En bedre antenne for mobilnettverk

Når du snakker i en mobiltelefon, deler du radiofrekvenser med alle andre som bruker en innenfor en radius på tre kilometer fra nærmeste basestasjon. Som alle vet, fungerer ikke denne delingen alltid perfekt – overbelastning av nettverket kan føre til statiske, mistede anrop og trege datanedlastinger.





Men hva om du ikke trengte å dele et mobiltelefonsignal? Hva om den nærmeste basestasjonen kunne rette en radiostråle direkte mot telefonen din mens du beveget deg rundt, i stedet for å spy ut signaler i alle retninger? I det scenariet kan du forvente klarere taleanrop og raskere levering av digital informasjon som nettsider eller video. Og ved å sende ut flere stråler, kan mobiloperatøren også levere forbedrede signaler til andre kunder.

Denne tilnærmingen til å øke kapasiteten til mobilnettverk kalles adaptiv stråleforming. Og ingeniører hos Nokia bringer det raskt nærmere kommersiell bruk. Selv om den finske telekommunikasjonsgiganten er mest kjent for sine telefoner, er den også en stor leverandør av nettverks- og overføringsutstyr til mobiloperatører. I underkjelleren til Nokia Research Center i Helsingfors, Finland, hvor utstyret deres er satt i karantene fra lyden av mobilsignaler, bygger og tester forskere en prototype stråledannende basestasjonsantenne som kan tredoble kapasiteten til den nyeste generasjonen av mobilnettverk.

[Klikk her for å se bilder av antennen, dens omgivelser og dens brukere.]



De nye nettverkene er ikke overbelastet ennå. Men det er ingen grunn til selvtilfredshet. 3G-systemene, som bredbånds-CDMA, begynner akkurat å bli distribuert over hele verden, så nettverkene er på ingen måte overbelastet for øyeblikket, sier Hannu Kauppinen, senior forskningssjef for radioteknologier ved Nokia Research Center. Men vi regner med at operatørene i fremtiden vil ha behov for kapasitetsøkninger. Det er derfor vi undersøker denne funksjonen.

Mens et tradisjonelt mobiltelefontårn fungerer som en plensprinkler, og stråler ut i en sirkel, fungerer en stråledannende antenne som en slange. Den grunnleggende ideen er at du i et trangt område ønsker å gi maksimalt signal til den aktuelle personen, i stedet for å kaste bort energien ved å spre den over et større volum, forklarer Greg Hindman, president og medgründer av Torrance, CA-baserte Nearfield Systems. , som bygger test- og målesystemer for produsenter av radioutstyr. Mange av våre kunder jobber med dette.

Nye måter å støtte flere innringere på er nødvendig fordi mobiltelefonnettverk bruker en begrenset ressurs: radiospekteret. Den opprinnelige teknikken for å betjene flere trådløse brukere i et befolket rom, utviklet for mer enn 40 år siden, var å dele opp rommet i celler, hver betjent av en egen basestasjon. Men siden cellene var store og kunne inneholde mange kunder, var det ikke nok. Signaler måtte deles opp ved hjelp av forskjellige radiofrekvenser, eller kanaler.



I USA var imidlertid spekteret som ble tildelt av myndighetene for førstegenerasjons, analoge mobilnettverk nok til å støtte bare 56 kanaler per celle – den 57. oppringeren i en gitt celle var uheldig. Så frekvenser måtte deles opp ytterligere.

I Time Division Multiple Access (TDMA) digitale nettverk er hver burst av informasjon på en bestemt frekvens delt inn i tre tidsluker, hver noen få millisekunder lang. Disse sporene er tilordnet tre forskjellige telefoner, som hver kan sette sammen dataene fra tidsluken til en kontinuerlig samtale. Resultatet er at tre telefoner om gangen kan bruke samme frekvens, tredobler kapasiteten til hver celle, til omtrent 168 kanaler. TDMA er den grunnleggende teknikken bak protokoller som Global System for Mobile Communications, eller GSM, brukt av store selskaper som China Mobile, T-Mobile, Cingular-divisjonen til den nye AT&T, og Personal Communications Services, eller PCS, brukt av Sprint.

En alternativ teknikk er å forlate kanaler helt og i stedet spre flere samtaler i små biter over hele cellespekteret. I denne metoden, kjent som Code Division Multiple Access (CDMA), lytter alle telefoner i en bestemt celle til det samme frekvensområdet og mottar de samme rådataene, men hver databit innledes med en digital kode som er unik for én kundes telefon . Bare den telefonen kan plukke ut og sette sammen delene som utgjør brukerens samtale. CDMA er den foretrukne trådløse protokollen til Verizon Wireless i USA, Orange i Europa og NTT DoCoMo i Japan.



Den tredje generasjons (eller 3G) versjonen av CDMA kalles Wideband CDMA, og refererer til dens større kapasitet til å bære data som musikk og levende levende bilder. Under ideelle omstendigheter kan WCDMA-nettverk sende data med nesten DSL-hastigheter: 384 kilobit per sekund til bevegelige brukere og 2 megabit per sekund til stasjonære brukere, sammenlignet med omtrent 50 kilobit per sekund for andre generasjons nettverk. Denne standarden er allerede tatt i bruk av NTT DoCoMo og andre operatører, og Nokia har investert tungt i protokollen, og bygget de nødvendige telefonene, basestasjonsutstyret, datasystemer og programvare.

Mens Nokia forbereder seg nå for å håndtere forventet overbelastning på WCDMA-nettverk, har forskerne kommet i full sirkel: de har vendt tilbake til ideen om å dele cellulære signaler romlig. Akkurat som førstegenerasjons mobilteknologi delte plass i celler, deler stråleforming cellene inn i skiver, hver servert av en annen stråle. (Beamforming-teknologi kan brukes på alle typer digitale mobilnettverk, ikke bare CDMA-baserte.)

Selv om stråleforming i seg selv ikke er en ny idé, har den aldri vært vellykket brukt på mobiltelefoni. Det er i grunnen gammel militærteknologi, sier Kauppinen. Noen radarer har fungert med dette prinsippet i svært lang tid. Men først de siste årene har vi hatt en forståelse av hvordan stråleforming faktisk ville fungere i mobilnettverk.



Den stråledannende antennen som testes i Helsinki-laboratoriet er faktisk åtte antenner i én. Den er laget av kobberstrimler hver rundt åtte centimeter i diameter, sveiset sammen til en overflate som dekker omtrent en kvadratmeter. Enheten modulerer smart de overlappende radiobølgene fra de åtte antennene for å styre signaler i bestemte retninger. (Flere antenner kan brukes, men beregningene som kreves for å styre signalene øker drastisk etter hvert som flere antenner legges til.)

Tenk deg å slippe to steiner samtidig ned i en stille dam. På noen steder vil toppene av de spredende krusningene falle sammen, og skape høyere topper. På andre steder vil toppene av den ene krusningen oppheve bunnene til den andre, og etterlate rolig vann. Videre vil det å slippe steinene på litt forskjellige tidspunkter endre plasseringene der toppene faller sammen. Ved å beregne tidsintervallene nøyaktig, kan du i teorien få de høyeste toppene til å stille opp i en bestemt retning.

Det er slik Nokias stråledannende antenne fungerer. En kasse bak kobberplaten inneholder de sofistikerte forsterkerne og digitale signalbehandlingskretser som trengs for å styre så mange som åtte separate stråler i forskjellige retninger. I praksis vil det sannsynligvis være mange oppringere innenfor buen til hver stråle, så standard kodedelingsteknikker vil bli brukt innenfor hver stråle for å betjene flere oppringere, og teoretisk øke den totale nettverkskapasiteten med en faktor på åtte. På grunn av kompliserende faktorer, som geografi og interferens mellom stråler, ville bruk av åtte stråler faktisk ikke øke nettverkskapasiteten åtte ganger. I simuleringer av semi-urbane og urbane miljøer fant vi at [den stråledannende antennen] økte kapasiteten med en faktor på to til tre, sier Kauppinen.

Nokia mener det er en forbedring nok til å interessere mobiloperatører. Og det er en annen grunn til teknologiens appell: i motsetning til andre typer antenner, trenger ikke en stråleformende antenne flere tykke, tunge og dyre kobberkabler for å koble til forsterkerutstyr på bakken. I stedet er alt nødvendig utstyr inne i selve antennen.

Hvis du må ha fire kabler, hver kanskje en tomme tykke, som går opp til en antennegruppe, er det en praktisk hindring, og det er hovedårsaken til operatørenes motvilje mot å installere antenner, sier Thomas Höhne, forsker i Kauppinens avdeling. lab. Nå som forsterkeren er integrert i antennen betyr det at vi kan kjøre en tynn optisk fiber opp til antennen. Og effektforsterkeren trenger ikke å være ekstra sterk, fordi vi legger sammen signalene til antennene.

Kauppinen sier at prototypens elektronikk fungerer bra. Om noen uker vil teamet teste den stråledannende antennen i selskapets underjordiske ekkofrie kammer. Så tar de den opp på taket og ser hvordan den fungerer i Helsingfors friske luft. Vi ønsker å vise at simuleringene våre er sanne, og samle praktisk erfaring, sier Kauppinen.

Det er uklart når stråledannende antenner kan være tilgjengelige for kommersiell bruk. Det er et proof-of-concept-prosjekt, understreker Kauppinen – designet for å overbevise selskapets forretningsenheter om at teknologien kan utvikles til et levedyktig produkt.

Selv om Nokia går foran, vil den ikke være alene. I følge Hindman fra Nearfield Systems kjøper mange selskaper, inkludert ganske mange i Kina, Sør-Korea og Taiwan, utstyr for å teste stråleforming. Teknologien ser ut til å bli enda et av triksene som mobiloperatører bruker for å innfri løftet om trådløs bredbåndstjeneste av høy kvalitet.

gjemme seg