Trådløs mobilkommunikasjon i dag
For 20 år siden var i overkant av 60.000 nordmenn abonnenter hos Nordisk Mobiltelefon (NMT), trådløs mobiltelefoni var definitivt ikke allemannseie. 10 år senere ble OL på Lillehammer i 1994 betegnet som mobiltelefonens OL, med 25.000 enheter i bruk i løpet av lekene [4]. I dag er det er vanskelig å forestille seg en hverdag uten trådløs kommunikasjon, og mange av oss er storforbrukere. Vi snakker i mobiltelefonen på vei til jobb, med bærbar pc er vi alltid på nett i løpet av arbeidsdagen, og mange har også anskaffet trådløs ruter til hjemmenettverket.
Utviklingen går fort, og nye tjenester krever stadig høyere kapasitet (overføring av video) og lavere feilrate (overføring av feilkritiske datafiler) for å fungere slik brukeren forventer. En løsning er å sende et mer bredbåndet signal, men frekvensspekteret er både trangbodd og kostbart, så forskere og industri har lenge arbeidet med andre løsninger.
I det følgende fokuserer vi på kommunikasjon i urbane omgivelser, uten noen direkte linje mellom sender og mottaker, der bygninger og vegetasjon fører til flerveisutbredelse av signalet. En tradisjonelt uønsket effekt under slike forhold er kanalfading, som gjør at mottatt signaleffekt kan variere sterkt, som følge av relativt små forflytninger hos mottaker.
Ved å utstyre basestasjonen med flere antenner kan man til en viss grad motvirke slike negative effekter og gi dataene bedre feilbeskyttelse; enten ved bruk av lineære kombineringsteknikker eller ved å utnytte diversiteten i den romlige dimensjonen.
MIMO-systemer
MIMO står for Multiple-In Multiple-Out, og refererer til bruk av flere antenner hos både sender og mottaker, henholdsvis inngangen og utgangen til den trådløse kanalen [2]. Med større mottakere (bærbar pc) og stadig bedre batterier er det i dag mulig å legge flere antenner både i basestasjonen og i den mobile enheten, og få et fullt MIMO-system. Senere skal vi se at også romlig distribuert samarbeide mellom enheter med en antenne kan emulere MIMO-systemer.
Hovedmotivet bak MIMO-teknologien er ønsket om å øke brukernes datarate uten å kreve mer spektrum, som er en begrenset og dyr ressurs. MIMO-ideen utnytter signalenes flerveisutbredelse, og er avhengig av urbane omgivelser. Kort sagt er ideen at flerveisutbredelsen effektivt dekorrelerer kanalene, så selv om to signaler sendes fra to relativt nærliggende antenner, vil de ikke oppleve det samme på veien til en og samme mottakerantenne. Dette åpner for å sende uavhengige strømmer på alle sendeantennene, en kanalmatrise med uavhengige elementer gir et løsbart ligningssystem (så lenge mottakeren har minst like mange antenner).
Allerede på 1980-tallet ble det publisert artikler som ga frempek om MIMO-teknologiens muligheter til å øke overføringskapasiteten. Fra andre halvdel av 1990-tallet bredte interessen seg, fra denne tiden regnes G. Foschinis artikkel [1] fra 1996 som et pionerarbeide.
I løpet av det siste tiåret har MIMO-teknologien overbevist som en effektiv tilnærming for å sikre økt datarate og ytelse innen trådløs kommunikasjon, og derfor fått innpass i systemer og standarder. For tiden går for eksempel arbeidet med MIMO WiFi-standarden IEEE 802.11n [5] mot slutten, og vi ser også at produsentene av hjemmeutstyr følger opp; trådløse rutere og nettverkskort etter den foreløpige standarden (ofte merket preN) er allerede på markedet.
Samarbeid i trådløse kommunikasjonssystemer
Ideen om samarbeidende aktører har steget frem som et aktuelt tema innen forskning på trådløs kommunikasjon. Dette samarbeidet kan anta ulike former avhengig av systemets nettverksarkitektur, og motivasjonen bak samarbeidet varierer fra økt rekkevidde til bedre beskyttelse mot fading på kanalen. Disse godene kan, avhengig av nettverket og kanalforholdende, være gevinster systemet går glipp av hvis hver enhet bare tenker på seg selv.
Figur 1: Nettverk med overlappende dekningsområder
Samarbeidsvilje i trådløse kommunikasjonssystemer er imidlertid ikke helt nytt, ett fungerende eksempel er konseptet ’soft handoff’ i CDMA-systemer[i], i bruk allerede i det tidlige nord-amerikanske IS-95. Poenget er der at en bruker på vei fra én basestasjons dekningsområde til en annens, i en periode vil motta signaler fra begge basestasjoner for å sikre en tidskontinuerlig forbindelse.
I det følgende gjennomgår vi litt av hva slags samarbeidsformer man ser for seg i dagens forskning, tildels inspirert av ideer som ’soft handoff’, men med et mer langvarig tidsperspektiv. Fungerende løsninger må ha tilfredsstillende mekanismer for synkronisering, slik at samtidige signaler fra samarbeidende sendere oppfattes som samtidige signaler også hos mottaker, men den diskusjonen er ikke tema for denne artikkelen.
Ulike former for samarbeid
En mulig samarbeidsmetode baserer seg på at nodene i et nettverk opptrer som ’relays’ for hverandre, de videresender mottatte signaler i retning av endelig destinasjon. Dette kan ha flere fordeler, blant annet kan senderen nå destinasjoner som befinner seg utenfor dennes dekningsområde. Metoden kan også brukes for å skape en virtuell, romlig distribuert antennearray, for på den måten å oppnå sendediversitet som kan motvirke kanalfading. I Figur 2 ser vi at nodene 0 og 1 sammen danner en slik distribuert antennearray.
Denne typen teknikker nevnes ofte i forbindelse med ad hoc-nettverk, nettverk uten noen fast struktur, der alle nodene er likeverdige og opptrår både som sendere, relays og mottakere. Se [3] for en oversikt.
Figur 2: Begge noder sender til en felles destinasjon, og opptrer som relays for hverandre.
Andre eksempler finner vi for cellulære mobilkommunikasjonssystemer, der hver celle definerer dekningsområdet til en basestasjon (aksesspunkt for innendørsnettverk). Dersom dekningsområdene overlapper i betydelig grad kan en stor andel av brukerne (mobiltelefon, bærbar pc) forvente å kunne motta signaler fra flere sendere, noe systemet kan utnytte til langvarig samarbeid.
Basestasjonene er gjerne større og har mer beregningskapasitet enn de mobile brukerne, så det er naturlig å la dem ta hånd om samarbeidet og den økte kompleksiteten det innfører. Vi antar også at de er forbundet til en sentral enhet via raske linjer. Prekodingsteknikker for samarbeid av denne typen er fokus for artikkelforfatterens doktorgradsprosjekt.
Økt diversitet, én mottaker
En mulig tilnærming er å undersøke fordelene ved å la flere basestasjoner delta i kommunikasjon til én bruker, for på denne måten å oppnå samarbeidsdiversitet, se Figur 3. Selv med bare én antenne per basestasjon vil et slikt samarbeid oppnå en distribuert antennearray på sendesiden, og hele systemet kan sees som et punkt-til-punkt MIMO-system.
Figur 3: Et trådløst nettverk der L basestasjoner alle kan kommunisere med samme bruker.
Vi bygger en distribuert kodeord i rom og tid, der flere basestasjoner bygger ett felles kodeord, og således oppnår den samme diversitetsfordelen. Oppgaven er å prekode det distribuerte kodeordet optimalt, utfra hva basestasjonene kjenner til om den fysiske kanalen signalene skal traversere. Utførlige beskrivelser er å finne i [7], der resultatene viser at selv enkle optimeringsprinsipper gir en klar nedgang i feilraten, sammenlignet med et distribuert system uten samarbeid. Bidraget ligger også i det faktum at hver basestasjon selv kan finne sin del av prekoderen, uten å kommunisere med sine samarbeidspartnere.
Multipleksing av data, flere mottakere
Som en naturlig forlengelse har vi også undersøkt effekten av samarbeid når en gruppe basestasjoner sammen sender signaler til en gruppe mottakere, med det for mål at hver mottaker får sin datastrøm. Hver basestasjon multiplekser symbolstrømmene til alle de mobile brukerne, og oppgaven er også her å finne den beste prekoderen basert på realistiske antagelser om kunnskap til kanalforholdene, se Figur 1. Dette kan ikke jamføres med et distribuert MIMO-system, ettersom vi ikke antar at mottakerne kommuniserer seg i mellom.
Gevinsten i dette tilfellet er at hver basestasjon kan finne en optimal prekoder, kun ved å kjenne sin egen kanal og å vite om sine samarbeidspartnere. Problemet er altså effektivt distribuert i rommet, og i [6] vises det at feilraten går ned i forhold til et system uten samarbeid.
Figur 4: Romlig multipleksing fra to basestasjoner til to mobile brukere.
Oppsummering
Romlig distribuert samarbeid i trådløse kommunikasjonssystemer er et hett tema for tiden, i mange og relativt ulike former. Gevinstene kan være blant annet økt rekkevidde og diversitet som beskyttelse mot kanalfading. Disse effektene må så veies opp mot den økte kompleksiteten samarbeidet fører med seg, i form av krav til beregningskapasitet og ekstra bruk av tid.
Referanser
[1]J. Foschini. “Layered space-time architecture for wireless communications in a fading environment when using multiple antennas.” Bell Labs Technical Journal, 1(2):41-59, 1996.
[2]D. Gesbert, M. Shafi, D. Shiu og P. Smith. “From theory to practice: An overview of space-time coded MIMO wireless systems.” IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), 21(3):281-302, 2003.
[3]A. Nosratina, T.E. Hunter og A. Hedayat. “Cooperative communication in wireless networks.” IEEE Communications Magazine”, oktober 2004.
[4]Norsk Telemuseum, en del av Teknisk Museum,
[5]IEEE 802.11, I Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://www.en.wikipedia.org/w/index.php/?title=IEEE_802.11&oldid=84461680
[6]H. Skjevling, D. Gesbert og A. Hjørungnes. ”Receiver-Enhanced Cooperative Spatial Multiplexing with Hybrid Channel Knowledge” Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing.
[1]Code Division Multiple Acces, en fleraksessmetode som bruker koder for å skille samtidige kommunikasjoner fra hverandre. |