Lepší anténa pro mobilní sítě

Když mluvíte mobilním telefonem, sdílíte rádiové frekvence se všemi ostatními, kdo je používají v okruhu tří kilometrů od nejbližší základnové stanice. Jak každý ví, toto sdílení nefunguje vždy dokonale – přetížení sítě může vést ke statickým, přerušeným hovorům a pomalému stahování dat.

Ale co kdybyste nemuseli sdílet signál mobilního telefonu? Co kdyby nejbližší základnová stanice mohla namířit radiový paprsek přímo na váš telefon, když se pohybujete, místo aby chrlila signály na všechny strany? V tomto scénáři můžete očekávat jasnější hlasové hovory a rychlejší doručování digitálních informací, jako jsou webové stránky nebo video. A odesláním více paprsků může váš mobilní operátor dodat vylepšené signály i dalším zákazníkům.

Tento přístup ke zvýšení kapacity celulárních sítí se nazývá adaptivní beamforming. A inženýři společnosti Nokia jej rychle přibližují komerčnímu využití. Ačkoli je finský telekomunikační gigant známý především svými telefony, je také významným dodavatelem síťových a přenosových zařízení pro mobilní operátory. V dílčím suterénu výzkumného centra Nokia v Helsinkách ve Finsku, kde je jejich zařízení v karanténě před hlukem celulárních signálů, výzkumníci staví a testují prototyp antény základnové stanice s tvarováním paprsku, která by mohla ztrojnásobit kapacitu nejnovější generace celulární sítě.

[ Kliknutím sem zobrazíte obrázky antény, jejího okolí a jejích chovatelů.]

Tyto nové sítě ještě nejsou přetížené. Ale to není důvod ke spokojenosti. Systémy 3G, jako je širokopásmové CDMA, se po celém světě teprve začínají zavádět, takže sítě nejsou v tuto chvíli v žádném případě přetížené, říká Hannu Kauppinen, vedoucí výzkumu rádiových technologií ve výzkumném středisku Nokia. Předpokládáme ale, že v budoucnu budou mít operátoři potřebu navýšení kapacity. Proto tuto funkci zkoumáme.

Zatímco tradiční věž pro mobilní telefony funguje jako zavlažovač trávníku, vyzařující v kruhu, anténa pro vytváření paprsku funguje jako hadice. Základní myšlenkou je, že v přeplněné oblasti chcete dát maximální signál příslušné osobě, spíše než plýtvat energií jejím šířením do širšího objemu, vysvětluje Greg Hindman, prezident a spoluzakladatel společnosti Torrance, Nearfield Systems se sídlem v CA. , která buduje testovací a měřicí systémy pro výrobce rádiových zařízení. Mnoho našich zákazníků na tom pracuje.

Jsou zapotřebí nové způsoby, jak podpořit více volajících, protože sítě mobilních telefonů využívají omezený zdroj: rádiové spektrum. Původní technika pro obsluhu více bezdrátových uživatelů v zalidněném prostoru, propagovaná před více než 40 lety, spočívala v rozdělení prostoru na buňky, z nichž každá byla obsluhována samostatnou základnovou stanicí. Ale protože buňky byly velké a mohly obsahovat mnoho zákazníků, nestačilo to. Signály musely být rozděleny pomocí různých rádiových frekvencí nebo kanálů.

Ve Spojených státech však spektrum přidělené vládou pro analogové celulární sítě první generace stačilo k podpoře pouze 56 kanálů na buňku – 57. volající v dané buňce měl smůlu. Frekvence se tedy musely dále rozdělit.

V digitálních sítích s vícenásobným přístupem s časovým dělením (TDMA) je každý shluk informací na určité frekvenci rozdělen do tří časových úseků, každý o délce několika milisekund. Tyto sloty jsou přiřazeny třem různým telefonům, z nichž každý může spojovat data ze svého časového slotu do nepřetržité konverzace. Výsledkem je, že tři telefony najednou mohou využívat stejnou frekvenci, čímž ztrojnásobí kapacitu každé buňky na zhruba 168 kanálů. TDMA je základní technika protokolů, jako je Global System for Mobile Communications nebo GSM, které používají velké společnosti jako China Mobile, T-Mobile, divize Cingular nového AT&T a Personal Communications Services nebo PCS, které používají Sprint.

Alternativní technikou je opustit kanály úplně a místo toho rozšířit více konverzací po malých kouscích přes celé buněčné spektrum. V této metodě, známé jako vícenásobný přístup s kódovým dělením (CDMA), všechny telefony v konkrétní buňce poslouchají stejný rozsah frekvencí a přijímají stejná nezpracovaná data, ale před každým kusem dat je uveden digitální kód jedinečný pro telefon jednoho zákazníka. . Pouze tento telefon může vybrat a znovu sestavit části, které tvoří konverzaci uživatele. CDMA je preferovaný bezdrátový protokol společností Verizon Wireless ve Spojených státech, Orange v Evropě a NTT DoCoMo v Japonsku.

Třetí generace (neboli 3G) verze CDMA se nazývá Wideband CDMA, což odkazuje na její větší kapacitu pro přenos dat, jako je hudba a živé pohyblivé obrázky. Za ideálních okolností mohou sítě WCDMA odesílat data rychlostí blízkou DSL: 384 kilobitů za sekundu pohybujícím se uživatelům a 2 megabity za sekundu stacionárním uživatelům, ve srovnání s přibližně 50 kilobity za sekundu u sítí druhé generace. Tento standard již přijala NTT DoCoMo a další operátoři a Nokia do protokolu značně investovala, postavila potřebné telefony, vybavení základnových stanic, počítačové systémy a software.

Jak se Nokia nyní připravuje na zvládnutí očekávaného přetížení v sítích WCDMA, její výzkumníci uzavřeli kruh: vrátili se k myšlence prostorového dělení celulárních signálů. Stejně jako buněčná technologie první generace rozdělovala prostor na buňky, tvarování paprsku rozděluje buňky na plátky, z nichž každý obsluhuje jiný paprsek. (Technologii Beamforming lze použít na jakýkoli typ digitální mobilní sítě, nejen na sítě založené na CDMA.)

I když samotné vytváření paprsku není novým nápadem, nikdy nebylo úspěšně aplikováno na mobilní telefonii. Je to v podstatě stará vojenská technologie, říká Kauppinen. Některé radary na tomto principu fungují již velmi dlouho. Ale teprve v posledních několika letech jsme pochopili, jak by beamforming skutečně fungoval v celulárních sítích.

Anténa pro tvarování paprsku testovaná v helsinské laboratoři je ve skutečnosti osm antén v jedné. Je vyroben z měděných pásků, každý o průměru asi osm centimetrů, svařených dohromady do povrchu pokrývajícího asi jeden metr čtvereční. Zařízení chytře moduluje překrývající se rádiové vlny z osmi antén, aby nasměrovalo signály konkrétními směry. (Mohlo by být použito více antén, ale výpočty potřebné k řízení signálů se drasticky zvyšují, když se přidávají další antény.)

Představte si, že shodíte dva kameny současně do tichého jezírka. Na některých místech se vrcholy rozšiřujících se vlnek budou shodovat a vytvoří vyšší vrcholy. Na jiných místech vrcholy jednoho zvlnění zruší koryta druhého a zanechají klidnou vodu. Kromě toho shození kamenů v mírně odlišných časech změní místa, kde se vrcholy shodují. Přesným výpočtem časových intervalů byste teoreticky mohli způsobit, že se nejvyšší vrcholy seřadí v určitém směru.

Tak funguje anténa Nokia pro tvarování paprsku. Pouzdro za měděným plechem obsahuje sofistikované zesilovače a obvody pro digitální zpracování signálu potřebné k nasměrování až osmi samostatných paprsků v různých směrech. V praxi by pravděpodobně bylo v oblouku každého paprsku mnoho volajících, takže by se v každém paprsku použily standardní techniky kódového dělení pro obsluhu více volajících, čímž by se teoreticky zvýšila celková kapacita sítě na faktor osm. Kvůli komplikujícím faktorům, jako je geografie a interference mezi paprsky, by však použití osmi paprsků ve skutečnosti nezvýšilo kapacitu sítě osmkrát. V simulacích poloměstského a městského prostředí jsme zjistili, že [anténa pro tvarování paprsku] zvýšila kapacitu o faktor dva až tři, říká Kauppinen.

Nokia si myslí, že je to dostatečné zlepšení, aby zaujalo mobilní operátory. A je tu další důvod pro přitažlivost této technologie: na rozdíl od jiných druhů anténních polí nepotřebuje anténa s tvarováním paprsku několik tlustých, těžkých a drahých měděných kabelů pro připojení k zesilovacímu zařízení na zemi. Místo toho je veškeré potřebné vybavení uvnitř samotné antény.

Pokud musíte mít čtyři kabely, každý možná jeden palec tlustý, vedoucí k anténnímu poli, je to praktická překážka a je to hlavní důvod neochoty operátorů instalovat anténní pole, říká Thomas Höhne, výzkumník v Kauppinen's laboratoř. Nyní, když je zesilovač integrován do antény, znamená to, že můžeme k anténě vést tenké optické vlákno. A výkonový zesilovač nemusí být extra silný, protože signály z antén sčítáme dohromady.

Kauppinen říká, že elektronika prototypu funguje dobře. Za několik týdnů tým otestuje anténu pro tvarování paprsku v podzemní anechoické komoře společnosti. Pak to vynesou na střechu a uvidí, jak to funguje v helsinském svižném vzduchu. Chceme ukázat, že naše simulace jsou pravdivé, a získat praktické zkušenosti, říká Kauppinen.

Není jasné, kdy mohou být antény s tvarováním paprsku dostupné pro komerční použití. Je to projekt proof-of-concept, zdůrazňuje Kauppinen – navržený tak, aby přesvědčil obchodní jednotky společnosti, že technologii lze rozvinout do životaschopného produktu.

I když Nokia půjde dopředu, nebude sama. Podle Hindmana z Nearfield Systems mnoho společností, včetně několika v Číně, Jižní Koreji a Tchaj-wanu, nakupuje zařízení pro testování tvarování paprsku. Zdá se, že tato technologie se pravděpodobně stane dalším z triků, které mobilní operátoři používají, aby splnili slib vysoce kvalitní širokopásmové bezdrátové služby.

skrýt