Den universella mobiltelefonen

Den stora trådlösa revolutionen, som tog fart i och med mobiltelefonernas spektakulära spridning på 1990-talet, och som ska ge bredbandsinternet till prylen i fickan, är i trubbel.

Efterfrågan stiger, vilket tvingar tillverkare av trådlös utrustning och nätverksoperatörer att investera miljarder för att möta mänsklighetens outtömliga törst efter att ansluta var som helst, när som helst. Den globala försäljningen av mobiltelefoner ökade från sju miljoner 1990 till 700 miljoner förra året och beräknas nå 1,7 miljarder år 2005. Fler och fler användare förväntar sig att deras telefoner ska leverera mycket tydliga röstsignaler och att ta emot deras e-post, om än långsamt .

Den här historien var en del av vårt aprilnummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men som frustrerade uppringare vet är det svårt att kommunicera med mobiltelefoner. Problemet: dagens trådlösa nätverk använder en labyrint av inkompatibla överföringsstandarder, så vägkrigare är inte garanterade en kopplingston när de reser. Enbart amerikanska trådlösa operatörer använder tre konkurrerande standarder, och bara en av dessa är kompatibel med den ledande standarden i Europa, som själv har flera varianter. De flesta asiatiska trådlösa nätverk är byggda enligt en annan standard. Denna radiovåg Babel förhindrar de flesta mobiltelefoner i USA från att vara lönsamma någon annanstans. Det begränsar också amerikanska tillverkares stordriftsfördelar gentemot utländska konkurrenter.

Den trådlösa revolutionens problem går utöver motstridiga standarder. Konsumenter förväntar sig konsekvent mer avancerade funktioner, så modeller som var toppmoderna t.ex. 1995 kommer att verka antika 2003. Då kommer nästan alla nya mobiltelefoner att erbjuda någon form av internetåtkomst. Miljontals människor i Japan, till exempel, köpte i-mode, en tjänst som låter dem använda mobiltelefoner för att skicka textmeddelanden, köpa aktier och kolla sportresultat. Över hela världen spenderar företag miljarder för att bygga ett nytt nätverk, vanligtvis kallat tredje generationen, eller 3G, som förväntas ge bredbandsdetaljerade webbsidor, musik, till och med video till din mobiltelefon.

Hur spännande det än är för konsumenterna har dessa framsteg ett pris, eftersom det för närvarande inte finns något enkelt sätt att uppgradera mobiltelefoner, eller basstationerna som överför deras signaler till nätverket, utan att byta hårdvara. Dessutom kan den trådlösa industrin inte förutsäga vilka erbjudanden som kommer att bli vinnare; konsekvenserna av att inte gissa rätt kan vara förödande. Förra året spenderade europeiska trådlösa operatörer mycket pengar för att erbjuda telefoner utrustade med ett format som kallas Wireless Access Protocol, bara för att finna köparna otåliga med sin långsamma nedladdningshastighet. Efterfrågan var svag.

Inte konstigt att trådlösa företag letar efter sätt att göra sina nätverk flexibla, för att undvika kostsam eftermontering när efterfrågan förändras. En teknik som först utvecklades av militären och som nu eftersträvas av flera teknikledare kan vara nyckeln. Tekniken är känd för experter som mjukvarudefinierad radio, eller SDR. (Radio syftar här inte på AM eller FM, utan till all utrustning som kommunicerar genom etern på radiofrekvenser, som mobiltelefoner gör.) Fördelen med detta nya tillvägagångssätt är att det flyttar arbetsbelastningen för trådlösa enheter från dedikerade komponenter till programvara som kan omprogrammeras för att fungera på en annan standard eller lägga till applikationer. Det är helt annorlunda än dagens mobiltelefoner och basstationer, där praktiskt taget all signalbehandling utförs av elektroniska kretsar utformade för att göra en och bara en sak.

Migrationen mot trådlösa nätverk som är anpassningsbara på grund av deras användning av omprogrammerbar programvara är en av de viktigaste trenderna inom teknik idag, säger analytiker Craig Mathias från MobileInsights i Mountain View, Kalifornien. James Gunn, från det Dallas-baserade konsultföretaget Forward Concepts, kallar denna trend för det revolutionerande nästa steg som trådlös teknik behöver.

Flexibel programvara kan också hjälpa till att lösa ett annat grundläggande problem för hela det trådlösa företaget: brist på spektrum (eller bandbredd). När efterfrågan på trådlös kommunikation exploderar, finns det en åtföljande brist på nödvändiga frekvenskanaler. Federal Communications Commission drog nyligen slutsatsen att nätverk som använder omprogrammerbar programvara kan lindra den bristen eftersom de kan söka upp och använda tillfälligt obesatta kanaler. I december förra året föreslog FCC regler för sin licensiering av utrustning och programvara för att påskynda USA:s antagande av tekniken.

Mer som en PC

De första mobiltelefonerna förlitade sig på dussintals hårdvarukomponenter. Under de senaste 15 åren har programmerbara chips tillkommit, men deras funktion är oföränderligt inställd vid tillverkningen. Idag gör dedikerade chip för enstaka ändamål det mesta av arbetet i mobiltelefoner och basstationer; dessa marker är gjorda så enkla som möjligt för att hålla kostnaderna nere.

Med tanke på sammanblandningen av motstridiga standarder och den ojämna tillkomsten av nästa generations trådlösa bredband, börjar tillverkare som Motorola se dedikerade komponenter som en skyldighet. En tillverkare som gissar fel om den framtida standarden kommer att hamna med mycket värdelöst skräp i sina lager. Som Ken Riordan, från Motorolas personliga kommunikationssektor i Libertyville, IL, uttrycker det, om du bestämmer din lösning till hårdvara och du får fel, kommer du att hamna i en mycket hotad situation.

Så mer allmänt ändamålsenlig programvara som kan omprogrammeras ser tilltalande ut. Ingen förstår avvägningarna bättre än Joseph Mitola III, en radioingenjör som många insiders uppfattar som den centrala innovatören på området. Tidigt i livet blev Mitola fascinerad av datorkod; han lärde sig Fortran när han gick på gymnasiet i Providence, RI, på 1960-talet. När han kom till college-Northeastern University i Boston, säger han att han var en av få som visste hur man programmerar vad som helst. Mitola hade också pysslat med radioapparater. Att kombinera båda intressena ledde till en karriär som skapade topphemliga radiodesigner för militären, inklusive de första mjukvarudefinierade radioapparaterna, som var för militärt bruk ( se sidofältet The Military Seed ). Faktum är att den kommersiella trådlösa industrin lärde sig om tekniken i början av 1990-talet främst genom Mitolas uppsatser och föreläsningar. Hans militära chefer godkände dessa för offentlig publicering, och ansåg att militären kunde gynnas om den kommersiella världen drev tekniken ytterligare och sänkte kostnaderna.

Problemet som Mitola försökte lösa liknade den situation som skulle uppstå om du var tvungen att sätta in ett nytt kretskort i din PC varje gång du ville göra en annan uppgift, säg, byta från webbsurfning till ett kalkylblad. Du skulle så småningom få ont om utrymme inuti lådan. Detsamma gäller för mobiltelefoner. Om du vill fylla på fyra funktioner till betyder det att varje enhet måste vara ungefär en fjärdedel av storleken den var tidigare, säger Mitola, nu på McLean, VA, kontor för MITRE, ett ideellt FoU-konsultföretag. Men, tillägger han, chips krymper inte tillräckligt snabbt för att göra det möjligt, med tanke på de många standarder och funktioner som den trådlösa revolutionen kräver.

Framtida telefoner-smartare fortfarande

Trådlösa enheter som morphs genom olika personligheter i farten skulle vara en välsignelse för sina användare. Men samtidigt skapar de politiska problem, som ny teknik som går över gränser ofta gör. Historiskt sett godkänner FCC varje utrustning för en typ av användning och specifik kanal. Hur ska tillsynsmyndigheterna licensiera mobiltelefoner och basstationer som lätt kan ändras efter att de har använts? Hur fri ska tredje part vara att ladda ny programvara i din telefon? Hur kommer det att vara möjligt att skilja legitima uppgraderingar av nätverket från skurkar som försöker undergräva det?

FCC beslutade att regler för att täcka dessa scenarier inte behövdes ännu. Men den drog också slutsatsen att det borde underlätta denna tekniks utveckling. En huvudorsak är bristen på tillräckligt med spektrum för tredje generationens trådlösa tjänster i USA för närvarande. Så utrustning som nosar upp och använder oanvända delar av spektrum kan lindra det som FCC kallar den amerikanska spektrumtorkan.

För att göra detta krävs dock att både basstationer och telefoner blir supersmarta – ett steg till vad Joe Mitola kallar kognitiv radio. En kognitiv enhet kommer inte bara att skanna sin spektrala miljö; den kommer också att ha inbyggt minne och kartor och positioneringsmöjligheter. Dessa kommer att göra det möjligt för den att reagera intelligent på sin omgivning.

Under de senaste två åren har Mitola byggt en grov civil version av en kognitiv radio som ett doktorandprojekt för Kungliga Tekniska Högskolan. När den här enheten är utomhus konfigurerar den sig själv för att använda det rådande mobiltelefonprotokollet; när den bärs inomhus växlar den till formatet för byggnadens lokala nätverk. Mitola förklarar att en mer avancerad version skulle kunna veta att personen som bär den är i trubbel och skicka en nödsignal på den lokala nödfrekvensen för att ge bärgare var den befinner sig.

Men mobiltelefoner som omorienterar till en ny kanal för tillfälligt bruk måste få tillstånd att hyra det spektrumet under en viss tid av den officiella licensinnehavaren. I en uppsats som förebådade hans doktorsavhandling föreslog Mitola ett betalningssystem som skulle använda signalprotokollen. Med ett sådant system skulle din intelligenta handdator skanna spektrumet för att hitta en kanal som inte användes för tillfället; till exempel kan den hitta en som den lokala brandkåren hade tillstånd att använda men som erbjöd att hyra. Din radio skulle bjuda på att hyra kanalen. Brandkårens radioapparater, som tog emot budet, kunde komma överens - eller vänta på andra bud. Men i samma ögonblick som stationens klockor ringde och brandmännen behövde tillbaka sin kanal, skulle deras radioapparater stöta bort hyresgästen. Mitola räknar med att kanalens ägare kan återta kontrollen på 25 millisekunder - en fördröjning som skulle vara omärklig för mänskliga högtalare. Din kognitiva mobiltelefon skulle logga ut, räkna ut och betala en räkning för använd tid och sedan börja skanna efter en annan öppen kanal.

FCC, genom att stödja denna vision, har gått samman med en osannolik allierad: George Gilder, självutnämnd telekosmos seare och kritiker av FCC för att ha hållit tillbaka innovation. Gilder har i åratal förutspått att intelligens kommer att växa i kanterna av det trådlösa telekomnätet med resultatet att kanalerna blir flytande. Trådlösa enheter och nätverk som använder flexibel programvara, säger han, kommer att förändra hela världen av trådlös kommunikation, hur persondatorer förvandlade trådbundna nätverk.

De spektrum av spektrum som är mest kommersiellt önskvärda kallas ofta för bästa strandfastighet. Men Gilder vill att folk ska sluta tänka på spektrum som någon slags eterisk analog till fysiskt land. Smarta radioapparater föreslår inte en strand utan havets ändlösa vågor. Du kan inte hyra elektromagnetiska vågor mer än du kan hyra havsvågor.

Att göra det havet tillgängligt för miljarder människor kan vara en effekt av flexibla mjukvarubaserade trådlösa nätverk. Men redan innan vi når detta nirvana av spektrumöverflöd, kan tekniken göra trådlösa nätverk mer kostnadseffektiva och framtidssäkra - och hålla den trådlösa revolutionen igång.

Dölj