Vad är 4G? Hur fungerar 4G-nätverk? | Com4

Det ersatte 3G:s blandade röst- och datakonstruktion med ett enda, helt IP-baserat nätverk som är utformat för hastighet, kapacitet och låg latens, och det är fortfarande, mer än ett decennium efter lanseringen, det nätverk som de flesta IoT-enheter i Norden faktiskt körs på. Den här guiden förklarar vad 4G innebär tekniskt sett, hur nätverksarkitekturen bakom det fungerar, hur det skiljer sig från 3G och 5G samt hur verkliga Com4-kunder använder 4G-uppkoppling i sin verksamhet idag.

Viktiga punkter:

• 4G är en mobilnätsstandard helt baserad på IP som bygger på Evolved Packet Core (EPC) och eNodeB-radiomaster, och ersätter 3G:s separata röst- och datavägar med en enda IP-baserad arkitektur.
• LTE är den radioteknik som ger bäst 4G-prestanda i praktiken; äkta 4G, enligt ITU:s definition, kräver LTE Advanced, även om ”4G” och ”LTE” i praktiken används omväxlande.
• OFDMA, SC-FDMA och MIMO är de tekniker som ger 4G dess hastighets- och kapacitetsfördelar jämfört med 3G.
• VoLTE överför röstsamtal som data över samma 4G-nätverk, istället för att fall tillbaka på en äldre kretskopplad anslutning.
• 4G kommer inte att ersättas inom den närmaste framtiden. Det är fortfarande den mest tillgängliga och kostnadseffektiva nätverksstandarden för den stora majoriteten av IoT-implementeringar, och den ligger till grund för varianterna LTE-M och NB-IoT som är specialutvecklade för IoT-enheter med låg strömförbrukning.
• Com4 tillhandahåller SIM-anslutning via 4G, LTE-M och NB-IoT och växlar automatiskt mellan mer än 750 nätverk i över 190 länder, så att enheterna förblir anslutna till det 4G-baserade nätverk som bäst passar deras faktiska användning

Vad betyder egentligen 4G?

”4G” avser den fjärde generationen av mobilnätsstandarder, efter 2G (som introducerade digital röstöverföring och grundläggande dataöverföring) och 3G (som tillförde mobil internetåtkomst). Varje generation kännetecknas av en ny radioteknik och en ny nätverksarkitektur, inte bara högre hastigheter.

Internationella teleunionen (ITU) fastställde formella prestandamål för vad som räknas som ”äkta” 4G enligt sin IMT-Advanced-standard, inklusive maximala datahastigheter på cirka 1 Gbps för stationära användare och 100 Mbps för mobila användare. I praktiken enades branschen om att LTE och dess efterföljare, LTE Advanced, skulle vara de kommersiella tekniker som marknadsförs som 4G, eftersom det är LTE Advanced som faktiskt uppfyller IMT-Advanced-målen. Det är därför man ibland ser begreppen ”4G LTE” och ”äkta 4G” användas för att skilja tidiga LTE-installationer från senare LTE Advanced-nätverk, även om båda säljs till konsumenterna helt enkelt som ”4G”.

För IoT-implementeringar spelar denna distinktion sällan någon roll i det dagliga arbetet. Det som spelar roll är att 4G-nätverk, oavsett om det gällerLTE- eller LTE Advanced-generationer, levererar en mobilbredbandsprestanda som är tillräckligt tillförlitlig för att driva allt från digital skyltning till industriella sensorer utan att enheten behöver fallbacka till ett långsammare, äldre nätverk.

Hur fungerar ett 4G-nätverk?

Ett 4G-nät bygger på två huvudkomponenter: radioaccessnätet, som hanterar den trådlösa anslutningen till enheterna, och kärnnätet, som dirigerar trafiken och hanterar sessionen.

• eNodeB (evolved Node B). Detta är 4G-masten, eller basstationen, som en enhet ansluter direkt till. Till skillnad från 3G, där trafiken dirigerades via en mellanliggande styrenhet (RNC), ansluter 4G:s eNodeB direkt till kärnnätet, vilket eliminerar ett steg och minskar fördröjningen.
• EPC (Evolved Packet Core). Detta är kärnnätverket som helt bygger på IP och som hanterar allt det som eNodeB inte gör: att dirigera data, hantera mobilitet när en enhet rör sig mellan torn, autentisera SIM-kort och säkerställa tjänstekvaliteten. EPC:s Mobility Management Entity (MME) är den kontrollnod som ansvarar för att spåra enheter i viloläge och anropa dem när data behöver levereras.
• UE (User Equipment). Detta är den tekniska termen för alla enheter som ansluter till nätverket, oavsett om det är en smartphone, en industriell gateway eller en IoT-sensor med ett inbyggt modem.

Den viktigaste arkitektoniska förändringen från 3G till 4G är att röst, data och signalering alla går via samma IP-baserade väg istället för separata kretskopplade och paketkopplade system. Denna förenkling är en stor del av anledningen till att 4G-nätverk hanterar betydligt fler samtidiga anslutningar och betydligt fler datakrävande applikationer än vad 3G någonsin kunde.

Vilka tekniker gör 4G så snabbt?

Tre tekniska byggstenar står för större delen av 4G:s hastighets- och kapacitetsfördelar jämfört med 3G:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). OFDMA används på nedlänken och delar upp en radiokanal i många smala delbärvågor som kan tilldelas olika enheter samtidigt, vilket gör att mer data ryms i samma spektrum med mindre störningar än med 3G-metoden.
• SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). SC-FDMA används på upplänken och uppnår en spektraleffektivitet som liknar OFDMA samtidigt som den är mer energieffektiv för den sändande enheten, vilket är viktigt för batteridriven hårdvara.
• MIMO (Multiple Input, Multiple Output). MIMO använder flera antenner både på sändaren och mottagaren för att sända och ta emot mer än en dataström samtidigt över samma frekvens. Fler antenner innebär i allmänhet ett bättre signal-brusförhållande, bättre täckning och högre genomströmning, vilket är anledningen till att MIMO-konfigurationer (såsom 2x2 eller 4x4 MIMO) är en vanlig specifikation på 4G-routrar och modem.

Utöver detta gör carrier aggregation – som kombinerar flera frekvensband till en enda, bredare effektiv kanal – det möjligt för operatörerna att uppnå hastigheter i verkligheten som vida överstiger vad ett enskilt band skulle kunna leverera på egen hand. Com4:s djupdykning i LTE behandlar carrier aggregation och de specifika frekvensband som används i Norden mer ingående ur ett tekniskt perspektiv.

Vad är skillnaden mellan 4G och LTE?

LTE (Long-Term Evolution) är den radioteknik som hanterar den allra största delen av den faktiska 4G-trafiken, och i praktiken beskriver ”4G” och ”LTE” samma nätverk. Tekniskt sett var dock LTE det första steget mot full 4G-prestanda, och det är LTE Advanced (och senare LTE Advanced Pro) som faktiskt uppfyller ITU:s formella 4G-mål. Nätoperatörer och tillverkare av enheter marknadsför båda generationerna helt enkelt som ”4G”, eftersom skillnaden sällan påverkar hur en enhet eller en person upplever nätverket. När Com4 tillhandahåller 4G-SIM-anslutning omfattar den hela spektrumet av LTE- och LTE Advanced-nätverk, så att enheterna får den starkaste tillgängliga 4G-signalen oavsett vilken specifik undergeneration en viss basstation använder.

Hur fungerar VoLTE i 4G-nätverk?

Äldre nätverk hanterade röstsamtal via en separat kretskopplad anslutning, vilket är en del av anledningen till att vissa tidiga 4G-telefoner bytte tillbaka till 3G under samtalets gång. VoLTE (Voice over LTE) löser detta genom att överföra röst som en vanlig IP-dataström över samma 4G-nätverk som används för allt annat, med hjälp av EPC:s enhetliga, helt IP-baserade arkitektur. Resultatet är att samtal kan inledas snabbare, har högre ljudkvalitet (ofta marknadsfört som HD Voice) och kan ske parallellt med dataanvändning utan att tvinga fram en nätverksövergång. För IoT-implementeringar är VoLTE i sig sällan relevant eftersom de flesta enheter inte hanterar rösttrafik, men det är en bra illustration av hur mycket enklare 4G:s helt IP-baserade design är jämfört med den lappverkarkitektur den ersatte.

4G vs 3G vs 5G: vad är egentligen skillnaden?

Den praktiska slutsatsen för de flesta IoT-installationer: 3G är på väg att fasas ut i de nordiska näten, 5G är fortfarande koncentrerat till specifika användningsfall med högt värde, och 4G ligger mittemellan som den mogna, pålitliga standarden som täcker den överväldigande majoriteten av de uppkopplade enheterna som är i drift idag.

Vilken roll spelar 4G för IoT-uppkopplingen idag?

4G är inte bara det nätverk som smartphones använder. Det är också grunden för två IoT-specifika nätverksvarianter som bygger på samma underliggande LTE-standard:

• LTE-M betjänar enheter som behöver rörlighet och måttlig bandbredd, såsom spårningsenheter och bärbar utrustning, samtidigt som det förbrukar mindre ström än standard-4G.
• NB-IoT är avsett för enkla, stationära sensorer som sällan skickar små datamängder, där batteritid och täckning djupt inomhus prioriteras framför hastighet.

Både LTE-M och NB-IoT bygger på samma fysiska 4G-nätinfrastruktur som operatörerna redan har byggt ut, vilket är precis anledningen till att de kan skalas ut så kostnadseffektivt: det krävs inget separat radionät att installera.

Com4:s guide till LTE behandlar de tekniska skillnaderna mellan standard-4G, LTE-M och NB-IoT, samt hur man väljer mellan dem, på ett mer ingående sätt.

4G-uppkoppling i verkligheten: exempel från Com4:s kunder

ZetaDisplay: ständigt aktiv 4G för tidskritisk digital skyltning. ZetaDisplays nätverk för digital skyltning, som är installerat på platser som Oslo Airport Express Train och Oslo Centralstation, drivs av industriella 4G-modem anslutna via Com4-SIM-kort. Eftersom Com4:s SIM-kort automatiskt växlar mellan flera mobilnät förblir skyltarna uppkopplade även om en enskild operatörs nätverk försämras på en specifik plats, vilket är viktigt när det innehåll som visas inkluderar realtidsinformation om tågens avgångstider.

Soundsensing: 4G-baserade sensorer installerade i stor skala. Soundsensing har installerat mer än 1 500 bullersensorer i cirka 150 byggnader, däribland anläggningar för Statsbygg och fastigheter runt om i Oslo, med hjälp av LTE-M-anslutning som körs på Com4:s 4G-nätverk. I den här skalan är den avgörande faktorn inte topphastighet utan en jämn täckning som kräver minimalt underhåll över ett stort antal fysiska platser – precis vad ett moget 4G-nät är byggt för att leverera.

Just Eat Norway: 4G-uppkoppling för ett distribuerat nätverk av beställningskiosker. Just Eat Norway har drivit ett nätverk av mobilanslutna beställningskiosker sedan 2006, vilket är tidigare än större delen av dagens 4G-infrastruktur, och har migrerat till den i takt med att nätverken mognat. Kioskerna är beroende av pålitlig mobiluppkoppling på många olika försäljningsställen, ett användningsfall som passar perfekt för 4G:s kombination av bred täckning och hanterbara kostnader per anslutning.

Ersätts 4G av 5G?

Inte inom den närmaste framtiden, och för de flesta uppkopplade enheterna – inte alls. Utbyggnaden av 5G är fortfarande koncentrerad till tätbefolkade stadsområden och specifika användningsfall som kräver hög bandbredd och låg latens, såsom industriell automatisering eller fast trådlös åtkomst. För den stora majoriteten av IoT-implementeringarna, från spårning av fordonsflottor till smarta mätare och miljösensorer, levererar 4G redan mer än tillräcklig hastighet och kapacitet, till lägre kostnader för hårdvara och uppkoppling än 5G. Operatörerna förväntas hålla 4G-nätverken i drift långt in i nästa årtionde, just eftersom så mycket industriell infrastruktur och IoT-infrastruktur är beroende av dem. Com4:s guide till 5G-utbyggnaden i Norden tar upp var 5G faktiskt är meningsfullt idag om man väger de två alternativen mot varandra.

Att välja rätt 4G-baserad uppkoppling för dina enheter

Inte alla enheter behöver samma del av 4G-standarden. Innan du väljer ett SIM-kort och ett dataabonnemang är det bra att gå igenom en kort checklista:

1. Hur mycket data skickar enheten egentligen? En enhet som strömmar video behöver standard 4G-bandbredd; en sensor som rapporterar mätvärden med några minuters mellanrum kan fungera bra med NB-IoT.
2. Rör sig enheten? Mobil eller bärbar utrustning behöver i allmänhet standard 4G eller LTE-M snarare än NB-IoT, som är optimerat för stationära enheter.
3. Hur begränsad är strömförsörjningen? Batteridrivna enheter som förväntas vara i drift i flera år bör överväga LTE-M eller NB-IoT istället för vanliga 4G-modem, som drar betydligt mer ström.
4. Hur ser den fysiska driftsmiljön ut? Inomhus, under jord eller på andra svåråtkomliga platser är NB-IoT fördelaktigt tack vare sin bättre täckning.
5. Omfattar driftsättningen flera länder eller nätverk? I så fall bör du söka efter SIM-anslutning som automatiskt växlar mellan operatörer istället för att låsa enheten till ett enda nätverk.
6. Kommer enheten att behöva konfigureras om på distans efter driftsättningen? Kontrollera att SIM-kortet stöder trådlös konfigurering så att nätverks- och profiländringar inte kräver ett besök på plats. Com4:s guide till IoT-SIM-kort, eSIM och iSIM täcker formfaktorn och konfigurationsaspekten av det beslutet.