För att en ny generation mobiltelefoni skall bli framgångsrik skall den uppfylla ett angeläget behov. 1G (NMT) uppfyllde möjligheten att kommunicera utan fast telefoni. 2G (GSM) gav avlyssningssäkerhet och möjlighet till internationell ”roaming”. 3G (HSPA) lät oss komma åt Internet via våra mobiltelefoner. 4G (LTE) låter oss se video med hög kvalitet.
Mats Andersson, ordförande, Forsway Scandinavia AB, frågar sig här vilka behov utöver detta som 5G egentligen skall uppfylla?

Enligt en rapport ”Digital Dividends” från World Bank 2016 [1] saknar mer än halva jordens befolkning tillgång till Internet, främst i utvecklingsländer i Afrika och Sydostasien. Även på landsbygden i Europa, USA och Sydamerika saknar 100 tals miljoner snabbt (10 Mbps) bredband. Facebook och Google är två företag som i många år pratat om drönare och ballonger som lösningen att ge bredband till de som idag saknar detta. Såvitt jag kan förstå är detta mycket snack och lite verkstad.

Forsway Scandinavia AB (Forsway) är ett svenskt företag i Skövde som utvecklat hybridbredbandsmodem för att kombinera sändning från TV satelliter/TV torn med markbundna tekniker som 2G/3G/4G (xG) och xDSL för att mycket kostnadseffektivt och omedelbart kunna leverera bredband vart som helst i världen. Forsway har hittills levererat över 50 000 modem till kunder i alla världsdelar utom Australien och Antarktis. Just nu pågår försök med myndigheter och privata aktörer i Indien, samt kommersiell utrullning i bl.a. Kongo, Senegal, och Nigeria.

Indien är potentiellt världens mest intressanta marknad för Forsways lösning. Där finns mycket god GSM täckning till cirka 900 miljoner invånare medan enbart 100 miljoner, främst i städerna, har tillgång till bredband. Det som Forsway idag gör skulle jag vilja kalla 5G eftersom denna lösning uppfyller ett angeläget behov, dvs bredband till alla, som varken 2G, 3G eller 4G klarat av att uppfylla.

Högre hastighet?
Enligt många forskare, telekomföretag (Ericsson, Huawei, Nokia) samt myndigheter skall 5G istället ge oss ännu mycket högre överföringshastigheter än 4G, lägre responstider och kunna hantera en mycket större mängd ”Internet of Things”-prylar (IoT). Jag tror de har fel. Några argument för detta nedan återfinnes nedan.

Redan idag kan 4G leverera 1 Gbps trådlöst med teknik som Carrier Aggregation (CA) och 4×4, 8×8 MIMO. Det är svårt att se speciellt många användningsområden för normalpersonen där man ens behöver eller är villig att betala för 1 Gbps för att inte tala om 10 Gbps som 5G-förespråkarna talar om. Jag tror de flesta kan hålla med om att det vore bättre att ha tillgång till 10 Mbps vart som helst än att det fortsatt skall vara överföringshastigheter på 10 kbps – 1 Mbps på landsbygden och 10 Gbps i centrum av våra städer.

10 Mbps överallt kommer inte att lösas med millimetervågsteknik, ”small cells” eller ny radioteknik för att ge responstider på mindre än 1 ms. Forsway har en lösning där man kombinerar den stora täckningen från TV satelliter/TV torn i nedlänk med mobilteknologi i upplänk och rullar som enda företag i världen ut 5G, dvs. bredband till alla, redan idag.

Angelägna behov för 5G?
Några forskare och operatörer börjar ifrågasätta om inte 4G redan har tillräckliga prestanda för de flesta behov som vi idag kan se för normalanvändaren i mobilnäten, åtminstone i våra städer. Låt oss kort diskutera och avfärda några av de förslag som Ericsson m.fl. fört fram för att vi behöver 5G. Ericsson skriver bl.a. i ett White Paper ”5G Radio Access” från april 2016 att:
“The capabilities of 5G wireless access must extend far beyond previous generations of mobile communication. Examples of these capabilities include very high data rates, very low latency, ultra-high reliability, energy efficiency and extreme device densities, and will be realized by the development of LTE in combination with new radio-access technologies. Key technology components include extension to higher frequency bands, access/backhaul integration, device-to-device communication, flexible duplex, flexible spectrum usage, multi-antenna transmission, ultra-lean design, and user/control separation.” [2]

I detta White Paper från Ericsson nämns inte med ett ord det som jag anser är den stora utmaningen med 5G, nämligen ”Radio Access” till de 4 miljarder som idag inte har bredband. Man fokuserar helt på nya teknologier för att lösa problem som knappast finns idag, eller ens kommer att finnas för normalanvändaren?. Ligger det något i vad Ericsson skriver? Här kommer jag att återge några av de synpunkter som William Webb i mer detalj beskriver i sin provokativa och tänkvärda bok The 5G Myth: When vision decoupled from reality [3] om varför Ericsson m.fl. verkar vara på fel väg när det gäller 5G.

Behovet av högre datahastigheter:
Drivkraften för högre datahastigheter har varit och är video. 4G har dock mer än nog kapacitet för video. 40 Mbps är tillgängligt för de flesta i städer med god 4G-utbyggnad. Om man tittar på video i sin mobil räcker 10 Mbps mer än väl även för 4K upplösning. Om man har 10 Gbps kan man inte titta på video snabbare.

Nedladdning av filer går självklart snabbare med högre hastigheter. Men hur ofta laddar vi ned stora filer till våra telefoner? Och om vi skulle vilja ladda ned en 10 Gbyte stor fil är det inte då bättre att göra det hemma över WiFi än att bränna hela månadens abonnemang? Och hur mycket mer är vi beredda att betala per månad för att kunna ladda ned stora filer till vår mobil när vi är utanför WiFi täckning? Behovet och viljan att betala för 10 Gbps verkar vara tveksamt.

Fast trådlöst bredband (FWA – ”Fixed Wireless Access”):
Detta är ett trådlöst alternativ till fiber i städer på millimetervågsfrekvenser exempelvis vid 28 och 39 GHz. Många, speciellt i USA, säger att detta blir det första användningsområdet för 5G. Andra kallar detta LMDS (Local Multpoint Distribution System) 2.0 och undrar varför det skall fungera när LMDS 1.0 (också ”FWA” på 28 GHz) var ett misslyckande för cirka 17 år sedan.

Millimetervågsfrekvenser till hem i stadsmiljö är svårt att få till med bra hastighet och kvalitet. Man behöver Line-Of-Sight (LOS) eller basstationer inom högst några hundra meter från hemmet. Basstationen kommer att behöva ha fiberanslutning. Varför då inte dra fibern hela vägen till hemmet? Min personliga reflektion är att fast bredbandsaccess i städer görs bäst med fiber och att trådlös access passar bäst för mobilitet eller där det blir alldeles för dyrt att dra fiber.

IoT:
Det råder ingen tvekan om att fler och fler saker kopplas mot Internet och företag som bygger in trådlös kommunikation kommer att ha mycket att göra. De allra flesta av dessa sensorer, apparater, hushållsprodukter mm. kommer dock att kommunicera med låg bithastighet över bl.a. 2G, Bluetooth, NB-IoT, LoRa, och Sigfox. Vissa kommer att använda hög överföringshastighet över LTE och WiFi (802.11ac och 802.11ad) men inget av detta kräver 5G. Kapaciteten i näten idag är mer än tillräckligt för att hantera IoT för 10 tals miljarder prylar.

Självkörande bilar:
Detta brukar konstigt nog anges som en drivkraft för 5G och att det krävs stora datamängder för att bilarna skall vara självkörande. Kommer dessa bilar att behöva styras manuellt på landsbygden där 5G inte finns? Knappast.

Google m.fl. har visat att självkörande bilar är självkörande på grund av sensorer som finns i bilen inte i molnet. Trådlös teknik kommer troligen att vara viktig för att hindra kollisioner mellan bilar och denna kommunikation bör ha mycket snabb responstid. Många av de stora bilföretagen förordar därför att kommunikationen ej går över ett mobilnät utan direkt mellan bilarna med exempelvis WiFi-standarden 802.11p.

1 ms responstid:
Inga människor, dvs. normalanvändaren som betalar för tjänsten, behöver så korta responstider. Möjligen finns det en begränsad marknad för M2M-kommunikation. Detta måste dock vara mellan maskiner som högst befinner sig på avstånd av 150 km från varandra, för sedan blir responstiden längre på grund av ljusets ändliga hastighet.

Bredband till landsbygden:
William Webb skriver ”A great road system is no longer one with unlimited maximum speed, but one with minimal congestion and excellent safety. A great communications system is one available everywhere, all the time with minimal congestion and at low cost. If the focus of 5G could be switched toward this direction that would provide a new generation worth having.” [3]

Som jag skrev ovan tror jag de flesta håller med om detta. Behovet är stort. Bara i Indien finns över 1 miljon skolor och 1000 miljoner invånare på landsbygden utan snabbt bredband. Att uppfylla detta mål med enbart mobilnät skulle innebära astronomiska kostnader, då hög hastighet i ett mobilnät endast kan fås på begränsat avstånd från mobilmasten. Det skulle behövas en ofantlig mängd mobilmaster för att täcka hela Indien eller Afrika.

Det behövs sålunda en annan lösning för att få ut bredband till alla på landsbygden. En av nyckelteknologierna för att ge bredband till alla på jorden, och som inte nämns i Ericsson ”5G Radio Access” White Paper, är satellitteknologi. Låt oss därför kalla kommunikationslösningar där satellitteknologi ingår 5G om detta uppfyller ett konkret och angeläget behov som 4G inte lyckats uppfylla.

Kommunikation till bilar, bussar och tåg
Detta är ett område under stark utveckling. Främst passagerarna i fordon vill ha en bra bredbandsanslutning. I städer finns tillräcklig kapacitet via 4G men inte på landsbygden. Utanför storstäderna ser även här satellitbolag en möjlighet att komplettera 4G och planerar redan för hur bilarna kan kopplas upp med små, integrerade satellitantenner. Utöver det naturliga området navigation, där satelliter fyller en viktig funktion redan idag, planerar man att med hjälp av satellitkommunikation förse bilarna med underhållning och datakommunikation. Ett troligt scenario är att bilar kommer använda en kommunikation av olika trådlösa tekniker där mobilnät, satelliter, och WiFi samverkar för att skapa framtidens uppkopplade bilar.

5G-lösning med GEO-satelliter
Geostationära (GEO) satelliter har under många år varit det mest kostnadseffektiva sättet att sända TV program till i stort sett alla delar av jorden (utom kring nord och sydpolen).

Idag har många nya GEO-satelliter kapaciteter på 100 tals Gbps och om några år förväntas de första GEO-satelliterna med Tbps kapacitet att skjutas upp. Dessa satelliter kommer inte användas för att sända ytterligare 1000 tals TV kanaler utan till att ge bredband till områden där 3G/4G/xDSL/fiber inte finns tillgängligt.

Satellitterminaler som används för Internetaccess vid oljeplattformar, gruvor, båtar, mm. där markbundet bredband inte är tillgängligt kallas Very Small Aperture Terminals (VSAT). En VSAT-terminal är mycket dyrare än en TV-parabol för satellitmottagning. Skälen till detta är att man behöver både ta emot och sända till satelliten. För detta behöver man en större antenn, cirka 1 m i diameter jämfört med en TV-parabols cirka 70 cm.

En större antenn har en smalare antennlob varför man ofta behöver stabilare och dyrare stativ samt en professionell installatör som behöver resa ut och göra installationen. VSAT har på grund av detta tillverkats i mycket lägre volymer, några miljoner, än TV-paraboler med mottagare (flera 100 miljoner).

VSAT är idag det mest använda sättet att få bredband där det inte finns 3G/4G/xDSL/fiber. På landsbygden i USA och Europa är detta för många det enda sättet att få en bredbandsanslutning. För de allra flesta på landsbygden i Afrika eller Sydostasien är dock kostnaden för en VSAT-terminal alltför hög och här behövs en mer kostnadseffektiv lösning. Under många år har även kostnaden för satellitkapacitet varit hög.

Ny teknologi har dock gjort att kostnaden för satellitkapacitet sjunkit med en omkring en faktor 10 under de senaste 10 åren och den fortsätter att sjunka. De flesta satellitbolag har idag överkapacitet på sina nya satelliter och flaskhalsen för att kunna sälja kapacitet till gemene man i utvecklingsländerna har blivit de dyra VSAT-terminalerna. I dessa länder har dock nästan alla en TV parabol och 2g-täckning.

Hybridbredbandsmodem
Forsways lösning är att använda ett hybridbredbandsmodem ODIN kopplat till en billig TV parabol som vem som helst kan installera. TV-parabolen används för att ta emot Internet (nedlänk) inom den mycket stora täckningen en GEO satellit har (hela Indien, hela Kina eller ¼ av Afrika). Istället för att sända till satelliten som med VSAT, då det också krävs en större och dyrare antenn, använder Forsways modem en USB-dongle med 2G/3G/4G för upplänk. Om det finns xDSL med låg hastighet kan detta också användas för upplänk via en Ethernetport på ODIN. Denna kombination av satellit och markbundna teknologier gör att Forsways lösning kan användas överallt där det finns åtminstone GSM, och det är nästan överallt. Man brukar säga att cirka 97% av jordens befolkning finns inom 2G täckning [1].

All Internettrafik granskas av servern MIMIR vid upplänken till GEO-satelliten. Trafik för vilken den markbundna kommunikationskanalen xG/xDSL har tillräcklig kapacitet skickas över det markbundna nätet. All annan trafik, exempelvis video och stora filer, skickas över satellitlänken. All upplänkstrafik från användaren går över det markbundna nätet.

I slutet av 2015 fick Forsway i uppdrag av det Indiska IT ministeriet att koppla upp 50 by kontor (CSC = ”Community Service Centers”) med bredband i 5 Indiska delstater [4]. De hade alla GSM med 10 – 100 kbps hastighet. Jag besökte några av dessa kontor i november 2015 och de var mycket nöjda med den tjänst Forsways lösning gav dem, cirka 3 Mbps nedladdningshastighet. Nu kunde de utan problem ladda ned hemsidor eller titta på videoklipp vilket inte gått förut. Uppladdningshastigheten var fortsatt begränsad men fullt tillräcklig för tangentkommandon och musklick på webb länkar. Forsway diskuterar för närvarande med Indiska IT-ministeriet nästa fas för att koppla upp 5000 by kontor. Det finns cirka 240 000 by kontor i Indien utan bredband.

TV parabolen på bilden i en Indisk by är kopplad till hybridbredbandsmodemet ODIN. Cirka 3 Mbps kapacitet mättes upp där man tidigare enbart haft 2G med kapacitet på cirka 20 -40 Kbps.

Med LEO (”Low Earth Orbit”)
Oneweb och SpaceX är två företag som föreslår att man skall skicka upp hundratals eller tusentals satelliter i LEO-banor för att ge bredband till alla. Investerare i dessa projekt är bl.a. Google, Softbank (Japansk mobiloperatör), Elon Musk (Tesla) och Richard Branson (Virgin).
Den stora fördelen med LEO-satelliter jämför med GEO-satelliter är att de finns på mycket lägre höjd, cirka 1000 km jämför med 36 000 km. Detta innebär mycket mindre fördröjningar. Fördröjningarna över GEO-satelliter innebär att Internet över en GEO satellit passar dåligt för exempelvis ”on-line”-spel. En annan fördel är att satelliterna kan vara mindre och billigare. Ytterligare en stor fördel är att LEO-system täcker hela jorden med satellit till satellitkommunikation medan en GEO-satellit typiskt täcker en kontinent. De första av dessa systemen planeras vara i drift kring 2020.

Dyrt
De stora nackdelarna med LEO-systemen är 1) kostnaden för att skjuta upp och ersätta (som faller ned på grund av friktion med jordens atmosfär) en mycket stor mängd satelliter, 2) att 70% av jordens yta är vatten där man får få betalande kunder och 3) att satellitterminalerna blir komplexa och troligen alltför dyra för den stora massan av potentiella kunder.

Oneweb kommer därför att till att börja med rikta in sig mot företagskunder när de startar sina tjänster. Ett av de tidiga LEO-systemen för tal med täckning av hela jorden var Iridium-systemet. Framför allt på grund av anledningarna 1) och 2) ovan gick detta system ganska omgående i konkurs och bidrog till att ett av de ledande mobilföretagen, Motorola, försvann från marknaden. Resterna av Motorolas mobilverksamhet köptes av bl.a. Google och Lenovo.

För ett LEO-bredbandsystem kommer satelliterna att passera från horisont till horisont på cirka 5 – 10 minuter. En markterminal måste därför kunna följa satellitbanan noggrant under mottagning och sändning. Med elektriskt styrbara antenner krävs mycket noggrann och dyrbar kalibrering för att kunna styra antennloben mot LEO-satelliten i sändning. I mottagning är det mycket enklare och billigare att följa en LEO-satellit.

Forsway har därför patentsökt en hybridlösning för mottagning av signal (nedlänk) via en LEO-satellit och upplänk via 2G/3G/4G/xDSL. Detta blir en mycket billigare lösning för en LEO-terminal än då LEO-terminalen skall både ta emot och sända till satelliten. Kostnaden för en GEO-mottagningsterminal i en Forsway lösning, dvs en TV parabol med fast inriktning mot en GEO satellit, kommer dock att förbli den allra billigaste lösningen för bredband via satellit.

Med DVB-T2
Forsway har visat att det går att få 2 Mbps via vanliga TV antenner vid försök i Indien, Tchad och Rwanda. En vanlig TV-antenn (inomhus eller utomhus) kopplas till hybridmodemet för nedlänk från ett TV torn på frekvenser mellan 400 – 700 MHz. I upplänken används 2G/3G via USB-dongle, precis som i satellitfallet beskrivit ovan.

I Indien finns 1416 TV torn som täcker cirka 90% av Indiens befolkning. Denna hybridDVB-T2 lösning är liksom hybridsatellitlösningen något som kan rullas ut omedelbart för att ge skolor, småföretagare, by kontor och enskilda personer på landsbygden bredband. Detta är nog den allra billigaste och bästa (låg responstid) lösningen för länder med ledigt TV-spektrum och god TV-täckning.

Internet över DVB-T2. Den vita lådan i vänster av bilden är Forsways hybridbredbandsmodem ODIN med inbyggd WiFi. Modemet är kopplat till en billig inomhus TV–antenn. 2 Mbps mättes upp cirka 7 km från TV tornet. Högre bandbredd går att få med fler DVB-T2 kanaler. ODIN kan ta emot upp till 60 Mbps trafik i nedlänken.

Mats Andersson
Ordförande, Forsway Scandinavia AB

[1] http://documents.worldbank.org/curated/en/896971468194972881/pdf/102725-PUB-Replacement-PUBLIC.pdf
[2] https://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/wp-5g.pdf
[3] Webb, W. The 5G Myth: When vision decoupled from reality, Kindle Edition (2016)
[4] Augustin, J. Svenskar bygger ut nätet, Göteborgs-Posten, 20 januari 2016

Filed under: SvenskTeknik