Massive MIMO och beamforming i 5G-näten

Massive MIMO är den antennteknik som ger 5G-näten sin kapacitet. I stället för en enkel antenn som sänder brett använder basstationen en kompakt rad med många antennelement – ofta 64 eller fler. Den skapar flera smala, riktade radiolober samtidigt och kan därför skicka olika data till olika användare på exakt samma frekvens, i samma ögonblick. Det är därför fler kan surfa, streama och livesända från samma plats utan att hastigheten faller ihop.

Från vanlig MIMO till massive MIMO

MIMO är ingen ny idé. Tekniken att använda flera antenner i både sändare och mottagare, plus mjukvara som koordinerar signalvägarna, fanns redan i 4G och i vanliga wifi-routrar. Vinsten var att man kunde skicka mer data på samma frekvens. Men 5G ställer mycket högre krav på kapacitet, och då räcker några få antenner inte till. Lösningen blev att skala upp antalet antennelement rejält – därav "massive".

När Ericsson beskriver steget är poängen att massive MIMO utnyttjar rymden runt masten mycket bättre. En vanlig antenn sänder ut signalen i en bred kägla och bryr sig inte om var du står. En massive MIMO-rad kan i stället forma och rikta många separata lober, var och en mot en specifik användare. Det är skillnaden mellan en lampa i taket och ett knippe spotlights som var och en följer sin person.

Beamforming: signalen riktas som en spotlight

Den teknik som gör loberna möjliga heter beamforming. Enkelt uttryckt riktas radiosignalen in mot din telefon i stället för att spridas jämnt över hela cellen. Liknelsen som Celab använder är just glödlampan mot spotlighten: utan beamforming lyser basstationen upp hela rummet jämnt, och mycket energi går till ytor där den inte gör nytta. Med beamforming fokuseras käglan dit mottagaren faktiskt är, vilket ger starkare signal med mindre energiförlust.

Tekniskt bygger det på fysik. Antennraden sänder samma signal från många element samtidigt, men med mycket små tids- och fasförskjutningar. I den riktning du står lägger sig vågorna i takt och förstärker varandra. I andra riktningar hamnar de ur fas och släcker delvis ut varandra. Resultatet blir en smal, riktad signallob som kan styras digitalt i realtid, utan att antennen behöver vridas fysiskt. Loben kan följa dig medan du rör dig.

Spatial multiplexering: fler samtal på samma frekvens

Den andra halvan av kapacitetsvinsten heter spatial multiplexering, alltså multiplexering i rummet. Eftersom varje lob pekar åt sitt håll kan basstationen skicka olika dataströmmar till olika användare samtidigt, på samma frekvens, så länge de står tillräckligt åtskilda i rummet. Frekvensen återanvänds alltså flera gånger på en gång. Det är detta som gör att kapaciteten kan mångdubblas jämfört med en enkel antenn, utan att operatören behöver mer frekvensutrymme.

När det handlar om att betjäna flera användare samtidigt på det här sättet pratar man ofta om MU-MIMO, fleranvändar-MIMO. Skillnaden mot den MU-MIMO du kanske känner igen från en wifi-router är skalan: i mobilnätet rör det sig om tiotals antennelement och många parallella lober, inte ett par antenner i ett vardagsrum. Ericsson beskriver beamforming, null forming och spatial multiplexering som de tre grundteknikerna som massive MIMO väver ihop för att höja både täckning, kapacitet och fart.

Därför sitter tekniken mest på 3,5 GHz i städer

Massive MIMO gör störst nytta på mellanbandet, framför allt 3,5 GHz. Det bandet har gott om bandbredd men kortare räckvidd, och det är just i tät stadsmiljö – där många delar samma cell – som kapaciteten behövs som mest. Ericsson kallar mellanbandet för den punkt där täckning och kapacitet möts bäst, och det är där tekniken byggdes ut först. I auktionen som Post- och telestyrelsen avgjorde i januari 2021 säkrade Telia 120 MHz i 3,5 GHz-bandet, mer än någon annan operatör, just för den fortsatta 5G-utbyggnaden i städerna.

Att tekniken är knuten till de höga banden hänger ihop med beamformingens styrka. Vid höga frekvenser är räckvidden annars begränsad, men en riktad lob når ändå fram med god signal. Lågbandet, som 700 MHz, sköter den långa räckvidden ut på landet – men där är det inte i första hand kapacitet det handlar om. Det är alltså två olika problem: 700 MHz löser täckning på avstånd, massive MIMO löser kapacitet där många är samlade.

Vad det betyder i praktiken

Du märker massive MIMO tydligast där det är mycket folk: på en festival, en arena, en pendelstation eller ett torg en sommarkväll. När Tre installerade tekniken på en festival 2018 bestod varje antenn av 64 element på samma mast och frekvensband, och surfhastigheten ökade upp till sex gånger. Bolaget beskrev det som att signalen gick från en bred strålkastare till en koncentrerad spotlight – exakt den effekt beamforming ger.

För ditt val av abonnemang spelar det här mindre roll än täckningen på din adress, eftersom alla fyra näten bygger 5G med modern antennteknik. Men det förklarar varför farten ofta håller bättre i stora folkmassor i tätort än man kunde vänta sig: det är inte fler frekvenser, det är smartare antenner. I stadsmiljö är det ofta Tre och Telia som brukar växla om att vara snabbast, och där väger den här tekniken tungt.