Digitalradions utveckling

En del människor verkar tro att de kan något för att de någon gång fått höra talas om shannons lag och har listat ut ungefär vad formlerna betyder.

Dessa personer brukar klassas som teoretiska idioter, personer som förstår formlerna, men inte förstår implikationen i verkligheten. Jag ska i den här artiklen förklara varför shannons teorem i praktiken överhuvudtaget inte har någon större inverkan den tekniska utvecklingen.

Myten säger att eftersom vi redan idag fyller upp shannons teorem till hög grad kan vi inte optimera radiosystemen mer. Shannons teorem är ingen naturlag, utan ett matematiskt teorem, de är därför bevisat att de stämmer, men för att de ska stämma så gäller de matematiskt givna förutsättningarna, världen är inte baserad på mattematik, det finns därför ett otal sätt att komma runt problemet.

GSM - Moderna telefonins början
När GSM kom var de gryningen av den idag digitala världen. GSM systemet är väldigt enkelt uppbyggt och i praktiken är de bara en rad äldre tekniker radade efter varandra. Accessnätet i GSM systemet fungerar ungefär på följande sätt.

Notera att basstationerna i sig ofta inte står seperat utan använder riktantenner för att emulera en fysisk station. Nätet på bilden skulle i praktiken troligen bestå av en enda mast med 7 antenner samt några små pico celler (som ofta är monterade direkt på husväggar)

Ganska enkelt, varje basstation har sin egen frekvens, varje samtal har var sin 1/8 av tiden i frekvensen som den basstationen den är uppkopplad på. Jag har är ritat in 8 frekvenser. I praktiken används betydligt fler frekvenser än så. Beroende på hur många band man räknar in finns de runt 1000 frekvenser att använda.

I verkligheten kan inte basstationerna placeras lika optimalt som på bilden vilket gör att man tappar många frekvenser i kapacitet, samtidigt använder man olika band (i Sverige 900 och 1800Mhz) ovanpå varandra utan att på något sätt sammkoordinera dem. Om man skulle kunna sammkoordinera dem skulle man alltså vinna ny bandbred, bandbred som nu inte är tillgänglig.

Lite schematiska bilder hur olika tekniker kodar sina kanaler. Ta dock UTMS med en nya salt, den är bara grovt schematisk, och ta LTE med en hel näve salt, den visar bara en lite bråkdel vad som sker under ytan.

NMT - Orginalet... nästan
Innan GSM kom fanns NMT. NMT fungerar i princip på samma sätt som GSM. Skillnaden var att man i stället för att låta varje enskild basstation ha sin frekvens, lät man varje samtal ha sin frekvens kopplat till en specifik basstation. Eftersom man måste skydda frekvenserna med skyddsfrekvenser så blev detta ett ganska slösaktigt sätt att hantera frekvenserna dessutom var hårdvaran som avkoda frekvenserna mycket kostsam, dvs telefonerna var svindyra. När man la om från NMT till GSM vann man då ungefär 2gånger mer kapacitet utan att öka frekvensen. En del av vinsten var från skyddsbanden, men den mesta av vinsten var från bättre kanalkodning och komprimering.

GPRS - Paketdata
GPRS låter helt enkelt användaren använda fler eller färre tidsluckor vid behöv. I teorin ger detta ingen prestanda ökning alls. De är dock i detta ögonblick som teorin och praktiken börjar divergera rejält.
Om någon använder GSM modem kommer de nämligen att ockupera kanalen kontinuerligt trots att de bara använder data ibland, med GPRS ockuperar man bara just den datan man använder. En annan mindre skillnad är att med GSM-modem kopplar man upp sig via en ytterligare kodning som gör att man endast kan använda 9,6kbit/s per lucka, men med hårdkodningen i GPRS så kan man använda upp till 14,4kbit/s per lucka.
En annan faktor som spelar in är att operatörerna nu kan fylla alla 8 luckorna, tidigare var en av luckorna reserverade, detta ökar kapaciteten med ytterligare 14%.

Det är svårt att uppskatta exakt hur mycket ytterligare kapacitet som frigörs genom att göra luckorna fria, men det kan handla om allt från 0% i ena extremfallet till över 1000% i andra, en moderat gissning handlar de om runt 100% ökning av den faktiska kapaciteten.

Totalt erbjuder GPRS en ökning över GSM på ca 3,5 gånger. Kanske inte så mycket... men vi är inte ens ur 90-talet än.

EDGE - Ett litet mellansteg
EDGE han aldrig ta fäste i Sverige, men detta är ett av de få gångerna man faktiskt hämtat in kapacitet som man tidigare förlorat enligt Shannos teorem. Vad man låter varje våg representera olika många bitar beroende på vilket avstånd mottagaren står på. Detta ökar i teorin hastigheten mellan 0% och 300% ökning. Ökningen är linjärt beroende av avståndet till mottagaren. I teorin så om användaren befinner sig på en slumpmässig plats så ökar kapaciteten i genomsnitt med 100%, men åter igen får teorin sig en känga, för personer står nämligen inte slumpmässigt. Personer tenderar att finnas där täckningen är hög, orsaken att personer finns där täckningen är hög, är att telefonoperatörerna gör täckningen hög där personer finns. I praktiken resulterar detta i närmare 150-200% genomsnittlig ökning.

Detta har dock i praktiken ingen som helst betydelse, för EDGE visade sig bli en fotnot, vilket de egentligen alltid var tänkt som. EDGE var bara ett sätt att krama de sista dropparna ur ett döende GSM system.

UTMS - Jepp, de är 3G
Vad UTMS gör är rent bord med hela radiosidan, de behåller dock samma supportsystem som de äldre systemen. Så från radiobasstationen och mot telefonen är de helt nytt, men från radiobasstationen till nätet är de samma gamla skit, varför detta påverkar kommer jag att förklara senare.

Här börjar de bli väldigt krångligt hur de fungerar. Men i ytterst grova ordalag kan man säga att i stället för att frekvensdela eller tidsdela, delar man upp användarna och basstationerna med en kod. Detta är dock inte riktigt hela sanningen, till viss del delar man fortfarande på frekvenser och tid, men till en avsevärt mindre utsträckning.

I praktiken betyder det att man slipper både skyddstid och skyddsfrekvens, vilket sparar en del utrymme, men i detta fallet är de bara frågan om några enstaka 10-tal procent.

Vad koddelningen mer gör är att de tillåter olika grader av mottagning, i praktiken frigör de frekvensutrymme som redan är upptaget av en annan sändare. På detta sätt kan två sändare använda samma frekvens samtidigt UTAN att prata i mun på varandra. Detta reducerar iofs kapaciteten, men bara på långa avstånd från basstationen, där de pratar i mun, på korta avstånd så använder man en mycket kortare kod (eller i extrema fall ingen alls) vilket då går bra eftersom de inte störs.

Åter igen vad man gör är att frigöra frekvensband, skillnaden på ny och tidigare är att man frigör frekvensband som i teorin inte ens finns, åter igen får teorin sig en smäll av praktiken och lite fiffig mattematik.

Vad man i lite mer praktiska ordalag gör är att man helt enkelt låter basstationerna prata i munnen med varandra, men bara lite grann. Genom en nyckel, som mest kan liknas vid kryptering, så kan man låsa upp datan från en av flera basstationer utan att för den delen störas av de andra. Genom att flytta runt nycklarna dynamiskt så kan man utnyttja kapaciteten där den mest behövs.

Åter igen, exakt hur mycket kapacitet som frigörs är närmast omöjligt att avgöra, sedan är frågan vad man ska jämföra med EDGE? GPRS? GSM? Ingen av dem har något gemensamt med UTMS.

Vad UTMS gör är i praktiken möjliggöra för operatörerna att använda alla frekvenser på alla utrymmen som de har tillgängliga, i praktiken innebär detta att en operatör kan använda 50-80% mer frekvenser. En annan fördel är att man kan använda alla frekvenser överallt, detta innebär ca 8 gångers ökning av frekvenserna. En del av denna ökning äts dock upp av kodspridningen vilket gör att man har ca 4 gånger ökning kvar. Detta medför dock att man mer dynamiskt kan balansera trafiken vilket åter igen ger en uppskattningsvis 20-40% ökning.
I praktiken innebär detta runt totalt 8 gånger ökning (relativt till GPRS) av utnyttjande av frekvensbanden, och det i princip utan att utnyttja shannons teorem mer i någon större utsträckning.

Nu lyder myten att man ändå inte kan komma längre, man har utnyttjat allt till max, och de finns inget teoretiskt utrymme att utnyttja det mer. Absolut, de stämmer, precis på samma sätt som att en humla i teorin ej kan flyga.

LTE - Nopp, de är inte 4G
På samma sätt som UTMS är 3G är inte LTE 4G. Orsaken att LTE inte är 4G är att man helt enkelt bestämt att de inte får vara det. Ibland kallar man LTE för 3,9G, men detta är i sig lite falskt eftersom LTE har ganska lite med UTMS att göra.

LTE gör åter igen rent bord, men den här gången hela vägen rakt igenom systemen, även på nätverkssidan. LTE kommer med ny modulation, ny kodning och nytt, ja allt.

LTE ger ingen enorm ökning på radiosidan, men de ger en ytterligare 20% ökning på basbands sidan då det inte använder ATM som alla tidigare tekniker gör.

Åter igen ligger den stora förbättringen inte i kapacitet, utan i flexibilitet. LTE kombinerar en hel rad tekniker. Lite mer praktiskt kan den anpassa effekter på olika frekvenser till olika mottagare.

Ett litet trick som LTE har som gör att den faktiska kapaciteten ökar något enormt är att LTE hela tiden räknar ut vilken den optimala sändaren är för att maximera kapaciteten i systemet. Är ni två som använder LTE i närheten av varandra, så kanske systemet i stället för att välja den närmaste basstationen väljer en något längre bort för att din trafik mindre ska störa den andra användarens.

Max kapacitet ökar med ca 140% för radioöverföringen (per bandbred) och ytterligare 20% på basbandssidan vilket ger totalt ca 180% ökning. Hur mycket ökning flexibiliteten ger går ännu ej att besvara eftersom den helt enkelt inte är testad ordentligt än. Vissa kritiker hävdar att de inte ger en ökning, utan snarare en minskning av den totala kapaciteten då systemet helt enkelt är för komplext.

Kruxet med delat bandbredd
En problematik som de ofta talar om är att man har 100Mbit/s på LTE, men man kanske delar det med upp till 1000 andra personer i området. Innebär de då att man har 0,1Mbit/s var? Svaret är, njae.

Tänk avloppsröret. Ett normalt avloppsrör (110mm) har en kapacitet på runt 10liter/sekund. Men om du bor i lägenhet delar du troligen dessa 110mm med ganska många av dina grannar, och egentligen först i källaren där alla rören förenas blir de grövre.

Så om man spolar samtidigt som grannen, får man då lägre kapacitet? Svar JA. Om du och dina grannar spolar exakt samtidigt så kan toaletten inte spola med full hastighet. Detta händer dock så pass sällan att man inte tänker på det, men det händer dock ibland.

Vad har de med bandbred att göra? Jo om du och dina grannar delar 100Mbit/s och ni är säg fyra personer som laddar exakt samtidigt får ni bara 25Mbit/s, nu är de dock så att 25Mbit/s är otroligt mycket data. När bandbredden är tillräckligt hög hinner man helt enkelt inte utnyttja den till max.

Säg att en bastation för 100Mbit/s täcker en kvadrat km. På den kvadrat km så kan den kontinuerligt pumpa ut sina 100Mbit/s, det finns 4 tillgängliga frekvenser för operatörer, vilket ger totalt 400Mbit/s. 60sekunder per minut, 60minuter per timme, 24 timmar per dygn.
Det blir 34Terabit/dygn. Det finns 1000 000m^2 på en km^2, en normal villatomt är 1000m^2, det finns då i genomsnitt 1000 villor på den ytan, då kan man ta emot 34Gbit/dygn per villa i området (endast nerlänk).

Vist, man laddar inte fullt ös dygnet runt, å andra sidan står basstationer i städer sällan så glest som en per km^2. Detta är läget idag, inte om en månad, inte om ett år, idag.

LTE-A - Jepp, de är 4G
Just nu filas de på en standard som heter LTE-A. Exakt vad den kommer att innefatta är idag inte bestämt, men högst troligen kommer den att använda IPv6 paket prioritering samt Mimo.

Vad paketprioriteringen gör är att man kan låta sälja sitt utrymme till någon som har mer brotom. I praktiken innebär det att person A spelar nätverksspel och vill ha låg ping får hög prioritering, medan person B laddar ner en film och vill ha hög kapacitet. Genom att prioritera olika kan man låta person B flytta sina paket något, detta ger lägre ping för person A samtidigt som man utnyttjar bandbredden bättre. Exakt hur stor skillnad de är kan man idag inte svara på, men de rör sig troligen inte om så mycket.

Vad Mimo gör är däremot en annan historia. Genom att skicka ut samma signal på flera antenner och sedan ta emot den på flera antenner så har man möjlighet få bättre mottagning och därav bättre kapacitet. Den stora fördelen med denna tekniken är att den är tämligen okänslig för störningar, vilket gör att man mer eller mindre kan utnyttja kapacitetsökningen fullt ut.

Exakt vilken kapacitet de är frågan om har man ännu inte bestämt, men troligen kommer man att börja med 200Mbit/s, dvs en fördubbling från idag. De slutgiltiga målet är runt 1000Mbit/s på knappa ett decenniums sikt.

LTE-A är tänkt att spikas till 2011, dvs nästa år.

Mer kapacitet att frigöra?
Som frågan står, är svaret, ja massor. Genom att konvertera gamla band till nya modulationstekniker kan man frigöra massivt med kapacitet. Bara på UTMS 2100 bandet finns det 120Mhz att frigöra vilket motsvara ytterligare 300+150Mbit/s. Det finns två 900Mhz band, ytterligare ett 1800Mhz band, ett 450Mhz band, ett 400Mhz band. Man skulle, om man så vill, kunna frigöra 800Mhz och 1900Mhz banden, om de blir riktigt kärvt kan man frigöra 700 och 1700Mhz banden med, och om de går så långt finns de ett par gamla TV band att ta med.
Alla dessa band jag nämner finns det redan idag färdig radiobasutrustning att köpa för att använda över disk (okej, de är beställningsvara) för LTE.

Används inte dessa band?
Tja, delvis. Främst vad de gäller GSM banden används dessa inte full ut, och vad de gäller de icke europeiska banden så är de helt enkelt inte ännu frigjorda. GSM banden utnyttjas idag endast till bråkdel. Om man verkligen skulle vilja frigöra banden skulle man snabbt kunna locka över stora mängder kunder till nya system (typ LTE) för att bara lämna några få frekvenser öppna för samtal med legacy telefoner.

Så varför gör man inte de om de är så enkelt?
Svaret är mycket enkelt, det behövs helt enkelt inte. Operatörerna tycker helt enkelt inte att nätet är tillräckligt fullt för att investera mer pengar i det. Idag kan man mycket enkelt öka kapaciteten punkt vis genom att bygga ut nätet på ställen där kapaciteten tryter, detta helt utan att frigöra en enda Mhz.

Varför går mitt mobila bredband så förbannat långsamt då?
Troligen har det inget alls med kapaciteten att göra. Många skyller instinktivt på kapaciteten eftersom de vet att de är ett potentiellt problem. Men i praktiken de flesta fall jag sett så är de inte kapaciteten som begränsar, utan snarare sättet som nätet används på.

En sak jag ofta ser folk göra är att ha mobila bredbandet i fickan. Mobilt bredband är långt mer täckningskänsligt än exempelvis mobiltelefonsamtal, och hur ofta ringer man med telefonen i fickan? Om man kör med mobilt bredband hemma, skaffa en 3G/LTE till W-Lan adapter, placera denna på de stället du får högst täckning på (vilket ofta är i fönstret högt upp). Detta kan ofta dubbla hastigheten.
Använder man det på tåget, bussen eller likande. Skaffa en USB sladd och ett clips. Sätt dra sladden och sätt fast 3G/LTE mottagaren på lämplig gardin eller så. Notera att på tåget kommer man på grund av att man rör sig sällan uppnå höga hastigheter.

Framtiden
Okej, de där går ju bra idag, och de går väll bra nästa år med när LTE-A kommer, och de kanske t.o.m går bra 2015 när kapaciteten ökar. Men vad händer då i framtiden när vi uttömt alla resurser?

Vad som har beskrivits i den här artiklen är bara saker som är tillgängliga att köpa idag, och i fallet med LTE-A, nästa år. Utveckling sker ständigt.

Tänk igen kvadrat km:n i tidigare exempel. Ett gäng basstationer som försörjer ett område med bredband. Men de behöver inte se ut just så. Just nu forskas det flitigt på att riktningsbestämma radiosignalerna. Så vad gör de för skillnad om man vet var signalen kommer ifrån? Mycket enkelt, om du vet vilken signal som kommer från vilken basstation kan man separera dem, om man kan separera dem så gör de helt enkelt inget om de pratar i mun på varandra.

Genom att bara kunna positionsbestämma på 60-70grader när (vilket är ganska grovt i de här hänseendet) kan man ha 4-6bastationer som drar ut på full kräm över området utan att de är något problem för mottagaren att höra vad som kommer från vilken mottagare.

Om mottagaren kan riktningsbestämma kan uppenbarligen basstationen göra det med. Basstationen är normalt sett ganska stor, och kan därför riktningsbestämma bättre. Men mycket grovt räknat, 20grader (i praktiken troligen mycket mer). Om man kan bestämma riktningen längs horisonten kan man även göra de vertikalt. Resultatet blir detta.

I praktiken kan de överlappa mer, kom ihåg att mottagaren vet vilken basstation den lyssnar på. Med denna mycket grova indelning på 20grader för basstationen och strax under 90grader för mottagaren så ökar man antalet zoner som man kan ta emot signalen från en enda med LTE till 80 stycken i detta fallet, och det med färre faktiska fysiska basstationer.

Kapaciteten att dela på en km^2 i detta fallet blir 80Gbit/s, eller 80Mbit/s kontinuerligt per hushåll i ett villaområde per kanal. Vill man ha mer kapacitet, ja bygg en större antenn. Redan idag kan man göra antennlober så smala som några få grader. På 2 grader som man idag kan uppnå 700meter (vilket är de längsta avståndet i exemplet) få en lobbred på 24meter och en längd (något beroende på hur hög basstationen är) på runt 60-100meter. På detta utrymme på runt 2000m^2 som är maximalt ifrån basstationerna kan en mottagare simultant ta emot från 4 olika basstationer samtidigt och på de tilldelade LTE frekvenserna som finns idag, från 4 olika operatörer.

Jag garanterar inte att de är den här riktningen som 5G kommer att ta. Men en sak kan jag med säkerhet säga, brist på bandbred blir det inte. Frågan är snarare, va ska vi använda alla bandbredden till.