(Bilde: Terje Norli/Telemuseet)

FRA 1G TIL 4G

Den lange veien fram til 4G

Den 10. november 1981 åpnet den første delen av det nye automatiske mobiltelefonsystemet i Norge. NMT – Nordisk mobiltelefonsystem var et faktum. Et seiglivet analogt system som levde helt til 2005, og som mange i dag omtaler som 1 G, eller første generasjon.

I NMT-systemet var hver talekanal på 25 kHz. Stemmesignalet var frekvensmodulert og svært lett å avlytte. Modemer gjorde det mulig å overføre data på 14,4 kbit/s når forholdene var gode, men behovet for dataoverføring var ikke stort den gangen.

Les også: Nytt liv for fasttelefonen

2G

De nordiske landene var tidlig ute med å etablere en felles standard som gjorde at vi kunne bruke NMT-systemet også utenfor nasjonale grenser.

Det ble modellen da landene i Europa ble enige om å etablere et felles system for digital mobiltelefoni, GSM – Globalt system for mobilkommunikasjon, som vi i dag gjerne omtaler som andre generasjon, 2G. Norske teknologimiljøer som Televerket (Telenor) og Elab (tidligere del av det som nå er Sintef) deltok aktivt i dette arbeidet.

Det var mange fordeler med å digitalisere lyden og lage et digitalt radiosystem. En av dem var at signalet kunne utstyres med sterk feilkorreksjon slik at det ble veldig robust. Ulempen med å bruke mye av systemkapasiteten til feilbeskyttelse, også hvor dette ikke er nødvendig ut fra radioforholdene, er at dette går på bekostning av overføringskapasiteten i systemet.

GSM ble utviklet fra 1982 og åpnet i Norge i 1993. Man brukte frekvenser i 900 MHz-båndet, som også ble brukt av NMT-900. I 2001 ble NMT lagt ned i dette båndet og alle frekvensene gitt til GSM. Fra 1996 opererer GSM også i 1800 MHz -båndet.

I GSM er frekvensbåndet delt opp i kanaler på 200 kHz. I hver av disse er det modulert inn en bitstrøm delt opp i 8 tidsluker. En telefon som snakker på GSM sender derfor lyden ved å komprimere den inn i f. eks tidsluke 7 hver gang den dukker opp. Telefonen som mottar pakker så ut lyden fra den samme luken.

En ulempe med GSM i sin originale form var at det ikke var mer frekvensøkonomisk enn NMT.

Hver talekanal «kostet» fremdeles 25 kHz. Ganske raskt ble det derfor utviklet en løsning der en ytterligere komprimering av lyden gjorde at hver telefon bare brukte sin tidsluke annenhver gang. Dette kalles halvrate og gir nær dobling av kapasiteten, men på bekostning av lydkvaliteten. Senere har det kommet til nye teknikker, som f.eks. Vamos, som gjør det mulig å overføre fire talekanaler på en tidsluke.

Hver talekanal «kostet» fremdeles 25 kHz. Ganske raskt ble det derfor utviklet en løsning der en ytterligere komprimering av lyden gjorde at hver telefon bare brukte sin tidsluke annenhver gang. Dette kalles halvrate og gir nær dobling av kapasiteten, men på bekostning av lydkvaliteten. Senere har det kommet til nye teknikker, som f.eks. Vamos, som gjør det mulig å overføre fire talekanaler på en tidsluke.2G: Da det digitale GSM-nettet kom i 1993 hadde telefonen krypet fra liten koffert til svære kjøttbein slik som denen Motorolamodellen fra 1993. Terje Norli/Telemuseet

Les også: – 750 millioner mobiler sårbare for SIM-hack

Databehovet øker

Utover 90-tallet økte behovet for å bruke mobilnettet til dataoverføring.

I starten av GSM benyttet man en teknologi som ble kalt Circuit Switched Data (linjekoblet data) som gav en datarater på 9,6 kbit/s. Ved hjelp av adaptiv feilkorreksjon økte dette etter hvert til opptil 14,4 kbit/s per tidsluke under gode radioforhold.

Sammenslåing av tre tidsluker kunne gi datahastigheter på 43,2 kbit/s. Teknikken ble kalt High Speed Circuit Switched Data, HSCSD, og ble introdusert i mobilnett rundt år 97–98.

Senere kom GPRS som var pakkedata over GSM. Pakketeknologien gjorde at flere brukere enklere kunne utnytte tidslukene mer dynamisk. Ny kanalkoding gav økte datarater, i det minste teoretisk opptil 85,6 kbit/s.

Nok en utvidelse, Edge, brakte hastigheten opp til 236 kbit/s ved å ta i bruk en mer avansert modulasjonsform. Igjen teoretisk og sterkt avhengig av radioforholdene og hvor mange som kommuniserer med den samme basestasjonen.

Les også: Hackere kan ta fullstendig kontroll over telefonen din

3G

I 2001 var det klart for neste generasjons nettverk i Norge. Da introduserte man den tredje generasjonen mobiltelefoni, 3G, som også kalles UMTS og WCDMA.

I 3G benyttes et frekvensbånd på 5 MHz til alle terminalene koblet til en basestasjon. Kanalene skilles med unike spredekoder. Hver bruker får en kode som gjør at basestasjonen og terminalen bare skiller ut dataene med denne koden når de er koblet sammen. Siden spredekodene (ideelt sett) er ortogonale, vil signalene fra alle andre brukere oppfattes som støy.

I 2G brukes høy effekt i et smalt frekvensbånd. I 3G er det omvendt. Man bruker lav effekt i et bredt frekvensbånd. Det gir et robust signal som er mindre følsomt for lokale frekvensselektive variasjoner i signalnivå (fading).

Måten signalene moduleres på er vesentlig mer effektiv enn i GSM. Det betyr at man kan overføre betydelig flere bits per Hz og utnytte frekvensressursen bedre.

En annen endring som kom i 3G var evnen til å utnytte den gode radioforbindelsen til brukere som er nær basestasjonen. De kan tildeles høyere datarate, noe som ikke er mulig i den opprinnelige versjonen av GSM.

En annen endring som kom i 3G var evnen til å utnytte den gode radioforbindelsen til brukere som er nær basestasjonen. De kan tildeles høyere datarate, noe som ikke er mulig i den opprinnelige versjonen av GSM.Populær GSM-telefon: Da Nokia var på høyden klare de i 2000 å lage denne lekkerbiskenen, modell 8290 på bare 79 gram. Terje Norli/Telemuseet

Les også: Snart kan det bli slutt på telefonnummer

Flere trinn

Da 3G ble introdusert, hadde behovet for data begynt å øke, og større båndbredde og økt kapasitet var en av fordelene med den nye teknologien. Likevel kunne ikke 3G overføre mer enn 384 kbit/s i starten. Det var ikke særlig mer enn med Edge i 2G.

3G: Internett var i rask vekst da 3G ble introdusert. Likevel trodde bransjen at videotelefoni ville være en av de største driverne som konsumerte datakapasitet. Denne Nokiamodellen 7600 var en av de første 3G-moellene og kunne ta toveis videokonferanse. Hvernen den eller slike videosamtaler ble noen suksess. I de siste årene har video kommet tilbake gjennom Skype og liknende tjenester i form av apper på smarttelefoner.
Da 3G ble introdusert, hadde behovet for data begynt å øke, og større båndbredde og økt kapasitet var en av fordelene med den nye teknologien. Likevel kunne ikke 3G overføre mer enn 384 kbit/s i starten. Det var ikke særlig mer enn med Edge i 2G.3G: Internett var i rask vekst da 3G ble introdusert. Likevel trodde bransjen at videotelefoni ville være en av de største driverne som konsumerte datakapasitet. Denne Nokiamodellen 7600 var en av de første 3G-moellene og kunne ta toveis videokonferanse. Hvernen den eller slike videosamtaler ble noen suksess. I de siste årene har video kommet tilbake gjennom Skype og liknende tjenester i form av apper på smarttelefoner. Nokia

Mobilt bredbånd ble først en realitet da pakkedatatjenesten High Speed Packet Access (HSPA) ble innført i 3G.

For å realisere høye datarater, optimaliserer HSPA-teknologien tildelingen av radioressurser, modulasjon og kanalkoding hvert annet millisekund basert på variasjoner i de aktive brukernes radioforhold i øyeblikket. Derfor måtte disse funksjonene også bli flyttet fra den sentrale basestasjonskontrolleren og ut i hver basestasjon.

Også i HSPA har en sett en trinnvis utvikling, og i dag er datahastighet 21 Mb/s nedlink i en 5 MHz kanalbåndbredde. I praksis vil kapasiteten per 5 MHz radiokanal være lavere, og denne kapasiteten må deles mellom alle aktive brukere på radiokanalen. Ved å slå sammen to 5 MHz bærebølger, såkalt dual carrier, vil maksimal teoretisk hastighet i nedlinken bli 42 Mb/s. Denne kapasiteten skal fremdeles deles mellom alle samtidige aktive brukere.

Den viktigste frekvensen for 3G har vært 2,1 GHz. Ulempen med dette høye frekvensområdet er at signalene har kortere rekkevidde og trenger dårligere inn i bygninger enn på 900 MHz. Derfor er teleselskapene kommet langt med såkalt «refarming», det vil si å ta litt av frekvensene til 2G og bruke dem til 3G på 900 MHz.

Denne innsiktsartikkelen er del 1 av 2. Neste kommer til helgen og handler om 4G og 5G.

Hovedkilder: Senior Group Specialist Rune Harald ­Rækken og Group SpecialistJørgen Binningsbø, Telenor

Les også:

Tele2 vil bygge 1000 nye basestasjoner i året

Nå skal roaming-utgiftene vekk

Vil merke telefoner med dårlige antenner