Kartläggning: Allt du behöver veta om 4G

Allt du behöver veta om 4G

Av Thomas Nilsson Tidningen Mobil, publicerat 30Okt 2012

När 3G kom för snart tio år sedan var det ett stort steg, men när 4g nu gör entré på allvar ändrar det förutsättningarna för mycket av det vi känner till om mobiler, hastigheter och tillgängliga tjänster. Frekvenser och ny teknik ställer nya krav. Vi förklarar – här är allt du behöver veta om 4g.

Klivet från första till andra generationens mobilnät var stort och tydligt. Med 2g blev allt digitalt. Vi fick simkort, sms och datatjänster. Möjligheten att avlyssna andras samtal med en vanlig radiomottagare försvann. När 3g rullades ut var de tekniska skillnaderna lite mer svårgreppade, men det hände desto mer på marknaden. Vi fick en ny operatör i Sverige och Telia blev till en början utan nät, men den riktiga nyheten var högre datahastigheter jämfört med 2g-teknikerna gprs och edge. 3g möjliggjorde också en helt ny tjänst i mobilnäten – videosamtal. Just nu pågår utbyggnaden av 4g för fullt. Det är fortfarande samma uppsättning operatörer som slåss om kunderna, men tekniken öppnar för många nya tjänster i mobilnäten.

Med 4g blir mobiluppkopplingen ett skarpt alternativ till trådbundna bredband – även för dig som ställer riktigt höga krav. Turbo-3g räcker långt och levererar hastigheter som tål att jämföras med de flesta adsl-tjänster, men det finns en viktig skillnad – det som kallas latency eller pingtider. Ordet ping är lånat från ubåtarnas avståndsmätare, men istället för att skicka iväg en ljudpuls handlar ping i datanät om att mäta tiden som krävs för ett datapaket att nå en server och återvända. Om du laddar ned en stor fil, tittar på Youtubeklipp eller skickar mejl spelar pingtiden inte så stor roll, men för många spel och för ip-telefoni – med eller utan video – är det ett måste för upplevelsen att databitarna når fram i en jämn ström med minimala fördröjningar.

 

Pingtiden mäts i millisekunder (ms) – tusendelar av en sekund. Med samma uppkoppling kan tiden variera beroende på vilken server du »pingar«, men när man talar om anslutningens pingtid menar man ofta tiden som krävs mellan ­mobilen och den första datorn i operatörens nät. Data färdas med ljusets hastighet genom luft, sladdar och optisk fiber. Men signalbehandling, felkorrigering och varje hopp mellan olika system – mediakonverterare, brandväggar, routrar, switchar och andra typer av utrustning som bygger upp internet – ökar fördröjningen. Att skicka data genom luften är svårare än att skicka dem genom en fysisk nätverkskabel. Tjocka väggar, nätdelar, strömsladdar och andra prylar i närheten med radiosändare stör överföringen och gör att data ibland måste skickas flera gånger innan de når fram i felfritt skick. Som användare märker man inte så mycket av detta. Felkorrektionen sker helt automatiskt och det krävs mycket störningar för att det ska bli ett riktigt avbrott i förbindelsen. Varje extra datapaket som måste skickas gör dock att fördröjningen blir längre – pingtiden ökar. En fiberoptisk länk – även om den knyter ihop stora avstånd – ger en fördröjning på i storleksordningen 1 ms. Med adsl får man räkna med minst 5–10 ms. Med 3g är det inte ovanligt att pingtiderna blir mellan 100–300 ms – alltså några tiondelar av en sekund. Det är tillräckligt för att fördröjningen ska märkas i ip-samtal – även om alla andra länkar i kedjan fungerar perfekt.

Även om både turbo-3g och 4g är digitala förbindelser med stöd för paketdata har tekniken förfinats ordentligt. Som näten fungerar idag kan du få runt fem gånger bättre överföringshastighet genom att uppgradera till 4g, men det är alltså pingtiderna som får det stora lyftet. På platser med perfekt täckning ger 4g samma prestanda som adsl – ned till cirka 10 ms, men man kan grovt räkna med att 4g är 10 gånger bättre än 3g när det gäller fördröjningarna.

Idag handlar 4g om högpresterande mobila bredband, men runt hörnet lurar ett stort kliv framåt även för vanliga röstsamtal. För att spara utrymme i kablarna bestämde man redan i den trådbundna telefonens barndom att ett röstsamtal inte behöver klara större omfång än frekvenser mellan 300 och 3 400 hz. 4g har tillräckligt stor bandbredd och tillräckligt låga fördröjningar för att kunna leverera samtal med ett ljud som närmar sig cd-kvalitet. Röstsamtal över 4g – till exempel via volte (Voice Over lte) eller andra ip-telefonitjänster kan ge det första riktiga lyftet för samtalskvaliteten sedan axe-växlarna i fasta telenätet.

På bilden ser vi Telias Erik Hallberg, som i december 2009 visade upp företagets första 4G-modem.

Vad är egentligen 4G?

I Sverige heter det att 4g bygger på en teknik som heter lte – som i sin tur är en förkortning för 3gpp Long Term Evolution. Precis som med 2g och 3g finns det dock konkurrerande lösningar som bjuder på liknande prestanda. Internationella Teleunionen (itu) – en fn-organisation – har tagit fram standarder som talar om vad som skiljer de olika generationernas mobilnät åt. För 3g hette standarden imt-2000 och rymde mobilsystem som umts och cdma2000. IMT-2000 kräver att nätet ska klara teoretiska datahastigheter på minst 200 kbit/sekund, så också de snabbaste edge-versionerna klarade de formella itu-kraven även om få skulle kalla det 3g.

Standarden för 4g är betydligt tuffare och heter imt Advanced. Den spikades redan 2008 och itu satte upp riktigt höga mål – mobila enheter ska klara 100 Mbit/sekund och med fast monterade antenner ska det vara möjligt att nå hastigheter på 1 Gbit/sekund.

De högsta hastigheterna som svenska operatörer ställer i utsikt är 80 Mbit/s (Telia, Telenor och Tele2) respektive 64 Mbit/s (Tre), så det som säljs som 4g idag ligger faktiskt en bra bit under kraven från itu. Varken itu eller operatörerna kan göra anspråk på att bestämma vad som egentligen är 4g, men även om prestandan ligger i underkant när detta skrivs kan vi räkna med att snart, sannolikt redan under 2013, ha nät som levererar riktig 4g enligt itu.

LTE är den dominerande 4g-tekniken idag, men det var inte självklart att det skulle bli så. När planerna för 4g drogs upp var Wimax den hetaste kandidaten och redan 2006 fanns det modem och netbooks med inbyggd Wimax på marknaden som hade betydligt bättre uppkoppling än jämförbara 3g-produkter med umts eller cdma2000. De första kommersiella Wimax-näten startade i Sydkorea, men standarden är spridd över hela världen och används mest för trådlöst bredband mellan fasta punkter där man behöver lite bättre prestanda än vad mobilnäten erbjuder, men samtidigt längre räckvidd än vad wlan och andra licensfria lösningar ger. Den Wimax-variant som konkurrerar med lte om 4g-operatörernas plånböcker heter Mobile Wimax eller 802.16(e). De snabbaste näten klarar redan idag strax över 100 Mbit/s, men det handlar i första hand om lokala tjänster – inte om mobilnät som täcker hela länder.

När Telia lanserade 4G köade Mobil tillsammans med användare som ville vara först med 4G. Bristen på modem var stor.

Utöver lte och Mobile Wimax finns det en handfull standarder i gränslandet mellan turbo-3g och 4g – till exempel hspa+, Hiperman och Iburst – som klarar att leverera hastigheter mellan 10 och 100 Mbit/s. När vi tar steget till riktig 4g enligt itu är det bara två konkurrenter som fortfarande är med i matchen – Wimax Release 2 och lte Advanced. När det gäller hastighet och frekvensanvändning är skillnaderna inte så stora mellan Wimax Release 2 och lte Advanced. Standarderna går att använda på ungefär samma sätt och ger samma möjligheter, även om det finns tekniska skillnader i hur datapaketen sprider ut sig över tid och frekvensutrymme. LTE-lägret har dock lyckats betydligt bättre när det gäller att attrahera de stora operatörerna. Operatörerna med gsm eller umts i portföljen har i stort sett utan undantag ställt sig bakom lte. Till dem kan vi addera flera stora amerikanska operatörer som idag använder cdma för 2g och 3g, vilket ger lte en andel av världsmarknaden på omkring 80 procent.

LTE och LTE Advanced

Standarderna som gäller för oss i Sverige är alltså lte idag och lte Advanced imorgon. Precis som med turbo-3g höjs hastigheten successivt i näten och de flesta modem och mobiler som säljs idag uppfyller något som kallas kategori 3 vilket innebär nedladdning i max 100 Mbit/s. Operatörernas frekvenstilldelning i Sverige sänker just nu toppfarten till 80 eller 64 Mbit/s, men i teorin kan kategori 3 precis tangera gränsen för riktig 4g. Nästa version – kategori 4 – höjer hastigheten till 150 Mbit/s. Modemen ligger steget före nätutbyggnaden och det går redan idag att köpa exempelvis Huawei e3276 som har stöd för kategori 4. Både kategori 4 och kategori 5, med stöd för 300 Mbit/s, räknas som vanlig lte. Instegsnivån i lte Advanced är kategori 6. Kategori 5 och 6 har samma toppfart på papperet, men lte Advanced introducerar stöd för ytterligare finesser som gör det möjligt att på sikt skruva upp hastigheten till och förbi 1 Gbit/s.

All trafik som färdas mellan nätet och användarens mobil eller dator i ett 4g-nät består av paketdata. Det är en stor skillnad mot 2g- och 3g-näten där både röst- och videosamtal istället använder kretskopplad teknik. Man kan jämföra det med att använda tankbilar eller en pipeline för att transportera vätskor. En pipeline knyter bara ihop två punkter och innebär en fast kapacitet som står outnyttjad så fort man inte fyller på med mer innehåll. Med tankbilar kan många köra på vägarna samtidigt och olika användare kan använda olika många bilar för att få den kapacitet som behövs. Vägarbeten, köer och andra problem kan göra att bilarna lastar av sitt innehåll sent eller klumpvis, så även om tankbilarna totalt kan transportera mer vätska än vad pipelinen klarar är det svårare att veta hur lång tid varje enskild leverans tar. 2g och 3g använder pipelines för röstsamtal och vanliga videosamtal medan dataöverföringen kan liknas vid tankbilarna. Redan när 3g-tekniken utvecklades fanns det planer på att slopa pipeline-lösningen – alltså de kretskopplade tjänsterna. 3g-nätens tankbilar lyckades dock inte ta sig fram tillräckligt snabbt och säkert för att ge samtal med bra kvalitet, så det är först med lte som vägnätet håller för tankbilar – alltså paketdata – för alla typer av tjänster.

Nyligen lanserade Telenor fast telefoni via 4G med hjälp av D-links router.

För att fortsätta liknelsen med vägnätet kan man säga att lte inte bara gör vägarna bredare, utan också lägger till väldimensionerade rondeller, trafikljus och smartare filer som gör att trafiken når fram i tid. Tekniken kallas qos – Quality of Service – och gör att olika tjänster får anpassad prioritet i nätet. När ett datapaket som hör till ett röstsamtal eller ett spel på nätet dyker upp är varje millisekund viktig för upplevelsen och nätet ser till att släppa fram trafiken direkt. Paket som hör till filöverföringar eller mejl kan lika gärna klumpas ihop till större block och vänta på att det uppstår en lite större lucka i trafiken. Strömmande media – som Spotify eller Youtube – fungerar som ett mellanting. Så länge den genomsnittliga kapaciteten över tid är större än den bithastighet som musiken eller videoklippet använder kan man bygga upp en rejäl buffert som gör att det inte märks om datapaketen levereras i lite ojämn takt.

Ett lte-nät består av växlar, basstationer och trådbundna förbindelser mellan nätets olika anläggningar. Den trådlösa delen kallas e-utra. Förkortningen står för »evolved umts Terrestrial Radio Access« och är en utveckling av det som gick under namnet »umts Terrestrial Radio Access« eller w-cdma i 3g-näten. E-utra har betydligt högre effektivitet än utra. På samma radioutrymme klarar e-utra att leverera fem gånger mer data än de gamla näten.

All trafik mellan telefonerna och 4G-näten består av paketdata.

Mimo, tdd och fdd

De viktigaste radiotekniska finesserna med lte och e-utra är att kombinera teknikerna mimo, tdd och fdd. MIMO är en förkortning för multiple-input multiple-output. Tekniken är ganska vanlig i wlan-routrar och innebär att man använder flera uppsättningar sändare och mottagare med varsin antenn för att skapa en snabbare och mer robust förbindelse. Med mimo kan man använda radioutrymmet mer effektivt och höja kapaciteten utan att behöva öka sändareffekten, använda större antenner eller sprida trafiken över fler frekvenser. MIMO-tekniken är särskilt intressant i modem och mobiler där utrymmet är begränsat. Att lägga till fler sändare/mottagare och antenner ger mer prestandaförbättring i förhållande till volymen än att använda samma utrymme för en ensam antenn med högre förstärkning eller antennvinst. MIMO-tekniken kan dock ställa till med utmaningar för den som har dålig täckning och vill sätta upp en rejäl antenn på taket för 4g-routern. För att kunna utnyttja mimo-tekniken måste även det yttre antennsystemet bestå av flera inp>

TDD och fdd står för Time-p>

Användningen av tdd och fdd är en stor förändring jämfört med 3g-nätens teknik som dessutom använder cdma (Code Division Multiple Access) kombinerat med spridda spektrum. Spridda spektrum innebär att signalen sprids över fler frekvenser än vad som i teorin skulle behövas för överföringen. Med 3g kan basstationer och mobiler sända inom samma frekvenser vid samma tidpunkt, men sändningarna är märkta med en kod som gör det möjligt för mottagaren att filtrera ut rätt data. Spridningen i frekvens gör att störningar väldigt sällan klarar att slå ut hela signalen, så det går att få en någorlunda snabb och pålitlig uppkoppling även med små antenner och låga effekter. Genom att en del av signalen alltid når fram blir felkorrektionen effektiv och data som försvinner eller förvanskas på vägen skickas automatiskt på nytt tills det blir rätt. Med 4g blir uppkopplingen tillräckligt robust även utan spridda spektrum och det är en viktig orsak till att effektiviteten ökar och fördröjningarna blir mindre.

Förutom Telias egna representanter här på bilden fanns dåvarande infrastrukturministern Åsa Torstenson med vid invigningen av Telias 4G-nät.

LTE är den mobilstandard som hittills har lyckats bäst med att ena alla länder bakom ett system, men det finns fortfarande hinder, utöver kostnaden för data i utlandet, som kan sätta stopp för den som vill använda samma mobil och abonnemang i hela världen. Luften är så full av signaler att det inte går att hitta något tillräckligt stort frekvensutrymme som är ledigt i hela världen. LTE-standarden tillåter att man använder en mängd olika frekvensband. Det gör att man kan införa 4g på de frekvenser som blir lediga när äldre teknik fasas ut – oavsett om utrymmet tidigare rymde ett mobilnät, analog teve eller kanske trådlösa telefoner. Frekvenserna som blir tillgängliga varierar mellan olika länder och det finns över 40 olika lte-band, medan modem och mobiler som bäst klarar 5–10 av dessa.

Telia lanserade världens första kommersiella lte-tjänst i Stockholm och Oslo år 2009. Frekvensen som användes var 2 600 mhz och det är idag en av de mest utbredda 4g-frekvenserna med operatörer i både Europa och stora delar av Asien. 2 600 mhz-bandet har mycket hög kapacitet, men ger inte så stor räckvidd och passar därför bäst i storstäderna där varje basstation inte behöver nå längre än en kilometer.

Lägre frekvenser är generellt sett bättre när det gäller att nå långt och för Europa har 800 mhz blivit standardfrekvensen för »landsbygds-4g«. LTE kan fungera med allt från så kallade pico- och femtoceller som täcker något hundratal kvadratmeter till makroceller med en radie på 10 mil.