LiU-forskning för supersnabbt 5G

Världens telekombolag laddar nu för nästa generations mobila telenät, så även Ericsson som nyligen lanserade sitt "5G for Sweden"-projekt. Mycket forskning och teknikutveckling återstår och vid LiU finns spetskompetens.

- Vi jobbar med visioner, inte med science fiction. Vår forskning ligger helt rätt, säger Erik G Larsson, professor i kommunikationssystem, Linköpings universitet. Han och hans forskargrupp driver teknikutvecklingen inom flerantenn-system, en teknik som är extra het i den snabba utvecklingen mot 5G.

- Vi är pionjärer inom det som kallas Massiv MIMO. Konceptet uppfanns på Bell Laboratories i USA i slutet av förra årtiondet. De flesta i forskarvärlden var skeptiska men vi insåg snabbt potentialen. Idag är det många andra som med stor kraft följt efter, säger Erik G Larsson.   Erik G Larsson

Massiv MIMO

MIMO står för Multiple Input, Multiple Output och tekniken går i korthet ut på att man ersätter de stora rundstrålande antenner som finns i dag – långsmala 50 kilos limpor som vi ser lite varstans runt omkring oss – med hundratals små antenner på kanske 10 mW vardera. De sätts samman i något som ser ut som en vanlig platt-tv. Tack vare intelligent signalbehandling kan det elektromagnetiska fältet från varje liten antenn riktas i en mycket smal stråle mot den plats där mottagaren, sensorn eller mobilen befinner sig. Det ger en kombination av låg uteffekt, hög energieffektivitet och en överlägsen kapacitet.

- Det här innebär ett paradigmskifte i hur man bygger basstationer. Tekniken finns och fungerar i teorin. Forskarkolleger i Lund har byggt en prototyp och konceptet har testats. Vi har fysikens lagar på vår sida, konstaterar Erik G Larsson.

Men det är mycket arbete kvar innan tekniken kan användas kommersiellt.

- Vi behöver ta fram smarta algoritmer för signalbehandlingen och nya protokoll för nätverk med så många antenner. Vi vet inte idag hur man bäst ska bygga och hantera system som har kontakt med 30-40 terminaler samtidigt. Vi måste också hitta metoder att hantera en icke perfekt hårdvara, säger Erik G Larsson.

Emil Björnson, docent i kommunikationssystem och expert inom just Massiv MIMO, är övertygad om vinsterna.

- I teorin kan vi överföra 100 gånger fler bitar per sekund med den här tekniken. En massiv MIMO-basstation skulle exempelvis ha kapacitet att förse alla deltagare på en festival med snabbt internet samtidigt. Men vi måste nu ta fram en demonstrator och visa hur stora vinsterna blir i praktiken, säger han.

Flerantenn-systemet är en väg att gå för att nå målet med 1000 gånger högre datakapacitet. Ett annat alternativ är att öka frekvenserna och därmed öka bandbredden. Idag används 1-3 GHz som bärfrekvenser för de trådlösa näten, men större ledigt utrymme finns runt och över 10 GHz. Något som dock ställer betydligt högre krav på elektroniken.

En tredje väg är att bygga basstationerna allt tätare, vilket är den väg som används mest i dag.

Snabba och energisnåla kretsar

Att alla tre alternativen kommer att behövas i framtiden är Erik G Larsson och kollegan Atila Alvandpour, professor i elektroniska kretsar och system, helt överens om. För även när det gäller hårdvaran, själva elektroniken, finns expertisen på LiU, bara några korridorer bort från Erik G Larsson och hans forskargrupp.

Atila Alvandpour och hans grupp har sin spetskompetens just inom konstruktion av snabba, effektiva och energisnåla kretsar. Professor Atlia Alvandpour

- Vi tar redan i dag fram snabba bredbandiga kretsar, i samarbete med Ericsson. De används i radioförstärkare där det ställs höga krav på elektroniken. Vi arbetar också med den hårdvara som får antennerna att samverka. Men det behövs ytterligare forskning inom system och hårdvaruarkitektur. Det är en multidisciplinär utmaning och här måste våra grupper samarbeta, konstaterar Atila Alvandpour.

Även kring det tredje benet, att bygga basstationer allt närmare varandra, finns forskning vid LiU. Här är det professor Di Yuan och hans grupp inom mobil telekommunikation som har expertkunskapen. 

Är då de höga överföringshastigheterna möjliga till år 2020, det är bara fem år dit?

Emil Björnson skrattar:

- Vi är ju inte ensamma i världen och Samsung kommer garanterat att hävda att de har 5G i samband med OS i Sydkorea 2018.

Atila Alvandpour fyller i:

- Jag tror att förbättringarna kommer att införas stegvis fram till 2020, men kanske tar det lite längre tid att få nästa generation ut i allmänt bruk.

 

Från 1G till 5G

Allt sedan det första mobilnätet, NMT, lanserades år 1981 har en ny generation dykt upp ungefär vart tionde år. 1G - NMT, 2G - GSM 1992, 3G - W-CDMA 2001 då utvecklingen av 4G startade med full kraft. Nästa generation, 5G, förväntas därför finnas ute på marknaden runt år 2020.

Enligt prognoserna har vi då 50 miljarder uppkopplade prylar som kommunicerar med varandra, strömmande video i bilen på väg upp till fjällen och i vår omgivning finns mängder av sensorer som känner av olika parametrar i inom- och utomhusmiljön.

Den femte generationen ska därför klara 1000 gånger högre datatrafik, hastigheter på hundratals Mbit/sekund nästan överallt och mycket korta svarstider på millisekunder.


Ericssons 5G for Sweden


Projektet lanserades i veckan och är ett forsknings- och innovationsprogram som stöds av Vinnova. Programmet ska öka industrins konkurrenskraft bland annat genom att utveckla och integrera olika kommunikationslösningar, baserade på 5G, i en mängd produkter och tjänster. 5G for Sweden handlar därför om användning snarare än teknikutveckling. Ericsson arbetar här tillsammans med partners inom forskning och industri, deltar gör Linköpings universitet, KTH, Chalmers, Lunds universitet och Swedish ICT. Industriella partner är bland andra Scania och Volvo CE.

 2015-03-05

Dagens basstationer

Dagens basstationer Foto iStock unknown

Antenn

Den prototyp som byggts av Lundaforskarna i projektet MAMMOET med 160 små antenner.

Utbredning Massiv MIMO

Principen för Massiv MIMO, här med tio terminaler och hundra antenner. Tekniken är skalbar och kan byggas ut till många hundra antenner.

Fler artiklar om 5G

Forskare