Tilgjengelig kapasitet

Dagens bruk av frekvenser

Radiofrekvenser er en verdifull naturressurs som dessverre ikke er fornybar. Hver eneste Hertz fra 8300 Hz til 275 GHz er reservert for en eller annen bruk. At en bruk faller totalt bort, slik at et bånd blir frigjort, er en sjeldenhet.

Samtidig med at TV ble digitalisert ble i 2013 også en del andre bånd solgt til mobil-bruk: 60 MHz i 800 MHz-båndet, 70 MHz i 900-MHz-båndet, 150 MHz i 1800-MHz.båndet, til sammen 280 MHz. Dette var en ytterst eksepsjonell hendelse som neppe vil skje igjen; det som eventuelt blir frigitt, er langt mindre biter. Eksempelvis vil total stenging av alle FM-sendinger bare frigjøre 20 MHz til andre teknologier.

Nkom tilbyr en grafisk presentasjon over hvordan frekvenser blir brukt.

Fordeling i kanaler

Kapasitet i mobil-båndene auksjoneres ut i enheter på 5 MHz og 10 MHz (unntaksvis 20 MHz). Det er opp til operatøren hvordan de velger å dele frekvensene opp i kanaler. Avhengig av mobilteknologien kan én 5 kHz kanal benyttes for trafikk oppover (dvs. fra telefon til nettverk), en annen nedover (fra nettverk til telefon), eller samme kanal kan føre trafikk begge veier. Det siste er mer vanlig i nyere nettverk.

Naboceller

Mobil-teknologi slipper ikke unna forhold tilsvarende de som gjør at FM-båndet er fullt med 20-30 programkanaler (selv om båndet har bredde tilsvarende 100 kanaler), at DAB-regionblokkene må bruke hver sin kanal, osv.:

En celle kan ikke bruke samme frekvens som naboceller verken mot nord, sør, øst eller vest. Når en operatør får tildelt en 20 MHz frekvensblokk, vi han trolig sette av f.eks. 10 MHz for cella i bysentrum med mest trafikk, 5 MHz til nabo­cellene mot nord og sør (sentrums-blokka holder dem fra hverandre) og 5 MHz til nabocellene mot øst og vest. Det betyr at i hver celle kan så lite som 20-25% av den totale frekvens­tildelingen være tilgjengelig. I beste fall, f.eks. nedover en dyp dal med høye fjellsider, slik at det ikke finnes naboceller ut til til sidene – kan kanskje halvdelen av frekvensene brukes i hver celle.

Ofte er det mer komplisert. F.eks. kan frekvensen gitt til naboblokka mot sør være uakseptabel fordi frekvensen allerede er i bruk av sør-blokkas naboer mot øst, vest eller sør. I praksis er det ikke realistisk å forvente at mer enn 20-25% av alle frekvenser satt av til mobiltelefoni totalt er tilgjengelig i en gitt celle.

Maksimal bitrate

Gitt en 10 MHz kanal, hvor mye kan overføres over den?

Det avhenger av hvor støy nivå og hvor dyktig kodingen er til å handtere støyen. Nye teknikker som LTE har gjort store framskritt i å pakke inn mye data i signalet, og nærmer seg den teoretiske maksimums-grensen.

I signalet avleses en eller flere bits på to måter: Hvor bølgetoppen er (langs tidsaksen), og hvor høy den er. Hvis signalet kunne tegnes som en skarp strek kunne toppen lett plasseres. Støyen gjør at kurven må tegnes med en bred kost der signalet kan kastes fram og tilbake av støyen, innenfor relativt vide grenser.

Det er direkte sammenheng mellom støynivå og ‘hvor bred penselen er’, og dette setter en absolutt øvre grense på hvor mye data som kan overføres. Er støyen er 1/10 av signalet (‘Signal to Noise ratio’, S/N på 10dB[1]) kan vi bestemme kurvetoppen til én av 10 ulike punkter. I informasjonsmengde tilsvarer dette log2(10) = 3,3 bit pr bølgetopp, dvs. 3,3 bit/Hz. En kanal på 10 MHz bredde, 10 millioner bølgtopper pr sek, har en teoretiske kapasitetesgrense på 3,3 bits/Hz × 10 MHz = 33 Mbps. Er støynivået 1/100 av signalet (S/N: 20 dB) er den teoretiske grensen log2(100), eller 6,6 bits/Hz × 10 MHz = 66 Mbps. Er S/N på 30 dB, kan maksimalt 100 Mbps overføres på en 10 MHz-kanal

På radio-baserte nett med mobile stajoner er det det ikke realistisk å oppnå bedre S/N enn 30 dB (og selv det er ganske optimistisk). Jo lenger bort fra basen mobilen er, jo svakere er signalet, og mot ytterkanten av dekningsområdet kan S/N gå ned til 10 dB før en annen basestasjon tar over. Moderne mobilteknologier tilpasser kodingen etter støynivået: Til mobiler nær basen og høy S/N, ‘tegnes signalet med tynn penn’, mens en mobil langt borte med svakt signal og lav S/N brukes en bred pensel som ikke overfører så mange bits pr sekund, men sjansen er stor for at de skal komme vellykket fram. (Strengt tatt tegnes signalet med tynn penn uansett; det er støyen som på veien smører blekket utover til en tykk, ullen strek!)

Et ‘finger-opp-i-været’-anslag på ‘typisk’ S/N på 20 dB i snitt over alle brukere bommer ikke altfor mye. Det gir en teoretisk maksimal bitrate på 6 til 7 bits pr Hz. Dette er et absolutt øvre maksimum, som ikke har noe med teknologi å gjøre, ingen framtidig utvikling kan gå høyere; det er teoretisk umulig. Dagens LTE-teknologi oppnår i praksis 4-5 bits/Hz. Framtidig teknologi kan gi en viss, men ikke dramatisk, økning i kapasitetet (maksimalt 50%) i framtida.

Radio-appens behov

Når en 5 MHz LTE-kanal leverer 5 bits pr. Hz, 25 Mbps, er langt fra alt tilgjengelig for mobil-appen: En ikke uvesentlig andel går til å administrere trafikken: Adresser, avgrensing av blokker, meldinger om endring i formatet, feilkorreksjon. Dette er data mobilnettet selv bruker, og det går ikke av data-kvoten på mobil-abonnementet. En radio-app sender ordrer oppover om hvilken lyd den ønsker, og får lyden pakket inn i IP-pakker. Ordrer og innpakning bruker også opp kapasitet, og dette går av data-kvoten.

Kontinuerlig lytting på mobilradio med tilnærmet samme kvalitet som DAB krever 70-72 Mbyte/min, rundt 160 kbps. Når vi legger på den ytre administrasjonen (som ikke går av datakvoten) kan vi løst anslå at radiolyttingen belaster mobilkanalen med 200-250 kbps. NRK-appen angir 90 Mbyte/minutt på høy kvalitet, som svarer til 200 kbps, pluss nødvendig aministrasjon.

200 kbps er hva som belastes din datakvote. For å få sendt dette datavolumet til din mobil må mobilnettet pakke det inn i flere lag med feilkoder, det følger med adresserings-informasjon, koordinering av trafikken osv. Hvis du vil holde det totale behovet opp mot den teoretisk mulige kapasiteten i kanalen, må du regne med et betydelig påslag. Det varierer med teknologi og singalforhold, men å anta et 50% påslag under moderate signalforhold er innenfor det realistiske.

De 25 Mbps en 5 MHz kanal kan tilby totalt deles mellom samtlige aktive brukere i mobilcellen. Hvis 100 mennesker innen samme celle lytter på mobilradio er basestasjonens kapasitet fullstendig sprengt av radio-bruk alene. Cella bør være så liten at det er (betydelig) mindre enn 100 radiolyttere som denne basen formidler radio til. Er det flere brukere, må de benytte en annen annen basestasjon på en annen kanal eller et annet nettverk.

– – –

[1]     Bel er en logarimisk skalerings-faktor, n Bel = 10n. S/N = 2 Bel betyr at S (signal) er 102 = 100 ganger så sterkt som N (noise). Bel er en upraktisk stor enhet; i praksis brukes alltid tidelen, deciBel, eller dB: Vi angir at S/N = 20 dB i stedetfor S/N = 2 Bel.