Eine bessere Antenne für Mobilfunknetze

Wenn Sie mit einem Mobiltelefon telefonieren, teilen Sie sich die Funkfrequenzen mit allen anderen Benutzern im Umkreis von drei Kilometern um die nächste Basisstation. Wie jeder weiß, funktioniert diese gemeinsame Nutzung nicht immer perfekt – eine Netzwerküberlastung kann zu statischen, unterbrochenen Anrufen und langsamen Datendownloads führen.

Aber was wäre, wenn Sie kein Handysignal teilen müssten? Was wäre, wenn die nächste Basisstation einen Funkstrahl direkt auf Ihr Telefon richten könnte, während Sie sich bewegen, anstatt Signale in alle Richtungen auszusenden? In diesem Szenario könnten Sie klarere Sprachanrufe und eine schnellere Bereitstellung digitaler Informationen wie Webseiten oder Videos erwarten. Und durch das Aussenden mehrerer Strahlen kann Ihr Mobilfunkanbieter auch anderen Kunden verbesserte Signale liefern.

Planet sieht aus wie die Erde

Dieser Ansatz zur Erhöhung der Kapazität von Mobilfunknetzen wird adaptives Beamforming genannt. Und die Ingenieure von Nokia bringen es schnell näher an die kommerzielle Nutzung. Obwohl der finnische Telekommunikationsriese vor allem für seine Telefone bekannt ist, ist er auch ein wichtiger Lieferant von Netzwerk- und Übertragungsgeräten für Mobilfunkbetreiber. Im Untergeschoss des Nokia Research Centers in Helsinki, Finnland, wo ihre Geräte vor dem Lärm von Mobilfunksignalen unter Quarantäne gestellt werden, bauen und testen Forscher einen Prototyp einer Beamforming-Basisstationsantenne, die die Kapazität der neuesten Generation von verdreifachen könnte Mobilfunknetze.



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Diese neuen Netzwerke sind noch nicht überlastet. Aber das ist kein Grund zur Selbstzufriedenheit. Die 3G-Systeme, wie Breitband-CDMA, werden gerade erst auf der ganzen Welt eingesetzt, so dass die Netze derzeit keineswegs überlastet sind, sagt Hannu Kauppinen, Senior Research Manager für Funktechnologien am Nokia Research Center. Wir gehen jedoch davon aus, dass die Betreiber in Zukunft einen Bedarf an Kapazitätserhöhungen haben werden. Aus diesem Grund untersuchen wir diese Funktion.

Während ein herkömmlicher Mobilfunkmast wie ein Rasensprenger funktioniert und im Kreis abstrahlt, funktioniert eine Beamforming-Antenne wie ein Schlauch. Die Grundidee ist, dass Sie in einem überfüllten Bereich der entsprechenden Person das maximale Signal geben möchten, anstatt die Energie zu verschwenden, indem Sie sie über ein größeres Volumen verteilen, erklärt Greg Hindman, Präsident und Mitbegründer von Nearfield Systems mit Sitz in Torrance, CA , das Prüf- und Messsysteme für Hersteller von Funkgeräten baut. Daran arbeiten viele unserer Kunden.

Es werden neue Wege benötigt, um mehr Anrufer zu unterstützen, da Mobilfunknetze eine endliche Ressource verwenden: das Funkspektrum. Die ursprüngliche Technik zur Versorgung mehrerer drahtloser Benutzer in einem bevölkerten Raum, die vor mehr als 40 Jahren entwickelt wurde, bestand darin, den Raum in Zellen zu unterteilen, die jeweils von einer separaten Basisstation bedient werden. Aber da die Zellen groß waren und viele Kunden enthalten konnten, war das nicht genug. Signale mussten unter Verwendung verschiedener Funkfrequenzen oder Kanäle aufgeteilt werden.

In den Vereinigten Staaten reichte das von der Regierung für analoge Mobilfunknetze der ersten Generation zugeteilte Spektrum jedoch aus, um nur 56 Kanäle pro Zelle zu unterstützen – der 57. Anrufer in einer bestimmten Zelle hatte kein Glück. Also mussten die Frequenzen weiter aufgeteilt werden.

In digitalen Zeitmultiplex-(TDMA-)Netzen wird jeder Informationsburst auf einer bestimmten Frequenz in drei Zeitschlitze aufgeteilt, von denen jeder einige Millisekunden lang ist. Diese Slots sind drei verschiedenen Telefonen zugeordnet, von denen jedes die Daten aus seinem Zeitfenster zu einem kontinuierlichen Gespräch zusammenfügen kann. Das Ergebnis ist, dass drei Telefone gleichzeitig dieselbe Frequenz verwenden können, was die Kapazität jeder Zelle auf etwa 168 Kanäle verdreifacht. TDMA ist die grundlegende Technik hinter Protokollen wie dem Global System for Mobile Communications oder GSM, das von großen Unternehmen wie China Mobile, T-Mobile, der Cingular-Abteilung des neuen AT&T, und Personal Communications Services oder PCS verwendet wird Sprint.

Eine alternative Technik besteht darin, Kanäle ganz aufzugeben und stattdessen mehrere Gespräche in kleinen Stücken über das gesamte Mobilfunkspektrum zu verteilen. Bei dieser Methode, die als Code Division Multiple Access (CDMA) bekannt ist, hören alle Telefone in einer bestimmten Zelle denselben Frequenzbereich und empfangen dieselben Rohdaten, aber jedem Datenteil wird ein digitaler Code vorangestellt, der für das Telefon eines Kunden einzigartig ist . Nur dieses Telefon kann die Teile auswählen und wieder zusammensetzen, aus denen das Gespräch des Benutzers besteht. CDMA ist das bevorzugte drahtlose Protokoll von Verizon Wireless in den USA, Orange in Europa und NTT DoCoMo in Japan.

neues Raumanzug-Design

Die CDMA-Version der dritten Generation (oder 3G) wird als Wideband CDMA bezeichnet und bezieht sich auf ihre größere Kapazität, Daten wie Musik und bewegte Live-Bilder zu übertragen. Unter idealen Umständen können WCDMA-Netzwerke Daten mit nahezu DSL-Geschwindigkeit senden: 384 Kilobit pro Sekunde an sich bewegende Benutzer und 2 Megabit pro Sekunde an stationäre Benutzer, verglichen mit etwa 50 Kilobit pro Sekunde für Netze der zweiten Generation. Dieser Standard wurde bereits von NTT DoCoMo und anderen Netzbetreibern übernommen, und Nokia hat viel in das Protokoll investiert, indem es die notwendigen Telefone, Basisstationsausrüstung, Computersysteme und Software entwickelt hat.

Während Nokia sich jetzt darauf vorbereitet, die erwartete Überlastung in WCDMA-Netzwerken zu bewältigen, schließt sich für seine Forscher ein Kreis: Sie sind zu der Idee zurückgekehrt, Mobilfunksignale räumlich aufzuteilen. So wie die Mobilfunktechnologie der ersten Generation den Raum in Zellen unterteilte, teilt Beamforming Zellen in Scheiben, von denen jede von einem anderen Strahl bedient wird. (Die Beamforming-Technologie kann auf alle Arten von digitalen Mobilfunknetzen angewendet werden, nicht nur auf CDMA-basierte.)

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Obwohl Beamforming selbst keine neue Idee ist, wurde es noch nie erfolgreich auf die Mobilfunktelefonie angewendet. Das sei im Grunde alte Militärtechnik, sagt Kauppinen. Einige Radare funktionieren schon sehr lange nach diesem Prinzip. Aber erst in den letzten Jahren haben wir verstanden, wie Beamforming in Mobilfunknetzen tatsächlich funktionieren würde.

Die im Helsinki-Labor getestete Beamforming-Antenne besteht aus acht Antennen in einer. Es besteht aus Kupferbändern mit jeweils etwa acht Zentimetern Durchmesser, die zu einer etwa einen Quadratmeter großen Fläche zusammengeschweißt sind. Das Gerät moduliert geschickt die überlappenden Funkwellen von den acht Antennen, um Signale in bestimmte Richtungen zu lenken. (Es könnten mehr Antennen verwendet werden, aber die Berechnungen, die zum Steuern der Signale erforderlich sind, nehmen drastisch zu, wenn mehr Antennen hinzugefügt werden.)

Stellen Sie sich vor, Sie lassen zwei Steine ​​gleichzeitig in einen stillen Teich fallen. An einigen Stellen fallen die Spitzen der sich ausbreitenden Wellen zusammen, wodurch höhere Spitzen entstehen. An anderen Stellen heben die Spitzen der einen Welle die Täler der anderen auf und hinterlassen ruhiges Wasser. Darüber hinaus ändert das Fallenlassen der Steine ​​zu leicht unterschiedlichen Zeiten die Stellen, an denen die Spitzen zusammenfallen. Durch die exakte Berechnung der Zeitintervalle könnten Sie theoretisch bewirken, dass sich die höchsten Spitzen in eine bestimmte Richtung ausrichten.

So funktioniert die Beamforming-Antenne von Nokia. Ein Gehäuse hinter dem Kupferblech enthält die ausgeklügelten Verstärker und digitalen Signalverarbeitungsschaltungen, die benötigt werden, um bis zu acht separate Strahlen in verschiedene Richtungen zu lenken. In der Praxis würden sich wahrscheinlich viele Anrufer innerhalb des Bogens jedes Strahls befinden, so dass innerhalb jedes Strahls Standard-Codeteilungstechniken verwendet würden, um mehrere Anrufer zu bedienen, wodurch die Gesamtnetzkapazität theoretisch um den Faktor 8 erhöht würde. Aufgrund komplizierender Faktoren, wie der Geographie und Interferenzen zwischen den Strahlen, würde die Verwendung von acht Strahlen die Netzwerkkapazität jedoch nicht um das Achtfache erhöhen. In Simulationen halbstädtischer und städtischer Umgebungen haben wir festgestellt, dass [die Beamforming-Antenne] die Kapazität um den Faktor zwei bis drei erhöht, sagt Kauppinen.

Nokia glaubt, dass dies eine ausreichende Verbesserung ist, um die Mobilfunkbetreiber zu interessieren. Und es gibt noch einen weiteren Grund für die Attraktivität der Technologie: Im Gegensatz zu anderen Arten von Antennenarrays benötigt eine Beamforming-Antenne keine mehreren dicken, schweren und teuren Kupferkabel, um mit Verstärkergeräten am Boden verbunden zu werden. Stattdessen befindet sich die gesamte erforderliche Ausrüstung in der Antenne selbst.

Wenn man vier Kabel mit einer Dicke von je einem Zentimeter zu einem Antennen-Array führen muss, ist das ein praktisches Hindernis und der Hauptgrund für die Zurückhaltung der Betreiber, Antennen-Arrays zu installieren, sagt Thomas Höhne, Forscher in Kauppinen Labor. Da der Verstärker nun in die Antenne integriert ist, können wir eine dünne Glasfaser bis zur Antenne führen. Und die Endstufe muss nicht extra stark sein, denn wir addieren die Signale der Antennen zusammen.

Wie funktioniert das Roomba-Mapping?

Kauppinen sagt, dass die Elektronik des Prototyps gut funktioniert. In einigen Wochen wird das Team die Beamforming-Antenne in der unterirdischen reflexionsarmen Kammer des Unternehmens testen. Dann nehmen sie es auf das Dach und sehen, wie es sich in Helsinkis frischer Luft schlägt. Wir wollen zeigen, dass unsere Simulationen stimmen und praktische Erfahrungen sammeln, sagt Kauppinen.

Es ist unklar, wann Beamforming-Antennen für den kommerziellen Einsatz verfügbar sein könnten. Es handele sich um ein Proof-of-Concept-Projekt, betont Kauppinen, um die Geschäftsbereiche des Unternehmens davon zu überzeugen, dass die Technologie zu einem tragfähigen Produkt entwickelt werden kann.

Selbst wenn Nokia weitermacht, wird es nicht allein sein. Laut Hindman von Nearfield Systems kaufen viele Unternehmen, darunter auch einige in China, Südkorea und Taiwan, Geräte zum Testen von Beamforming. Die Technologie scheint wahrscheinlich ein weiterer Trick zu werden, den Mobilfunkbetreiber anwenden, um das Versprechen eines hochwertigen drahtlosen Breitbanddienstes einzulösen.

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