211service.com
Un'antenna migliore per le reti cellulari
Quando parli a un telefono cellulare, condividi le frequenze radio con tutti gli altri che ne stanno utilizzando uno entro un raggio di tre chilometri dalla stazione base più vicina. Come tutti sanno, questa condivisione non sempre funziona perfettamente: la congestione della rete può portare a chiamate statiche, interrotte e download di dati lenti.
Ma cosa succede se non dovessi condividere il segnale del cellulare? E se la stazione base più vicina potesse puntare un raggio radio direttamente sul tuo telefono mentre ti muovi, invece di emettere segnali in tutte le direzioni? In tale scenario, potresti aspettarti chiamate vocali più chiare e una consegna più rapida di informazioni digitali come pagine Web o video. E inviando più raggi, il tuo operatore di telefonia mobile potrebbe fornire segnali avanzati anche ad altri clienti.
Questo approccio per aumentare la capacità delle reti cellulari è chiamato beamforming adattivo. E gli ingegneri di Nokia lo stanno rapidamente avvicinando all'uso commerciale. Sebbene il gigante finlandese delle telecomunicazioni sia meglio conosciuto per i suoi telefoni, è anche un importante fornitore di apparecchiature di rete e trasmissione per gli operatori mobili. Nel sottosuolo del Nokia Research Center di Helsinki, Finlandia, dove le loro apparecchiature sono messe in quarantena dal clamore dei segnali cellulari, i ricercatori stanno costruendo e testando un prototipo di antenna per stazione base beamforming che potrebbe triplicare la capacità dell'ultima generazione di reti cellulari.
[ Fare clic qui per visualizzare le immagini dell'antenna, dei suoi dintorni e dei suoi custodi.]
Quelle nuove reti non sono ancora sovraccariche. Ma questo non è motivo di compiacimento. I sistemi 3G, come il CDMA a banda larga, stanno appena iniziando a essere implementati in tutto il mondo, quindi le reti non sono affatto congestionate al momento, afferma Hannu Kauppinen, senior research manager per le tecnologie radio presso il Nokia Research Center. Ma prevediamo che in futuro gli operatori avranno bisogno di aumenti di capacità. Ecco perché stiamo indagando su questa funzione.
Mentre una torre per cellulare tradizionale funziona come un irrigatore per prato, irradiandosi in un cerchio, un'antenna beamforming funziona come un tubo flessibile. L'idea di base è che in un'area affollata si desidera dare il massimo segnale alla persona appropriata, piuttosto che sprecare l'energia spargendola su un volume più ampio, spiega Greg Hindman, presidente e cofondatore di Torrance, Nearfield Systems, California. , che costruisce sistemi di prova e misurazione per i produttori di apparecchiature radio. Molti dei nostri clienti stanno lavorando su questo.
Sono necessari nuovi modi per supportare più chiamanti perché le reti di telefoni cellulari utilizzano una risorsa limitata: lo spettro radio. La tecnica originale per servire più utenti wireless in uno spazio popolato, sperimentata più di 40 anni fa, era quella di dividere lo spazio in celle, ciascuna servita da una stazione base separata. Ma poiché le celle erano grandi e potevano contenere molti clienti, non era abbastanza. I segnali dovevano essere suddivisi utilizzando diverse frequenze radio, o canali.
Negli Stati Uniti, tuttavia, lo spettro assegnato dal governo per le reti cellulari analogiche di prima generazione era sufficiente per supportare solo 56 canali per cella: il 57esimo chiamante in una determinata cella era sfortunato. Quindi le frequenze dovevano essere suddivise ulteriormente.
Nelle reti digitali ad accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) ogni burst di informazioni su una particolare frequenza è suddiviso in tre intervalli di tempo, ciascuno lungo pochi millisecondi. Questi slot sono assegnati a tre telefoni diversi, ognuno dei quali può mettere insieme i dati dalla sua fascia oraria in una conversazione continua. Il risultato è che tre telefoni alla volta possono utilizzare la stessa frequenza, triplicando la capacità di ogni cella, a circa 168 canali. TDMA è la tecnica alla base di protocolli come il Global System for Mobile Communications, o GSM, utilizzato da grandi aziende come China Mobile, T-Mobile, la divisione Cingular della nuova AT&T e Personal Communications Services, o PCS, utilizzato da Sprint.
Una tecnica alternativa consiste nell'abbandonare del tutto i canali e diffondere invece più conversazioni in piccoli pezzi attraverso l'intero spettro cellulare. In questo metodo, noto come Code Division Multiple Access (CDMA), tutti i telefoni in una particolare cella ascoltano la stessa gamma di frequenze e ricevono gli stessi dati grezzi, ma ogni dato è preceduto da un codice digitale univoco per il telefono di un cliente . Solo quel telefono può scegliere e rimontare i pezzi che costituiscono la conversazione dell'utente. CDMA è il protocollo wireless preferito da Verizon Wireless negli Stati Uniti, Orange in Europa e NTT DoCoMo in Giappone.
La versione di terza generazione (o 3G) di CDMA si chiama Wideband CDMA, riferendosi alla sua maggiore capacità di trasportare dati come musica e immagini in movimento dal vivo. In circostanze ideali, le reti WCDMA possono inviare dati a velocità vicine alla DSL: 384 kilobit al secondo agli utenti in movimento e 2 megabit al secondo agli utenti fissi, rispetto a circa 50 kilobit al secondo per le reti di seconda generazione. Questo standard è già stato adottato da NTT DoCoMo e da altri operatori e Nokia ha investito molto nel protocollo, costruendo i telefoni necessari, le apparecchiature della stazione base, i sistemi informatici e il software.
Mentre Nokia si prepara ora a gestire la congestione prevista sulle reti WCDMA, i suoi ricercatori hanno chiuso il cerchio: sono tornati all'idea di dividere spazialmente i segnali cellulari. Proprio come la tecnologia cellulare di prima generazione divideva lo spazio in cellule, il beamforming divide le cellule in sezioni, ciascuna servita da un raggio diverso. (La tecnologia Beamforming può essere applicata a qualsiasi tipo di rete cellulare digitale, non solo a quelle basate su CDMA.)
Sebbene il beamforming in sé non sia un'idea nuova, non è mai stato applicato con successo alla telefonia cellulare. È fondamentalmente una vecchia tecnologia militare, afferma Kauppinen. Alcuni radar funzionano con questo principio da molto tempo. Ma solo negli ultimi anni abbiamo avuto una comprensione di come il beamforming funzionerebbe effettivamente nelle reti cellulari.
L'antenna beamforming in fase di test nel laboratorio di Helsinki è in realtà otto antenne in una. È formato da strisce di rame di circa otto centimetri ciascuna, saldate insieme in una superficie che copre circa un metro quadrato. Il dispositivo modula abilmente le onde radio sovrapposte dalle otto antenne per dirigere i segnali in direzioni specifiche. (Potrebbero essere utilizzate più antenne, ma i calcoli necessari per guidare i segnali aumentano drasticamente man mano che vengono aggiunte più antenne.)
Immagina di far cadere due pietre contemporaneamente in uno stagno immobile. In alcuni punti, i picchi delle increspature che si diffondono coincideranno, creando picchi più alti. In altri punti, i picchi di un'increspatura annulleranno gli avvallamenti dell'altro, lasciando l'acqua calma. Inoltre, far cadere le pietre in momenti leggermente diversi cambierà le posizioni in cui i picchi coincidono. Calcolando esattamente gli intervalli di tempo, potresti, in teoria, far sì che i picchi più alti si allineino in una direzione specifica.
Ecco come funziona l'antenna beamforming di Nokia. Una custodia dietro il foglio di rame contiene i sofisticati amplificatori e circuiti di elaborazione del segnale digitale necessari per dirigere fino a otto fasci separati in direzioni diverse. In pratica, ci sarebbero probabilmente molti chiamanti all'interno dell'arco di ciascun raggio, quindi le tecniche standard di divisione del codice verrebbero utilizzate all'interno di ciascun raggio per servire più chiamanti, aumentando teoricamente la capacità complessiva della rete di un fattore otto. Tuttavia, a causa di fattori complicati, come la geografia e l'interferenza tra i raggi, l'utilizzo di otto raggi non aumenterebbe effettivamente la capacità della rete di otto volte. Nelle simulazioni di ambienti semiurbani e urbani, abbiamo scoperto che [l'antenna beamforming] ha aumentato la capacità di un fattore da due a tre, afferma Kauppinen.
Nokia pensa che questo sia un miglioramento sufficiente per interessare gli operatori di telefonia mobile. E c'è un'altra ragione per il fascino della tecnologia: a differenza di altri tipi di array di antenne, un'antenna beamforming non ha bisogno di più cavi di rame spessi, pesanti e costosi da collegare alle apparecchiature di amplificazione a terra. Invece, tutta l'attrezzatura necessaria è all'interno dell'antenna stessa.
Se devi avere quattro cavi, ciascuno spesso un pollice, che salgono a un array di antenne, questo è un ostacolo pratico ed è la ragione principale della riluttanza degli operatori a installare array di antenne, afferma Thomas Höhne, un ricercatore di Kauppinen laboratorio. Ora che l'amplificatore è integrato nell'antenna, significa che possiamo far passare una sottile fibra ottica fino all'antenna. E l'amplificatore di potenza non ha bisogno di essere extra forte, perché stiamo sommando i segnali delle antenne insieme.
Kauppinen afferma che l'elettronica del prototipo funziona bene. Tra poche settimane, il team testerà l'antenna beamforming nella camera anecoica sotterranea dell'azienda. Poi lo porteranno sul tetto e vedranno come si comporta nell'aria frizzante di Helsinki. Vogliamo dimostrare che le nostre simulazioni sono vere e raccogliere esperienza pratica, afferma Kauppinen.
Non è chiaro quando le antenne beamforming potrebbero essere disponibili per l'uso commerciale. È un progetto di prova, sottolinea Kauppinen, progettato per convincere le unità aziendali dell'azienda che la tecnologia può essere sviluppata in un prodotto praticabile.
Anche se Nokia va avanti, non sarà sola. Secondo Hindman di Nearfield Systems, molte aziende, incluse alcune in Cina, Corea del Sud e Taiwan, stanno acquistando apparecchiature per testare il beamforming. La tecnologia sembra destinata a diventare un altro dei trucchi che gli operatori mobili stanno impiegando per mantenere la promessa di un servizio wireless a banda larga di alta qualità.