Čo je to mobilná sieť, ako sa vyvíjala a čomu vďačíme za to, že môžeme pohodlne telefonovať cez naše smartfóny?  V ďalšej časti seriálu venovanému predstavovaniu technológií sa budeme venovať práve týmto otázkam.

V predchádzajúcich častiach sa dozvieš viac o:

• eSIM – Odpovede na najčastejšie otázky ohľadom novej technológie na Slovensku
• VoLTE – Predstavujeme technológiu, o ktorej budeme na Slovensku počuť čoraz viac
• VPN – Mnoho ľudí ju prehliada, no toto je jedna z najlepších možností, ako mať lepší a bezpečnejší internet

Čo je celulárna/bunková rádiová sieť?

Tvorí ju sieť základňových staníc, ktoré prostredníctvom rádiových vĺn pokrývajú rozsiahle geografické územia mobilným signálom. Každá zo staníc umožňuje nielen vysielať, ale aj prijímať signál. Vďaka tomu môžu obyvatelia prostredníctvom mobilných zariadení – mobilov, smartfónov, ale aj napríklad automobilov a predtým pagerov, uskutočňovať hlasové hovory a využívať mobilný internet.

Základňové stanice sa označujú skratkou BTS (z anglického Base Tranceiver Station), pracujú pri frekvenciách od 300 MHz do približne 3 GHz. V minulosti sa využívala na pokrytie veľkého územia jedna silná stanica, s dosahom napríklad 50 kilometrov. Šírenie signálu však bolo neefektívne.

Viacero menších, menej výkonných staníc umožnilo lepšie pokryť územia, poskytlo aj ďalšie výhody v podobe zvýšenia kapacity siete, zníženia energetickej náročnosti a zníženia interferencie s inými signálmi.

Šírenie signálu zo základňových staníc je ovplyvnené použitou frekvenciou, členitosťou terénu, vzdialenosťou aj hustotou zástavby. Preto pre zaručenie dosahu musia operátori v komplikovaných oblastiach stavať viacero staníc. Poznáme to napríklad v mestách alebo v hornatých oblastiach.

Jednotlivé bunky na základe toho pokrývajú rôzne územia a zväčša sa pohybujú v rozsahu od stoviek metrov po 30 a viac kilometrov. Aby sa zabezpečilo čo najdôkladnejšie pokrytie, jedna bunka s jednou základňovou stanicou pokrýva územie v podobe šesťuholníka (presné zobrazenie je idealizované, keďže signály z jednotlivých staníc sa do istej mieri prekrývajú). Vďaka tomu môže používateľ počas hovoru prechádzať medzi jednotlivými bunkami, pričom nestratí signál a komunikácia sa nepreruší.

Pre zaistenie vyššej kapacity siete sa využívajú aj ďalšie metódy delenia buniek. Podľa použitej frekvencia sa delia na ešte menšie šesťuholníky, vďaka čomu sa nám pri spájaní hovoru nestáva (respektíve minimálne), že by bola sieť obsadená. Prenos signálu káblom je aj v súčasnosti stále efektívnejší a spoľahlivejší, využíva sa preto väčšinou pri komunikácii medzi stanicami.

Aké výhody priniesli celulárne mobilné siete?

Hlavnou výhodou celulárnych sietí, kde sa signál šíri rádiovými vlnami je práve bezdrôtová komunikácia. Telefóny už nemuseli byť pripojené káblom na celej trase, radikálne sa zlepšilo pokrytie a vďaka tomu vznikali čoraz prenosnejšie zariadenia.

Napríklad v roku 1973 ukázali prvý mobilný telefón a hovor John F. Mitchel a Martin Cooper z Motoroly, zariadenie DynaTAC vážilo takmer dva kilogramy. Prvý komerčne dostupný a prenosný telefón schopný využívať celulárne siete bol Motorola NynaTAC 8000X, ten už vážil len takmer 800 gramov.

Bolo to v roku 1983 a v prepočte na dnešné ceny stál viac ako 9500 dolárov. Väčšina súčasných smartfónov váži od 130 do 200 gramov a stojí od 80 do 1500 €. Prenosné mobilné zariadenia boli veľký skok, pretože dovtedy boli bezdrôtové telefóny veľmi veľké, ťažké a spotrebovali príliš veľa energie. Používali sa zväčša len v autách, ktoré dokázali udržať ich náročnú prevádzku.

Ďalšie výhody celulárnych sietí sa spájajú s ich vývojom a nástupom jednotlivých generácií. Zautomatizovalo sa a zrýchlilo spájanie hovorov, výrazne sa zvýšili kapacity sietí, zlepšovalo sa pokrytie, znižovala sa energetická náročnosť, neskôr bolo možné využívanie internetového mobilného pripojenia, ktorého rýchlosť neustále rastie.

Prečo sa pri celulárnych sieťach používa označenie G?

Takýmto spôsobom sa označujú jednotlivé generácie mobilných celulárnych sietí. Každá z nich prináša iné možnosti a je výrazným zlepšením predchádzajúcej generácie. Cieľom je poskytovať čoraz kvalitnejšiu a spoľahlivejšiu infraštruktúru pre potreby komunikácie a využívania súčasných mobilných zariadení.

Jednotlivé generácie mobilných sieťach môžu využívať rôzne štandardy, ktoré nemusia byť medzi sebou kompatibilné. Štart celulárnych mobilných sietí sa datuje na koniec 70. a začiatok 80. rokov vznikom 1. generácie. História ukazuje, že nové siete prichádzajú v perióde približne 10 rokov. V súčasnosti sa začínajú budovať, respektíve sa pripravujú, siete 5. generácie.

Čo je 1G sieť a kto telefonoval mobilom ako prvý na Slovensku?

Prvá generácia mobilných sietí nemala úplne presnú podobu a na rôznych miestach vznikali rôzne štandardy. Jej hlavným znakom bolo, že signál stále šírila analógovo, teda bol spojitý v čase. To znamená, že v porovnaní s digitálnym signálom prenášaná informácia výraznejšie podliehala vplyvom iných signálov (rušeniu) a prenos na dlhšie vzdialenosti bol komplikovaný, rovnako jeho reprodukcia.

Prvá komerčná automatizovaná analógová sieť (1G) bola spustená v Japonsku spoločnosťami Nippon Telegraph a Telephone v roku 1979. Dôležitejšie sa však ukázalo spustenie systému Nordic Mobile Telephone (NMT) v roku 1981. Najskôr ho spoločnosť Ericsson testovala v Saudskej Arábii, no  v plnej miere začala implementácia v škandinávskych krajinách Nórsku a Švédsku, o rok neskôr už aj vo Fínsku a Dánsku. V Severnej Amerike sa v roku 1983 spustila podobná sieť s označením AMPS. Neskôr sa dostala do Austrálie a Izraela.

Kľúčovým prvkom pre sieť NMT, bola otvorenosť špecifikácií. Rovnaký systém sa tak od polovice 80. rokov začal implementovať aj v množstve ďalších krajín Európy, medzi ktorými nechýbalo ani Slovensko. Rozvoj pokračoval aj do ázijských štátov. Sieť využívala pásmo 150, 450 a neskôr aj 900 MHz. Vďaka otvorenosti systému začali aj výrobcovia zariadení pracovať na dostupnejších mobilných telefónoch.

Spočiatku sa totiž v tejto sieti používali spomínané veľké telefóny umiestnené v autách. Neskôr, okrem Motoroly predstavili oveľa používateľsky prívetivejšie modely aj známe škandinávske firmy, fínska Nokia (ktorá v tom čase odkúpila spoločnosť Mobira, vyrábajúcu takéto zariadenia) a švédsky Ericsson.

Nevýhodou 1G sietí bol analógový prenos signálu, ktorý bol náchylný na skreslenie. Hovory v tejto sieti zároveň neboli šifrované a mohli byť ľahko odpočúvateľné. Vďaka NMT sieti operátora Eurotel sa odohral aj vôbec prvý mobilný hovor na Slovensku. Stalo sa tak ešte v roku 1991 a to na linke Praha – Bratislava medzi vtedajšími šéfmi Českej a Slovenskej národnej rady, Dagmar Burešovou a Františkom Mikloškom.

Čo je 2G sieť a aký zlom nastal nástupom sietí druhej generácie?

Takmer presne 10 rokov po nástupe NMT siete sa v Európe objavila nová technológia, ktorá sa začala označovať ako 2. generácia mobilnej siete. V roku 1991 sa spustila jej komerčná prevádzka vo Fínsku operátorom Radiolinja. Sieť využívala štandard GSM (Globálny systém pre mobilnú komunikáciu), ktorý definoval Európsky inštitút pre telekomunikačné štandardy (ETSI).

Vývoj trval takmer 4 roky a po schválení štandardu v roku 1987 sa ho zaviazalo využívať 13 európskych krajín. Vďaka tomu sa časom v Európe podarilo vytvoriť jednotnú a otvorenú sieť, ktorá bola väčšia ako v USA. V roku 1992 britský Vodafone a fínska Radiolinja uzatvorili prvú medzinárodnú dohodu o roamingu.

Výhody GSM a celkov sietí 2. generácie boli zjavné a veľké. Začalo sa digitálne šírenie signálu (menej náchylné na rušenie a teda lepšie pre šírenie na dlhšie vzdialenosti), vďaka čomu sa dostupnosť signálu výrazne zvýšila. Zvýšila sa kvalita prenosu a znížila energetická náročnosť. To päť umožnilo vznik menších mobilov.

Hovory začali byť digitálne šifrované,  teda boli lepšie zabezpečené, no a štandard začal okrem hlasové prenosu podporovať aj posielanie ďalších dát ako textové či obrazové správy a neskôr ponúkol aj internetové pripojenie. Umožnili to štandardy GPRS (niekedy označované ako sieť 2,5G, spustený v roku 2000), s teoretickou rýchlosťou prenosu 50 Kbit/s, a EDGE (2,75G, spustený v roku 2003) s maximálnou rýchlosťou 1 Mbit/s. V reále bola rýchlosť približne na polovici.

GSM štandard zaznamenal veľký úspech a začal sa využívať vo všetkých kútoch sveta, väčšinou vo frekvenciách 850, 900, 1800 a 1900 MHz. Len na severoamerickom trhu vo väčšej miere využívali duálny systém, kde okrem GSM (operátori AT&T a T-Mobile) podporovali aj štandard CDMA (Verizon a Sprint). Podiel GSM na trhu sa zvyšoval exponenciálne. V roku 2004 ho využívala miliarda zákazníkov/zariadení, o 2,5 roka to už boli 2 miliardy, v roku 2012 dokonca 6 miliárd.

Počas najvýraznejšieho obdobia pokrýval štandard GSM až 90 % trhu a dostal sa do 193 krajín a uznaných území. Tento masový rozvoj umožnil znížiť cenu za telekomunikačné služby a svet sa stal viac prepojený. V súčasnosti už dochádza k postupnému vypínaniu týchto sietí, ich zásluha na súčasnom spôsobe života je veľká.

Na Slovensku ako prvý spustil GSM sieť Globtel, ktorý predbehol Eurotel. Stalo sa tak v roku 1997 a sieť pokrývala takmer 91 % obyvateľstva. Ku koncu roka využívalo služby týchto operátorov takmer 150 tisíc obyvateľov Slovenska. Eurotel aj Globtel v nasledujúcich rokoch spúšťali niekoľko špeciálnych akcií, ako boli napríklad telefóny za korunu či minútovú tarifikáciu.

Mnohí si spomenú aj o legendárnej reklamy operátorov. Bližšie sme o tomto období písali v našom predchádzajúcom článku. Postupom času mobily začali prevládať na pevnými linkami. Neskôr sa do 2G sieti pripojil aj nový operátor na Slovensku – O2, a to v roku 2007.

Čo priniesla 3G sieť?

Nároky na internetové pripojenie a prenos dát rástli, preto sa nová generácia sietí začala sústrediť práve na tento aspekt. Hlavnými cieľmi bolo dosiahnuť dostatočné rýchlosti pre posielanie vysokokvalitných obrázkov či videí a uskutočňovanie videohovorov.

3G štandard stále umožňoval prepojenie hlasových hovorov, no dôraz už pri vzniku bol jednoznačne kladený na dátové prepojenie. Tentoraz sa špecifikácie vyvíjali pod hlavičkou Medzinárodnej telekomunikačnej únii (ITU) a ich definitívne uzatvorenie trvalo takmer 15 rokov. Zverejnené boli pod dokumentom  IMT-2000.

Prvé testy sietí začali v Japonsku už v roku 1998, avšak čakalo sa ešte tri roky dlhšie, kým začala v októbri 2001 komerčná prevádzka. Aj toto spustenie ale sprevádzali problémy so spoľahlivosťou a veľký rozvoj nenastal. V Japonsku začali využívať štandard W-CDMA, ktorý bol založený na európskom (vtedy ešte nekomerčnom) štandarde UMTS, ten bol zas postavený na základoch GSM.

Technický vzaté, 3G siete boli priamym vylepšením EDGE štandardu, avšak vyžadovali si vybudovanie úplne novej infraštruktúry. Práve to spomalilo nástup novej generácie, pretože operátori nemali alebo sa báli investovať obrovské množstvo prostriedkov.

Váhavú situáciu v oblasti spustenia 3G sietí využili okrem Japonska aj v Južnej Kórei. V januári a v máji 2002 začali dvaja miestni operátori komerčnú prevádzku sietí novej generácie, tentoraz v štandarde 1xEV-DO, založenom na CDMA. Nasledovalo spustenie v USA a v ďalšom roku spúšťali siete novej generácie aj v Británii a v Austrálii.

Štandardy boli opäť rozdielne, preto ešte v roku 1998 vznikla organizácia 3GPP, ktorá spájala jednotlivé medzinárodné organizácie pre telekomunikačné štandardy. Zaisťovala jednoduchšie uzatváranie strategických partnerstiev operátorov naprieč kontinentami. Vďaka tomu sa stala najrozšírenejším štandardom W-CDMA (niekedy sa ale označuje aj UMTS), aj keď k úplnému konsenzu a jednotnej sieti na celom svete nedošlo.

Rýchlosti dát v 3G sieti sú špecifikované na minimálnu hodnotu 144 Kbit/s ale rýchlym vývojom sa dosahovali rýchlosti od 400 Kbit/s a viac. Tak ako pri 2G aj pri tretej generácii neskôr prišli technológie, ktoré boli akýmisi nadstavbami. Išlo o štandard HSDPA, označovaná ako 3,5G, a neskôr HSUPA, označovaná ako 3,75G. Tieto technológie poskytli teoretické rýchlosti na úrovni maximálne 14,4 Mbit/s, a druhá menovaná vylepšila rýchlosť nahrávania na 5,76 Mbit/s.

Na Slovensku spustili mobilní operátori komerčnú prevádzku sietí 3G začiatkom roka 2006: Orange 17. marca 2006, T-Mobile 25. januára 2006 a O2 18. júla 2011.

Ako sme sa dostali k 4G sieti?

Aj keď 3G sa sústredilo na zrýchlenie prenosu dát, už vopred bolo jasné že takéto siete by boli časom ochromené raketovo zvyšujúcim sa objemom prevádzky v sieti. Rastúce streamingové služby si vyžadovali pokročilejšiu sieť. V dôsledku toho sa priemysel začal usilovať o technológie štvrtej generácie s prísľubom na zvýšenie rýchlosti až desaťnásobne nad existujúcimi 3G technológiami.

Na rozdiel od predchádzajúcich generácií, systém 4G už nepodporuje tradičnú telefónnu službu s prepájaním okruhov, ale komunikácia je založená na internetovom protokole (IP). Telefonovanie aj v tejto sieti je však možné cez technológiu VoiceIP. Jej súčasťou je aj VoLTE, ktoré sme predstavili v našom predchádzajúcom článku.

Prvé komerčne dostupné siete označované ako 4G boli štandardu WiMAX, ktorý ešte v roku 2007 spustili opäť v Južnej Kórei a v nasledujúcom roku ju operátor Sprint ponúkol v Severnej Amerike. V roku 2008 sa v škandinávskych krajinách Švédsku a v Nórsku siete novej generácie s technológiou LTE.

Oba tieto štandardy sú však predmetom diskusie a častej kritiky, pretože úplne nespĺňajú všetky špecifikácie 4G sietí. Zmätok spôsobili operátori, ktorí technológiu začali propagovať ako 4G. Išlo však skôr o predverziu nových sietí, ktorú by sme mohli označiť ako 3,9G.

Skutočne prvým 4G štandardom je LTE Advanced, ktorý dosahoval už všetky minimálne špecifikácie siete novej generácie. Medzi prvými ho testoval Ericsson a už začiatkom roku 2011 aj japonský operátor NTT DOCOMO. LTE-A bolo nadstavbou štandardného LTE, ponúklo pritom oveľa lepšie výsledky. Dokáže totiž sústrediť až päť nosných frekvencií, alebo dátových tokov LTE, čím násobne zvýši šírku pásma – dokáže preniesť násobky dátových tokov, čo je v kľúčové pre udržanie potrieb dnešných používateľov.

Na Slovensku ako prvý ponúkal komerčnú LTE sieť Telekom a to v roku 2013. Pôvodne dosahovala rýchlosti 73/23 Mbit/s. Najprv ju sprístupnil v piatich mestách – Nitra, Trnava, Žilina, Banská Bystrica a Prešov. Orange kontroval v júli 2014, O2 koncom toho istého roka a najmladší operátor 4ka vstúpil na slovenský trh v októbri 2015 už s vlastnou 4G sieťou.

Pripravujeme sa na 5G

Dnes sa už postupne plánuje a pripravuje spustenie 5G sietí. Na súčasnú situáciu, ich výhody a technologické riešenia sa pozrieme v niektorej z ďalších častí.

V predchádzajúcich dieloch sa dozvieš viac o:

• eSIM – Odpovede na najčastejšie otázky ohľadom novej technológie na Slovensku
• VoLTE – Predstavujeme technológiu, o ktorej budeme na Slovensku počuť čoraz viac
• VPN – Mnoho ľudí ju prehliada, no toto je jedna z najlepších možností, ako mať lepší a bezpečnejší internet