky reagovat na zatížení sítě. Takže když například vidíme, že je základnová stanice nevyužívaná, tak ji vypneme a řídicí funkce přeberou ostatní stanice nebo centralizovaná jednotka.
Další problémy, které řešíme, míří spíš k sítím, které přijdou po 5G. Příkladem jsou například drony jako létající základové stanice nebo využití strojového učení pro řízení sítě.
Ty drony by měly být nejspíš jen základnovými stanicemi jen dočasně, je to tak?
Přesně tak. Naši magisterští studenti připravili prototyp. Samozřejmě se nám teď trochu zpřísnily podmínky po létání, takže je to složitější – zvlášť když se snažíme, aby drony byly zcela autonomní. Cílem je, aby v případě mimořádné události, což může být třeba přírodní katastrofa, dron automaticky přiletěl a mohl poskytovat konektivitu. Stroj vyletí vysoko, aby viděl na vzdálenou základnovou stanici, a pak může fungovat jako retranslační stanice a poskytnout lidem nebo záchranným složkám možnost komunikace, i ve chvíli, kdy komunikace s klasickou základnovou stanicí není možná.
Máme řadu teoretických výstupů v rámci základního výzkumu a také stále pracujeme na prototypu. Teď se snažíme létající základnovou stanici rozšířit o edge computing, aby dron poskytoval nejen komunikační služby, ale i služby edge computingu, například pro modelování prostředí v reálném čase nebo vyhledávání lidí.
Koncem září jste přejmenovali svou 5Gmobile Lab na 6Gmobile Lab a oznámili jste výzkum technologií směřujících právě k další generaci mobilních sítí. Standard 6G ale ještě ani zdaleka není hotový. V jaké fázi příprava další generace mobilních sítí momentálně je?
Zatím se řeší, co by 6G sítě mohly umět a jaké aplikace by měly nabídnout a podporovat. Jsme zatím jen ve fázi diskusí a v současné době jsou to spíše akademické diskuse. Vycházejí publikace, kde se lidé zamýšlejí nad tím, co by 6G mohlo umět, co nového by mělo přinést oproti 5G a jaké aplikace by mohly novou generaci sítí využívat. Objevily se také první nástřely parametrů budoucích 6G sítí.
Takže samozřejmě opět vyšší rychlosti, až k 1 Tb/s, a nižší latence, až k 0,1 ms…
(smích) Mluví se o několika základních aplikacích. Jednou praktickou aplikací má být hologram. Za covidu jsme si všichni zvykli sedět u počítače a mluvit do něj v rámci videokonferencí. S hologramem by to mělo vypadat tak, že budete sedět u stolu a na druhou židli vám zařízení promítne 3D hologram toho, s kým mluvíte, a u něj zas promítne vás. K tomu je potřeba přenášet obrovský objem dat s velmi nízkým zpožděním.
Další skupinou aplikací, o kterých se teď často píše, je strojové učení a umělá inteligence. Jde o technologie, které se objevují ve všech možných aspektech našeho života. Aplikace strojového učení potřebuje k natrénování velké množství dat, a ta se musí nějak přenášet. To má být další motivace pro vyšší přenosové rychlosti v 6G.
Data z různých zdrojů a senzorů by tedy měla proudit k aplikaci z různých směrů v reálném čase.
Přesně tak. To je ale jen jeden způsob využití strojového učení. Druhým směrem je aplikace umělé inteligence na řízení mobilních sítí. Už od 4G sítí existuje možnost, aby dvě zařízení komunikovala napřímo, device-to-device (D2D), tedy ne s využitím základnové stanice.
Problém je, že pro jakoukoli komunikaci musíme znát kvalitu komunikačního kanálu. A když máte hodně zařízení a potřebujete znát kvalitu kanálu mezi každou jejich dvojicí, je nárůst množství informací, které potřebujete získat, exponenciální. Už při stovce zařízení bychom tak teoreticky mohli všechny přenosové prostředky spotřebovat na to, abychom tuto informaci zjistili. Pro samotný přenos dat by nám tak nezbylo žádné „místo“. Pokud by měla třeba navzájem komunikovat auta na dálnici, můžete se tak rychle dostat do problémů.
V rámci našeho výzkumu jsme přišli s řešením, které využívá strojové učení, aby kvalitu komunikačního kanálu mezi dvěma zařízeními odhadlo. Funguje na základě informací, které síť tak jako tak má – tedy dat o kvalitě komunikačního kanálu k základnové stanici. My tato data zpracujeme a pak dokážeme predikovat chybějící informace. Nejdřív jsme vypracovali teoretické řešení, které jsme pak zkusili také implementovat v mobilní síti, a ukázalo se, že funguje i v praxi. Dokonce i uvnitř budov, a to s velmi vysokou přesností.
Při debatách o 6G standardu se o decentralizovaných sítích mluví. Jednou z možných vlastností 6G má být právě možnost provozovat tzv. meshové sítě. Naše mobilní telefony, ale i další připojená zařízení, by se tak mohly stát, zjednodušeně řečeno, také anténami, které by šířily konektivitu. Je podle vás reálné, že by mobilní sítě mohly v budoucnu takto fungovat?
Myslím, že ano. Device-to-device komunikace je součástí už 4G sítí. Ve standardu je dnes už také retranslace – tedy vy mi pošlete data a já je pošlu dál. Nejsou tady ale hardwarové implementace. Existují samozřejmě praktické překážky, například jakým způsobem takovou komunikaci řídit.
Operátoři samozřejmě mají zájem na tom, aby všechna komunikace byla pod jejich kontrolou. Když se využívá licencované pásmo, není možné, aby dvě zařízení jen tak začala využívat rádiové prostředky. Byl tedy velký tlak na to, aby vše měla pod kontrolou základnová stanice. Existuje ale i varianta, kdy to tak není, třeba v případě, kdy chybí infrastruktura. Mobilní síť pak nefunguje pro běžného uživatele, ale například záchranné a bezpečnostní složky mohou na svých zařízeních v případě potřeby vytvořit vlastní síť.
Je ale nesporné, že D2D komunikace výrazně snižuje spotřebu energie, protože když dvě zařízení komunikují spolu na malou vzdálenost, stačí jim nižší vysílací úroveň, než když komunikace probíhá přes vzdálenou základnovou stanici. D2D také snižuje latenci a můžete zvýšit přenosovou kapacitu.
Těch „ale“ je nejspíš mnohem více. Jak by se dala decentralizovaná síť uřídit?
Byla by to zásadní změna a je to samozřejmě také velká výzva. Na papíře na toto téma existují možná desetitisíce článků, ale v praxi ještě nic takového nemáme. Samozřejmě, funguje to v jiných, menších sítích, kde nejsou tak velké požadavky na kvalitu služby a připojené jsou jen jednotky uživatelů. Ale že něco funguje v malém rozsahu, ještě neznamená, že to bude fungovat i ve velkém.
Mobilní sítě byly historicky postaveny centralizovaně, takže by to pro mobilní operátory byla zásadní změna. Muselo by se to vyřešit tak, aby i operátoři byli spokojení, protože pokud by třeba nebyli schopní garantovat kvalitu služby, byl by to pro ně velký problém. Je to každopádně oblast, ve které by strojové učení mohlo s řízením sítí výrazně pomoci.
U 6G sítí se také mluví o tom, že budou naplno využívat tzv. milimetrové vlny, které vyžadují velmi krátké vzdálenosti od základnových stanic. Meshové sítě by s tím vlastně mohly pomoci.
Ano, mohly. Mluví se také například o využívání viditelného spektra, Visible Light Communication. Ale tam jde například o to, že byste měl v místnosti svítidlo, které zároveň poskytuje i konektivitu.
S tím se experimentuje delší dobu, jsou známé tzv. Li-Fi systémy.
My jsme komunikaci ve viditelném spektru řešili právě pro D2D. Zjišťovali jsme, jestli je to vůbec reálné, a ukázalo se, že teoreticky ano, ale v praxi zatím nevíme. U viditelného spektra existuje řada praktických překážek – vysílač a přijímač musí být třeba na sebe aspoň zhruba namířené. Ale dovedu si představit, že by se tato technologie dala využít například pro komunikaci aut mezi sebou nebo aut s infrastrukturou – na značky nebo semafory byste měl na silnici přímo vidět. Ale asi to nebude univerzální řešení, které by šlo aplikovat úplně všude.
Jak to u 6G vidíte s možným využíváním vyšších kmitočtových pásem? Kdyby měly být standardem, musela by síť sestávat z obrovského množství malých vysílačů. Je to představitelné?
Myslím si, že globálně to není reálné. Základní infrastruktura podle mě zůstane na plus minus stejných frekvencích, které využíváme dnes. Ostatně ani 4G a 5G se v tom moc neliší, celorepublikové pokrytí pořád zůstává na nižších kmitočtech. A pak máte hotspoty, to znamená místa s vyšší koncentrací lidí nebo zařízení, kde si můžete dovolit používat vyšší frekvence – třeba i ty terahertzové, pokud máte opravdu malý prostor. Dovedu si to představit například v továrně, kde máte kameru, která kontroluje výrobky a zpracování obrazu se provádí ve firemním cloudu, kde se obrázek zprocesuje a výsledek kontroly se odešle zpět na linku.
Je pak otázka, jestli takovou kameru nepřipojit spíše optickým vláknem…
Ano, to jsem teď chtěl říct, že se nabízí otázka, jestli to je vždy smysluplné, nebo ne. I když mě osobně „živí“ výzkum mobilních sítí, jsem přesvědčený, že když jsou oba komunikující body statické a je možné je „propojit kabelem“, nemá zpravidla smysl používat mobilní síť.
Kdy podle vás bude specifikace 6G sítí na světě a kdy se dá čekat jejich reálný nástup do praxe?
Historicky se nová generace mobilních sítí objevuje po zhruba deseti letech. 5G přišlo někdy kolem roku 2020, takže čekám, že se první 6G sítě objeví kolem roku 2030. Co se týče standardizace, tak ta probíhá pořád. Teď se tomu říká „beyond 5G“, „5G+“ nebo třeba „5G Pro“.
V současné době se dokončuje Release 17, který má být hotový na jaře příštího roku, pak zase za rok a půl nebo za dva roky přijde Release 18. A někdy kolem roku 2027 Mezinárodní telekomunikační unie (ITU) definuje požadavky a v tu dobu už budou některé aspekty jasné a následující tři, čtyři roky se budou dolaďovat konkrétní technická řešení.
ČLÁNKY DO MAILU