Hva er 4G? Slik fungerer 4G-nettverk | Com4

Det erstattet 3G-teknologiens blandede tale- og datadesign med et enkelt, hel-IP-nettverk utviklet for hastighet, kapasitet og lav forsinkelse, og mer enn et tiår etter lanseringen er det fortsatt det nettverket de fleste IoT-enheter i Norden faktisk kjører på. Denne veiledningen forklarer hva 4G betyr teknisk sett, hvordan nettverksarkitekturen bak det fungerer, hvordan det kan sammenlignes med 3G og 5G, og hvordan virkelige Com4-kunder bruker 4G-tilkobling i produksjonen i dag.

Hovedpoeng:

• 4G er en mobilnettverksstandard basert utelukkende på IP, bygget rundt Evolved Packet Core (EPC) og eNodeB-radiotårn, som erstatter 3Gs separate tale- og dataveier med en enkelt IP-basert arkitektur.
• LTE er radioteknologien som gir best 4G-ytelse i praksis; ekte 4G, slik det er definert av ITU, krever LTE Advanced, selv om «4G» og «LTE» brukes om hverandre i praksis.
• OFDMA, SC-FDMA og MIMO er teknologiene som gir 4G hastighets- og kapasitetsfordelene i forhold til 3G.
• VoLTE overfører taleanrop som data over det samme 4G-nettverket, i stedet for å falle tilbake på en eldre kretskoplet forbindelse.
• 4G vil ikke bli erstattet med det første. Det er fortsatt den mest utbredte og kostnadseffektive nettverksstandarden for de aller fleste IoT-implementeringer, og den danner grunnlaget for LTE-M- og NB-IoT-variantene, som er spesialutviklet for IoT-enheter med lavt strømforbruk.
• Com4 tilbyr SIM-tilkobling via 4G, LTE-M og NB-IoT, og bytter automatisk mellom mer enn 750 nettverk i over 190 land, slik at enhetene forblir tilkoblet det 4G-baserte nettverket som passer best til hvordan de faktisk brukes

Hva betyr egentlig 4G?

«4G» refererer til den fjerde generasjonen av mobilnettstandarder, etter 2G (som innførte digital tale og grunnleggende data) og 3G (som tilførte mobil internettilgang). Hver generasjon kjennetegnes av en ny radioteknologi og en ny nettverksarkitektur, ikke bare høyere hastigheter.

Den internasjonale telekommunikasjonsunionen (ITU) fastsatte formelle ytelsesmål for hva som regnes som «ekte» 4G i henhold til IMT-Advanced-standarden, inkludert topp datahastigheter på rundt 1 Gbps for stasjonære brukere og 100 Mbps for mobile brukere. I praksis ble bransjen enig om at LTE og etterfølgeren, LTE Advanced, skulle være de kommersielle teknologiene som markedsføres som 4G, siden det er LTE Advanced som faktisk oppfyller IMT-Advanced-målene. Dette er grunnen til at man noen ganger ser begrepene «4G LTE» og «ekte 4G» brukt for å skille tidlige LTE-utbygginger fra senere LTE Advanced-nettverk, selv om begge selges til forbrukerne ganske enkelt som «4G».

For IoT-implementeringer har dette skillet sjelden betydning i hverdagen. Det som teller, er at 4G-nettverk, på tvers avLTE- og LTE Advanced-generasjonene, leverer mobilbredbåndsytelse som er pålitelig nok til å kjøre alt fra digital skilting til industrielle sensorer uten at enheten trenger å falle tilbake til et tregere, eldre nettverk.

Hvordan fungerer et 4G-nettverk?

Et 4G-nettverk er bygget opp rundt to hovedkomponenter: radioaksessnettverket, som håndterer den trådløse tilkoblingen til enhetene, og kjernenettverket, som dirigerer trafikken og administrerer sesjonen.

• eNodeB (evolved Node B). Dette er 4G-radiotårnet, eller basestasjonen, som en enhet kobler seg direkte til. I motsetning til 3G, som rutet trafikken gjennom en mellomliggende kontroller (RNC), kobler 4Gs eNodeB seg direkte til kjernenettverket, noe som eliminerer et ledd og reduserer ventetiden.
• EPC (Evolved Packet Core). Dette er all-IP-kjernenettverket som håndterer alt det eNodeB ikke gjør: ruting av data, styring av mobilitet når en enhet beveger seg mellom tårn, autentisering av SIM-kort og håndheving av tjenestekvalitet. EPCs Mobility Management Entity (MME) er kontrollnoden som har ansvaret for å spore enheter i hvilemodus og kalle dem opp når data må leveres.
• UE (User Equipment). Dette er den tekniske betegnelsen på enhver enhet som kobler seg til nettverket, enten det er en smarttelefon, en industriell gateway eller en IoT-sensor med et innebygd modem.

Den viktigste arkitektoniske endringen fra 3G til 4G er at tale, data og signalering alle går over den samme IP-baserte banen i stedet for separate krets- og pakkekoblede systemer. Denne forenklingen er en stor del av grunnen til at 4G-nettverk håndterer langt flere samtidige tilkoblinger og langt flere datakrevende applikasjoner enn 3G noensinne kunne.

Hvilke teknologier gjør 4G raskt?

Tre tekniske byggesteiner står for det meste av 4Gs hastighets- og kapasitetsfordel i forhold til 3G:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). OFDMA brukes på nedlinken og deler en radiokanal inn i mange smale underbærere som kan tildeles ulike enheter samtidig, slik at man får plass til mer data i det samme frekvensspekteret med mindre interferens enn ved 3G-metoden.
• SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). SC-FDMA brukes på oppkoblingen og oppnår en spektraleffektivitet som ligner på OFDMA, samtidig som den er mer energieffektiv for senderen – noe som er viktig for batteridrevet utstyr.
• MIMO (Multiple Input, Multiple Output). MIMO bruker flere antenner både på senderen og mottakeren for å sende og motta mer enn én datastrøm samtidig over samme frekvens. Flere antenner betyr generelt et sterkere signal-støy-forhold, bedre dekningsområde og høyere gjennomstrømning, og det er derfor MIMO-konfigurasjoner (som 2x2 eller 4x4 MIMO) er en vanlig spesifikasjon på 4G-rutere og -modemer.

I tillegg til dette gjør bærerbundling – som kombinerer flere frekvensbånd til én enkelt, bredere effektiv kanal – det mulig for operatørene å oppnå hastigheter i praksis som ligger langt over det et enkelt bånd kunne levere alene. Com4s grundige gjennomgang av LTE dekker bærerbundling og de spesifikke frekvensbåndene som brukes i Norden, med mer tekniske detaljer.

Hva er forskjellen mellom 4G og LTE?

LTE (Long-Term Evolution) er radioteknologien som bærer det aller meste av den faktiske 4G-trafikken, og i de fleste praktiske sammenhenger beskriver «4G» og «LTE» det samme nettverket. Teknisk sett var imidlertid LTE det første skrittet mot full 4G-ytelse, og det er LTE Advanced (og senere LTE Advanced Pro) som faktisk oppfyller ITUs formelle 4G-mål. Nettverksoperatører og produsenter av enheter markedsfører begge generasjonene ganske enkelt som «4G», fordi forskjellen sjelden påvirker hvordan en enhet eller en person opplever nettverket. Når Com4 tilbyr 4G-SIM-tilkobling, dekker dette hele spekteret av LTE- og LTE Advanced-nettverk, slik at enhetene får det sterkeste tilgjengelige 4G-signalet uavhengig av hvilken spesifikk undergenerasjon en gitt sendemast kjører.

Hvordan fungerer VoLTE på 4G-nettverk?

Eldre nettverk håndterte taleanrop via en separat kretskoplet forbindelse, noe som er en av grunnene til at noen av de første 4G-telefonene gikk tilbake til 3G mens et anrop pågikk. VoLTE (Voice over LTE) løser dette ved å overføre tale som en vanlig IP-datastrøm over det samme 4G-nettverket som brukes til alt annet, ved hjelp av EPCs enhetlige, hel-IP-arkitektur. Resultatet er at samtaler kan startes raskere, har høyere lydkvalitet (ofte markedsført som HD Voice) og kan foregå samtidig med databruk uten å tvinge frem en nettverksovergang. For IoT-implementeringer er VoLTE i seg selv sjelden relevant, siden de fleste enheter ikke overfører taletrafikk, men det er et nyttig eksempel på hvor mye enklere 4G-teknologiens «all-IP»-design er sammenlignet med den lappeteppearkitekturen den erstattet.

4G vs. 3G vs. 5G: hva er egentlig forskjellen?

Den praktiske konklusjonen for de fleste IoT-implementeringer: 3G er på vei ut av de nordiske nettverkene, 5G er fortsatt konsentrert om spesifikke bruksområder med høy verdi, og 4G ligger i midten som den modne, pålitelige standarden som dekker det overveldende flertallet av tilkoblede enheter i produksjon i dag.

Hvilken rolle spiller 4G i IoT-tilkoblingen i dag?

4G er ikke bare nettverket smarttelefoner bruker. Det er også grunnlaget for to IoT-spesifikke nettverksvarianter bygget på den samme underliggende LTE-standarden:

• LTE-M betjener enheter som trenger mobilitet og moderat båndbredde, for eksempel sporingsenheter og bærbart utstyr, samtidig som det bruker mindre strøm enn standard 4G.
• NB-IoT betjener enkle, stasjonære sensorer som sender små datamengder sjeldent, og prioriterer batterilevetid og god dekning innendørs fremfor hastighet.

Både LTE-M og NB-IoT bygger på den samme fysiske 4G-nettverksinfrastrukturen som operatørene allerede har bygget ut, og det er nettopp derfor de kan skaleres så kostnadseffektivt: det er ikke behov for å etablere et eget radionettverk.

Com4s guide til LTE går mer i dybden på de tekniske forskjellene mellom standard 4G, LTE-M og NB-IoT, og hvordan man velger mellom dem.

4G-tilkobling i praksis: Eksempler fra Com4-kunder

ZetaDisplay: alltid på 4G for tidskritisk digital skilting. ZetaDisplays nettverk for digital skilting, som er installert blant annet på Oslo Airport Express-toget og Oslo sentralstasjon, kjører på industrielle 4G-modemer koblet til via Com4-SIM-kort. Siden Com4s SIM-kort automatisk bytter mellom flere mobilnettverk, forblir skiltingen online selv om nettverket til en enkelt operatør svikter på et bestemt sted – noe som er avgjørende når innholdet som vises inkluderer sanntids avgangstider for tog.

Soundsensing: 4G-baserte sensorer installert i stor skala. Soundsensing har installert mer enn 1 500 støysensorer i rundt 150 bygninger, blant annet på anlegg for Statsbygg og eiendommer rundt Oslo sentrum, ved hjelp av LTE-M-tilkobling som kjører på Com4s 4G-nettverk. I en slik skala er den avgjørende faktoren ikke topphastighet, men jevn dekning som krever lite vedlikehold på et stort antall fysiske steder – akkurat det et modent 4G-nettverk er bygget for å levere.

Just Eat Norway: 4G-tilkobling for et distribuert nettverk av bestillingskiosker. Just Eat Norway har drevet et nettverk av mobilkoblede bestillingskiosker siden 2006, lenge før det meste av dagens 4G-infrastruktur ble etablert, og har migrert over til denne etter hvert som nettverkene har modnet. Kioskene er avhengige av pålitelig mobil tilkobling på mange detaljhandelssteder, et bruksområde som passer perfekt til 4G-teknologiens kombinasjon av bred dekning og håndterbare kostnader per tilkobling.

Blir 4G erstattet av 5G?

Ikke med det første, og for de fleste tilkoblede enheter – slett ikke. Utbyggingen av 5G er fortsatt konsentrert i tettbebygde byområder og spesifikke bruksområder som krever høy båndbredde og lav forsinkelse, for eksempel industriell automatisering eller fast trådløs tilgang. For det store flertallet av IoT-implementeringer, fra flåtesporing til smarte målere og miljøsensorer, leverer 4G allerede mer enn nok hastighet og kapasitet, til lavere kostnader for maskinvare og tilkobling enn 5G. Det forventes at operatørene vil holde 4G-nettverkene i drift langt inn i det neste tiåret, nettopp fordi så mye industriell infrastruktur og IoT-infrastruktur er avhengig av dem. Com4s guide til 5G-utrullingen i Norden tar for seg hvor 5G faktisk gir mening i dag, dersom man veier de to alternativene opp mot hverandre.

Å velge riktig 4G-basert tilkobling for enhetene dine

Ikke alle enheter trenger den samme delen av 4G-standarden. Før du velger et SIM-kort og et dataabonnement, er det lurt å gå gjennom en kort sjekkliste:

1. Hvor mye data sender enheten egentlig? En enhet som streamer video trenger standard 4G-båndbredde; en sensor som rapporterer målinger hvert par minutter, kan ha god nytte av NB-IoT.
2. Beveger enheten seg? Mobilt eller bærbart utstyr trenger vanligvis standard 4G eller LTE-M fremfor NB-IoT, som er optimalisert for stasjonære enheter.
3. Hvor begrenset er strømforbruket? Batteridrevne enheter som forventes å være i bruk i flere år, bør vurdere LTE-M eller NB-IoT fremfor standard 4G-modemer, som bruker betydelig mer strøm.
4. Hvordan ser det fysiske installasjonsmiljøet ut? Innendørs, under jorden eller på andre vanskelig tilgjengelige steder er det en fordel å benytte NB-IoTs egenskaper for dypere penetrasjon.
5. Omfatter installasjonen flere land eller nettverk? I så fall bør du se etter SIM-tilkobling som automatisk bytter mellom operatører, i stedet for å låse enheten til ett enkelt nettverk.
6. Må enheten konfigureres på nytt eksternt etter installasjon? Sjekk at SIM-kortet støtter trådløs konfigurering, slik at endringer i nettverk og profiler ikke krever et besøk på stedet. Com4s guide til IoT-SIM-kort, eSIM og iSIM dekker formfaktoren og konfigurasjonsaspektene ved dette valget.