Tre trådløse netværksteknologier, der kan gøre 5G endnu hurtigere
Der er taget mange første skridt til at udvikle et kommende 5G-mobilnetværk. DUDe, Massive-MIMO, fuld duplex er nogle af de vigtigste ingredienser for at få et 5G-netværk til at virke.

5G er på vej, og der skal ikke graves huller eller lægges kabler.
(Foto:<a href="shutterstock_195034640.jpg">Shutterstock</a>)

 

Nutidens kommunikationsnetværks kapacitet er en million gange større, end da det første netværk så dagens lys i 1957.

Men denne forbedring skyldes ikke bedre opkoblingsteknologier, som WiFi, 2G, 3G og så videre, da de kun gør kapaciteten fem gange større. Supplerende radiobølgefrekvenser, som bærer netværkstrafikken, står for at gøre kapaciteten 25 gange større.

Den største forbedring er sket ved at 'krympe' størrelsen på netværkenes 'celler' - som har øget kapaciteten 16.000 gange. Sagt med andre ord er den største udvidelse af kapaciteten sket ved at installere flere fysiske sendemaster, repeatere (også kaldet relæstationer) og andet udstyr for at skabe et mere kompakt netværk af noder, som kan bære en større mængde netværkstrafik.

Men det har været en meget dyr omgang - udgravning til kabler, opsætning af master, basestationer, relæstationer, vedligeholdelse og al den planlægning og bureaukrati, som følger med.

Så i den næste generation mobilnetværk 5G fokuserer designet på at klemme højere hastighed og kapacitet ud af, hvad vi allerede har til rådighed - uden at skulle tilføje mere infrastruktur.

'Ikke parrede' frekvenser til uplink og downlink

Et område, som efterforskes, er 'ikke parrede' frekvenser til downlink (DL) og uplink (UL), også kaldet  DUDe.

Fra den første generation af mobilnetværk til den seneste 4G, har downlink- (modtager) og uplink- (afsender) forbindelserne af hvilken som helst kommunikation været 'parrede'. (Man taler om såkaldte parrede frekvenser – eksempelvis 2 x 10 MHz, hvilket betyder, at man benytter 10 MHz til download og 10 MHz til upload).

Det betyder, at en mobiltelefon er forbundet til én station af gangen, og data både sendes og modtages gennem den samme forbindelse.

Historisk set, var det en en nær-optimal metode, da stationen og mobiltelefonen kunne vælge den stærkeste forbindelse, der var tilgængelig begge veje.

Men som netværkene er blevet mere forskelligartede og er begyndt at blande netværksceller af forskellige størrelser og sendemaster med forskellig sendestyrke, giver det bedre mening at skille de to ad.

En telefon vil kunne modtage information gennem en stor celle med høj ydeevne for at få maksimal hastighed, og så bruge en mindre celle til at sende data gennem dens radio med lavere ydeevne. Sådan kan man opnå dobbelt kapacitet og gøre forbindelserne op til 10 gange mere pålidelige.

Fordoblingen af duplex

Et andet område, der efterforskes, er fuld duplex radiotransmission. Fuld duplex betyder, at det er muligt at transmittere og modtage på den samme frekvens samtidig, på samme måde som vi kan tale til hinanden på en traditionel, analog landlinje.

CoSMIC, den første fuld duplex trådløse modtager i én enkelt siliciumchip.
(Foto: Jin Zhou/Harish Krishnaswamy/Columbia University)

Den slags relæstationer eller repeater, som bruges til at udvide netværket for satellit-, transmissions- og mobilnetværksbranchen, har benyttet fuld duplex i flere årtier.

Det opnås ved at benytte to antenner, som er placeret langt nok fra hinanden til at et kraftigt signal ikke forstyrrer det svagere modtagesignal.

Hvem kan designe et enkelt-antenne system, som fungerer på samme måde som et fuldt duplex?

Det hele afhænger af Signal Echo-Annullering. Den første milepæl var i 1978, men systemet var ikke driftsklart før 1990’erne. Systemerne kunne annullere de kraftige, udgående transmissions-signaler fra det svage, indgående modtagesignal og fjerne interferens. Denne teknik virker imidlertid kun over en ret smal båndbredde på et par MHz.

 

Miniature fuld duplex kan ændre hele branchen

Det er kun for ganske nyligt, at fuld duplex er gjort tilgængelig over bredbånd fra 10-100 MHz, og Echo-Annullering opnås både i analogt og digitalt domæne.

Kumu Networks er en af lederen på dette område. Virksomheden, som blev startet af ingeniører fra Stanford University, opsnappede US$15 millioner (knap 103 millioner DKK) fra investorer efter den første demonstration af fuld duplex, som brugte signal invertering annulleringsteknikker for 4 år siden. Teknikken raffinerer det teoretiske arbejde, der allerede eksisterer, og er kompatibel med nuværende mobilsystemer.

Ingeniører på Columbia University brugte lignende teknikker, da de implementerede dette på én enkelt microchip, og gjorde en miniaturisering af fuld duplex kredsløbet mulig for første gang. I den størrelse kan teknologien indføres i mobiltelefonernes håndsæt eller i tablets for at forøge ydeevnen.

Det er potentielt noget, der ændrer hele branchen, da det er forholdsvis ukompliceret at tilføje yderligere siliciumchips til eksisterende mobiltelefoner eller tablets. Med lidt ekstra justering giver det os dobbelt netværkskapacitet fra den ene dag til den anden, hvis det bliver indført overalt.

 

Mange flere antenner er en anden løsning

En anden mulighed er et kæmpe antennesystem, kaldet Massive-MIMO (Multiple- Input and Multiple-Output). Det er opfundet af Tom Marzetta i Bell Labs, og bruger et meget, meget stort antal antenner pakket ind i basestationer og håndsæt hvis muligt.

Her taler vi om tusindvis af antenner og ikke bare de 3 til 6, som vi almindeligvis bruger i dag. Det virker ulogisk, men i teorien vil det afskaffe interferens i systemet og give netværkets kapacitet og pålidelighed et boost.

I øjeblikket er begge metoder stadig i de indledende faser og står over for store udfordringer. Men selvom disse 5G designs får brug for både software og hardware opgraderinger, så er en ting sikkert -  de har ikke for brug for, at der bliver gravet huller og lagt kabler.

Mischa Dohler modtager støtte fra EU-Kommissionen og er tilknyttet Wordsensing. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.