I december 2009 lanserades lite försiktigt den fjärde generationens mobila system i Sverige. 4g är baserat på standarden long term evolution (lte) och innebär förbättringar i radiogränssnittet, men också förändringar i kärnnätet och bland tjänsterna. Lte är i sig självt ingen teknik utan en serie tillägg, förbättringar och funktioner. Alla de här nyheterna kommer inte med en gång, utan tillförs gradvis.



Precis som vid tidigare generationsskiften introduceras en ny radioteknik som använder högre frekvenser, men den här gången tar branschen dessutom ett avgörande steg mot en renodlad ip-baserad mobil radiomiljö. I 4g har man helt utelämnat röstsamtal som egen tjänst i nätet. I stället tänker man sig att samtal ska bli en av alla de övriga ip-baserade realtidstjänster som användarna kräver, som videotelefoni, strömmande media och chatt.



Målet är så klart att ytterligare öka den rena datahastigheten, men också att få ner fördröjningen på de levererade datapaketen.



När man vill täcka stora ytor med trådlös teknik gäller det att nyttja det tillgängliga utrymmet väl. I de tidigare generationerna handlade det om att hitta en teknik som effektivt stödjer den datastruktur som användarnas tjänster genererar.

”Lte är ingen teknik utan en
serie tillägg, förbättringar
och funktioner.”



Luckor i tiden


I gsm/gprs, det vill säga andra generationens system, bygger luftgränssnittet på lagom stora tidluckor så att röstsamtal kan bäras effektivt. Datatrafik som uppträder betydligt mer ”skurvis” stöds visserligen, men med låga hastigheter.



I umts, den tredje generationens system, används den mer flexibla cdma-tekniken. Där sänder alla användare samtidigt på samma frekvens. Tekniken fungerar förvisso väl, men designen på näten innebär begränsningar eftersom 3g är uppdelat i kanaler som är fem megahertz breda. Dessutom uppnås de höga datahastigheterna genom att användarens data buffras i basstationen tills han eller hon befinner sig i en radiotopp. Då samverkar alla signalstudsar och skickas ut som en snabb och effektiv skur.

Det är ett effektivt sätt, men det ger upphov till viss fördröjning. I tester har vi så gott som alltid sett att fördröjningen i turbo-3g ligger mellan 100 till 300 millisekunder, vilket på sikt är alldeles för mycket.


I 4g används i stället den nygamla tekniken ofdm, orthogonal frequency division multiplexing. Tekniken är varken ny eller unik för mobilbranschen, utan används även i bland annat vanliga trådlösa datanät och i adsl. Generellt gäller att när hastigheten ökar minskar transmissionstiden för varje enskild databit.

Man kan enkelt räkna ut att i en sekventiell dataström på till exempel 100 megabit per sekund som utbreder sig med ljusets hastighet 3 000 000 kilometer per sekund blir varje bit tre meter lång i luften. Då inser man att signaler som studsar mot berg och hus kommer att innebära problem när väl alla signalstudsar når antennen, så kallad inter symbol interference.

En studs som tar en längre väg anländer när den kortaste vägen redan kommit in på nästa databit.


Fördelar. Ofdm fördelar
med hjälp av Fouriertransformering ut de snabba, sekventiella data över flera långsammare bärare. Varje så kallat resursblock består av en grupp med tolv bärarfrekvenser och dedikeras till en användare under en millisekund. I nerlänk, från basstationen till mobilen, kan dessa antingen ligga på frekvenserna brevid varandra eller vara distribuerade över tillgängligt spektrum för att undvika störningar.







Hastighet till rätt användare.
Den så kallade schemaläggaren fördelar resurserna till alla användare i cellen beroende på hur mycket data de har buffrat för ögonblicket. Tolv subfrekvenser delas ut under en millisekund i taget och om en användare har mycket data kan flera resursblock ges till honom under flera tidsperioder. På varje subfrekvens sänds 14 radiosymboler per millisekund.









Från meter till kilometer


Detta löser ofdm helt enkelt genom att inte höja den sekventiella hastigheten, utan i stället fördela bitströmmen på flera olika och långsamma radiobärare. Varje bärare är 15 kilohertz bred och kan bära 86 kilobit per sekund. Bitlängden i luften blir då över tre kilometer, vilket inte kommer att skapa någon inter symbol interference. Den ursprungliga, snabba bitströmmen fördelas i flera flöden med hjälp av Fourieranalys och varje subström läggs på en egen bärare i luften. Ett 20 megahertz brett utrymme har 1 200 underfrekvenser som kan fördelas över de användare som för ögonblicket behöver åtkomst.

Flexibilitet är ledordet för den som försöker bygga en mobil databärare där flertalet användare ska kunna samsas. Röstsamtal är inte längre i fokus, nu måste stötiga webbtillämpningar stödjas utan att utnyttjandegraden sjunker. Förutom att ofdm delar in tillgängligt spektrum i smala underbärare delas även tiden in i korta ramar om en millisekund. Det kallas transmission time interval (tti). Varje ram kan i grundutförande bära 14 radiosymboler och varje symbol kan med 64 qam-modulation bära sex bitar data.



Ny utveckling. I 2g och 3g tar data och kontrollinformation samma väg genom nätet. Data och telefoni är två olika saker och har egna protokoll. I 4g är allt baserat på ip. Mme tar hand om användarnas mobilitet, medans serving/pdn-gateway kopplar upp sig till övriga ip-nät. Mobilnätet saknar egna tjänster, men ims ger användarna tillgång till röst, video, chatt och sms fast helt ip-baserat.




Bithastighet beror på radiokvalitet. Varje millisekund skickas 14 radiosymboler. En radiosymbol är en ren sinusvåg, vars fas och amplitud bär data. Ju bättre radiokvalitet, desto mindre betydelsebärande skillnader kan användas. Med 64 qam bärs sex bitar data per radiosymbol.


Fler antenner ger högre hastighet. Mimo är en vital del i lte och en stor del av förklaringen till de högre hastigheterna. Flera mottagande antenner ger generellt högre hastighet, eftersom chansen ökar att någon av antennerna har god mottagning. Om användaren befinner sig hyfsat nära basstationen kan flera separata dataströmmar fördelas över de olika antennerna och hastigheten ökar linjärt.





Inspirerat av wlan


En annan viktig del av lte är tekniken multiple input multiple output, mimo. Precis som ofdm är mimo inspirerat av wlan, där tekniken är etablerad sedan några år. Mimo innebär att sändaren och/eller mottagaren har flera antenner som de nyttjar för både sändning och mottagning.

Vid mottagning är två eller fler antenner bra. Den mottagna signalen är ofta inte homogen utan består av flertalet signalstudsar från omgivningen. Bärvågen som finns i samtliga studsar kommer ovillkorligen att ha en inbördes fas som ligger olika på olika punkter. Bara några centimeters skillnad mellan antennerna kan göra stor skillnad, eftersom en bärvåg på 2,6 gigahertz inte är längre än elva centimeter. Med flera antenner kan mottagaren helt enkelt välja den för ögonblicket starkaste signalen.

Mimo kan även användas till så kallad spatial multiplexning och beam forming. Om sändaren utnyttjar avståndet mellan sina antenner och intelligent fasvänder sin sända signal på de respektive antennerna kan radiovågen riktas mot olika håll. Nu kan flera parallella dataströmmar sändas, men tekniken kan också användas för att nå längre ut och få högre effekt på signalen till en mottagare långt ute på cellranden. Det är möjligt utan att effekten har ökats.

Även kärnnätet kommer att bli effektivare i lte. En mängd ändringar görs och alla noder är numera baserade på ip.

Generellt sett vill man införa ett molnliknande tänk, där signalering och användardata inte nödvändigtvis måste följa samma spår. I 2g och 3g används samma noder för att skicka data som för att hålla reda på var en användare befinner sig. Nu har i stället mobiliteten lags i mme-noden. Nära kärnan finns serving gateway som genomför trafikprioritering, qos, och pdn-gateway som kopplar mot bakomliggande ip-nät, till exempel internet.

Bara ip-tjänster


Alla tjänster som tidigare var inbyggda i nätet är nu borta. Rösttelefoni och sms som tidigare hade egna protokoll realiseras nu av ip multimedia subsystem (ims) och körs över ip. Med hjälp av sip-protokollet hittar användarna varandra och sedan körs röst, video, chatt och sms som ip-tjänster som är oberoende av lte. Vilken underliggande ip-bärare som helst fungerar.

När lte är fullt utbyggt kommer vi att kunna njuta av datahastigheter på över 100 megabit per sekund med fördröjningar som inte är större än några få tiotals millisekunder. Då har vi en överallt närvarande mobil ip-bärare för morgondagens mobila tjänster.


Foto: Andreas Eklund Grafik: Jonas Englund


Läs fler artiklar om 4g på vår temasida här!


Så går du vidare, länkar


  • http://www.telia.se/4g. Telia var först i världen med att lansera 4g. På den här sidan finns en översikt över lte och avslöjanden om hur utbyggnaden kommer ske i Sverige.
  • http://www.3gpp.org/LTE. Läs om hur lte har standardiserats och om alla begrepp inom lte. Här finns också information om kommande tekniker som ska introduceras i de mobila näten.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/OFDM. Här finns en matematisk förklaring av hur orthogonal frequency-division multiplexing (ofdm) fungerar ur ett mer generellt perspektiv.