211service.com
Een betere antenne voor mobiele netwerken
Als je op een mobiele telefoon praat, deel je radiofrequenties met iedereen die er een gebruikt binnen een straal van drie kilometer van het dichtstbijzijnde basisstation. Zoals iedereen weet, werkt dit delen niet altijd perfect - netwerkcongestie kan leiden tot statische, verbroken oproepen en langzame gegevensdownloads.
Maar wat als u geen gsm-signaal hoeft te delen? Wat als het dichtstbijzijnde basisstation een radiostraal rechtstreeks op uw telefoon zou kunnen richten terwijl u zich verplaatst, in plaats van signalen in alle richtingen te spuwen? In dat scenario kunt u duidelijkere spraakoproepen en snellere levering van digitale informatie zoals webpagina's of video verwachten. En door meerdere stralen uit te zenden, kan uw mobiele provider ook verbeterde signalen aan andere klanten leveren.
Deze benadering om de capaciteit van cellulaire netwerken te vergroten, wordt adaptieve bundelvorming genoemd. En de technici van Nokia brengen het snel dichter bij commercieel gebruik. Hoewel de Finse telecommunicatiegigant vooral bekend staat om zijn telefoons, is het ook een belangrijke leverancier van netwerk- en transmissieapparatuur aan mobiele operators. In de sub-sub-kelder van het Nokia Research Center in Helsinki, Finland, waar hun apparatuur in quarantaine wordt geplaatst vanwege het geraas van cellulaire signalen, bouwen en testen onderzoekers een prototype beamforming-basisstationantenne die de capaciteit van de nieuwste generatie van mobiele netwerken.
[ Klik hier om afbeeldingen van de antenne, de omgeving en de bewaarders te bekijken.]
Die nieuwe netwerken zijn nog niet overbelast. Maar dat is geen reden tot zelfgenoegzaamheid. De 3G-systemen, zoals breedband CDMA, beginnen net over de hele wereld te worden ingezet, dus de netwerken zijn op dit moment geenszins overbelast, zegt Hannu Kauppinen, senior onderzoeksmanager voor radiotechnologieën bij Nokia Research Center. Maar we voorzien dat operators in de toekomst behoefte zullen hebben aan capaciteitsuitbreidingen. Daarom onderzoeken we deze functie.
Terwijl een traditionele gsm-mast werkt als een gazonsproeier en in een cirkel uitstraalt, werkt een beamforming-antenne als een slang. Het basisidee is dat je in een drukke omgeving het maximale signaal aan de juiste persoon wilt geven, in plaats van de energie te verspillen door het over een groter volume te verspreiden, legt Greg Hindman, president en medeoprichter van Torrance, CA-based Nearfield Systems uit. , dat test- en meetsystemen bouwt voor fabrikanten van radioapparatuur. Veel van onze klanten zijn hiermee bezig.
Er zijn nieuwe manieren nodig om meer bellers te ondersteunen omdat mobiele telefoonnetwerken een eindige hulpbron gebruiken: het radiospectrum. De oorspronkelijke techniek voor het bedienen van meerdere draadloze gebruikers in een bevolkte ruimte, die meer dan 40 jaar geleden werd ontwikkeld, was om de ruimte op te delen in cellen, die elk werden bediend door een afzonderlijk basisstation. Maar aangezien cellen groot waren en veel klanten konden bevatten, was dat niet genoeg. Signalen moesten worden opgedeeld met behulp van verschillende radiofrequenties of kanalen.
In de Verenigde Staten was het spectrum dat door de overheid was toegewezen voor analoge mobiele netwerken van de eerste generatie echter voldoende om slechts 56 kanalen per cel te ondersteunen - de 57e beller in een bepaalde cel had pech. De frequenties moesten dus verder worden opgedeeld.
In Time Division Multiple Access (TDMA) digitale netwerken wordt elke burst van informatie op een bepaalde frequentie opgesplitst in drie tijdsleuven, elk van enkele milliseconden lang. Deze slots zijn toegewezen aan drie verschillende telefoons, die elk de gegevens uit het tijdslot kunnen samenvoegen tot een continu gesprek. Het resultaat is dat drie telefoons tegelijk dezelfde frequentie kunnen gebruiken, waardoor de capaciteit van elke cel wordt verdrievoudigd tot ongeveer 168 kanalen. TDMA is de basistechniek achter protocollen zoals het Global System for Mobile Communications, of GSM, gebruikt door grote bedrijven zoals China Mobile, T-Mobile, de Cingular-divisie van het nieuwe AT&T, en Personal Communications Services, of PCS, gebruikt door Sprint.
Een alternatieve techniek is om kanalen helemaal te verlaten en in plaats daarvan meerdere gesprekken in kleine stukjes over het hele cellulaire spectrum te verspreiden. Bij deze methode, die bekend staat als Code Division Multiple Access (CDMA), luisteren alle telefoons in een bepaalde cel naar hetzelfde frequentiebereik en ontvangen ze dezelfde onbewerkte gegevens, maar elk stuk gegevens wordt voorafgegaan door een digitale code die uniek is voor de telefoon van één klant . Alleen die telefoon kan de stukjes uitzoeken en weer in elkaar zetten die het gesprek van de gebruiker vormen. CDMA is het draadloze voorkeursprotocol van Verizon Wireless in de Verenigde Staten, Orange in Europa en NTT DoCoMo in Japan.
De derde generatie (of 3G) versie van CDMA wordt Wideband CDMA genoemd, verwijzend naar de grotere capaciteit om gegevens zoals muziek en live bewegende beelden te vervoeren. In ideale omstandigheden kunnen WCDMA-netwerken gegevens verzenden met snelheden die bijna DSL zijn: 384 kilobits per seconde naar bewegende gebruikers en 2 megabits per seconde naar stationaire gebruikers, vergeleken met ongeveer 50 kilobits per seconde voor netwerken van de tweede generatie. Deze standaard is al overgenomen door NTT DoCoMo en andere providers, en Nokia heeft zwaar geïnvesteerd in het protocol en de benodigde telefoons, basisstationapparatuur, computersystemen en software gebouwd.
Terwijl Nokia zich nu opmaakt om de verwachte congestie op WCDMA-netwerken aan te pakken, hebben de onderzoekers de cirkel rond: ze zijn teruggekeerd naar het idee om cellulaire signalen ruimtelijk te verdelen. Net zoals de eerste generatie cellulaire technologie de ruimte in cellen verdeelt, verdeelt beamforming cellen in plakjes, die elk worden bediend door een andere straal. (Beamforming-technologie kan worden toegepast op elk type digitaal mobiel netwerk, niet alleen op CDMA-gebaseerde netwerken.)
Hoewel beamforming zelf geen nieuw idee is, is het nooit met succes toegepast op mobiele telefonie. Het is eigenlijk oude militaire technologie, zegt Kauppinen. Sommige radars werken al heel lang met dit principe. Maar pas in de afgelopen jaren hebben we inzicht gekregen in hoe beamforming daadwerkelijk zou werken in cellulaire netwerken.
De beamforming-antenne die in het laboratorium van Helsinki wordt getest, is eigenlijk acht antennes in één. Het is gemaakt van koperen strips van elk ongeveer acht centimeter breed, aan elkaar gelast tot een oppervlak van ongeveer een vierkante meter. Het apparaat moduleert slim de overlappende radiogolven van de acht antennes om signalen in specifieke richtingen te sturen. (Er zouden meer antennes kunnen worden gebruikt, maar de berekeningen die nodig zijn om de signalen te sturen nemen drastisch toe naarmate er meer antennes worden toegevoegd.)
Stel je voor dat je twee stenen tegelijk in een stilstaande vijver laat vallen. Op sommige plekken zullen de toppen van de spreidende rimpelingen samenvallen, waardoor hogere toppen ontstaan. Op andere plaatsen zullen de toppen van de ene rimpeling de dalen van de andere opheffen, waardoor kalm water overblijft. Bovendien zal het laten vallen van de stenen op enigszins verschillende tijdstippen de locaties veranderen waar de pieken samenvallen. Door de tijdsintervallen precies te berekenen, zou je in theorie de hoogste pieken in een bepaalde richting kunnen laten uitlijnen.
Zo werkt de beamforming-antenne van Nokia. Een kast achter de koperen plaat bevat de geavanceerde versterkers en digitale signaalverwerkingscircuits die nodig zijn om maar liefst acht afzonderlijke bundels in verschillende richtingen te sturen. In de praktijk zouden er waarschijnlijk veel bellers zijn binnen de boog van elke bundel, dus binnen elke bundel zouden standaard technieken voor codedeling worden gebruikt om meerdere bellers te bedienen, waardoor de totale netwerkcapaciteit theoretisch met een factor acht zou toenemen. Vanwege complicerende factoren, zoals geografie en interferentie tussen bundels, zou het gebruik van acht bundels de netwerkcapaciteit echter niet acht keer vergroten. In simulaties van semi-stedelijke en stedelijke omgevingen ontdekten we dat [de bundelvormende antenne] de capaciteit met een factor twee tot drie verhoogde, zegt Kauppinen.
Nokia denkt dat dat genoeg is om mobiele operators te interesseren. En er is nog een reden voor de aantrekkingskracht van de technologie: in tegenstelling tot andere soorten antenne-arrays, heeft een beamforming-antenne niet meerdere dikke, zware en dure koperen kabels nodig om aan te sluiten op versterkingsapparatuur op de grond. In plaats daarvan bevindt alle benodigde apparatuur zich in de antenne zelf.
Als je vier kabels moet hebben, elk misschien 2,5 cm dik, die omhoog gaan naar een antenne-array, dan is dat een praktisch obstakel, en het is de belangrijkste reden voor de onwil van operators om antenne-arrays te installeren, zegt Thomas Höhne, een onderzoeker in Kauppinen's laboratorium. Nu de versterker in de antenne is geïntegreerd, kunnen we een dunne optische vezel tot aan de antenne leiden. En de eindversterker hoeft niet extra sterk te zijn, want we tellen de signalen van de antennes bij elkaar op.
Kauppinen zegt dat de elektronica van het prototype goed werkt. Over een paar weken zal het team de bundelvormende antenne testen in de ondergrondse echovrije kamer van het bedrijf. Daarna nemen ze hem mee naar het dak en kijken hoe hij presteert in de frisse lucht van Helsinki. We willen laten zien dat onze simulaties kloppen en praktijkervaring opdoen, zegt Kauppinen.
Het is onduidelijk wanneer beamforming-antennes beschikbaar zijn voor commercieel gebruik. Het is een proof-of-concept-project, benadrukt Kauppinen, ontworpen om de business units van het bedrijf ervan te overtuigen dat de technologie kan worden ontwikkeld tot een levensvatbaar product.
Zelfs als Nokia doorgaat, zal het niet de enige zijn. Volgens Hindman van Nearfield Systems kopen veel bedrijven, waaronder een flink aantal in China, Zuid-Korea en Taiwan, apparatuur om beamforming te testen. De technologie lijkt waarschijnlijk een van de trucs te worden die mobiele operators gebruiken om de belofte van hoogwaardige draadloze breedbandservice waar te maken.