BAGGRUND: 1 Gbit/s, 10 Gbit/s. Det hele bliver vildere i morgen! 4G er yt, 5G er det nye sort! Nej! Sådan er det ikke. Kom med bagom potentialet i 4G.

Alle medier er begundt at tale om 5G, og man skulle tro, at 4G er på vej ud i kulden. Men 4G LTE er langt fra en død teknologi. Indtil 5G overtager tronen, så findes der en række nye teknologier, som vil give dig gigabit-hastigheder på smartphonen.

Jeg vil her forsøge at forklare lidt om de teknologier, som allerede i dag findes på både smartphones og mobilnetværk, samt de teknologier, som meget snart bliver tilgængelige. Jeg vil i ikke fokusere på 5G men de nye teknologier, som populært betegnes som gigabit LTE eller 4,9G. For at gøre forvirringen endnu større, så er der en del af de nye 4G teknologier, som bliver hjørnestenene i 5G. Der er altså en vis sammensmeltning mellem de to trin på teknologistigen.

Mobilkommunikation er inde i en enorm teknologisk udvikling. Det er derfor svært at finde et starte- og stoppested, uden det bliver alt for kompliceret. Derfor har vi tilladt os at forsimple tingene. Angivelserne af hastigheder skal derfor tages med et gran salt, da virkeligheden selvfølgelig ikke er det samme som teorien.

– Gør-det selv: Mobilt bredbånd til udkantsdanmark

Du får ikke adgang til alle teknologier

Denne artikel er et helikopter overblik over de tekniske muligheder, som allerede er tilgængelige, eller som bliver tilgængelige hen over de kommende på år.

Flere af teknologierne flyder som sagt sammen i 4G og 5G, og mobilselskaberne kan vælge at bruge nogle teknologier og fravælge andre. Derfor er der ingen garantier for, at du får adgang til alle de nævne teknologier – vi kommer dog nok til at se de fleste teknologier på et tidspunkt i Danmark.

Hastighedstest foretaget på Telstra 4G netværk med en NETGEAR Nighthawk M1 mobilt bredbånds router, som benytter et Snapdragon X16 LTE modem. (Foto: Qualcomm)

Fremtiden er allerede hastigt på vej, og en telefon som f.eks. Huawei Mate 10 Pro understøtter LTE kategori 18. Det betyder, at denne smartphone teoretisk kan overføre data med en hastighed på op til 1,2 Gbit/s. Men de hastigheder er danske mobilnetværk er ikke klar til det endnu. Der går nok op mod et par år endnu.

Mange andre topmodeller fra Sony, Samsung, HTC m.fl. har også allerede indbygget flere af de teknologier, som vi berører i denne artikel.

Basis om 4G LTE – dette skal du vide

Som basis for at forstå denne artikel, så skal du vide, at dit mobilselskab i teorien kan levere 150 Mbit/s download og 50 Mbit/s upload hastighed i én sektor per 2 x 20 MHz med FD-LTE.

Grunden til at man taler om 2 x 20 MHz er, at der afsættes 20 MHz til download og 20 MHz til upload. Upload og download kører altså på to separate frekvensbånd med hver 20 MHz. Derfor tales der om parrede frekvensbånd. Rent teknisk benævnes 4G som værende FD-LTE, når der benyttes parrede frekvenser.

Mobilsite med antenner (Foto: Ericsson)

En sektor er det område én antenne dækker. Der er typisk tre sektorer/antenner på hver mobilsite i Danmark. Antennen er den aflange højttalerlignede del, der sidder øverst på antennemasten.

Flere af de omtalte teknologier er allerede på markedet i eksempelvis Huaweis Kirin 970 chipsæt  eller Qualcomms Snapdragon 835 chipsæt, der benytter deres Snapdrogon X16 modem.

Mange smartphones på markedet har altså de nødvendige komponenter. De danske teleselskaber har blot ikke åbnet op for disse features. Men det skal nok komme. Kigger vi lidt mod vest til mobilselskabet EE i Storbritannien, eller T-Mobile i USA, så har de allerede lanceret både 256 QAM og 4 x 4 MIMO på store dele af deres mobilnetværk.

Hvis du er forvirret over de tekniske betegnelser, så hæng på lidt endnu – forklaringen kommer lidt længere nede i artiklen.

Kigger vi på Huaweis Kirin 970 chipsæt, så understøtter modemet download-hastigheder på op til 1,2 Gbit/s med 4 x 4 MIMO, 256 QAM og 3CA (3 x 2 x 20 MHz). Upload-hastigheden kan komme op på 150 Mbit/s via 2CA (2 x 2 x 20 MHz) og 64-QAM.

Forvirret? Så kommer forklaringen lige her.

Carrier Aggregation gør det muligt

Med Carrier Aggregation kan man bundle flere frekvensbånd sammen, og derved opnå højere kapacitet og højere hastigheder. Ofte forkortes Carrier Aggregation med betegnelser som 2CA eller 3CA, hvilket betyder at man bundler henholdsvis to (2CA) eller tre (3CA) frekvensbånd sammen – og der findes også 4CA og 5CA.

– Læs også: Baggrund og eksempler på Carrier Aggregation

På nuværende tidspunkt er 2CA og 3CA dog det mest udbredte, og mange forskellige smartphones kan allerede i dag benytte f.eks. 2CA eller 3CA. En billig Huawei P9 lite understøtter f.eks. 2CA og en iPhone 7 understøtter 3CA.

Med en 2CA kompatibel smartphone kan man altså opnå downloadhastigheder på op til 300 Mbit/s ved at bundle to frekvensbånd på 20 MHz sammen. Med 3CA kan man bundle tre frekvensbånd på 20 MHz sammen og tilbyde downloadhastigheder på op til 450 Mbit/s.

Man kan illusterer Carrier Aggregation som en vejudvidelse. Hvis vi forestiller os en normal landevej (20 MHz) fyldt med busser. Inde i busserne sidder der en masse mennesker, som skal fra punkt A til punkt B, så hurtigt som muligt.

Carrier Aggregation udvider landevejen med et ekstra spor (20+20 Mhz). Udvidelsen af landevejen fra ét til to spor, giver altså dobbelt så meget kapacitet til busserne, og hastighederne stiger, fordi der er mere plads. Ligeledes kan bruge samme illustration over for 3CA, som giver adgang til tre spor. 4CA og 5Ca giver så adgang til henholdsvis fire og fem spor.

256/64 QAM er teknikken der pakker data

Quadrature Amplitude Modulation, eller blot QAM, er en betegnelse på, hvor meget dataerne pakkes, når de sendes over mobilnetværket.

Download

Normalt benyttes 64 QAM på standard 4G LTE, hvilket altså giver downloadhastigheder med op til 150 Mbit/s ved brug af 20 MHz. Ved at pakke dataerne mere effektivt med 256 QAM kan man i praksis øge downloadhastigheden med omkring 30 procent til omkring 200 Mbit/s på 20 MHz.

Upload

Som standard benytter man på 4G LTE 16 QAM til upload, hvilket giver en uploadhastighed på omkring 50 Mbit/s.

Med 64 QAM kan den teoretiske uploadhastighed stige fra 50 Mbit/s til 75 Mbit/s med 64 QAM og til 150 Mbit/s, hvis man benytter Carrier Aggregation til at bundle to frekvensbånd sammen (2CA).

Hvis vi skal bruge sammenligningen med en vej, så betyder brugen af 256 og 64 QAM, at busserne kan øge antallet af passagerer. Der kan være 30 procent flere i busserne, som henter, mens der kan være 50 procent flere passagerer i de busser der sendes.

4 x 4 MIMO er ‘busser’ der kører i lag

Når vi taler om 4G LTE, så sendes og modtages signaler via 2 x 2 MIMO. Det betyder, at man benytter to antenner til at sende og to antenner til at modtage signaler.

Ved at benytte flere antenner så kan man sende flere datastrømme ad gangen, hvorved man kan overføre data hurtigere. Det vil sige, at når du downloader via 4G LTE, så modtager din telefon faktisk to signaler, som kombineres til én datastrøm i telefonen. Teknisk kaldes det en spatial stream, og som standard er der altså to spatial streams, fordi man benytter 2 x 2 MIMO på standard 4G LTE.

Med 4 x 4 MIMO benytter man fire antenner til at sende og fire antenner til at modtage. Derved kan man fordoble mængden at data som sendes, fordi der nu kan sendes fire spatialstreams (datastrømme) til telefonen på én gang.

Udover højere hastigheder giver brugen af flere antenner også bedre signal under svære radioforhold – f.eks. inde i bygninger eller ude på landet langt fra nærmeste mobilsite.

Bruger vi 4 x 4 MIMO i vores eksempel med busser, så betyder det, at busserne pludselig kører i flere lag oven på hinanden. Vi skal forestille os, at man med normal 4G LTE lader busserne kører på to vejbaner oven på hinanden – de kører altså i to lag. Med 4 x 4 MIMO udvides lagene til fire, så busserne pludselig kan køre i fire vejbaner oven på hinanden.

Massive MIMO

Massive MIMO er en hjørnesten i 5G teknologien, men kan også benyttes til 4G. Teleselskabet 3 kørte f.eks. tests med Massive MIMO på Roskilde Festival 2017. Massive MIMO er allerede en del af mange populære smartphones som f.eks. iPhone 7/7 Plus, Sony Xperia XZ, Huawei P9, P10 og Mate 9 Pro.

Vi har tidligere berørt 2 x 2 MIMO og 4 x 4 MIMO, hvor forbindelsen til og fra smartphonen blev etableret gennem brug af to eller fire antenner på henholdsvis smartphonen og mobilsitet. Med Massive MIMO bruger man langt flere antenner, 64, 96 eller 128 antenner på selve mobilsitet, hvilket giver mulighed for at sende forskellige streams til de enkelte smartphones. Massive MIMO giver også mulighed for 3D beamforming, hvor man så at sige kan fokuserer signalet til én bestemt smartphone.

Bruges eksemplet med busser, så betyder det, at busserne pludselig kører i 64 eller 96 lag oven på hinanden i stedet for to eller fire lag. Massive MIMO øger downloadkapaciteten op til fem gange set i forhold til normal brug af 2 x 2 MIMO. Ser man på uploadkapaciteten så er stigningen op til otte gange højere kapacitet.

Da teleselskabet 3 i sommer gennemførte tests på Roskilde Festival var forskellene markant. Den gennemsnitlig brugers download-hastighed på mobilsites  med massive MIMO var omkring 30 Mbit/s mens den gennemsnitlige brugers download-hastighed uden massive MIMO var 7,7 Mbit/s.

Her skal det lige bemærkes, at Roskilde Festival er noget lignede det værste mareridt et teleselskab kan forestille sig, da der er enormt mange mennesker på alt for lidt plads.

– 3 tager forskud på 5G med spændende teknologi

Små lokale mobilceller

Nu har vi kort berørt de mest interessante teknologier, men der er mange andre 4G teknologier, som også er interessante, som vi lige vil omtale kort.

Med Coordinated Multi Point kan man modtage radiosignaler fra flere mobilsites på samme tid, hvorved man får bedre signal – hvilket specielt er godt i områder med svag radiodækning og lave datahastigheder.

Det er også muligt at lave såkaldte small cells, der fungerer som små mobilsites i et begrænset område. Small cells kan fungere på forskellige måder, men en af de mest interessante løsninger kaldes LTE User Equipment (UE) Relay. Denne small cell løsning funger ved at en kunde modtager en lille boks på størrelse med normal router.

Når boksen tilkobles strøm, så laver den sit eget lille mobilnetværk. Boksen skal ikke tilsluttes internettet for forbindelsen etableres trådløst med makronetværket (teleselskabet hovednetværk) på et andet frekvensbånd. Selve forbindelsen mellem den lille boks og makronetværket foregår f.eks. over 2.600 MHz frekvensbånd, og så danner den et lokalt mobilnetværk på f.eks. 1.800 MHz frekvensbåndet. Den lille boks dækker typisk i en radius af 300-400 meter, så naboerne kan altså også koble sig på boksen – men det bemærker de slet ikke, da teleselskabet styrer det hele.

Fordelen ved denne løsning er, at den er super simpel. Ved at danne små lokale mobilnetværk kan teleselskabet øge kapaciteten i hele byområdet mange gange, da hver celle (dækningsområde) bliver mindre end ved brug af de traditionelle store mobilsites. Som bruger vil man opleve markant højere datahastigheder.

Mobilnetværk via andre frekvenser

En tredeje teknologi er High Performance User Equipment (HPUE). Høje frekvensbånd som 2.100 eller 2.600 MHz har en begrænset rækkevidde, da alle smartphones sender med relativ lav sendestyrke. Mobilsitet kan måske godt sende data til smartphonen, men smartphonen sender for svagt til at signalet kan nå mobilsitet. Med HPUE kan smartphonen skrue ekstra meget op for sendestyrken, og derved holde forbindelsen til mobilsitet.

Den fjerde ny teknologi er Licensed Assisted Access (LAA). Med LAA kan mobiltelefonen bruge ulicenserede frekvenser til 4G. Kort fortalt benytter din Wi-Fi forbindelse derhjemme enten 2,4 eller 5 GHz frekvenser på et såkaldt ulicenseret frekvensbånd. Det betyder, at alle og enhver kan benytte disse frekvensbånd uden tilladelse forudsat, at man ikke forstyrrer andre brugere unødvendigt.

Med LAA kan dit teleselskab bruge f.eks. 5 GHz til at sende 4G LTE signaler på, hvilket giver dit teleselskab mulighed for øge deres kapacitet betragteligt. Har et teleselskab f.eks. 20 MHz på det licenserede .1800 MHz frekvensbåndet, så kan de levere hastigheder på 1 Gbit/s ved at bundle disse frekvenser med frekvenser på det ulicenserede 5 GHz frekvensbånd.

Et praktisk eksempel

Men nu har vi talt en masse om teorien, men hvordan kan det så udmynte sig i praksis? Her bliver det for alvor svært, for det er virkelig svært at vurdere, hvilke teknologier de enkelte teleselskaber vil benytte sig af. Men vi tager et lille tænkt eksempel.

Vi vælger at bruge en smartphone med Snapdragon 835 chipsættet med X16 modem indbygget. Der er dog den begrænsning, at X16 modemet kun kan køre 4 x 4 MIMO på to frekvensbånd af gangen, selvom modemet understøtter Carrier Aggregation på fire frekvensbånd på samme tid.

Teleselskab X har 2 x 20 MHz på både 900/1800/2100 MHz frekvesbåndene. Altså i alt 2 x 60 MHz. Teleselskabet vælger så at udrulle 4 x 4MIMO, Multi MIMO og 256QAM på de høje frekvenser (1800/2100 MHz). Det vil betyde at teleselskabet i teorien kan levere 150+390+390 Mbit/s = 930  Mbit/s hvis altså radioforholdene er i orden.

Denne downloadhastighed kan øges med yderligere 390 Mbit/s ved at bruge Licensed Assisted Access.

Upload hastigheden kan være op til 150 Mbit/s ved brug af to  frekvensbånd via Carrier Aggregation og 64 QAM.

High Performance User Equipment, Coordinated Multi Point og 4 x 4 MIMO vil give bedre dækning længere væk fra teleselskabets mobilsites, så hastigheden i bygninger stiger ligesom radiodækningen langt fra mobilsitet også gør overførselshastigheden højere.

Husk nu på, at træerne ikke vokser ind i himlen. Alle de nævne tal skal tages med et gran salt, og virkeligheden er aldrig som teorien. Det er dog vigtigt at pointere, at du måske allerede i dag render rundt med en smartphone, som faktisk allerede i dag understøtter gigabit 4G LTE.

Mere til historien

5G forventes først at blive bredt tilgængeligt på teleselskabernes mobilnetværk omkring år 2020.