Mer 5G: Frekvenser och hastigheter

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.

Vad ska vi med 5G till?

Under våren har 5G, den femte generationens mobiltelefonisystem, så smått börjat lanseras i Sverige.  Mobiloperatörerna utlovar högre hastigheter och allmänt bättre mobilnät, men inom teknikindustrin finns det högre förhoppningar än så. Så vad är det vi ska ha 5G till?

Innan vi kommer in på vad man vill göra med 5G kan det vara bra att fundera på vad det är. På en väldigt allmän nivå så behöver ett mobiltelefonisystem innefatta trådlös kommunikation, som består av signaler till och från ett större eller mindre antal mobiltelefoner (eller smarta klockor, surfplattor, etc), och någon typ av bakomliggande system som kan vidarebefordra information till det vanliga telefonnätet eller internet. I skarven mellan dessa två nätverk finns de så kallade basstationerna, som för de flesta av oss är den mest synliga delen i mobilnätet (förutom vår egen telefon då). Kommunikationen mellan basstationerna och de enskilda mobilerna sker med hjälp av elektromagnetiska vågor, s.k. radio- och mikrovågor. En "generation" av mobiltelefonisystem är en sorts överenskommelse eller standard som täcker allt från vilka frekvenser av elektromagnetisk strålning man använder och hur basstationerna är uppbyggda, till hur informationen som skickas över mobilnätet ska se ut för att kännas igen och tolkas rätt av både mobiler och basstationer. Det handlar alltså inte om en enskild uppfinning eller teknisk förändring utan ett helt paket av förändringar som samverkar på olika sätt. 

Den rent tekniska förändring som fått mest uppmärksamhet när det gäller 5G är att man planerar att börja använda högre frekvenser, vilket i sig kan göra det möjligt att överföra data i en högre takt, men 5G öppnar också för att paketera informationen som skickas på ett mer effektivt sätt, strukturera om systemet bakom basstationerna och börja använda sändar- och mottagarantenner med fler antennelement i basstationerna. Med fler antennelement blir det lättare både att skicka ut elektromagnetiska vågor i en bestämd riktning och skilja på de elektromagnetiska vågor man tar emot från olika mobiltelefoner (det funkar lite som när man bestämmer riktning med hjälp av radar). Ju bättre man kan skilja signaler från olika telefoner åt desto fler kan ha kontakt med samma basstation samtidigt utan att det blir problem. Tillsammans innebär de här förändringarna att man, jämfört med tidigare generationers mobiltelefoni, ska kunna överföra information i en högre takt, skapa utrymme för fler samtidiga användare av mobilnätet och minska fördröjningen i informationsöverföringen (så kallad latens).

Om man till vardags använder 4G-nätet utan problem kan man kanske fråga sig om någon av de här förbättringarna egentligen behövs. Grejen är att de mobiloperatörer som bygger 5G-nätet inte enbart är ute efter att tillgodose behoven hos mobilanvändare så som de är idag. Dels verkar man anta att den typ av mobilanvändare som redan finns - såna som du och jag som har mobiltelefoner och ringer och surfar med dem - kommer att öka sina krav på hastighet och pålitlighet i anslutningen. Kanske kommer de också att ha fler enheter per person, som en mobiltelefon plus en smart klocka med eget SIM-kort. Det är något man vill vara förberedd på för att inte tappa kunder. Men utöver detta tror man också att ett annat sätt att använda mobilnätet kommer att öka i framtiden - nämligen att det kommer att användas för kommunikation mellan maskiner. 

Tänk dig att du kör en bil som är utrustad med avancerad teknik för att hjälpa dig som förare - kanske kan den till och med köra utan din hjälp i enkla situationer som motorvägskörning. Plötsligt förändras något i trafiksituationen - det kanske bildas en kö på motorvägen, eller så kommer en kraftig regnskur och försämrar sikten och gör vägbanan hal. I de flesta fall lägger du märke till de här sakerna när du kommer fram till dem (ok, Google skulle kunna hinna varna dig för bilkön om du var tillräckligt långt ifrån den när den bildades). Om bilarna i sig kunde kommunicera sinsemellan skulle de som nått kön, eller regnvädret, automatiskt kunna varna andra bilar i närheten. Om de kunde kommunicera med infrastrukturen - säg att det skulle finnas sändare i exempelvis trafikskyltar - skulle de kanske kunna få ännu mer information. Beror kön på ett vägarbete, behöver man temporärt ändra hastighetsbegränsningen på en vägsträcka? Den typen av information skulle kunna nå själva bilen automatiskt och visas på t.ex. heads up-displayer och liknande. För en bil med kapacitet att vara självkörande skulle det också kunna göra det lättare för den att anpassa sig efter omständigheterna eller förvarna den mänskliga föraren när han eller hon behöver ta över. Det här skulle dock kräva pålitlig, snabb trådlös kommunikation med låga nivåer av fördröjning mellan ett stort antal användare (bilar och sändare i infrastrukturen). Det är några av de saker som 5G-tekniken utlovar, och därför hoppas man att den ska göra det möjligt att på allvar få igång kommunikation mellan fordon samt mellan fordon och infrastruktur.

Ett annat användningsområde man brukar prata om för 5G är i så kallade smarta städer, som i det här fallet bland annat innefattar att ha stora mängder sensorer utplacerade för att känna av allt från trafikflöden till vattenläckor. Sensorerna ska kunna kommunicera via mobilnätet för att slå larm eller leverera data. Man vill också använda 5G för att förbättra folks hälsa, t.ex. genom att skapa bärbara sensorer som kan slå larm via mobilnätet om något går fel, och för att ta automation i fabriker ytterligare några steg längre. Den här översikten från IEEE  ger en ganska bra bild av vad folk hoppas kunna åstadkomma (den är också två år gammal, men en snabb trendspaning pekar på att förhoppningarna håller i sig - kolla t.ex. här, här och här för en inblick i vad folk i branschen vill göra).

Som alltid med framtidsvisioner är det viktigt att komma ihåg att ingen vet riktigt hur utvecklingen kommer att bli. Vissa tillämpningar som man hoppas mycket på kommer antagligen att visa sig vara svåra att förverkliga eller mindre användbara än man trott, samtidigt som det kommer att dyka upp nya idéer när folk börjar använda tekniken och se möjligheterna. Eftersom 5G precis börjat införas i stor skala kommer det också att dröja ett tag innan vi vet exakt hur väl det faktiskt funkar i praktiken. Oavsett hur det kommer att gå är det bra att veta att de stora effekterna av den femte generationens mobiltelefoni inte nödvändigtvis kommer att vara kopplade till vanliga mobiltelefoner utan till helt andra typer av tekniska prylar - som pratar med varandra.