5G er siste generasjon mobiltelefonteknologi og er tenkt å være en helt sentral brikke i selvkjørende biler og busser, tingenes internett og for å gi folk ubegrenset mulighet for å laste ned hva de vil, når de vil til telefonen sin. Når det gjelder det siste kan man kanskje heller si at det skal gi innholdsleverandører mulighet til å levere ubegrensede mengder data til sine kunder, med andre ord: selge ubegrenset med innhold alle steder, alltid.
Bilde fra artikkel om hvordan selvkjørende biler ser.
ITU – den Internasjonale Teleunion – FNs organ for regulering av trådløs kommunikasjon som har 193 land og 800 selskaper som medlemmer – har laget en framstilling av hvilke forbedringer 5G skal gi i forhold til tidligere generasjoners mobiltelefonteknologi. Det illustrerer de som følger:
Figuren viser teknologileverandørenes 5G-visjonen for tjenester som 4G, 3G etc. ikke kan understøtte. Plasseringen av de blå firkantene er gjort i forhold til hva som er viktig for de tjenestene boksene representerer: Lengst til venstre nederst er det plassert de som bidrar mest til massiv økning i antall maskiner som kommuniserer. Øverst i trekanten står det som trenger best kapasitet (tusenvis av ganger mer enn i dagens 4G-nett) og nederst til høyre det som er mest krevende med hensyn til at nettverkene er pålitelige og gir rask respons.
I Figur med historisk blikk på mobiltelefonutviklingen over, har 4G blitt illustrert med en voksen person mens 5G er illustrert med en rakett. Hvis vi sammenlikner hastighet kan man si at personen går 2 meter per sekund, mens raketten går over 10 meter per sekund – sammenlikningen mellom menneske og rakket halter derfor en del – det hadde kanskje passet bedre med en sykkel? Disse hastighetene oppnås under optimale forhold. Latency betyr forsinkelse. Dette er viktig når man raskt skal sende små meldinger, for eksempel sensorer skal sende data og andre smarte komponent skal raskt ha melding tilbake om å regulere en del av det smarte apparatet. Her ser vi også at 5G er mye raskere enn tidligere teknologier. Til slutt angis gjennomsnittshastigheten på nedlasting av data. Her ser vi at det er langt lavere enn ved optimale forhold.
Det virker som mange er blitt veldig, veldig redd for 5G. Er ikke det like (u)farlig som WiFi, 3G, 4G, smartmålere og alt annet? 5G er en samling teknologier som til sammen gir økt datahastighet og raskere svar fra servere (latency). De første installasjonene av 5G er svært like 4G, men etter hvert vil de andre teknologiske nyvinningene bli tatt i bruk. Det er disse nyvinningene som gjør 5G drastisk forskjellig fra tidligere mobiltelefonteknologier. De tekniske nyvinningene omfatter bl.a.:
- Bruk av andre frekvensområder enn tidligere generasjoner mobilnettverk
- Et nytt overføringssystem; MIMO: multippel input og multippel output antenner)
- Retningsstyrt signaloverføring og mottak; stråleforming, beamforming
Under finner du en gjennomgang av disse nyvinningene.
De nye teknologiene 5G vil ta i bruk
Bruk av frekvensområder
I dag bruker mobiltelefoner frekvensområder under 3 GHz, WiFi bruker 2,5 GHz eller 5 GHz (som ikke må forveksles med 5G. GHz står for «giga hertz» som er et mål på antall bølger/svingninger i de elektromagnetiske strålene/bølgene som brukes for kommunikasjon. G i 4G, 5G o.l. står for «generation».)
5G-nettet skal også bruke slike frekvenser og de lavere og midtre frekvensbåndene som 5G skal bruke kan overlappe med de som i dag brukes for 4G. Det vil si 5G-frekvenser under 6 GHz. I forhold til mulige skader på helse og miljø kan derfor disse 5G-frekvensene være de samme som for andre typer av dagens trådløse kommunikasjon.
Imidlertid er det planlagt å ta i bruk høyere frekvenser for 5G, spesielt i MMW området 24 GHz til 60 GHz, for høykapasitets data kommunikasjon. Bruk av slike høye frekvenser er ganske nytt, og gir store utfordringer når det gjelder vurdering av helserisiko (Lin, 2020). Slike MMW har tradisjonelt blitt brukt for radar og mikrobølge-linker (Simkò and Mattsonn, 2019) og svært få studier av slike har blitt gjort for å vurdere virkningene på menneskers helse og på miljøet.
5G-nettet vil på sikt bruke alle disse frekvensbåndene, hvor de lavere frekvensene er anbefalt å bruke i første fase av 5G-utbyggingen. Etter hvert er det planlagt å gradvis ta i bruk de langt høyere frekvensene.
De ulike frekvensbåndene er delt opp i ulike bruksområder fordi de egner seg til ulike oppgaver. De deles i tre adskilte nivåer avhengig av brukernes behov, se også figur 4:
- «Dekningslaget», med frekvenser under 1 GHz. Dette gir utendørsdekning over store områder og når lengt inn i bygninger. Dette laget benytter i utgangspunktet frekvensbånd brukt av digitalt TV som fungerer bra i forhold til å trenge gjennom fysiske hindringer. Dette systemet bruker ikke stråleforming og håndteres og administreres på stilvarende måte som 4G-teknologien, men kan muligens også ta i bruk en korrigerende faktor (peak power reduction coefficient) som tar hensyn til gjennomsnittlig energibruk i sendersystemene;
- «Deknings- og kapasitetslaget», mellom 1 GHz og 6 GHz. Dette er en av nyskapningene i 5G-teknologien. Den bruker det massive MIMO-systemet for å sikre optimal løsning i kompromisset mellom dekning og kapasitet, m.a.o. dataoverføringshastighet per frekvensenhet. Dette omfatter C-båndet i frekvensspekteret, rundt 3,5 GHz. Dette er ikke et millimeter-frekvens, men bruker stråleforming for å konsentrere mesteparten av den utstrålte energien mot enheten det kommuniseres med.
- «Superdatalaget», fra 6 GHz opp til MMW-frekvenser som 30 GHz og over. Dette laget tilbyr båndbredde og datahastighet som kreves av toppytelsen definert av ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) i IMT-2020 (International Mobile Telecommunications 2020 standard). Dette frekvensbåndet bruker også stråleformingsteknikken.
Hovedfrekvensbåndene i den globale 5G-standarden vil ikke bare være rettet mot kommunikasjon mellom mennesker, men også mot kommuniserende, samhandlende, automatiske systemer (Tingenes Internett, Internet of Things) gjennom bruk av elektromagnetiske bølger med frekvenser i området 26,5-27,4 GHz. Frekvensen til slike bølger er så høy at de ikke er i stand til å trenge gjennom bygninger eller andre fysiske hindringer. Så «en løsning» på dette problemet er å sette opp mange små celler med rekkevidde fra omtrent 10 meter (innomhus) til flere hundre meter (utendørs) – svært mye mindre rekkevidde enn makro-celler brukt av tidligere teknologier som kan nå over flere kilometer.
Stråleforming og MIMO
Den nylige økningen i mobiltelefontrafikk over mikrobølgefrekvensene har gjort at man har startet å se på MMW-spekteret, som hittil har blitt lite brukt. Fram til og med 4G-teknologien, har mobiltelefoner brukt frekvenser under 3 GHz fordi man har antatt at høyere frekvenser (over 3 GHz) vil bli dempet av fysiske hindringer og dermed blir disse lavere frekvensen ansett som mer pålitelige å bruke. Imidlertid vil man ved å ta i bruk intelligent stråleforming reduser dempningsproblemet og dermed redusere problemet med dekning og avbrudd til et minimum.
Stråleforming er en teknologi hvor man bruker mange små, samhandlende antenner (fasearrangerte antennerekker, phased array) som kan konsentrere en elektromagnetisk stråle slik at den kun treffer et lite område. En basestasjon kan ha mange slike antennerekker og dermed konsentrere stråler til flere samtidig. Dette løser et kapasitetsproblem: Hvis man ikke konsentrere strålen vil alle mottakerne få det samme signalet og må derfor dele på frekvensbåndet. Det er som alle i et område må høre på lyden fra samme høyttaleren og da må man eventuelt dele på å bruke den, en av gangen. Om man kan ha en smart høyttaler som konsentrere lyden slik at den bare når et lite område av gangen, kan man ha flere smarte høyttalere som kan sende ulik lyd til ulike steder og man behøver da ikke å måtte vente på tur. Det er svært vanskelig, for ikke å si umulig å lage slike smarte høyttalere, men for elektromagnetiske stråler er dette teknisk overkommelig og svært nyttig hvis man ønsker å øke ytelsen til et mobilnett.
Teknikken med dynamiske basestasjoner som benytter stråleforming kombinert med flerbruker-MIMO (Multi User MIMO, MU-MIMO) er kjernen i 5G NR (New Radio). Disse to teknikken i kombinasjon vil gjøre det mulig å betjene 1000 ganger flere enheter per kvadratmeter enn det man kan med 4G, fordi man kan sende mange flere brukere ultra-raske datapakker med høyere presisjon og forsinkelse.
MIMO ble opprinnelig utviklet for å raskt og effektivt kunne betjene enkeltstående applikasjoner via 4G-nettet. Man innså raskt at denne teknikken også kunne brukes til å fordele kapasiteten til et kommunikasjonsfrekvensbånd mellom flere brukere, [for eksempel slik at man kan ha flere geografisk spredte mobiltelefoner som kan bruke samme frekvensbånd uten at det oppstår forstyrrelser mellom dem]. Dette første til en serie løsninger, nå kjent som MU-MIMO (David and Viswanath, 2005).
Rundt dagens basestasjoner vil det være en mer jevn tåke av et elektromagnetisk felt rundt basestasjonene. Med stråleforming og MU-MIMO vil strålene flytte seg ettersom mobiltelefonen, bilen eller hva det nå er det kommuniseres med, flytter seg. Det er derfor en svært dynamisk situasjon hvor retningen på elektromagnetiske stråler hele tiden endres og dermed hvor mye elektromagnetisk stråling man utsettes for. Der det ikke er noen rettet stråle vil strålingen være svakere enn rundt dagens basestasjoner, men der f.eks. to eller flere stråler krysser vil strålingen være adskillig sterkere. Man kan da lure på hva strålestryken er på en buss med mobilbrukende passasjerer. Problemet med å vurdere dette samt vurdering av om det er problemer knyttet til å ta i bruk de høyere frekvensene, er tema for et eget notat.
Referanser
David and Viswanath, 2005; David T, Viswanath P. Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge University Press. 2005; Cambridge, UK.
Lin, 2020; Finner ikke referansen i rapporten. Mulig det er snakk om denne mannen: https://www.researchgate.net/scientific-contributions/James-C-Lin-39272400 J.C.Lin?
Simkò and Mattsonn, 2019; Simkó M, Mattsson MO. 5G wireless communication and health effects-A pragmatic review based on available studies regarding 6 to 100 GHz. Int J Environ Res Public Health. 2019; 16(18). pii: E3406.
Om El og Helse - under stadig utvikling 