Jag skrev lite om 5G i somras - dels ett inlägg om vad vi ska ha 5G till, dels ett om vilka frekvenser man använder i 5G. Den här gången handlar det istället om hur 5G-teknik kan göra det lättare att hantera mobilnät med många användare i ett begränsat område - en stadsdel, till exempel.
Den underliggande tekniken bygger i det här fallet på något ganska påtagligt, nämligen att man använder stora antenner. Mer precist så använder man antenner som består av ett stort antal enskilda antennelement, där varje element kan användas för att skicka ut eller ta emot en elektromagnetisk våg av en viss frekvens, amplitud och fas. Som vi sagt tidigare så är frekvensen ett mått på hur snabbt vågen går från vågtopp till vågdal och tillbaka igen, den är också naturligt kopplad till våglängden och vågens energi. Amplituden är helt enkelt höjden på vågtopparna. Fas är lite mer komplicerat men har att göra med när och var man har en vågtopp eller vågdal. Om vi tänker oss en antenn med två antennelement och en våg som kommer in lite från sidan så kommer de två antennelementen oftast att känna av olika faser av vågen, när det ena träffas av en vågtopp kanske det andra är halvvägs nere i vågdalen redan.
När man har fler antennelement i sin antenn kan man göra en del saker som inte funkar annars. Har man många element i sändantennen kan man till exempel styra riktningen på den utgående vågen genom att justera fasen på vågorna som sänds ut av varje element så att de förstärker varandra i en viss riktning men försvagas i andra riktningar. Har man istället många element i mottagarantennen kan man använda dem för att avgöra från vilket håll en våg kommer genom att notera hur fasen skiljer sig åt för de olika antennelementen. Det finns en längre förklaring av detta i ett tidigare inlägg - där handlar det visserligen om radar, men principen är densamma.
Så vad har det här med mobilanvändare att göra? När en basstation ska skicka och ta emot information från flera olika mobila enheter, smarta telefoner till exempel, behöver det finnas någon skillnad mellan de elektromagnetiska vågor som skickas till och tas emot från varje enhet. Det mest uppenbara är kanske att skicka data vid olika tidpunkter, så att man först skickar något till telefon 1, sen till telefon 2 och så vidare. En annan ganska uppenbar sak är att dela upp frekvensbandet man använder i flera smalare band och använda varje smalt band för att kommunicera med en telefon. Om man på ett effektivt och noggrant sätt kan skilja på vilken riktning de olika signalerna kommer från får man ytterligare ett sätt att skilja signalerna åt. Dels kan man skilja dem åt på sändarsidan, genom att rikta den utsända vågen mot en plats där den telefon man vill kommunicera med finns. Dels kan man skilja dem åt på mottagarsidan, eftersom signalerna man tar emot från olika telefoner sällan kommer från exakt samma riktning allihop. Här får man ytterligare lite hjälp av att signalerna kommer att studsa mot till exempel byggnader och liknande, vilket ger varje inkommande signal en närapå unik signatur när det gäller vilken riktning den kommer från. För varje frekvens- och tidsintervall kan man alltså kommunicera inte bara med en telefon utan med så många som man kan skilja åt beroende på riktning.
Det här är grunden till vad man kallar massiv MIMO. MIMO står för "multiple input, multiple output" och syftar både på det stora antalet antennelement och hur de gör det möjligt att hantera flera olika mottagna och utsända signaler. Att man talar om "massiv" MIMO beror på det stora antalet antennelement och den motsvarande ökningen i antalet signaler man kan hantera. Massiv MIMO är en del av 5G-tekniken och passar dessutom bra ihop med de högre frekvenserna man vill använda i 5G. Högre frekvens innebär kortare våglängder, som i sin tur innebär att man kan använda fysiskt mindre antennelement - antennelement är i regel ungefär lika stora som våglängden och i en stor MIMO - array är de oftast skilda åt av ett mellanrum motsvarande en halv våglängd. Ska man bygga en antenn med 32 element kan det alltså göra stor skillnad om man har en våglängd på några centimeter eller några millimeter.
