Ännu mer 5G: Hur man skapar utrymme för fler användare

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. 

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.

Om radar och "den snurrande grejen"

En sak jag lagt märke till under de senaste två åren är att om nån frågar vad man jobbar med och man svarar "radarutveckling", så finns det en följdfråga som är vanligare än alla andra. Nämligen: Har den en sån där snurrande grej?

Oftast syftar "snurrande grej" här på den typiska radardisplayen man ser i fartyg i filmer och tv-serier, där en grönaktig stråle sveper runt, runt på en rund display som visar ljusa punkter eller prickar där radarn ser något. Ibland kan "snurrande grej" också syfta på själva antennen, som ju ofta sitter nånstans högt upp på fartyget och snurrar. Inte så konstigt eftersom det är den här typen av radar som vi ser mest i populärkultur etc.

Emellertid har radarn jag jobbar med ingen av dessa snurrande grejer, så nästa fråga brukar vara nåt i stil med, men hur funkar den i så fall? Vilket är en fråga som tar tid att svara på, och så går konversationen vidare till något annat. Men det är en väldigt bra fråga, så nu tänkte jag ta mig tid att svara på den lite mer utförligt.

Om man funderar lite mer på den där klassiska radardisplayen så inser man raskt att den på ett väldigt bra sätt visar två saker: Avståndet till det radarn ser, och riktningen relativt den egna radarantennen. Avståndet är en av de saker som är mest rättframt att mäta med en radar: Man skickar iväg en puls av radiovågor och ser om den reflekteras av något och därför kommer tillbaka. Sen räknar man ut avståndet från tiden det tog innan pulsen kom tillbaka. Riktningen är ofta mer besvärlig, men för en snurrande fartygsradar finns en enkel lösning - det man ser måste ju finnas i samma riktning som antennen var riktad i när den tog emot signalen. Den snurrande grejen har alltså att göra med hur man avgör riktningen till det radarn känner av.

Om man inte vill ha en snurrande grej behöver man hitta ett annat sätt att avgöra vilken riktning en sekvens radiovågor kommer ifrån. Ett sätt att förstå hur det kan gå till är att börja med en typ av vågor som är lättare att föreställa sig, exempelvis vattenvågor. Om du sitter och metar med ett metspö i en sjö där det går lite vågor kommer flötet (ja, den röda grejen i bilden nedan föreställer ett flöte) att följa med vågorna, så ibland är det på en vågtopp och ibland i en vågdal.

Tänk dig nu istället att du av nån anledning har fyra flöten i en rad på vattenytan. Om vågorna kommer rakt framifrån, så att vågkammarna är parallella med raden av flöten, så kommer de att vara på en topp eller i en dal samtidigt. Skulle vågorna däremot komma från någon annan riktning så kan vissa hamna på vågtoppar samtidigt som andra är i vågdalar. Även om alla fyra påverkas av samma vågrörelse, med samma amplitud och frekvens, så är fasen alltså olika för varje flöte. Om du vet våglängden på vågorna och avståndet mellan dina flöten skulle du då kunna räkna ut, åtminstone på ett ungefär, vilken riktning vågorna kommer ifrån.

Man kan också tänka sig att du, en dag när sjön är spegelblank, utrustar flötena med nåt som kan skapa vågor istället. Vågorna från de olika flötena kommer att interferera med varandra, så att om vågtoppar från två flöten hamnar på samma ställe förstärker de varandra, men om en vågtopp och en vågdal hamnar på samma ställe tar de ut varandra. Slutresultatet av detta kommer att bli att vågorna styrs i en viss riktning, beroende på den relativa fasen hos flötena.

Om du nu istället har en radar som inte snurrar utan alltid ser åt samma håll (som en framåtriktad radar på en bil, till exempel) så kan du använda det här på två sätt. Om antennen du skickar ut radiovågor med har flera så kallade antennelement kan du bestämma att de ska skicka ut radiovågorna med olika fas. Det kommer då att styra radiovågorna i en viss riktning, precis som i exemplet med vattenvågorna ovan (antennelementen motsvarar flötena). Genom att ändra den relativa fasen för de olika antennelementen kan du skicka radiovågor i olika riktningar och därmed "scanna av" omgivningen (snyggare figurer / animationer som förklarar detta finns här).

Det andra alternativet är att ha en mottagarantenn med flera antennelement. I det här fallet har man oftast en lite enklare sändantenn som belyser ett bredare område med radiovågor. När vågorna reflekteras av föremål i området fångas de upp av mottagarantennen, och den relativa fasen som uppmäts av olika antennelement ger riktningen.

Sen finns det naturligtvis saker som gör det här mer komplicerat i verkligheten - till exempel kan man behöva rätt många antennelement om man vill se ett stort område med hög upplösning. Det kan också vara besvärligt när det finns flera föremål som reflekterar. En sak som gör det sistnämnda lättare att hantera är att reflexer från föremål på olika avstånd kommer att nå mottagarantennen vid olika tidpunkter, så det går att separera dem med avseende på avståndet innan man försöker avgöra riktningen. I den typ av radar som oftast används i bilar mäter man också hastigheten relativt det egna fordonet och särskiljer olika föremål baserat på det - så reflexer från en mötande bil och en lyktstolpe som råkar befinna sig på samma avstånd går att skilja åt beroende på hastigheten, och sen kan man förhoppningvis räkna ut riktningarna till båda. Även utan snurrande grejer.