5G NR: teknik och spektrum

5G NR (New Radio) är radiogränssnittet i femte generationens mobilnät. Standarden skrivs av samarbetsorganisationen 3GPP i omgångar som kallas releaser, och bygger på samma grundidéer som 4G: OFDM, schemaläggning i korta tidsintervall och många antenner. Det som är nytt är flexibiliteten. LTE har en enda uppsättning parametrar (15 kHz underbärvågsavstånd, kanaler upp till 20 MHz), men NR kan anpassas till allt från ett 700 MHz-band på landsbygden till millimetervågor i en fabrikshall. Artikeln bygger på OFDM, felrättande kodning och gruppantenner och MIMO. Generationerna beskrivs i Mobilnätens generationer och nätets uppbyggnad i Så fungerar ett mobilnät.

Frekvensområden: FR1 och FR2#

3GPP delar in NR-spektrumet i frekvensområden (eng. frequency range, FR). Enligt TS 38.101-2 i Release 19 är FR1 410–7 125 MHz, FR2-1 24 250–52 600 MHz och FR2-2 52 600–71 000 MHz.¹ FR1 kallas ofta ”sub-6” och FR2 ”millimetervåg”, fast våglängden vid 26 GHz är 11,5 mm och strikt räknat börjar millimetervågorna vid 30 GHz. Varje band får ett nummer med prefixet n, till exempel n78. NR återanvänder LTE:s bandnummer för de gamla mobilbanden, så 800 MHz är band 20 i LTE och n20 i NR.

Tabell 1. Frekvensområden i NR enligt 3GPP (Release 19) och typiska egenskaper.

Uppdelningen är fysikaliskt motiverad. Med isotropa antenner ökar fri-rymd-dämpningen med $20{\log }_{10}(f_2/f_1)$ dB (se Fri rymd-dämpning och länkbudget), och regn, löv och väggar dämpar mer ju högre frekvensen är (Mikrovågsutbredning). Samtidigt finns det mycket mer ledigt spektrum högt upp, och därför hämtas de stora fartlyften där.

Numerologi: ett avstånd för varje behov#

NR använder OFDM, och i stället för LTE:s fasta 15 kHz kan underbärvågsavståndet (eng. subcarrier spacing, SCS) väljas som $\Delta f=15·2^{\mu }$ kHz, där $\mu$ är numerologin. Enligt TS 38.211 är $\mu =0,\dots ,6$ definierat, med Δf från 15 till 960 kHz.² Tabell 2 i OFDM visar hela raden. För datakanalerna används i FR1 15, 30 och 60 kHz och i FR2-1 60 och 120 kHz. 240 kHz används bara för synkroniseringssignalerna, och 480 och 960 kHz hör till FR2-2.

Ett resursblock (PRB) är alltid 12 underbärvågor, så ett block är 180 kHz bredd vid 15 kHz och 1 440 kHz vid 120 kHz. En slot har alltid 14 OFDM-symboler (med normalt cykliskt prefix), och därför blir slotlängden $1/2^{\mu }$ ms. Symbolerna blir lika många gånger kortare som Δf växer.

Tabell 2. Numerologierna som används i praktiken, med medellängd för en symbol inklusive normalt cykliskt prefix.

Det finns tre skäl att välja olika avstånd, och alla hänger ihop med OFDM:s grundregler.

• Fördröjningsspridning. Det cykliska prefixet är ca $\mathrm{4,7}/2^{\mu }$ µs. Vid 15 kHz hanterar det ekon med upp till ca 1,4 km längre väg, vid 120 kHz bara ca 176 m. Små celler och riktade lober har kort fördröjningsspridning och klarar det korta prefixet. Stora landsbygdsceller behöver det långa.
• Dopplerskift och fasbrus. Ortogonaliteten tål bara ett begränsat frekvensfel (se OFDM). Högre bärfrekvens ger större dopplerskift, och oscillatorerna får mer fasbrus. Då måste avståndet mellan underbärvågorna vara större.
• Fördröjning. En kort slot ger kortare tid mellan sändningstillfällena, vilket URLLC drar nytta av.

Olika numerologier kan användas på samma bärvåg genom bandbreddsdelar (BWP, eng. bandwidth part): terminalen får en del av bärvågen med egen numerologi, så att en cell kan blanda tjänster med olika krav.

Ram, slot och TDD-mönster#

En NR-ram är 10 ms och består av 10 delramar om 1 ms. Antalet slots per ram är $10·2^{\mu }$. Schemaläggaren delar ut resurser per slot, men för mycket tidskritisk trafik finns minislots med t.ex. 2, 4 eller 7 symboler, så att data inte behöver vänta på nästa slotgräns. En minislot med två symboler är 71 µs vid 30 kHz men bara 18 µs vid 120 kHz.

I TDD-band turas upp- och nedlänk om på samma frekvens (se Multipel access och duplex). Varje symbol är nedlänk (D), upplänk (U) eller flexibel (F), och operatören väljer ett mönster som upprepas. Ett exempel är DDDSU vid 30 kHz: tre nedlänksslots, en särskild slot (S) och en upplänksslot, sammanlagt 2,5 ms. Den särskilda slotten delas mellan nedlänkssymboler, en skyddstid (G) och upplänkssymboler. Figur 3 visar en särskild slot med 10 nedlänkssymboler, 2 symboler skyddstid och 2 upplänkssymboler.

Fördelningen av tiden i exemplet blir $52/70=\mathrm{74,3}$ % nedlänk, $16/70=\mathrm{22,9}$ % upplänk och $2/70=\mathrm{2,9}$ % skyddstid. De flesta användare laddar ner mer än de laddar upp, så mönstret styrs av trafiken i nätet.

TDD har tre följder som är viktiga för hur nätet byggs:

1. Synkronisering. Om en basstation sänder nedlänk medan en granne i samma band tar emot upplänk störs grannens mottagare. Nät i angränsande TDD-band måste därför ha gemensam tidsreferens och förenliga mönster. För lokala tillstånd på 3,7 GHz-bandet har PTS ställt villkor om just detta (se avsnittet om Sverige).
2. Kanalens ömsesidighet. Upp- och nedlänk delar frekvens, så basstationen kan mäta kanalen med terminalens pilotsignaler och använda den för nedlänkens lobformning. Det är grunden för massiv MIMO (se Gruppantenner och MIMO).
3. Fjärrstörning. Vid vissa väderlägen kan en nedlänksignal färdas hundratals kilometer och störa en basstations upplänk långt bort. 3GPP har lagt till funktioner för att hantera det.³ Utbredningen beskrivs i Mikrovågsutbredning.

Datatakt: vad kan en 100 MHz-kanal ge?#

3GPP anger i TS 38.306 en formel för den teoretiska toppfart som en terminal ska kunna klara:

Här är $v$ antalet lager, $Q_m$ antalet bitar per modulationssymbol (8 för 256-QAM), $f$ en skalfaktor (1, 0,8, 0,75 eller 0,4), $R_{max}=948/1024$ den högsta kodtakten och OH overhead för kontrollkanaler och pilotsignaler. $T_s^{\mu }$ är den genomsnittliga symboltiden. För nedlänken sätter 3GPP OH till 0,14 i FR1 och 0,18 i FR2.⁴

Siffrorna är övre gränser under ideala förhållanden. I verkligheten anpassas modulation och kodtakt efter signalkvaliteten, kanalen ger sällan fyra fulla lager, och kapaciteten delas mellan alla användare. De 273 blocken fyller 98,3 MHz av 100 MHz, alltså 98 % av kanalen. LTE fyller 90 % (100 block à 180 kHz i 20 MHz). NR har alltså mindre skyddsband. ITU:s kravnivå på 20 Gbit/s toppfart nedlänk ligger över vad en enda 100 MHz-kanal ger. Den nås med flera bärvågor, fler lager och mycket spektrum.⁵

Modulation och kodning#

I nedlänken använder NR OFDM med cykliskt prefix. I upplänken kan nätet i stället välja den DFT-spridda varianten (DFT-s-OFDM), som ger lägre toppeffektfaktor och därmed bättre effektivitet i terminalens förstärkare vid cellkanten (se OFDM). Modulationen går från QPSK till 256-QAM, och 1024-QAM har lagts till i FR1 i senare releaser. LDPC-koder används för användardata och polära koder för kontrollinformation. Detaljerna finns i Felrättande kodning. Ovanpå kodningen ligger HARQ, som begär omsändning av block som misslyckas och kombinerar försöken.

Strålar och strålhantering#

Eftersom höga band har stor dämpning måste basstationen och terminalen fokusera energin. Principerna för gruppantenner och massiv MIMO beskrivs i Gruppantenner och MIMO. Här är det NR:s sätt att hantera strålarna som är i fokus.

Basstationen kan inte veta var terminalen finns när den slås på, så den sveper. Den sänder ett synkroniseringssignalblock (SSB, med synkroniseringssignaler och sändningskanalen PBCH) i flera riktningar, en lob i taget. Varje SSB har ett index, och terminalen mäter vilken som hörs bäst. Antalet strålar är begränsat till högst 4 under 3 GHz, 8 mellan 3 och 6 GHz och 64 över 6 GHz.⁶ Terminalen svarar med slumpmässig åtkomst (PRACH) i det tids- och frekvensfönster som hör till den bästa SSB:n, och därmed vet basstationen vilken riktning som gäller. Strålhanteringen består sedan av tre delar:

1. Val av stråle. Den grova sökningen med SSB över hela sektorn.
2. Förfining. Smalare strålar, som sänds med referenssignaler (CSI-RS), provas runt den bästa riktningen. Terminalen mäter och rapporterar.
3. Uppföljning. Terminalen rör sig och loben måste följa efter. Terminalens egna referenssignaler (SRS) och rapporter används, och om länken plötsligt bryts (en bil som skymmer) finns en procedur för att byta stråle fort, kallad beam failure recovery.

Under 6 GHz har basstationen oftast digital lobformning med många radiokedjor, så att flera användare kan få varsin lob samtidigt. I FR2 används analog eller hybrid lobformning med få radiokedjor, och då sänds en stråle i taget per panel. Även terminalerna har små antenngrupper i FR2. Fler och smalare strålar ger mer vinst men tar längre tid att svepa och följa upp. Figuren visar också att loben blir bredare ju mer den styrs bort från normalen, ungefär med faktorn $1/\cos \theta$, vilket är ett skäl till att en antennpanel normalt bara täcker en sektor, ofta ca 120°.

NSA och SA: två sätt att bygga nätet#

5G kunde inte byggas från ingenting. Release 15 innehåller två arkitekturer:

• NSA (non-standalone): NR-basstationen (gNB) fungerar som en tillbyggnad till ett befintligt 4G-nät. Terminalen är ansluten till både en LTE-basstation (som styr signaleringen) och en NR-basstation (som bidrar med kapacitet), något som kallas EN-DC. Kärnnätet är 4G:s EPC. NSA gjorde det möjligt att lansera 5G snabbt på den befintliga infrastrukturen, och NSA-delen var färdig i december 2017.⁷
• SA (standalone): gNB är kopplad till ett nytt 5G-kärnnät (5GC) och sköter all signalering själv. 5GC är uppbyggt av nätverksfunktioner som tillhandahåller tjänster till varandra (servicebaserad arkitektur), till exempel AMF för anslutning och rörlighet, SMF för sessioner och UPF för användardatat.

SA är förutsättningen för de mest karakteristiska 5G-funktionerna. Dit hör nätverksskivning (eng. network slicing): flera logiskt åtskilda nät över samma fysiska radio- och kärnnät, där varje skiva har egna krav på fart, fördröjning och tillförlitlighet. En skiva kan till exempel ge en fabrik garanterad fördröjning medan en annan används för vanligt mobilt bredband. Skivorna är alltså inte separata nät i fysisk mening.

Tre användningsområden#

ITU delar in kraven på 5G (IMT-2020) i tre användningsområden, och NR är konstruerat för att kunna klara alla tre i samma nät (siffrorna för kraven redovisas i not 5).

eMBB (enhanced mobile broadband) är det som vanliga användare märker: högre fart och mer kapacitet för video, molntjänster och fast trådlöst bredband (FWA). Förbättringen kommer från bredare kanaler, fler antenner och högre modulationsordning.

URLLC (ultra-reliable low-latency communication) gäller kommunikation där ett bortfall eller en fördröjning kan vara farlig eller dyr, till exempel i industrirobotar. ITU:s krav är fördröjning ner mot 1 ms i radiogränssnittet och mycket hög tillförlitlighet. NR kommer dit med flera knep som tillsammans ger resultatet: korta slots och minislots, konfigurerad upplänksresurs (eng. configured grant) så att terminalen kan sända utan att vänta på tillstånd, förtur (eng. pre-emption) där brådskande data får ersätta en pågående överföring, samt robusta kodtakter och dubblerade överföringar över flera vägar. Fördröjningen i radiodelen är bara en del av totalen. Tillämpningen behöver också låg fördröjning i kärnnätet och i servern.

mMTC (massive machine-type communication) gäller enorma antal enkla enheter, med krav på upp till en miljon uppkopplade enheter per kvadratkilometer. Det kravet har hittills mest mötts av NB-IoT och LTE-M, som är 3GPP-tekniker för låg effekt och som körs i mobilnätens band (se Sakernas internet). Mellan dessa och full NR finns RedCap (reduced capability, Release 17): en förenklad NR-terminal med färre antenner och smalare kanal, 20 MHz i FR1. Den är avsedd för till exempel bärbara enheter, övervakningskameror och industrisensorer, som behöver mer än LPWAN men inte flera gigabit. eRedCap (Release 18) förenklar ytterligare.

Release 15 till 19: 5G-Advanced#

NR utvecklas i releaser. Tabell 3 sammanfattar vad varje release tillförde i grova drag.

Tabell 3. NR:s releaser och deras huvudnyheter.

5G-Advanced (Release 18 och framåt) är ingen ny teknik utan en utveckling av NR. Inom Release 18 finns bland annat förbättrad MIMO och positionering, snabbare mobilitet med lägre avbrott när terminalen byter cell, förbättringar för XR (förstärkt och virtuell verklighet), funktioner för att spara energi i nätet samt maskininlärning för vissa nätfunktioner.⁸ Release 19 är fryst sedan december 2025 och Release 20 innehåller de första 6G-studierna (se Mobilnätens generationer).

5G i Sverige#

Lokala tillstånd. Utöver de nationella tillstånden kan PTS ge lokala tillstånd för ett begränsat område, till exempel en industri. Det går att bygga ett eget 5G-nät, ett industrinät (eller privat nät). Bandens villkor skiljer sig åt:

• 3,7 GHz (3720–3800 MHz). Kanalbredd i steg om 10 MHz, högst 80 MHz, och tillstånd som gäller längst till 2031-12-31. Nätet ska vara TDD och synkroniserat med de nationella näten i 3400–3720 MHz, så att nedlänk och upplänk inte kolliderar. Högsta sändeffekt är 38 dBm TRP per cell för basstationer (ca 6,3 W) och 28 dBm TRP för terminaler (ca 0,63 W).
• 3,8 GHz (3800–3920 och 3990–4130 MHz). Ett nytt band med 260 MHz sammanlagt, som PTS presenterade i en nyhet 2026-10-01. Tillstånden är på 10–80 MHz i steg om 10 MHz, gäller i 5 år och ges per fastighet för både inomhus- och utomhusbruk. Särskilda skyddsvillkor gäller bland annat för radarhöjdmätare i flygplan (4 200–4 400 MHz) och för Onsala rymdobservatorium.
• 26 GHz (24,25–25,25 GHz). Bandbredd i steg om 50 MHz, upp till 400 MHz. Delbandet 24,25–24,7 GHz gäller bara inomhus, och för 24,7–25,25 GHz kan även utomhusanvändning beviljas.

Ett lokalt nät har eget spektrum och kan ha egen kärna. Det kan antingen kopplas till en operatörs nät eller stå helt för sig. Bandet 3,8 GHz ligger utanför n78 men inom 3GPP-bandet n77 (3,3–4,2 GHz), så terminalerna måste stödja det.

Kontrollfrågor#