Kristin S. Grønli, VERDIKTKristin S. Grønli, VERDIKT
16. juni 2014 - 18:52
Seksjonen Fra forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Sintef, NTNU, Universitetet i Oslo, Oslo Met, Universitetet i Agder, UiT Norges arktiske universitet, Universitetet i Sørøst-Norge og NMBU.
Trådløst internett kommer fykende på radiobølger, enten du bruker en laptop på hjemmenettverk eller surfer på mobilen. I dag fraktes mobildata typisk på bølger som er noen centimeter lange.
Kortere bølger betyr flere bølgetopper og høyere frekvens. Høyere frekvens gir større kapasitet til å frakte data. Tenk deg postbudene som kommer én gang om dagen, kontra bud som kommer hele tiden og med større vesker.
Centimeter- og millimeterbølger kalles også mikrobølger, og har frekvens fra 1 til 300 gigahertz. På bølgelengdene i millimeterstørrelsen sender vi lite i dag. Det vil forandre seg i framtida.
Båndene som er satt av til telekommunikasjon, er i ferd med å bli stappfulle, og lisensen for en bit av kaka koster flesk. I tillegg er kapasiteten et problem. Selv ikke i båndene for wifi er det nok frekvenser til å se en HD-video fra datamaskinen på tv-en.
E-båndet, hvor E-en står for Ekstremt høy frekvens, går fra 30 til 300 gigahertz, med bølgelengder fra 10 til 1 millimeter - også kalt millimeterbåndet. Det er i stor grad uutviklet og tilgjengelig, fordi tekniske løsninger og standardisering ikke har vært på plass.
Smarte mikrobølgemoduler som kan operere der, står i fokus i forskningsprosjektet SARFA ved NTNUs Institutt for elektronikk og telekommunikasjon.
– Vi lager systemer på 75 gigahertz, det vil si en bølgelengde på rundt 4 millimeter, forteller Jens Hjelmstad, som er prosjektleder. Han har hovedstilling i Ericsson og er professor ved NTNU.
Dette er nøkkelteknologi som gjør det mulig å sende signaler med veldig stor fart og presisjon fra modulene. Den korte bølgelengden gir også andre fordeler. Enhetene blir mye mindre og mer kompakte, og potensielt billigere å produsere.
Eksisterende moduler for millimeterbåndet har en begrensning når det gjelder antall stråler og vinkelen signalene kan sendes ut i. I det norske prosjektet utvikler forskerne mikrobølgeenheter som kan sende opptil flere tusen uavhengige stråler i alle retninger ved hjelp av mange antenner på samme modul.
– Eksisterende teknologi på dette feltet har 2, 4, 8 eller 16 stråler, mens vi ser på 120 og 1000 stråler samtidig, sier Hjelmstad.
Dagens wifi-nettverk har typisk en båndbredde på opp til 50 megabit per sekund, som sendes mellom en sender- og mottagerantenne ved hjelp av én stråle. Innen telekom tar 4G-nettet i bruk 4-16 stråler som forbinder kanalen, kalt flerstrålekommunikasjon eller MIMO (multiple-input and multiple-output).
Det norske forskningsprosjektet handler om hvordan teknologien med høyere frekvens og flere stråler kan implementeres, og gruppen ved NTNU har utviklet konsepter som er grunnleggende nye med tanke på arkitektur og topologi.
– Med nanoteknologi kombinerer vi mekaniske og elektriske enheter på samme substrat. Når de mekaniske enhetene er like små som de elektroniske, kan vi styre signalene ekstremt hurtig og presist, sier professoren.
Halvledermaterialer er en veldig viktig komponent, som kan operere på langt høyere frekvenser enn det som har vært utnyttet tidligere.
Hver stråle har dermed en kapasitet som er 10-50 ganger større enn det som brukes i vanlige kommunikasjonsbånd.
– Når vi i tillegg øker antallet stråler mellom moduler som snakker sammen, blir konsekvensen av å implementere dette en utvidelse av kapasiteten i trådløs teknologi med en faktor på opp til 1000, sier Hjelmstad.
1000 ganger raskere wifi og mobildata, altså. I dag har vi god båndbredde inn til bygninger, men med denne teknologien kan alle terminalene i huset - telefonen, tv-en, pc-en eller kaffetrakteren - ha nærmest ubegrenset båndbredde.
Isteden for ett modem i leiligheten, vil mange av objektene vi omgir oss med ha integrerte modemer som ikke synes, og som sømløst dekker alle rom.
– Denne teknologien ligger også i løypa innen utviklingen av 5G. Vi håper på et innpass i standardiseringen, og at den industrielle biten av prosjektet kan videreføres til løsninger for hardware og software, sammen med de store brikkeleverandørene som Intel og AMD, sier Hjelmstad.
De norske forskerne er langt fra alene på feltet, men mener de har noen unike ideer som gjør at de står i første rekke.
– Vi har kombinert ulike teknologier. Det gir et ekstremt stort antall stråler som uavhengig av hverandre overfører informasjon. Strålene kan styres veldig presist, og hver av dem har veldig høy informasjonshastighet, sier Hjelmstad.
Ulempen med millimeterbølger er at de lett absorberes i atmosfæren, og derfor har kortere rekkevidde. De går også i mindre grad gjennom vegger.
– I gamle dager hadde de store kringkasterne store antenner som sto på fjelltoppene. Så har vi etter hvert fått basestasjoner på hustakene. I framtida kommer det til å være opptil flere noder for kommunikasjon i hvert rom, sier Hjelmstad.
Når de blir en mer integrert del av bygningene, og tingene vi omgir oss med, kan forbindelsesproblemene løses med kortere avstand mellom basemodulene, tror professoren.
Begrensningene i rekkevidde kan også bli gunstig med tanke på total systemkapasitet. I radiokommunikasjon er gjenbruk av frekvenser viktig. Når signalet dempes fort, kan samme frekvens brukes om igjen uten å gå veldig langt unna.
Pål Orten er forskningssjef i ABB og professor II ved Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo.Privat
En annen konsekvens av å gå opp i frekvens, er at strålen med radiobølger blir smalere. Presisjonen øker, men utfordringen blir etappen mellom basestasjonen og mobile enheter.
Lavere frekvenser har bredere stråle. De reflekteres dessuten bedre av objektene rundt oss, som hus eller fjell, siden de ikke blir absorbert like raskt som høyere frekvenser. Derfor har vi dekning i dag, selv om vi ikke har direkte sikt til basestasjonen.
Hvordan få et signal med veldig høy frekvens helt fram til mobilen til den som sitter på trikken og skal laste ned en HD-film? Fra basestasjon til basestasjon er det enklere å tenke seg at smale og presise stråler kan være en fordel. Hva skjer på etappen fra basestasjonen til mobilen?
– Et hovedfokus i prosjektet har vært å undersøke hvordan personlige strålegrupper kan implementeres. Det vil si at basestasjonen sender et stråleknippe dedikert mot mobilens posisjon, sier Hjelmstad.
– Vi har funnet en løsning der basestasjonene og mobilterminalene er dekket av antenner i alle retninger. De virker sammen slik at stråleknippene kan etableres med maksimal fokus på et område. Et meget stort antall av disse stråleknippene kan eksistere samtidig, og følge objekter i bevegelse, forklarer Hjelmstad.
Dagens 3G er på sin side basert på sektorer, der hver basestasjon dekker en dedikert sektor og har begrenset mulighet til å operere mot terminaler i bevegelse.
Tommaso Cella er stipendiat ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU, med kontor på Universitetssenteret på Kjeller.Privat
Tommaso Cella tar sin doktorgrad i prosjektet. Han har testet løsningene med høye frekvenser både innendørs og utendørs, i datasimulering og ute i virkeligheten. Han har ikke fokusert så mye på telefoni, men på kommunikasjon over kortere avstander mellom bygninger eller innendørs.
– Med mange antenner kan strålen med radiobølger styres elektronisk mot en bestemt retning. I eksisterende teknologi er elementene faste, og du må flytte dem mekanisk om du vil sende strålen til en annen mottaker, sier Cella.
Han har lykkes bra med sitt antennedesign, og har vist at det er mulig med god kapasitet også på høye frekvenser. Forskningen hans er allerede akseptert for publisering i to ulike tidsskrifter.
– Det er ganske uvanlig før man er ferdig med doktorgraden, for det tar vanligvis lang tid å få aksept for publikasjon, sier Pål Orten, forskningssjef i ABB og professor II ved Universitetet i Oslos Institutt for informatikk.
Orten har vært en av Cellas veiledere, og mener teknologien har potensiale til å kunne eliminere nettkablene i hjemmene og gi nettilgang på steder hvor det kanskje ikke er praktisk eller mulig å legge kabel.
Når det gjelder mobiltelefoni tror også Orten at millimeterbølger kan bli viktig.
– Ved hjelp av smarte teknikker kan radiostrålen styres veldig nøyaktig. To personer kan da stå ganske nær hverandre og likevel bruke samme frekvensen, fordi strålene er så smale og presise at de ikke forstyrrer hverandre. Det kan gi en kapasitetsgevinst, sier han.
Det er imidlertid betydelig kompleksitet i å få radiostrålene til å følge mobile terminaler.
– Det er ikke sikkert det går, heller. Teorien er for såvidt gammel, men spørsmålet er om man kan få det til så bra at man kan følge en person som sitter i en bil, for eksempel. Så er det også typisk slike utfordringer som universitetsforskerne hiver seg over, sier Orten.
Forskerne i SARFA utvikler også bilradar som kan se i alle retninger.Stein Arne Askeland
Radar
Den andre anvendelsen de har sett på er radar som kan øke trafikksikkerheten.
I dag kommer bilene utstyrt med sensorer - gjerne en radarstråle foran og noen ultralydstråler rundt støtfangerne.
– Vi har jobbet med radar på hvert hjørne av bilen, som ser i alle retninger, både på kort hold og mange hundre meters avstand. Radaren kan registrere biler, mennesker eller dyr, og kan gjøre en veldig presis kartlegging, sier Hjelmstad.
Radaren kan bedre den maskinelle situasjonsforståelsen som så kan støtte sjåføren. Det kan bety alt fra sikrere førermiljø og sikrere trafikksituasjoner til førerløse biler.
Denne artikkelen er levert av VERDIKT (Kjernekompetanse og verdiskaping i IKT), som er Forskningsrådets store program for IKT-forskning.
.png){kind=logo}
