Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Kampusová síť 5G na VŠB-TU v Ostravě

Na Vysoké škole báňské – Technické univerzitě v Ostravě byla nedávno otevřena nová budova: objekt CPIT TL3. Budova patří fakultě elektrotechniky a informatiky a zázemí v ní našly laboratoře pro výuku inteligentních průmyslových systémů (smart factory), automobilových elektronických systémů a elektromobility a pokročilých biomedicínských systémů pro domácí zdravotnickou péči (home care).

Loni zde byla spuštěna kampusová síť 5G – první v České republice. Tento rozhovor s Liborem Michalkem vznikl při naší návštěvě na katedře telekomunikační techniky FEI VŠB-TUO a představuje nejen tuto kampusovou síť, ale i možnosti a příklady využití sítí 5G obecně.

 

Výrobní systémy jsou tvořeny prvky, které spolu musí komunikovat, a kvalita řízení systému do značné míry závisí právě na dostupnosti a kvalitě komunikace. Proto se na všech fórech, která se zabývají automatizací průmyslové výroby, ale i dalších oblastí techniky, téměř vždy hovoří o komunikacích, o interoperabilitě nebo o standardizaci.

V poslední době jsou velkým tématem mobilní sítě páté generace – 5G. Jaká bude jejich úloha v průmyslu?

Průmyslové komunikační sítě mají svá specifika, nejen z hlediska požadované rychlosti, objemu přenášených dat nebo reálného času. Podniky mají oprávněnou snahu mít vlastní komunikační síť ve svých rukou, spravovat ji, řídit, zabezpečovat, monitorovat, optimalizovat. Jak do toho zapadají sítě 5G?

O sítích 5G se hodně mluví, vychází mnoho propagačních článků nebo článků, které naopak před těmito sítěmi varují. Jaká je ale podstata sítí 5G? Jak se liší od sítí 4G a LTE a jiných bezdrátových sítí? K čemu mohou být v průmyslových podmínkách?

Na to jsme hledali odpovědi při naší návštěvě u Ing. Libora Michalka, Ph.D., na katedře telekomunikační techniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě. Tato katedra jako první v ČR spustila kampusovou síť 5G a testuje v ní možnosti využití těchto sítí v praxi.

 

Pane Michalku, co to tedy vlastně jsou sítě 5G?

Upřímně řečeno, 5G je pro mě trochu buzzword. Sítě 5G stavějí na tom, co je známé ze sítí 4G nebo 4,5G. Sítě 5G mají být sítě nové generace, ale přesně určit okamžik přechodu mezi generacemi je obtížné. Sítě 5G jsou výsledkem postupného technického vývoje mobilních sítí 4G.

V současné době se převážně používají sítě 5G v režimu non-standalone (NSA), které tvoří mezistupeň mezi 4G a 5G. V tomto režimu fungují obě sítě, 4G a 5G, společně. Kontrolní informace a signalizace se stále přenášejí prostřednictvím sítě 4G, sítí 5G se přenášejí jen data, nebo dokonce jen část dat a druhá část dat může být stále přenášena sítí 4G. To je i případ naší kampusové sítě: jádrem je stále síť 4G, jen rádiová část sítě je vylepšena a používá nový standard 5G New Radio (5G NR).

Vývoj je tedy postupný a v současné době se očekává nový standard pro režim standalone (SA) sítí 5G. Sítě SA 5G NR, které už budou využívat i jádro 5G (5GC – 5G Core) budou mít ve srovnání s NSA výrazně menší latenci a větší kapacitu přenosu dat.

Tady je třeba říci, že např. vysoce spolehlivé sítě s malou latencí, označované URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communica­tion), jež se považují za jednu z podstatných služeb sítí 5G, jsou v současné době teprve ve fázi aplikačního vývoje a bude je možné realizovat až v sítích standalone.

 

Hovoříte o standardech 5G – kdo je vlastně tím, kdo tyto standardy stanovuje?

Existuje projekt 3GPP, The 3rd Genera­tion Partnership Project (3GPP), na němž se jako organizační partneři podílejí telekomunikační standardizační organizace ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TSDSI, TTA, TTC. Cílem tohoto projektu je vyvíjet standardy pro rádio­vý přístup, jádro sítě a možnosti služeb pro mobilní komunikační sítě – tedy kompletně popisující mobilní telekomunikace všech generací. V rámci tohoto projektu jsou vydávány technické specifikace – releases. Sítí 5G se týká Release 15 a pozdější.

Jak jsem uvedl, sítě NSA 5G, specifikované v Release 15, z mého pohledu jako technika považuji jen za určité vylepšení stávajících sítí 4G nebo LTE Advanced. Přinášejí mnoho nového, ale není to nic, co by bylo stoprocentně jiné než předchozí sítě.

 

Na použití sítí 5G v praxi je tedy ještě brzy?

To ne, i pro sítě 5G NSA vznikají nové aplikace. Využívají zejména větší šířku pásma, než mají sítě 4G. S tím souvisí i přenosová rychlost, takže všude tam, kde je třeba přenášet velkou rychlostí velké objemy dat nebo kde nevyhovuje latence sítí 4G a LTE, jsou tyto sítě vhodné. Ovšem kdo by od těchto sítí očekával něco převratného, bude zklamán.

 

Takže síť, kterou tady v Ostravě máte, je NSA 5G NR podle Release 15, že ano?

Ano, a je to většina sítí 5G, které jsou v současné době v provozu. Všichni operátoři, včetně českých, kteří nabízejí 5G, vlastně ani nemají jinou možnost než nabízet právě tuto síť. Nyní už je sice dokončena aukce kmitočtů v pásmu 3,4 až 3,8 GHz, ale operátoři teprve budují vhodnou infrastrukturu. Současné sítě 5G tedy většinou využívají sdílené spektrum (DSS – Dynamic Spectrum Sharing) a stávající kmitočty 2,1 nebo 2,6 GHz s tím, že paralelně musí být k dispozici i LTE, např. v pásmu 800 MHz nebo 1,8 GHz.

 

Jak jsou vlastně datová síť 5G a signálová a kontrolní 4G v NSA 5G propojeny?

Společným jádrem sítě. Představte si to jako server, kde je jádro sítě včetně všech potřebných funkcí, databází a registrů. A toto společné jádro využívají obě rádiové sítě, jak LTE, tak 5G NR. 5G se v tuto chvíli bez LTE ještě neobejde, protože přes LTE se přenáší veškerá signalizace řídicí vrstvy.

 

Další verze už podporu LTE potřebovat nebudou?

Ano, tam už bude mít síť 5G vlastní jádro, které se bude starat o signalizaci, a veškerá komunikace, datová i kontrolní, půjde výhradně sítí 5G.

 

Jak to vypadá se schvalováním dalších verzí, Release 16 a dále?

Release 16 byla schválena v červnu 2020, od března 2020 byla ve „frozen“. Je to docela dlouhá a náročná cesta, protože na tvorbě těchto technických specifikací se podílí mnoho pracovních skupin a střetávají se při tom různá technická hlediska i obchodní zájmy.

 

Služby jako komunikace URLLC jsou záležitostí až verze Release 16?

Uvádí se, že URLLC, ultraspolehlivé komunikace s nízkou latencí, lze realizovat i v sítích podle specifikace Release 15, ale s některými omezeními. Já bych ale řekl, že URLLC lze prakticky realizovat až v sítích podle Release 16.

 

S MMTC, masivní komunikací mezi stroji, jako se službou, která je potřebná pro sítě internetu věcí založené na mobilní komunikační síti, je to stejné?

Služba MMTC, Massive Machine-Type Communication, je také záležitostí až verze Release 16. Jde vlastně o doplnění kapacitní vrstvy pro přenosy dat. Tato služba je šetrnější ke spektru, to znamená, že má větší spektrální účinnost, a dokáže využít nové kmitočty. Máte pravdu, že je potřebná pro internet věcí a zvláště potom pro edge a cloud computing, kde se přenášejí velké objemy dat.

 

Jaká je vlastně v sítích 5G role operátorů? Když si chcete vytvořit vlastní 5G, kampusovou nebo firemní, potřebujete součinnost operátora?

Pro každou rádiovou síť potřebujete oprávnění, v němž je stanoveno, jaké kmitočty smíte využívat a s jakým výkonem. Většina bezdrátových sítí, například WiFi, pracuje v takzvaném bezlicenčním pásmu – všeobecné oprávnění ČTÚ povoluje provoz rádiových zařízení v určitých kmitočtech a za daných podmínek, aniž byste potřebovali vlastní licenci. Ovšem mobilních sítí se to netýká, jejich kmitočty jsou vlastněny mobilními operátory, takže bez operátorů se neobejdete. Můžete mít dokonce vlastní infrastrukturu, ale nemůžete mít vlastní kmitočty a nezískáte oprávnění od ČTÚ.

V Německu se hodně diskutovalo o přidělování kmitočtů sítí 5G právě s ohledem na využití těchto sítí v průmyslu. Můžete srovnat situaci v Německu a v ČR?

V Německu si pro kampusové a průmyslové sítě vyjednali šířku pásma sítí 5G až 100 MHz, u nás je to maximálně 60 MHz, a liší se podmínky, za nichž operátor smí a musí tyto kmitočty pronajímat.

V České republice připadají pro soukromé sítě v úvahu v podstatě jen dva operátoři, O2 a Centronet, kteří vlastní frekvenční pásma, jež byla v podmínkách aukce dedikována pro uzavřené průmyslové sítě. Nicméně my fungujeme na kmitočtech od firmy T-Mobile. Naše síť tedy není privátní, ale je provozována v kmitočtových pásmech, která v aukci získal T-Mobile, 3 480 až 3 540 MHz, my využíváme 40MHz blok v rozsahu 3 480 až 3 520 MHz. To je limitující pro přenos velkých objemů dat, protože plného potenciálu sítí 5G se využije až s větší šířkou pásma, 100 MHz a více.

V tomto směru je tedy situace v Německu lepší. Zatím jsem ale ani nezjišťoval, jaké by byly podmínky, kdybychom si chtěli jako univerzita pronajmout 60MHz kanál od některého z operátorů. S firmou T-Mobile je to dohodnuto tak, že provozujeme experimentální kampusovou síť v rámci jejich frekvenčního přídělu a s jejich souhlasem v režimu individuálního oprávnění pro experimentální účely, nemusíme tedy platit pronájem pásma. Obchodních modelů je víc a předpokládám, že jiné budou pro univerzity a jiné pro soukromé firmy.

 

Z ekonomického hlediska mi není tak úplně jasné nadšení pro sítě 5G. Když si výrobní firma, třeba i s rozlehlým areálem, své prostory pokryje sítí WiFi, zaplatí za vybudování infrastruktury, ale potom už nemusí platit nikomu nic. Když bude vy­užívat sítě 5G, musí platit poplatky operátorovi. Komu se tedy sítě 5G vyplatí?

WiFi pracuje v jiném kmitočtovém pásmu, což má vliv například na dosah, a zejména, protože je to veřejné pásmo, mají sítě WiFi mnohem menší spolehlivost. Právě v kritických průmyslových aplikacích to může být rozhodující parametr. U sítí 5G, a obecně u mobilních sítí, je možné zaručit SLA, Service Level Agreement, zatímco u WiFi obecně nikoliv. Také mobilita koncových zařízení není u WiFi plně podporována, což může být rovněž omezující faktor.

 

A když srovnáme ekonomicky a technicky sítě LTE a 5G, jaké argumenty jsou ve prospěch 5G?

Sítě 5G mají lepší parametry datových přenosů na rádiové vrstvě, s tím souvisí menší latence, lepší spektrální účinnost a větší propustnost. LTE Advanced má z definice (Release 14) šířku pásma do 100 MHz, kdežto 5G může mít až 400MHz kanál, který lze navíc násobně agregovat, takže můžete mít vedle sebe například dva 400MHz kanály nebo osm 100MHz. To u LTE nejde.

Sítě 5G proto najdou uplatnění tam, kde je třeba velkou rychlostí přenášet velké objemy dat. V praxi například teď řešíme přenos 4k videozáznamu v reálném čase u robotické linky nebo aplikace pro edge computing u robotů. Tam jde o to, že v provozním prostředí snímáme velké objemy dat, které musíme co nejrychleji přenést do serveru edge, kde je na rozdíl od řídicího systému robotu k dispozici dostatečný výpočetní výkon k jejich zpracování, a výsledek se musí odeslat zpět do řídicího systému. Dále v současné době řešíme využití rozšířené reality v průmyslu – opět náročné na velmi rychlé přenosy dat. Naše kampusová síť slouží jak pro výzkumné úkoly, tak pro demonstraci toho, co je možné pomocí 5G realizovat.

Konkrétně například právě řešíme projekt robotické kontroly svarů: snímaný obraz se přenáší do edge serveru, kde se pomocí metod zpracování obrazu vyhodnotí kvalita svaru a podle výsledku se mohou včas upravit parametry svařování, dokud jsou ještě svary vyhovující. Upravené parametry se posílají zpět do svařovací buňky. Zpracování dat a komunikace musí být velmi rychlé, aby bylo možné parametry včas upravit.

 

Jak je to u sítí 5G se zabezpečením dat? Nemůže dojít k jejich úniku?

Přístup je zabezpečen standardními mechanismy mobilních sítí, které jsou známé už ze sítí 2G. Je třeba karta SIM, která má své vlastní zabezpečení. Síť 5G už nepoužívá číslo IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ale identifikátory vlastní sítím 5G. Používají se například rotující šifrovací klíče, aby zařízení nebylo možné odposlouchávat.

Naše kampusová síť se skládá z rádio­vých bodů (dots) a jádra sítě (core), což jsou vlastně dva počítače velikosti 2U umístěné v serverovně. Na nich běží všechny služby, které se starají o registraci a připojení uživatele a o směrování dat.

 

Dočetl jsem se, že ve vaší síti budete testovat síť 5G s milimetrovými vlnami. Čím se liší od sítě, kterou používáte nyní?

Stále to bude síť NSA, ale rádio­vou část doplníme o vysílač pracující v pásmu milimetrových vln. Toto pásmo začíná na 6 GHz, ale pro sítě 5G se používají kmitočty až od 26 GHz. Český telekomunikační úřad uvolnil pro sítě 5G kmitočty 26,5 až 27,5 GHz, které jsou k dispozici pro individuální oprávnění. Operátoři se k těmto sítím zatím chovají chladně, protože je to pro ně opět něco nového, pro co musí vybudovat infrastrukturu, ale tyto kmitočty mají velký poten­ciál, protože mohou dosáhnout šířky pásma až 1 GHz. V kmitočtech pod 6 GHz je šířka jen 60 MHz a v konvenčních kmitočtových pásmech okolo 700 MHz je to párové spektrum šířky nejvýš 2× 10 MHz, a někteří operátoři mají dokonce jen 2× 5 MHz. Sítě UMTS měly pásmo 2× 20 MHz. To znamená, že u těchto sítí jsme velmi omezeni šířkou pásma, propustností a dosažitelnou rychlostí přenosu.

My máme s ČTÚ předjednáno, že tento rok spustíme rádiovou jednotku v pásmu milimetrových vln, která doplní stávající síť 5G, a budeme žádat o 800MHz kanál.

 

Ne jedné přednášce o sítích 5G jsem slyšel o možnosti využití pásma 50 až 72 GHz. S tím nepočítáte?

Ne, v České republice se o tomto pásmu zatím neuvažuje. Ve specifikaci Release 15 je uvedeno pásmo 52,5 GHz, ale Release 16 a Release 17 opravdu počítají s velmi vysokými frekvencemi, až 90 GHz, ale to je opravdu v počátečním stadiu vývoje a cesta do praxe bude ještě dlouhá.

 

K čemu je možné milimetrové vlny využít v průmyslových podmínkách? Přece jen mají mnoho fyzikálních omezení: mají minimální prostupnost, jsou velmi směrové...

Milimetrové vlny jsou opravdu vhodné jen pro některé úlohy. Například umožňují beamforming a lze jimi realizovat rádiové vysokokapacitní spojení bod–bod, je-li vyžadováno opravdu minimální zpoždění. Na druhou stranu překážkami opravdu neprojdou, takže spojení je možné v podstatě jen na přímou viditelnost.

 

Pojďme se vrátit ke kampusové síti. Kdy byla vlastně spuštěna a jaké má pokrytí?

Spuštěna byla v roce 2020 a máme jednu venkovní jednotku pro pokrytí prostor mezi budovami Porubského kampusu a parkoviště a dále jsou pokryté vybrané vnitřní prostory pomocí rádiových bodů – dots. Jde o naši laboratoř a potom o laboratoř nové budovy CPIT TL3, kde je kompletně pokrytý celý výrobní testbed.

To znamená, že se každý student nebo pracovník může přihlásit do sítě 5G?

To ne. Protože síť nepodporuje eSIM, uživatel od nás musí dostat vlastní fyzickou SIM, kterou vloží do svého zařízení, což je nejčastěji průmyslový modem nebo podobné zařízení, a může v naší síti komunikovat. Jinak to zatím nelze.

Komunikovat v naší síti znamená přenášet data, hlasové volání nepodporujeme, ani VoLTE nebo jinou podobnou aplikaci, a nemáme ani aplikaci pro SMS, takže vkládat SIM do mobilního telefonu nemá smysl.

 

Vaše kampusová síť byla v ČR první. Máte přehled o svých následovnících na jiných univerzitách a budete s nimi spolupracovat?

Pokud vím, druhá kampusová síť, také ve spolupráci s T-Mobile, byla spuštěna na CIIRC ČVUT. Privátní 5G síť chystá také Škoda Auto v Mladé Boleslavi, ale ta ještě spuštěná není, a konkrétní zájem o využití sítí 5G projevovala také firma ČEZ. Řekl bych, že v praxi budou mít o sítě 5G zájem zejména firmy, které provozují například dohled nad geograficky distribuovanými zařízeními nebo potřebují pokrýt velký průmyslový areál.

 

Zmiňoval jste energetické společnosti a provozovatele distribučních sítí. Nejsou pro ně ale výhodnější například sítě LoRaWAN? Když potřebuju například z výměníkových stanic stáhnout několikrát za den hodnoty maximálně několika desítek proměnných, 5G asi není správná volba, že?

Vždycky je třeba začít od zadání. Pro malé objemy dat a malé požadavky na rychlost komunikace sítě 5G opravdu nejsou vhodné. Pro tyto účely jsou určena levnější řešení s malou spotřebou, takže měřicí místo může pracovat zcela autonomně, několik let napájené jen z baterie. Ovšem pokud vím, ve Škodě Auto například uvažovali o využití virtuální a rozšířené reality v údržbě, a tam už mají sítě 5G opodstatnění.

Se sítěmi LoRaWAN také máme zkušenosti, a celkem pozitivní, ale v současné době se více rozšiřuje NB-IoT, Narrow-Band Internet of Things, specifikovaný v 3GPPP Release 13 (LTE Advanced Pro). Obecně nemůžu říci, zda je lepší LoRaWAN, nebo NB-IoT, obě sítě mají svá specifika, ale NB-IoT se zkrátka rychleji rozšiřuje.

 

Slyšel jsem, že kampusovou síť ve spolupráci s firmou Vodafone chystají také na VUT.

Ano, na VUT v Brně budují vlastní síť 5G ve spolupráci se společností Vodafone. Určitě budou vznikat další kampusové sítě i na jiných univerzitách.

 

Jak jste otevření ke spolupráci s jinými univerzitními pracovišti nebo průmyslovými firmami?

S CIIRC ČVUT spolupracujeme v rámci našeho testbedu, protože jsme členy NCP 4.0. Pokud jde o externí subjekty, které by si u nás v naší síti chtěly vyzkoušet své aplikace, stačí přijít a požádat o přístup. V současné době jsou tu kromě zmíněné robotické linky testovány aplikace v oblasti domácí zdravotní péče nebo dopravy. Výhodou je, že můžeme zaručit velkou kvalitu sítě, bez výpadků nebo snížení přenosové rychlosti.

 

Setkáváte se s dotazy, zda je síť 5G škodlivá pro lidské zdraví? A jak odpovídáte?

Kolem sítí 5G bylo mnoho diskusí. Nechci se pouštět do těch politických o tom, které firmy mohou a nemohou budovat infrastrukturu 5G. Pokud jde o vliv sítí 5G na zdraví, každá nová věc pochopitelně vyvolává obavy. Člověk navíc neumí rádiové vlny nijak vnímat, a tím se strach z nich může ještě zesilovat.

Sítě 5G jsou rádiové sítě, které se nijak zásadně neliší od jiných mobilních sítí. Jde o neionizující záření, takže limitní je výkon záření, ne dávka. V sítích 5G se používají řádově menší výkony vysílačů než v GSM, takže ve skutečnosti je expozice rádiovému záření u sítí 5G menší než u starších mobilních sítí, ale i u nich byla vždy pod hygienickými normami.

Nejvyšší přípustné hodnoty stanovuje nařízení vlády č. 291/2015 Sb. a například i my, když jsme instalovali naši anténu pro 5G, jsme museli provést a doložit příslušné výpočty. Ovšem ani přímo před anténou se k hygienickým limitům zdaleka nepřibližujeme.

Jenže to různé nátlakové skupiny a podporovatele konspiračních teorií příliš nezajímá.

 

Pojďte si udělat nábor nových studentů: co je možné na vaší katedře studovat?

Máme dva bakalářské a magisterské studijní programy. V programu Telekomunikační technika získávají studenti znalosti v oblasti techniky počítačových a telekomunikačních sítí, multimédií, přenosových prostředků sítí, zpracování signálů a elektroniky. Absolvent je schopen samostatně navrhnout a spravovat komunikační sítě všech typů. Druhý studijní program se nazývá Mobilní technologie a absolvent získá znalosti v oblasti komunikační a informační techniky se zaměřením na mobilní sítě. Dokáže potom samostatně navrhovat, provozovat, modifikovat a optimalizovat mobilní bezdrátové sítě, vyvíjet a optimalizovat aplikace do koncových mobilních zařízení a má poznatky z oblasti mobilních sítí, rádio­vé techniky a softwarových návrhů aplikací pro mobilní zařízení. Jde o studijní program, který je v České republice unikátní.

Máme i doktorský studijní program Komunikační technologie, orientovaný zejména do oblasti přenosu hlasu, obrazu a dat. Student v něm získá rozsáhlé znalosti z problematiky optických komunikací, jak vláknových, tak bezvláknových, zvládne problematiku zpracování a přenosu signálu v rádiových a mobilních sítích a systémech. Pozornost při studiu je věnována rovněž otázkám zabezpečení přenosů, použití vhodných protokolů, technologií a techniky.

 

Děkujeme za rozhovor.

Rozhovor vedli Radim Adam a Petr Bartošík


Obr. 1. Nově postavená budova CPIT TL3, kde sídlí laboratoře katedry telekomunikační techniky FEI VŠB-TUO (foto: VŠB-TUO)

Obr. 2. Venkovní antény pro pokrytí venkovních prostor kampusu VŠB-TUO (foto: VŠB-TUO)

Obr. 3. Vybavení laboratoře rádiových sítí (foto: Petr Bartošík)

Obr. 4. Libor Michalek nám představuje nově vybavenou základnovou stanici v laboratoři (foto: Petr Bartošík)

Obr. 5. Nábor dorostu: exkurze studentů Střední školy teleinformatiky a Střední školy technické a dopravní v Ostravě v laboratoři katedry telekomunikační techniky (foto: VŠB-TUO)