5G V KAMPUSU

5G kampusová síť v Ostravě

Autor: Miroslav Vozňák, VŠB-TU Ostrava

První jednání ohledně 5G kampusové sítě v Ostravě proběhlo na jaře v roce 2019, kdy byla univerzita oslovena společností T-Mobile CZ s nabídkou odpilotování kampusové sítě. Hlavní myšlenka spočívala v tom, že T-Mobile dodá technologie z rozpočtu, který na odpilotování pro ČR uvolnil Deutsche Telekom a univerzita bude síť intenzivně využívat pro průmyslové aplikace. V tomto bodě je nutné říci, že VŠB-Technická univerzita Ostrava byla vždy úzce propojena s firmami, které se naučily akademické prostředí užívat pro své inovace. K tradičním oblastem, ve kterých se dnes intenzivně spolupracuje, patří samozřejmě IT, což je podpořeno i umístěním Národního superpočítačového centra v porubském kampusu a v neposlední řadě je to i automotive. Nedávno bylo v Ostravě otevřeno výzkumné a vývojové centrum německé automobilky Porsche, kde vzniká SW pro autonomní řízení a elektromobilitu. Právě autonomní řízení je jedna z domén, kde se 5G uplatní a samozřejmě průmyslová výroba, energetika či biomedicínské inženýrství, to vše patří mezi oblasti, které se na ostravské technice pěstují. Mezi dalšími důvody rozhodnutí T-Mobile CZ se obrátit na Ostravu najdeme i velikost a ucelenost univerzitního kampusu, který se svou rozlohou 39,7 ha patří mezi největší ve střední Evropě. Jako technologický dodavatel byla vybrána společnost Ericsson a k podpisu smlouvy o výstavbě mobilní 4G/5G kampusové sítě došlo na sklonku roku 2019.

Společnost T-Mobile a VŠB – Technická univerzita Ostrava dokončili v polovině roku 2020 výstavbu první privátní 4G/5G mobilní kampusové sítě v České republice. ČTÚ udělil univerzitě individuální oprávnění k využívání kmitočtů 3460-3500 MHz pro experimentální účely a T-Mobile dne 8.7.2020 spustil kampusovou síť a její funkční infrastrukturu. Nejprve bylo naplánováno spuštění kampusové 4G síti dle 3GPP REL-14 na 2,6 GHz s využitím kmitočtových rozsahů vlastněných TM CZ a následně v rychlém sledu po přidělení experimentálních kmitočtů 5G v NSA módu (Non-Standalone Access) dle 3GPP REL-15. Další vizí je pokračovat s 5G v SA módu dle 3GPP REL-16, což v této chvíli v Ostravě technologicky zajištěno není a jedná se pouze o myšlenku, ke které nicméně již proběhly první jednání s dodavatelem a provozovatelem. Spuštěním kampusové sítě v REL-16 by se ČR dostala mezi top experimentátory v Evropě, zatím má Deutsche Telekom tuto instalaci pouze na RWTH Aachen v Německu. Již jsme navázali kontakt s Centrem Excelence (Germany 5G Lab) v Aachen a proběhl rovněž společný workshop za širší účasti zainteresovaných zaměstnanců univerzity.

Než přejdeme ke kampusovým sítím, dovolte mi jednu souvislou uvozující větu k 5G. S oblibou studentům říkám, že zatímco 4G technologie uspokojí potřeby lidí, 5G přichází s pokrytím průmyslových nároků, a to především na nízkolatenční či vysokorychlostní přenosy včetně SLA. Kampusové sítě přidávají průmyslovému využití i další rozměr z pohledu kybernetické bezpečnosti a kontroly nad daty, které v konečném důsledku vůbec nemusí opustit průmyslový areál či datové centrum podniku, přičemž 5G řeší indoor i outdoor komunikaci.

Co je 5G kampusová síť?

Kampusová síť je uzavřená soukromá mobilní síť, která pokrývá pouze určitou oblast, jako např. průmyslový areál podniku nebo pouze jednotlivé budovy a koridor mezi nimi. Síť je přizpůsobena individuálním potřebám a požadavkům uživatelů zejména z pohledu síťové kapacity a bezpečnosti. 

Kampusové sítě nalézají v současnosti uplatnění i v průmyslové oblasti, přičemž organizacím či podnikům poskytují zejména konkurenční výhodu v podobě moderní přenosové technologie pro aplikace spojené s Průmyslem 4.0. Nespornou výhodou řešení je rovněž pokrytí sítě (možnost dokrytí různých vnitřních prostor, viz obr. 1), dostupnost či úplné řízení sítě. V rámci sítě soukromých kampusů má její vlastník úplnou kontrolu nad všemi aspekty sítě jako stanovení priorit, přidělování kapacity vybraným typům služeb či modifikace bezpečnostních zásad, což uživateli přináší potřebnou flexibilitu pro provoz vlastní infrastruktury s požadovanými KPI (Key Performance Indicator).

Studenti, výzkumní pracovníci, akademici ale i zájemci z řad firem mohou poprvé vyzkoušet fungování skutečné průmyslové kampusové 5G sítě podporující technologie Průmyslu 4.0 a nové aplikace s nízkou latencí a vysokou přenosovou rychlostí. Kampusová síť (dále rovněž jako CN) pokrývá venkovní univerzitní areál v Ostravě - Porubě včetně vybraných vnitřních prostor. Pokryty jsou prostory Protolabu pro 3D tisk plastů a kovů, kde je umístěna jedna z nejmodernějších 3D tiskáren kovových slitin v ČR a všechny vnitřní prostory testbedu chytré továrny (dále již jen jako Smart Factory), ta bude sloužit pro komunikaci robotů, autonomních vozítek a dalších strojů podílejících se na plně automatizované výrobě.

Využití kampusové sítě

Již v rámci výstavby kampusové sítě vznikaly a stále vznikají různé oblasti jejího využití. Jako příklad lze uvést využití kampusové sítě v nově vznikající Technologické laboratoři při Centru pokročilých inovačních technologií. Testbed „Smart Factory“ je digitální továrna s výrobní linkou s prvky Industry 4.0 kombinující fyzickou linku s mobilními roboty či částečně pásovými dopravníky. Zde se jistě uplatní vysoký potenciál kampusové 5G sítě. Kampusová 5G síť se tak stává ideálním řešením pro mobilní komunikaci ve Smart Factory a vyhovuje požadavkům pro moderní intralogistiku v oblasti Industry 4.0.

Architektura kampusové sítě

Architektura kampusové sítě je navržena tak, aby splňovala požadavky na pokrytí jednotlivých lokalit a prostorů, dále spolehlivost a bezpečnost řešení. Z tohoto důvodu je i geolokačně oddělana rádiová část sítě od jádra sítě. V současnosti je architektura sítě založena na tzv. NSA (Non-Stand Alone) módu, která je specifikována v 3GPP REL-15.  Zjednodušené blokové schéma sítě je zobrazeno na obr. 4 a je složeno z následujících komponentů:

• Radio Dot - anténa sloužící pro pokrytí vnitřních částí prostor
• IRU (Indoor Radio Unit) - vnitřní rádiová jednotka plnící funkci základnové stanice
• RRU (Remote Radio Unit) - venkovní rádiová jednotka plnící funkci základnové stanice
• BBU (Base Band Unit) - jednotka zprostředkující datovou komunikaci mezi jádrem mobilní sítě a rádiovými jednotkami, s rádiovými jednotkami komunikují prostřednictvím CPRI (Common Public Radio Interface) rozhraní,
• CORE - jádro sítě obsahující mj. funkce MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Gateway), PCRF (Policy and Charging Rules Function) a HSS (Home Subscriber Server).  

Rozhraní kampusové sítě

Rádiové rozhraní (Uu)

Rádiové rozhraní slouží pro komunikaci koncového zařízení se samotnou sítí. Kampusová síť je v současnosti provozována:

• pro LTE ve frekvenčním pásmu 2600 MHz (Band 7) se šířkou kanálu 20 MHz, je použit kmitočtový duplex,  2640 - 2660 MHz pro downlink,  2520-2540 MHz pro uplink,
• pro 5G ve frekvenčním pásmu 3500 MHz (Band n78) se šířkou kanálu 40 MHz, je použit časový duplex, 3460-3500 MHz v rámci individuálního oprávnění určené pro experimentální účely.

Optické rozhraní

Z pohledu fyzické vrstvy je optické rozhraní řešeno pomocí SM (Single Mode) optického vlákna dle doporučení ITU G.657A1. Tento typ optického vlákna je využit pro rozhraní S1 i SGi. Přes S1 rozhraní se přenáší signalizační zprávy mezi základnovou stanicí a MME a zároň uživatelská data mezi základnovou stanicí a SGW.

Využití 4G/5G CN v Ostravě a plány do budoucna

5G kampusová síť je klíčovou komunikační technologií v konceptu porubského univerzitního kampusu jako živé laboratoře a má úzkou návaznost na testbed Smart Factory, jehož spuštění proběhlo v říjnu 2020. V rámci provozu výroby bude realizována vzdálená výroba součástí a jejich přeprava autonomně naváděnými vozidly z centra aditivní výroby skrze dopravní koridor v kampusu do budovy Smart Factory. S využitím 5G se počítá v automotive testbedu zaměřeného na systémy pro autonomní jízdu automobilů a průmyslových vozidel. Dále je to oblast Home Care, kde se počítá s testbedem asistivních technologií, telemedicínských řešení a  prostředků domácí automatizace. Významnou aplikační oblastí je rovněž řízení energetických sítí, výroby, spotřeby a akumulace energie. Rovněž se počítá s experimenty v oblasti virtuální reality. Převažuje tedy záměr užití v oblasti ultraspolehlivé a nízkolatenční komunikace a v menší míře jsou rovněž zastoupeny aplikace vysokorychlostní. 

Způsoby využití a příležitosti pro další rozšiřování jsme prezentovali v listopadu 2020 na akci T-day, kde byl vyhrazeny dva bloky pro 5G kampusové sítě, přičemž jeden se věnoval technologiím a druhý byl živě přenášen z univerzitní Smart Factory včetně diskuze se vzdáleně připojenými účastníky ve virtuální místnosti, viz obr. 6.

Na závěr bych dodal, že se jedná o experimentální síť a tu bychom chtěli ponechat jako otevřenou nejen pro akademickou komunitu. Užitek z ní bude úměrný množství vývojových aktivit, které povedou k inovacím podporujících české firmy. Skutečnost, že experimentální 5G kampusová síť je vybudována na veřejné univerzitě vnímáme jako výhodu, protože může nabídnout maximální otevřenost požadavkům a férový přístup. 

V úplném závěru nemůžu opomenout poděkovat společnosti T-Mobile CZ za příležitost, investici, trpělivost a úspěšnou spolupráci při výstavbě první 4G/5G kampusové sítě v ČR, stejně tak to platí rovněž pro Ericsson jako výrobce dodaných zařízení. 

Tento článek vznikl s laskavým přispěním mých dvou kolegů, a to Dr. Libora Michalka a Dr. Petra Šimoníka z ostravské Fakulty elektrotechniky a informatiky.

Článek byl publikován v časopise Next Generation Telekomunikace (NGT), číslo 4/2020.

Články čísla 7/20: