Nowa polityka gospodarki widmem w Europie w kontekście bezprzewodowego dostępu do Internetu

Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej (Z-21) - Wrocław Nowa polityka gospodarki widmem w Europie w kontekście bezprzewodowego dostępu do Internetu Wersja okrojona Raport Z21/21 30 003 3/088/13 WROCŁAW, grudzień 2013

Metryka dokumentu Nr pracy : Z21/21300033/088/13 Nazwa pracy : Nowa polityka gospodarki widmem w Europie w kontekście bezprzewodowego dostępu do Internetu wersja okrojona Zleceniodawca : Praca Statutowa Data rozpoczęcia : styczeń 2013 r. Data zakończenia : grudzień 2013 r. Słowa kluczowe : Kierownik pracy : Wykonawcy pracy : widmo radiowe; szerokopasmowy Internet dr inż. Maciej Grzybkowski dr inż. Maciej Grzybkowski dr inż. Janusz Sobolewski Praca wykonana w Zakładzie Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności we Wrocławiu Kierownik Zakładu Z21: dr inż. Janusz Sobolewski Niniejsze opracowanie może być powielane i publikowane wyłącznie w całości Powielanie i publikowanie fragmentów wymaga uzyskaniu zgody Instytutu Łączności Copyright by Instytut Łączności, Wrocław 2013

Spis treści 1 Wstęp... 4 2 Prognozy rozwoju ruchu dla szerokopasmowego Internetu w Europie... 5 3 Polityka gospodarki zasobami widma częstotliwości radiowych przeznaczonymi dla potrzeb transmisji danych internetowych... 12 4 Efektywność wykorzystania widma częstotliwości radiowych... 22 4.1 Techniczna efektywność widmowa... 23 4.2 Ekonomiczno-socjalna efektywność widmowa... 28 4.3 Problemy braku efektywności wykorzystania widma... 30 5 Podsumowanie... 31 6 Literatura:... 33 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 3

1 Wstęp Burzliwy rozwój Internetu spowodował konieczność zapewnienia komunikacji z siecią zawsze i wszędzie. Nie można tego dokonać bez rozwoju komunikacji bezprzewodowej. Z kolei ten rodzaj komunikacji wymaga wykorzystywania zasobów widma częstotliwości radiowych. Jak ogólnie wiadomo, zasoby te nie są ograniczone i wiadomo, że po początkowym ekstensywnym użytkowaniu widma (przydzielanie dla potrzeb usług komunikacji radiowej coraz to nowych zakresów widma) nastąpić musiało jego intensywne wykorzystywanie. W Europie od niedawna trwają intensywne prace nad poprawą stopnia wykorzystania widma częstotliwości radiowych. W szczególności zwracana jest uwaga na zapewnienie neutralności technicznej i liberalizacji dostępu do widma nieskrępowanego już ścisłymi regulacjami. Celem nadrzędnym jest uzyskanie swobodnego dostępu przy zachowaniu i ścisłym przestrzeganiu warunków zachowania pełnej kompatybilności elektromagnetycznej. Znane już są wyniki cząstkowych prac, np. określono warunki obsadzania przez dowolne systemy radiowe pasma tzw. I Dywidendy Radiowej pod warunkiem niewywoływania zakłóceń w sąsiednim paśmie zajmowanym przez telewizję cyfrową. Przewiduje się, że Komisja Europejska ogłaszać będzie liczne konkursy dotyczące opracowania sposobu liberalnego dostępu do widma w różnych istotnych z punktu jej widzenia zakresach częstotliwości. Ze względu na nacisk społeczny jako pierwsze rozpatrywane będą pasma ważne z punktu widzenia rozwoju szerokopasmowego Internetu bezprzewodowego. Wraz z rozwojem Internetu rośnie, i to bardzo szybko, ruch danych w sieciach telekomunikacyjnych służących przesyłowi tych danych. Ruch danych jest tak duży, że do jego transmisji praktyczne mogą być używane jedynie sieci o dużej pojemności i przepustowości, czyli sieci szerokopasmowe. Prognozy wzrostu ruchu danych internetowych w szerokopasmowych sieciach telekomunikacyjnych zaprezentowane są w rozdziale drugim niniejszej pracy. Wyodrębniono w nich obszary geograficzne, aby pokazać i porównać rozwój ruchu w Europie na tle trendów globalnych, przy czym Europa podzielona została na dwa regiony: zachodni i centralno-wschodni. Z krótkoterminowych prognoz wynika, że w latach 2012 2017 najszybciej rozwijać się będzie dostęp do Internetu (ruch w sieciach) poprzez terminale ruchome. Z tego względu szczególną uwagę poświęcono prognozom dotyczącym rozwojowi ruchu w sieciach radiowych. Aby uzyskać punkt odniesienia o prognoz, w części drugiej rozdziału drugiego przedstawione zostały szacunki poziomu penetracji szerokopasmowego Internetu w Polsce na tle krajów europejskich. Uwypuklona została przy tym penetracja obszarów wiejskich naszego kraju w porównaniu z innymi krajami europejskimi. W rozdziale trzecim raportu przedstawiony jest zarys zasad polityki Unii Europejskiej dotyczącej medium przenoszenia ruchu internetowego w szerokopasmowych sieciach radiokomunikacyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem radiokomunikacji ruchomej, czyli widma częstotliwości radiowych. Pokazana jest tam obecna sytuacja, czyli wykaz zakresów częstotliwości, w których Unia Europejska zaleca obecnie prowadzić transmisję danych szerokopasmowego Internetu oraz wykaz zakresów planowanych do zagospodarowania w przyszłości, w krótkim i dalekim terminie. Rozmiar obecnych i planowanych zasobów widmowych przeznaczonych dla transmisji ruchu internetowego drogą radiową zależny jest od wielu czynników. W związku z tym przedstawione i opisane zostały schematy analizy popytu użytkowników na przyszłe użytkowanie widma wraz z oszacowaniem wpływu różnych 4 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

rodzajów trendów na popyt na przyszłe użytkowanie widma w terminach krótkim, średnim i długim. Zademonstrowane zostały także, w postaci schematu działania, ogólne zasady wyznaczania niezbędnych rozmiarów zasobów widmowych, które w szczególności mogą być wykorzystywane do wyznaczania przyszłych prognoz na zapotrzebowanie na widmo. Znane są takie prognozy dotyczące stopnia użytkowania widma częstotliwości radiowych w Europie w różnych podzakresach zakresu 400 6000 MHz przez systemy radiokomunikacji ruchomej oraz bezprzewodowe sieci lokalne RLAN w okresie do 2022 roku. Zostały one zaprezentowane również w rozdziale trzecim. Rozdział czwarty obejmuje opis efektywności wykorzystania widma radiowego w kontekście efektywności technicznej i ekonomiczno-socjalnej. Pokazane zostały tam techniczne miary efektywności w postaci różnych ogólnych wskaźników efektywności przy zastosowaniu różnych kryteriów (utylitarności, trendów popytu, stosowanej technologii i geograficznego). Na ich bazie określono w literaturze (raport dla Komisji Europejskiej) względną efektywność obecnego wykorzystania widma w zakresie 400MHz 6000 MHz w poszczególnych krajach Unii. Z kolei na podstawie literaturowych oszacowań względnej efektywności socjalno-ekonomicznej określono zakresy częstotliwości najbardziej efektywne pod tym względem w Europie. W zakończeniu umieszczono krótkie podsumowanie pracy z sugestiami ewentualnych dalszych prac na ten temat w przyszłości 2 Prognozy rozwoju ruchu dla szerokopasmowego Internetu w Europie Wraz z gwałtownym rozwojem Internetu zarówno pod kątem technicznym jak i rynkowym niezmiernie szybko rośnie transmisja danych w sieciach służących między innymi przekazywaniu danych internetowych. Polityka Unii Europejskiej (UE) zawarta w Europejskiej Agendzie Cyfrowej (EAC) [1] zakłada pełną dostępność do podstawowych usług szerokopasmowych (związanych głównie z Internetem) już na koniec 2013 roku i pełną dostępność do szybszego Internetu, o przepływności przekraczającej 30 Mb/s w roku 2020. Użytkownicy Internetu mają doświadczyć gwałtownego przyrostu usług internetowych związanego z niemal eksplozyjnym wzrostem transmisji niezbędnych danych. Szczególnie szybko ma rosnąć liczba transmisji drogą radiową. Średnioroczna stopa zwrotu z inwestycji internetowych CAGR odniesiona do danych transmitowanych w ruchomych środkach łączności ma, według istotnych źródeł [2, 3], w latach 2012 2017 osiągnąć w świecie poziom 66% (wobec 21 % w sieciach stałych) a w Europie 55%. Z tego względu problemy przenoszenia danych drogą bezprzewodową i rozwój systemów radiowych umożliwiających transmisje szybkiego Internetu są w aspekcie Europejskiej Agendy Cyfrowej bardzo istotne. Wzrost przepustowości sieci przenoszących ruch internetowy wiąże się z wieloma aspektami natury technicznej, ekonomicznej i organizacyjnej. Z punktu widzenia technicznego istotne jest dostarczenie użytkownikom produktów o wyrafinowanej technice, mogących spełnić ich oczekiwania i zaspokoić ich potrzeby na różnorakie usługi dostarczane przy pomocy Internetu. Prognozy wielkości ruchu internetowego w skali globalnej zostały przedstawione w tablicach 1 i 2. W tablicy 1 zilustrowana jest prognoza wzrostu całkowitego ruchu internetowego na świecie (lata 2012 2017) w rozbiciu na ruch przenoszony w sieciach stałych (kablowych, światłowodowych itp.), łączności ruchomej i rozległych sieciach komunikacji danych (sieci korporacyjne WAN, telewizyjne i telewizji na życzenie), ruch generowany przez użytkowników indywidualnych (konsumentów) i biznesowych oraz Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 5

uwzględniony jest podział ruchu z uwagi na kryterium geograficzne (wydzielone obszary kuli ziemskiej). Prognozowana przepływność ruchu internetowego określona jest w petabajtach (PB) w skali miesięcznej. Tab. 1. Prognoza rozwoju globalnego ruchu internetowego w latach 2012 2017 [2] Całkowity ruch IP [PB/miesiąc] w sieciach 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR 2012 2017 [%] stałych 31 339 39 295 47 987 57 609 68 878 81 818 21 komunikacji danych 11 346 14 679 18 107 21 523 24 740 27 668 20 łączności ruchomej 885 1 578 2 798 4 704 7 437 11 157 66 w segmencie rynku użytkownicy indywidualni 35 047 45 023 56 070 68 418 82 683 98 919 23 geograficznie biznes 8 552 10 530 12 822 15 417 18 372 21 724 21 Azja - Pacyfik 13 906 18 121 22 953 28 667 35 417 43 445 26 Północna Ameryka 14 439 18 788 23 520 28 667 34 457 40 672 23 Europa Zachodnia 7 722 9 072 10 568 12 241 14 323 16 802 17 Europa Środkowo- Wsch. 3 405 4 202 5 167 6 274 7 517 8 844 21 razem Europa 11 127 13 274 15 735 18 515 21 840 25 646 18 Ameryka Łacińska 3 397 4 321 5 201 5 975 6 682 7 415 17 Śr. Wschód i Afryka 701 1 049 1 483 2 013 2 659 3 465 38 całkowity ruch IP 43 570 55 553 68 892 83 835 101 055 120 643 23 W tablicy 2 przedstawiona jest prognoza rozwoju ruchu internetowego dotycząca sektora użytkowników indywidualnych w rozbiciu ruch przenoszony w sieciach służby stałej i ruchomej, ruch generowany za pomocą różnych aplikacji oraz pokazany jest podział ruchu w tym sektorze z uwagi na kryterium geograficzne. Z analizy danych przytoczonych w tablicach 1 i 2 wynika, że w Europie dla sektora użytkowników indywidualnych przeznacza się 2/3 ruchu internetowego, podczas gdy globalnie dla sektorowi temu przypisano 80% ruchu IP i stan ten utrzyma się do 2017 roku. Wynika stąd, że sektor biznesowy w Europie w większym stopniu, niż na świecie wykorzystuje Internet dla swoich potrzeb. Ponad połowa ruchu pożytkowana jest na transmisje wizyjne (internetowe wideo) i ten segment transmisji internetowych rozwija się najszybciej spośród różnych aplikacji. 6 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

Tab. 2. Prognoza rozwoju ruchu internetowego w latach 2012 2017 użytkownicy indywidualni [2] Ruch w Internecie generowany przez konsumentów [PB/miesiąc] w sieciach służby radiowej 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR 2012 2017 [%] stałej 25 525 32 097 39 206 47 035 56 243 66 842 21 ruchomej 684 1 239 2 223 3 774 6 028 9 131 68 przez poszczególne aplikacje internetowe wideo 14 818 19 855 25 800 32 962 41 916 52 752 29 sieć Web, e-poczta, dane 5 173 6 336 7 781 9 542 11 828 14 494 23 przesyłanie plików (P2P) 6 201 7 119 7 816 8 266 8 478 8 667 7 geograficznie gry online 22 26 32 39 48 59 22 Azja - Pacyfik 9 033 11 754 14 887 18 707 23 458 29 440 27 Północna Ameryka 6 834 8 924 11 312 14 188 17 740 21 764 26 Europa Zachodnia 5 086 5 880 6 804 7 810 9 197 10 953 17 Europa Środkowo- Wsch. 2 194 2 757 3 433 4 182 5 015 5 897 22 razem Europa 7 280 8 637 10 237 11 992 14 212 16 850 18 Ameryka Łacińska 2 656 3 382 4 049 4 588 5 045 5 487 16 Śr. Wschód i Afryka 410 640 944 1 334 1 818 2 432 43 całkowity ruch konsumencki 26 213 33 337 41 429 50 809 62 269 75 973 24 Dla użytkowników przemieszczających się w przestrzeni ważne jest wykorzystanie systemów ruchomych do przesyłania danych internetowych (takich jak przesyłki tekstowe, multimedialne, usługi wideo) na drodze radiowej. Ruch danych w systemach ruchomych generowany jest przez karty bezprzewodowe montowane w przenośnych komputerach i przenośnych terminalach używanych do łączności (np. w smartfonach). Do przenoszenia ruchu internetowego przez systemy radiowe wymagany jest odpowiedni zasób widma częstotliwości radiowych. Wraz ze wzrostem ruchu istnieje coraz większe zapotrzebowanie na szerokopasmowe kanały transmisyjne zajmujące coraz to więcej zasobów częstotliwości. W przypadku sieci, gdzie ruch przenoszony jest drogą radiową (sieci ruchome, WLAN) niezbędne jest zapewnienie im odpowiednio dużej przepustowości poprzez przydzielenia im odpowiednio dużych zasobów widmowych do realizacji niezbędnych transmisji bezprzewodowych. Wielkość tych zasobów (szerokość zakresów częstotliwości, liczba i szerokość niezbędnych kanałów częstotliwościowych) może być określona wtedy, gdy oszacowany zostanie poziom ruchu internetowego (przepływność danych). Prognozy wielkości takiego ruchu w skali globalnej zostały przedstawione w tablicy 3. W zdecydowanej większości ruchomy ruch internetowy przenoszony przez sieci komórkowe. Okazuje się, że ze względu na Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 7

ograniczone przepustowości sieci komórkowych część całkowitego ruchu może być wyniesiona poza nie, do krótkozasięgowych radiowych sieci lokalnych WLAN [4]. Sieci lokalne są w stanie przenieść dość dużą część ruchu całkowitego, a mianowicie tę część, która jest przenoszona na małym obszarze. Ten rodzaj ruchu internetowego (danych internetowych) Komisja Europejska (KE) określiła jako data traffic off-loading (ruch off load zwany na potrzeby niniejszego sprawozdania ruchem wyniesionym). KE zdefiniowała go jako ruch, który w obliczu przeładowania danymi ruchomych sieci makro- i mikrokomórkowych (UMTS - HSPA, LTE czy WiFi) przekierowywany jest do alternatywnych sieci dostępowych (radiowej służby stałej o krótkim i bardzo krótkim zasięgu) używających częstotliwości, które mogą, lecz nie muszą, być wyłącznie używane przez operatora sieci ruchomej. Przewiduje się, że ten rodzaj ruchu ma największe tendencje rozwojowe. Z danych prognozowanych w tablicy 3 wynika, że w ciągu 5 lat ruchomy ruch internetowy wzrośnie dwunastokrotnie, natomiast w Europie będzie rósł nieco wolniej ok. dziesięciokrotnie. Jak widać, będzie to okres burzliwego rozwoju tego ruchu. Tab. 3. Prognoza rozwoju radiowego (ruchomego) ruchu internetowego w latach 2012 2017 [2] Ruch danych w ruchomych systemach przenoszących Internet [PB/miesiąc] geograficznie 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR 2012 2017 [%] Azja - Pacyfik 310 614 1 168 2 053 3 377 5 257 76 Północna Ameryka 222 380 632 993 1 466 2 087 56 Europa Zachodnia 181 276 426 655 976 1 384 50 Europa Środkowo- Wsch. 66 116 211 365 577 845 66 razem Europa 247 392 637 1 020 1 553 2 229 55 Ameryka Łacińska 55 97 179 304 481 723 67 Śr. Wschód i Afryka 50 96 182 333 559 861 77 całkowity (ruchomy) ruch internetowy 885 1 578 2 798 4 704 7 437 11 157 66 Z punktu widzenia krajów Unii Europejskiej najbardziej istotne są przedstawione w tablicach 1-3 prognozy rozwoju ruchu internetowego dotyczące Europy. Prognoza europejska na najbliższe lata (dotycząca całkowitego ruchu IP) przedstawiona jest graficznie na rys. 1. w rozbiciu na ruch generowany w sieciach radiokomunikacji ruchomej oraz generowany w sieciach przewodowych i radiowych typu WLAN oraz w rozbiciu na kraje rozwinięte Europy Zachodniej i rozwijające się Europy Środkowo-Wschodniej. Jak wynika z danych przytoczonych w tablicach 1 i 2 najsilniejszy (procentowo) wzrost ruchu internetowego przewidywany jest w sieciach radiokomunikacji ruchomej, który na razie stanowi ułamek całkowitego ruchu. Należy tu zauważyć, że ruch ten stanowi obecnie 2,2% całkowitego ruchu IP a ma wzrosnąć w ciągu 5 lat do poziomu 8,9% całkowitego ruchu (ok. czterokrotnie), przy czym obserwowany jest silniejszy wzrost w krajach Europy Środkowo- Wschodniej z poziomu 0,6 % do 3,3% (a więc ponad pięciokrotnie). Wzrost ten, powstały 8 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

celem zaspokajania coraz to większych potrzeb użytkowników znajdujących się w ruchu na coraz to nowsze usługi internetowe, powoduje zapotrzebowanie na zwiększoną przepustowość sieci radiokomunikacji ruchomej, a w konsekwencji na konieczność dostarczenia użytkownikom coraz to nowych porcji widma częstotliwości radiowych. Rys. 1. Prognoza rozwoju ruchu internetowego w Europie Rys. 2. Prognozy ruchu w sieciach ruchomych w latach 2011 2015 na podstawie wielu źródeł Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 9

Należy jednak zwrócić uwagę na to, że każda prognoza wzrostu ruchu ( w tym przypadku ruchu internetowego systemach mobilnych) jest w znacznej mierze szacowana na podstawie obserwowanego dotychczasowego stanu usług (internetowych) i przewidywaniach możliwości wprowadzania nowych usług, nowych technik, zmian demograficznych itp. Wiele firm i organizacji publikuje swoje własne prognozy, które na ogół różnią się miedzy sobą. Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny opublikował niedawno w Sprawozdaniu ITU-R M.2243 [5] zestawienie takich prognoz, rys. 2. Jak jest to zilustrowane na rys. 2., prognozy publikowane przez różne firmy mogą się różnić nawet o ponad 200%. W rozważaniach prowadzonych w tym rozdziale głównie wykorzystywane są prognozy firmy Cisco (jedne z najbardziej optymistycznych). W odniesieniu do sieci ruchomych oczekuje się, że najszybciej (w skali globalnej) będzie rósł ruch generowany przez użytkowników smartfonów, co przedstawione jest na rys. 3. Stąd istnieć będzie zapotrzebowanie na kolejne, nowe zakresy widma radiowego, które powinny być przeznaczone dla systemów radiokomunikacji ruchomej (sieci komórkowych i WiMAX) i oddane do dyspozycji użytkownikom Internetu bezprzewodowego. Rys. 3. Prognoza wzrostu ruchu danych w sieciach ruchomych w latach 2012 2017 w skali globalnej w rozbiciu na rodzaje terminali końcowych [4] Natomiast szybki wzrost ruchu wyniesionego (off-load), o którym wspominano wcześniej i który powinien odciążyć od ruchu internetowego systemy komórkowe, ma doprowadzić do sytuacji, że w roku 2016 przewyższać on będzie ponad 3,5 krotnie ruch w systemach komórkowych. Spowodowane to jest malejącą rola ruchu internetowego generowanego przez komputery stacjonarne na rzecz smartfonów i tabletów. Wzrost ten przedstawiony jest na rys. 4 na przykładzie czterech krajów Europy (Francja, Niemcy, Włochy i Wielka Brytania). 10 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

Rys. 4. Obserwowany i spodziewany mobilny szerokopasmowy ruch wyniesiony w relacji do ruchu w systemach komórkowych [6] Niezmiernie interesujące jest to, że w systemach ruchomych w najbliższych latach rosła będzie rola korzystania z informatycznych zasobów internetowych gromadzonych w tzw. chmurze (cloud computing) jak np. baz danych, oprogramowania, pamięci itp. Dostęp do danych rozproszonych w chmurze (umieszczonych na innych komputerach niż użytkownika) wiąże się z koniecznością przesyłania ich przez Internet a praca z ich wykorzystaniem odbywa się przy pomocy takich terminali jak smartfony, tablety, czy laptopy. W szczególności dotyczy to aplikacji wideo, dla których obecnie jest przeznaczone ponad 55% ruchu internetowego użytkowników indywidualnych (tab. 2). Aplikacje i usługi chmurowe pozwalają na przezwyciężanie ograniczeń pojemności pamięci i mocy obliczeniowej terminali ruchomych. Dlatego ich znaczenie rośnie. Prognozowany względny wzrost ruchu danych pobieranych i wysyłanych do chmury w stosunku do całkowitego ruchu danych występującego w systemach ruchomych przedstawiony jest na rys. 5. Uwzględniając całkowity przyrost ruchu internetowego w systemach ruchomych w skali pięciu lat widać, że przyrost ruchu w komunikacji z chmurą będzie czternastokrotny. Rys. 5. Rosnąca rola ruchu danych w systemach ruchomych podczas korzystania z zasobów informatycznych umieszczonych w chmurze [4] Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 11

Największy wzrost ruchu internetowego przewidywany jest jednak w dziedzinie bezpośredniej internetowej komunikacji pomiędzy przedmiotami, urządzeniami czy czujnikami (sensorami), czyli w dziedzinie Internetu Rzeczy. Przewiduje się, że ten segment rynku czeka burzliwy rozwój a średnioroczna stopa zwrotu z inwestycji CAGR osiągnie w latach 2012 2017 w Europie Zachodniej poziom 97%. Prognoza wzrostu ruchu internetowego w tych latach dla komunikacji urządzenie urządzenie (M2M) w skali globalnej przedstawiona jest na rys. 6. Dotyczy to zarówno ruchu pomiędzy urządzeniami mobilnymi, jak i nieruchomymi. Jak widać, prognozuje się ponad dwudziestotrzykrotny przyrost ruchu. Z tego względu konieczne będzie zwiększenie pojemności kanałów łączności obsługujących Internet Rzeczy. Rys. 6. Ilustracja prognozy rozwoju radiowego (ruchomego) ruchu pomiędzy urządzeniami (M2M, Internet Rzeczy) w latach 2012 2017 [3] 3 Polityka gospodarki zasobami widma częstotliwości radiowych przeznaczonymi dla potrzeb transmisji danych internetowych Ze względu na potrzeby użytkowników, którzy wymagają dostępu do Internetu zawsze i wszędzie, boom na systemy bezprzewodowe spełniające ich życzenia musiał nastąpić wcześniej czy później. Obecnie jesteśmy obserwatorami niespotykanego dotychczas rozwoju środków dostępu bezprzewodowego do zasobów internetowych. W relatywnie krótkim czasie powstają coraz to nowsze systemy radiokomunikacyjne, coraz to nowsze środki przekazu, aby zaspokoić zapotrzebowanie na lawinę usług serwowanych za pomocą Internetu. Gwałtownie rośnie ruch danych w tych systemach. Stąd, dzięki rozwojowi techniki następuje wypieranie systemów o niskiej przepustowości na rzecz systemów o dużych możliwościach transmisyjnych. To z kolei pociąga za sobą konieczność stosowania terminali realizujących transmisje szerokopasmowe zapewniające dużą przepływność danych, które są widmożercze. Z tego powodu już obecnie coraz większe zasoby widma częstotliwości radiowych służą potrzebom działania systemów radiokomunikacyjnych realizujących transmisję danych dla potrzeb Internetu. Praktycznie we wszystkich sieciach komórkowych wdrażanych obecnie do użytku istnieje możliwość realizacji transmisji szerokopasmowego Internetu. Transmisje takie możliwe są również w sieciach bezprzewodowego (radiowego) dostępu lokalnego WLAN (RLAN). Zakłada się, że wszystkie aplikacje radiowe umożliwiające dostarczanie usług 12 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

komunikacji elektronicznej służyć będą dostępowi do zasobów Internetu. Obecnie w Europie już ponad 1500 MHz zasobów częstotliwości radiowych przeznaczonych jest dla potrzeb systemów ruchomych, które mogą zapewnić użytkownikom transmisję danych internetowych w szerokich kanałach umożliwiających szybka transmisję. Wykaz takich zakresów częstotliwości przedstawiony jest w tablicy 4 [11, 12]. Tablica 4. Wykaz zalecanych zakresów częstotliwości, w których obecnie w Europie możliwa jest transmisja danych szerokopasmowego Internetu w radiokomunikacji ruchomej Zakres częstotliwości [MHz] Ilość widma [MHz] Przeznaczenie (służba radiowa) Główne obecne użytkowanie Uwagi 790 862 72 RADIODYFUZJA, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej Radiodyfuzja (naziemna telewizja), PMSE, systemy obronne, TRA-ECS, radiomikrofony Tzw. I dywidenda cyfrowa, 60 MHz jest zaadaptowane dla potrzeb FDD 880 915 35 RUCHOMA, Radiolokalizacja GSM, TRA-ECS (IMT), MCV, systemy obronne Dostępny w całej Europie dla ECS 925 960 35 RUCHOMA, Radiolokalizacja GSM, TRA-ECS (IMT), MCV, systemy obronne Dostępny w całej Europie dla ECS 1710 1785 75 STAŁA, RUCHOMA 1805 1880 75 STAŁA, RUCHOMA GSM-1800, TRA- ECS (IMT), MCV, MCA, radioastronomia GSM-1800, TRA- ECS (IMT), MCV, MCA Dostępny w całej Europie dla ECS Dostępny w całej Europie dla ECS 1900 1920 20 RUCHOMA, Stała IMT 1920 1980 60 RUCHOMA, Stała IMT 2010 2025 15 RUCHOMA, Stała IMT Nieużywany, rozważane jest wykorzystanie alternatywne Dostępny w całej Europie Nieużywany, rozważane jest wykorzystanie alternatywne 2110 2170 60 RUCHOMA, BADANIA KOSMICZNE (głęboki kosmos), Stała IMT Dostępny w całej Europie 2400 2483,5 83,5 STAŁA, RUCHOMA, Amatorska, Amatorska satelitarna, Amatorska, amatorska satelitarna, ISM, SRD, RFID, aplikacje radiolokacyjne, Kluczowy dla WiFi Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 13

2500 2690 190 3400 3600 200 3600 3800 200 5150 5350 200 5470 5725 255 Łącznie 1575,5 Radiolokalizacja STAŁA, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej, Satelitarna eksploracja Ziemi, Radioastronomia, Badania kosmiczne (pasywne) STAŁA, STAŁA SATELITARNA, RUCHOMA, Amatorska, Radiolokalizacja STAŁA, STAŁA SATELITARNA, RUCHOMA Oznaczenia mniej znanych skrótów w tablicy: PMSE TRA-ECS MCV MCA SRD STAŁA SATELITARNA, SATELITARNA EKSPLORACJA ZIEMI, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej, RADIOLOKALIZACJA BADANIA KOSMOSU SATELITARNA EKSPLORACJA ZIEMI, MORSKA RADIONAWIGACJA, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej, RADIOLOKALIZACJA BADANIA KOSMOSU, Amatorska, Amatorska satelitarna szerokopasmowe systemy transmisji danych TRA-ECS, systemy obronne, PMSE, Radioastronomia Amatorska, BWA, stacje ziemskie FSS, PMSE, MFCN, aplikacje UWB, radary pokładowe BWA, stacje ziemskie FSS, MFCN, aplikacje UWB, linie radiowe Telemetria lotnicza, aktywne sensory (satelitarne), systemy obronne, aplikacje radionawigacyjne, radary morskie, radary pogodowe, linie zasilające satelity, RLAN Aktywne sensory (satelitarne), systemy obronne, aplikacje radionawigacyjne, radary morskie, radary pogodowe, linie zasilające satelity, RLAN Dostępny w całej Europie dla ECS Dostępny w całej Europie dla MFCN, radary poniżej 3410 MHz Dostępny w całej Europie dla MFCN Dotychczasowo w użyciu przez RLAN-y (jedynie w pomieszczeniach zamkniętych) Dotychczasowo w użyciu przez RLAN-y (WAS/RLAN) systemy do przygotowania programów w czasie specjalnych wydarzeń naziemne aplikacje radiowe umożliwiające dostarczanie usług komunikacji elektronicznej usługi komunikacji elektronicznej na pokładach statków usługi komunikacji elektronicznej na pokładach samolotów systemy (urządzenia) działające na krótkich dystansach 14 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

ISM urządzenia (systemy) przemysłowe, naukowe I medyczne RLAN radiowe sieci o zasięgu lokalnym WAS-RLAN radiowe sieci dostępowe o zasięgu lokalnym BWA szerokopasmowy dostęp bezprzewodowy (o dużej przepływności) MFCN ruchome i stacjonarne sieci komunikacji elektronicznej FSS satelitarna służba stała UWB ultra szerokopasmowe (systemy) Uwaga: Służby radiowe oznaczone są według kategorii ważności następująco: wielkimi literami (np. RUCHOMA) służby radiokomunikacyjne pierwszej ważności, chronione przed zakłóceniami ze strony innych służb; małymi literami (np. Stała) służby radiokomunikacyjne drugiej ważności; służby te nie powinny powodować szkodliwych zakłóceń w pracy stacji służb pierwszej ważności, nie mogą żądać ochrony przed szkodliwymi zakłóceniami ze strony stacji służb pierwszej ważności, którym częstotliwości już przydzielono lub mogą być przydzielone w późniejszym terminie, ale mogą żądać ochrony przed szkodliwymi zakłóceniami za strony stacji tej samej lub innych służb drugiej ważności, dla których częstotliwości mogą być przydzielone w późniejszym terminie. Użytkowanie każdego z wydzielonych zakresów częstotliwości jest inne. Wynika to z potrzeb w gospodarkach narodowych, umów międzynarodowych a często z tradycji użytkowania każdego z zakresów. Sposób użytkowania zakresu i stosowania tam różnych systemów radiowych zmienia się w czasie wraz z rozwojem techniki. Istotna sprawą jest dostosowanie przeznaczenia danego zakresu do potrzeb działania określonych służb radiowych. Prace nad wdrożeniem każdego nowego systemu radiokomunikacyjnego do użytku muszą być poprzedzone analizą możliwości jego działania w dziedzinie częstotliwości radiowych. Stąd powinien być zdiagnozowany ewentualny popyt na przyszłe użytkowanie poszczególnych zakresów w widmie częstotliwości radiowych. Popyt na użytkowanie widma w przyszłości musi być skonfrontowany z rzeczywistością. Należy więc szczegółowo rozpoznać obecne użytkowanie widma. Analiza popytu może być dokonana według schematu zamieszczonego na rys. 7. Obecne użytkowanie widma Popyt na przyszłe użytkowanie widma Trendy techniczne Obecne przeznaczenie i użytkowanie widma Ewentualne przyszłe przeznaczenie i użytkowanie widma Popyt na przyszłe użytkowanie widma Plany zmiany przeznaczeń/zyski Popyt sterowany przez konsumentów Popyt społeczeństwa Rys. 7. Schemat analizy popytu na przyszłe użytkowanie widma [9] Trendy popytu na wdrożenie najnowszych zastosowań postępu technicznego w dziedzinie transmisji szerokopasmowego Internetu w Europie, w zakresach częstotliwości wyszczególnionych w tablicy 4, zostały zanalizowane i przedstawione w raporcie przedłożonym Komisji Europejskiej [9]. Wyniki tych analiz mają ułatwić Dyrekcji Generalnej ds. Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 15

Sieci Komunikacyjnych, Treści i Techniki realizację polityki gospodarki zasobami widma częstotliwości radiowych przeznaczonymi dla potrzeb transmisji danych internetowych. W ramach tej polityki niezbędne będzie podjęcie decyzji o stymulowaniu kierunków rozwoju służb radiokomunikacyjnych i sposobu użytkowania widma w Europie w aspekcie informacji o popycie konsumentów wynikającym z zapotrzebowania na usługi i na rozwiązania techniczne. W tablicy 5 przedstawione zostały zasadnicze trendy popytu na użytkowanie widma w zakresach, w których możliwa jest transmisja danych dla potrzeb szerokopasmowego Internetu. Dane zamieszczone w tej tablicy zaczerpnięte są z raportu [9]. Skala popytu określona została w postaci symboli od największego ++ (wzrost ponad 50%) do najmniejszego -- (spadek o co najmniej 50%) poprzez stagnację =. Tablica 5. Oszacowanie wpływu technicznych, konsumenckich i społecznych trendów na popyt na przyszłe wykorzystanie widma w obecnym stanie użytkowania [9] Główne użytkowanie i zakresy częstotliwości [MHz] Główny trend Rodzaj trendu Popyt na przyszłe użytkowanie widma termin krótki termin średni termin długi Systemy ruchome/bwa 790 862 880 915 925 960 1710 1785 1805 1880 1900 1980 2010 2025 2110 2170 2500 2690 3400 3600 Główne wskaźniki sterujące rozwojem popytu użytkowania w tych systemach: rozwój i wdrażanie nowych coraz bardziej skomplikowanych urządzeń; rozwój ruchu wyniesionego do sieci WiFi (zarówno przez operatorów jaki i konsumentów); wprowadzenie do użytku technik 3,5G/4G (LTE/LTE Advanced) wprowadzenie do użytku technik (LTE/LTE Advanced) + +/++ +/++ techniczny =/+ = -- wzrost ruchu wyniesionego do WiFi techniczny - - - rozwój i wdrażanie nowych coraz bardziej skomplikowanych urządzeń techniczny + ++ ++ współużytkowanie widma i zagospodarowanie białych przestrzeni techniczny - - - femtokomórki techniczny - - - systemy radiowe w budynkach techniczny -/= -/= -/= rozwój WiMAX techniczny -/= -/= -/= wprowadzenie do użytku technik (LTE/LTE Advanced) konsumencki + + + wzrost ruchu wyniesionego do WiFi konsumencki - - -- rozwój i wdrażanie nowych coraz bardziej skomplikowanych urządzeń adaptacja aplikacji ruchomych pożerających dane wzrost przepływności w sieciach ruchomych konsumencki + ++ ++ konsumencki ++ ++ ++ konsumencki ++ ++ ++ adaptacja Internetu Rzeczy (M2M) konsumencki = = = rozwój femtokomórek konsumencki =/- =/- =/- 16 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

liczba operatorów sieci ruchomych konsumencki = =/- =/- współużytkowanie widma i zagospodarowanie białych przestrzeni konsumencki = - - Radiowe sieci o zasięgu lokalnym 2400 2483,5 3400-34 Główne wskaźniki sterujące rozwojem popytu użytkowania w tych systemach: stały wzrost osiągalności sieci WiFi oraz liczby ich użytkowników + + + wzrost liczby hotspotów techniczny + + + nowe standardy WiFi techniczny + + + roaming w sieciach WiFi (ruch wyniesiony) techniczny + + + wzrost liczby hotspotów konsumencki + + + stały wzrost osiągalności sieci WiFi oraz przyjęć nowych użytkowników stacjonarny dostęp bezprzewodowy na wsiach uwalnianie widma przeznaczonego dla WiMAX konsumencki ++ ++ ++ konsumencki = - - konsumencki = = =/- Jak wynika z analizy prognoz popytu umieszczonych w tablicy 5, istnieje duży popyt na widmo powstały szczególnie w wyniku rozwoju techniki, wprowadzania do użytku nowych technik, rozwoju sieci o zasięgu lokalnym oraz coraz to większego zapotrzebowania na wymianę danych. Popyt ten może być zaspokojony głównie w wyniku ekstensywnego zagospodarowania widma. Jednak nie cały popyt może być zaspokojony poprzez zwiększanie zasobów widma przeznaczonych do tego celu. Często brak jest takich możliwości. Dobre rezultaty mogą dać wówczas techniki i działania organizacyjne zwiększające efektywność wykorzystania widma obecnie dostępnego, o czym mowa będzie w następnym punkcie. Zidentyfikowane czynniki wpływające na popyt na widmo to [10]: innowacje prowadzące do nowych aplikacji, nowe techniki (cyfryzacja większości służb radiowych, urządzenia kognitywne), istotne założenia europejskiej polityki rozwoju służb radiowych, włączając w to współdziałanie, wymagania użytkowników np. ruchomość, większa przepływność, wyższe zakresy częstotliwości, inne pożytki z komunikacji bezprzewodowej w stosunku do przewodowej, jak szybkość wdrażania, koszt, elastyczność, potencjalne zyski dla obywateli i konsumentów (wartości socjalne, kulturalne, zyski ekonomiczne), a także ogólny klimat ekonomiczny. Perspektywy wzrostu użytkowania widma obecnie użytkowanego w Europie przez systemy radiokomunikacji ruchomej i mobilnego szerokopasmowego dostępu o dużej przepływności zilustrowane zostały na rys. 8 dla wariantów optymistycznego (realizowanego przy dużym popycie) i pesymistycznego (realizowanego przy popycie umiarkowanym). Z kolei na rys. 9 przedstawiono perspektywy użytkowania widma w Europie obecnie zajmowanego przez radiowe sieci o zasięgu lokalnym, również w wariantach optymistycznym i pesymistycznym. W obu tych przypadkach prognoza sięga roku 2022. Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 17

Wariant pesymistyczny Wariant optymistyczny Rys. 8. Prognoza użytkowania widma w Europie przez systemy radiokomunikacji ruchomej [9] Wariant pesymistyczny Wariant optymistyczny Rys. 9. Prognoza użytkowania widma w Europie przez lokalne sieci radiowe [9] 18 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

Wydawać się by mogło, że ponad 1500 MHz widma całkowicie zaspokoić powinno zapotrzebowanie na dostarczanie usług internetowych w Europie. Okazuje się jednak, że żywiołowy rozwój Internetu i w ślad za tym idące szybkie narastanie ruchu internetowego powoduje przeciążenie wykorzystania niektórych zakresów częstotliwości. Tak jest np. z zakresami GSM. Wprowadzanie nowych technik radiowych (jak np. IMT-UMTS) w te zakresy powoduje mnóstwo kłopotów związanych z potrzebami zapewnienia międzysystemowej kompatybilności elektromagnetycznej. W tej sytuacji konieczne jest określenie możliwości zagospodarowania nowych zakresów częstotliwości dla potrzeb szerokopasmowego Internetu na podstawie analizy popytu użytkowników i zapotrzebowania na widmo. Analiza popytu powinna zostać dokonana według schematu zamieszczonego na rys. 7, aby uwzględnić wszystkie możliwe czynniki, które mogą wpłynąć na ten popyt. 1. Definicje a) Usług, b) Środowiska usług, c) Środowiska radiowego, d) Grup Technik Dostępu Radiowego (RATG) 2. Analiza zebranych danych rynkowych 3. Obliczenie wymaganego ruchu dla usług i środowiska usług environment and services 4. Dystrybucja ruchu pomiędzy grupy RATG i wewnątrz każdej RATG RATG #1 RATG #2... RATG #n 5. Określenie wymaganej pojemności systemu do dostarczenia usług 6. Wymagania widmowe dla RATG #2 7. Zastosowanie niezbędnych doprecyzowań: pasma ochronne liczba operatorów minimalne wykorzystanie widma itp...... 8. Aggregate Obliczenie zagregowanych spectrum wymagań requirement widmowych s 9. Wymagania na określone rozmiary zasobów widmowych Rys. 10. Schemat wyznaczania rozmiaru zasobów widmowych [11] Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 19

Oprócz popytu jest jeszcze kilka czynników, które należy brać pod uwagę przy wyznaczaniu skali zapotrzebowania na widmo, zostały one przedstawione na schemacie sposobu wyznaczania zapotrzebowania na określone zasoby widmowe (co do rozmiaru i położenia w skali częstotliwości), rys. 10, opisany szczegółowo w Zaleceniu ITU-R M.1768 [11]. Schemat ten uwzględnia możliwości kierowania ruchu radiowego do różnych grup środków radiowych zwanych Grupami Technik Dostępu Radiowego (Radio Technology Access Group, RATG). Do grup RATG pokazanych na rysunku zaliczyć można (w przypadku służb ruchomych): systemy poprzedzające IMT, IMT i jego wersje rozwojowe; zaawansowane systemy IMT; istniejące sieci radiowego dostępu lokalnego i ich wersje rozwojowe oraz mobilne systemy rozsiewcze i ich wersje rozwojowe. Wypadkowy rozmiar widma powinien uwzględnić wszelkie kwestie związane z transmisją ruchu w ramach każdej z grup i wpływ ewentualnego oddziaływania miedzy nimi, a więc problemy zachowania kompatybilności. Ze względu na to, że właściwie brak jest niezajętych zakresów w tej części widma, gdzie możliwe jest wdrożenie współczesnych technik radiowych do transmisji Internetu (praktycznie poniżej 6 GHz), zdecydowano się w Europie na wybranie nowych zakresów do tego celu pozyskanie ich z puli zakresów istniejących i przeznaczonych do innych celów. Przegląd widma dokonany na zlecenie Komisji Europejskiej pozwolił na znalezienie takich potencjalnych zakresów, które w perspektywie krótko- (kilkuletniej) i długoterminowej (kilkunastoletniej) mogłyby umożliwić transmisję szerokopasmowego Internetu drogą naziemną. Zakresy te przedstawione są w tablicach 6 i 7. Nowa polityka gospodarki widmem Unii Europejskiej w kontekście bezprzewodowego dostępu do Internetu uwzględnia konieczność uwolnienia tych zakresów od wykorzystywania ich przez innych użytkowników na rzecz użytkowników szerokopasmowego Internetu, ewentualnie istnieć będzie możliwość współużytkowania tych zakresów. Tablica 6. Wykaz zakresów częstotliwości, w których w bliskim terminie w Europie możliwa jest transmisja szerokopasmowego Internetu drogą naziemną [8] Zakres częstotliwości [MHz] Ilość widma [MHz] Przeznaczenie (służba radiowa) Główne obecne użytkowanie Uwagi 1452 1492 40 RADIODYFUZJA, RADIODYFUZJA SATELITARNA, Stała, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej T-DAB, TRA-ECS (IMT) Zidentyfikowany jako uzupełniające łącza w dół dla MFCN 2300 2400 100 STAŁA, RUCHOMA, Amatorska, Radiolokalizacja Telemetria lotnicza, amatorska, aplikacje ruchome, PMSE W trakcie studiów CEPT nad wprowadzeniem systemów szerokopasmowych Łącznie 140 20 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

Tablica 7. Wykaz zakresów częstotliwości, w których w Europie możliwa jest w odległym terminie transmisja szerokopasmowego Internetu drogą naziemną [8] Zakres częstotliwości [MHz] Ilość widma [MHz] Przeznaczenie (służba radiowa) Główne obecne użytkowanie Uwagi 694 790 96 RADIODYFUZJA, RADIODYFUZJA SATELITARNA, Stała, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej Cyfrowa telewizja naziemna, PMSE, radiomikrofony, radary wiatrowe, radioastronomia Tzw. II dywidenda cyfrowa. Zakres przeznaczony do wspólnego użytkowania z systemami ruchomymi po 2015 r. Dolna granica zakresu będzie określona na konferencji WRC-15 1375 1400 25 STAŁA, RUCHOMA, RADIOLOKALIZACJA Systemy obronne, stałe linie radiowe małej pojemności, radioastronomia Wymagane przeniesienie linii radiowych i radarów w inne zakresy 1427 1452 25 STAŁA, RUCHOMA z wyjątkiem Ruchomej Lotniczej Systemy obronne, stałe linie radiowe małej pojemności Wymagana migracja systemów wojskowych i linii radiowych w inne zakresy 1880 1900 20 RUCHOMA, Stała, System dostępowy DECT Zakłada się zastąpienie sytemu DECT 3800 4200 400 STAŁA, STAŁA SATELITARNA Stacje ziemskie FSS, aplikacje UWB, linie radiowe dużej pojemności Potencjalne hotspoty na małym obszarze, trudności współużytkowania zakresu przez FSS i ruchome 5350 5470 120 RADIONAWIGACJA LOTNICZA, SATELITARNA EKSPLORACJA ZIEMI, RADIOLOKALIZACJA, BADANIA KOSMOSU Aktywne sensory (satelitarne), systemy obronne, aplikacje radionawigacyjne, radary pokładowe samochodowe i pogodowe Trwają badania możliwości współużytkowania zakresu z WiFi 5725 5875 150 STAŁA, STAŁA SATELITARNA, RADIOLOKALIZACJA, RUCHOMA, Amatorska, Amatorska satelitarna Amatorzy, szerokopasmowy stacjonarny dostęp bezprzewodowy BFWA, systemy obronne, ISM, SRD, aplikacje radionawigacyjne, radary pogodowe, Badanie możliwości identyfikacji zakresu dla BFWA Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 21

telematyka transportu i ruchu 5875 5925 50 STAŁA, STAŁA SATELITARNA, RUCHOMA Stacje ziemskie FSS, systemy inteligentnego transportu ITS, aplikacje radionawigacyjne Badanie możliwości współużytkowania zakresu przez WiFi, zakres przydzielony dla aplikacji ratunkowych ITS Łącznie 886 Jak wynika z przytoczonych wyżej wykazów zakresów częstotliwości, przewidywanych w przyszłości do przeznaczenia ich do szerokopasmowych transmisji internetowych, możliwe jest wykorzystanie do tego celu ponad 1000 MHz częstotliwości, czyli wzrost sumy zasobów widmowych o 2/3. Szczegółowa analiza możliwości przyszłościowego zagospodarowania zakresów częstotliwości wyszczególnionych w tablicach 6 i 7 przedstawiona jest w unijnym dokumencie [12]. Prawdopodobnie powinno to rozwiązać głód częstotliwości przeznaczonych dla potrzeb Internetu, jednak w międzyczasie należałoby poprawić stan gospodarki częstotliwościami już przydzielonymi dla tych celów. W szczególności należy poprawić efektywność wykorzystania obecnych zasobów. 4 Efektywność wykorzystania widma częstotliwości radiowych Zwiększający się ciągle nacisk na wprowadzanie nowych usług komunikacji elektronicznej spowodował konieczność uruchamiania coraz to nowych systemów radiokomunikacyjnych umożliwiających dostarczanie tych usług. Wymagało to jednak zajmowania coraz to szerszych i nowych zakresów częstotliwości. Po pewnym czasie okazało się jednak, co zresztą było do przewidzenia, że dostępne zasoby są na wyczerpaniu. Oznaczało to, że poszczególne zakresy (i wydzielone podzakresy) częstotliwości są w całości przeznaczone dla różnych służb radiowych i przez nie wykorzystywane. Administracje łączności poszczególnych krajów, a pośrednio przez nie różne organizacje międzynarodowe (jak np. Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny Sektor Radiokomunikacji, czy Konferencja Administracji Poczt i Telekomunikacji w Europie), naciskane były przez użytkowników widma o rozszerzenie oferty dostępności do coraz to nowych zasobów widmowych. Zaczęto się wówczas przyglądać zakresom, w których świadczone są usługi telekomunikacyjne, aby je lepiej wykorzystać. Jednym z celów współczesnej polityki Unii Europejskiej jest zapewnienie możliwie dużej efektywności wykorzystania widma częstotliwości radiowych w obliczu szybkiego rozwoju służb radiowych i niedostatecznej podaży zasobów widmowych. Ostatecznym celem jest zrównoważenie popytu i podaży na częstotliwości, w szczególności na te, które są i będą przydzielone systemom radiokomunikacji ruchomej służącym transmisji danych internetowych. Stopień wykorzystania poszczególnych zakresów częstotliwości określić można badając efektywność wykorzystania widma (tzw. efektywność widmową). Efektywność widmowa może być przy tym rozpatrywana w wielu aspektach, jednak najważniejsze są aspekty techniczne, ekonomiczne i funkcjonalne. 22 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

Techniczna efektywność widmowa rozumiana jest jako wykorzystanie danego zasobu widmowego (pasmo, zakres) w aspekcie maksymalnej ilości przepływu danych lub sygnałów głosowych na określonym obszarze geograficznym. Techniczną efektywność, która powinna być stosowane podczas oceny stopnia użytkowania widma, można mierzyć (i porównywać) wykorzystując takie parametry jak erlangi/mhz/km 2 lub Mb/MHz/km 2 np. dla sieci komórkowych, znając liczbę zajmowanych częstotliwości, obszar obsługi i model wtórnego wykorzystywania częstotliwości. Można również wyznaczyć inne obiektywne wskaźniki efektywności, posługując się ściśle określonymi kryteriami. Efektywność ekonomiczna może być wyrażona jako maksymalny dochód, zysk lub wartość dodana, która jest generowana przez określony zasób widmowy (istotna np. przy wejściu na rynek po nabyciu licencji czy przy wycenie widma). Z kolei efektywność funkcjonalna może być rozpatrywana pod kątem tego, w jakim zakresie wykorzystanie widma radiowego spełnia specyficzne potrzeby użytkownika, jak w szczególności umożliwia wykonanie zadań, które należy przeprowadzić bardziej efektywnie i skutecznie, niż byłoby to w innym przypadku [13]. Poniżej rozpatrzone zostaną przypadki efektywności technicznej i ekonomicznej, gdyż są to parametry mierzalne. Efektywność funkcjonalna jest parametrem subiektywnym, bezpośrednio niemierzalnym; można ją określić np. przy pomocy ankiet rozprowadzonych wśród wielu użytkowników systemów radiowych, którzy mogą porównać stopień zaspokojenia swoich potrzeb przy użytkowaniu różnych systemów. Ze względu na brak źródeł umożliwiających określenie efektywności funkcjonalnej, ten rodzaj efektywności nie będzie poniżej omawiany. 4.1 Techniczna efektywność widmowa Miary efektywności wykorzystania widma, które powinny być używane podczas oceny stopnia użytkowania widma mogą być różne. Inne miary można stosować do sieci radiowych systemów dyspozytorskich, inne dla sieci komórkowych a inne dla transmisji internetowych czy radiodyfuzji. Dla większości z systemów radiowych można jednak określić techniczną efektywność widma metodą porównawczą, za pomocą uniwersalnych wskaźników efektywności. Stosowane są przy tym różne kryteria tej efektywności. Zaliczyć można do nich np. [14] kryteria: utylitarności, trendów popytu, stosowanej technologii, geograficzne. Kryterium utylitarności stanowi miarę aktualnego wykorzystania przez każdą z aplikacji dostępnych zasobów widmowych oraz/lub czasu użytkowania poszczególnych zakresów częstotliwości. Dla wybranych systemów radiowych miary te mogą być przedstawione tak, jak np. w tablicy 8. Tablica 8. Techniczne miary utylitarności widma [14] Wskaźnik efektywności Ogólny wskaźnik (benchmark) 0 1 2 3 Nieużywane Mało używane Średnio używane Silnie używane Pasma komórkowe < 30% 30 60% 60 90% > 90% Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 23

(stare) Pasma komórkowe (nowe dostępne od 5 lat) Nieużywane Licencje wydane, ale nie użytkowane Licencje użytkowane w części zakresu Licencje użytkowane w całym zakresie Pasmo telewizji cyfrowej DTT Brak DTT 1 3 krajowych multipleksów 4 5 krajowych multipleksów > 5 krajowych multipleksów Pasma służby stałej Nieużywane < 1 linia radiowa na milion ludności 1 10 linii na milion ludności > 10 linii na milion ludności Różnicowanie efektywności według trendów popytu jest prostsze, bo obejmuje wszystkie aplikacje radiowe. W tym przypadku techniczne miary trendów popytu mogą być określone, jak w tablicy 9. Tablica 9. Techniczne miary trendów popytu [14] Wskaźnik efektywności 0 1 2 3 Ogólny wskaźnik (benchmark) Popyt malejący Popyt stabilny Niski lub średni wzrost popytu Silny wzrost popytu Kryteria stosowanej technologii zależne są od aplikacji, których ta technologia dotyczy. Natomiast miary efektywności zależą tu od stanu wdrażania najnowszych, widmooszczędnych technologii, przy czym wraz z postępem technicznym będą ulegać zmianie. Np. obecnie najbardziej widmooszczędną technologią w przypadku telefonii komórkowej jest LTE (lub WiMAX) a w przypadku telewizji DVB-T2. Techniczne miary stosowanej technologii przedstawione są w tablicy 10., przy czym wskaźniki efektywności odniesione są do aktualnego stanu techniki radiowej. Tablica 10. Techniczne miary stosowanej technologii [14] Wskaźnik efektywności 0 1 2 3 Pasma telefonii komórkowej Tylko GSM GSM EDGE Mieszanka GSM/HSPA/LTE LTE/HSPA lub równoważne Pasmo telewizji cyfrowej DTT Jedynie MPEG2 MPEG2 i MPEG4 Jedynie MPEG4 MPEG4 i co najmniej 1 DVB-T2 Pasma linii radiowych Wyłącznie analogowe Głównie analogowe kilka cyfrowych Głównie cyfrowe kilka analogowych Wyłącznie cyfrowe Pasma radiokomunikacji ruchomej PMR Wyłącznie analogowe, kanały 25 khz Wyłącznie analogowe, kanały w większości 12,5 khz Wyłącznie analogowe, kanały 12,5 khz Znaczna migracja do radiokomunikacji cyfrowej Ogólny wskaźnik (benchmark) Wykorzystanie widma wyłącznie w oparciu o dotychczasowe Wykorzystanie widma najczęściej w oparciu o dotychczasowe Wykorzystanie widma głównie w oparciu o najnowsze normy Wykorzystanie widma wyłącznie w oparciu o najnowsze normy 24 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

normy (standardy) normy (standardy) (standardy) (standardy) Geograficzne kryterium technicznej efektywności widmowej należy rozpatrywać w kontekście zasięgu (pokrycia) terytorialnego danej służby radiowej (bądź systemu radiowego) albo tzw. pokrycia ludnościowego. Ten drugi rodzaj pokrycia bardziej oddaje logikę efektywności widmowej, bo dotyczy pokrycia obszarów, gdzie istotne jest dostarczenie usług radiowych dla konkretnego społeczeństwa (obszarów zamieszkałych). Dla aplikacji związanych z dostarczaniem usług internetowych oraz usług telewizji cyfrowej można przyjąć takie miary efektywności widmowej, jakie przedstawione są w tablicy 11 [14]. Tablica 11. Techniczne miary zasięgu geograficznego Wskaźnik efektywności 0 1 2 3 Pasma telefonii komórkowej - dawno używane (zasięg ludnościowy) < 80% dla wszystkich sieci 80% choć dla jednej sieci 80% 90% dla wszystkich sieci > 90% dla wszystkich sieci Pasma telefonii komórkowej nowe (zasięg ludnościowy) Brak zasięgu < 50% 50 75% > 75% Pasmo telewizji cyfrowej DTT (zasięg ludnościowy) < 90% dla wszystkich multipleksów > 90% dla choć jednego multipleksu > 90% dla choć dwóch multipleksów > 90% dla wszystkich multipleksów Inne aplikacje (liczba geograficznych lokalizacji, gdzie wykorzystuje się widmo radiowe) ogólny wskaźnik Brak użytkowania widma Użytkowanie widma jedynie w jednej lokalizacji Użytkowanie widma w wielu lokalizacjach na części terytorium kraju Użytkowanie widma w wielu lokalizacjach na całym terytorium kraju Odrębnym zagadnieniem jest podniesienie efektywności wykorzystania widma na drodze współużytkowania poszczególnych zakresów częstotliwości przez wielu użytkowników bądź wiele aplikacji. Współdzielenie częstotliwości przez użytkowników widma znajdujących się na tym samym obszarze (sąsiadujących ze sobą), możliwe jest jedynie pod warunkiem wzajemnego się niezakłócania, czyli przy zachowaniu wymagań kompatybilności elektromagnetycznej wewnątrzsystemowej lub międzysystemowej. Biorąc pod uwagę efektywność techniczną wyznaczoną według przedstawionych powyżej czterech kryteriów, w sprawozdaniu [14] przedstawionym Komisji Europejskiej zilustrowano względną efektywność wykorzystania widma w krajach Unii w zakresie częstotliwości 400 6000 MHz. W zakresie tym w Europie wyznaczono kilkadziesiąt podzakresów, w których użytkowane są systemy dostarczające użytkownikom usługi internetowe. Dla potrzeb określenia efektywności ich wykorzystania przedstawiono je w tablicy 12 zgodnie z Europejską Tablicą Przeznaczeń Częstotliwości ECA [8]. Zakresy te, w Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 25

odróżnieniu od wyszczególnionych poprzednio, przy prognozach, sklasyfikowane zostały pod kątem harmonizacji ich zastosowań dla Internetu w Europie. Przy ustalaniu efektywności uwzględniano główne wykorzystanie każdego z zakresów, przy podziale widma na zakresy nieco innym niż w tab. 4. Tablica 12. Podzakresy częstotliwości ( z zakresu 400 6000 MHz) przeznaczone i zharmonizowane w Europie dla potrzeb usług internetowych Podzakres częstotliwości [MHz] 790 862 Główne przeznaczenie podzakresu (służba radiowa) według ECA Radiodyfuzja Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Główne wykorzystanie (harmonizacja) Zharmonizowany zakres dla IMT, pojedyncze stacje telewizyjne i reporterskie (PMSE) 876 880 Ruchoma 880 915 Ruchoma 921 925 Ruchoma 925 960 Ruchoma Zharmonizowany zakres dla GSM-R Zharmonizowany zakres dla GSM i IMT Zharmonizowany zakres dla GSM-R Zharmonizowany zakres dla GSM i IMT 1710 1785 1805 1880 Stała Ruchoma Stała Ruchoma Zharmonizowany zakres dla GSM i IMT Zharmonizowany zakres dla GSM i IMT 1900 1920 Ruchoma 1920 1980 Ruchoma 2010 2025 Ruchoma 2110 2170 Ruchoma Zharmonizowany zakres dla IMT TDD Zharmonizowany zakres dla IMT Zharmonizowany zakres dla IMT TDD Zharmonizowany zakres dla IMT 2300 2400 2400 2483,5 Stała Ruchoma Stała Ruchoma Systemy obronne, PMSE, potencjalnie przyszły zharmonizowany zakres dla IMT WiFi i inne systemy niewymagające pozwoleń 26 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław

2500 2570 2570 2620 2620 2690 3400 3410 3410 3600 3600 3800 5150 5250 5250 5350 5470 5650 5650 5725 5725 5795 5795 5815 5815 5850 5850 5925 Stała Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Stała Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Stała Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Stała Stała satelitarna Ruchoma Stała Stała satelitarna Ruchoma Stała Stała satelitarna Ruchoma Stała satelitarna Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Radiolokalizacja Radionawigacja morska Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Radiolokalizacja Ruchoma (z wyjątkiem lotniczej) Radiolokalizacja Stała satelitarna Radiolokalizacja Stała satelitarna Radiolokalizacja Stała satelitarna Radiolokalizacja Stała, Stała satelitarna Ruchoma Zharmonizowany zakres dla IMT Zharmonizowany zakres dla IMT TDD Zharmonizowany zakres dla IMT Systemy obronne, BWA, PMSE, zharmonizowany zakres dla IMT, aplikacje UWB Systemy obronne, BWA, PMSE, zharmonizowany zakres dla IMT BWA, aplikacje UWB, zharmonizowany zakres dla IMT WiFi, systemy obronne WiFi, systemy obronne WiFi, naziemne radary pogodowe WiFi BWA małej mocy Systemy inteligentnego transportu (ITS), RTTT, BWA małej mocy ISM, BWA małej mocy ITS, BWA małej mocy Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław 27

Względna efektywność wykorzystania widma w zakresie 400MHz 6000 MHz w poszczególnych krajach Unii przedstawiona jest na rys. 11, gdzie najbardziej efektywne wykorzystanie widma przedstawiono kolorem zielonym a najmniej efektywne kolorem czerwonym. Stopień efektywności w każdym podzakresie widma (o rastrze 200 MHz) odnoszony jest tam do najwyższego wykorzystania we wszystkich podzakresach dla wszystkich krajów. Ogólny wskaźnik efektywności wyznaczony został na podstawie kombinacji czterech indywidualnych wskaźników dotyczących każdego z kryteriów: utylitarności, trendów popytu, stosowanej technologii i geograficznego. Rys. 11. Porównanie (względnej) efektywności technicznej wykorzystania widma w zakresie częstotliwości 400 6000 MHz w różnych krajach Unii Europejskiej [14] Z analizy danych przytoczonych na rys. 11 wynika, ze najbardziej efektywne wykorzystanie widma pod względem technicznym występuje w Wielkiej Brytanii i w Holandii. Polska cechuje się średnim poziomem efektywności technicznej na tle krajów europejskich. 4.2 Ekonomiczno-socjalna efektywność widmowa Ekonomiczna efektywność widmowa integruje się z efektywnością socjalną, ponieważ obie posiadają wymiar dobrobytu społeczeństwa łączącego się z wykorzystaniem widma częstotliwości radiowych. Miarą efektywności ekonomicznej jest poziom dobrobytu ekonomicznego, czyli prywatnych korzyści konsumentów, operatorów i producentów wynikłych z ich działalności, natomiast miarą efektywności socjalnej jest poziom korzyści zewnętrznych lub kosztów aktywności zewnętrznych w stosunku do korzyści prywatnych. Dobrobyt ekonomiczny powiązany jest z ponoszonymi kosztami działalności oraz z zyskami z niej płynącymi (m.in. z dochodami, zatrudnieniem, dystrybucja dochody narodowego itp.), podczas gdy dobrobyt socjalny wiąże się, oprócz korzyści z koniecznością ponoszenia pewnych kosztów niematerialnych jakkolwiek niezmiernie ważnych, jak np. zanieczyszczenie środowiska (w tym również środowiska elektromagnetycznego), ewentualne zagrożenie zdrowia i życia ludzkiego (w tym zdrowia psychicznego) czy zmiana poziomu bezpieczeństwa egzystencji ludzi. 28 Raport Z21/21300033/088/13 Instytut Łączności, Wrocław