I det förra inlägget på bloggen skrev jag om vad 5G är och vad man hoppas att införandet av 5G ska leda till, framför allt när det gäller nya tillämpningar. Jag nämnde också att en av de mest uppmärksammade tekniska förändringarna i övergången från 4G till 5G är planerna på att använda högre frekvenser för informationsöverföring, vilket gör det möjligt att öka hastigheten i informationsöverföringen. Uppriktigt sagt var det detta som fick mig att vilja skriva nåt om 5G - jag tycker nämligen att de flesta förklaringar av kopplingen mellan informationsöverföring och frekvens som man hittar i media är lite väl förenklade. Så hur skulle man förklara det istället?
Innan vi börjar nysta i det kan det vara bra att skaffa sig ett hum om vad vi menar med högre frekvenser i det här sammanhanget. Alla mobiltelefonisystem (och annan trådlös kommunikation) använder sig av elektromagnetiska vågor för att överföra information. Frekvensen hos vågen är antalet vågtoppar per sekund. (För att göra en jämförelse med en lite mer välbekant typ av våg så skulle du kunna få fram frekvensen hos vågorna i badsjön genom att lägga dit en boj och sedan räkna hur många gånger den guppar upp och ner per sekund.) En högre frekvens motsvarar ett kortare avstånd mellan vågtopparna, även kallat våglängd. Våglängden är bra att ha koll på för att vågor har lättast att påverka (eller påverkas av) saker vars storlek är i närheten av våglängden. Det är t.ex. viktigt när man konstruerar antenner som ska sända och ta emot elektromagnetiska vågor.
Figuren nedanför visar väldigt ungefärligt hur frekvens (mitten) och våglängd (längst ner) följs åt för elektromagnetiska vågor från kilometerlånga radiovågor till högfrekvent gammastrålning. Det mångfärgade bandet nära mitten visar ungefär var synligt ljus ligger i frekvens och våglängd. Notera att skalan är logaritmisk! Skillnaden mellan strecken på skalorna är en faktor 1000.
Den gröna pilen i figuren pekar mot de högsta frekvenser som används i fjärde generationens mobiltelefoni, 4G, runt 2.6 GHz. Det är också i det här frekvensområdet man kommer att börja lansera 5G. Den blå pilen pekar på de högre frekvenser nära 25 GHz som man vill börja använda inom kort, alltså ca. 10 gånger högre frekvens än vad man använt tidigare. Slutligen pekar den röda pilen mot det frekvensområde man idag använder för fordonsradar, runt 77 GHz. Det finns planer på att utöka 5G till de här frekvensområdena också. När vi talar om höga frekvenser för mobiltelefoni handlar det alltså visserligen om 10-100 gånger högre frekvenser än man använt tidigare, men fortfarande en bra bit under frekvensen hos synligt ljus. Våglängdsmässigt handlar det om att gå från decimeter till centimeter eller millimeter.
Den översta skalan i figuren visar fotonenergi i enheten elektronvolt (eV), något som är bra att ha med när man kollar på hur elektromagnetiska vågor påverkar t.ex. levande varelser. Vi består ju av en stor mängd molekyler (vattenmolekyler, proteiner, fetter, DNA...) och när elektromagnetiska vågor stöter på molekyler beter de sig mer som partiklar, så kallade fotoner. Varje foton har en viss energi som är kopplad till frekvensen, och den energin avgör hur molekylerna påverkas. De mest välkända exemplen är fotonenergier över ca. 10 eV, som kan sparka ut elektroner ur molekylerna (så kallad joniserande strålning), och fotonenergier på något tiotal mikro-elektronvolt som är bra på att få molekyler att börja rotera, vilket leder till en högre temperatur (detta är principen bakom en mikrovågsugn). Däremellan finns fotonenergier som t.ex. kan sparka igång vibrationer i molekyler eller få elektronerna i dem att övergå till ett högre energitillstånd. Den typen av effekter är ofta begränsade till ett litet antal frekvenser per molekyl, eftersom de beror på exakt hur molekylen ser ut.
När det gäller våra 5G-frekvenser så ser vi att deras fotonenergier ligger i ett område där man kan förvänta sig att molekyler ska reagera genom att börja rotera på olika sätt, vilket i förlängningen kan leda till högre temperaturer - däremot är vi långt från fotonenergier som kan påverka elektrontillstånd eller jonisera molekylerna. Eftersom jag inte har nån medicinsk utbildning tänker jag inte gå in så mycket mer på de möjliga effekterna på människor och djur, men Strålsäkerhetsmyndigheten har en bra sammanfattning av forskningsläget för den som är intresserad.
Men åter till frågan vi ställde i början - varför kan man överföra information i en högre takt om man använder en högre frekvens? För att förstå det behöver vi kolla på hur man använder elektromagnetiska vågor för att överföra information över huvud taget. Informationen man vill överföra behöver bakas in i vågrörelsen, en process som kallas modulering. Modulering kan ske genom att man ändrar vågens amplitud, frekvens eller fas (en vågrörelses fas säger något om var och när vågtoppar och vågdalar uppstår - man skulle t.ex. kunna ha två vågrörelser med samma amplitud och frekvens, men där den ena har en vågtopp när den andra har en vågdal, och de är då ur fas). Man kan också kombinera fas, amplitud och frekvensmodulering på olika sätt. För mobiltelefoni används digital modulering, där man växlar mellan olika värden på amplitud, fas och frekvens och varje kombination står för en kombination av ettor och nollor.
Alla former av modulering innebär att man blandar in fler frekvenser i signalen än bara grundfrekvensen, vilket innebär att man i praktiken inte använder en enskild frekvens utan ett band av frekvenser. Ju snabbare man växlar mellan de olika värdena på amplitud, frekvens eller fas desto bredare band av frekvenser behöver man använda. För digital modulering innebär det att om man har ett mer omfattande frekvensband till sitt förfogande så kan man växla amplitud, frekvens eller fas snabbare och därmed skicka fler kombinationer av ettor och nollor under samma tidsintervall.
Ovanstående förklaring verkar ju peka på att bandbredden, snarare än frekvensen, skulle vara viktigast för överföringstakten - ett frekvensband på 100 MHz runt en mittfrekvens på 2 GHz borde ge samma hastighet för informationsöverföring som ett frekvensband på 100 MHz runt 20 GHz. Det stämmer visserligen, men det är lättare att använda ett bredare frekvensband på en högre frekvens av praktiska skäl. Antenner och andra komponenter som används i sändare och mottagare funkar bäst för en mittfrekvens plus / minus en bråkdel av mittfrekvensen i fråga - säg 5 procent. Det skulle innebära att man vid 2 GHz skulle kunna använda ett frekvensband från 1.9 GHz till 2.1 GHz - 200 MHz - medan man vid 20 GHz skulle kunna använda 19 till 21 GHz. Det är det här som gör att man får en högre överföringstakt vid högre frekvenser.
Den här hastighetsökningen anses vara tillräckligt viktig för att man ska vilja använda de högre frekvenserna trots deras nackdelar. Dessa högre frekvenser absorberas lättare i atmosfären - av vattenånga och andra molekyler, och av vattendroppar när det regnar eller är dimma. Det innebär att de här elektromagnetiska vågrörelserna försvagas snabbare än för lägre frekvenser, och är en starkt bidragande orsak till att man behöver fler basstationer, placerade på mindre avstånd från varandra, för att få bra täckning med de högre frekvenserna. Det är också svårare att få dessa frekvenser att nå in i hus från en basstation utanför huset.
Högre frekvenser har också en annan fördel - de kan göra det lättare att konstruera de antenner men många antennelement som också är en del av 5G. Men det får vi ta nästa gång.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar