mobiltäckning inomhus i moderna energieffektiva...

1 (54)

Mobiltäckning inomhus i moderna energieffektiva byggnader

Slutrapport

Vinnova UDI Samverkansprojekt

2 (54)

Titel: Mobiltäckning inomhus i moderna energieffektiva byggnader. Version: 17d Publicerad: 26 september 2017. Rapport skapad inom det Vinnova delfinansierade projektet ” Inomhustäckning för mobilkommunikation i moderna energieffektiva byggnader - Steg 2” (2017). Projektledare: Mikhail Popov, RISE Acreo. Skapare av rapporten är:

- RISE Acreo: o Mikhail Popov, [email protected] o Håkan Cavenius, [email protected],

- North Net Connect AB (f d ReWiCom Scandinavia): o Johan Jober, [email protected] o Mats Ragnarsson, [email protected]

- RISE Elektronik (f d SP): o Jan Welinder, [email protected] o Jan Carlsson

- eCentret: Patrik Forsström, [email protected] - SABO: Anders Johansson, [email protected] - JM: Kjell-Åke Henriksson, [email protected].

3 (54)

Innehåll

1. Introduktion ................................................................................................................................. 8

2. Projektpartners ............................................................................................................................. 8

3. Behovsanalys ............................................................................................................................... 9

4. Implementering, 3GPP mobiltäckning ...................................................................................... 14

5. När mobilsignalen är svag ......................................................................................................... 23

6. Lokalmobilnät och dess uppkoppling till rikstäckande mobiloperatörer .................................. 24

7. Regulatoriska aspekter .............................................................................................................. 25

8. WiFi Calling app ....................................................................................................................... 26

9. WiFi-nät av högre kvalitet i lägenheter. Tester i MKB GreenHouse ....................................... 28

10. Energieffektivitet ................................................................................................................... 30

11. Affärsmodeller ....................................................................................................................... 31

12. Materialmätningar och passiva åtgärder ................................................................................ 36

4 (54)

Ordlista

Nedan följer en kortfattad lista på förkortningar som används i rapporten.

3GPP 3rd Generation Partnership Project (3GPP) är en samarbetsorganisation mellan olika organisationer aktiva inom mobilkommunikation standardisering.

RRU

Remote Radio Unit, en radio enhet som skickar och tar emot mobilsignalen, en del av basstationen.

BBU Baseband Unit, huvuddelen av basstationen, behandlar signaler från RRU och kommunicerar med resten av det mobila nätverket

AP Accesspunkt, vanligtvis WiFi. En enhet som kommuniceras trådlöst med mobila enheter som mobiltelefoner och plattor

Makronät Radionätverket från större basstationer utomhus

Mikronät Det lokala, oftast inomhus, radionätverket från WiFi accesspunkter och mindre basstationer

Mikrooperatör Ett PTS begrepp för operatören av mikronätet.

KO Kommunikationsoperatör i sin ”klassisk” mening i fiberbasrede nät. Levererar oftast så kallad Lager 2 (Ethernet) nät utan att leverera tjänster som Internet eller TV

IoT

Internet of Things, Sakernas Internet på svenska, ett namn på alla uppkopplade prylar som t ex kylskåp o s v samt sensorer

MVNO Mobile Virtual Network Operator, en mobil operatör som inte äger sitt eget nät (t ex Vimla är MVNO av Telenors nät). MNVOs SIM kort fungerar i mobilnät av den operatören som man har avtal med.

Roaming Möjligeten att använda sitt SIM kort/abonnemang i andra mobiloperatörers nät. Roaming avtal mellan två mobila operatörer betyder möjlighet att disponera varandras nät till kunder från den andra operatören.

Repeater Repetear är hårdvara för att ta emot och skicka vidare mobilkommunikationssignaler.

5 (54)

Sammanfattning

Dålig mobiltäckning inomhus drabbar tusentals svenska hushåll och boende i moderna energieffektiva byggnader. I takt med att byggandet av energieffektiva hus ökar riskerar allt fler att drabbas av dålig täckning inomhus. Målet med detta projekt var att testa och utvärdera olika lösningar för att uppnå en fullgod mobiltäckning inomhus som boende, fastighetsägare, mobiloperatörer med flera är nöjda med - både ur ett upplevelseperspektiv och ett ekonomiskt perspektiv. Bland annat så genomfördes ett antal pilotinstallationer i fastigheter med olika förutsättningar.

Viktiga observationer

Från piloterna: Det gick att förbättra mobiltäckningen i lägenheterna och allmänna utrymmen för 95% respektive 89% av de boende med enklare antennsystem kopplat till alla rikstäckande mobiloperatörer via mobilnäts repeater med antenner på taket. Siffrorna är baserade på enkätundersökningar med de boende.

Dämpningen av mobilsignaler i innerväggar var mycket större än förväntat. Bevisligen dämpas radiovågar i armerad homogen betong ca 30-40 dB inom det mobila bandet 0.8-2.6 GHz. Det är betydligt mer än den allmänna uppfattningen idag, d v s en dämpning om 10-20 dB i samma frekvensband. Denna uppfattning uppkom sannolikt på grund av att det fanns dörrar eller andra typer av genomföringar vid tidigare mätningar. Befintlig armering bedöms att påverka dämpningen endast marginellt. Det är viktigt att de nya siffrorna verifieras vidare och används korrekt för uppförande av radiosystem till förbättrad mobiltäckning inomhus.

En dörr och ett fönster (utan elektrisk kontakt med karmen) testade i projektet dämpar mobilsignalen mellan några få dB till 17 dB för dörren och med 12-17 dB för fönster inom 0.8 – 2.6 GHz. Extra slitsar på metallbeläggningen på fönstret minskar dämpningen till 12 dB för de högre frekvenserna. Det går alltså att förbättra genomsläppligheten av den mobila signalen genom dörren och fönster.

Det är inte energieffektivt att ”skjuta” in mobilsignalen utifrån, genom täta isolerade byggnader. Det är flera gånger mer energieffektivt (i kWh per GB) att komma närmare till slutanvändarna via antennsystem inomhus, och kan vara en viktig helhetsaspekt för ett långsiktigt hållbart mobilnät.

Enligt PTS är det inte aktuellt med någon reglering för att lösa problemet med mobil inomhustäckning; detta innebär att marknadens parter d v s fastighetsägare och operatörer, måste hantera detta i fungerande affärsmodeller med tillhörande kommersiella förhandlingar.

PTS har skapat förutsättningar för en fungerande modell baserad på licensfritt cellulärt spektrum på 1800 MHz-bandet där en tänkt så kallat mikrooperatör kan öppet operera detta inomhusnät och ansluta de rikstäckande mobiloperatörerna via någon form av

6 (54)

trafik/roamingavtal. Projektet har kommit fram med specifika förslag hur denna modell kan fungera ekonomiskt, bland annat hur fastighetsägaren kan få finansieringsstöd för att installera och drifta inomhusnät. Vi har observerat en stor tveksamhet från fastighetsägarana att investera i ytterligare nätinfrastruktur.

Rikstäckande mobiloperatörer har alltså inget ansvar att leverera signalen inomhus i energieffektiva byggnader till sina kunder bortom sitt eget initiativ. Fastighetsägaren kan dock täcka kostnader, helt eller delvis, relaterade till lokal mobiltäckningsinfrastruktur inomhus genom t ex en avgift direkt mot mobiloperatören, om infrastrukturen ägs av fastighetsägaren, eller via 3:e part om den äger infrastrukturen.

Rekommendationer

Det krävs ett lokalt nät med inomhusantenner om man vill ha en bra trådlös täckning inomhus.

Lokal uppkoppling till rikstäckande mobiloperatör kan ske på olika sätt:

o via repeater för respektive mobiloperatör (vanligtvis placerad på taket) o via lokalt mobilnät på det licensfria bandet 1800 MHz, och som sköts av tredje

part via någon form av roaming-avtal o via utrustning inplacerad i fastigheten av respektive mobiloperatör o Alternativt, tjänsten känd som WiFi Calling kan användas att ringa och ta emot

samtal via WiFi-nätet.

Kapitalkostnaden för den testade repeaterlösningen (med antenner i trapphusen) blir ca 5 kSEK per lägenhet, sannolikt mindre med en mer utvecklad marknad. Repeater-lösning med antenner placerade inne i varje lägenhet kostar uppskattningsvis 10 kSEK per lägenhet förutsatt att det finns kanalisationsrör från trapphuset till lägenheten. Antenner placerade i lägenheterna är dock generellt att föredra, oavsett om signalen kommer från repetear eller basstation, för att uppnå nära 100% inomhustäckning i lägenheten. I större fastigheter kan det vara lämpligare att istället placera ut basstationer (eller RRUer) för att få tillräcklig täckning och kapacitet.

Vid nybyggnation är det viktigt att ta med i själva byggnadsplaneringen den dämpning av signaler som uppstår och som beror på val av material, dimensioner och konstruktionsmodell. T ex kan tjocka väggar mot trapphuset kräva att accesspunkter installeras inne i lägenheten på grund av att signalerna inte når in om de skulle installeras i trapphuset. Dock kan det vara en fördel att inte sträva efter att öka möjligheterna för att få in signalen utifrån makronäten via t ex slitsade fönster, då det är bättre att säkra att signalen går till och från ett inomhusnät om sådant finns. Denna princip ger att man inte behöver tumma på EU-kraven på energieffektivitet (som kan komma öka ytterligare framöver) samtidigt som man får en bättre täckning och kapacitet inomhus och dessutom lägre energianvändning.

7 (54)

Vid nybyggnation är det också ytterst viktigt att planera schakt i trapphusen mellan våningarna och rörkanalisation från trapphuset till lägenheterna för att möjliggöra placering av antenner inne i varje hushålls lägenhet.

I befintliga byggnader som lider av dålig inomhustäckning (samt de som framöver kommer att genomgå renoveringar för att motsvara de EU-krav som ställs på energieffektivitet) bör man genomföra mätningar av signalförhållanden och därefter en bedömning om hur accesspunkter/antenner skall placeras (t ex i trapphus eller inne i varje lägenhet) för att uppnå bästa lösning. Detta gäller oavsett teknikval (WiFi, 3GPP, IoT-accesstekniker etc).

Lokalnätlösningen för mobilsignaldistribution kan baseras på (befintlig) fiber eller koaxialkabel. Systemkostnaden är dock betydligt lägre för koaxbaserad lösning än för fiber. Det återstår att se om att (åter)använda fiber som redan finns inomhus istället för koaxialkabel är ekonomiskt försvarbart. Fiber till själva huset är dock en fördel eftersom det kan användas för att ansluta basstationer till koaxnätet i huset på olika sätt.

Tjänsten WiFi Calling (WiFi-samtal) kan implementeras som en app på smarttelefoner med funktionalitet som liknar den app-fria ”inbyggd” WiFi Calling. Det gör att tjänsten kan användas på ett bredare antal och äldre smarttelefoner än med ”inbyggd” WiFi Calling, med eller utan SIM kort till samtliga operatörer.

Önskemål framkom också vid flera tillfällen att kunna ansluta porttelefoni till WiFi Calling. Appen som testades kan användas för detta ändamål för att kommunicera med besökare och öppna entrédörren.

Oavsett implementation av WiFi Calling som tjänst krävs även WiFi-täckning i trapphuset och andra allmänna utrymmen (garage, tvättstuga, förråd etc.). Det förutsätter även att WiFi är påslaget på användarnas mobiler och att användaren har lyckats ansluta till WiFi-nätet. Sömlös täckning (s k handover) kan då uppnås med carrier-grade (”proffs”) WiFi som i kombination med mobilnät utgör ett minimumutförande av robust inomhustäckning med både WiFi och 3GPP-signaler. Om denna investering och lösning byggs kan den användas för att stärka upp bredbandserbjudandet och kan därmed vara enklare att få accepterad ersättning av de boende.

8 (54)

1. Introduktion

Dålig mobiltäckning inomhus drabbar tusentals svenska hushåll och boende i moderna energieffektiva byggnader. I takt med att byggandet av energieffektiva hus ökar riskerar allt fler att drabbas av dålig täckning inomhus. RISE Acreo (t o m Mars 2017 - Acreo Swedish ICT) tog tillsammans med partners ett helhetsgrepp för att förbättra mobiltäckningen inomhus och adressera problemet långsiktigt och hållbart.

2. Projektpartners

Projektet bestod av ett antal projektdeltagare från olika branscher som bidrog med teknisk och annan kompetens samt pilotsajter. De boende på pilotsajterna deltog aktivt i enkätundersökningar samt gav återkoppling till de tekniska partners. RISE Acreo bidrog med övergripande projektledning och sammanfattning av resultat. Projektdeltagare, inklusive projekt och samarbetspartners, och deras roller sammanfattas i tabellen nedan.

Figuren: Deltagare i projektet och deras roller1. Projektet förde även diskussioner och utbytte åsikter om tekniska, affärsmässiga, administrativa och regulatoriska aspekter med

- Fastighetsägare och förvaltare i o Stockholm, Täby, Göteborg, Helsingborg, Malmö, Linköping och Västerås

1 ReWiCom heter numera North Net Connect AB.

9 (54)

Med respektive regioner Inklusive Norra Djurgårdsstaden (NDS)

- Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) - Post och Telestyrelsen (PTS) - Sveriges rikstäckande mobiloperatörer: Telia, Tele 2, Telenor och Hi3G Access (Tre) - Elektriska Installatörsorganisationen (EIO), numera en del av Installatörsföretagen - STOKAB, Stockholms Stad IT-infrastrukturbolag - Teracom, nätoperatör - iTUX, kommunikationsoperatör - Corporate Fiber Technologies, OBE Network, och Atella Fastigheter.

OptiMobile AB har varit utvecklare av WiFi Calling appen som projektet integrerade och testade i 3GPP nät.

3. Behovsanalys

Det främsta behovet som projektet har adresserat är möjligheten att ringa mobila röstsamtal inomhus i nybyggda energieffektiva byggnader med befintliga telefonmodeller och helst befintliga abonnemang med så liten (eller ingen) anpassning på själva telefonerna (engångskonfigurering är dock godtagbart). Huvudbehovet har inte ändrats under projektet, men har under resans gång kompletterats med förståelsen att

- det är ofta inte 100% och ibland långt ifrån 100% av de boende i ett energieffektivt hus som är drabbade av problemet. De som är drabbade kan dock påverkas stort.

- fragmenteringen ovan bidrar till att efterfrågan från de boende oftast inte är tillräckligt stort i volymen och orsakar långsammare beslutsfattning i frågan. Detta gäller både hyres- och bostadsrättsföreningar.

- mobila dataapplikationer är idag minst lika viktiga att ta hänsyn till som röstsamtal, och i vissa fall ännu viktigare.

Det kan idag anses att tillgången till mobiltelefoni är ett grundläggande behov, på samma sätt som tillgången till fast telefoni tidigare varit det och kan därmed betraktas som ett grundkrav för alla bostäder.

En bredare behovsanalys ges nedan. Projektets olika partners, övriga deltagare samt Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) har stor samsyn på problematiken. Behovsanalysen nedan togs fram i samarbete med MSB.

10 (54)

Samband på liv och död – mobiltäckning inomhus ur ett säkerhets- och trygghetsperspektiv Enligt PTS kundenkät från 2015, förlitar sig 48 % av de tillfrågade endast på mobiltelefoni och hela 69 % tänker eller planerar att använda enbart mobiltelefon. Om man extrapolerar dynamiken (PTS enkät täcker åren 2011, 2013 och 2015) dessa siffor är sannolikt ännu högre idag, år 2017. Projektets samtal med fastighetsägarna och byggentreprenörer visar att det idag finns tiotusentals hushåll som bor i energieffektiva hus i Sverige och framöver kan den siffran bli betydligt högre och dessa hushåll kan då potentiellt få problem med mobiltäckning inomhus. Problemet med bristande mobiltäckning berör inte endast själva lägenheterna, även allmänna utrymmen som trapphus och källare är berörda och här kan täckningen ofta vara ännu sämre än i lägenheterna. Detta påverkar inte endast de boende vad gäller möjligheten att ringa t ex nödsamtal men också räddningstjänst och annan blåljus- eller hemtjänstpersonal som kan få svårt att använda Rakel eller mobiltelefoni i tjänst. Vi är redan sena med en lösning på detta problem: Minst ett tragiskt fall finns dokumenterat (2013), på grund av utebliven Rakel- och mobiltäckning i garaget2. Det finns dock en möjlighet att se till att det inte blir fler liknande fall, oavsett om det gäller för den boende eller för berörda samhällsaktörer. Bristande mobiltäckning inomhus kan alltså betraktas idag som ett samhällsproblem, snarare än enbart ett kommersiellt kommunikationsproblem – och det kräver att en lösning identifieras och implementeras. Under projektets gång har vi också inkluderat några olika perspektiv och infallsvinklar vad gäller påverkan av en bristande mobiltäckning inomhus för samhällsaktörer som har som huvuduppgift att verka vid olika typer av krisinsatser, vård eller omsorg för någon eller några som befinner sig inne i byggnaden (bostad eller kontor/kommersiell byggnad). För att dessa samhällsaktörer ska kunna utföra sina uppgifter när de väl är inne i byggnaden, t ex inne i såväl lägenheter (eller kontor/arbetsytor) som i allmänna utrymmen (t ex trapphus, garage, tvättstuga, förråd), så behöver personalen ofta i realtid ha tillgång till kritiska tillämpningar/applikationer via en mobil eller trådlös sambandskanal. Det kan exempelvis röra sig om ett antal olika digitala tillämpningar, t ex digitala nycklar, beslutsstöd eller journalsystem, men även för att inte arbetsmiljörisker för t ex blåljuspersonal på plats (t ex rökdykare) ska uppstå. I och med att vård och omsorg sker i ökande grad i patientens/brukarens hemmiljö eller på annan plats (t ex fritidshus) än just på vårdinrättningen så kommer kraven på en väl fungerande och mobil kommunikation att öka, såväl för personal

2 http://www.dn.se/sthlm/polis-valdtagen-kunde-raddats-till-livet

11 (54)

som för patienter/brukare.3 Allt fler väljer också att inte ha en fast uppkoppling eller fast telefoni hemma, utan nöjer sig med en mobil uppkoppling för såväl telefoni (oftast via en smartphone) som bredbandsuppkoppling (mobilt bredband, t ex via en 4G-router). Projektet har tagit del av olika studier kring vårdens och omsorgens behov4 och genomfört olika intervjuer av personal vid olika landsting (för vården) och kommuner (för omsorgen) samt hos MSB – Myndigheten för samhällsskydd och beredskap.

Boende, yrkesverksamma eller besökande i byggnaden

De personer som är verksamma eller boende i byggnaden har förutom behovet att kunna använda sina mobila terminaler på ett normalt och tillfredsställande vis, även ibland ett behov att kunna nå t ex SOS Alarm (112) – oavsett var i byggnaden de befinner sig. Det kan även uppstå vardagssituationer som ej är av lika allvarlig natur men där man har ett behov av att kommunicera på kort varsel, man har kanske låst in sig av misstag, tappat nycklarna, behöver instruktioner, support eller snarlik situation som gör att man har ett behov att ringa ut till exempelvis närstående för hjälp. Även för tillfälliga besökare kan naturligtvis ovanstående kommunikationsbehov eller liknande uppstå, så det är även av vikt för dessa att man kan använda sin mobil som vanligt utan krångel, både att nås på men även att nå ut med (såväl samtal som datakommunikation).

Räddningstjänst och annan blåljusrelaterad verksamhet

Generellt sett så ökar möjligheterna och behoven/beroendet relaterade till nya kommunikationsverktyg för alla typer av räddningstjänst, men utan ett väl fungerande samband oavsett tid och plats så ökar sårbarheten väsentligt.

Brandförsvar/Räddningstjänst Brandförsvaret behöver vid olika insatser använda sig av radiobaserad kommunikation, såväl tal- som datatjänster. Idag använder sig brandförsvaret av såväl Rakel som cellulär mobiltelefoni, där Rakel fungerar relativt väl för taltjänster på de flesta platser, men för datatjänster är det föråldrat och oftast otillräckligt. I teorin, ställer arbetsmiljölagen kraven på en väl fungerande kommunikation vid insats. Arbetsmiljöverket föreskriver t ex att rök- och kemdykare samt rök- och kemdykarledare ska ha tillgång till ett fungerande kommunikationssystem.5 En bristande inomhustäckning kan således medföra att det blir svårt att uppfylla detta krav.

Polis Polisen använder sig av såväl Rakel som cellulär mobiltelefoni. I synnerhet används smartphones alltmer då det gäller att överföra t ex bildinformation eftersom Rakel har

3 Se studien ” E-hälsolösningars krav på uppkopplingar”, 2017, RISE Acreo & RISE SICS på uppdrag av KSL & SLL http://www.ksl.se/halsa-och-stod/publikationer/e-halsa/klar/e-halsolosningars-krav-pa-uppkopplingar.html 4 Se exempelvis http://3rfvm.se/aktiviteter/veksamhetsanalys-och-scenariearbete/ 5 Källa: https://www.av.se/globalassets/filer/publikationer/foreskrifter/rok-och-kemdykning-foreskrifter-afs2007-7.pdf

12 (54)

begränsade möjligheter och bandbredd för detta ändamål.6 Detta gör att polisen idag har ett ökande beroende av en tillförlitlig mobiltjänst och en fullgod täckning och samband även vid insatser inomhus. De säkerhetskameror som har blivit allt viktigare för exempelvis polisväsende och annan säkerhetspersonal kräver en god och stabil kommunikation, och med god inomhustäckning kan dessa med fördel installeras och kopplas upp med hjälp av trådlös teknik.

Omsorg

Omsorgspersonalen blir även den alltmer mobil i sitt arbete, samt alltmer beroende av fungerande digitala tillämpningar. När de t ex är på väg till/från eller på besök hos olika brukare är det kritiskt att de har tillgång till olika digitala tillämpningar via t ex en smartphone, för att de skall kunna utföra sitt arbete. Exempel på sådana tillämpningar kan vara:

• Digital nyckelhantering (för att öppna/låsa dörren till patienters hem) • Beslutsstöd • Digitala medicinlistor • Mobil insatsrapportering • Tillgång till olika larmsystem och sensorer (hos brukare) • Anhörigas tillgång till vissa av ovanstående tillämpningar.

Vård på distans

Mobila vårdteam och vård på distans blir en allt vanligare företeelse då alltmer avancerad vård utförs utanför själva vårdinrättningarna, antingen i hemmet eller på annan ”valfri” plats, t ex i fritidshuset. Det är naturligtvis av stor vikt att den utrustning som då behöver användas (t ex sensorer på patienten/brukaren eller mobila terminaler för vårdpersonalen) alltid kan kommunicera på ett tillfredsställande vis. Personalen i dessa mobila vårdteam använder sig i huvudsak av mobila (cellulära) uppkopplingar, då man snabbt och enkelt behöver komma åt olika tillämpningar oavsett plats och tid – utan variationer i uppkopplingsförfarandet och andra komplicerande omständigheter. Några exempel på dessa tillämpningar som man är beroende av att komma åt även inomhus är:

• Digitala trygghetslarm och andra typer av larm (t ex för fall) • Digital nyckelhantering (för att öppna/låsa dörren till patienters hem) • Digitala journalsystem • Beslutsstöd • Digitala medicinlistor • Mobil insatsrapportering • Mätning och överföring av data vid akutsituation, t ex vitalparametrar • Realtidsstöd t ex i form av bildanalys eller distanskirurgi/vård • Olika typer av sensorer.

6 Se t ex: https://polistidningen.se/2016/07/utredning-tillsatt-om-rakels-framtid/

13 (54)

Fastighetsrelaterade tillämpningar och Internet-of-Things (IoT)

Inte så livsviktigt, men på sikt inte mindre relevant är att för vissa fastighetsrelaterade tillämpningar, exempelvis olika sensorer, säkerhetslarm, låsfunktioner, styrning av olika funktioner etc. så skall man utan kunna installera eller byta ut den uppkopplade utrustningen så att uppkoppling finns direkt. I många fall används trådlösa LAN eller WAN-teknologier för att koppla upp dessa IoT-tillämpningar, och då är det av yttersta vikt att signalerna når de utrymmen det är fråga om, inte sällan placerade i undanskymda utrymmen som kan vara svåra att nå. För flera av dessa tillämpningar samt för vissa inom distansvård och omsorg krävs också att strömförsörjningen är tillfredsställande och robust, t ex införande av lösningar som UPS (Uninterruptable Power Supply) eller andra åtgärder.

Rakelsystemet

Rakel är ett kommunikationssystem för trygg och säker kommunikation mellan medarbetare inom samhällsviktiga verksamheter. Rakel bygger på digital Tetrateknik som är en europeisk teknisk standard som används på flera håll i världen i verksamheter med särskilt höga krav på säkerhet och robusthet. Rakel används av cirka 500 organisationer - myndigheter, länsstyrelser, kommuner, landsting och energibolag. Även Rakeltäckning påverkas negativt av att man idag bygger (eller renoverar) energieffektiva hus med sämre genomsläpplighet för radiosignaler in i eller ut ur byggnaden, såväl inne i lägenheter som i allmänna utrymmen. Påverkan är dock sannolikt mindre bland annat på grund av den lägre frekvens (runt 400 MHz) som används för Rakelsystemet och som dämpas något mindre genom väggarna. Samma fysiska infrastruktur (fiber eller koaxialkabel) kan användas inomhus för leverans av 3GPP (mobil kommunikation) och Rakel tjänster. Rakels täckning inomhus kan alltså förbättras på samma sätt som i 3GPP piloter i projektet, alltså via en repeater kopplad vid behov till ett distribuerat antennsystem. Ansökan om tillstånd görs hos MSB. Utredningen om vidareutveckling av Rakel7 konstaterar att det nuvarande samhällsnätet (Rakelsystemet) främst är avsett för talkommunikation och har alltför begränsad kapacitet för mobil dataöverföring. Det behöver därför kompletteras och på sikt helt ersättas med ett modernare system som kan hantera även realtidsöverföring av data och rörliga bilder, även i inomhusmiljöer. Rapporten konstaterar bland annat ”Inomhustäckning kan tillgodoses genom tätare placering av master utomhus. För mer krävande inomhusanvändning i byggda miljöer med större kapacitetsbehov, kan speciella inomhuslösningar krävas, som speciella inomhusantenner. För samhällsaktörerna utgör inte roaming över wifi ett förstahandsval då det gäller behovet av god tillgänglighet, även om säkerhetskraven i viss mån kan hanteras genom VPN-lösningar.”

7 http://www.regeringen.se/rattsdokument/departementsserien-och-promemorior/2017/03/ds-20177/

14 (54)

5G och mobiltäckning inomhus

Vad gäller den nya 5G-standarden (som är fokuserad på datatrafik) så kommer den att i huvudsak använda sig av höga frekvensområden, vilket innebär att genomsläppligheten för radiosignalerna kommer att bli än mer begränsade av fysiska hinder såsom väggar, dörrar och fönster. Detta måste adresseras om man har ett behov av att använda 5G-nätet för samhällskritiska tillämpningar, t ex med hjälp av mer finmaskiga inomhusnät.

4. Implementering, 3GPP mobiltäckning

Sammanfattning

Projektet testade möjliga lösningar för röst- och datatjänster för de boende i energieffektiva hus som har problem med mobiltäckning inomhus under projektets tid. Testerna genomfördes i fyra pilothus i Göteborg, Malmö, Stockholm och Täby sammanlagt från maj 2016 till juni 2017. Användarnöjdheten mättes främst med hjälp av enkäter men också tekniska mätningar i mer komplicerade fall. Åtgärderna visade att det går att förbättra mobiltäckningen i lägenheterna för 95% och i allmänna utrymmen för 89% av de boende med enklare antennsystem kopplat till samtliga rikstäckande mobiloperatörer via repeater på taket.

I piloterna upptäckte projektet snabbt att tjocka innerväggar dämpar signalerna betydligt mer än som var förväntat och som tidigare hade rapporterats. I en pilot var dämpningen i vissa fall så hög som 55 dB @ 2100 MHz från trapphuset till lägenheten och det är drygt tusen gånger mer än vad som rapporterats i bland annat en PTS-rapport om inomhustäckningen (22.8 dB @ samma frekvens)8. I detta hus fanns det inte heller rörkanalisation från trapphuset till lägenheterna, så det var inte möjligt att lösa problemet utan att öka effekten lokalt.

Kapitalkostnad för en sådan lösning är i dagsläget i storleksordningen 5 kSEK per lägenhet med en driftkostnad på några tior per månad och lägenhet. Med antenner installerade i lägenheten uppskattas kapitalkostnaden till det dubbla.

Projektet gjorde en kartläggning av befintliga affärsmodeller och visade på framtida möjliga affärsmodeller som skulle kunna finansiera denna lösning, se respektive sektion.

Baserat på en sammantagen erfarenhet från projektet, för att nå bästa resultat både vad gäller täckning och energianvändning, är det vår slutsats och rekommendation att installera antenner så att signalen når igenom tjockare betongväggar och undviker metallytor. För byggnader med homogena betonginnerväggar innebär det att antenner placeras inne i lägenheten. Det är alltså viktigt att planera schakt i trapphuset mellan våningarna och rörkanalisation från trapphuset till lägenheterna med möjlighet att placera antennen inne i varje lägenhet.

8 https://www.pts.se/upload/Rapporter/Tele/2015/inomhustackning-pts-er-2015_12.pdf

15 (54)

3GPP-piloterna

Projektet började med ett ”open call” till fastighetsägare som kom fram med kandidathus för piloter. Projektet har utnyttjat ett kontaktnät från deltagande projektpartners för att nå ut till ett större antal fastighetsägare runt om i Sverige. Totalt anmälde sig ett 20-tal kandidathus sitt intresse att delta via sina ägare till piloterna och i början av februari 2016 valde projektet på ett gemensamt möte att fokusera på sex av dessa kandidathus. Projektet började förhandla med kandidaterna om detaljer, och processen fick fortsätta i några omgångar tills parterna kom överens om villkoren.

Dessa pilothus blev slutligen:

Elins Gård, AB Poseidon, Göteborg MKB GreenHouse, MKB, Malmö Kv Muraren, SKB, Täby Kv Golvläggaren, Stockholmshem AB, Årstadal, Stockholm.

Alla pilothus var relativt nya (äldst var byggt år 2012) och var klassade eller nära klassade som energieffektiva (se detaljer nedan). Alla husen hade problem med mobiltäckning inomhus rapporterad innan projektet eller förväntades som i fallet med MKB GreenHouse med inflyttning i maj 2016.

Totalt omfattades 119 lägenheter av projektets fyra piloter. Antalet av de boende i pilothusen har inte beräknats men kan uppskattas till ungefär det dubbla.

Grundlösningen bestod av ett antennät med koaxialkabel kopplad till rundstrålande antenner. Nätet kopplades till alla rikstäckande mobiloperatörer via repeaterantenner på taket av varje hus. Det tog i genomsnitt ca 6-8 veckor för att samla in tillstånden från alla rikstäckande operatörer för varje pilot.

Antenn i trapphus kopplat

till koaxialkabelnät. Antennen i jämförelse med

branddetektor. Repeater-antenn på taket.

16 (54)

Enkätundersökningar av de boende, sammanfattning samtliga piloter

Några veckor efter att en pilotinstallation var igång9 erbjöds de boende att fylla in en enkät med frågorna om täckning innan och under pilottiden (”nu”), i lägenheterna och i allmänna utrymmen, mobila abonnemang samt om estetiken i samband med den nya installationen. När det gäller täckningen innan och ”nu” skilde sig svaren väsentlig mellan husen, och dessa representeras alltså per hus samt en sammanfattning för alla hus visas visare i detta kapitel. För mobiloperatörerna samt estetiken ges endast sammanfattning i denna rapport.

Färgpalleten i cirkeldiagrammen nedan reflekterar bedömningen med en skala mellan 0 och 3, där ”0” (rött) är mycket dåligt och ”3” (mörkt grönt) är mycket bra, samt ”1” (gult) är och 2 (ljusgrönt) är olika mellanlägen. Detta gäller enkätundersökningarna i alla pilothusen.

Enkäter, sammanfattning alla 3GPP piloter (4 piloter, 119 lägenheter, 56 svar):

Enkätundersökning, mobiltäckning i lägenheterna, SAMTLIGA PILOTER

Lägenheter: Innan Lägenheter: Nu

Enkätundersökning, mobiltäckning i allmänna utrymmen, SAMTLIGA PILOTER

Allmänna utrymmen: Innan Allmänna utrymmen: Nu

9 Den uppgraderade piloten för Elins Gård

17 (54)

3GPP-piloterna, detalj

Elins Gård, Göteborg:

Nyckelfakta: Lägenheter: 30 i piloten (117 totalt) Uppgångar: 4, inflyttning: 2015 60 kwh/(kvm år), deklarerat Fönster U-värde 1.0 Övrigt: tjocka betonginnerväggar.

Det är första piloten som projektet körde igång i Maj 2015. Det visade sig snabbt att huset har ovanlig stark dämpning genom innervägar som i värsta fall var -55 dB @ 2100 MHz p g a tjocka innervägar. Det fanns ingen färdig kanalisation från trapphuset till lägenheterna och att borra var inget bra alternativ p g a kostnadsskäl. Projektet valde att justera effekten så att den maximeras utan att störa mobila makronät utomhus10. Det uppgraderade nätet var igång i december 2016 och enkätundersökningen fick göras om med tillfredsställande resultat (se Enkätundersökningar).

Elins Gård: Vy från ovan. Imagery © CNES/Astrium

Elins Gård, AB Poseidon, Göteborg

10 Repeatrarna som vi bytte till hade en ökad komposit på 13 dB.

18 (54)

Enkätundersökning, mobiltäckning i lägenheterna, Elins Gård


Notera att det fanns inga ”mycket bra” svar innan och under testet påbörjades i Elins Gård lägenheter. Ca 90 % svarade att tackningen blev bättre under testet. En person som fortfarande hade dåligt resultat under testet visade sig bero sannolikt på problem med sin telefon.

Enkätundersökning, mobiltäckning i allmänna utrymmen, Elins Gård


Allmänna utrymmen i enkäten inkluderar generellt pilotens trapphus och eventuella garage, förråd, cykelrum och tvättstuga. Resultaten visar ett genomsnitt för alla utrymmen oavsett om det fanns pilotens antenner eller inte.

MKB GreenHouse, Malmö

Nyckelfakta

Lägenheter: 44 i piloten (44 totalt) Uppgångar: 2, inflyttning: 2016 55 kwh/(kvm år), deklarerat Övrigt: tjockare väggar 0.8 fönster

Denna är den största piloten i projektet med 44 lägenheter. Som enkätundersökningen visar den ursprungliga täckningen inomhus var inte särskild dålig från början i detta hus. Resultaten

19 (54)

från denna pilot påverkar det sammanfattande resultatet för alla piloter (se i början av kapitel) i större utsträckning på grund av pilotens storlek.

MKB GreenHouse, Malmö Repeater-antenn på taket Förstärkare i servicerum

Enkätundersökningar, MKB GreenHouse

Enkätundersökning, mobiltäckning i lägenheterna, MKB GreenHouse


Även om mobiltäckning inne i lägenheterna var ganska bra från början, lyckades projektet att elminera dålig täckning helt i alla lägenheterna.

20 (54)

Enkätundersökning, mobiltäckning i allmänna utrymmen, MKB GreenHouse


I GreenHouse fanns antenner i källarvåningen där garage och cykelförråd fanns och där blev det god täckning överallt förutom just vid och i hissen på källarplanet.

Kv Muraren, SKB, Täby

Nyckelfakta:

Lägenheter: 20 i piloten (69 totalt) Uppgångar: 4, inflyttning: 2012 0.9 U-värde fönster 55 kwh/kvm år, deklarerat Övrigt: SKBs första lågenergihus, miljöklassad byggnad (Brons), ytterväggarna

tjockare än brukligt.

Kv Muraren, SKB, Täby Repeater antenn på taket

21 (54)

Enkätundersökning, Kv Muraren, SKB

Mobiltäckning i lägenheterna, Kv Muraren, SKB


Mobiltäckning i allmänna utrymmen, Kv Muraren, SKB


Kv Golvläggaren, Stockholmshem AB, Årstadal, Stockholm

Nyckelfakta:

• Lägenheter: 25 i piloten (152 totalt) • Uppgångar: 1 (7), inflyttning: 2015 • 55 kwh/(kvm år) • 0.9 U-värde fönster • Byggt med tunga utfacksväggar • Förberett med rör till lägenheter från trapphusets elnisch

22 (54)

Kv Golvläggaren, Stockholmshem AB

Årstadal: vy från ovan Gatuvy

Enkätundersökningar, Kv Golvläggaren, Årstadal, Stockholmshem

Mobiltäckning i lägenheterna, Kv Golvläggaren, Årstadal


Huset i Årstadal var omringat av tre andra lika höga hus från tre sidor och av ett berg från den fjärde. Mobilsignalen saknades i princip helt på bottenplan och första våningar nära hissen. Denna pilot hade det sämsta ursprungliga mobiltäckningen av alla piloter.

Mobiltäckning i allmänna utrymme, Kv Golvläggaren, Årstadal


23 (54)

I Årstadal placerades antenner även i garaget som var gemensamt för samtliga hus i kvarteret. I anslutning till trapphuset fanns även tvättstugan. Enligt hyresgäst var signalen inte tillräcklig där.

Andra resultat från enkätundersökningar

Estetik, samtliga piloter

Har du märkt att man har installerat ny

utrustning för detta test? Påverkade den tekniska utrustningen det

estetiska utseendet i fastigheten på ett negativt sätt?

Mobila operatörer, samtliga piloter

Distribution av mobiloperatörerna i piloterna reflekterar ganska väl den marknadsmässiga distributionen av nationella mobiloperatörer i Sverige.

5. När mobilsignalen är svag

När mobilsignalen är för svag då har mobilen problem att konvertera tillförlitlig signal till röst eller data och slutanvändaren kan uppleva störningar för både data och röst. I detta fall finns det liten eller ingen marginal i signalstyrkan, så slutanvändarens upplevelse kan påverkas av telefonmottagarens känslighet (beror bland annat på antenn/telefonkonstruktion) eller hur man

Ja

Nej

Ja

Nej

Telia/Halebop

Telenor/Vimla

Tele2/Comviq

Tre/Hallon

Annan (TDC)

24 (54)

håller telefonen i handen. Det blir också svårt att bedöma upplevd kvalitet på tjänsten (t ex kommer det att funka eller inte överhuvudtaget) från objektiva signalmätningar just på grund av att signalen ligger på gränsen i styrkan. Signalstyrkan varierar också inomhus över korta avstånd vilket gör det svårt att få telefonen att fungera överallt inomhus när signalen är svag.

6. Lokalmobilnät och dess uppkoppling till rikstäckande mobiloperatörer

Koaxialkabelnät med antenner inomhus kan användas som trådlös infrastruktur med stor flexibilitet i sitt nyttjande avseende frekvensband, tekniker med mera. Ett sådant antennät kan t ex användas till:

• Anslutning av lokalt mobilnät på licensfritt band (1800 MHz i Sverige) • Anslutning av repeater som återutsänder t ex TETRA11 eller mobiloperatörernas

radiosignal • Anslutning av dedikerad basstation eller RRU12 (som t ex koppas med svartfiber till

en BBU13 som finns placerad några km därifrån).

Olika kombinationer av ovan är också möjliga. Det gör att de nationella mobiloperatörerna i princip kan tillåtas individuellt välja om de vill koppla in sig genom roaming till lokalnät, med dedikerad basstation eller vid mindre installationer så kan deras signal tas från omgivningen och kräver inte deras aktiva medverkan (annat än rätt att nyttja spektrum).

Denna infrastruktur kan som nämnts ovan användas för att etablera ett lokalt mobilnät (3GPP-baserat) på det licensfria 1800 MHz bandet14. Slutanvändarens upplevelse i detta nät skiljer sig inte från det vanliga mobilnätet när det gäller samtal, data och abonnemang. Med SIM-kort och respektive telefonnummer tillhörande till lokalnätet kan man ringa till andra och surfa på samma sätt som man gör med vilken operatör som helst. Kan man då använda detta abonnemang utomhus i andra operatörens nät? Ja, och det kan göras på två sätt:

1. Operatören till det lokala mobilnätet signerar ett så kallat Mobile Virtual Network Operator (MVNO) avtal med en eller flera rikstäckande operatörer. Då kommer det ”lokala” abonnemanget att fungera i dessa nät15. Det omvända gäller dock inte, d v s abonnemang från de rikstäckande operatörerna kommer inte att fungera med automatik i det lokala mobilnätet utan att inkommande roaming etableras.

2. Via fullt roamingavtal med en eller flera rikstäckande mobiloperatörer. Då kommer det lokala och nationella abonnemangen fungera i både näten.

11 TETRA - Terrestrial Trunked Radio, en standard för mobila radiosystem som används i bland annat Rakel. 12 Remote Radio Unit, en del av basstation med radiofunktioner. 13 Baseband Unit, en del av basstation med behandlingsfunktioner. 14 Se www.pts.se 15 T ex som Halebop i Telias nät, Vimla i Telenors, Hallon i Tres och Comviq i Tele2.

25 (54)

Upplevelsen i båda fall liknar då den man har utomlands med mobiltelefonen. Lokalnätet uppkopplad via MVNO eller roamingavtal är alltså ett alternativt till uppkopling via repeaters. Tack vare att man sparar på repeterantenn och en del av förstärkare, blir systemkostnaden ca 30-50% lägre.

7. Regulatoriska aspekter

PTS Enligt PTS är det inte aktuellt med någon reglering för att lösa problemet med mobil inomhustäckning; detta innebär att marknadens parter, d v s fastighetsägare och operatörer, måste hantera detta via kommersiella förhandlingar. PTS har med skapandet av det licensfria 1800 MHz-bandet och modellen med en s k ”mikrooperatör” (projektet valde att använda begrepp ”lokalnätsoperatör”) som hanterar lokala inomhusnät haft för avsikt att stimulera att affärsmodeller och lösningar uppstår för att lösa problematiken med bristande mobiltäckning inomhus.

Boverket Boverkets byggregler (BBR)16 reglerar inte elektromagnetiska egenskaper av material eller element som används vid byggande. Det är alltså helt enligt reglerna att bygga bostäder som är ogenomsläppliga för elektromagnetiska vågor. Däremot regleras energieffektivitet, d v s hur mycket energi byggnaden får förbruka per kvadratmeter och år. Detta stärker byggbranschens användning av material och element med bra värmeisolerande egenskaper som ofta (men inte alltid) har dålig elektromagnetisk genomsläpplighet som t ex fönster med metallbeläggning. Projektet har listat och utforskat möjligheterna att förbättra den elektromagnetiska genomsläppligheten hos typiska byggmaterial, se sektion ”Materialmätningar och passiva åtgärder”.

Hur är det hos grannen? Reglering av mobiltäckning inomhus i Finland

Projektet har tillsammans med Finlands kommunikationsministerium utbytt insikter om problemet med bristande mobiltäckning inomhus. I Finland driver kommunikationsministeriet tillsammans med miljöministeriet och regulatorn FICORA (finska motsvarigheten till PTS) en proposition17 att ändra markanvändnings- och bygglagen för att ge mer befogenheter till miljöministeriet som genom en förordning skulle kunna utfärda närmare bestämmelser som behövs för att reglera bland annat mobiltäckningen inomhus (med planen att träda i kraft i december 2017). Detta görs i nära diskussion och samråd med byggentreprenörer, mobila operatörer och forskare. I de finska koncessionerna som beviljades för frekvensområdena 700

16 www.boverket.se 17 https://www.eduskunta.fi/SV/vaski/HallituksenEsitys/Sidor/RP_85+2017.aspx

26 (54)

och 800 MHz krävs redan ”en skälig inomhustäckning inom nätets täckningsområde i normal användningsmiljö”.

8. WiFi Calling app

Ett alternativt sätt att ringa och ta emot samtal mobilt vid utebliven mobiltäckningen är med hjälp av så kallad WiFi Calling.

Teknologin som kallas WiFi Calling gör det möjligt att använda samma mobiltelefon och sitt vanliga mobilnummer för att ringa och ta emot samtal via det lokala WiFi-nätet, uppkopplad till Internet. Det finns såväl inbyggda (initialt i vissa telefonmodeller) som app-baserad WiFi Calling. För att kunna använda inbyggd WiFi Calling krävs en nyare typ av mobiltelefon och vanligtvis ett av de dyrare abonnemangen hos de mobiloperatörer som erbjuder WiFi Calling. I augusti 2017 är det endast operatörerna Hi3G Access/Tre (sedan Mars 2016) och Telia (sedan sommar 2017) som erbjuder denna tjänst under namnet ”WiFi samtal” i Sverige.

App-baserad WiFi Calling kan oftast installeras oberoende av mobilplattform/operativsystem och typ av smartmobiltelefon. Appen kan antingen köras på mobiltelefonen i bakgrunden eller endast när den ska användas, när användare får inkommande- eller genomför utgående samtal. En sådan app och funktion för samtalsstyrning till olika mobilnät implementerades och bekostades av North net connect i samarbete med leverantören av mjukvaran, OptiMobile AB18. Appen och tjänsten som möjliggör Wifi Calling oavsett vilken mobiloperatör man använder introducerades under namnet ”nor.net connect”. Appen gjordes tillgänglig på Google och Apple app stores. Tjänsten och teknologin testades av ett antal testpiloter under projektet.

Appen är integrerad med mobiltelefonens operativsystem och delvis med användargränssnitt. Till skillnad från hårdvarubaserad WiFi Calling kan den testade lösningen användas på andra (och t o m äldre) mobila enheter, som t.ex. surfplattor, över både WiFi och mobildata (t.ex. 3G/4G). Det krävs generellt inte att mobilenheten har något SIM-kort vilket gör att enheter med endast WiFi också kan användas för vanlig telefoni. Om användaren använder nor.net connect- appen på en enhet med ett SIM-kort från en annan operatör (eller inget SIM-kort alls) används ett separat svenskt telefonnummer från North net connect (så kallade WFC-nummer). Nor.net connect har dock möjligheten att visa även det telefonnummer som är kopplat till SIM-kortet när man ringer ut med WiFi Calling. För att även samtliga inkommande samtal till det SIM-kort baserade numret ska genomföras med WiFi Calling kan "call forwarding non reachable" aktiveras vid utebliven mobiltäckningen.

18 www.optimobile.se

27 (54)

Gränssnitt

Bild på gränssnitt iPhone Bild på gränssnitt Android

Det finns ett antal skillnader mellan den framtagna nor.net connect och IP-telefonitjänster (OTT-tjänster) som t ex Skype, WhatsApp, Viber och andra: nor.net connect är helt integrerad som en del av mobilnäten via North net connect till

skillnad från rena OTT-tjänster som vanligtvis är helt Internetbaserade system. Lösningen är utvecklad i linje med telekomindustrins (3GPP) olika standarder och kvalitetskrav.

Lösningen är mer integrerad i operatörens nät som alltså kan kvalitetssäkra och ha bättre kontroll över denna del av infrastrukturen.

Lösningen möjliggör även funktionalitet och tjänster (ännu ej aktiverade inom projektet) som SMS enligt telekomindustrins standarder. Användare kan skicka ett SMS med klienten som sedan tas emot av den andra parten på samma sätt som ett SMS som skickas helt över mobilnätet. Videotelefoni, nödsamtal mm kan också stödjas.

Några begränsningar med WiFi Calling

Det skall noteras att för att kunna ringa över WiFi så fungerar det bra bara under förutsättning att

Telefonen har inbyggd funktion eller app för WiFi Calling (t ex som nor.net connect) WiFi nätet har tillräcklig kvalitet. Inga brandväggar förhindrar kommunikationen Aktiverat abonnemang av någon typ som tillåter WiFi Calling (t ex nor.net connect

eller Hi3G Access (Tre) WiFi Calling abonnemang) Ansluten till WiFi nätet.

28 (54)

Handover kan generellt inte garanteras mellan olika WiFi access punkter för alla tjänster.

Ovan gör att det inte till 100% gå att förlita sig på WiFi Calling, t ex om hemtjänstpersonal är på besök hos en brukare i en lägenhet och behöver ringa ett samtal eller komma åt ett administrativt verktyg via sin mobil så är det inte säkert de kan ansluta till lägenhetens WiFi-nät. Det kan också saknas WiFi-täckning eller kvaliteten kan vara för dålig i delar av byggnaden/lägenheten. Det finns dock sätt att till stora delar åtgärda dessa tillkortakommanden som beskrivs i följande avsnitt.

9. WiFi-nät av högre kvalitet i lägenheter. Tester i MKB GreenHouse

Idag har de flesta lägenheter bredband via fiber till byggnaden eller in i lägenheten. Flaskhalsen blir därför den sista biten då radiosignal ska gå via WiFi till de olika enheter som ska komma åt Internet. Trafikmängderna i de trådlösa näten växer ständigt med bland annat Netflix, YouTube, SVT Play och liknande. Det gör det allt svårare att överföra tillräckliga datamängder tillräckligt stabilt över konsumentinstallerade WiFi-sändare (routers).

I lägenheter (till skillnad från t ex villor) är även problemet med störningar mellan lägenheter större p g a de korta avstånden och okoordinerad kanalplanering. Där finns ofta också gemensamma utrymmen (trapphus, förråd, garage, mm.) som typiskt inte får täckning varken för boende eller besökare.

För att åtgärda dessa samt ett antal andra tillkortakommanden med WiFi-täckning i flerbostadshus testade projektpartner North net connect ett ”proof-of-concept” för hur så kallad ”carrier-grade WiFi” kan lösa dessa.

En sådan ”centraliserad” WiFi-lösning använder sig av det som kallas ”carrier-grade” eller ”proffs” WiFi som är extra pålitlig och robust med mycket hög tillgänglighet för användarna och som kombinerar professionell hårdvara, planering, installation och drift. Denna lösning kan implementeras som en ”förlängning/utökning” av befintligt bredbandsnät (ofta fiberbaserat) via en specialiserad operatör av det lokala WiFi nätet. Till detta kopplas alla tjänster som behövs för t ex bredband, TV, mm. Det finns även stora synergier med mobilnätstäckning så dessa kan planeras tillsammans. Detta gör att WiFi Calling fungerar klanderfritt i hela huset samt möjliggör även mycket krävande tjänster som höggupplöst video via ett trådlöst nät.

Lösningen bygger på avancerad funktionalitet för såväl kanalplanering som säkerhet som möjliggör att de boende kan använda alla husets accesspunkter – inte bara de i den egna lägenheten. Accesspunkter placeras även i allmänna utrymmen så att såväl boende som besökare ska kunna använda t ex WiFi Calling med SIM-autentisering.

På detta sätt möjliggörs att en hög WiFi-kvalitet uppnås genom att frekvenser och accesspunkter nyttjas så effektivt som möjligt. De boende slipper stabilitetsproblem med sitt WiFi. Samtidigt kan besökare och t o m de mobiloperatörer och andra som önskar ha ”roaming” till WiFi nätet med hjälp av SIM autentisering erbjudas detta. Den tjänst som togs

29 (54)

fram inom projektet byggde på WiFi produkter och egenutvecklade funktioner för att kartlägga dessa mot de system som är vanliga inom allmännyttan med ”öppna nät” där de boende får välja bredbandsoperatör. Resultatet blev ett system som fungerar väl både med allmännyttans modell med lägenhets-valbara ”internet operatör” (ISP) som i mer kostnadsoptimerade (kollektiva) lösningar där en bredbandsförbindelse upphandlas för hela huset.

Funktionen testades med gott resultat dels i labbet hos North net connect samt i MKB Green House.

Test av carrier-grade WiFi i MKB Green House

Som ett första steg innan WiFi-lösningen monteras in i alla lägenheter i MKB Green House i Malmö monterades ett antal accesspunkter på bottenvåningen och källaren för att simulera såväl lägenheter som allmänna utrymmen. Fem stycken accesspunkter installerades till att börja med tillsammans med router/switchutrustning för att kunna få nödvändig funktionalitet.

Två accesspunkter (AP) var konfigurerade som tillhörande en lägenhet (den ena accesspunkten var kopplad till den andra som in sin tur var kopplad till lägenhetsnätet). Detta för att även visa att det fungerar med mer än en AP per lägenhet i kombination med all annan funktionalitet.

Övriga AP var konfigurerade så att de antingen skulle kunna sitta i någon lägenhet eller allmänna utrymmen. De monterades i switchrummet (två stycken), cykelgaraget, garaget samt i ett konferensrum.

En TV monterades också i switchrummet där även en digitalbox, en VoIP-box (för fast IP-telefoni), diverse datorer och mobiltelefoner användes.

Följande funktioner testades:

• Anslutning till gästnät • Wifi calling – nor.net connect • Anslutning till MKB fastighetsskötarnät (visa täckning) • Anslutning till DigitalTV-box • Anslutning av smartphone till Wifi i lägenhet med olika abonnemang (100/10Mbps).

Både i lägenhet och andra utrymmen. • Anslutning till TV (utan 802.1x) för t ex Youtube • 4K Ultra HD TV över Wifi • Styrning av TV från smartphone på annan AP (komma åt lägenhetsnät från annan AP) • Anslutning dator till uttag på AP (nr 3) • Anslutning VoIP telefonibox • Täckningskomplettering (mesh) • Porttelefon (att svara och öppna lås till ytterdörr)

30 (54)

• Aktivering av abonnemang hos boende över WiFi.

Det verifierades sedan dels att kundaktivering fungerar med MKB Nets portal, och att:

Internetåtkomst fungerar digitalboxen för TV fungerar och ger valda kanaler till TVn VoIP-telefoni fungerar det fungerar att komma åt sitt lägenhets LAN (lokalt accessnät) även från allmänna

utrymmen (eller från grannens AP) Chromecast med mera som beror av att vara på samma nät fungerar grannarnas datorer inte blir synliga oavsett om de skulle använda samma AP gästnätverk fungerar på alla AP (både allmänna utrymmen och i lägenheterna) accesspunkterna ger en stabil uppkoppling kontakterna som kan kopplas till TV samt vägguttag fungerade tillfredsställande.

Detta har demonstrerats internt inom projektet och till MKB och allt gick som förväntad.

Carrier-grade WiFi accesspunkt i MKB Greenhouse

10. Energieffektivitet

Inne i energieffektiv byggnad kan man uppmärksamma att telefonensbatteri laddas ur snabbare än vanligt. Detta sker på grund av att starkare signal krävs att komma fram till basstationer. Samma effekt, men i större skala kan ses vid basstationens antenn – det åtgår mer energi att ”trycka” signalen igenom dämpande väggar av energieffektiva hus. Det är alltså mer energieffektivt att inte låta signalen gå igenom ytterväggarna, utan istället låta radiosignalen ha sitt sändarursprung på insidan av byggnaden, närmare användaren. Projektet har gjort beräkningar och en uppskattning av hur mycket kan man vinna om man når

31 (54)

slutanvändare inifrån byggnaden, alltså med en antenn placerad inomhus, jämfört med en signal som kommer från makronäten utifrån – baserat på befintlig forskning.

Projektet har inte hittad någon modell för just energieffektiva hus, men det finns relevant och liknande forskning som jämför energianvändning (kWh) för leverans av ett visst antal Gb/s19,20. Dessa beräkningar visar bland annat att i 3G accessnät det spenderas 2.9 kWh per GB data dock vid relativt låg förbrukning av 8.5 GB per abonnemang och år. Denna siffra kan inte skalas upp lineärt på grund av hur modellen är uppbyggt. Uppskattningsvis spenderas i Sverige lite över 30 kWh per användare för ”mogna”/utbyggda 2G/3G/4G-nät varav det mesta kommer från radiobasstationerna21. Motsvarande siffrorna för ”representative user” (en genomsnittsanvändare från 2014 med 11 GB årlig förbrukning) och ”heavy user” (en höganvändare från 2014 med 30 GB per år) via inomhusnät är 3.3 respektive 9 kWh. Jämförelsen mellan makronät och inomhusnät (30 GB) illustreras i bilden nedan:

Internt har projektet kommit fram att denna skillnad är sannolikt ännu större för energieffektiva byggnader och moderna surfvolymer även om det inte finns färdig modell i litteraturen. Enligt projektets uppskattningar kan denna siffra uppnå på kort sikt några kWh per kvadrat meter och år, t o m upp till 10 % av den deklarerade gränsen för energieffektiv bostad på 55 kWh per kvm och år22. Notera att denna siffra inte inkluderas i byggnadsenergiklakyl för att den ligger som energianvändning av basstationen hos mobiloperatör. Slutsatsen blir att det är betydligt mer energieffektivt ur ett helhetsperspektiv att använda sig av signaler från inomhusnät än signaler utifrån makronäten.

11. Affärsmodeller

En av de största frågorna för mobiltäckningen inomhus i bostäder är vem som betalar de extra kostnader som krävs att förbättra inomhustäckningen på ett eller annat sätt. Projektet har haft

19 Malmodin, J., Lundén, D., Moberg, Å., Andersson, G., & Nilsson, M. (2014). Life cycle assessment of ICT. Journal of Industrial Ecology, 18(6), 829-845. 20 Ercan, M. et al. (2016). Life cycle assessment of a smartphone. Paper published and presented at: ICT for Sustainability (ICT4S), Amsterdam, 30-31 August 2016. 21 Samtal med J. Malmodin (Ericsson Research), Mars 2017. 22 Kravet på 55 KWh/kvm-år är vid eluppvärmning för klimatzon III (Stockholms län).

0

5

10

15

20

25

30

35

Makronät Inomhusnät

Energianvändning

(kWh/användare/år)

32 (54)

en dedikerad grupp som jobbade fram ett antal möjliga modeller anpassade för följande huvudtyper av lösningar:

1. Antennät med repeaterlösning – vidareförmedling av rikstäckande mobilnätens utomhussignaler

2. Antennät med lokalt mobilnät på licensfritt band (3GPP) – inkopplingsalternativ för rikstäckande operatörer via trafikavtal (roaming)

3. Antennät med uppkoppling av rikstäckande mobiloperatörer via egna basstationer 4. WiFi-teknik (Wifi Calling)

Huvudantagandet i affärsmodellen är att det alltid slutkundens bidrag, i vårt fall den boende, som finansierar uppgraderingen i slutändan men på vägen är det många aktörer som ska investera och ta olika former av kostnader och parterna behöver vara överens om hur kostnader och intäkter fördelar sig. Även om slutkunden kan ha en god betalningsvilja är det ändå fastighetsägaren som behöver göra merparten av investeringen och den nya infrastrukturen behöver en ny fungerande ersättningsmodell för det. Här skiljer förutsättningarna mycket mellan bostadsformerna bostadsrätter och hyresrätter.

En bostadsrättsförening kan via sin styrelse besluta om ny investering för att komplettera infrastruktur i befintlig byggnad alternativt kravställa på mobiltäckning vid beställning av nybyggnation.

Hyresrätter och allmännyttans förutsättningar för investering i kompletterande infrastruktur är mer komplex och fastighetsägaren behöver förhandla med hyresgästföreningen om antingen höjd hyra på grund av höjt bruksvärde alternativt att ersättningen ligger utanför hyran och att kunden betalar den som tjänst liknande bredband. Det första alternativet, bruksvärdeshöjning, är troligen inte en framkomlig väg då hyresgästföreningens förväntade position är att lägenheter med täckningsproblem har ett sänkt bruksvärde som utgångspunkt och att kravet är att bruksvärdet ska upp till ”normal” standard. Det senare alternativet, en extern tjänst, skapar ingen kollektiv anslutning (alla bidrar) och därmed blir det svårt att få infrastrukturen finansierad. Allmännyttan får inte av princip och med visst lagstöd göra olönsamma investeringar.

De nationella mobiloperatörernas huvudsakliga position är att problemet är skapat av täta fastigheter och därmed är problemet fastighetsägarens och inte deras. Om de bidrar till investeringen finns ingen fungerande affärsmodell för operatörerna att få ut mer ersättning för deras redan sålda mobilabonnemang för personer/företag som bor/verkar i en tät fastighet.

Fastighetsägarnas position visavi mobiloperatörerna är att de tycker att det är operatörerna som har problemet då deras tjänster inte fungerar för deras kunder. Fastighetsägarna har och ska bygga efter aktuella byggnormer vilket, givet oförändrad byggnadsteknik, leder till täta byggnader och de ska inte belastas för att de följer lagar och därtill har de i dag inget med operatörernas tjänster eller affär att göra.

33 (54)

Alla ovan nämnda utmaningar till trots har alla parter en förståelse för att problemet finns och att det sannolikt kommer att öka i omfattning. Projektet haft därför haft en arbetshypotes som föreslår att kostnaderna, både kapital och drift, fördelas på ett flexibelt sätt mellan kund, fastighetsägaren, operatören som förvaltar infrastrukturen för mobiltäckning inne huset. För att dels lösa dödläget mellan kunder, operatörer och fastighetsägare har projektet huvudsakligen studerat framkomlig väg via alternativ ”öppet lokalt 3GPP nät” med tillägget att nätet är öppet och operatörsneutralt samt alternativ ”carrier-grade WiFi”.

För alternativet ”öppet lokalt 3GPP nät” har projektet studerat möjligheten att introducera en så kallad mikrooperatör (begrepp etablerat av PTS), som på fastighetsägarens uppdrag designar, investerar i aktiv cellulär utrustning samt driver nätet öppet och operatörsneutralt. Denna modell liknar modellen för bredbandstjänster som idag benämns kommunikationsoperatör (KO).

I projektet har vi använt oss av begreppet ”Lokalnätsoperatör” med de olika evolutionsstegen 2.0 och 3.0, där den principiella utformningen är illustrerad i bilagan ”Befintliga och kommande affärsmodeller”. Notera att begreppet ”Lokalnätsoperatör” (LO) är skapat för denna studie för att beskriva en förändrad och utökad roll jämfört med dagens kommunikationsoperatörer (KO), och den omfattar såväl mobila som fasta accesser.

Nedanstående bild beskriver ett tänkt affärsflöde och modellen är framtagen för hyresrätter som ett exempel på hur kostnader och intäkter kan fördelas. Siffrorna baseras på uppskattningar av marknadspriser ca 2016-2017 och installation av koaxialkabel-baserat nät uppkopplad via repetearantenner eller som lokalt 3GPP nät. Modellen möjliggör att uppkopplingen av externa mobila operatörer gradvis. Rollerna kan kombineras mellan olika aktörer vid behov. Affärsriskerna fördelas mellan ägarna till passiva och aktiva näten.

34 (54)

Arbetshypotesen för kommersiellt samarbete mellan aktörerna runt infrastrukturen för mobiltäckning inomhus

Ovanstående modell skulle kunna vara en vinn-vinn-vinn för inblandade aktörer men hittills har varken mobiloperatörer eller fastighetsägare tagit detta steg och är avvaktande.

För operatörer talar lösningen emot att en ny mellanhand blandar sig in i affären och därmed har de varken kontroll på slutkundsaffären, leveransen eller tekniken då sista delen av accessen sköts av annan aktör. För fastighetsägarna kräver lösningen att de först har en överenskommelse med alla parter i kedjan för att A: alla operatörer erbjuder en tjänst och B: att det kan få rimlig avkastning och risk på deras investering. Slutligen finns en tveksamhet från fastighetsägarana att investera i ytterligare en infrastruktur förutom bredband och kabel-TV. Deras målbild är snarare att konsolidera till en – bredband. Ska denna modell fungera krävs en omfattande förankring.

För alternativ ”carrier-grade WiFi”, har projektet i piloten hos MKB i Malmö testat att installera en carrier-grade WiFi infrastruktur kompletterad med egenutvecklade funktioner (se också Sektion 8). Detta alternativ drivs med två drivkrafter både för att förändra och förbättra både dagens bredbandserbjudande samt att få en lösning på problemet med inomhustäckning. För bredband är problemet att dagens bredbandstjänst antingen erbjuds via fasta datauttag

35 (54)

medan kundens användande blir alltmer trådlös. Om kunden dock har en trådlös router kan dess prestanda i flerbostadshus vara låg på grund av bland annat störning mellan olika okoordinerade accesspunkter. Där finns ofta också gemensamma utrymmen (trapphus, förråd, garage, mm.) som typiskt inte får täckning varken för boende eller.

Alternativ ”carrier-grade WiFi” kan därmed erbjuda en lösning för att dels uppgradera bredbandstjänsten som ändå behövs och samtidigt utgöra infrastruktur för att lösa problemet med inomhustäckning givet att infrastrukturen byggs med carrier-grade WiFi och WiFi Calling (hård- eller mjukvarubaserad) används för röstsamtal. Ovan lösning kan även utgöra infrastruktur för framtidens tv-distribution som där även denna traditionellt kabelbundna tjänst numer konsumeras alltmer trådlöst. Därtill möter denna lösning fastighetsägarens målbild om att konsolidera infrastrukturen.

36 (54)

12. Materialmätningar och passiva åtgärder

Med passiva lösningar menas metoder att förbättra radiokommunikation inom en byggnad. Byggnadsmaterial kan dämpa radiovågor kraftigt. Det är intuitivt att förstå att en plåtbeläggning eller metalldörr inte släpper igenom radiovågor. Däremot är det kanske inte lika enkelt att inse att en betongvägg och ett lågenergifönster också dämpar kraftigt och i princip kan blockera radiokommunikation.

Ett enskilt materials egenskaper behöver inte vara avgörande om en byggnadskomponent är sammansatt av flera olika material eller har genomföringar. Skarvar kan ha komplexa elektromagnetiska egenskaper som är svåra att uppskatta. I teorin är komponentens egenskaper beräkningsbara från geometri och ingående material men i praktiken kan det vara svårt att genomföra och då kan det vara enklare att mäta.

Arbetapaketet om passiva lösningarna har huvudsakligen varit inriktat på att etablera en mätmetod för att karakterisera byggnadsmaterial och byggnadskomponenter.

Modellering

Syftet med att mäta upp byggnadsmaterial och -komponenter är kunna förutsäga radiovågsutbredningen i en byggnad. Kunskap om det krävs för att kunna göra en optimal utplacering av basstationer i kommunikationssystem som WLAN och mobiltelefoni. Överslag baserade på erfarenhet används oftast idag men det är också möjligt att göra detaljerade beräkningar.

Modellering och beräkning har inte varit en del av projektet men exempel från andra projekt demonstrerar användningen. I projektrapporten ”Mobiltäckning i energieffektiva byggnader, Jan Carlsson, Jan Welinder, E2B2 2016:02” visas beräkningar utförda i det kommersiella programmet WinProp från Altair FEKO. Fig -1 är tagen ur rapporten. Förutom byggnadens geometri har också materialdata lagts in. I programmet kan ett mätvärde från t.ex. en dörr läggas in som materialdata för en väggsektion. Hur bra resultat beräkningen ger beror i huvudsak på hur bra indata som matas in.

Fig -1. Signalstyrka från en yttre mobilmast inne i en byggnad. Jämförelse mellan beräkning

och mätning.

37 (54)

En viktig anledning till att detaljerade beräkningar inte används i någon större utsträckning är att det för närvarande krävs mycket arbete för att skapa en bra datormodell. Detta är ingen principiell begränsning och skulle kunna lösas genom att integrera nödvändiga data i de digitaliserade byggnadsinformationsmodellerna (BIM).

En annan väg är att förenkla beräkningsmetodiken. I ett examensarbete från LTH ”Indoor Radio Propagation Modelling with Antenna Placement Optimization, Fabian Ågren (2017)” visas att också förenklade beräkningar kan ge goda resultat. Också i dessa beräkningar finns uppmätta data för transmissionen genom väggen med.

Fig 0. Signalstyrka från basstation (märkt T) i ett våningsplan. Jämförelse mellan mätning och beräkning. Gröna och röda mätpunkter representerar tillräcklig respektive otillräcklig

signalstyrka.

Mycket teoretiskt grundarbete är gjort för att skapa ett effektivt beräkningsverktyg men mycket återstår för att integrera beräkning av mobiltäckning i byggprocessen.

Mätmetod

Transmissionen av radiostrålning genom byggnadskomponenter jämförs med hur mycket strålning som kommer genom en öppning med samma storlek. Transmissionen mäts ofta dB som anger hur stor andel av strålningens effekt som tar sig igenom. Relationen mellan dB och % anges i tabell 1.

Transmissionen är alltså en dimensionslös kvot mellan två effekttätheter som i sig mäts i W/m2. Dessvärre används också andra mätetal baserade på fältstyrka (mäts i V/m) eller av telefoner upptagen effekt (mätt i dBm) vilket skapar förvirring

0 dB 100 % -10 dB 10 % -20 dB 1 % -30 dB 0,1 % -40 dB 0,01 % -50 dB 0,001 %

38 (54)

-60 dB 0,0001 %

Tabell 1. Översättning mellan dB och % använt för mätning av transmission. Siffran visar hur

stor del av strålning mätt i W/m2 som tar sig genom en konstruktion.

Mätningens grundprincip är att sätta en radiosändare på ena sidan och ett mätinstrument med en mätantenn på den andra. Detta emellertid inte lika enkelt som det låter. Den höga dämpningen i vissa sammanhang gör att båda sidor måste isoleras noga från varandra så att all strålningen enbart passerar genom byggnadskomponenten (1).

Fig 1. Grundprincip för mätning av transmissionen. Ett mätinstrument (nätverksanalysator) sänder ut en signal genom provobjektet och mäter den passerade signalen i en

mottagarantenn. Signalstyrka med och utan provobjekt jämförs.

Mätprincipen finns beskriven i några äldre standarder avsedda att bestämma kvaliteten på skärmade rum: MIL-STD-285, IEEE 299, EN50147-1. Mätningar på material refererar ofta till någon av dessa standarder när de utförs med en liknande metod. Sättet att mäta har stora nackdelar. Antennernas placering är viktig eftersom strålningsnivån är starkast mitt för och avtar mot sidorna. Flera antennplaceringar används ofta men de är oklart hur de ska vägas samman. Strålningens riktning och polarisation har betydelse utan att metoden tar hänsyn till det.

En modernare metod finns beskriven i IEC 61000-4-21. Den bygger på användning av modväxlande kammare (fig 2). Huvudprincipen kvarstår i grunden men antennen på vardera sidan placeras i en reflekterande kammare. Efter många reflektioner kommer strålningen från ”alla” riktningar överallt i kammaren och särskilt mot provföremålet. I varje enskilt ögonblick finns ett interferensmönster som är komplext och svårberäknat. Genom att ändra interferensmönster med en rörlig reflekterande yta (”paddel”) kan en stor uppsättning olika interferensmönster skapas. Mätresultatet får man efter medelvärdesbildning över ett stort antal mätningar med olika paddelpositioner.

39 (54)

Fig 2. En noggrannare och bättre definierad mätmetod mäter strålningen när provföremålet är monterat i en mellanvägg i en modväxlande kammare. Metoden kräver många mätningar

och statistisk bearbetning.

Den i projektet använda metoden är en vidareutveckling av metoden som är beskriven i IEC 61000-4-21. Utvecklingen består i en förbättrad kalibrering. Den kompletta metodbeskrivningen finns i bilaga n ”Shielding measurement method for building components using nested reverberation chambers”.

Som en del av projektet genomfördes en kraftig modifiering av ett befintligt skärmrum (fig 3). Rummet förstorades och en mellanvägg och ”paddlar” monterades (fig 4).

En självklart viktigt egenskapen är rummets egen täthet och framför allt tätheten i den mellanvägg där provföremålen monteras. Detta tillsammans med instrumentens specifikation bestämmer hur känsligt mätsystemet blir. Känsligheten avgör hur låg transmission som kan mätas på ett korrekt sätt. Den uppmätta känsligheten redovisas i fig 5. Känsligheten är tillräcklig för det här projektet men mätresultatet antyder att tätheten i mellanväggen kan förbättras.

Fig 3. Kammarens exteriör.

40 (54)

Fig 4. Bild tagen genom dörren synlig i bild 4.

Mätningar på komponenter

Branddörr

En normal brand- och ljudklassad dörr köptes in för mätningen (DALOC typ S33, brandklass Ei30). Dörrblad och dörrkarm är i stål (fig 4). Tröskeln är byggd i trä. Dörren är målad och det sitter en tätningslist av plast/gummi mellan dörrblad och karm. Dörrbladet är därmed elektriskt kopplat till karmen enbart genom gångjärnen. Dörren monterades så att det blev elektrisk kontakt mellan stålkarmen och mätkammarens mellanvägg längs sidor och överdel. Tröskeln i trä påverkades inte.

Uppmätningen av transmissionen genom dörren ses i fig 5. 3 - 10% av strålningen som träffar dörren tar sig igenom i en stor del av frekvensbandet. I en smal resonans vad ca 1800 MHz tar sig nästan allt igenom. Materialmätningar tyder på att bärande vägg av armerade betong kan ha en transmission så låg som -50 dB (0,001%). Det finns mätningar med betydlig högre resultat (-20 dB) men troligen är väggen då inte helt homogen utan det finns dörrar eller andra typer av genomföringar.

Mätobjekt - branddörr

Mätantenn

Dörröppning in till kammaren

”Paddel”

41 (54)

500 1000 3000 6000

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Tra

nsm

issio

n

Frekvens (MHz)

Door

Reference

Fig 5. Transmission genom branddörr av stål. Genom att dörrblad och karm är skilda åt med en gummipackning

uppstår en slits runt hela dörren som släpper igenom förhållandevis mycket signal. Det grå fältet visar typisk transmission genom en bärande betongvägg. Den svarta kurvan visar mätuppställningens känslighet.

Fönster

Det är välkänt att glasbeläggningar som förbättrar energiegenskaper hos fönster samtidigt dämpar radiovågor. Orsaken är att beläggningen ofta innehåller ett tunt skikt av metalliskt silver med en typisk ledningsförmåga om 4 Ω/kvadrat. Tidigare mätningar har visat att transmissionen är -40 dB vilket betyder att 0,01 % av strålningseffekten släpps igenom. För att förbättra transmissionen putsades beläggningen bort på ett antal små slitsar (fig 6). Ytornas storlek är anpassade för att skapa ett brett våglängdsområde.

Fig 6. Ritning av fönsterglas med beläggningen bortskrapad i frekvensanpassade slitsar.

Transmissionen visas i fig 7. Förbättringen är markant jämfört med den grå zonen som visar hur ett glas med opåverkad beläggning kan förväntas uppföra sig.

42 (54)

500 1000 3000 6000

-80

-60

-40

-20

0

Tra

nsm

issio

n

Frekvens (MHz)

Window

Fig 7. Uppmätt transmission genom slitsar i fönster (blå kurva). Som jämförelse finns inlagt typiska

transmission genom obelagd glasskiva (grönt) och genom belagd glasskiva utan slitsar (grått).

I analogi med dörrmätningen kan man förvänta sig läckage i fönsterkarmen. Ett enkelt experiment gjordes där ett belagt glas monterades i en metallram. Monteringen liknar inte ett normalt fönster men ger en indikation att effekten finns. Mätresultatet visas i fig 8 där grön kurva visar läckaget. Det saknades elektrisk kontakt mellan fönstrets beläggning och metallramen. Huvuddelen av strålningen kan antas passera i skarven mellan glas och metallram. Som jämförelse visar den röda kurvan i samma diagram hur transmissionen genom slitsarna ser ut.

500 1000 3000 6000

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Tra

nsm

issio

n (

dB

)

Frequency (MHz)

Slitsar

Metallram

Fig 8. Transmission genom läckage i metallram respektive genom slitsar. Om en belagd glasskiva inte monteras med beläggning i elektrisk kontakt med en metallram kan det bli ett betydande läckage.

Modifiering av byggnadskomponenter – passiva antenner

Transmissionen genom homogena strukturer som saknar slitsar eller hål beror helt på materialets egenskaper. Åtskilliga byggnadsmaterial har ingen eller mycket dålig

43 (54)

transmission: plåt, energieffektivt glas och armerad betong. Ett speciellt problem är bärande betongväggar som kan ha en transmission på mindre än -40 dB (< 0,01%). Om man vill undvika att göra större hål i väggen blir den därmed en effektiv spärr mot vågutbredningen.

Det går självfallet att använda aktiva signalförstärkare (repeatrar) eller annan teleutrustning men det kan också göras mycket enklare. En passiv antenn utan elektronik kan användas för att ta radiostrålningen genom väggen (fig 9).

En simulering gjordes för att visa effekten. Antennen är anpassad enbart för frekvensen 800 MHz och tänkt att fånga upp signalen från en antenn i ett trapphus och föra den in i en lägenhet genom en bärande vägg. Den kopplas enbart med en signalkabel till en identisk antenn på insidan. Antenntypen är en 168 mm dipol placerad 37,5 mm över ett jordplan, en metallfolie med 500 mm diameter. En verklig tillämpning kan kraven på riktverkan och framför allt frekvensband vara annorlunda.

Fig 9. Princip för den passiva antennen. En sändare i t.ex. ett trapphus riktar signalen mot antennen på väggen som enbart via en kabel för över den genom betongväggen.

Simuleringes resultat visas i fig 10. Övre bilden visar hur strålningen breder ut sig genom väggen. I den högra bilden är den passiva antennen markerad. Väggen har en transmission på -45 dB vilket är normalt för en 20 cm vägg i armerad betong. Röd färg markera hög fältstyrka och blå låg. Transmissionen genom väggen räknat som genomsnittet av fältstyrkan blir -11,2 dB. Dvs. 8 % av strålningen tar sig in. Ytterligare förbättringar kan fås genom att flera antenner placeras ut på väggen. Med fem antenner blev transmissionen -6,3 dB.

44 (54)

Fig 10. Simulering av signalstyrka vid sändning genom en betongvägg utan (överst) och med (underst) passiv antenn. Transmissionen förbättras från -45dB (0,003%) till -11,2 dB (8%).

Slutsatser: passiva åtgärder

Mätningarna och simuleringen visar att ganska små saker kan ha stor betydelse för mobiltäckningen. Varför den ibland blir bra och ibland dåligt är inte fullständigt klarlagt. Teorin bakom är välkänd, materialegenskaper är välkänd och simuleringsprogram finns. Det som saknas är den praktiska erfarenheten och tillämpningen. Fler mätningar och strukturerade undersökningar krävs för att hitta rekommendationer som kan förankras väl i byggprocessen. Slutsatsen är att det går att förbättra byggnadskonstruktionens medverkan i radiomiljön i byggnader med ganska små medel. Rätt utfört bör byggnadskostnaden påverkas enbart marginellt.

45 (54)

Bilaga ” Skärmning i armerad betong”

Bärande väggar

Med bärande väggar avses här väggar i betong med armering. Tjockleken är standardmässigt ca 220 mm. Bärande väggar är väsentliga byggnadselement som dessvärre också har en väsentligt påverkan på radiovågsutbredning och därmed inomhustäckning. Bärande väggar finns i hög grad inne i byggnader och utgör därmed en barriär mellan lägenheter eller t.ex. mellan lägenheter och trapphus.

En radioförbindelses förmåga att ta sig fram avgörs av:

Sändarens antenn Sändarens effekt Mottagarens känslighet Mottagarens antenn Avstånd och hinder

Räknar vi på en WiFi-förbindelse på 10 m avstånd kan vi ha en marginal 30 dB.

(f = 2,5 GHz, antenngain = 1, tx-effekt = 20 dBm, rx-känslighet = -70dBm ger pathloss – 60 dB)

NIST23 har rapporterat mätningar på en mängd byggnadsmaterial och några resultat finns i fig 1 - 3.

Fig 1 visar att signalmarginalen inte räcker för att genomtränga en 203 mm betongvägg för frekvenser över drygt 1 GHz.

Fig 2 visar att armeringen inte har en stor påverkan. Något oväntat är oarmerat inte det bästa fallet, något som rapporten inte undersöker närmare.

Fig 3 visar mätningar enbart på armeringsnätet. Som väntat ger ett glesare nät mindre dämpning.

Resultatet är inte generellt för alla radiosystem. Genomfördes beräkningen på en 155 MHz komradio skulle resultatet bli ett helt annat. Lägre frekvens, högre sändareffekt och känslighet skulle ge en utmärkt funktion.

23 http://fire.nist.gov/bfrlpubs/build97/PDF/b97123.pdf

46 (54)

Fig 1A och 1B. Betong 102, 203 och 205 mm (blandning 8). Mittkurvan har ungefär samma tjocklek som en bärande vägg.

Fig 2A och 2B. Armerad betong. Enbart 203 mm tjocklek (blandning 8). C88L = Unreinforced Reference; RC881L = 1% Steel; RC882L = 2% Steel. Observera att mittkurvan är oarmerad!

47 (54)

Fig 3A och 3B. Armeringsnät 70 och 140 mm

48 (54)

Bilaga ”Befintliga och kommande affärsmodeller”

Nuläge (problembeskrivning)

Operatörsdrivna inomhusnät (idag)

49 (54)

Lokalnätsoperatör LO2.0 – Efterinstallation (cellulärt)

Lokalnätsoperatör LO2.0 – Högkvalitets-WiFi

50 (54)

Lokalnätsoperatör LO3.0 – Vision om integrerad och heltäckande modell

51 (54)

Bilaga “Shielding measurement method for building components using nested reverberation chambers”

Abstract

In this document a method for measuring the radio frequency shielding performance of building components is presented. The method is based on the use of nested reverberation chambers and the measured shielding effectiveness values represent averages over incident directions and polarizations, thus representing a real realistic scenario.

Shielding effectiveness

Buildings are in real-life exposed to complex electromagnetic environments where fields are incident with various polarizations and angles of incidence. Therefore, the measurement method for the characterization of building components should preferably represent this type of environment. When performing measurements in a reverberation chamber, the fields are incident on the test sample with various polarizations and angles of incidence. Thus, measurement using a reverberation chamber offers the environment we would like to have. There are various reverberation chamber measurement techniques found in the literature and international standards. However, some of these techniques can give incorrect results because aperture and cavity-size effects are not correctly accounted for. For this reason we use the approach presented in [1] which accounts for aperture, cavity size, and chamber loading effects. The validity of the measurement method was verified in [2].

We quantify the shielding performance of the test sample, i.e., the building component, in terms of the shielding effectiveness (SE) which is defined as the following ratio [1];

,dB 10

,

SE 10 loginc

t s s

inct ns ns

P S

P S

= − ⋅

(2.1)

where ,t sP is the power transmitted through an aperture with the test sample mounted, ,t nsP is

the power transmitted through the same aperture with no sample (i.e., open aperture), and incsS

and incnsS are respectively the power densities incident onto the aperture with and without the

test sample. The different quantities are illustrated in Figure 0.1.

Figure 0.1 Illustration of the powers and power densities in the definition of shielding effectiveness (SE)

in (2.1). The coloured rectangle represents the test sample.

incnsS inc

sS,t nsP ,t sP

52 (54)

As is shown in [1] the SE given by (2.1) can be written as the ratio of the transmission cross sections for the aperture with and without the test sample in place, thus;

,dB 10

,

SE 10 log t s

t ns

σ

σ

= − ⋅

(2.2)

How to measure these two quantities in nested reverberation chambers is addressed in the next chapter.

Measurement method

For the measurement we would like to have the same type of environment on both sides of the test sample, i.e., we would like to have waves with various polarizations and angles of incidence on both sides. To accomplish this we use nested reverberation chambers as illustrated in Figure 0.2.

Figure 0.2 Nested reverberation chambers for measuring shielding effectiveness (SE).

As detailed in Figure 0.2 we use mode stirrers in the outer as well as the inner chamber. These can be either moved in steps or moved continuously. For the measurement setup at SP we use two metallic mode stirrers that are rotated in discrete steps in the outer chamber, and one continuously rotating mode stirrer in the inner chamber. For the large mode stirrer in the outer chamber 30 steps are used and for the small 8 steps, giving a total of 240 samples. For the continuously rotating stirrer in the inner chamber care should be taken so that the rotation speed does not affect the measurement results. This can be checked by changing the speed within the possibilities of the motor and observing any influence. Based on experience a speed of about 20 rpm is a good choice. If in doubt, the measurement procedure can be validated by repeating the measurements presented in [2].

Outer chamber

Inner chamber

Test sample

Mode stirrer

Mode stirrer

53 (54)

For convenience a vector network analyser (VNA) is used for the measurements. For each mode stirrer position (30 by 8, i.e., in total 240 positions) the VNA does a complete frequency sweep and the 21S data is saved. When all positions of the stirrers have been gone through the

complex average of 21S is computed (denoted as 21S ). In order to determine the shielding

effectiveness 21S needs to be measured for six different cases, with and without the test

sample in place. The different cases and the corresponding 21S are defined in Figure 0.3.

When all 21S have been determined the SE can be computed by [2];

21, , 21, , 21, ,

10dB

21, , 21, , 21, ,

SE 20 logio s oo ns ii ns

io ns oo s ii s

S S S

S S S

= − ⋅

(3.1)

The details of how to derive (3.1) from the definition given in (2.2) can be found in [1] and [2]. It should be noted that the measured SE represents the average SE, i.e., the average over all possible polarizations and angles of incidence.

Figure 0.3 Definition of the different 21S that need to be measured in order to determine the shielding

effectiveness (SE).

Limitations

As for all measurements in reverberation chambers we cannot measure for lower frequencies than a certain limit. This limit is mainly determined by the dimension of the chamber, the larger chamber the lower frequencies we can measure. Thus, for our case the low frequency limit is determined by the inner chamber, which by necessity is the smaller of the two. The lowest usable frequency is determined by not only the dimension of the chamber but also other factors such as the efficiency of the mode stirrers. Assuming the mode stirrers are

21, ,io sS21, ,oo sS

21, ,io nsS21, ,oo nsS

21, ,ii sS 21, ,ii nsS

54 (54)

efficient and other factors can be neglected, the low frequency limit can approximately be calculated as five to six times the frequency of the first eigenmode. Assuming the two largest dimensions of the rectangular chamber are denoted a and b, respectively, the frequency of the first eigenmode is given by;

0011 2 2

1 1

2

cf

a b= + (3.2)

where 0c is the speed of light in free space.

The measurement method outlined in the previous chapter correctly accounts for loading effects in the two chambers. It should however be noted that this doesn’t mean that we can load any of the chambers too much. Each chamber still needs to work as reverberation chambers so they cannot be loaded more than to a certain limit. Thus, if we should measure test samples with high losses care should thus be taken so that we do not load any of the two chambers too much. Where this limit is needs to be determined experimentally by checking the field statistics. How this can be done can, e.g., be found in [3].

For test samples with a high shielding effectiveness another limiting factor is leakage into the inner chamber through other paths than through the test sample, e.g., through seams, cable shields etc. This will limit the highest SE that can be measured, i.e., limit the dynamic range. In practice, a dynamic range of about 70 dB is quite easy to achieve so for measurements of building components this is most likely not an issue.

References

[1] C. L. Holloway, D. A. Hill, J. Ladbury, G. Koepke, and R. Garzia, “Shielding effectiveness

measurements of materials using nested reverberation chambers”, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 45, no. 2, pp. 350-356, May 2003.

[2] J. Carlsson, K. Karlsson, A. Johansson, “Validation of shielding effectiveness measurement method using nested reverberation chambers by comparison with aperture theory”, EMC Europe 2012, 11th International Symposium on EMC, Rome, Italy, 17-21 Sept., 2012.

[3] IEC 61000-4-21, “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-21: Testing and measurement techniques – Reverberation chamber test methods”, First edition 2003-08.

mobiltäckning inomhus i moderna energieffektiva...

Documents