Kopioi artikkelin PDF-versio
Matkapuhelinten kolmatta sukupolvea odotellaan kauppoihin, samalla kuin tutkijat miettivät jo neljättä sukupolvea. Mitä vielä voidaan kännyköissä parantaa?
Matkaviestinjärjestelmien lyhyen historian aikana sukupolvet ovat vaihtuneet noin kymmenen vuoden välein. Kolmannen sukupolven radioverkkojen tullessa kaupalliseen käyttöön täytyy neljännen sukupolven tutkimuksen olla täydessä vauhdissa, jotta uudet tekniset ratkaisut ymmärretään riittävän hyvin standardoinnin aikanaan alkaessa.
Jotta uuteen sukupolveen siirtyminen olisi järkevää, täytyy uuden järjestelmän ratkaisevasti parantaa suorituskykyä: spektritehokkuuden, tiedonsiirtonopeuden ja erilaisten palveluiden tuen täytyy parantua selvästi. Mikäli rajallisten radiotaajuuksien käyttöä ei pystytä tehostamaan, voidaan kapasiteettia kasvattaa siirtämällä jatkokehitettyjä kolmannen sukupolven järjestelmiä uusille taajuuskaistoille. Beyond 3G Multidimensional Air Interface -tutkimuksen (BeMArI) tavoitteena on löytää teknisiä ratkaisuja, joilla solukkoverkkojen seuraava sukupolvi lunastaa paikkansa taajuusavaruudessa.
Jatkokehitettyjen kolmannen sukupolven järjestelmien, joihin lasketaan solukkoverkkoihin integroidut langattomat lähiverkkoratkaisut, odotetaan etenevän n. 100 Mbps päätelaitekohtaisiin huippunopeuksiin pienissä soluissa ja hitaan liikkuvuuden ympäristöissä. Suuremmalla peittoalueella ja päätelaitteen nopeudella voidaan päästä noin 30 Mbps luokkaan, mutta korkeampien siirtonopeuksien tarjoaminen kustannustehokkaasti vaatii radikaaleja muutoksia radiojärjestelmiin.
Seuraavan sukupolven langattomien järjestelmien pitäisi pärjätä tämän päivän kiinteille kotiyhteyksille, kuten ADSL:lle ja kaapelimodeemeille. Kannettavien päätelaitteiden kehittyessä käyttäjät tulevat vaatimaan samaa tehokkuutta kuin kiinteiltä ratkaisuilta. Siksi tavoitteena on päästä noin 100 Mbps nopeuteen täydellä peitolla ja liikkuvuudella ja 1 Gbps nopeuteen paikallisissa sovelluksissa. Vaikka yksikään yksittäinen palvelu ei vaatisi näin suurta siirtonopeutta, sitä tarvitaan palvelemaan useita samanaikaisia suuren datanopeuden käyttäjiä ja vähentämään viiveitä palveluiden käytössä.
BeMArI keskittyy ensisijaisesti täyspeitteisten ja liikkuvia päätelaitteita tukevien solukkoverkkojärjestelmien tutkimukseen. Toissijaisesti tarkastellaan myös rajoitetun peittoalueen ja liikkuvuuden ratkaisujen tarjoamista saman radiorajapinnan avulla.
Monikaistaiselle moottoritielle
Tähänastisissa GSM- ja WCDMA-radiorajapintaratkaisuissa yksi päätelaite käyttää yhtä kantoaaltoa. Siirtonopeuden kasvaessa yhden kantoaallon ratkaisuissa esiintyy ongelmia. GSM:n kaltaisessa aikajakoisessa radiojärjestelmässä vastaanottimessa tarvittavan kanavakorjaimen monimutkaisuus kasvaa nopeasti, eikä WCDMA:n yhden kantoaallon hajaspektrijärjestelmä toimi enää optimaalisesti, kun kantoaallon taajuuskaista kasvatetaan 10-20 kertaiseksi. Näihin ongelmiin haetaan ratkaisuja monesta suunnasta.
BeMArIn valitsema lähestymistapa on monen kantoaallon järjestelmä. Monen kantoaallon radiorajapinnat ovat olleet selkeästi suosituimpia suuren siirtonopeuden järjestelmissä joustavuuden ja suhteellisen helpon toteutuksen ansiosta. Esimerkiksi langattomat lähiverkot (kuten IEEE 802.11a) ja maanpäällinen Digi-TV (DVB-T) käyttävät useita kantoaaltoja. Nämä järjestelmät perustuvat OFDM-tekniikkaan, jossa ei ole hajoituskoodausta.
BeMArIssa tähän lisätään vielä CDMA-järjestelmistä tuttu hajoituskoodaus, jolloin sama alikantoaalto voidaan jakaa monen käyttäjän kesken. Menetelmästä käytetään lyhennettä MC-CDMA. Koodihajoitus voidaan tehdä esimerkiksi ajassa tai eri taajuuskaistojen välillä, ja tapoja yhdistellä koodausta ja alikantoaaltoja on rajattomasti. Suorituskyky riippuu radiorajapinnan parametreista, jättäen runsaasti tilaa tehokkainta ratkaisua etsivälle tutkimustyölle.
Projektissa tutkitaan monikantoaaltoisten järjestelmien suunnittelua ja mitoitusta, tavoitteena tunnistaa parhaiten toimivat radiojärjestelmäkonseptit. MC-CDMA:n keskeisiä ominaisuuksia ovat alikantoaaltojen etäisyys ja modulaatio, hajoitussuhteet taajuudessa ja ajassa sekä tunnettujen niin kutsuttujen pilottisymbolien rakenteet.
Myös alikanavien lomitusta käyttävät ratkaisut ovat mahdollisia. Kaikki nämä ominaisuudet riippuvat voimakkaasti toisistaan ja käytettävästä radiokanavasta, tavoitellusta signaali-kohinasuhteesta ja vastaanottimessa käytettävästä korjaimesta. Tavoitteena on löytää ne avainparametrien säätöalueet, joilla järjestelmän toimivuus voidaan joustavasti optimoida erityyppisissä soluissa ja käyttötilanteissa.
Vääntö, ilmanvastuskerroin ja hevosvoimat
Perustan muodostavien järjestelmäparametrien lisäksi tarvitaan runsaasti muita määrittelyjä, joista jokainen muodostaa oman tutkimusalueensa: MC-CDMA-järjestelmissä voidaan lähetysdiversiteettiin yhdistettynä lähetettävä informaatio koodata tila-aika- (space-time) tai tila-taajuuskoodauksella (space-frequency), tai näiden yhdistelmällä.
Koodausmenetelmien vaikutuksia tullaan tutkimaan järjestelmän optimointia varten. Korkea maksimitehon suhde keskimääräiseen tehoon on ollut ongelma lähettimen tehovahvistimen kannalta monikantoaaltojärjestelmissä, mutta lupaavia ratkaisuja on löydetty. BeMArIn haasteeksi jää parhaan ratkaisun löytäminen valittuun radioympäristöön ja -järjestelmään.
Jo kolmannen sukupolven radiojärjestelmien jatkokehityksessä päähuomio on radiokanavan käytön tehostamisessa. Hyvistä kanavaolosuhteista pyritään saamaan kaikki hyöty irti kasvaneena kapasiteettina samalla varautuen siihen, että heikkenevissä olosuhteissa lähetetty informaatio pystytään hyödyntämään uudelleenlähetysten avulla.
Neljännessä sukupolvessa nämä ominaisuudet tulevat edelleen korostumaan. Radioresursseja voidaan jakaa käyttäjien kesken koodin, ajan, taajuuden ja tilan perusteella. Myös yhden käyttäjän tiedonsiirtonopeuden adaptaatio voi tapahtua ajan, taajuuden tai tilan avulla. Nopeat muutokset modulaatio- ja koodausformaatissa sekä kanavasymboleissa ja radiorajapinnan lähetyskehyksen pituudessa ovat myös mahdollisia.
Polttomoottorin vaihtoehdot
Aallokkeiden (wavelet) tutkimuksessa kehitettyjä suodinpankkeihin perustuvia monikantoaaltojärjestelmiä (FBMC) tutkitaan vaihtoehtoina OFDM-pohjaisille järjestelmille. FBMC:n etuja ovat tietyillä parametreilla parempi spektritehokkuus ja pienempi alikantoaaltojen määrä.
Haasteena on edelleen tehokkaiden ja häiriösietoisten kanavakorjainmenetelmien kehittäminen. Mikäli ongelmat saadaan ratkaistua, saattaa FBMC-pohjainen järjestelmä olla varteenotettava vaihtoehto OFDM-tekniikkaan pohjautuvalle MC-CDMA-ratkaisulle.
Ruuhkan ohi monella reitillä - yhtaikaa
Uudet kanavakoodausmenetelmät ovat tuoneet digitaalisten radiolinkkien suorituskyvyn varsin lähelle Claude Shannonin vuonna 1948 määrittämää rajaa. Seuraavaksi kapasiteettia päätelaitteen ja verkon välillä kasvatetaan luomalla useita, toisistaan mahdollisimman riippumattomia radiokanavia (diversiteetti). Radiokanavassa diversiteetin lähteitä ovat esimerkiksi aika, tila, polarisaatio ja taajuus.
Lähetys- ja vastaanottodiversiteettiratkaisuista niin kutsuttuihin moniantennijärjestelmiin perustuvat MIMO-menetelmät (Multiple Input Multiple Output) ovat kiinnostavia, koska teoriassa Shannonin kapasiteetti (bittiä / s / Hz) kasvaa lähes lineaarisesti lähetys- ja vastaanottoantennien määrän funktiona. Neljännen sukupolven päätelaitteissa tullaankin hyvin todennäköisesti käyttämään useita antenneja sekä verkossa että päätelaitteissa.
Erityisesti laajakaistaisissa järjestelmissä vastaanottimen toiminta riippuu kanavaestimoinnin tarkkuudesta. Vastaanottimen toiminnan takaamisen lisäksi kanavaestimoinnin tulee tuottaa tietoa kanavan olosuhteista, sillä kanavainformaatiota voidaan käyttää tehon jakamiseen optimaalisesti eri lähetysantennien välillä ja käytetyn modulaatiomenetelmän valintaan.
Laajakaistaisen signaalin keilanmuodostus ja adaptiivinen prosessointi tarjoavat lisäksi mahdollisuuksia vastaanottimen suorituskyvyn ja järjestelmän tehokkuuden parantamiseen. Projektissa tullaan tutkimaan MIMO-kanavan estimointiin ja seurantaan liittyviä algoritmeja sekä lähetyssignaalin koodausta ja prosessointia tila-aika-tason menetelmin.
Suorituskyvyn uudet mittarit
Optimaalista järjestelmää voidaan etsiä monelta eri suunnalta. Yksi valittu tutkimusmenetelmä on aluespektritehokkuuden (ASE) tutkimus. Aluespektritehokkuudessa lasketaan yhteen suurimmat keskimääräiset siirtonopeudet jaettuna käytetyllä kaistanleveydellä ja solun pinta-alalla. ASEn yksiköksi tulee näin bittiä / s / Hz / m2.
Tutkimuksessa tavoitteena on löytää korkein mahdollinen ASE ja sitä kautta etsiä oikeita kompromisseja datanopeuksien, bittivirhesuhteiden, viiveiden ja kompleksisuuden välillä. Nykyisten järjestelmien aluespektritehokkuus tulee selkeästi ylittää. Parhaan mahdollisen yhdistelmän löytäminen ei ole mahdollista puhtaasti matemaattisilla menetelmillä ongelman epälineaarisuuden vuoksi, joten simuloinneilla tulee olemaan tärkeä osuus tutkimuksessa. Teho- ja viivebudjetit, modernit kanavakoodausmetodit, ylikuuluminen ja liikkuvuuden vaikutukset täytyy tuntea ja ymmärtää, jotta ASE pystytään semianalyyttisesti mallintamaan.
Yhteistyöllä päästään maaliin
Jotta suunniteltu radiojärjestelmä pysyisi yhtenäisenä, kolme tutkimusosapuolta muodostavat tulosten yhdistämiseen keskittyvän työpaketin, joka toimii koko projektin ajan. Yhteinen työpaketti huolehtii järjestelmävaatimuksista, työoletuksista, mitattavista suorituskykyparametreista ja muista yksityiskohdista, joiden tulee olla koko projektille yhtenäiset.
Jokainen järjestelmäsukupolvi pyrkii ottamaan yhä enemmän irti rajallisista radioresursseista, jotta taskussa kulkevista multimediapalveluista tulisi kaikkien omaisuutta. Parannuksia spektritehokkuudessa etsitään ratkaisuista, jotka lisäävät verkon ja päätelaitteiden prosessointivaatimuksia.
Vaikka tietotekniikan kehitys seuraavan kymmenen vuoden aikana näyttääkin jatkuvan Mooren lakia noudatellen, tulee pienen ja riittävällä toiminta-ajalla varustetun neljännen sukupolven päätelaitteen valmistaminen olemaan haaste, johon tulee suhtautua kunnioituksella jo eri järjestelmäratkaisuja tutkittaessa. Jotta suurinopeuksiset palvelut olisivat kaupallisesti mielekkäitä, tulee siirretyn datan bittihinnan samalla pudota murto-osaan nykyisestä.
Tavoitteet radiorajapinnan kehitystyössä ovat erittäin kunnianhimoisia, mutta ilman merkittäviä parannuksia ei uutta järjestelmää ole mielekästä rakentaa. BeMArI tulee osaltaan antamaan viitteitä siitä, kuinka pitkälle kehittyvä tekniikka pystyy solukkoverkkojen tehokkuuden seuraavan kymmenen vuoden aikana viemään.
Aiheesta enemmän
Wireless World Research Forum: http://www.wireless-world-research.org/
ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
ASE - Area Spectral Efficiency
FBMC - Filter Bank based MultiCarrier
CDMA - Code Division Multiple Access
EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
GPRS - General Packet Radio Service
WCDMA - Wideband CDMA
MIMO - Multiple Input Multiple Output
WLAN - Wireless Local Area Network
MC-CDMA - MultiCarrier CDMA
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Taustat
Kirjoittaja: Mikko J.Rinne, johtaja, järjestelmätutkimus ja standardointi, Nokia Mobile Phones.
Yhteyshenkilö: mauri.nissila@vtt.fi
Tutkimus: BeMArI (Beyond 3G Multidimensional Air Interface)
Yhteistyössä: VTT Elektroniikka (Oulu), Teknillisen korkeakoulun signaalinkäsittelytekniikan laboratorio, Tampereen teknillisen korkeakoulun tietoliikennetekniikan laitos, Nokia Mobile Phones, Oulun yliopiston FUTURA-projekti.
Teknologiaohjelma: NETS