Mobilköer lättar via tricks

Kommer mobilnäten snart att krascha? Någonting måste göras för att det inte skall bli trafikstockning då datatrafiken i mobilnäten växer med upp till 100 procent årligen. Youtube, Instagram, Flickr, Facebook och så vidare – tänk vilket vägbygge som behövdes ifall biltrafiken fördubblades årligen!

Då jag behandlade optofiber i Forum i juni skrev jag lite halvslarvigt att ”radioingenjörerna ännu har många trick i ärmen.” En fibertroende bekant gjorde mig svaret skyldig. Jag antar utmaningen.

Lite grundläggande om radiovågor. ”Frekvens” är ett mått på hur snabbt radiosignalen ändrar från topp via dal till nästa topp, och mäts i ”hertz”, Hz, det vill säga händelse per sekund.

Radiovågor med olika frekvenser rör sig på olika sätt i atmosfären. Gammaldags långvågor kan gå runt halva jorden. Mellanvågor når något tusental kilometer. Kortvågor studsar mot jonosfären och mot jordytan och kan sicksacka runt halva jordklotet till radioamatörernas stora nöje. Ultrakorta vågor håller sig mest inom synhåll – våra vanliga radio- och TV-program sänds med ungefär 100 MHz. Ju högre frekvens, desto kortare räckvidd. För mobilnäten i glesbygden är 800 MHz och 900 MHz eftertraktade, eftersom en basstation kan betjäna mobilabonnenter inom en radie av minst 20 kilometer.

Signalhastighet mäts som ”bit per sekund”, där en bit är antingen en etta eller en nolla.  Ju snabbare signal, desto bredare frekvensband behövs för att överföra den. Vill man packa signalen tätare inom ett smalare frekvensband behövs mer komplicerad elektronik. Mobilgenerationen 4G når i praktiken upp i cirka 2 bit/sekund per Hertz, men den teoretiska gränsen, uppnåbar endast i laboratorieförhållanden, är cirka 15 bit/s per Hertz, innan naturlagarna kommer emot, förenklat uttryckt.

[caption id=“attachment_4997” align=“alignnone” width=“192”] Trångt. Fast det blir allt större trängsel på radiovågorna har telekomingenjörerna många tricks att ta till för att undvika trafikstockning.[/caption]

Radioingenjörernas nästa tricks. Då Trafiken ökar är fler basstationer den självklara akuthjälpen för att undvika stockningar bland radiovågorna. En basstation har en teknisk maximikapacitet, bestämd av internationella standarder. Små basstationer kan skruvas fast i en lyktstolpe eller hängas i takkronan i ett konferensrum.

Högre frekvens, som ger kortare räckvidd, måste installeras för att de nya basstationerna inte skall störa varandra samt de redan utbyggda basstationerna. 3G- eller GSM-nätet använder 1 800 MHz i tätorter och 4G-näten använder över 2 000 MHz. En förutsättning är att mobilapparaterna kan sända och motta dessa frekvenser.

Smarta antenner. De enklaste antennerna radierar eller tar emot signaler i alla riktningar, ungefär som en skärmlös glödlampa. Vanligtvis har en basstation tre ”celler”, som radierar och tar emot signaler från en 120 graders vinkel, ungefär som tre strålkastare. En ”smart” antenn kan rikta radiostrålen dynamiskt i önskad riktning.

Kompression. Den äldsta digitala standarden omvandlade en vanlig talsignal till 64 kbit/s.  GSM-nätet, som började byggas 1991, har en smartare kompression och behöver 16 kbit/s eller 8 kbit/s för att återge en talsignal utan kvalitetsförsämring. Nu är vi nere i ungefär 4 kbit/s. Samma utveckling sker på datasidan. Först behövde högdefinitions-TV (HDTV) ungefär 20 Mbit/s. Nu är standarden 8 Mbit/s. Men i stället för att spara på kapacitetsutbyggnaden, talar man om ultra-HDTV!

WiFi, eller så kallade ”hot spots” erbjuds gratis i hotell, flyg- och tågstationer, kaféer. Namnet är en förkortning av ”Wireless Fidelity”; man använder även termen WLAN, uttytt ”Wireless Local Area Network”. Eftersom frekvensen är 2 400 MHz eller 5 000 MHz och sändareffekten låg är räckvidden kort, vanligtvis under 100 meter. Allt fler mobila apparater kan koppla upp sig både till mobilnätet och till WiFi-antennen. För att spara på sina egna radiofrekvenser använder mobiloperatören gärna möjligheten att koppla om data-användaren från sitt eget nät till WiFi.

Caching betyder att innehållet på en internetsida eller en videosnutt tillfälligt sparas i ett lokalt minne när datan tas fram första gången. I sin enklaste form lagras en kopia av sidan i användarens land, så att nästa person som söker samma sak inte behöver ta in det från utlandet. Följande steg är att operatören lagrar meddelandet i sitt eget nät. Om meddelandet lagras i basstationen, kan operatören i bästa fall spara upp till 90 procent av kapaciteten i ”backhaul”-ledningen mellan basstationen och mobilnätets centrala funktioner. Snart kan jag varje morgon läsa HBL, som laddats ner nästan kostnadsfritt till min pekplatta under natten, med minimal nätbelastning.

Lokal switching. Ursprungligen skedde uppkopplingen mellan två mobilapparater så att signalen gick hela vägen via nätets centrala switch och vidare till den andra abonnenten. Telefonsamtalet mellan två slalomåkare i Levi gick via Helsingfors, 2 000 kilometer, med tydlig fördröjning. Då 50 till 70 procent av mobilsamtalen kopplas mellan två abonnenter som befinner sig inom en närbelägen basstations område behövs funktionerna i den centrala switchen bara för att koppla upp samtalet. Själva talsignalen kan sedan gå från den uppringande abonnenten via basstationen direkt till den andra abonnenten. Detta minskar kostnader för förbindelseledningen, i synnerhet i U-länder med dyra satellitförbindelser.

Dynamisk frekvensallokering är en idé som utgår ifrån att mobiloperatörerna kan använda radiofrekvenser huller om buller, bara de först kontrollerar att ingen annan i närheten just då samma frekvens tas i bruk.  Entusiasterna säger att tekniken ger så mycket mera kapacitet att man kan börja tala om spektrum ”glut” i stället för spektrum ”shortage”, det vill säga överflöd istället för knapphet. De flesta radiofrekvenser används ju bara en liten bråkdel av tiden! Som en jämförelse: det är direkt slöseri med papper då bokstäverna i denna artikel utnyttjar bara en tjugondedel av papperets yta!

Trots alla ovan nämnda trick måste småningom basstationerna matas via fiber. Mobilnäten kraschar bara om mobiloperatörerna är okloka. Är de det?

Gunnulf Mårtenson text. Han är sekreterare för Liljenet fiberkabelandelslag och styrelsemedlem i Altobridge, ett företag som skriver programvara för mobilnätens baststationer.