Revoluce v přidělování kmitočtového spektra

Rádiové přístupové sítě jsou stále populárnějším technologickým řešením širokopásmové první míle. Kladou však vysoké nároky na rádiové spektrum, přitom současné metody přidělování spektra jsou neefektivní a nevyhovují rostoucím požadavkům. Vyvíjejí se alternativní řešení, která by využila spektrum s ohledem na různé služby a jejich potřeby v souvislosti s jejich diagramem využití.

V současnosti jsou úseky kmitočtového spektra na základě mezinárodních dohod přidělené různým bezdrátovým službám a jsou dále rozděleny na kmitočtová pásma pro provozovatele a systémy.

->  rostoucí kmitočty

Pevně přidělené spektrum vs. dynamická alokace

Pevná alokace spektra (FSA, Fixed Spectrum Allocation) musí brát v úvahu technické charakteristiky použitých bezdrátových systémů a technologií. Provozovatelé získávají licence na používání přiděleného spektra na dlouhá období let, pro předpokládanou dobu životnosti jejich systémů.

Tento dosavadní přístup má ale řadu nevýhod. Jednak trvá velmi dlouho, než se harmonizuje přidělování kmitočtů potřebných pro služby jako GSM nebo UMTS. Po celou dobu příprav přidělování kmitočty zůstávají nevyužité a někdy se dokonce plánované služby ani nikdy nespustí nebo při dožívání služby kmitočty opět „leží“ ladem.

Proto se zkoumají techniky, které by umožnily spolupráci mezi bezdrátovými sítěmi v souvislosti se sdílením a obchodováním se spektrem v reálném čase. Jedním z návrhů jsou tzv. zdvořilé protokoly pro sdílení spektra, kdy při detekci dalších uživatelů v síti jsou připojená zařízení nucena snížit svou kapacitu, aby všichni společně mohli sdílet stejné spektrum.

Jiný návrh se zabývá centralizovaným dynamickým přidělováním spektra (DSA, Dynamic Spectrum Allocation) pro různé bezdrátové systémy. Tímto směrem se ubíraly také dva evropské výzkumné projekty:

¨      DriVE (Dynamic Radio for IP Services in Vehicular Environments) http://www.ist-drive.org/;

¨      Over-DriVE (Spectrum Efficient Uni- and Multi-cast Services over Dynamic Multi-Radio Networks in Vehicular Environments) http://www.ist-overdrive.org.

Oba projekty se věnují otázkám spolupráce a sdílení spektra mezi službami založenými na UMTS a na DVB-T.

zdroj: projekt OverDrive

Využívání spektra

Běžné využívání spektra se různí během dne. Mnoho sítí je navrženo pro plné využití spektra během největší špičky, přitom v ostatní denní dobu je spektrum nevyužito. Na rozdíl od metody pevného přidělování kmitočtů pro podobné služby, DSA se pokouší sladit různé služby do jednoho spektra, a tak využít různé (doplňující se) vzorce jejich využití spektra. V ideálním režimu DSA se služby koordinují tak, aby každá služba měla přiděleno právě takové spektrum, aby vyhověla požadavkům uživatelů. Celkové potřebné spektrum je tedy menší než pro všechny služby zvlášť.

Různé typy bezdrátové komunikace se také různí podle místa, takže u potřebné spektrum závisí na konkrétní lokalitě. Městská aglomerace může být rozdělena do několika zón: průmyslová a transportní zóna; odpočinková zóna (restaurace, hotely, obchody); obytná zóna (domy, školy). Každá z těchto zón má jiné nároky na bezdrátovou komunikaci. Daly by se vytipovat i služby s rozdílnými požadavky na spektrum, které by se podle toho mohlo vyčlenit. Nicméně pokud by se používal stejný blok spektra v sousedních rádiových sítích, musel by se vyřešit vzájemné rušení.

Varianty dynamické alokace spektra

Nejjednodušší varianta DSA se označuje jako průběžné přidělování. Je podobná FSA, ale šířka bloku kmitočtového spektra přiděleného rádiové přístupové síti (RAN, Radio Access Network) se může měnit po krocích, aby se vyhovělo měnícím se podmínkám. Koordinaci si vyžaduje umístění ochranného pásma (guard). V rámci tohoto přístupu se spektrum pro jednu rádiovou síť dělí na úkor spektra pro sousední síť. Jakmile by se takto o spektrum dělilo více rádiových sítí v dané oblasti, byla by koordinace mezi sítěmi složitější (jedna síť by neuvolnila své spektrum, i když její soused by měl pásmo někde jinde ve spektru volné).

Další metodou je fragmentovaná DSA. Spektrum pro dynamické přidělování je braná v úvahu jako jednotný pool a každá rádiová síť by mohla dostat volitelnou část spektra kdekoli v rámci poolu. To by vyřešilo výše uvedený problém více RAN v jedné lokalitě. Tato metoda umožňuje větší pružnost při přidělování pásma, ale má své problémy s rušením a managementem prostředků.

Jak naznačily simulace v rámci projektů DriVE a OverDriVE, největší zisk z efektivního využívání spektra je možné dosáhnout, pokud jsou časové a prostorové charakteristiky systémů sdílejících pásmo dostatečně rozdílné.

1. 3. 2006

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA