Femtobuňky: 3G do každé domácnosti?

V roce 2007 byly femtobuňky spíše technologickým konceptem, který se dobře vyjímal na různých výstavách. Ještě nějakou dobu jim ale trvalo, než se zbavily většiny svých počátečních neduhů a dětských nemocí. Dnes už jsou mnohem vyzrálejší a lépe připravené začít psát novou kapitolu v dějinách mobilních sítí.

Abychom správně docenili, co vlastně femtobuňky jsou, musíme se nejprve prokousat terminologickým gulášem, který nám navařili mobilní operátoři spolu se svými dodavateli. Tedy vyznat se v pojmech jako makrobuňka, mikrobuňka, pikobuňka, či právě femtobuňka.

Mobilní sítě jsou cellulární

Jistě všichni víme, že dnešní mobilní sítě pracují na buňkovém, alias „cellulárním“ principu (neboť latinské cellula je právě buňka). Dělají to hlavně kvůli tomu, aby šetřili frekvencemi, kterých nemají nazbyt. Jedny a ty samé frekvence se proto snaží používat opakovaně - ovšem tak, aby při takovémto opakování nedocházelo ke vzájemnému „promíchávání“ hovorů na stejných frekvencích..

Právě kvůli tomu potřebují mobilní operátoři rozdělit území, které mají pokrýt svým signálem, na určité oblasti (což jsou právě ony buňky). Stejné frekvence pak mohou používat opakovaně v různých buňkách, a nebezpečí „promíchávání hovorů“ se vyhnou tím, že stejné frekvence nikdy nepouživí ve vzájemně sousedních buňkách (ale mohou je znovu využít až v nesousedních buňkách). Základní představu ilustruje následující obrázek, na kterém je každá frekvence (přesněji: rozsah frekvencí, alias frekvenční kanál) znázorněna jinou barvou.

Naši představu si ještě musíme upřesnit o pojem základnové stanice, v praxi označované jako BTS (Base Transceiver Station): můžeme si představit, že v centru každé buňky je umístěna takováto základnová stanice, a buňka tak vlastně vzniká „okolo“ této základnové stanice. Ačkoli v praxi je tomu trochu jinak (a „kolem“ větších základnových stanic vzniká více různých buněk), tato zjednodušená představa se nám bude velmi hodit právě pro pochopení podstaty femtobuněk.

Není buňka jako buňka

Současně si musíme říci, že značně zjednodušená je i představa o stejné velikosti  buněk, a  také o „pravidelnosti“ jejich struktury v rámci mobilní sítě.

Ve skutečnosti se reálná mobilní síť skládá z buněk různé velikosti, jejichž uspořádání na první pohled může vypadat jako  zcela nesystematické. Vše je ale podřízeno hlavnímu cíli: vytvořit pokrytí s kapacitou, co nejlépe odpovídající „hustotě“ zákazníků a jejich potřebám. Proto se v hustší městské zástavbě setkáme s větším počtem spíše menších buněk, zatímco mimo města s opakem – s menším počtem větších buněk.

A to už jsme se dostali zpět k našemu terminologickému guláši: přívlastkem makro (jako „makrobuňky“) se označují  největší buňky mobilních sítí, s průměrem od 2 do 20 km. Jejich základnové stanice (resp. vysílače, alias transceivery těchto základnových stanic) jsou typicky umístěné nad úrovní střech.

Přívlastek micro se pak používá pro menší buňky (mikrobuňky), s průměrem 200 metrů až 2 km.

No a přívlastkem pico se označují nejmenší buňky mobilních sítí (pikobuňky), které mají průměr od několika málo jednotek metrů (např. od 4 metrů) až po cca 200 metrů. Jsou typické tím, že jejich základnové stanice se umisťují spíše uvnitř objektů, aby vylepšily dostupnost signálu právě (a v praxi i pouze) uvnitř tohoto objektu.

Femtobuňky: když je vše maximálně zjednodušeno

Teď už asi tušíte, že femtobuňky by měly být ještě menší než pikobuňky. Už jen kvůli té jejich předponě.

Jenže to není jejich hlavní charakteristický rys. Dokonce u nich nemusí být ani naplněn. Průměr femtobuňky se totiž  pohybuje v podobných rozsazích, jako u pikobuňky – od jednotek metrů, až po maximum několika desítek metrů, za optimálních podmínek snad i přes stovku metrů.

Femtobuňky tak odlišují od pikobuněk a ostatních buněk spíše jiné věci. Snad nejvíce to, kdo a jak je instaluje potřebné vybavení: zatímco základnové stanice u piko, mikro i makrobuněk instalují odborníci (v barvách mobilního operátora, resp. jeho dodavatele), femtobuňky si zřizují  zákazníci či uživatelé sami.  

A to už jsme u dalšího rozdílu, který je asi nejpodstatnější: zatímco technologie pro zřizování klasických buněk mohou být (a v praxi také jsou) náročné na znalosti a dovednosti odborníků, kteří je instalují a pracují s nimi (tj. různě je nastavují, konfigurují, optimalizují, a následně průběžně spravují, administrují atd.), v případě femtobuněk  musí být vše zjednodušeno a zautomatizováno do té míry, aby zákazník (uživatel) s nimi nemusel sám dělat opravdu vůbec nic. Tedy pokud jde o nějaké nastavování – protože třeba vyjmutí z krabice a zapnutí se přeci jen nevyhne.

Maximální zjednodušení se přitom týká i terminologie: zatímco u „klasických“ buněk mobilní sítě,  jako je makro i mikrobuňka, se stále striktně rozlišuje mezi buňkou jako takovou (tj. určitou oblastí) a základnovou stanicí (tj. fyzickým zařízením, BTS), v případě femtobuňky se už takto nerozlišuje: zde se pod pojmem stejným pojmem obvykle myslí jak samotné zařízení ,  tak i buňka (oblast pokrytá signálem), kterou kolem sebe vytváří.

Přes Internet k mobilnímu operátorovi

Provedením si  femtobuňku (jako zařízení)  můžeme představit jako něco obdobného přístupovému bodu Wi-Fi – a to nejen co do velikosti, ale třeba i designu. Jde tedy o zařízení, které se již dnes dá „zabalit do krabice“ a prodávat v běžném maloobchodě, tak jako se to běžně děje právě se zařízeními Wi-Fi.

Paralelu s Wi-Fi však můžeme využít i dále a aplikovat ji na to, co přeci jen musí ještě udělat zákazník, když si femtobuňku koupí  a přinese domů (či do kanceláře, učebny nebo jiného obdobného objektu): musí ji ještě připojit na takový přívod broadbandu, jaký má doma (v kanceláři atd.) k dispozici. Tedy třeba ke své kabelové přípojce (kabelovému modemu), ADSL, optické přípojce atd.

Tím už ale paralela s Wi-Fi končí, a oba typy zařízení se nám začínají rozcházet. Femtobuňka (jako zařízení) se totiž nenapojuje na broadband  kvůli tomu, aby se „dostala“ na Internet a mohla zprostředkovávat přístup k němu. Místo toho využije zákazníkův broadband tomu, aby se přes Internet napojila do sítě příslušného mobilního operátora. Až díky tomu se příslušná femtobuňka (jako zařízení i jako buňka) může stát součástí sítě jeho sítě. A bez toho by nebyla tím, čím být chce.

Jaký je výsledný efekt?

Femtobuňku (jako zařízení) tedy nemá smysl kupovat „samu o sobě“ a pak si ji provozovat nějak „ve vlastní režii“. Vždy musí být součástí nabídky nějakého mobilního operátora  - už jen z toho důvodu, že kolem sebe šíří signál, který svým rozsahem (frekvencí) spadá do frekvenčního přídělu daného operátora.

Jinými slovy: femtobuňka vyžaduje, aby jí mobilní operátor propůjčil „své“ vlastní frekvence, resp. vhodné frekvenční kanály, na kterých by pak komunikovala s mobily ve svém okolí.

Už jen samotný výběr nejvhodnějších frekvencí je sám o sobě pořádným technickým oříškem, zvláště má-li být realizován zcela automaticky, bez jakéhokoli zásahu uživatele. Představit si to můžeme tak, že femtobuňka (jako zařízení) si sama zjistí, jaké frekvence se používají v jejím okolí, a pak si (skrze své napojení na síť mobilního operátora) s touto sítí dohodne, jaké frekvence bude používat – tak aby ve svém okolí nezpůsobovala žádné rušení.

Jako uživatele nás ale zajímá spíše výsledný efekt. A tím je to, že najednou máme doma (či v kanceláři učebně atd.) kvalitní signál sítě daného mobilního operátora, který můžeme využívat  přesně tak, jak ho využíváme kdekoli jinde, kde je k dispozici. Tedy prostřednictvím stejných mobilních terminálů (ať již mobilů, či různých donglů, datových karet atd.), a to ke stejným účelům – k telefonování, přenosu dat atd.

Připomeňme si, že možnost používat úplně stejná zařízení  je dána tím, že femto buňky pracují v licenčním pásmu a používají frekvence, přidělené mobilním operátorům v rámci jejich licenčních přídělů. Tedy stejné  frekvence jako kdekoli jinde v mobilních sítích těchto operátorů.

Vlastně je to tak, že jsme sami pomohli svému mobilnímu operátorovi, aby si „u nás“ zřídil buňku své mobilní sítě. A on nám za to může v něčem vyjít vstříc. Třeba zlevnit některé hovory či další služby, realizované právě z této (femto)buňky. Šetříme mu tím totiž kapacitu jeho sítě, a také další náklady (například na tzv. backhaul, neboli na napojení základnových stanic na jeho vlastní síť).

Femtobuňka je koncept!

Zdůraznit si můžeme hned také další důležitou okolnost: že femtobuňky jsou vlastně obecný koncept, který může být využit v různých sítích.

Tedy jak v sítích GSM (v pásmech 900 MHz,  1800 MHz i jakýchkoli dalších), v sítích 3G/UMTS, ale třeba i v sítích CDMA apod. V praxi se tak můžeme setkat s 2G fotobuňkami (hlavně pro síť GSM), ale mobilní operátory asi nejvíce lákají 3G femtobuňky, protož jim umožňují „dostat“ jejich 3G služby i k takovému koncovému zákazníkovi, který není v dosahu dostatečně silného a kvalitního „řádného“ 3G pokrytí (tj. v dosahu  makro, mikro či piko buněk).

Však také první komerční službou, založenou na fotobuňkách, byla služba AIRAVE amerického operátora Sprint, spuštěná jako 2G služba ještě v září 2007. První komerční 3G službou se stala až služba Home Zone singapurského operátora Star Hub, který ji po dlouhých měsících testování řádně spustil  v listopadu 2008. A další operátoři v oznamování svých plánů s fotobuňkami rozhodně nezůstávají pozadu.

Ani u 3G však možnost využití konceptu femtobuněk zdaleka nekončí. Co třeba v WiMAXové femtobuňky?

Nicméně jednu „hranici“ femtobuňky skutečně mají, a na ní končí: jde o samotné použití licenčních frekvencí. Jakmile bychom tento předpoklad změnili a místo něj připustili použití bezlicenčních frekvencí (stejně jako např. u Wi-Fi), už by se nejednalo o femtobuňky, ale o jiný koncept.

Tomu se říká UMA (Unlicensed Mobile Access), a otevírá to dveře do stejného byznysu i pevným operátorům, resp. operátorům bez mobilní licence. I když v praxi se již můžeme setkat s využitím tohoto konceptu i u mobilních operátorů, disponujících vlastními licenčními frekvencemi. Příkladem mohou být služby   Unik od Orange (od roku 2006), britská BT Fusion , či HotSpot@Home amerického T-Mobile fungující od roku 2007.

Společnou nevýhodou všech služeb na bázi  konceptu UMA je ale potřeba speciálních „duálních“ mobilních telefonů: musí umět komunikovat jak v licencovaném pásmu (pro komunikaci s klasickou mobilní sítí), tak i bezlicenčním pásmu (pro samotné UMA).

To koncept femtobuněk tuto nevýhodu nemá: stačí mu jen podpora komunikace v licenčních pásmech, a tak dokáže pracovat obecně se všemi mobily a mobilními zařízeními.

Femto combo

Když už jsme se tedy vrátili zpět ke konceptu femtobuněk, fungujících jen v licenčních pásmech: řekl někdo, že by tyto femtobuňky (jako zařízení) nemohly poskytovat ještě další služby, souběžně s těmi dosud popisovanými mobilními?

Femtobuňka jako zařízení může být integrována  například s domácím firewallem, který bude nabízet přístup k Internetu nejen přes 3G, ale i přes Wi-Fi či běžný Ethernet. Fantazii výrobců zařízení se opravdu žádné meze nekladou . A tak na letošním světovém mobilním kongresu v Barceloně byly femtobuňky k vidění už jaké běžné „pultové“ zboží“. A často právě jako integrované, resp. v kombinaci s dalšími funkcemi.

Ukažme si to na jednom konkrétním příkladu, který by mohl být reprezentativní pro kategorii „domácích bran“. Premiéru mělo v Barceloně zařízení DVG834GH od firmy Netgear, označované také jako „Femtocell Voice Gateway“. Jde o jeden konstrukční celek, který v sobě integruje:

• 3G femtobuňku  (s podporou HSDPA na 3,6 a 7,2 Mbit/s)
• ADSL2+ modem
• směrovač a dvojitý SPI firewall
• Wi-Fi AP (802.11g)
• 4x (drátový) Ethernet
• 2x VOIP linky (FXS porty, podpora SIP)

Proč?

Zkusme si ještě naznačit, proč vlastně mohou mít mobilní operátoři zájem na nějakých fotobuňkách? Vždyť  přeci mají své „makro“ sítě, nabízející plošné pokrytí.

Jeden možný důvod je ten, že to s „plošností“ jejich pokrytí to není až tak slavné. Zvláště u nás doma bychom mohli vyprávět, že. No a právě femtobuňky mohou být způsobem, jak pokrytí  značně vylepšit – alespoň tam, kde lidé podle statistik komunikují zdaleka nejvíce. Tedy doma či v kanceláři.

 Teoreticky si dokonce lze představit, že nějaký mobilní operátor by mohl budovat pouze „femto-pokrytí“, aniž by vůbec měl „makro-pokrytí“. Nejspíše by ho to vyšlo mnohem levněji.

No, reálnější asi bude spíše snaha optimalizovat své 3G „makro-pokrytí“, a pomocí femtobuněk jej  vytvořit či jen posílit v místech, kde jinak není či nepostačuje.

S tím úzce souvisí jiný důvod:  požadavky na kapacitu 3G sítí v poslední době rostou, díky rostoucí oblibě datových přenosů. Ovšem výnosy z mobilních datových služeb už zdaleka tak rychle nerostou. A tak mobilní operátoři musí hledat cesty, jak zvyšovat kapacitu svých sítí co nejlevněji. Protože klasická cesta, tedy inovování a upgrady na “makro“ úrovni, je hodně drahá. A podle některých názorů už přestává být ekonomicky schůdná.

Cesta femtobuněk je naopak levnější. Navíc zvyšuje disponibilní kapacitu právě tam, kde ji zákazníci chtějí a konzumují nejvíce: v domovech a kancelářích.

Tak proč toho nevyužít? Zvláště když integrace femtobuněk s dalšími funkcemi (viz výše uvedený příklad combo zařízení od Netgearu) otevírá mobilním operátorům ještě další nová působiště a zdroje potenciálních výnosů: skrze jedno integrované zařízení  mohou poskytovat konvergované služby (tedy kromě mobilních i ty fixní, včetně samotného přístupu k Internetu) pro domácnosti i celé kanceláře.

Kde jsou úskalí?

Většímu rozšíření femtobuněk,  v rámci skutečně komerčních služeb, dosud bránily některé ne zcela dořešené technické otázky. Zejména pokud jde o jejich plně automatické nastavování, které musí být skutečně maximálně spolehlivé a „neprůstřelné“.

Další okruh problémů je už méně technický: jak třeba zabránit zákazníkovi, aby svou femtobuňky nevzal, nepřestěhoval se s ní někam do zahraničí, a tak si ji připojil k Internetu a zapnul? Vlastně by si tak „svou mobilní buňku“ od svého mobilního operátora vzal sebou, třeba na druhou stranu zeměkoule.

Něco takového se nelíbí ani operátorům, ani regulátorům. Třeba už kvůli tísňovým voláním, kdy nemohou předat příslušným složkám správnou informaci o poloze volajícího (což je stejný problém jako třeba u VOIP služeb). A asi největším problémem by ale bylo využití licenčních frekvencí „domácího“ operátora  v zahraničí.

Někteří výrobci i mobilní operátoři navrhují řešit popsaný problém pomoc zabudované GPSky, která by umožňovala detekovat přesnou polohu femtobuňky. Ale i to má své „mouchy“.

Kdy se dočkáme i v ČR?

Pokud jde o nasazení femtobuněk v ČR, zde nemám od našich mobilních operátorů žádné konkrétní informace. Nedovedu si ale představit, že by o této možnosti nevěděli, nezvažovali ji a neměli s ní nějaké své plány. Byť asi hodně závislé na plánech jejich mateřských společností. Jen zatím nejsou veřejné.

Jedinou konkrétnější, byť stále nepřímou indicii, mám od T-Mobile. Jeho zástupci na světovém mobilním kongresu v Barceloně zmínili, že T-Mobile již dokončil tři pilotní projekty s femtobuňkami, a v Německu je bude nabízet na řádné komerční bázi, byť zatím jen v omezeném měřítku (zdroj). A ještě v letošním roce prý T-Mobile plánuje obdobné služby i v dalších zemích, kde působí. Na můj dotaz se mi dostalo ujištění, že mezi nimi bude i Česká republika.

Podobně ale plánují komerční spuštění služeb na bázi femtobuněk v letošním roce i O2 (zdroj) a Vodafone (konkrétně ve Španělsku).