JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Guidelines for contributing Technical Papers: download PDF

Tekniken bakom 5G

Tusen gånger högre kapacitet och 50 miljarder uppkopplade apparater. Det är kravet på 5G-tekniken som ska ta över efter LTE.
5G SKA GE:
•1 000 gånger högre ­datavolymer per ytenhet
•10 till 100 gånger fler ­upp-
kopplade enheter
•10 till 100 gånger högre ­
datatakter för slutanvändare
•10 gånger längre batteriliv för energisnål kommunikation för maskiner
•5 gånger kortare tidsfördröjning (End-to-End latency)
– De flesta kopplar introduktionen av 5G till 2020. Det brukar ta tio år från forskning till kommersiell teknik men det är inte säkert att det blir samma sak denna gång. Det är lite mer aggressivt än förut så starten kan komma ett eller två år tidigare.

Det säger Afif Osseiran. Han är anställd av Ericsson men jobbar till vardags som projektledare för forskningsprojektet Metis, ”Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty (2020) Information Society”. Metis är EU:s jätteprojekt kring 5G med en budget på 27 miljoner euro.

Förutom Ericsson deltar NSN, Nokia, Alcatel-Lucent och Huawei liksom fem operatörer och 13 universitet inklusive KTH och Chalmers. Plus biltillverkaren BMW.

Precis som vid tidigare generationsskiften kommer alla delar inte att vara klara vid starten. Tag bara LTE-standarden som kommit fram till version elva, eller ”Release 11” som den officiella beteckningen lyder. Vid den kommersiella lanseringen 2008 var det Release 8 som gällde och senare i år ska Release 12 bli klar. I princip skulle LTE kunna vässas för att ge tusen gånger bättre överföringskapacitet än vad dagens mobilnät hanterar.

 
 Afif Osseiran
Det som gör 5G-nödvändigt är alla prylar som ska kopplas upp till Internet. Dagens LTE-nät är designat för stora strömmar av mobildata, inte korta, snabba meddelanden från ett fordon eller en transformatorstation.

– Det blir lätt så att man skickar mer overhead än data när paketen är små. Det saknas tillräcklig granularitet i dagens version av LTE för de mer extrema fallen, säger Afif Osseiran.

Det hänger samman med att LTE använder OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) i kombination med QAM-modulation av underbärvågorna.

En tänkbar ersättare till OFDM är Filter Bank Multicarrier, FBMC. Den har visserligen en lite större sidlob, som spiller över i intilliggande band, men det är acceptabelt eftersom FBMC behöver mindre skyddsband (Guard Band). I bästa fall behövs de inte alls. Med FBMC går det också att minska kravet på synkronisering vilket skulle göra det lättare att få access för små datapaket.

Val av multiplexerings- och modulationsformer är en av de frågor som studeras i olika forskningsprojekt runt om i världen, projekt som förhoppningsvis ska ge ett globalt accepterat ramverk för det nya mobilsystemet.

Du får göra en del av bygget själv
För att 5G ska bli verklighet måste du själv installera och konfigurera de små femtobasstationerna som kommer att sitta i varje rum i ditt hem. Det är egentligen samma jobb du gör med ditt wlan-nät.

Förutom att du blir nöjd med uppkopplingen kan det också tänkas att operatörerna ger dig någon sorts bonus. De slipper ju trots allt förhandla med fastighetsägaren om att sätta upp basstationerna, de behöver inte skicka ut installatörer, du tar elräkningen och tillhandahåller Internetanslutningen.

I så fall kan du nog räkna med någon form av kompensation från din operatör som ju också kan sälja ledig kapacitet till dina grannar eller andra inom ”hörhåll”.

Kanske behöver operatörerna också ha access till dina femtobasstationer för att optimera näten, kanske klara de sig på egen hand. Eller så blir båda alternativen möjliga.

Däremot är det inte säkert att wlan blir en del av 5G-nätet.

–  Wlan finns nästan överallt och jag har svårt att tänka mig att alla skulle byta sina enheter. Det är inte praktiskt. Det saknar också gränssnitt för styrning, säger Afif Osseiran.
Precis som vid övergångarna från NMT via GSM och 3G till dagens LTE är alla komponenter uppe för diskussion, förutom modulationstekniker även frekvensband och cellplanering.

Men 5G ser också ut att släppa en del av de axiom som hängt med sedan mobiltelefonin uppfanns. Det gäller till exempel att två terminaler inte kan kommunicera direkt med varandra utan att blanda in en basstation.

– I Metis är det definitivt en av de teknikkomponenterna vi tittar på och vill ha med från början, säger Erik Ström som är professor i kommunikationssystem på Chalmers.

Idag är det basstationen som håller koll på alla resurser i nätet inklusive frekvensband, effektnivåer och tidsluckor. Basstationen i LTE fördelar dessa med fokus på spektraleffektivitet vilket tar tid. Inte så att du eller jag märker av fördröjningen. Tekniken fungerar utmärkt för att se på video, surfa eller läsa epost, men är för långsamt för realtidsliknade tillämpningar.

– I direktkommunikation måste man lösa resurstilldelningen på ett lite mer distribuerat sätt, säger Erik Ström.

Att kunna kommunicerar direkt mellan två enheter handlar inte bara om att byta musik eller videos utan att för den sakens skull tynga ned nätet. Det skulle öppna för helt nya tjänster som säkerhetshöjande kommunikation mellan fordon.

Därmed skulle 5G kunna blir en allvarlig utmanare till wlan-standaden 802.11p som utvecklats just för säkerhetskritisk fordonskommunikation.

Fast tillåter man direktkommunikation mellan mobilterminaler måste man bygga in olika scenarios så att nätet inte kroknar i morgonrusningen. Det handlar till exempel om att bilarna inte behöver utbyta statusmeddelande varje millisekund när kön kryper fram.

 
 Erik Ström
En annan viktig komponent vare sig man har direktkommunikation mellan två terminaler eller går via en basstation är fördröjningen, eller latensen som den ofta kallas. Idag ligger den i bästa fall neråt 20 ms men ofta är den betydligt högre. För att 5G ska kunna användas till säkerhetskritisk fordonskommunikation eller för att styra elnätet måste den bli kortare.

– Om en transformatorstation går ned måste man kunna koppla om i en annan inom 6 till 7 ms annars sprids felet vidare i nätet, säger Afif Osseiran.

För fordonstillämpningar ligger kraven neråt 5 ms. Ytterligare en funktion som behöver korta fördröjningar är taktil återkoppling. Då måste återkoppling neråt 1 ms för att handrörelserna ska stämma med det som ögat uppfattar.

På Chalmers tittar man också på helt nya former att bygga näten inklusive att placera en modifierad variant av basstationer i olika typer av fordon.

– Vi tänker oss en basstation som är mer som en repeater, en enhet med lite mindre intelligens, säger Erik Ström.

Då skulle nätet automatiskt förtätas där det samlas många fordon och därmed många människor, som vid ett idrottsevenemang eller i ett köpcentrum.

För fordon som bussar, tåg och spårvagnar skulle basstationerna mer likna dagens småceller och vara koordinerade med resten av nätet. En av fördelarna med konceptet är att hela gruppen kan göra hand-over samtidigt, något som minskar det administrativa jobbet för nätet.

– Ett av de stora utmaningarna blir att förse dessa basstationer med uppkoppling mot nätet, så kallad back-hauling.

För en av grundbultarna i dagens mobilnät att ju att basstationerna står kvar där de placerats ut. Om de åker runt blir det såklart krångligare att kontrollera interferenser mellan dem, att göra cellplanering och koppla upp dem till stamnätet.

Även om mobila basstationer är lockande är det långt ifrån säkert att det ger någon systemvinst. Det finns risk för att ökad overhead äter upp den förbättrade överföringskapaciteten.

En sak som i varje fall är säker är att 5G-nätet kommer att bestå av betydligt fler och mindre celler än dagens LTE-nät. Och privatpersoner kommer att få göra en del av bygget själva (se ruta).

Vilka radiogränssnitt det än blir kommer 5G att bestå av en myriad överlappande celler i olika lager som dessutom är relativt lätta att flytta. Det blir något att bita i för nätplaneraren och kommer också att leda till massvis med hand-overs när terminalerna byter från en basstation till en annan.

– Hand-over är egentligen bara en utmaning om man kör i riktigt hög hastighet, 200 km/h eller mer. I en byggnad rör man sig sakta och det finns planering för det i systemet. Fast får vi otroligt många prylar som är uppkopplade kan det bli en utmaning.

Allt högre upp i frekvens
Det kommer att behövs mer spektrum om man ska kunna höja överföringskapaciteten i 5G. Idag kan de bästa näten ge 200 till 300 Mbit/s i en cell, en siffra som går upp till 1 Gbit/s när LTE-Advanced implementeras.

5G lovar hela 10 Gbit/s i stadsmiljö, 1 Gbit/s i förorter och minst 100 Mbit/s på övriga ställen.

Då behövs bredare frekvensband vilket framförallt går att hitta högre upp i spektrum. Samtidigt ökar dämpningen liksom interferensproblemen. Det här är två frågor som forskarna ska försöka lösa innan det är dags för en kommersiell lansering.

På pluskontot hamnar det faktum att högre frekvenser innebär kortare våglängder och därmed mindre antenner.

– Man kan tänka sig att en accesspunkt kan ha hundratals antenner, säger Afif Osseiran.

Med så många antenner blir loben mycket smal och går den dessutom att styra blir det lite som en laserpekare, accesspunkten kan följa dig när du promenerar runt. Och med någon typ av multiplexering kan den säkert ”följa” alla andra som den betjänar utan att ni upplever någon försämring av överföringshastigheten.

I frekvensfrågan är det ITU-organet WRC som fattar besluten. World Radiocommunication Conference sammanträder inte mer än vart tredje till vart fjärde år och nästa gång är redan 2015.

Det mötet ligger för nära i tiden för att kunna öppna några nya frekvensband för 5G. Istället kommer korridorsnacket på mötet att ligga till grund för beslut som kan fattas på det därefter följande mötet, år 2018 eller 2019.

I princip är hela spektrum upp till ungefär 150 GHz intressant för olika delar av 5G-nätet. De riktigt höga frekvensområdena skulle kunna ge sammanhängande band på uppåt 10 GHz.

Rimligt att anta är att de lägre frekvenserna används utomhus i större makroceller, ungefär som idag, medan de nya och högre frekvensområdena passar bättre för små inomhusceller och mikrovågslänkar som kopplar upp basstationerna.

Samtidigt är de högra frekvensbanden över 60 GHz och uppåt betydligt känsligare för kraftigt regn som helt kan slå ut trafiken. Däremot har dimma eller snöfall nästan ingen påverkan.
Den Internationella Teleunionen ITU kommer att ”stämpla” den kommande 5G-standarden men lägger sig inte i detaljerna. Det blir upp till branschorganisationen 3GPP eller dess efterföljare att ta hand om. Men 5G är tänkt att användas för betydligt mycket mer än mobildata och telefoni.

– Konsumentområdet har egna lösningar och gillar inte att standardisera. Det finns också andra aktiviteter som inte drivs inom 3GPP för maskinkommunikation och för bilindustrin. Hur det blir får vi kanske se nästa år, om det blir 3GPP plus något annat organ som driver standardiseringen, säger Afif Osseiran.

En intressant fråga är om vissa frekvensband ska dediceras för till exempel fordons- eller energi­tillämpningar. Ska man använda 5G för säkerhetskritisk kommunikation är det såklart livsviktigt att inte överröstas av en strömmande video. Men även aktörer som kraftbolag vill gärna ha egna band. Kanske för att styra nätet men många har sedan länge egna fibernät och tjänar pengar på att sälja kapaciteten. Och skulle såklart kunna tjäna pengar på att sälja kapacitet även i ett 5G-nät.

En jätteutmaning är säkerheten. Förutom bedrägerier och att system inte tas över av utomstående handlar mycket om integritet när alla apparater är uppkopplade och mobilen hela tiden pejlas.

– Jag vill såklart inte att alla ska veta när jag tvättade eller vad jag åt till frukost. Användarna måste skyddas, säger Afif Osseiran.

Här krävs nytänkande och inte ett slentrianmässigt lagrande av alla detaljdata. Kanske kan elförbrukningen i ett helt kvarteret buntas ihop, utan att elnätsbolaget förlorar allt för mycket möjlighet att styra nätet?

Just energiförbrukningen är en av komponenterna som EU tagit med i arbetet kring 5G. Men det är inte bara i Europa som det forskas kring 5G. Framförallt i Asien finns ett antal konsortier som också vill vara med och sätta agendan medan det varit tyst kring 5G i USA.

– Det är klassiskt, EU tvingar företagen till samarbete medan amerikanska företag har svårt att sitta tillsammans och diskutera.

Det Sydkoreanska regeringen ska satsa motsvarande 10 miljarder kronor på 5G. En liten del av pengarna går till samarbetsprojektet ”5G Forum”. I Kina är det politikerna som drar upp ramarna för IMT-2020, nu ska forskarna fylla den med innehåll.

– Ericsson är involverat även i de asiatiska projekten och Hua­wei finns med i Metis, säger Afif Osseiran.

För att 5G ska bli en succé krävs såklart att det blir en global standard och därmed stora volymer av billiga produkter.
MER LÄSNING:
 
magasinet

230 elektronik­konsulter

Registrera ditt företag nu!
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik
Anne-Charlotte
Sparrvik
+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)