Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Rádiová komunikace strojového typu v buňkové síti LTE

Zhruba od roku 1980 jsou v Evropě i v jiných částech světa rozvíjeny sítě veřejné pozem­ní mobilní rádiové komunikace PLMN (Public Land Mobile Network). Ty byly od počát­ku určeny především pro personální komunikaci typu H2H (Human to Human), k jejíž realizaci je nutný lidský činitel. Avšak již v 90. letech 20. století se ukazovalo, že pokro­čilá technika rádiového spojení může zvládnout i rádiovou komunikaci strojového typu MTC (Machine Type Communication), označovanou také jako komunikace stroj-stroj – M2M (Machine to Machine). Ta probíhá zcela automaticky, bez účasti člověka, přičemž k její realizaci lze s výhodou využít sítě PLMN. A právě na tuto progresivní formu radio­komunikace je zaměřen tento článek.

 
Public Land Mobile Networks, PLMNs, has been developing in Europe and around the world roughly since the year 1980. PLMNs have been assigned, above all, for personal communication H2H (Human to Human), that needs for its realisation natural person. However, it has become evident in 1990s, that advanced radio communication technology is able to cope with MTC – Machine Type Communication, caled Machine to Ma­chine communication (M2M), too. This communication runs automatically, without hu­man involvement, whereas PLMNs can be used for its implementation. And right this innovative way of radio communication is described in this article.
 

1. Sítě první až třetí generace

Sítě PLMN měly od samého počátku jed­nak formu buňkových (celulárních) struktur určených pro celoplošné pokrytí států a po­sléze i kontinentů, jednak formu lokálních a personálních sítí s ostrůvkovitým pokry­tím malých území nebo jen budov. Buňkové sítě byly ve své první vývojové analogové generaci (1G) určeny pouze k přenosu hlasu. K němu však ve druhé, již digitální generaci (2G) přibyl přenos krátkých textových zpráv SMS (Short Message Service) a jednoduš­ších multimediálních zpráv MMS (Multime­dia Messaging Service). Velmi cenné v této etapě bylo také zajištění přístupu na internet. Po roce 2000 vstoupila do života třetí gene­race buňkových sítí (3G), která již postupně zvládala i náročné multimediální aplikace, včetně přenosu kvalitních živých videosou­borů a kvalitního televizního vysílání. Uve­dené aplikace stále mají charakter personální komunikace typu H2H (Human to Human), k jejímuž zahájení a realizaci je zapotřebí lid­ská obsluha. V Evropě patří k první genera­ci např. skandinavská síť NMT (Nordic Mo­bile Telephone) 450/900, druhá generace je zastoupena celoevropským standardem GSM (původně Groupe Spécial Mobile, později též Global System for Mobile communications) a jeho vývojovými variantami GPRS (Gene­ral Packet Radio System) a EDGE (Enhan­ced Data for GSM Evolution), třetí genera­ce standardem UMTS (Universal Mobile Te­lecommunication System), známým též pod zkratkou WCDMA (Wideband Code Divi­sion Multiple Access), a jeho poslední verzí HSPA (High Speed Packet Access). Tyto evropské standardy byly vyvíjeny pod společ­nou patronací Partnerského projektu pro třetí generaci 3GPP (Third Generation Partner­ship Project). Všechny však používají metody klasické digitální modulace s jedinou nosnou vlnou SC (Single Carrier), které jsou sice realizačně poměrně jednoduché, avšak v pozemských rádiových kanálech s typickým mnohocestným šířením vln trpí silnými úni­ky přijímaného signálu a dalšími nedostatky, které mohou zcela znehodnotit přenos a při narůstajících požadavcích na přenosové rych­losti jim lze stále obtížněji čelit.­
 

2. Sítě čtvrté generace – LTE

Po roce 2010 na scénu přišel původně ev­ropský a dnes již celosvětový systém dlou­hodobé evoluce LTE (Long Term Evolution), u něhož jsou některé hlavní slabiny starších systémů potlačeny. Ten používá v rádiové tra­se zcela jinou přenosovou techniku s mnoha paralelními subnosnými vlnami MC (Multi­carrier), a to ve variantě označované jako ortogonální frekvenční multiplex OFDM (Or­thogonal Frequency Division Multiplex). U tohoto formátu vytvářejí subnosné vlny ortogonální soustavu, což umožňuje mini­malizovat jejich odstupy a tím dosáhnout vysoké efektivity ve využití nedostatkového frekvenčního spektra. Rozložení přenosu na mnoho subnosných frekvencí navíc poskytu­je možnost dynamicky přizpůsobovat jejich provozní zatížení okamžitému stavu využíva­ného frekvenčního segmentu rádiového kaná­lu. Díky těmto atributům překonávají systémy PLMN s multiplexem OFDM všechny před­chozí standardy s modulacemi SC nejméně o jeden řád většími přenosovými rychlostmi a podstatně menší latencí přenosu. Zásad­ní výhodou multiplexu OFDM je jeho velká imunita proti mnohocestným únikům, vyplý­vající právě z náhrady přenosu jediného sério­vého rychlého datového toku přenosem mno­ha paralelních podstatně pomalejších složek.
 
Díky těmto unikátním přednostem byl multiplex OFDM již v 90. letech 20. stole­tí zaváděn do systémů digitálního rozhlasu (DAB a DRM) a digitální televize (DVB). Po roce 2000 pronikla technika OFDM i do sítí pozemní komunikace čtvrté generace, a to právě v podobě standardu LTE. Uplat­nění však nachází i v lokálních sítích WiFi, metropolitních WiMAX a dalších.
 
Podle příslušných mezinárodních standar­dů zkratka LTE značí jen rádiovou přístupo­vou síť RAN (Radio Access Network); má-li vzniknout kompletní buňkový systém 4G, je nutné RAN doplnit jádrem sítě EPC (Evolved Packet Core). Celek RAN + EPC je potom správně označován jako rozvinutý paketový systém EPS (Evolved Packet System) – viz obr. 1. Označení LTE pro kompletní systém je tedy nepřesné, ale v praxi se už na rozdíl od pojmu EPS vžilo, a proto je používáno i v tomto článku, kromě případů, kdy je tře­ba odlišit „holou“ síť LTE od sítě LTE + EPC.
 

3. Nástup systémů pro strojovou komunikaci s využitím rádiových sítí

Veřejné i privátní rádiové sítě byly tra­dičně využívány k přenosu hlasu, obrazu a dat a v posledních několika letech se u nich uplatňují i nejrůznější multimediální aplika­ce. Zcela novým a významným obohacením jejich možností je však zavádění radiokomu­nikace strojového typu – MTC. Tento nový způsob komunikace začne hrát již v nejbliž­ších letech v našem životě nezastupitelnou úlohu a bude vytvářet nové podoby interak­ce člověk-stroj. Z mnoha možností využití lze připomenout monitorování zdravotního stavu osob, kontrolu a zajištění bezpečnos­ti určených objektů a sledování jejich tech­nického stavu, řízení dopravy, zásobování obchodů apod. (tab. 1). K přenosu signálů v systémech MTC je ovšem možné používat i metalické či optické spoje, bezdrátová rá­diová komunikace však má mnoho předností – hlavně možnost rychlé výstavby bez naru­šování stavebních objektů, spolehlivou funk­ci v nepřístupném či jinak nepříznivém pro­středí a mobilitu. Připomeňme, že s komuni­kací MTC úzce souvisí pojem internet věcí, IoT (Internet of Things), který vzniká tak, že se soubor terminálů MTC, počítačů a jiných nejrůznějších zařízení vzájemně propojí pro­střednictvím internetu, který potom umožňuje jejich interakci. Těsnou vazbu s komunikací MTC mají i bezdrátové senzorové sítě WSN (Wireless Sensor Networks) a sítě s ad-hoc topologií. Studium jejich souvislostí s ko­munikací MTC však již vybočuje z rámce tohoto článku.
 
Rádiová komunikace MTC se v našem životě začala uplatňovat již před několika lety. Příkladem jsou zmíněné senzorové sítě WSN, určené např. k monitorování životní­ho prostředí. Všechny tyto prostředky pou­žívaly k rádiovému přenosu většinou jedno­účelová pojítka, náležející do třídy radioko­munikace krátkého dosahu SRC (Short Range Communication). Ta se realizuje pomocí ma­lých vysílačů s výkony pod jeden watt, s do­sahem obvykle pod jeden kilometr a s malý­mi přenosovými rychlostmi, nepřesahujícími 1 Mb/s. Operační prostor takových systémů je ovšem malý.
 
Druhá, perspektivnější možnost využívá ke komunikaci MTC některou z propracova­ných sítí veřejné pozemní mobilní komuni­kace PLMN. V tomto případě se v minulých letech začaly uplatňovat zejména sítě GSM a UMTS. Ty však nejsou pro tento účel nej­vhodnější, neboť byly při svém vývoji op­timalizovány pro klasickou personální ko­munikaci H2H. Komunikace MTC však má některé odlišné rysy: probíhá zcela bez ja­kéhokoliv zásahu lidského faktoru, využívá relativně velký počet převážně fixních nebo jen mírně pohyblivých terminálů MTC, vět­šinou přenášejících „pomalá“ data, přičemž přenos má často shlukový (burst) charakter a bývá i časově nespojitý. A právě tyto spe­cifické charakteristiky a další provozní požadavky komunikace MTC může respektovat a úspěšně zvládnout právě síť LTE, u které bylo s režimem MTC počítáno již od samé­ho počátku jejího vývoje.
 

4. Technika rádiové komunikace MTC využívající buňkový standard LTE

Systém LTE (4G) byl již zmíněn v čísle 2/2013 tohoto časopisu [1], kde byly shrnuty jeho hlavní technické přednosti. První stan­dard LTE začal být provozován v roce 2009. V současné době je aktuální následující vy­lepšená verze LTE-A (LTE-Advanced), která vykazuje mnoho předností. K nim patří pře­devším velká špičková přenosová rychlost, až 1 Gb/s na jediného uživatele, což je např. ve srovnání s prvními verzemi sítí GSM s rych­lostmi okolo 10 kb/s zvýšení o neuvěřitelných pět řádů. Dosažení této mezní hranice je mj. jednou z hlavních podmínek zařazení LTE do kategorie systémů 4. generace. Uvedené maximum lze však získat jen za ideálních pod­mínek, tj. při velkém poměru signálu k šumu v přijímači, nulovém zatížení sítě, velké dosa­žitelné šířce pásma (40 MHz) a použití něko­lika antén ve vysílači i v přijímači (technika MIMO, tj. Multiple Input Multiple Output). Avšak i v běžných, méně příznivých reálných podmínkách lze počítat s rychlostmi minimál­ně asi 10 Mb/s, které podstatná část stanic MTC stejně ani zdaleka nevyužije. Díky této rezervě je však potom možné systémem LTE obsloužit velký počet uživatelů s obvyklými velmi malými přenosovými rychlostmi, což je právě v komunikaci MTC velmi důležité. Zmenšená latence přenosu uvažovaného stan­dardu je vítaná u úloh, které vyžadují přenos v téměř reálném čase. Mezi další atributy to­hoto standardu patří i lepší využití dosavad­ních a osvojení nových frekvenčních pásem s možností sdružovat je do větších kompozit­ních celků, jednodušší plochá, a tím i levněj­ší architektura a redukce složitosti a zmenše­ní spotřeby elektřiny u mobilních terminálů. Sítě LTE se také vyznačují značnou provozní flexibilitou, která přímo nabízí široké spekt­rum nových možností využití. Pro nastupují­cí variantu LTE-A je aktuální mimo jiné prá­vě výrazné zdokonalování komunikace MTC. Přitom všechna vylepšení systematicky pod­porují současné globální tendence přechodu k „zeleným“ radiokomunikačním systémům.
 
Na obr. 1 je zjednodušeně znázorněna zá­kladní koncepce kompletního systému EPS = = LTE + EPC, který kromě konvenční osobní komunikace H2H umožňuje ještě strojovou komunikaci MTC. Systém je určen výhrad­ně pro paketový provoz pro veškeré posky­tované služby. Při něm se všechna přenášená sdělení (messages) ve vysílači dělí do dato­vých jednotek zvaných pakety. Ty potom po­stupují po nezávislých právě volných trasách na příjímací stranu, kde se složí do původní podoby. Tato technika přepojování paketů je provozně mnohem efektivnější a pro zákazní­ka i levnější než vývojově starší technika přepojování okruhů, spočívající v kontinuálním přenosu daného sdělení na fixně určených spojovacích trasách. Architektura systému má klasickou podobu a skládá se z rádiové přístupové sítě LTE a jádra sítě EPC. Na roz­díl od starších variant je zde však minimali­zován počet funkčních uzlů, takže tradiční mnohostupňová vertikální architektura pře­chází v jednodušší plochou architekturu. To přispívá nejen ke zlepšení funkčních paramet­rů, ale i ke snížení pořizovacích a provozních nákladů celého systému. Spoje mezi jednotli­vými uzly, přenášející uživatelská data, jsou v obr. 1 nakresleny plnou čarou a vytvářejí tzv. uživatelskou rovinu. Čárkovanými spoji procházejí pomocná řídicí data (signalizace) v řídicí rovině.
 
Přístupová rádiová síť LTE se skládá ze základnových stanic, značených v normo­vané terminologii zkratkou eNode B (eNB). Ty zprostředkují přímé rádiové spojení typu H2H s konvenčními uživatelskými stanice­mi (zařízeními) UE (User Equipment). Já­dro sítě EPC obsahuje bránu S-GW (Serving Gateway), která působí jako rozhraní s přístu­povou sítí LTE a podporuje mobilitu stanic UE. Navíc však jádro EPC zajišťuje také slu­čitelnost (interoperabilitu) se staršími sítěmi 3GPP, GSM/GPRS/EDGE a UMTS. Dále je zde brána P-GW (Packet Data Network Ga­teway), umožňující přístup, resp. spojení s in­ternetem a s jinými paketovými sítěmi, které nepatří do skupiny 3GPP. Objekt MME (Mo­bility Management Entity) v řídicí rovině plní funkce spojené se správou předplatného služeb a se správou zajišťující konektivitu v rám­ci protokolu IP (Internet Protocol).
 
K implementaci komunikace strojového typu MTC je nezbytné doplnit jádro sítě EPC ještě serverem MTC. Na tento server je pro­střednictvím rozhraní API (Application Pro­gramming Interface) připojen blok aplikací MTC a popř. koncoví uživatelé (MTC users). K uživatelské komunikaci jsou zapotřebí zaří­zení MTC (MTC Devices), běžně však ozna­čovaná jako stanice nebo terminály. Ty mo­hou komunikovat prostřednictvím systému LTE buď se serverem MTC, nebo s jinými stanicemi MTC. Základem stanic MTC jsou konvenční stanice UE, u nichž mohou být vy­puštěny některé funkční bloky (displej, klá­vesnice apod.), avšak naopak do nich musí být zabudovány doplňkové obvody umožňu­jící komunikaci MTC. V tomto režimu, označovaném jako klient-server, se mohou komu­nikace zúčastnit stanice MTC nacházející se kdekoliv uvnitř území pokrývaného danou sítí LTE. Spojení mezi stanicemi MTC, které jsou blízko sebe (řádově až desítky metrů), může probíhat regulárním způsobem přes celou síť LTE. Druhou možností však je komunikace v přímém módu, kdy jsou uživatelská data přenášena přímou rádiovou linkou mezi sta­nicemi MTC, avšak pomocná data (signaliza­ce) využívají k přenosu část sítě LTE. Ta po­tom může velmi efektivně řídit a koordinovat činnost celého kombinovaného přenosu H2H//MTC, zabraňovat přetížení jednotlivých uzlů apod. Tento přímý pracovní mód, označova­ný symbolem D2D (Device to Device), je již běžnou součástí standardu LTE v jeho vyš­ších vývojových fázích. Několik stanic MTC plnících stejné funkce (např. snímání teploty v několika bodech určité lokality) je možné sdružit do jediné skupiny, což potom zjedno­dušuje celkovou správu systému.
 
Podobně jako běžné uživatelské stanice LTE, musí i terminály MTC splňovat určité standardizované technické parametry. Kromě toho je každý jejich pokus o vstup do dané sítě LTE podroben důkladné autentizaci, při níž je ověřováno splnění všech administrativ­ních i technických podmínek provozu.
 

5. Problém zahlcení v sítích LTE s komunikací MTC

V sítích LTE, které kromě konvenčního provozu budou již v blízké budoucnosti za­jišťovat komunikaci strojového typu s mimořádně velkým počtem stanic MTC, bude vznikat velké riziko jejich přetížení (over­load) nebo úplného zahlcení (congestion). V rádiové přístupové síti dochází k zahlce­ní proto, že v některých situacích v určitém okamžiku usiluje o přístup do sítě velký po­čet stanic MTC. Například při vzniku požá­ru ve velké budově se současně aktivují tře­ba i desítky senzorů snímajících okolní tep­lotu, obsah oxidu uhelnatého, kouře apod. Každý pokus o navázání či uvolnění spoje­ní je doprovázen přenosem velkého objemu pomocných řídicích dat, která přetěžují sig­nalizační řídicí síť.
 
V případech, kdy lze tolerovat určitou la­tenci přenosu, může tomuto jevu čelit operá­tor systému např. vhodnou randomizací (zná­hodněním) okamžiků zahájení procesu vstu­pu do sítě různých terminálů MTC (metoda Randomization of Access Times of MTC De­vices), čímž jsou redukovány možnosti vzni­ku špiček (momentálního přetížení) v sig­nalizačním i datovém provozu. Nebezpečí přetížení přístupové sítě také omezují stani­ce MTC s dvojí prioritou přístupu. Stanicím s vyšší prioritou umožňuje operátor vstup do sítě okamžitě, kdežto stanicím s nižší priori­tou je při blížícím se přetížení vstup dočasně odložen na pozdější dobu, kdy je síť méně za­tížena. Zahlcením je však ohrožena nejen pří­stupová síť LTE, ale i jádro sítě EPC. V praxi se to stává zejména při simultánním přenosu dat velké skupiny terminálů MTC, určených pro různé buňky systému. Zahlcení ohrožu­je nejen provoz uživatelů MTC, ale i provoz ostatních uživatelů sítě LTE, a proto otázkám jeho potlačení věnují standardizační orgány velkou péči.
 

6. Pracovní cyklus MTC

Komunikace MTC probíhá ve čtyřech kro­cích, které se mohou cyklicky opakovat:
  • Shromažďování dat. Údaje, které mají být přenášeny, se získávají pomocí snímačů pro měření fyzikálních i jiných veličin, zabudovaných procesorů, akčních členů apod. Údaje jsou digitalizovány a analy­zovány tak, aby byl stanoven stupeň je­jich důležitosti a tomu bylo přizpůsobeno jejich odesílání.
  • Přenos dat. Upravená data jsou uložena do paketů a danou sítí LTE přenášena k serve­ru MTC. Síť LTE s již vybudovanou infra­strukturou zajišťuje systému téměř doko­nalé celoplošné pokrytí a spolehlivý přenos s vysokým stupněm ochrany proti zneužití. Blízké stanice MTC spolu mohou komunikovat přímo, v módu D2D.
  • Analýza dat. Server MTC přijímaná data vyhodnocuje a takto získané informace předává koncovému klientu MTC, který je ukládá do paměti nebo dále využívá ke konkrétním účelům.
  • Odezva klientské stanice. V některých úlo­hách je velmi užitečná možnost odezvy klientské stanice. Odezva na přijatá data může být zpětnou linkou zaslána k přísluš­né stanici MTC.

7. Možnosti využití

Komunikace MTC nachází již v součas­nosti mnoho oblastí využití, jež se budou v blízké budoucnosti výrazně rozšiřovat. Ty­pické příklady komunikace strojového typu MTC uvádí tab. 1. Podle důležitosti přená­šených informací lze aplikace LTE využí­vané v těchto úlohách rozdělit do tří základ­ních tříd:
  • aplikace iniciované (stimulované) kon­krétní situací (event driven applications): jakmile jsou v dané lokalitě stanic MTC k dispozici uživatelská data s danou vyso­kou prioritou (údaje o srdeční arytmii pa­cienta apod.), příslušná stanice se ihned připojí k síti a tato data vysílá k serveru MTC; jinak zůstávají stanice MTC v po­hotovostním stavu,
  • aplikace iniciované dotazem (query driven application): určitá stanice MTC se připojí k síti pouze tehdy, je-li o to požádána vzdá­leným serverem MTC,
  • aplikace řízené časem (time driven appli­cations): stanice MTC vysílá data ve sta­noveném přerušovaném režimu, např. v ho­dinových intervalech.

8. Závěr

Rádiovou komunikaci MTC v nejbliž­ších letech očekává období prudkého rozvoje. Podle prognóz Světového výzkumného fóra pro bezdrátové komunikace WWRF (Wireless World Research Forum) bude v roce 2020 na 7 miliard obyvatel Země připadat celkem 7 tri­lionů nejrůznějších rádiových zařízení MTC, takže jedna osoba jich bude přímo či nepřímo využívat v průměru asi jeden tisíc. Komunika­ce MTC tak bude spolu s internetem věcí IoT představovat v příštích pěti letech pravděpo­dobně nejrychleji rostoucí segment informační a komunikační techniky. Většina úloh s komu­nikací strojového typu bude založena právě na rádiových systémech typu MTC, které budou ke komunikaci stále častěji využívat globální buňkové sítě čtvrté generace LTE nebo LTE-A.
 
Literatura:
[1] LEE, E.: 4G – příští generace bezdráto­vých komunikačních sítí. Automa, 2013, č. 2, s. 37–38.
doc. Ing. Václav Žalud, CSc.,
katedra radioelektroniky
FEL ČVUT v Praze
 
 
Obr. 1. Celková koncepce buňkového systému 4. generace EPS (LTE/EPC), rozšířeného o možnost komunikace strojového typu MTC; stanice MTC mohou navazovat spojení vzájemně mezi sebou (modré spoje), mohou však také komunikovat se serverem MTC a jeho prostřednictvím i s vnějším světem (červený spoj)
 

Tab. 1. Přehled některých příkladů použití systémů pro komunikaci strojového typu MTC