En bättre antenn för mobilnät

När du pratar i en mobiltelefon delar du radiofrekvenser med alla andra som använder en inom en radie på tre kilometer från närmaste basstation. Som alla vet fungerar den här delningen inte alltid perfekt – överbelastning av nätverket kan leda till statiska, avbrutna samtal och långsamma datanedladdningar.

Men vad händer om du inte behövde dela en mobiltelefonsignal? Tänk om den närmaste basstationen kunde rikta en radiostråle direkt mot din telefon när du flyttade runt, snarare än att spy ut signaler åt alla håll? I det scenariot kan du förvänta dig tydligare röstsamtal och snabbare leverans av digital information som webbsidor eller video. Och genom att skicka ut flera strålar kan din mobiloperatör leverera förbättrade signaler till andra kunder också.

Detta tillvägagångssätt för att öka kapaciteten hos cellulära nätverk kallas adaptiv strålformning. Och ingenjörer på Nokia för det snabbt närmare kommersiell användning. Även om den finska telekomjätten är mest känd för sina telefoner, är den också en stor leverantör av nätverks- och överföringsutrustning till mobiloperatörer. I underkällaren till Nokia Research Center i Helsingfors, Finland, där deras utrustning är satt i karantän från larmet av cellulära signaler, bygger og testar forskare en prototyp strålformande basstationsantenn som kan tredubbla kapaciteten hos den senaste generationen av mobilnät.

[Klicka här för att se bilder av antennen, dess omgivningar och dess skötare.]

De nya nätverken är inte överbelastade än. Men det är ingen anledning till självbelåtenhet. 3G-systemen, som bredbands-CDMA, har precis börjat distribueras runt om i världen, så nätverken är på intet sätt överbelastade för tillfället, säger Hannu Kauppinen, senior forskningschef för radioteknologier vid Nokia Research Center. Men vi räknar med att operatörerna i framtiden kommer att ha behov av kapacitetsökningar. Det är därför vi undersöker den här funktionen.

Medan ett traditionellt mobiltelefontorn fungerar som en grässprinkler och strålar ut i en cirkel, fungerar en strålformande antenn som en slang. Grundtanken är att man i ett trångt område vill ge maximal signal till rätt person, snarare än att slösa energin genom att sprida den över en bredare volym, förklarar Greg Hindman, president och medgrundare av Torrance, CA-baserade Nearfield Systems. , som bygger test- och mätsystem för tillverkare av radioutrustning. Många av våra kunder arbetar med detta.

Nya sätt att stödja fler uppringare behövs eftersom mobiltelefonnätverk använder en begränsad resurs: radiospektrumet. Den ursprungliga tekniken för att betjäna flera trådlösa användare i ett befolkat utrymme, banbrytande för mer än 40 år sedan, var att dela upp utrymmet i celler, var och en betjänad av en separat basstation. Men eftersom cellerna var stora och kunde innehålla många kunder räckte det inte. Signaler måste delas upp med hjälp av olika radiofrekvenser, eller kanaler.

I USA räckte dock det spektrum som tilldelats av regeringen för första generationens, analoga cellulära nätverk för att stödja endast 56 kanaler per cell – den 57:e uppringaren i en given cell hade ingen tur. Så frekvenserna måste delas upp ytterligare.

I Time Division Multiple Access (TDMA) digitala nätverk delas varje skur av information på en viss frekvens i tre tidsluckor, var och en några millisekunder långa. Dessa platser är tilldelade tre olika telefoner, som var och en kan sätta ihop data från sin tidslucka till en kontinuerlig konversation. Resultatet är att tre telefoner åt gången kan använda samma frekvens, vilket tredubblar kapaciteten för varje cell, till ungefär 168 kanaler. TDMA är den grundläggande tekniken bakom protokoll som Global System for Mobile Communications, eller GSM, som används av stora företag som China Mobile, T-Mobile, Cingular-avdelningen av nya AT&T, och Personal Communications Services, eller PCS, som används av Sprinta.

En alternativ teknik är att helt överge kanaler och istället sprida flera konversationer i små bitar över hela cellspektrat. I denna metod, känd som Code Division Multiple Access (CDMA), lyssnar alla telefoner i en viss cell på samma frekvensområde och tar emot samma rådata, men varje databit inleds av en digital kod som är unik för en kunds telefon . Endast den telefonen kan välja ut och återmontera delarna som utgör användarens konversation. CDMA är det föredragna trådlösa protokollet för Verizon Wireless i USA, Orange i Europa och NTT DoCoMo i Japan.

Den tredje generationens (eller 3G) versionen av CDMA kallas Wideband CDMA, vilket syftar på dess större kapacitet att överföra data som musik och levande rörliga bilder. Under idealiska omständigheter kan WCDMA-nätverk skicka data med nästan DSL-hastigheter: 384 kilobit per sekund till rörliga användare och 2 megabit per sekund till stationära användare, jämfört med cirka 50 kilobit per sekund för andra generationens nätverk. Den här standarden har redan antagits av NTT DoCoMo och andra operatörer, och Nokia har investerat mycket i protokollet, byggt de nödvändiga telefonerna, basstationsutrustningen, datorsystemen och programvaran.

När Nokia nu rustar upp för att hantera förväntad överbelastning på WCDMA-nätverk, har dess forskare kommit i full cirkel: de har återvänt till idén om att dela upp cellulära signaler rumsligt. Precis som första generationens cellulära teknologi delade upp rymden i celler, delar beamforming celler i skivor, var och en betjänad av en annan stråle. (Beamforming-teknik kan appliceras på alla typer av digitala cellulära nätverk, inte bara CDMA-baserade.)

Även om strålformning i sig inte är en ny idé, har den aldrig framgångsrikt tillämpats på mobiltelefoni. Det är i grunden gammal militärteknik, säger Kauppinen. Vissa radarer har fungerat med denna princip under mycket lång tid. Men bara under de senaste åren har vi haft en förståelse för hur strålformning faktiskt skulle fungera i cellulära nätverk.

Den strålformande antennen som testas i Helsingforslaboratoriet är faktiskt åtta antenner i en. Den är gjord av kopparremsor vardera cirka åtta centimeter i diameter, sammansvetsade till en yta som täcker cirka en kvadratmeter. Enheten modulerar skickligt de överlappande radiovågorna från de åtta antennerna för att styra signaler i specifika riktningar. (Fler antenner skulle kunna användas, men de beräkningar som krävs för att styra signalerna ökar drastiskt när fler antenner läggs till.)

Föreställ dig att du tappar två stenar samtidigt i en stillastående damm. På vissa ställen kommer topparna av de spridande krusningarna att sammanfalla, vilket skapar högre toppar. På andra ställen kommer topparna av den ena krusningen att ta bort dalarna på den andra och lämna lugnt vatten. Att tappa stenarna vid lite olika tidpunkter kommer dessutom att ändra platserna där topparna sammanfaller. Genom att beräkna tidsintervallen exakt kan du i teorin få de högsta topparna att rada upp sig i en specifik riktning.

Det är så Nokias strålformande antenn fungerar. En låda bakom kopparplåten innehåller de sofistikerade förstärkarna och digitala signalbehandlingskretsar som behövs för att styra så många som åtta separata strålar i olika riktningar. I praktiken skulle det sannolikt finnas många anropare inom bågen för varje stråle, så standardkoddelningstekniker skulle användas inom varje stråle för att betjäna flera anropare, vilket teoretiskt ökar den totala nätverkskapaciteten med en faktor åtta. Men på grund av komplicerande faktorer, såsom geografi och interferens mellan strålar, skulle användning av åtta strålar faktiskt inte öka nätverkskapaciteten åtta gånger. I simuleringar av semi-urbana och urbana miljöer fann vi att [den strålformande antennen] ökade kapaciteten med en faktor två till tre, säger Kauppinen.

Nokia tycker att det är en förbättring nog för att intressera mobiloperatörer. Och det finns en annan anledning till teknikens överklagande: till skillnad från andra typer av antennuppsättningar, behöver en strålformande antenn inte flera tjocka, tunga och dyra kopparkablar för att ansluta till förstärkarutrustning på marken. Istället finns all nödvändig utrustning inuti själva antennen.

Om man måste ha fyra kablar, var och en kanske en tum tjock, som går upp till en antennuppsättning, är det ett praktiskt hinder, och det är den främsta anledningen till operatörernas ovilja att installera antennuppsättningar, säger Thomas Höhne, forskare vid Kauppinens labb. Nu när förstärkaren är integrerad i antennen betyder det att vi kan köra en tunn optisk fiber upp till antennen. Och effektförstärkaren behöver inte vara extra stark, eftersom vi lägger ihop signalerna från antennerna.

Kauppinen säger att prototypens elektronik fungerar bra. Om några veckor kommer teamet att testa den strålformande antennen i företagets underjordiska ekofria kammare. Sedan tar de den upp på taket och ser hur den presterar i Helsingfors friska luft. Vi vill visa att våra simuleringar är sanna, och samla praktisk erfarenhet, säger Kauppinen.

Det är oklart när strålformande antenner kan vara tillgängliga för kommersiellt bruk. Det är ett proof-of-concept-projekt, betonar Kauppinen – utformat för att övertyga företagets affärsenheter om att tekniken kan utvecklas till en livskraftig produkt.

Även om Nokia går vidare kommer det inte att vara ensamt. Enligt Hindman från Nearfield Systems köper många företag, inklusive en hel del i Kina, Sydkorea och Taiwan, utrustning för att testa strålformning. Tekniken verkar sannolikt bli ytterligare ett av de knep som mobiloperatörer använder för att uppfylla löftet om trådlösa bredbandstjänster av hög kvalitet.

Dölj