211service.com
En bedre antenne til mobilnetværk
Når du taler i en mobiltelefon, deler du radiofrekvenser med alle andre, der bruger en inden for en radius på tre kilometer fra den nærmeste basestation. Som alle ved, fungerer denne deling ikke altid perfekt - overbelastning af netværket kan føre til statiske, afbrudte opkald og langsomme datadownloads.
Men hvad hvis du ikke behøvede at dele et mobiltelefonsignal? Hvad hvis den nærmeste basestation kunne rette en radiostråle direkte mod din telefon, mens du bevægede dig rundt, i stedet for at spyle signaler i alle retninger? I det scenarie kunne du forvente klarere taleopkald og hurtigere levering af digital information som f.eks. websider eller video. Og ved at sende flere stråler ud, kan din mobiloperatør også levere forbedrede signaler til andre kunder.
Denne tilgang til at øge kapaciteten af cellulære netværk kaldes adaptiv beamforming. Og ingeniører hos Nokia bringer det hurtigt tættere på kommerciel brug. Selvom den finske telekommunikationsgigant er bedst kendt for sine telefoner, er den også en stor leverandør af netværks- og transmissionsudstyr til mobiloperatører. I underetagen af Nokia Research Center i Helsinki, Finland, hvor deres udstyr er i karantæne fra larmet fra cellulære signaler, bygger og tester forskere en prototype stråleformende basestationsantenne, der kan tredoble kapaciteten af den nyeste generation af cellulære netværk.
[Klik her for at se billeder af antennen, dens omgivelser og dens brugere.]
Disse nye netværk er ikke overbelastet endnu. Men det er ingen grund til selvtilfredshed. 3G-systemerne, såsom bredbånds-CDMA, er lige begyndt at blive implementeret rundt om i verden, så netværkene er på ingen måde overbelastede i øjeblikket, siger Hannu Kauppinen, senior forskningschef for radioteknologier ved Nokia Research Center. Men vi regner med, at operatørerne i fremtiden får behov for kapacitetsforøgelser. Det er derfor, vi undersøger denne funktion.
Hvor et traditionelt mobiltelefontårn fungerer som en plænesprinkler, der stråler i en cirkel, fungerer en stråledannende antenne som en slange. Den grundlæggende idé er, at man i et overfyldt område vil give det maksimale signal til den rette person, i stedet for at spilde energien ved at sprede den ud over et bredere volumen, forklarer Greg Hindman, præsident og medstifter af Torrance, CA-baserede Nearfield Systems. , som bygger test- og målesystemer til producenter af radioudstyr. Mange af vores kunder arbejder på dette.
Der er behov for nye måder at støtte flere opkald på, fordi mobiltelefonnetværk anvender en begrænset ressource: radiospektret. Den oprindelige teknik til at betjene flere trådløse brugere i et befolket rum, som blev banebrydende for mere end 40 år siden, var at opdele rummet i celler, hver betjent af en separat basestation. Men da cellerne var store og kunne indeholde mange kunder, var det ikke nok. Signaler skulle opdeles ved hjælp af forskellige radiofrekvenser eller kanaler.
I USA var det spektrum, som regeringen allokerede til førstegenerations, analoge cellulære netværk imidlertid nok til kun at understøtte 56 kanaler pr. celle – den 57. opkalder i en given celle var uheldig. Så frekvenser måtte deles yderligere op.
I Time Division Multiple Access (TDMA) digitale netværk er hver burst af information på en bestemt frekvens opdelt i tre tidsslots, hver nogle få millisekunder lange. Disse slots er tildelt tre forskellige telefoner, som hver kan sammensætte dataene fra dens tidsslot til en kontinuerlig samtale. Resultatet er, at tre telefoner ad gangen kan bruge den samme frekvens, tredobler kapaciteten af hver celle til omkring 168 kanaler. TDMA er den grundlæggende teknik bag protokoller såsom Global System for Mobile Communications eller GSM, der bruges af store virksomheder som China Mobile, T-Mobile, Cingular divisionen af det nye AT&T og Personal Communications Services, eller PCS, brugt af Sprint.
En alternativ teknik er helt at opgive kanaler og i stedet sprede flere samtaler i små stykker over hele cellespektret. I denne metode, kendt som Code Division Multiple Access (CDMA), lytter alle telefoner i en bestemt celle til det samme frekvensområde og modtager de samme rådata, men hvert stykke data indledes med en digital kode, der er unik for én kundes telefon . Kun den telefon kan udvælge og samle de dele, der udgør brugerens samtale. CDMA er den foretrukne trådløse protokol for Verizon Wireless i USA, Orange i Europa og NTT DoCoMo i Japan.
Den tredje generation (eller 3G) version af CDMA kaldes Wideband CDMA, hvilket refererer til dens større kapacitet til at transportere data såsom musik og levende levende billeder. Under ideelle omstændigheder kan WCDMA-netværk sende data med næsten DSL-hastigheder: 384 kilobit per sekund til bevægelige brugere og 2 megabit per sekund til stationære brugere, sammenlignet med omkring 50 kilobit per sekund for anden generations netværk. Denne standard er allerede blevet vedtaget af NTT DoCoMo og andre udbydere, og Nokia har investeret kraftigt i protokollen, bygget de nødvendige telefoner, basestationsudstyr, computersystemer og software.
Mens Nokia nu forbereder sig på at håndtere forventet overbelastning på WCDMA-netværk, er dets forskere kommet fuld cirkel: De er vendt tilbage til ideen om at opdele cellulære signaler rumligt. Ligesom førstegenerations cellulær teknologi opdelte rummet i celler, opdeler beamforming celler i skiver, der hver betjenes af en anden stråle. (Beamforming-teknologi kan anvendes på enhver type digitalt mobilnetværk, ikke kun CDMA-baserede.)
Selvom stråleformning i sig selv ikke er en ny idé, er den aldrig blevet anvendt med succes til mobiltelefoni. Det er dybest set gammel militærteknologi, siger Kauppinen. Nogle radarer har fungeret med dette princip i meget lang tid. Men først i de sidste par år har vi haft en forståelse af, hvordan beamforming faktisk ville fungere i cellulære netværk.
Den stråleformende antenne, der testes i Helsinki-laboratoriet, er faktisk otte antenner i én. Den er lavet af kobberstrimler hver omkring otte centimeter på tværs, svejset sammen til en overflade, der dækker omkring en kvadratmeter. Enheden modulerer smart de overlappende radiobølger fra de otte antenner for at styre signaler i bestemte retninger. (Flere antenner kunne bruges, men de beregninger, der kræves for at styre signalerne, stiger drastisk, efterhånden som flere antenner tilføjes.)
Forestil dig at tabe to sten samtidigt i en stille dam. Nogle steder vil toppene af de spredte krusninger falde sammen og skabe højere toppe. På andre steder vil toppene af den ene krusning udligne dalene på den anden og efterlade roligt vand. Desuden vil det at tabe stenene på lidt forskellige tidspunkter ændre de steder, hvor toppene falder sammen. Ved at beregne tidsintervallerne nøjagtigt, kan du i teorien få de højeste toppe til at stille op i en bestemt retning.
Det er sådan Nokias stråleformende antenne fungerer. En sag bag kobberpladen indeholder de sofistikerede forstærkere og digitale signalbehandlingskredsløb, der er nødvendige for at styre så mange som otte separate stråler i forskellige retninger. I praksis ville der sandsynligvis være mange opkaldere inden for buen af hver stråle, så standardkodeopdelingsteknikker ville blive brugt inden for hver stråle til at betjene flere opkaldere, hvilket teoretisk øger den samlede netværkskapacitet med en faktor på otte. Men på grund af komplicerende faktorer, såsom geografi og interferens mellem stråler, ville brug af otte stråler faktisk ikke øge netværkskapaciteten otte gange. I simuleringer af semi-by- og bymiljøer fandt vi, at [den stråleformende antenne] øgede kapaciteten med en faktor på to til tre, siger Kauppinen.
Nokia mener, at det er en forbedring nok til at interessere mobiloperatører. Og der er en anden grund til teknologiens tiltrækningskraft: I modsætning til andre slags antennesystemer behøver en stråleformende antenne ikke flere tykke, tunge og dyre kobberkabler for at forbinde til forstærkerudstyr på jorden. I stedet er alt det nødvendige udstyr inde i selve antennen.
Hvis du skal have fire kabler, hver måske en tomme tykke, der går op til et antennesystem, er det en praktisk hindring, og det er hovedårsagen til operatørernes tilbageholdenhed med at installere antennesystemer, siger Thomas Höhne, forsker i Kauppinens lab. Nu hvor forstærkeren er integreret i antennen, betyder det, at vi kan køre en tynd optisk fiber op til antennen. Og effektforstærkeren behøver ikke at være ekstra stærk, for vi lægger signalerne fra antennerne sammen.
Kauppinen siger, at prototypens elektronik fungerer godt. Om et par uger vil holdet teste den stråleformende antenne i virksomhedens underjordiske ekkofrie kammer. Så tager de den op på taget og ser, hvordan den klarer sig i Helsinkis friske luft. Vi vil gerne vise, at vores simuleringer er sande, og samle praktisk erfaring, siger Kauppinen.
Det er uklart, hvornår stråleformende antenner kan være tilgængelige til kommerciel brug. Det er et proof-of-concept-projekt, understreger Kauppinen - designet til at overbevise virksomhedens forretningsenheder om, at teknologien kan udvikles til et levedygtigt produkt.
Selvom Nokia går videre, vil den ikke være alene. Ifølge Hindman fra Nearfield Systems køber mange virksomheder, herunder en hel del i Kina, Sydkorea og Taiwan, udstyr til at teste stråleformning. Teknologien ser ud til at blive endnu et af de tricks, som mobiloperatører bruger for at leve op til løftet om trådløs bredbåndstjeneste af høj kvalitet.