Mikä on 4G? Miten 4G-verkot toimivat?

Se korvasi 3G:n ääni- ja dataliikennettä yhdistävän rakenteen yhdellä ainoalla, kokonaan IP-pohjaisella verkolla, joka on suunniteltu nopeutta, kapasiteettia ja lyhyttä viivettä silmällä pitäen, ja se on edelleen, yli vuosikymmenen kuluttua käyttöönotosta, verkko, jossa suurin osa Pohjoismaiden IoT-laitteista tosiasiassa toimii. Tässä oppaassa selitetään, mitä 4G tarkoittaa teknisesti, miten sen taustalla oleva verkkoarkkitehtuuri toimii, miten se eroaa 3G- ja 5G-verkkoista sekä miten Com4:n asiakkaat hyödyntävät 4G-yhteyksiä tuotantokäytössä tänä päivänä.

Tärkeimmät kohdat:

• 4G on kokonaan IP-pohjainen matkapuhelinverkostandardi, joka perustuu Evolved Packet Core (EPC) -tekniikkaan ja eNodeB-tukiasemiin. Se korvaa 3G:n erilliset ääni- ja datareitit yhdellä IP-pohjaisella arkkitehtuurilla.
• LTE on radioteknologia, joka tarjoaa parhaan 4G-suorituskyvyn käytännössä; ITU:n määritelmän mukainen todellinen 4G edellyttää LTE Advancedia, vaikka termejä ”4G” ja ”LTE” käytetäänkin käytännössä synonyymeinä.
• OFDMA, SC-FDMA ja MIMO ovat tekniikoita, jotka antavat 4G:lle sen nopeus- ja kapasiteettiedut 3G:hen verrattuna.
• VoLTE välittää äänipuhelut datana saman 4G-verkon kautta sen sijaan, että se turvautuisi vanhempaan piirikytkentäiseen yhteyteen.
• 4G:tä ei korvata lähitulevaisuudessa. Se on edelleen laajimmin saatavilla oleva ja kustannustehokkain verkkostandardi valtaosalle IoT-sovelluksista, ja se muodostaa perustan LTE-M- ja NB-IoT-variantteille, jotka on suunniteltu erityisesti vähävirtaisille IoT-laitteille.
• Com4 tarjoaa SIM-yhteyden 4G-, LTE-M- ja NB-IoT-verkoissa ja vaihtaa automaattisesti yli 750 verkon välillä yli 190 maassa, jotta laitteet pysyvät yhteydessä siihen 4G-pohjaiseen verkkoon, joka sopii parhaiten niiden todelliseen käyttöön.

Mitä 4G oikeastaan tarkoittaa?

”4G” viittaa neljännen sukupolven matkapuhelinverkkostandardeihin, jotka seurasivat 2G:tä (joka toi mukanaan digitaalisen puheviestinnän ja perustason datan) ja 3G:tä (joka lisäsi mobiilin internetyhteyden). Kukin sukupolvi määritellään uuden radioteknologian ja uuden verkkoarkkitehtuurin perusteella, ei pelkästään nopeuksien perusteella.

Kansainvälinen televiestintäliitto (ITU) asetti IMT-Advanced-standardinsa puitteissa viralliset suorituskykytavoitteet sille, mitä pidetään ”todellisena” 4G:nä, mukaan lukien huippudatanopeudet noin 1 Gbps kiinteille käyttäjille ja 100 Mbps liikkuville käyttäjille. Käytännössä ala päätyi valitsemaan LTE:n ja sen seuraajan, LTE Advancedin, kaupallisiksi tekniikoiksi, joita markkinoidaan 4G:nä, koska juuri LTE Advanced täyttää IMT-Advanced-tavoitteet. Tämän vuoksi näkee toisinaan termejä ”4G LTE” ja ”aito 4G”, joilla erotetaan varhaiset LTE-käyttöönotot myöhemmistä LTE Advanced -verkoista, vaikka molempia myydään kuluttajille yksinkertaisesti nimellä ”4G”.

IoT-sovelluksissa tällä erottelulla on harvoin merkitystä päivittäisessä käytössä. Tärkeää on, että 4G-verkot, niinLTE- kuin LTE Advanced -sukupolvet mukaan lukien, tarjoavat riittävän luotettavan mobiililaajakaistan suorituskyvyn, jotta niillä voidaan käyttää kaikkea digitaalisista opasteista teollisiin antureihin ilman, että laitteen tarvitsee siirtyä hitaampaan, vanhempaan verkkoon.

Miten 4G-verkko toimii?

4G-verkko rakentuu kahden pääkomponentin ympärille: radioverkko, joka hoitaa langattoman yhteyden laitteisiin, ja runkoverkko, joka reitittää liikennettä ja hallinnoi istuntoja.

• eNodeB (evolved Node B). Tämä on 4G-radiomasto eli tukiasema, johon laite muodostaa suoran yhteyden. Toisin kuin 3G-verkossa, jossa liikenne reititettiin välittäjäohjaimen (RNC) kautta, 4G:n eNodeB yhdistyy suoraan ydinverkkoon, mikä poistaa yhden välivaiheen ja lyhentää viivettä.
• EPC (Evolved Packet Core). Tämä on kokonaan IP-pohjainen runkoverkko, joka hoitaa kaiken sen, mitä eNodeB ei tee: reitittää dataa, hallinnoi liikkuvuutta laitteen siirtyessä tornista toiseen, todentaa SIM-kortteja ja varmistaa palvelun laadun. EPC:n liikkuvuudenhallintayksikkö (MME) on ohjaussolmu, joka vastaa lepotilassa olevien laitteiden seurannasta ja niiden kutsumisesta, kun dataa on toimitettava.
• UE (User Equipment). Tämä on tekninen termi, jolla tarkoitetaan mitä tahansa verkkoon kytkeytyvää laitetta, olipa kyseessä sitten älypuhelin, teollinen yhdyskäytävä tai IoT-anturi, jossa on upotettu modeemi.

Keskeinen arkkitehtoninen muutos 3G:stä 4G:hen on se, että ääni, data ja signalointi kulkevat kaikki samaa IP-pohjaista reittiä pitkin erillisten piirikytkentäisten ja pakettikytkentäisten järjestelmien sijaan. Tämä yksinkertaistaminen on suuri syy siihen, miksi 4G-verkot pystyvät käsittelemään huomattavasti enemmän samanaikaisia yhteyksiä ja paljon enemmän dataa vaativia sovelluksia kuin 3G-verkot koskaan pystyivät.

Mitkä teknologiat tekevät 4G:stä nopean?

Kolme teknistä peruselementtiä selittää suurimman osan 4G:n nopeus- ja kapasiteettieduista 3G:hen verrattuna:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Alasuuntaisessa yhteydessä käytettävä OFDMA jakaa radiokanavan moniin kapeisiin alikantoaaltoihin, jotka voidaan osoittaa eri laitteille samanaikaisesti, jolloin samaan taajuusalueeseen mahtuu enemmän dataa ja häiriöitä on vähemmän kuin 3G:n menetelmässä.
• SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Ylöslinkissä käytettävä SC-FDMA saavuttaa samanlaisen taajuustehokkuuden kuin OFDMA, mutta on samalla energiatehokkaampi lähettävälle laitteelle, mikä on tärkeää akkukäyttöisille laitteille.
• MIMO (Multiple Input, Multiple Output). MIMO käyttää useita antenneja sekä lähettimessä että vastaanottimessa lähettääkseen ja vastaanottaakseen useampia kuin yhtä datavirtaa kerrallaan samalla taajuudella. Useammat antennit tarkoittavat yleensä parempaa signaali-kohinasuhdetta, parempaa peittoaluetta ja suurempaa siirtonopeutta, minkä vuoksi MIMO-kokoonpanot (kuten 2x2- tai 4x4-MIMO) ovat yleinen ominaisuus 4G-reitittimissä ja modeemeissa.

Näiden lisäksi taajuuksien yhdistely, jossa useita taajuuskaistoja yhdistetään yhdeksi laajemmaksi tehokkaaksi kanavaksi, antaa operaattoreille mahdollisuuden saavuttaa todellisia nopeuksia, jotka ylittävät selvästi sen, mitä yksittäinen taajuuskaista voisi yksinään tarjota. Com4:n perusteellinen LTE-katsaus käsittelee taajuuksien yhdistelyä ja Pohjoismaissa käytettyjä taajuuskaistoja teknisemmin.

Mitä eroa on 4G:llä ja LTE:llä?

LTE (Long-Term Evolution) on radioteknologia, joka välittää valtaosan todellisesta 4G-liikenteestä, ja käytännössä ”4G” ja ”LTE” tarkoittavat samaa verkkoa. Teknisesti katsoen LTE oli kuitenkin ensimmäinen askel kohti täyttä 4G-suorituskykyä, ja LTE Advanced (sekä myöhemmin LTE Advanced Pro) täyttää tosiasiassa ITU:n viralliset 4G-tavoitteet. Verkko-operaattorit ja laitevalmistajat markkinoivat molempia sukupolvia yksinkertaisesti nimellä ”4G”, koska ero vaikuttaa harvoin siihen, miten laite tai käyttäjä kokee verkon. Kun Com4 tarjoaa 4G-SIM-yhteyden, se kattaa tämän koko LTE- ja LTE Advanced -verkkojen kirjon, joten laitteet saavat vahvimman saatavilla olevan 4G-signaalin riippumatta siitä, mitä alisukupolvea tietty tukiasema käyttää.

Miten VoLTE toimii 4G-verkoissa?

Vanhemmat verkot käsittelivät äänipuheluita erillisen piirikytkentäisen yhteyden kautta, mikä on yksi syy siihen, miksi jotkut varhaiset 4G-puhelimet siirtyivät takaisin 3G-verkkoon puhelun ajaksi. VoLTE (Voice over LTE) ratkaisee tämän siirtämällä puheäänen yhtenä IP-datavirrana samassa 4G-verkossa, jota käytetään kaikkeen muuhunkin, hyödyntäen EPC:n yhtenäistä, kokonaan IP-pohjaista arkkitehtuuria. Tämän ansiosta puhelut voidaan aloittaa nopeammin, niiden äänenlaatu on parempi (markkinoidaan usein nimellä HD Voice) ja ne voidaan käyttää samanaikaisesti datan käytön kanssa ilman, että verkkoa tarvitsee vaihtaa. IoT-sovelluksissa VoLTE:llä itsellään on harvoin merkitystä, koska useimmat laitteet eivät välitä ääniliikennettä, mutta se on hyödyllinen esimerkki siitä, kuinka paljon yksinkertaisempi 4G:n kokonaan IP-pohjainen rakenne on verrattuna siihen tilkkutäkkiarkkitehtuuriin, jonka se korvasi.

4G vs. 3G vs. 5G: mitä eroa niillä oikeasti on?

Käytännön johtopäätös useimmille IoT-käyttötarkoituksille: 3G on poistumassa käytöstä pohjoismaisissa verkoissa, 5G keskittyy edelleen tiettyihin korkean arvon käyttötapauksiin, ja 4G sijoittuu näiden välille kypsänä ja luotettavana oletusvaihtoehtona, joka kattaa valtaosan nykyisin tuotannossa olevista verkkoon liitetyistä laitteista.

Mikä on 4G:n rooli nykypäivän IoT-yhteyksissä?

4G ei ole pelkästään älypuhelimien käyttämä verkko. Se on myös perusta kahdelle IoT-kohtaiselle verkkovariantille, jotka perustuvat samaan LTE-standardiin:

• LTE-M palvelee laitteita, jotka tarvitsevat liikkuvuutta ja kohtuullista kaistanleveyttä, kuten seurantalaitteita ja kannettavia laitteita, ja kuluttaa samalla vähemmän virtaa kuin tavallinen 4G.
• NB-IoT palvelee yksinkertaisia, paikallaan pysyviä antureita, jotka lähettävät pieniä määriä dataa harvoin ja joissa akunkestoa ja kattavaa sisätilapeittoa pidetään tärkeämpänä kuin nopeutta.

Sekä LTE-M että NB-IoT toimivat samalla fyysisellä 4G-verkkoinfrastruktuurilla, jonka operaattorit ovat jo rakentaneet, ja juuri siksi ne ovat niin kustannustehokkaita: erillistä radioverkkoa ei tarvitse ottaa käyttöön.

Com4:n LTE-opas käsittelee perusteellisemmin tavallisen 4G:n, LTE-M:n ja NB-IoT:n välisiä teknisiä eroja sekä niiden valintaa.

4G-yhteydet käytännössä: Com4:n asiakasesimerkkejä

ZetaDisplay: jatkuvasti päällä oleva 4G-yhteys aikakriittisiin digitaalisiin opasteisiin. ZetaDisplayn digitaalisten opasteiden verkko, jota on otettu käyttöön muun muassa Oslon lentokenttäjunassa ja Oslon päärautatieasemalla, toimii teollisuusluokan 4G-modeemeilla, jotka on kytketty Com4:n SIM-korttien kautta. Koska Com4:n SIM-kortit vaihtavat automaattisesti eri matkapuhelinverkkojen välillä, näyttöjärjestelmä pysyy verkossa, vaikka yhden operaattorin verkko heikkenisikin tietyllä paikalla – mikä on tärkeää, kun näytettävään sisältöön kuuluu esimerkiksi junien reaaliaikaisia lähtöaikoja.

Soundsensing: laajamittaisesti käyttöönotetut 4G-pohjaiset anturit. Soundsensing on asentanut yli 1 500 meluanturia noin 150 rakennukseen, mukaan lukien Statsbyggin kohteet ja kiinteistöt Oslon keskustan alueella, käyttäen Com4:n 4G-verkon kattavuudella toimivaa LTE-M-yhteyttä. Tällä mittakaavalla ratkaiseva tekijä ei ole huippunopeus, vaan tasainen, vähän huoltoa vaativa kattavuus lukuisilla fyysisillä kohteilla – juuri sitä, mitä vakiintunut 4G-verkko on suunniteltu tarjoamaan.

Just Eat Norway: 4G-yhteydet hajautettuun kioskiverkostoon. Just Eat Norway on ylläpitänyt mobiiliyhteydellä toimivaa tilauskioskiverkostoa vuodesta 2006 lähtien, eli jo ennen suurinta osaa nykyisestä 4G-infrastruktuurista, ja siirtynyt sen käyttöön verkkojen kehittyessä. Kioskit ovat riippuvaisia luotettavasta mobiiliyhteydestä monissa vähittäismyyntipisteissä, mikä on käyttötapaus, jossa 4G:n laaja peittoalue ja hallittavat yhteyskohtaiset kustannukset tulevat suoraan esiin.

Korvataanko 4G 5G:llä?

Ei ainakaan lähiaikoina, ja useimpien verkkoon kytkettyjen laitteiden osalta ei lainkaan. 5G-verkon käyttöönotto keskittyy edelleen tiheästi asutuille kaupunkialueille ja tiettyihin suurta kaistanleveyttä ja pientä viivettä vaativiin käyttötapauksiin, kuten teolliseen automaatioon tai kiinteään langattomaan yhteyteen. Suurimmalle osalle IoT-sovelluksista – ajoneuvokannan seurannasta älymittareihin ja ympäristöantureihin – 4G tarjoaa jo nyt enemmän kuin riittävän nopeuden ja kapasiteetin, ja laitteisto- ja yhteyskustannukset ovat alhaisemmat kuin 5G:n. Operaattoreiden odotetaan pitävän 4G-verkot toiminnassa pitkälle seuraavalle vuosikymmenelle juuri siksi, että niin suuri osa teollisuus- ja IoT-infrastruktuurista riippuu niistä. Com4:n opas 5G-verkkojen käyttöönotosta Pohjoismaissa käsittelee, missä 5G on tällä hetkellä järkevää valintaa, jos vertailet näitä kahta vaihtoehtoa.

Oikean 4G-pohjaisen yhteyden valitseminen laitteillesi

Kaikki laitteet eivät tarvitse samaa osaa 4G-standardista. Ennen SIM-kortin ja datapaketin valitsemista on hyvä käydä läpi lyhyt tarkistuslista:

1. Kuinka paljon dataa laite tosiasiassa lähettää? Videota suoratoistava laite tarvitsee tavallista 4G-kaistanleveyttä; anturi, joka lähettää lukemia muutaman minuutin välein, voi toimia hyvin NB-IoT:n avulla.
2. Liikkuuko laite? Liikkuvat tai kannettavat laitteet tarvitsevat yleensä tavallista 4G-yhteyttä tai LTE-M:ää eikä NB-IoT:tä, joka on optimoitu kiinteille laitteille.
3. Kuinka rajallinen virrankulutus on? Akkuvirralla toimivissa laitteissa, joiden käyttöiän odotetaan olevan useita vuosia, kannattaa harkita LTE-M- tai NB-IoT-tekniikkaa tavallisten 4G-modeemien sijaan, sillä ne kuluttavat huomattavasti enemmän virtaa.
4. Miltä fyysinen käyttöympäristö näyttää? Sisätiloissa, maan alla tai muutoin vaikeasti saavutettavissa olevissa paikoissa hyödynnetään NB-IoT:n syvempää läpäisykykyä.
5. Kattaako käyttöönotto useita maita tai verkkoja? Jos näin on, valitse SIM-yhteys, joka vaihtaa operaattoria automaattisesti sen sijaan, että laite lukittaisiin yhteen verkkoon.
6. Täytyykö laitetta konfiguroida uudelleen etäyhteyden kautta käyttöönoton jälkeen? Varmista, että SIM-kortti tukee langatonta konfigurointia (over-the-air provisioning), jotta verkko- ja profiilimuutokset eivät vaadi paikan päällä käyntiä. Com4:n opas IoT-SIM-korteista, eSIM- ja iSIM-kortteista käsittelee tämän päätöksen muoto- ja konfigurointinäkökulmia.