Reportage: Halvvägs till 5G

Ett nytt decennium innebär av tradition en ny generation av mobilnät. Mobiltelefonin blev digital i början av 90-talet, 3G lanserades vid millennieskiftet och de första 4G-näten drog igång i slutet av 2009. Om allt går enligt plan är det mindre än fem år kvar till 5G – mobilnäten som ska klara de hittills största ökningarna både när det gäller antalet enheter och mängden data. Vi tittar närmare på hur det går till när en ny generation av mobilnät växer fram, var forskningen befinner sig idag och vilka funktioner som branschen pekar ut som de viktigaste argumenten för 5G.

I juni 2008 slog FN-organet ITU (Internationella Teleunionen) fast att framtidens mobilnät ska klara 100 Mbit/s och få alla typer av innehåll att fungera tillsammans – precis som på internet. 2G- och 3G-näten använder olika typer av uppkopplingar för data respektive för samtal, men detta skulle det alltså vara slut på nu. Standarden fick namnet IMT Advanced och innehåller en omfattande kravlista som anger vad som är ”riktig” 4G. Vilka funktioner som ska ingå i en viss mobilgeneration varierar med vem man frågar och många nät som marknadsförs som 4G motsvarar inte ITU-kraven. De två standarder som har stämplats som godkända är LTE Advanced och Wimax Release 2. 

Ericsson: ”5G förändrar allt”

ITU planerar att leverera en motsvarande standard för 5G – IMT 2020 – i slutet av 2019, men redan nu kan man få en bild av var specifikationerna kommer att hamna på några områden genom att titta på förslagen från de organisationer som ger inspel till ITU. Ambitionsnivån är högt ställd – 5G ska, jämfört med 4G och LTE Advanced, klara 10–100 gånger högre datahastigheter ut till användaren, fem gånger mindre latens (fördröjningar) och 1 000 gånger större datamängder samtidigt som frekvensutrymmet behöver användas mer effektivt och strömförbrukningen ska ned. Kommer näten att klara detta redan 2020?

– 5G är faktiskt mycket mer konkret än de flesta känner till, säger Björn Ekelund, forskningsdirektör på Ericsson. 

– På Mobile World Congress demonstrerade vi testsystem för 5G både år 2015 och 2016. Storleken har gått från kylskåp till portfölj samtidigt som hastigheten genom luften ökat från 5 Gbit/s till 25 Gbit/s.  Vi är faktiskt mycket längre fram än vid motsvarande tidpunkt inför lanseringen av 4G.

Utvecklingen av en ny generation mobilnät börjar i forskningsprojekt – inte sällan initierade av EU – där universiteten och företagen i branschen samarbetar för att undvika att det uppstår tio nya standarder istället för en eller två. För 2G och 3G utvecklades flera alternativ, men för 4G finns i praktiken bara LTE och med stor sannolikhet får vi en dominerande standard även för 5G. 

Björn Ekelund berättar att telekomindustrin arbetar tillsammans i den förkommersiella fasen. Det finns en konsensus kring att man måste komma överens för att det ska bli en bra teknisk lösning och en hälsosam marknad med fungerande konkurrens.

Varför 5G?
3G var efterlängtat eftersom mobiltillverkarna talade om mobilt internet, medan verkligheten kändes som mobil textteve. På motsvarande sätt fanns det ett sug efter 4G. 3G-nätet höll inte för tjänsterna som drev bredbandsutvecklingen omkring 2010 – Spotify, Skype, Youtube och tevebolagens strömmande sajter. Kommer löftet om ännu snabbare mobilt bredband att räcka för att vi ska känna ett behov av 5G? Sannolikt inte. Men så ser forskarna inte heller oss människor som den viktigaste målgruppen för 5G.

– 5G ska bli bättre och effektivare än 4G för kommunikation mellan maskiner, säger Erik Ström, professor och avdelningschef för kommunikationssystem på Chalmers tekniska högskola.

4G utvecklades för att ge snabbt och effektivt mobilt bredband till ungefär lika många enheter som det finns människor i ett område, men det är ofta ett dyrt och mindre lyckat alternativ för det användningsområde som kallas ”sakernas internet” eller IOT (Internet of Things). Erik Ström berättar att Metis-projektet – ett forskningsprojekt som tog fram grundläggande koncept för 5G – identifierade två huvudutmaningar för mobil IOT. 

Den första handlar om trenden mot fler och fler uppkopplade sensorer – från styrning av fastigheter till sportsensorer, väderstationer och parkeringsautomater. Datamängderna är små – i flera fall bara några kilobyte per dygn – men dagens mobilnät skalar dåligt och ger väldigt lite data per wattimme när man bara utnyttjar en bråkdel av den tillgängliga hastigheten. Kabeldragning och nätverk är ofta de största kostnaderna när man vill installera något nytt och det finns mycket att vinna på att samla många funktioner i samma fysiska infrastruktur – oavsett om det är en surfplatta, termometern som styr värmepumpen, teveboxen eller knappen till dörrklockan. Ett uttalat mål för 5G är att enkla sensorer ska fungera 15 år på en uppsättning batterier och kosta en tiondel jämfört med motsvarande enhet i ett LTE-nät.

Den andra utmaningen är kommunikation där stora ekonomiska värden – eller till och med liv och hälsa – hänger på att uppkopplingen fungerar. Från förarlösa fordon och fjärrstyrning av fabriker till trygghetslarm och telemedicin. 4G-näten är betydligt bättre än 3G när det gäller latensen, men i kritiska lägen kan det behövas ännu snabbare respons. Erik Ström tar upp självkörande bilar som ett exempel. 

– Bilarna har sensorer och behöver kunna prata både med varandra och med trafikinfrastrukturen. Man kan till exempel upptäcka hinder som man inte ser med sina egna sensorer och använda vägarna mer effektivt genom att köra med kortare avstånd mellan fordonen. På motorväg hinner man långt på några millisekunder och fördröjningen blir minst om kommunikationen går direkt mellan fordonen.

Beräkningskraft i mobilnätet
5G kommer att innehålla flera nya funktioner som minskar latensen – och öppnar för att göra saker som man inte skulle våga sig på med dagens trådlösa teknik.

– Ett 5G-nät erbjuder inte bara kommunikation utan också beräkningskraft i molnform – det kommer att bli möjligt att köra applikationer i mobilnätet, säger Björn Ekelund.

I basstationerna finns – utöver radioutrustningen – datorer som kan fungera som virtuella servrar. En fabrik skulle kunna låta program i molnet styra alla processer i realtid och slippa bygga upp lokala serverrum med strömförsörjning, kylning, backup och allt annat som krävs.                                    

– När man adderar latensen i mobilnätet till den som sträckan från basstationen till ett centralt datacenter innebär kan fördröjningarna bli för stora för exempelvis Cloud Robotics. Genom att flytta applikationen till mobiloperatörens virtuella datacenter i nätet kommer man fysiskt närmare och latensen blir tillräckligt låg. Även tillförlitligheten blir högre, menar Björn Ekelund.

IOT kommer att dominera i de färdiga 5G-näten – åtminstone sett till antalet enheter – men utvecklingen mot snabbare mobilt bredband fortsätter. Högupplöst video – 4k finns redan idag och såväl kameror som skärmar med 8k-upplösning lär dyka upp under 5G-nätens livslängd – är det användningsområde som driver upp datamängderna allra mest. Tillverkare som Samsung och Ericsson har visat upp 5G-prototyper med hög hastighet och fördröjningar på i storleksordningen 1 millisekund. Samsung illustrerade möjligheterna genom att låta åtta musiker spela tillsammans via videokonferens medan Ericsson har visat upp protyper som testar ny radioteknik i fält. 

– Prototyperna fokuserar på hög bandbredd – det är ju det som är svårast. Vi vet idag hur man skalar ned teknologin till en extremt strömsnål och billig nivå. Men det är hög hastighet som är tydligast som demonstration och visar på teknikens förmåga, säger Björn Ekelund.

Högre frekvenser
För att kunna uppnå de högsta datahastigheterna kommer 5G-näten att behöva stora block av frekvensutrymme. Att hitta lediga frekvenser var en utmaning redan när 4G rullades ut – det område som används av dagens trådlösa prylar är synnerligen väl intecknat. Det var inte möjligt att hitta någon frekvens som var ledig överallt i världen, så LTE-standarden fick stöd för ungefär 50 olika frekvensband och ärvde utrymme allteftersom gamla tjänster fasades ut – det kunde vara allt från analog teve till trådlösa telefoner och äldre mobilnät. Var 5G-frekvenserna kommer att hamna är inte klart, men att använda samma strategi som för 4G – att pussla in frekvenser här och var i området mellan 0,4 och 5 GHz – kommer inte att räcka hela vägen. Därför riktas blickarna mot högre frekvenser – från 6 GHz ända upp till 300 GHz – ett område som kallas EHF (Extremely high frequency) eller millimetervågor. 

– Vid 6 GHz går en form av vattendelare. Man får nya tekniska problem på de högre frekvenserna, säger Erik Ström. 

Frekvensområdet används idag främst för kommunikation mellan fasta punkter – till exempel mikrovågslänkar mellan byggnader eller för sändningarna från geostationära tevesatelliter. Erik Ström förklarar att det nya blir att kombinera hög mobilitet med höga frekvenser och att få förbindelsen att fungera även när man inte ser basstationen – det har inte gjorts tidigare, men blir ett måste för att klara kapacitetsmålen i 5G.

Antennerna krymper när frekvensen ökar, så med millimetervågor blir det möjligt att bygga kompakta antennsystem med hög förstärkning, men signalerna blir samtidigt väldigt känsliga för hinder av olika slag. Problemen börjar redan före själva antennen. Kablar, kontakter och skarvar i radiosignalens väg måste hålla extremt hög kvalitet för att inte energin ska studsa tillbaka in i sändaren eller försvinna som värmeförluster. Det fungerar ungefär som när man tittar ned från en båt och försöker se vad som döljer sig under vattnet – om vinkeln är för stor eller om ytan rör sig så sprids eller reflekteras ljuset och sikten bryts. Varje komponent blir som en ny övergång mellan luft och vatten och minsta avvikelse från de optimala egenskaperna leder till större förluster ju högre frekvensen är. 

När signalen väl färdas genom luften väntar nya utmaningar. I atmosfären finns vattendroppar och syrgasmolekyler som kan sprida ut signalerna så att de inte når fram till mottagaren eller absorbera energin och omvandla den till värme – samma fenomen som hettar upp maten i en mikrovågsugn, men i väldigt utspädd form. Effekten är olika stor för olika frekvenser, och exempelvis 28 och 38 GHz är intressanta kandidater för 5G-band medan sändningar på 60 GHz bara skulle leda till att man eldar för kråkorna. 5G kommer sannolikt också att innebära nya antennsystem – till exempel så kallad beamforming och en vidareutveckling av MIMO-tekniken. MIMO utläses multiple-input multiple-output. Tekniken slog igenom på allvar med LTE och innebär att man använder flera uppsättningar sändare och mottagare med var sin antenn för att skapa en snabbare och mer robust förbindelse. De höga frekvenserna gör att varje antenn blir mindre, så en basstation för 5G på millimetervåglängd skulle kunna bestå av över 100 antenner – ungefär tio gånger fler jämfört med 4G. Även mobiler och modem kan få fler antenner – till exempel åtta istället för två eller fyra. Att lägga till fler sändare/mottagare och antenner ger mer prestandaförbättring per volym än att använda samma utrymme för en ensam antenn med högre förstärkning eller antennvinst. MIMO gör det också möjligt att fånga upp signaler som har studsat eller spridits ut på sin väg mellan sändare och mottagare – en viktig egenskap eftersom höga frekvenser är dåliga på att ta sig igenom väggar och tak. När man sänder via ett antennsystem som består av ett så stort antal individuella antenner uppstår en annan intressant effekt – möjligheten att fokusera sändningen på en punkt trots att antennerna sitter fast monterade. Principen kallas ”massive beamforming” och innebär att man tajmar sändningen via de olika antennerna väldigt exakt och på så sätt kan studsa signalerna så att de strålar samman hos mottagaren. Basstationen kan byta konfiguration flera tusen gånger per sekund och på så sätt fokusera kontakterna med varje användare till exakt rätt plats. Beamforming kan både spara energi och göra det möjligt att täcka betydligt större ytor med samma sändareffekt. Baksidan är att man tappar möjligheten att skicka ut så kallade broadcast-paket som når alla mobiler i basstationens område. Broadcast används ofta och mycket i dagens mobilnät för att skicka ut tid, information om basstationen och annan metadata, men i ett 5G-system med beamforming kommer det att krävas nya lösningar för detta. 

Med 5G flyttas sammanfattningsvis fokus från kommunikation mellan människor till kommunikation mellan maskiner, och mobilnäten kommer att röra sig mot nya frekvensområden. Men att 5G-lanseringen kryper allt närmare innebär inte att LTE-nätens potential är helt uttömd.

– Det pågår en febril aktivitet i 4G också. Många idéer från 5G-utvecklingen går att plocka över i 4G – åtminstone till en viss gräns, säger Erik Ström. LTE Cat M och NB-IOT – energisnåla IOT-versioner av 4G – och lösningar för direktkommunikation mellan enheter är två exempel. Så 5G-tekniken kan göra stora avtryck även före 2020.

4G – Så blev det
Förväntningarna var höga när de första 4G-näten öppnade för trafik under 2009. Bredband i klass med fiber eller ADSL, mobiler som fungerar över hela världen och röst- och videosamtal med en helt ny nivå på kvaliteten. Idag – nästan sju år senare – har vi åtminstone en del av facit i hand. 

Mobilen kommer att fungera överallt
Allteftersom fler och fler operatörer valde LTE-spåret väcktes hoppet om en global mobilstandard – att samma mobil eller modem skulle fungera var som helst i världen. Även om LTE idag går att hitta nästan överallt så är det en fragmenterad standard där olika länder använder olika frekvenser. De flesta produkter har dock stöd för en handfull olika band och det är betydligt enklare att resa med mobilen idag än för 10 år sedan.

Kristallklart samtalsljud
Trots att mobilnäten får högre och högre kapacitet så håller ljudkvaliteten på vanliga samtal ungefär samma nivå som i telefonins barndom. 4G-tekniken har kapaciteten som krävs och det talades om VOLTE (Voice Over LTE) redan 2009, men tekniken tycks alltid ligga i planerna för ”nästa år” hos operatörerna.

Mobilt Wimax
IEEE-standarden Wimax var länge den hetaste kandidaten för 4G och redan 2006 fanns det Wimax-modem med betydligt snabbare uppkoppling än samtida 3G-prylar. Konkurrenten LTE – en uppföljare till UMTS – seglade dock upp som operatörernas favorit. LTE blev synonymt med 4G oavsett om operatören använt GSM/UMTS eller CDMA i sina 2G- och 3G-nät.

100 Mbit/s i fickan
4G enligt ITU-standard ska leverera upp till 100 Mbit/s till vanliga mobiler och upp till 1 Gbit/s om du har ett modem med riktantenn. Mobilerna lever upp till kravet i teorin, åtminstone vid nedladdning där toppfarten är ända upp till 300 eller 600 Mbit/s för enheter som Iphone 6S, Nexus 5X eller Samsung Galaxy S7. Mobilnäten har dock sällan stöd för de högre LTE-hastigheterna och i Sverige stannar den teoretiska maxhastigheten på mellan 64 och 100 Mbit/s beroende på operatör – med verkliga hastigheter i området 10–40 Mbit/s. Några nät eller produkter för gigabithastighet över 4G har ännu inte synts till.