Hvordan fungerer 5G? | EMF Consult

Alt du trenger å vite om 5G

5G, som er 5. generasjon mobilteknologi, er en ny og mer teknisk avansert versjon av LTE-kommunikasjonssystemet som startet effektivt med 4G (4. generasjon mobilteknologi). Over tid vil 5G bruke en rekke forskjellige bærefrekvenser og moduleringer for å overføre informasjon.

Dagens mobilbrukere vil ha raskere datahastigheter og mer pålitelig service. Den neste generasjonen av trådløse 5G nettverk lover å levere det, og mye mer. Med 5G kan brukerne kunne laste ned en HD-film på under et sekund (en oppgave som kan ta 10 minutter med dagens 4G LTE). De nye 5G nettene vil øke utviklingen av annen ny teknologi, for eksempel autonome kjøretøyer, virtuell virkelighet og tingenes internett (IoT).

Hvis alt går etter planen, håper teleselskapene å debutere med de første kommersielle 5G-nettverkene tidlig på 2020-tallet. Akkurat nå er 5G fortsatt i planleggingsstadiene, og bedrifter og bransjegrupper jobber sammen for å finne ut nøyaktig hva det vil være. Men de er alle enige om en sak: Da antallet mobilbrukere og deres krav til data stiger, må 5G håndtere langt mer trafikk med mye høyere hastigheter enn de basestasjonene som utgjør dagens mobilnett. – For å oppnå dette, utvikles det en serie med helt nye teknologier. Sammen vil disse teknologiene levere data med mindre enn et millisekund forsinkelse (sammenlignet med ca. 70 ms på dagens 4G-nettverk) og gi topp nedlastningshastigheter på 20 gigabits per sekund Gb/s (sammenlignet med 1 Gb/s på 4G) til brukerne.

For øyeblikket er det ennå ikke klart hvilke teknologier som vil gjøre mest for 5G i det lange løp, men noen få tidlige favoritter har dukket opp. De som ligger lengst frem inkluderer:

  • millimeterbølger
  • små basestasjoner (small cells)
  • massiv MIMO
  • stråleforming
  • full dupleks

For å forstå hvordan 5G vil avvike fra dagens 4G-nettverk, er det nyttig å gå gjennom disse fem teknologiene og vurdere hva hver vil bety for brukere av trådløst utstyr.


Merk: Denne artikkelen tar ikke for seg eventuelle helsevirkninger fra 5G. Det finnes allikevel grunn til å innta en føre-var holdning overfor denne teknologien. Flere enn 180 forskere og leger fra 37 land, anbefaler en utsettelse av utrullingen av femte generasjon, 5G, for telekommunikasjon, inntil mulige risikoer for menneskers helse og for miljøet er blitt undersøkt fullt ut av bransjeuavhengige forskere. Denne 5G-apellen er oversatt til norsk og kan leses her.


Millimeterbølger
Dagens trådløse nettverk har støtt på et problem: Flere mennesker og enheter bruker mer data enn noen gang før, disse enhetene stappes inn i de samme frekvensbåndene i radiofrekvensspekteret som mobilleverandører alltid har brukt. Det betyr mindre båndbredde for alle, noe som gir langsommere service og flere tapt tilkoblinger.

En måte å komme seg rundt dette problemet er å overføre signaler til en helt ny del av spekteret, til frekvenser som aldri har blitt brukt til mobiltjeneste før. Derfor eksperimenterer leverandørene med kringkasting på millimeterbølger, som bruker høyere frekvenser enn radio- og mikrobølgene som lenge har vært brukt til mobiltelefoner.

Millimeterbølger sendes ved frekvenser mellom 30 og 300 gigahertz (GHz). Dagens mobile enheter bruker til sammenligning frekvensbåndene under 6 GHz. De kalles millimeterbølger fordi de varierer i lengde fra 1 til 10 mm, sammenlignet med radiobølgene som serverer dagens smarttelefoner, som måler titalls centimeter i lengden.

Hittil har bare operatører av satellitter og radaranlegg brukt millimeterbølger til virkelige bruker applikasjoner. Nå har enkelte mobilleverandører begynt å bruke dem til å sende data mellom stasjonære punkter, for eksempel mellom to basestasjoner. Men bruk av millimeterbølger for å koble mobilbrukere med en nærliggende basestasjon er en helt ny tilnærming.

Det er en stor ulempe ved millimeterbølger, de har problemer med å trenge gjennom bygninger eller hindringer, og de kan absorberes av løvverk og regn. Derfor vil 5G-nettverk sannsynligvis, i tillegg til tradisjonelle mobilmaster, utvides med en annen ny teknologi, kalt små celler.

Frekvensbåndet 24,25 GHz til 27,5 GHz prioriteres over hele Europa som det første høyfrekventbåndet for 5G og inngår i mm-bølgen delen av spekteret.

Merk: Vann absorberer veldig godt millimeterbølger. Våt sement absorberer nesten all mm-bølgen som påvirker overflaten. Mennesker absorberer nær 100% av energien til millimeterbølger som rammer dem.

Hvorvidt mm-bølger vil trenge inn i hjemmet avhenger av mange faktorer. Over 30 GHz kan bølgene gli gjennom lange spor som f.eks. rundt vinduskarmer. Dette kan gjøre det vanskelig å unngå at mm-bølger kommer inn i boligen. Metallflater reflekterer millimeterbølger så effektivt som det reflekterer mikrobølger, men et metallnett er mindre nyttig, da de mindre bølgene lettere glir mellom trådene i en maske. Veldig finmasket nett kan allikevel gi god skjerming.

Små basestasjoner (small cells)
Små celler er bærbare miniatyrbasestasjoner som krever minimalt strømforbruk og kan plasseres hver 250 meter eller så i byene. For å hindre signaler fra å bli tapt, kan operatører installere tusenvis av disse stasjonene for å kunne servisere et utall av brukere hvor som helst.

Mens tradisjonelle mobilnettverk allerede har blitt avhengig av et økende antall basestasjoner, vil oppnåelse av 5G-ytelse kreve en enda større infrastruktur. Heldigvis kan antenner på små celler være mye mindre enn tradisjonelle antenner hvis de overfører små millimeterbølger. Denne størrelsesforskjellen gjør det enda enklere å montere slike miniatyrbasestasjoner på lysstolper og på bygninger.

Denne radikalt forskjellige nettverksstrukturen skal gi mer målrettet og effektiv bruk av frekvensspektrum. Å ha flere stasjoner betyr at frekvensene som en stasjon bruker til å koble til enheter i ett område, kan gjenbrukes av en annen stasjon i et annet område for å betjene en annen kunde. Det er et problem at det store antallet små miniatyrbasestasjoner som kreves for å bygge et 5G-nettverk, kan gjøre det vanskelig å sette opp et effektiv nett på landsbygda.

I tillegg til kringkasting over millimeterbølger vil 5G basestasjoner ha mange flere antenner enn basestasjonene i dagens mobilnettverk – for å dra nytte av en ny teknologi: massiv MIMO.

Massiv MIMO
Dagens 4G basestasjoner har et dusin porter for antenner som håndterer all mobiltrafikk: åtte for sendere og fire for mottakere. Men 5G basestasjoner kan støtte inntil hundre porter, noe som betyr at mange flere antenner kan plasseres på en enkelt basestasjon. Denne egenskapen betyr at en basestasjon kan sende og motta signaler fra mange flere brukere samtidig, og øke kapasiteten til mobilnett med en faktor på 22 eller høyere.

Denne teknologien kalles massiv MIMO. Alt starter med MIMO (multiple-input multiple-output), som står for flere-innganger-flere-utganger. MIMO beskriver trådløse systemer som bruker to eller flere sendere og mottakere til å sende og motta flere data samtidig. Massiv MIMO tar dette konseptet til et nytt nivå ved å tilby dusinvis av antenner på en enkelt basestasjon.

MIMO er allerede funnet på noen 4G basestasjoner. Men så langt har massiv MIMO bare blitt testet i laboratorier og noen få feltforsøk. I nye tester har det blitt satt nye rekorder for spektrum-effektivitet, hvilken er av målene for hvor mange bit eller data som kan overføres til et bestemt antall brukere per sekund.

Massiv MIMO ser veldig lovende ut for fremtiden for 5G. Men det å installere så mange flere antenner som håndterer mobil trafikk forårsaker også mer interferens hvis de signalene krysser hverandre. Derfor må 5G-stasjoner inneholde stråleforming.

Stråleforming
Stråleforming er et trafikksignaleringssystem for cellulære basestasjoner som identifiserer den mest effektive dataleveringsruten til en bestemt bruker, og samtidig reduserer forstyrrelser for andre brukere i nærheten. Avhengig av situasjonen og teknologien, er det flere måter for 5G-nettverk å implementere dette.

Stråleforming kan hjelpe massiv MIMO-nettverk til å effektivisere bruken av spektret rundt dem. Den største utfordringen for massiv MIMO er å redusere interferensen, mens mer informasjon blir sendt fra mange flere antenner på en gang. Ved massive MIMO-basestasjoner tegner signalbehandlingsalgoritmer den beste overførselsruten gjennom luften til hver bruker. Deretter kan de sende individuelle datapakker i mange forskjellige retninger, og reflektere dem av bygninger og andre objekter i et nøyaktig koordinert mønster. Ved å koreografere pakkenes bevegelser og ankomsttid, kan stråleforming tillate flere brukere og antenner i et massiv MIMO nettverk å utveksle mye mer informasjon på en gang.

For millimeterbølger er stråleforming primært brukt til å adressere et annet sett med problemer: Mobiltelefonsignaler blokkeres lett av objekter og har en tendens til å svekkes over lange avstander. I dette tilfelle kan stråleforming hjelpe ved å fokusere et signal inn i en konsentrert stråle som bare peker i retning av en bruker, i stedet for å sende i flere retninger samtidig. Dette kan øke muligheten for at signalene når frem til brukerne og reduserer forstyrrelser for alle andre.

Foruten å øke datahastigheter ved kringkasting over millimeterbølger og forsterke spektrumseffektiviteten med massiv MIMO, forsøker trådløs ingeniører å oppnå høy gjennomstrømning og lav ventetid som kreves for 5G gjennom en teknologi som kalles full dupleks, som endrer måten antennene levere og mottar data.

Full Dupleks
Dagens basestasjoner og mobiltelefoner er avhengige av transceivere som bytter på å sende og motta informasjon over samme frekvens, eller opererer på forskjellige frekvenser hvis en bruker ønsker å sende og motta informasjon på samme tid.

Med 5G, vil en mottaker være i stand til å sende og motta data samtidig, på samme frekvens. Denne teknologien er kjent som full dupleks, og det kan doble kapasiteten på trådløse nettverk på det mest grunnleggende fysiske laget: Se for deg to personer som snakker samtidig, men fortsatt i stand til å forstå hverandre – hvilket betyr at samtalen kan ta halvparten så lang og deres neste diskusjon kan begynne raskere.

Forsvaret bruker allerede full dupleks teknologi som avhenger av stort og klumpete utstyr. For å oppnå full dupleks i små personlige enheter, må forskere utforme en krets som kan rute innkommende og utgående signaler slik at de ikke støter sammen, mens en antenne sender og mottar data på samme tid.

Dette er spesielt vanskelig på grunn av tendensen til radiobølger til å reise både fremover og bakover på samme frekvens – et prinsipp som kalles vekslesvirkning. Men nylig, har eksperter satt sammen silisiumtransistor som virker som høyhastighet brytere for å stoppe bakover effekten til disse bølgene, slik at de kan sende og motta signaler på den samme frekvens samtidig.

En ulempe med full dupleks er at det også skaper mer signalinterferens, gjennom et plagsomt ekko. Når en sender/mottaker sender ut et signal er dette signalet mye nærmere enhetens antenne og det er derfor kraftigere enn signalene den mottar. Å få en antenne til å både snakke og lytte samtidig er mulig bare med spesiell ekko-kansellerings teknologi.

Med disse og andre 5G teknologi, håper ingeniørene å bygge det trådløse nettverket som fremtidige smarttelefon-brukere, virtuell realitet (VR) spillere, og selvstyrte biler kan stole på hver dag. Allerede har forskere og bedrifter satt høye forventninger til 5G ved å love ultralav ventetid og rekordhøye datahastigheter for forbrukerne. Hvis de kan løse de gjenstående utfordringer, og finne ut hvordan de kan få alle disse systemene til å jobbe sammen, kan lynraske 5G tjeneste nå forbrukere i de neste fem årene.

 

Hvordan vil 5G gjøres tilgjengelig for brukerne?

Fordi ingen tilgjengelige mobiltelefoner for øyeblikket har mulighet for å ta i bruk mm-bølge-frekvenser, vil den første offentlige nettverksutrullingen av 5G benytte bærefrekvenser mindre enn 6 GHz, tilsvarende dagens mobiltelefoner. Dette betyr at inntil videre kan man plukke opp 5G signalene med dagens høyfrekvens (HF) måleapparater

For kort avstandskommunikasjon mellom mobilenhet og nærmeste basestasjon, vil høyere frekvenser fra 24 GHz til 90 GHz (mm-bølger) bli testet på steder rundt om i verden de neste årene. Disse frekvensene vil kreve nye, mer avanserte, mobiltelefoner og nettbrett.

5G mm-bølgesystemer med slike høye frekvenser vil kreve distribusjon av millioner av små basestasjoner nær folks hjem og det er tvilsomt om det vil være lønnsomt å bygge ut annet enn i områder med stor befolkningstetthet. På de fleste områder hvor fiberoptisk kabel er lagt, er det mer sannsynlig at 5G blir implementert ved å integrere 5G pico-celle-basestasjoner i WiFi ruterne som folk har i sine hjem. Tilsvarende pico-celle-nettverk har allerede blitt utprøvd for å gi utbredt WiFi i flere land. British Telecom (BT) har et nettverk av over 5 millioner WiFi-hotspots over hele Storbritannia, levert ut til sine bredbåndsabonnenter – og alle abonnenter kan bruke noen av dem til å koble seg til internett.

Det er usannsynlig at det vil bli utbredt utrulling av 5G-nettverk før 2020. EF håper at 5G-nettverk med kommersielle eksisterende bånd (opptil 6 GHz) vil være i drift innen utgangen av 2020. Det første offentlige mm-bølge nettverk vil følge noen år senere og vil trolig være i store byer med stor befolkningstetthet.

Det er allerede 71 internasjonalt identifiserte potensielle 5G-bånd mellom 453 MHz og 6000 MHz (6 GHz). Mange av disse er for tiden brukt til mobilkommunikasjon, og de er heller ikke tilgjengelige i alle land. Se: https://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands

EU håper at: «hver medlemsstat vil identifisere minst en storby for å være 5G-aktivert innen utgangen av 2020, og at alle byområder og store jordbaserte transportveier har uavbrutt 5G-dekning innen 2025»

Mange nettverksoperatører planlegger å bruke noen av 800/900 MHz GSM-frekvensene for 5G som vil trenge inn i bygninger, og noen eksisterende 3G-bånd (for eksempel 1800 MHz) vil også konvertere til 5G.

NKOM opplyser at man i Norge planlegger å bruke følgende frekvensbånd til 5G:

  • Alle eksisterende harmoniserte mobilbånd vil være kandidater til fremtidig 5G bruk. 800 – 900 – 1800 – 2100 – 2600 MHz
  • I tillegg frigjøres i disse dager 700MHz båndet (694 – 790 MHz)
  • På sikt vil også frekvensene 3400 – 3800 MHz kunne tas i bruk til 5G.

Imidlertid ligger den forestilte fremtiden for 5G i høyfrekvens millimeterbølgespektret, fordi dette gir langt høyere dataoverførings kapasitet. Dette omfatter teknologisk 30-300 GHz-området, men det refererer mer ofte til bånd over 24 GHz. Bransjen har identifisert 24,25 -27,5 GHz som det såkalte «pionerbåndet». Mer vanlig forenklet til 26 GHz, er dette båndet sett på som den mest sannsynlige kandidaten for en ekte global 5G-standard.

Det er ikke sannsynlig at det vil være utbredt global distribusjon av mm-bølger før nærmere 2025, annet enn i noen få tettbefolkede områder.

Noen 2G (GSM) -nettverk vil fortsatt bli støttet av enkelte selskaper på ganske langt sikt. De tilbyr fortsatt den mest effektive landsdekkingen ved ganske lavt strømforbruk for tale- og tekstmeldinger. GSM er også mye brukt til det store antallet eksisterende automatiserte alarm- og datasystemer som ikke lett kan konverteres til LTE. Imidlertid har flere operatører i utlandet allerede slått av sine 2G GSM nettverk for å tilrettelegge frekvensene for 4G og 5G. I de fleste land er 3G mye mer sannsynlig å bli avviklet før 2G (GSM), da 3G/UTMS på en måte er unødvendig etter at man innførte 4G/LTE og nå den første standarden for 5G/LTE.

Kilde og video som forklarer 5G: http://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g