Netumferð á farsímakerfi fór árið 2009 í fyrsta skiptið fram yfir umferð símtala. Það er talið að til ársins 2020 muni eftirspurn eftir stafrænu efni aukast 30-falt. Fleiri og fleiri kaupa tæki sem krefjast mikillar bandbreiddar og til að halda í við þróunina  þurfti að búa til eitthvað nýtt. Fjórða kynslóð farsímakerfa er afkvæmið. Snjallsímarnir eru í raun nokkuð heimskir ef þeir hafa ekki nettenginguna til að nærast á stafrænu fóðri. Þrátt fyrir að 3G tæknin geti veitt nokkuð góða tengingu að þá hefur hún ekki alveg náð að skila traustu þráðlausu netsambandi hvar og hvenær sem er.

En hvað er 4G? Hvað hefur 4G umfram 3G? Hvað aðgreinir svo 4G frá 2G tækninni sem var aðallega hugsuð fyrir símtöl? Svarið er ekki eins einfalt og í fyrstu mætti ætla. 4G heimurinn er stór, tæknilegur og oft og tíðum nokkuð frjálslega skilgreindur. Menn eiga það til að kasta á milli sín allskonar skammstöfunum og mælieiningum. Vonandi munu þessi orð varpa einhverju smá ljósi á þetta allt saman og í leiðinni sýna hvernig kastljósinu mun í auknum mæli verða beint að 4G sem lausn að þráðlausu breiðbandi.

Þráðlaust netkerfi er flækja mikillar tækniflóru. Það skiptir hins vegar ekki máli hvaða skammstafanir eru notaðar eða hvort talað sé rétt mál. Í grunninn eru þráðlaus netkerfi einfaldlega radíókerfi. Það er alveg sama hvaða tækni er ráðandi í hinum ýmsu heimshornum – það er alltaf samnefnari á milli kerfa. Samnefnarinn er sá að öll kerfin eru að springa sökum eftirspurnar eftir stafrænu efni. Það eru næstum 6 milljarðar virkra farsímaáskrifta í heiminum og farsímar eru bara að verða vinsælli. Af þessum orsökum þurfa farsímakerfi að þroskast til að höndla fleiri notendur og meiri gögn.

Hvert stórt stökk í getu og frammistöðu farsímatækninnar er oft skilgreint með nýju g-i.

1G tæknin frá 1980 var hliðrænt kerfi sem gat einungis borið símtöl. Um miðjan níunda áratug síðustu aldar hófst stafræna 2G byltingin með tilkomu grunnþjónustu eins og sms og tölvupósts. 3G farsímatæknin byrjaði að gera vart við sig í kringum 2000 og allt í einu varð þráðlaus nettenging ekki lengur framtíðarsýn. Með góðri tengingu gastu farið á netið og jafnvel streymt tónlist en upplifunin var á tíðum vond. Sambandið var oft slitrótt og tengingin hæg. Þá fóru neytendur að krefjast meiri stöðuleika og öryggis. Farsímar urðu hungraðri eftir því sem þeir urðu snjallari og það efni sem þeir gátu náð í varð umfangsmeira. Í millitíðinni hófu farsímakerfin að kikna undan þessari gríðarlegu aukningu í gegnumstreymi gagna.

Biðin eftir næstu byltingu hefur gert það að verkum að línan á milli kerfa hefur orðið óljósari með tímanum. Kerfi sem eru hraðari en upphafleg 3G kerfi eru oft skilgreind sem 3.5G, 3.9G eða einfaldlega 3G+. Markaðsöflin hafa hins vegar rekið stærstu farsímafyrirtæki í heiminum út í að gefa þessum 3G kerfum á sterum 4G stimpil, mörgum til ama. 4G er því í rauninni orðið einhverskonar markaðslegt hugtak. Því skal hins vegar haldið til haga að markaðsöflin eiga það til að bera raunveruleikann ofurliði. Fjarskiptakerfi sem raunverulega teljast til 4G kerfa eru aðgreind sem 4G LTE kerfi. LTE stendur fyrir ˈLong-Term Evolutionˈ og er staðall sem virðist vera að vinna kapphlaupið á meðal stærstu aðila fjarskiptaheimsins sem burðarstólpi að næstu kynslóð farsímakerfa.         

4G LTE er í raun háþróað radíókerfi. Vandamál verkfræðinga og forritara er að hlaða eins mikið af stafrænum upplýsingum á hvert radíómerki og hægt er. Þannig er hægt að hámarka hraða og nýtni alls farsímakerfisins í heild. 4G LTE kerfi nýta sér IP tæknina (Internet protocol). Það þýðir að upplýsingar eru sendar og mótteknar með því að nota staðlað samskiptaform. 3G tæknin hefur nýtt sér þetta samskiptaform að einhverju leyti en stóri munurinn er hins vegar sá að 4G LTE staðallinn skilgreinir þennan samskiptamáta líka fyrir símtöl. 4G LTE er því 100% pakkaskipt tækni. Með því að nota staðlað pakkaform þá geta upplýsingar flætt á milli allskonar kerfa án þess að spillast og höftin minnka til muna.

Til að senda og móttaka gögn þá þarf síminn fyrst að hafa samband við móðurstöð. Móðurstöð er bransaheitið yfir öll fjarskiptaloftnetin sem hanga utan á og ofan á byggingum úti um allt land. Móðurstöðin miðlar síðan pökkunum frá símtæki út á internetið. Það eru síðan margar aðferðir við að tengja símtæki við móðurstöð, oft kallaðir þráðlausir skilfletir. Án þess að grafa djúpt í skilgreiningar að þá ber helst að nefna CDMA2000, HSPA+, UMTS, Mobile WiMAX og hinn títtnefnda LTE. Hver þeirra flytur gögn með radíóbylgjum með sínu nefi.

HSPA+ (Evolved High+Speed Packet Access) er staðall sem íslensk fjarskiptafyrirtæki hafa nú þegar tekið til við að innleiða. Símtæki gefa til kynna samskipti yfir HSPA+ umhverfi með því að setja H+ við hliðina á stöðustiku gagnatengingar. HSPA+ getur unnið með eldri 3G kerfum en LTE getur það ekki. HSPA+ er reyndar ekki framtíðarlausn heldur meira leið til þess að kreista meira út úr núverandi kerfum og lengja þann frest sem fjarskiptaheimurinn hefur til innleiðingar næstu kynslóðar. LTE á hinn bóginn, mun verða lífseigari. Hann er kominn til að vera. LTE er fyrsti valkostur fjarskiptafyrirtækja sem langtímalausn í stað þess að skófla peningum í að uppfæra innviðina með nokkurra ára millibili. 4G LTE kerfi eru talin góður valkostur til framtíðar þar sem þau bjóða upp á einfaldari leið til betrumbætingar bæði í afkastagetu og frammistöðu. Í dag eru engin svæði í heiminum þar sem einungis er að finna 4G LTE kerfi. Á flestum stöðum eru 2G, 3G og 4G LTE kerfi í sama sandkassanum og af þeim sökum eru mörg tæki sem styðja aðgang að öllum kerfum.

Í dag eru 4G LTE kerfi í raun ekki 100% pakkaskipt aðallega af því að 2G og 3G kerfi eru ennþá samhliða rekin og stærstur hluti notenda er ennþá á þeim kerfum. Þetta á við um allan heim. En það er ekki langt í að við förum að sjá búnað og kerfi sem vinna einungis yfir pakkaskipt umhverfi og þá verður raunverulega hægt að segja að umskiptin séu gengin í garð. Hugmyndin um pakkaskipt þráðlaust breiðband er burðarstólpi 4G LTE og gegnir veigamestu hlutverkinu því til aðgreiningar.

4G LTE er þróun sem byggir á styrkum stoðum 3G kerfisins. Til samanburðar hefur 4G LTE kerfið yfirburði á flestum sviðum. Meiri hraði er kannski það sem flestir horfa á. Í 3G getum við búist við meðalhraða í kringum 2 Mb/s en til samanburðar getur 4G LTE kerfið í dag afkastað að meðaltali í kringum 20 Mb/s. Það er að jafnaði meiri hraði en heimili og fyrirtæki eru að ná með breiðbandinu eða ADSL. Fræðilegt hámark 4G LTE kerfis eru 100 Mb/s en slíkan hraða munum við ekki sjá fyrr en eftir nokkur ár. 4G býr hins vegar yfir mörgum öðrum eiginleikum en hraða. 4G býr yfir meiri bandbreidd en eldri tækni. Það þýðir að kerfið styður fleiri notendur á tímaeiningu en áður. Það styður hærri gagnahraða þannig  að margmiðlun yfir netið eins og videósímtöl eða YouTube klippur streyma hikstalaust á milli staða. 4G LTE hefur einnig vinningin þegar kemur því að þjóna sem flestum á sem skemmstum tíma. 3G sella getur að meðaltali þjónað milli 60-100 notendum á meðan 4G LTE sella getur afkastað milli 300 og 400 notendum.

4G LTE kerfi styttir viðbragðstímann töluvert. Þetta sést best þegar spilaðir eru tölvuleikir yfir netið og í öllum aðgerðum sem framkvæmdar eru í gegnum heimasíður eða smáforrit. Kerfi sem vilja skilgreina sig sem rauntímakerfi þurfa að hafa svartíma upp á 50ms eða skemur. 4G LTE kerfi státa oftast af 20-40ms svartíma. 4G LTE nýtir einnig bandbreiddina betur en 3G. Við getum ímyndað okkur að bandbreiddin sé pípa með ákveðið þvermál. Á hverri tímaeiningu getur bara ákveðið gagnamagn farið um pípuna. 4G LTE notar snjallar kóðunaraðferðir sem eykur þetta gagnamagn á tímaeiningu umtalsvert.  Niðurstaðan er sú að 4GLTE kerfi geta hlaðið fleiri bitum á tíðnirið (bits per hertz) en 3G kerfi munu nokkurn tímann geta gert.

En aftur að þráðlausu skilflötununum. Þeir eiga það allir sameiginlegt að hlutverk þeirra er að samhæfa gagnaumferð, segja farsímanum hvenær hann á að senda gögn og hvenær hann á að taka á móti gögnum. Það sem snertir okkur kannski hvað mestu máli er LTE og HSPA+. LTE gerir farsímum og öðrum nettengdum tækjum það kleift að senda frá sér gögn og taka við gögnum á sama tíma af þeirri einföldu ástæðu að sitthvor tíðnin er notuð við að senda og móttaka. LTE notar svokallaða OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tækni til að senda gögn yfir margar tíðnir á sama tíma. OFDM styttir svartíma, minnkar truflanir og gerir það að verkum að hægt er að hlaða fleiri bitum á tiltekið tíðniband. Til að setja OFDM í samhengi þá er best að notast við einfalt gítarspil. Undanfari OFDM var svokölluð FDM (Frequency Division Multiplex) aðferð þar sem bitar eru sendir yfir eina burðartíðni á hverri tímaeiningu. Ef við ætluðum að spila lag með FDM tækni þá myndum við þurfa að plotta lagið til enda, einn streng í einu. Með OFDM tækninni getum við slegið lagið með allt að 64 strengjum í einu þar sem hver og einn strengur táknar burðartíðni.  

Flækjustig OFDM er þó nokkuð og óþarfi að fara út í það hér.  LTE og HSPA+  styðja einnig við aðferð sem kallast MIMO og gengur út á senda og móttaka upplýsingar yfir mörg loftnet og móttakara. Þannig er línulegt samband milli fjölda loftneta og hraða.

4G LTE fyllir upp í þær holur sem 3G skilur eftir sig og gott betur. 4G LTE kerfi eru nánast lifandi verur. Þau eru vel útbúin til að takast á við óvænta aukningu á umferð eins og oft gerist við slys og óundirbúna viðburði. 3G kerfi byrja að hökta og notendur verða pirraðir. 4G LTE kerfi styðja sjálfstæða skipulagningu og sjálfstillingu til að bregðast við aukningu á umferð þannig að allir geti hringt eða komist á netið þrátt fyrir breyttar aðstæður. 4G LTE kerfi búa einnig yfir þeim eiginleika að geta læknað sig sjálf við straumrof eða bilanir með dyggum stuðningi frá skynjurum og háþróuðum hugbúnaði. Þá er umferð beint um aðra móðurstöð á meðan viðgerð fer fram. Þetta getur kerfið framkvæmt án þess að mannshöndin komi þar nálægt. 4G LTE getur því hæglega talist til stærstu vélar sem mannkynið hefur nokkurn tímann byggt.

Höfundur: Borgþór Grétarsson, verkfræðingur

Birt 22. ágúst 2013