https://www.mobil.se/nyheter/reportage/reportage-halvv-gs-till-5g
561178
Ett nät för alla prylar

Reportage: Halvvägs till 5G

100 gånger snabbare data jämfört med dagens 4G, men människor är inte den främsta målgruppen när nästa generations mobilnät tar form. Vi ger dig en lägesrapport.

Sida 1

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. 

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.

Sida 2

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.

Sida 3

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.

Sida 4

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.

Ämnen

Nya möjligheter med 5G
4G innebar ett snabbare mobilt bredband, men enligt 5G-profetiorna kommer den nya generationen av mobilnät att öppna för helt nya typer av prylar och tjänster.

Video i 360 grader
Med snabbare uppkoppling blir det möjligt att strömma video med hög upplösning – och flera kameravinklar samtidigt. 5G i mobilen öppnar för virtual reality i realtid – till exempel att följa ett evenemang live via VR-headset.

Telemedicin
Med 5G väntas kraftigt förbättrade möjligheter att prioritera trafik så att viktiga funktioner kan garanteras den bandbredd och de svarstider som krävs. Målet är att 5G-näten ska vara tillräckligt tillförlitliga för att både undersökningar och operationer ska kunna utföras på distans.

Självkörande bilar
Framtidens förarlösa bilar blir ännu säkrare med hjälp av pålitlig uppkoppling. Information om väglag, köer och olyckor får bilen att fatta rätt beslut, och 5G-tekniken kan göra att informationen når fram snabbare – till exempel genom att bilarna kommunicerar direkt med varandra utan att gå via en basstation. 

Mobila sensorer
3G- och 4G-näten är byggda för att leverera mobilt bredband till relativt få användare och passar dåligt i lägen där låg kostnad och låg strömförbrukning är viktigare än höga datahastigheter. Med 5G blir det möjligt att koppla små batteridrivna sensorer direkt till mobilnätet – utan att gå omvägen via wifi, bluetooth eller Z-wave. 

Tactile Internet
Våra sinnen är olika känsliga för fördröjningar. Röstsamtal fungerar bra så länge datapaketen inte dröjer längre än 100 ms, men för att kunna fjärrstyra fordon, robotar eller kameror med en känsla av att vara på plats krävs kortare fördröjningar än 4G-näten kan leverera. 5G-visionerna utlovar ett ”Tactile Internet” där man kan känna på saker via nätet.

5G på forskningsfronten
5G-utvecklingen pågår just nu i EU-projekt, hos de stora telekombolagen och inom nationella satsningar i länder som USA, Japan och Sydkorea. Här är ett urval.

Metis-II
EU har delfinansierat en rad 5G-projekt och två av de mer tongivande är Metis och Metis-II. Förkortningen står för Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society och målsättningen är att bana väg för en global 5G-standard. Det första Metis-projektet studerade de övergripande vägvalen som krävs för att nå fram till en ny generation av mobilnät medan Metis-II är mer konkret och syftar till att visa hur etablerade och nya former av radioteknik kan kombineras i ett fungerande nät med rätt prestanda. Såväl Ericsson som Huawei, Nokia, Samsung och biltillverkaren BMW medverkar i Metis-II tillsammans med en rad andra operatörer, teknikföretag och universitet. Metis-II leds av Ericsson och pågår fram till juni 2017.

Webbplats: metis-ii.5g-ppp.eu

MMMAGIC
Millimetre-Wave Based Mobile Radio Access Network for Fifth Generation Integrated Communications. Som namnet antyder är inriktningen att lösa utmaningarna för mobilnät på millimetervåglängder. Projektet leds av Samsung och ska leverera sina resultat under 2017.

Webbplats: 5g-mmmagic.eu

5G forum of Korea
Sydkorea storsatsar på 5G och har samlat ett stort antal teknikföretag i projektet 5G Forum. Den sydkoreanska regeringen har satt upp målet att landet ska bli först i världen med ett kommersiellt 5G-nät och 5G Forum har planer på att visa upp flera fungerande tjänster i samband med vinter-OS i Pyeongchang 2018. 

Webbplats: 5gforum.org

Skybender
Google sägs ligga bakom ett av de mer spektakulära 5G-projekten. Tidningen the Guardian rapporterade i januari att Google provflyger soldrivna drönare med utrustning för dataöverföring på millimetervåglängder. Flygplanen kommer från Titan Aerospace – ett bolag som Google köpte 2014 – och lyfter från Spaceport America i New Mexico. Google själva är förtegna om projektet, men rapporterna stöds av dokument hos myndigheten FCC där Google beviljats tillstånd att använda frekvenserna.

Modem som blir bättre och bättre
Inför 4G talades det mycket om mjukvaruradio eller SDR (Software Defined Radio). Visionen var en radiodel för allt från LTE-nätet till wifi, bluetooth och NFC – och om nya, snabbare standarder introducerades skulle det räcka med en uppdatering för att man skulle få tillgång till dessa. SDR har blivit ett viktigt instrument när man utvecklar nya mobiler, men de färdiga produkterna har fortfarande separata chip för olika typer av radiokommunikation och ny firmware innebär sällan något jättelyft för prestandan.