Lepsza antena dla sieci komórkowych

Kiedy rozmawiasz przez telefon komórkowy, dzielisz częstotliwości radiowe ze wszystkimi innymi użytkownikami w promieniu trzech kilometrów od najbliższej stacji bazowej. Jak wszyscy wiedzą, to udostępnianie nie zawsze działa idealnie – przeciążenie sieci może prowadzić do statycznych, przerywanych połączeń i powolnego pobierania danych.

Ale co, jeśli nie musisz udostępniać sygnału telefonu komórkowego? Co by było, gdyby najbliższa stacja bazowa mogła skierować wiązkę radiową bezpośrednio na telefon podczas poruszania się, zamiast emitować sygnały we wszystkich kierunkach? W takim scenariuszu można oczekiwać wyraźniejszych połączeń głosowych i szybszego dostarczania informacji cyfrowych, takich jak strony internetowe lub wideo. A wysyłając wiele wiązek, Twój operator komórkowy może dostarczać ulepszone sygnały również innym klientom.

Takie podejście do zwiększania przepustowości sieci komórkowych nazywa się adaptacyjnym formowaniem wiązki. Inżynierowie firmy Nokia szybko zbliżają ją do użytku komercyjnego. Chociaż fiński gigant telekomunikacyjny jest najbardziej znany ze swoich telefonów, jest również głównym dostawcą sprzętu sieciowego i transmisyjnego dla operatorów komórkowych. W podziemiach Centrum Badawczego Nokia w Helsinkach w Finlandii, gdzie ich sprzęt jest poddany kwarantannie z powodu zgiełku sygnałów komórkowych, naukowcy budują i testują prototypową antenę stacji bazowej kształtującą wiązkę, która może potroić pojemność najnowszej generacji sieci komórkowe.

[ Kliknij tutaj, aby zobaczyć zdjęcia anteny, jej otoczenia i jej opiekunów.]

Te nowe sieci nie są jeszcze przeciążone. Ale to nie jest powód do samozadowolenia. Systemy 3G, takie jak szerokopasmowe CDMA, dopiero zaczynają być wdrażane na całym świecie, więc sieci nie są w tej chwili przeciążone, mówi Hannu Kauppinen, starszy kierownik ds. badań nad technologiami radiowymi w Nokia Research Center. Przewidujemy jednak, że w przyszłości operatorzy będą mieli potrzebę zwiększenia przepustowości. Dlatego badamy tę funkcję.

Podczas gdy tradycyjna wieża telefonii komórkowej działa jak zraszacz trawnikowy, promieniując w kółko, antena kształtująca wiązkę działa jak wąż. Podstawową ideą jest to, że w zatłoczonym miejscu chcesz dać maksymalny sygnał odpowiedniej osobie, zamiast marnować energię, rozkładając ją na większą objętość, wyjaśnia Greg Hindman, prezes i współzałożyciel Torrance, firmy Nearfield Systems z siedzibą w Kalifornii. , która buduje systemy testowo-pomiarowe dla producentów sprzętu radiowego. Wielu naszych klientów nad tym pracuje.

Potrzebne są nowe sposoby obsługi większej liczby dzwoniących, ponieważ sieci telefonii komórkowej wykorzystują ograniczony zasób: widmo radiowe. Oryginalna technika obsługi wielu użytkowników bezprzewodowych w zaludnionej przestrzeni, wprowadzona pioniersko ponad 40 lat temu, polegała na podzieleniu przestrzeni na komórki, z których każda obsługiwana była przez oddzielną stację bazową. Ale ponieważ komórki były duże i mogły pomieścić wielu klientów, to nie wystarczyło. Sygnały musiały być dzielone przy użyciu różnych częstotliwości radiowych lub kanałów.

Jednak w Stanach Zjednoczonych widmo przydzielone przez rząd dla analogowych sieci komórkowych pierwszej generacji wystarczało do obsługi tylko 56 kanałów na komórkę – 57. dzwoniący w dowolnej komórce nie miał szczęścia. Więc częstotliwości trzeba było dalej dzielić.

W sieciach cyfrowych TDMA (Time Division Multiple Access) każdy impuls informacji na określonej częstotliwości jest dzielony na trzy przedziały czasowe, każda o długości kilku milisekund. Te przedziały czasowe są przypisane do trzech różnych telefonów, z których każdy może połączyć dane ze swojego przedziału czasowego w ciągłą rozmowę. W rezultacie trzy telefony na raz mogą korzystać z tej samej częstotliwości, potrajając pojemność każdej komórki do około 168 kanałów. TDMA to podstawowa technika protokołów, takich jak Global System for Mobile Communications lub GSM, używana przez duże firmy, takie jak China Mobile, T-Mobile, oddział Cingular nowego AT&T oraz Personal Communications Services lub PCS, używana przez Sprint.

Alternatywną techniką jest całkowite porzucenie kanałów i zamiast tego rozproszenie wielu rozmów na małe fragmenty w całym spektrum komórkowym. W tej metodzie, znanej jako Code Division Multiple Access (CDMA), wszystkie telefony w określonej komórce słuchają tego samego zakresu częstotliwości i odbierają te same surowe dane, ale każdy fragment danych jest poprzedzony kodem cyfrowym unikalnym dla telefonu jednego klienta . Tylko ten telefon potrafi dobierać i składać elementy, które składają się na rozmowę użytkownika. CDMA jest preferowanym protokołem bezprzewodowym Verizon Wireless w Stanach Zjednoczonych, Orange w Europie i NTT DoCoMo w Japonii.

Wersja CDMA trzeciej generacji (lub 3G) nosi nazwę Wideband CDMA, odnosząc się do jej większej zdolności do przenoszenia danych, takich jak muzyka i ruchome obrazy na żywo. W idealnych warunkach sieci WCDMA mogą przesyłać dane z prędkością bliską DSL: 384 kilobitów na sekundę do ruchomych użytkowników i 2 megabity na sekundę do stacjonarnych użytkowników, w porównaniu z około 50 kilobitów na sekundę w przypadku sieci drugiej generacji. Ten standard został już przyjęty przez NTT DoCoMo i innych operatorów, a Nokia dużo zainwestowała w ten protokół, budując niezbędne telefony, sprzęt stacji bazowych, systemy komputerowe i oprogramowanie.

Ponieważ Nokia przygotowuje się teraz do obsługi przewidywanego przeciążenia sieci WCDMA, jej badacze zatoczyli pełne koło: wrócili do pomysłu przestrzennego podziału sygnałów komórkowych. Tak jak technologia komórkowa pierwszej generacji dzieliła przestrzeń na komórki, formowanie wiązki dzieli komórki na plastry, z których każdy jest obsługiwany przez inną wiązkę. (Technologia kształtowania wiązki może być zastosowana w każdym rodzaju cyfrowej sieci komórkowej, nie tylko opartej na CDMA.)

Chociaż samo kształtowanie wiązki nie jest nowym pomysłem, nigdy nie zostało z powodzeniem zastosowane w telefonii komórkowej. To w zasadzie stara technologia wojskowa, mówi Kauppinen. Niektóre radary działają na tej zasadzie od bardzo dawna. Ale dopiero w ciągu ostatnich kilku lat zrozumieliśmy, w jaki sposób formowanie wiązki będzie faktycznie funkcjonować w sieciach komórkowych.

Antena kształtująca wiązkę testowana w laboratorium w Helsinkach to w rzeczywistości osiem anten w jednej. Jest uformowany z pasków miedzi, każdy o średnicy około ośmiu centymetrów, zespawanych ze sobą w powierzchnię o powierzchni około jednego metra kwadratowego. Urządzenie sprytnie moduluje nakładające się fale radiowe z ośmiu anten, aby kierować sygnały w określonych kierunkach. (Można użyć większej liczby anten, ale obliczenia wymagane do sterowania sygnałami drastycznie rosną w miarę dodawania kolejnych anten).

Wyobraź sobie, że wrzucasz jednocześnie dwa kamienie do spokojnego stawu. W niektórych miejscach szczyty fal rozchodzących się pokrywają, tworząc wyższe szczyty. W innych miejscach szczyty jednej z fal zniosą doliny drugiej, pozostawiając spokojną wodę. Co więcej, zrzucanie kamieni w nieco innym czasie zmieni miejsca, w których szczyty się pokrywają. Przez dokładne obliczenie przedziałów czasowych można teoretycznie spowodować, że najwyższe szczyty ustawią się w określonym kierunku.

Tak działa antena kształtująca wiązkę firmy Nokia. Obudowa za blachą miedzianą zawiera wyrafinowane wzmacniacze i cyfrowe obwody przetwarzania sygnału potrzebne do sterowania aż ośmioma oddzielnymi wiązkami w różnych kierunkach. W praktyce w łuku każdej wiązki prawdopodobnie byłoby wielu dzwoniących, więc w każdej wiązce byłyby stosowane standardowe techniki podziału kodu w celu obsługi wielu dzwoniących, teoretycznie zwiększając całkowitą przepustowość sieci ośmiokrotnie. Jednak ze względu na czynniki komplikujące, takie jak położenie geograficzne i zakłócenia między wiązkami, użycie ośmiu wiązek nie zwiększyłoby w rzeczywistości ośmiokrotnie przepustowości sieci. W symulacjach środowisk podmiejskich i miejskich odkryliśmy, że [antena kształtująca wiązkę] zwiększyła przepustowość od dwóch do trzech, mówi Kauppinen.

Nokia uważa, że ​​to wystarczająca poprawa, aby zainteresować operatorów komórkowych. I jest jeszcze jeden powód, dla którego ta technologia jest atrakcyjna: w przeciwieństwie do innych rodzajów zestawów antenowych, antena kształtująca wiązkę nie wymaga wielu grubych, ciężkich i drogich miedzianych kabli do podłączenia do sprzętu wzmacniającego na ziemi. Zamiast tego cały niezbędny sprzęt znajduje się wewnątrz samej anteny.

Jeśli musisz mieć cztery kable, każdy o grubości może jednego cala, idące do szyku antenowego, jest to praktyczna przeszkoda i jest to główny powód niechęci operatorów do instalowania szyków antenowych, mówi Thomas Höhne, badacz w Kauppinen's. laboratorium. Teraz, gdy wzmacniacz jest zintegrowany z anteną, oznacza to, że możemy poprowadzić cienkie światłowód do anteny. A wzmacniacz mocy nie musi być super mocny, ponieważ sumujemy sygnały z anten.

Kauppinen twierdzi, że elektronika prototypu działa dobrze. Za kilka tygodni zespół przetestuje antenę kształtującą wiązkę w podziemnej komorze bezechowej firmy. Potem zabiorą go na dach i zobaczą, jak radzi sobie w rześkim powietrzu Helsinek. Chcemy pokazać, że nasze symulacje są prawdziwe i zebrać praktyczne doświadczenie – mówi Kauppinen.

Nie jest jasne, kiedy anteny kształtujące wiązkę mogą być dostępne do użytku komercyjnego. Jest to projekt typu proof-of-concept, podkreśla Kauppinen – mający przekonać jednostki biznesowe firmy, że technologię można rozwinąć w opłacalny produkt.

Nawet jeśli Nokia pójdzie do przodu, nie będzie sama. Według Hindmana z Nearfield Systems wiele firm, w tym sporo w Chinach, Korei Południowej i na Tajwanie, kupuje sprzęt do testowania kształtowania wiązki. Wydaje się, że technologia ta stanie się kolejną sztuczką, którą stosują operatorzy komórkowi, aby spełnić obietnicę wysokiej jakości szerokopasmowych usług bezprzewodowych.

ukryć