Så fungerar 4G och 5G i Sverige

Ett mobilnät består förenklat av terminaler, radiodelar, basstationer, transportnät och ett kärnnät. Terminalen, exempelvis en mobiltelefon eller en router, omvandlar digital information till radiosignaler och tar emot signaler från nätet. Basstationen hanterar radiokommunikationen inom en eller flera så kallade celler och förmedlar trafiken vidare över fiber, radiolänk eller annan transportförbindelse. Arkitekturen och protokollen standardiseras huvudsakligen av 3GPP, medan radiofrekvenser i Sverige förvaltas inom den nationella frekvensplaneringen.

När en telefon startas söker den efter tillåtna nät och läser systeminformation från en basstation. SIM- eller eSIM-abonnemanget används tillsammans med kryptografiska procedurer för att autentisera abonnenten och skydda kommunikationen. I 4G sker central kontroll genom EPC, Evolved Packet Core, medan 5G kan använda ett 5G-kärnnät, 5GC, med en tjänstebaserad arkitektur. För rösttrafik används i moderna 4G- och 5G-nät normalt IP-baserad telefoni, exempelvis Voice over LTE eller Voice over New Radio, beroende på terminal och operatör.

En cell är inte ett fast geometriskt område med en bestämd radie, utan ett radiomässigt täckningsområde som förändras med terräng, väder, byggnader, antennhöjd, sändareffekt och nätets belastning. Basstationens radiospektrum delas upp i tids- och frekvensresurser som schemaläggs mellan anslutna terminaler. När en användare förflyttar sig genomför nätet mätningar och kan överlämna anslutningen till en annan cell, en process som kallas handover. Om flera operatörer delar infrastruktur kan den fysiska radioutrustningen vara gemensam, medan spektrum, kärnnät och abonnenthantering fortfarande kan vara separata.

Mobiltrafik transporteras som datapaket och passerar flera funktioner innan den når en extern tjänst på internet. Fördröjningen påverkas därför av radiolänkens schemaläggning, transportnätets längd, köbildning, kärnnätets funktioner och den mottagande serverns placering. Dataskyddet omfattar autentisering, kryptering och integritetsfunktioner enligt relevanta 3GPP-protokoll, men skyddet upphör inte att vara viktigt efter mobiloperatörens nätgräns. Tillämpningen av informationssäkerhet bör därför även omfatta terminal, applikation, operativsystem och den tjänst som används.

4G LTE använder OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access, i nedlänken för att dela upp radiospektrum i många ortogonala delbärare. I den traditionella LTE-upplänken används SC-FDMA, som har egenskaper som minskar kraven på terminalens sändare jämfört med ren OFDMA. Data kodas, moduleras och fördelas över tillgängliga resursblock enligt kanalens aktuella kvalitet. LTE stöder bland annat modulationerna QPSK, 16-QAM och 64-QAM, medan senare utgåvor även har utökat stödet för högre ordningens modulation under gynnsamma radioförhållanden.

5G NR använder en flexibel OFDM-baserad radioteknik med olika numerologier, det vill säga kombinationer av delbäraravstånd och tidsstruktur. Denna flexibilitet gör det möjligt att anpassa radioresurser till frekvensband och tjänstekrav, men den innebär inte att varje 5G-anslutning automatiskt får kort svarstid eller högsta möjliga hastighet. 5G kan använda massiv MIMO, där flera antennelement formar och separerar radiosignaler i rummet. Strålformning kan förbättra länkkvaliteten, men kräver noggrann radio- och nätplanering samt påverkas av terminalens antennkonfiguration.

Datahastighet beror bland annat på kanalbredd, modulation, kodningsgrad, antal samtidiga antennströmmar och mängden resurser som schemaläggs för terminalen. Bärarkombination, ofta kallad carrier aggregation, kan samla flera frekvensbärare och därmed öka den sammanlagda kapaciteten. TDD, tidsdelad duplex, används i flera 5G-band och delar samma frekvens mellan upp- och nedlänk i olika tidsintervall. Fördelningen mellan upp- och nedlänk måste passa trafikmönster och samordnas mellan celler för att begränsa störningar.

5G definieras inte enbart av en viss hastighet eller av en viss frekvens. 3GPP:s specifikationer beskriver flera användningsområden, däribland förbättrat mobilt bredband, kommunikation med mycket hög tillförlitlighet och låg fördröjning samt omfattande anslutning av maskintyper. I konsumentnät används i praktiken ofta förbättrat mobilt bredband, medan andra användningsområden kan kräva särskilda abonnemang, privata nät eller lokala tillstånd. De teoretiska toppvärden som anges i tekniska specifikationer är därför inte liktydiga med den hastighet en enskild användare upplever.

Svenska mobilnät använder flera frekvensområden eftersom inget enskilt band samtidigt ger maximal räckvidd, inomhuspenetration och kapacitet. Band omkring 700, 800 och 900 MHz har fysikaliskt bättre utbredning än band kring 1 800, 2 600 eller 3 500 MHz, men de lägre banden har ofta mindre sammanhängande spektrum. Band omkring 3,5 GHz är viktiga för 5G-kapacitet i tätare miljöer och kan ge hög överföringskapacitet på kortare avstånd. Den faktiska användningen beror på tillstånd, operatörens nätstrategi, regional planering och terminalens stöd för olika band.

Post- och telestyrelsen, PTS, ansvarar för den svenska frekvensförvaltningen och tilldelar i vissa fall tillstånd genom auktioner eller andra förfaranden. Frekvensanvändningen påverkas också av beslut inom EU och av internationell samordning, bland annat för att minska störningar mellan länder. Krav på radiosändare, elektromagnetisk kompatibilitet och utrustningens överensstämmelse kan beröra europeiska regelverk och harmoniserade standarder från ETSI och CENELEC. ISO- och EN-standarder kan vara relevanta för exempelvis ledningssystem, mätmetoder eller utrustningssäkerhet, men själva LTE- och 5G-luftradiogränssnitten definieras i första hand av 3GPP-specifikationer.

Täckningskartor är modellbaserade uppskattningar och beskriver vanligen utomhusförhållanden, en viss signalnivå eller en viss tjänstekategori. De anger inte alltid inomhusprestanda, lokal cellbelastning, upplänkens begränsningar eller variationer mellan olika telefonmodeller. En hastighetsmätning bör därför genomföras med information om plats, tid, server, signalvärden och vald teknik om resultatet ska kunna jämföras på ett meningsfullt sätt. För kritiska tillämpningar bör man även mäta tillgänglighet, paketförlust, variation i svarstid och återanslutning efter störningar.

4G fortsätter att ha en central funktion eftersom nätet har stor geografisk utbredning och stöder många telefoner, routrar och maskin-till-maskin-enheter. 5G byggs ut parallellt och kan i vissa områden använda 4G som ankarnät genom så kallad icke-självständig drift, medan självständig 5G-drift använder ett 5G-kärnnät. Skillnaden mellan driftlägena märks främst i nätets funktioner och kontrollplan, inte alltid som en tydlig visuell skillnad på telefonens skärm. Vid planering av uppkoppling i hem, fritidsboende eller verksamhetslokal bör både täckning och långsiktig kompatibilitet vägas mot kostnad, energiförbrukning och behov av reservanslutning.