Kabinväska med 64 radiokanaler

Prototypen arbetar på 15 GHz, har 64 radiokanaler och 128 antennelement med åtta i höjdled och 16 i horisontell ledd. 64 av dem används för att skicka och ta emot horisontalpolariserade signaler och 64 för vertikalpolariserade signaler.

I en kommersiell version blir det hälften så många men kors­polariserade antennelement, precis som i dagens LTE-produkter.

De två polarisationsriktningarna används för att skicka eller ta emot två samtidiga dataströmmar på var sin bärvåg med samma frekvens.

Även terminalen tar emot signalen med horisontellt och vertikalt polariserade antenner men i och med att polarisationen ändras vid alla studsar så blandas de två utsända signalerna i mottagarantennerna.

– Vi har en avancerad mottagare som löser upp signalerna med signalbehandling även om de blandat sig, säger Mathias Riback.

Det som man tidigare såg som ett problem blir en tillgång i mimo eftersom de två signalerna får skilda signaturer (dispersion) beroende på vilken väg de gått.

Själva antennloben är mellan 10 och 12 grader beroende på riktning och går att styra till ett antal fasta positioner. Att positionerna för loben är fasta hänger samman med att styrningen är diskret, det sitter elektriskt styrbara fördröjningselement bakom varje antenn. Det finns också möjlighet att påverka amplituden i fasta steg för att ytterligare justera formen på loben.

Varje kolumn i antennmatrisen har fyra radiokedjor som driver två element vardera vilket ger en fast hoptryckning av loben i höjdled. Det räcker därmed med en styrbarhet på ±15 grader i höjdled medan det är ±60 grader i sidled. Därmed går det att få täckning varvet runt med tre prototyper.

Valet av 15 GHz beror primärt på att det är ett frekvensbandet som finns tillgängligt för experiment av den här typen. När det är dags för en kommersiell lansering är 28 GHz ett troligare alternativ som komplement till dagens frekvensband under 2,6 GHz.

Exempelvis har den amerikanska regleringsmyndigheten FCC pekat ut 27,5 GHz till 29,5 GHz som intressant och dessutom tillräckligt brett för att alla amerikanska operatörer ska rymmas.

Radiodelen av prototypen arbetar med vad som kallas ”direkt rf” vilket innebär att steget mellan analog- och digtaldomänen är stort. AD- och DA-omvandlarna samplar med 2–4 GHz beroende på variant av radion. För nästa steg, mellan 4 GHz och 15 GHz, finns upp- och nedkonverterare. Slutligen sitter det analoga fasskiftare och dämpare i varje radiokedja för att forma loben.

Fasskiftarna och dämparna måste vara mycket snabba, omställningstiden ligger klart under en mikrosekund. Det som sätter gränsen är intervallerna för sändning eller mottagning av ett datablock, TTI Transmission Time Interval. Det ligger på lite drygt 200 µs. Varje intervall är uppdelat i mindre enheter (symboler). För att kunna styra om loben utan att påverka dessa symboler så måste omställningstiden vara klart under 1 µs.

5G-prototypen är TDD-baserad (Time-Division Duplex) vilket innebär att upp och nedlänken är tidsmultiplexade på samma frekvensband. Multiplexeringen är flexibel och bestäms i realtid av trafiken vilka tidsramar som ska gå upp eller ned till terminalen.

Flexibiliteten är ytterligare är ytterligare ett randvillkor som kräver att radiokedjan mycket snabbt kan ställas om mellan sändning och mottagning utan att för den sakens skull förorsaka exempelvis transienter.

I tidigare generationsskiften har man framförallt bytt modulationsform för att öka kapaciteten. Som det ser ut idag fortsätter 5G att använda någon variant av OFDM även om de kinesiska företagen inte är slöt upp bakom förslaget på 3GPP:s uppstartsmöte i Phoenix, USA, i november.

– OFDM ger en väldig flexibilitet, du kan blanda smalbandiga och bredbandiga tjänster på samma carrier utan att dedicera enskilda deltoner för specifika tjänster, säger Håkan Andersson.

Rent praktiskt kan man ha en bredbandig mottagare för maximal datatakt i en smartmobil på samma bärvåg som en smalbandig IoT-nod som ska leva i tio år utan att laddas. Det är ”bara” att multiplexa ihop subtonerna på bärvågen.

– Ett av grundkraven är att det ska vara samma på radioaccessen för allt från elmätaren som skickar några byte vid enstaka tillfällen till bilarna på motorvägen som kommunicerar på millisekunder.

En bidragande orsak till att OFDM förväntas klara allt det här förklaras av Moores lag, processorerna har helt enkelt blivit så kraftfulla att de kan ta hand om mycket av filtreringen som tidigare låg i analoga filter plus att digitaltekniken kan användas för annan vågformning som att ändra pulskarakteristiken så att det blir mindre ”skräp” utanför bandet.

Delar av det här arbetet – filtrering, och transformationer (FFT och IFFT) – görs i radiodelen av 5G-prototypen som är ansluten till basbandsdelen med fiber. Basbandsprocessningen görs med kommersiell LTE-hårdvara men det går åt betydligt fler kort än i ett LTE-system eftersom bandbredden är betydligt större och därmed även beräkningsbehovet LTE har en bandbredd (carrier) på 20 MHz medan 5G-prototypen har hela 800 MHz.

– Vi tror att det är relevanta bandbredder på de här banden, säger Håkan Andersson.

Mjukvaran är helt nyskriven eftersom så många saker är radikalt annorlunda än i LTE. Det gäller exempelvis den initiala uppkopplingen och synkroniseringen av terminalerna via lobformade signaler. Idag skickas dessa ut kontinuerligt från en cell och mobilerna kan förutsätta att de alltid finns där. Men det gör att sändarna alltid är på och förbrukar energi, och dessutom skapar det störningar till användare i närliggande celler.

– Det krävs ett annat sätt att tänka där endast ett minimum av signaler skickas ut, och resten av informationen och referenssymboler skickas endast ut när en terminal säger ”jag är här, jag vill koppla upp mig”, säger Mathias Riback.

En annan aspekt av arkitekturen är att mjukvaran är på väg att separeras från hårdvaran. Rent praktiskt ligger kontrollfunktionerna på dedicerade servrar som är skilda från radionätet eller i det berömda molnet.

Resultatet blir att en operatör som byggt ut hårdvaran snabbt kan sätta upp nya virtuella nät med olika karakteristik för nya tjänster utan att addera ny hårdvara.

– Många använder begreppet network slicing och det går att jämföra med att köra Windows, Linux eller Unix med olika krav på prestanda på en och samma fysiska dator genom virtualisering, säger Mathias Riback.

Tekniken gör det förhållandevis snabbt och enkelt för operatörerna att test nya tjänster när de inte behöver rulla ut ny hårdvara.

– Vi siktar på att ha korta iterationer med ett till två år mellan varje faser, där en fas definieras av att systemet har fått ny typ av grundläggande funktionalitet. Sedan kommer dessa ”faser” att uppdateras kontinuerligt med uppgraderingar många gånger per år. Det händer mycket i standardiseringsarbetet och hela spelplanen börjar konvergera åt något håll, säger Mathias Riback.

En artikel om vad  Ericssons 5G-prototyp ska användas till finns här (länk).