Hva er 5G (og 6G)?

5G skiller seg fra tidligere generasjoner ved å være mer programvareorientert og operere i en skybasert arkitektur (forskning.no), noe som vil muliggjøre en mer fleksibel bruk av infrastrukturen. Dette kan åpne opp for bruksområder som fjernkirurgi, selvkjørende biler, utvidet virkelighet (augmented reality), flygende IoT (droner) og industriell automatisering.

5G legger til rette for en smartere nettverkskommunikasjon og kobling mellom mennesker, maskiner og tilkoblede enheter. Målet med den globale 5G-standarden er å skape interoperabilitet (muliggjøre samhandling mellom ulike systemer) mellom nettverkstjenester og enheter, tilby energieffektive og sikre systemer med høy kapasitet og øke datahastigheten betydelig med mye mindre forsinkelse i responstid.

5G har flere egenskaper:

• Høy hastighet
  • Høyere dataoverføringshastighet (opptil 20 Gbps) som gjør det enkelt for brukerne å laste ned innhold veldig raskt
  • 1000 ganger høyere dataoverføringskapasitet per område og 10-100 ganger høyere dataoverføringskapasitet per enhet sammenlignet med 4G
• Lav forsinkelse
  • 1-10 ms ende-til-ende forsinkelse (sammenlignet med 20-50 ms for 4G)
• Flere enheter
  • En million tilkoblede enheter per kvadratkilometer (over ti ganger flere enn med 4G)
• Skivedeling («slicing») av mobilnettet
  • Myndigheter og virksomheter kan reservere egne nett på det samme mobilnettet
  • På denne måten kan nettverk tilpasses for å effektivt betjene behovene til ulike bruksområder eller applikasjoner.

Teknologien i 5G

Alle trådløse systemer kommuniserer ved hjelp av radiobølger. Radiobølger kan angis i frekvens (hertz / Hz) eller bølgelengde (meter). Hittil har mobiltelefoni opptil 4G i Norge foregått over utvalgte frekvenser mellom 450 MHz og 2690 MHz (les mer på nkom.no). Dette spennet brukes også til andre ting, for eksempel DAB-radio og trådløse nettverk. Vi tar ikke for oss så mye mer om radioteknologi her. De viktigste poengene å ta med seg videre er at:

• høyere frekvenser er bedre egnet til å overføre data i høy hastighet enn lavere frekvenser.
• høyere frekvenser blokkeres lettere (f.eks. av bygninger eller fjell) enn lavere frekvenser.

Med 5G foreslås det å ta i bruk langt høyere frekvenser enn det som har vært benyttet til mobilnett tidligere. Disse vil kunne støtte svært høye overføringshastigheter over korte avstander.

Utrullingen av 5G beror på noen få viktige teknologiske forbedringer, og kombinasjonen av disse definerer 5G-teknologien. Før vi gjennomgår dem er det imidlertid greit å vite litt overordnet om hvordan infrastrukturen i mobilnettet ser ut.

(Figuren viser infrastrukturen i mobilnettet. Basestasjoner kalles også radionett og er bransjetermen vi bruker i denne gjennomgangen.)

Grovt sett kan vi dele infrastrukturen i to: radionettet (radio access network - RAN) og kjernenettet (core network). Radionettet består av basestasjoner og antenner, som mobiltelefonene våre kobler seg til. Basestasjonene er tilknyttet kjernenettet, som igjen knytter alle basestasjonene sammen. Kjernenettet knyttes også til andre tjenester, for eksempel internett. Når én abonnent ringer en annen, tar radionettet imot signalet fra mobiltelefonen og videresender det til kjernenettet, som finner ut hvilken basestasjon mottakeren er tilkoblet, og videresender samtalen dit.

Millimeterbølger

Utnyttelse av ledige radiofrekvenser er et tiltak for å øke kapasiteten i mobilnettet, unngå overbelastning av nettet og sikre at kommunikasjonen fungerer optimalt. Mobiltelefoner bruker spesifikke frekvenser, vanligvis de under seks gigahertz.

Utfordringen er at disse frekvensene begynner å bli overfylt. I dag brukes dette området av flere teknologier, blant annet GPS, WiFi og 4G. Løsningen er å åpne ny «eiendom» på frekvensspektret, nærmere bestemt kringkasting på millimeterbølger de som faller mellom 30 og 300 gigahertz. Denne delen av spektret er mindre utnyttet og har ikke blitt brukt tidligere for mobile enheter.

Å åpne for dette frekvensspektret betyr mer båndbredde for alle da det utnytter frekvenser tre til fire ganger så effektivt som 4G-nettet. Å ta i bruk millimeterbølger byr imidlertid på noen utfordringer. De beveger seg ikke godt gjennom bygninger eller andre fysiske hindringer. For å omgå dette problemet, trengs det småcellenettverk.

Småcellenettverk

Dagens trådløse nettverk er avhengige av kraftige celletårn for å kringkaste signaler over lange avstander. Siden millimeterbølger har vanskeligere for å passere fysiske hindringer, vil små mobilcellenett løse problemet ved å bruke tusenvis av små cellestasjoner til å fylle dekningshull mellom en basestasjon og mobilenheter. Små celler er forminskede basestasjoner plassert 250 meter eller mer fra hverandre og brukes til å utvide nettverksdekning og kapasitet. At cellene er mye mindre enn basestasjoner, gjør det enklere å feste dem på lysstolper og på bygninger. For å overføre data rundt hindringer, vil disse basestasjonene være mye nærmere hverandre enn tradisjonelle tårn. Når en bruker beveger seg bak en hindring, vil smarttelefonen automatisk bytte til en ny basestasjon slik at brukeren opprettholder forbindelsen.

Massiv MIMO (multiple input multiple output)

Nettverkskapasiteten til ethvert trådløst system kan forbedres ved å øke antallet sende- og mottaksantenner til systemet. 4G-basestasjoner har 12 porter for antenner som håndterer all mobiltrafikk. I 5G vokser dette tallet til rundt 100 porter i en basestasjon, noe som gjør det til massiv MIMO. MIMO er trådløse systemer som bruker to eller flere sendere og mottakere til å sende og motta data simultant. Enkelt forklart muliggjør det at en basestasjon kan sende og motta signaler fra enda flere brukere samtidig.

Stråleforming og strålestyring

Stråleforming er en signalbehandlingsteknikk for radiobølger som identifiserer den mest effektive ruten til en bestemt bruker. Man kan tenke seg at man prøver å ringe i et område fullt av bygninger. Signalet reflekteres av bygningene og krysser andre signaler fra brukere i området. En massiv MIMO-basestasjon mottar alle disse signalene og holder styr på tidspunktet og retningen. Den bruker deretter signalbehandlingsalgoritmer til avgjøre nøyaktig hvor hvert signal kommer fra og finner den beste overføringsruten tilbake til hver mobiltelefon.

Skivedeling

I de tidligere mobilnettene er den tilgjengelige nettverkskapasiteten i prinsippet delt likt mellom alle brukere knyttet til en basestasjon. Med 5G kan private og offentlige virksomheter forhandle frem avtaler med monilnettoperatørene og reservere en del av nettverket for seg selv (en skive). Operatørene kan ved hjelp av programvare dele det fysiske mobilnettet inn i ulike virtuelle nettverk. Les mer på ndla.no.

Virituelle nettverk kan for brukeren fremstå som et separat og selvstendig nettverk, selv om det fysisk kan være en del av et større nettverk eller et lokalnettverk. Disse virtuelle nettverkene er gjensidig isolert, administrert uavhengig og opprettet på forespørsel. Les mer om dette på researchgate sine nettsider (engelsk).

Silk er hvert nettverk tilpasset for å effektivt betjene behovene til visse bruksområder eller applikasjoner. Det kan for eksempel være aktuelt for beredskapssituasjoner hvor nødetatene kan reservere egne nett og utveksle data som tekst, bilder og video på en robust måte og på den måten styrke situasjonsforståelsen.

Multi-access Edge Computing

Drevet av økende krav til høy hastighet og lav forsinkelse, må både nettverksfunksjoner og innhold bevege seg nærmere brukeren, det vil si så langt mot kanten av radionettverket som mulig. Multi-access Edge Computing (MEC) er basert på virtualisering og forskyver skytjenester til kanten (the edge) ved å tilby prosessering nærmere brukeren, uavhengig om dette er en privatperson eller en virksomhet.

I et normalt skytjenestemiljø kan skytjenester være fysisk langt unna brukerne, og denne avstanden kan skape forsinkelser. Forsinkelser kan reduseres ved at prosesseringskraften flyttes nærmere informasjonen som skal prosesseres.

Hva er 6G?

Mens 5G-utrullingen er i gang, har interessen for sjette generasjons mobilnett (6G) allerede skutt fart innen forskning og privat næringsliv. Selv om realiseringen er noen år frem i tid, forventes 6G å tilby nettverksarkitektur som tilrettelegger for en mer datasentrisk, dataavhengig og automatisert virkelighet.

For å imøtekomme kravene til en tilkoblet verden, vil 6G akselerere trendene vi ser med 5G. Dette innebærer blant annet innføring av løsninger for smarte byer og smart industri gjennom brukersentrisk maskin-til-maskin-kommunikasjon. For å realisere neste generasjons tilkobling, vil 6G tilby flere tjenester med kunstig intelligens og distribuert kommunikasjon, og muliggjøre enda flere tilkoblede enheter samtidig.

Hver generasjon mobilnettverk er generelt kjennetegnet av forbedrede kommunikasjonsteknologier. For 5G er massiv MIMO og millimeterbølger (mmWave-bånd) begge viktige muliggjørende teknologier.

Muliggjørende teknologier i 6G omfatter også bruken av "nye" frekvenser på radiospekteret som ennå ikke har blitt vurdert for mobilbruk, nemlig terahertz-båndet. Les mer om dette hos mmWave Networking Group (mmwave.dei.unipd.it, engelsk).