Om Gemini

Mobil revolusjon

Internettet revolusjonerte verden. Fjerde generasjon mobiltelefoni vil gjøre det samme. Den skal samkjøre alle mulige systemer for trådløs kommunikasjon – med en hastighet hinsides alt vi hittil har sett.

Illustrasjon: Mads Nordtvedt

Hvert eneste sekund fyker en ufattelig mengde pulstog på kryss og tvers over hele verden, med lysets hastighet. Det er telekommunikasjonens trådløse trafikk, glidende på radiobølgenes usynlige skinner.

Hvert tog har et enormt antall «passasjerer» – i form av digitale biter med informasjon. «Vognene» er pakker med data-bits, og toget er hele meldingen. Den kan være en telefonsamtale, en videosnutt i farger eller et dataprogram. Alt mobilt, og alt trådløst.

Trafikken øker merkbart år for år. Stadig flere tastaturer blir trådløse, flere radio- og fjernsynssendinger blir digitale, flere biler får GPS, og antallet fjortiser som bruker videomobil, vil neppe avta.

ZILLIONER AV PULSTOG • Togene kan være så lange at enkelte vogner må sendes via andre skinneganger. Merking av hver vogn sikrer at alle kommer fram og samles igjen i riktig rekkefølge. Det er nødvendig for at mottakerne skal få et forståelig budskap. Er skinnegangen dårlig, kan vogner løsne eller hele toget kollapse. Togene har derfor «konduktører» og «sikkerhetsvakter », i form av feilkontrollerende koder. De skal sikre at passasjerene kommer fram uskadet og på rett plass. Vaktene holder også unna feilsendte vogner, avviser uønskede passasjerer, og – ikke minst – sjekker skinnegangen underveis. Så melder de fra til neste tog om hvor god den er og hvor stor fart den tåler.

Skinnestrukturen er i seg selv mobil, og det kan hende at togene underveis raskt må flytte over til andre skinneganger, både bredsporete og smalsporete.

Kravene til kvaliteten på mottatt budskap er strenge: For vanlig tale bør ikke mer enn én av tusen passasjerer bli skadet. For dataprogram bør slike feil være færre enn én av en million.

«Togstasjonene» er enten senderen i den trådløse enheten (ofte en mobiltelefon) eller en lokal basestasjon. Sendere, mottakere og stasjoner er maskinutrustning. Denne er viktig nok. Men hvis Støren stasjon fikk en trafikk på en million tog hvert sekund – og togene skulle sendes via Røros, Dombås eller noen hundre andre skinneganger – sier det seg at trafikklederne på bakrommet er langt travlere enn togførerne.

MÅ BESKRIVE TRAFIKKEN • En slik overveldende trafikk må selvsagt styres av datamaskiner. Men disse er avhengig av instrukser så kjappe og presise at trafikken flyter selv når forstyrrelsene er mange.

Før en kan lage dataprogrammer med innebygde beredskapsplaner, må trafikken og skinnegangen beskrives i detalj. Det er da det blir vanskelig. Det er da det blir matematikk og anvendt statistikk. Det er her forskerne i faggruppen for Signalbehandling ved NTNUs Institutt for elektronikk og telekommunikasjon kommer inn.

Professor Geir E. Øien leder forskningsprogrammet Beats. Hans kollega, førsteamanuensis Lars Lundheim, leder programmet Cuban. Som telekommunikasjonens Askeladder må de finne brukbare ting langs veien for å styre de usynlige og tilsynelatende uforutsigbare størrelsene de må hanskes med.

Selv ressurssterke Askeladder setter pris på gode hjelpere. En av hjelperne er den amerikanske forskeren Claude Elwood Shannon (1916–2001). På slutten av 1940-tallet beskrev han de teoretiske grensene for hvor mye informasjon en kunne presse gjennom en gitt båndbredde. Sagt på en annen måte: grensene for hvor mange og hvor fulle tog hver skinnestrekning ideelt sett kan håndtere. Shannon viste at beskrivelsene krever statistisk behandling i form av antatte gjennomsnittsverdier med ulik variasjonsbredde og tilhørende usikkerhet. Dette medfører en omfattende og detaljert signalbehandling.

ØKTE KRAV, ØKT KRAFT • I 1987 bidro trondheimsforskerne Torleiv Maseng og Odd Trandem til dagens GSM-standard. De bygde på Shannons innsikt, og med 1980-tallets sparsomme datakraft utnyttet de radiobølgerefleksene til å nytte båndbredden best mulig. Mobiltelefoni ble forvandlet fra en ordinær kortbølgeradio til høyhastighets digital telekommunikasjon.

Kravene til overføringshastigheten er nå hundre ganger større. Til gjengjeld er dagens datakraft titusener ganger større.

– Utfordringen er å integrere datakraften i telesystemene for å komme tettest mulig opp til de teoretiske grensene for ytelsen. Samtidig må systemene fungere i en virkelig verden med krav til økonomi, kvalitet, hastighet og driftssikkerhet, – og alt dette for små, håndholdte sendere og mottakere som beveger seg til fots, i bil, tog eller fly, forklarer Øien.

Illustrasjon: Mads Nordtvedt

TYNER BÅNDBREDDEN • Som for 20 år siden er poenget å få mest mulig ut av båndbredden. Stikkordet er optimalisering: tilpasning av overføringshastigheter, av senderstyrke, av kodeprosesser, til tilgjengelige båndbredder, til antennesystemer og til rådende overføringsregler.

Spesielt har NTNU-forskerne effektivisert bruken av båndbredden.

– For typiske mobiltelefonikanaler har vi vist at det under bilkjøring er realistisk med pålitelige overføringshastigheter flere ganger over dagens raskeste mobiltelefoner. Det betyr at nedlasting av data over trådløst internett kan skje på en brøkdel av tiden en bruker ved den såkalte UMTS-teknologien, eller at bildekvaliteten kan mangedobles, sier Geir Øien.

Kjennskap til variasjoner på kvaliteten i radiokanalene står sentralt. NTNU-forskerne har utviklet et adaptivt kodet overføringssystem. Systemet nytter realistiske antagelser om hvor nøyaktig kunnskap om kanalen man kan oppnå – både i sender og i mottaker.

TILPASNING, TILPASNING • Sendertilpasning skjer ved at signalkvaliteten i en kanal fra en radiosender overvåkes kontinuerlig. Det skjer gjennom kombinert estimering (hvordan signalet til enhver tid er) og prediksjon (informert gjetning om hvordan det i umiddelbar framtid vil kunne være). På denne måten holdes senderterminalen løpende orientert om kvaliteten i kanalene. Senderen kan så bruke denne informasjonen til dynamisk å tilpasse både senderhastighet og båndbreddevalg. Slik kan kanalkapasiteten utnyttes optimalt hele tiden.

– Systemet utnytter også en returkanal som kontinuerlig melder tilbake til senderen om hvordan trafikken flyter og hvor bred og rett skinnegangen er. Sendingen kan da hele tiden raskt tilpasses forholdene datastrømmene møter underveis. Er veien fri, går det så det suser. Er det fare for trafikkork, senkes hastigheten. Eller man styrer hele eller deler av meldingen over på andre linjer, forklarer Øien.

Et annet bidrag er dynamisk antennetilpasning: Alle radiobølgerefleksene som skyldes terreng og bebyggelse, er normalt et irritasjonsmoment. Men de kan også utnyttes konstruktivt for å oppnå høyere datastrøm. Forskerne har kombinert hastighetstilpassete systemer med systemer som nytter flere antenner. De har også utviklet metoder for å måle påliteligheten i slike kombisystemer.

Et tredje bidrag er å skille mellom de ulike typene informasjon som systemet skal overføre, enten det er normal tale, høykvalitets lyd/musikk, kontinuerlig video/TV-signal, stillbilder eller datafiler. Datakodingen og overføringstilpasningen blir bestemt ut fra kanalkvaliteten og egenskapene til informasjonen som skal overføres. Er den analog eller digital? Krever den høy eller lav overføringshastighet? Tåler den forsinkelser i overføringen? Målet er å bidra til så høy kvalitet som mulig, med minimal belastning av de trådløse kanalressursene.

DELE PÅ GODENE • Forskningen er trinnvis utvidet til å omfatte flerbrukersystemer og trådløse nettverk. Her har NTNU-gruppene utviklet flere nye metoder for effektivt å dele en radiokanal mellom et større antall brukere – som når flere mobilterminaler skal kommunisere med én felles basestasjon. Bruker man kunnskap om kanalen til å tildele kanalressurser på en intelligent måte, kan den totale kapasiteten økes. Slik oppnår man maksimal gjennomstrømning i nettverket. Samtidig må man ta vare på «rettferdigheten» mellom brukerne, og sørge for at den kontrollinformasjonen som trengs, ikke blir for omfattende.

I tillegg til bedre trådløse multimedieoverføringer vil disse metodene kunne brukes til mer effektive lokale nettverk. Det kan være i områder med masse trådløs trafikk, som flyplass- lounger og kontorer. Det kan også være i personlige nettverk hvor de trådløse kommunikasjonsavstandene er svært korte, som ved bruk av trådløs mus og trådløst tastatur.

FRA FØRSTE TIL FJERDE GENERASJON • Teleforskningen ved NTNU er ett av mange internasjonale bidrag til en mulig fjerde generasjons mobiltelefoni – 4G.

Første generasjon mobiltelefon i Norge var Nordisk MobilTelefoni (NMT 450 og NMT 900). Den dukket opp tidlig på 1980-tallet og hadde en overføringshastighet vi i dag vil kalle sneglefart.

Med utviklingen av mikroelektronikken kom annen generasjons «cellular systems». Det medførte et skifte fra analog til full digitalisering av hele kommunikasjonskjeden. Europa etablerte standarden GSM, som nå har 70 millioner brukere i Europa, og 100 millioner globalt. GSM har gjennomgått en evolusjon med stadig raskere overføringshastigheter. En av variantene i utviklingen er kjent som GPRS, en annen som WAP, og en tredje som EDGE. Gode systemer, men med klare begrensninger. Systemene klarer ikke å forholde seg til både høyhastighets dataoverføring og digital radiotransmisjon, siden hver av disse to overføringstypene krever hver sin spesialiserte radiokommunikasjon.

Nylig er tredje generasjon – 3G – lansert, med tilnavnet UMTS (Universal Mobile Telephone System).

Framtidas 4G skal ideelt sett bli en samkjøring av all trådløs kommunikasjon, fra ultrakorte distanser til langdistanse mobilkommunikasjon. 4G-mobilkommunikasjon er derfor ikke tenkt som én enkelt standard. Den internasjonale telekommunikasjonsunionen anbefaler heller ikke én bestemt standard. Unionen ønsker at hele systemet bruker internasjonalt godkjente overføringsprotokoller som kommuniserer med hverandre, etter mønster av dagens internett.

Eksempelvis kan kommunikasjonen inne i et kontorlokale gå trådløst ved PAN (Personal Area Network). Går du ut av rommet og til en annen del av bygningen, nyttes WLAN (Wireless Local Area Network). Ute på gata flytter kommunikasjonen sømløst over til UMTS eller GSM. Og i grisgrendte strøk går den via satellitt. Eneste standard blir kommunikasjonen mellom de ulike standardene.

Illustrasjon: Mads Nordtvedt

MILLIARDER – MEN TIL HVEM? • Tredje generasjons mobiltelefoni står i fare for å havne i en klemme der tida for å tjene inn de store investeringene blir for kort. 3G er ennå bare så vidt kommersielt operativt i Norge. Da er det kanskje bare fem korte år til neste generasjon,med nye, svært kraftigere ytelser.

4Gmobile blir omtalt som en revolusjon på linje med 1990-årenes internett. Hver person i verden vil kunne ha sitt globale personnummer. Omsetningen av 4G-produkter og -tjenester er av enkelte anslått til 400 milliarder dollar innen 2008.

Selv med denne antatt sterke næringsinteressen opprettholder forskerne i Beats og Cuban en helt åpen publisering av sine forskningsresultater, for å profilere seg internasjonalt og for å skaffe kontakter.

De er blant annet med i EUs «Network of Excellence in Wireless Communications». Nettverket omfatter 60 av de beste fagmiljøene i Europa på dette feltet. Videre samarbeider de med selskapene Telenor, Nera, Birdstep, Chipcon og Nordic VLSI.

En vanlig – og omdiskutert – oppfatning i Norge er at «det var vi som fant opp GSM-standarden, men svenskene og finnene som tjente på den». Om rollen til den norske, offentlig finansierte forskningen i utviklingen av 4G er NTNU-forskerne Øien og Lundheim høyst nøkterne:

– Vår oppgave er å utdanne de høyt kvalifiserte personene som den moderne kunnskapsindustrien på dette feltet er avhengig av. De kan videreforedle kompetansen til både produkter, patenter og lisenser.

Av Mentz Indergaard

Kontakt: Geir E. Øien , Institutt for elektronikk og telekommunikasjon,
NTNU Tlf: 73 59 43 15, e-post: oien@iet.ntnu.no

Pusterommet
Vinterlandskap
Rune Aarlien, SINTEF Energiforskning.