Populärvetenskaplig beskrivning av verksamheten vid Kommunikationssystem

radiobasstation

Dagens samhälle förlitar sig mer och mer på snabb och säker infrastruktur för kommunikation, speciellt trådlös kommunikation. Detta är en utveckling som ständigt fortsätter. Informationsteknologi, och i synnerhet mobil kommunikation, har fundamentalt förändrat människors liv över hela världen.

Ett exempel är antalet mobiltelefonanvändare som ökar med hundratals miljoner människor varje år (!) av vilka många inte tidigare haft tillgång någon form av telefoni. Även trafiken från befintliga telefoner ökar med 30-40 procent varje år. Internet uppvisar en liknande, imponerande utveckling. Nationellt är området av stor betydelse, både för exportindustrin och infrastruktursektorn, då Sverige har världsledande företag och forskningsgrupper inom telekombranschen. Kommunikationssystem är dessutom en vital komponent i allehanda komplexa system, till exempel inom flygindustrin och inom försvaret.

Parallellt med detta så tillkommer helt nya tillämpningsområden. Ett exempel är trådlösa sensornätverk, bestående av små sensorer som kommunicerar trådlöst och rapporterar mätningar, eller ljud- och videoupptagningar av olika slag. Tillämpningar av sensornätverk finns inom säkerhet, övervakning, miljö ("environmental monitoring"), inom sjukvården och i industrin. I processindustrin är man intresserad av att ersätta kablage på rörlig utrustning (t.ex. robotar) med trådlösa länkar. Självkörande fordon och drönare måste kommunicera med sin omgivning för att undvika kollisioner eller oväntade händelser. Många av dessa tillämpningar ställer extrema krav på tillförlitlighet och på de tidsfördröjningar i kommunikationen som man kan tolerera.


Givet de avancerade system som redan finns, varför behövs det ytterligare forskning inom området?

Även om dagens kommunikationssystem är relativt välfungerande så kräver den ökande användningen av tekniken och de nya tillämpningarna en ständig utveckling. Nya teknikgenerationer introduceras vart tionde år och däremellan sker en gradvis förbättring av befintlig teknik.

Alla system för informationsöverföring följer de fysikaliska lagarna och är fundamentalt begränsade av dessa. Det finns i princip två huvudfaktorer som begränsar den kvalitet och servicegrad som ett kommunikationssystem kan uppnå. Dessa är mängden tillgängligt frekvensspektrum och mängden tillgänglig effekt i sändare och mottagare. Forskning inom kommunikation handlar alltså mycket om hur man ska kunna utnyttja dessa fundamentala resurser på bästa sätt och pressa gränserna för vad som är praktiskt möjligt.

Research in Communication Systems

En ytterligare aspekt är tillförlitlighet. Mobiltelefoni, till exempel, erbjuder typiskt en täckning om 99%, dvs. i 1% av fallen så bryts ett samtal eller det går inte att ringa. Ofta inträffar detta på samma plats eller tidpunkt varje dag. Om vi vill öka denna tillgänglighet till 99,9% med konventionell teknik så behövs oproportionerligt stora investeringar, till exempel 10 gånger så många mobilmaster. Ny teknik kan däremot öka tillgängligheten utan att öka kostnaden. Robust kommunikation är speciellt viktigt för kritiska kommunikationslänkar inom t.ex. polisen, räddningstjänsten, militären och flygindustrin. I takt med att samhället blir mer beroende av trådlös teknik ökar även allmänhetens förväntningar på att mobilnäten ska vara pålitliga, på samma sätt som ingen oroar sig över avbrott i elnätet.

Tidskritisk kommunikation, såsom realtidsvideo och reglering över nätverk, erbjuder speciella utmaningar. Ett problem är att kvaliteten på kommunikationskanalen ofta fluktuerar kraftig med tiden, speciellt för trådlösa länkar. Detta leder naturligt till fördröjningar: man kan helt enkelt bli tvungen att vänta på att kanalen ska bli tillräckligt bra innan man kan sända. Ett annat problem är när många användare måste samsas i samma system. Normalt finns inte tillräckligt med spektrum så att alla användare kan få en egen, dedikerad kanal som kan användas omedelbart. Man dimensionerar istället systemet så att risken att en användare inte får tillgång till en kanal just i det ögonblick den behövs, är relativt liten. I vardagliga sammanhang är en sekunds fördröjning försumbar, men i vissa applikationer måste fördröjningarna vara mindre än 1 millisekund. Att kunna utnyttja spektrum effektivt är således viktigt, både för att kunna erbjuda höga datahastigheter och för att begränsa fördröjningar som systemet introducerar.


Spektrum, varför är det en så begränsad resurs?

Grundproblemet är att den del av det elektromagnetiska frekvensspektrumet som är bäst lämpat för trådlös kommunikation är ganska liten (ungefär 0-6 GHz). Spektrum är därför en fundamentalt begränsad resurs. Traditionellt, så indelas resurserna i licensierat och olicensierat spektrum. I licensierat spektrum har en operatör ensamrätt (licens) att sända, och kan således planera och optimera sitt nätverk efter detta. Mobiltelefoni, t.ex. 3G och LTE, använder uteslutande licensierat spektrum. Spektrumlicenser har blivit mycket dyra. Detta framgår exempelvis av de spektrumauktioner som genomförts i Europa och USA. Barriären för nya operatörer att börja erbjuda trådlös service i licensierat spektrum är därför mycket hög.

I olicensierat spektrum, å andra sidan, kan vem som helst sända utan någon licens. Man måste dock uppfylla vissa villkor på sändareffekt och beteende, eftersom man annars kan störa andra system. Problemet med de olicensierade frekvensbanden är att de typiskt är överfyllda med störningar från närliggande system. Detta kommer sig av att det inte finns någon central mekanism som reglerar hur nära varandra sändare får befinna sig. Ett exempel på system som använder olicensierat spektrum är trådlösa datornätverk (WiFi) för hemma- och kontorsbruk. Där är också problematiken med störningar tydlig: försöker man sätta upp för många WiFi nätverk nära varandra så slutar alla att fungera.


Vad är trenderna och hur stor potential för förbättringar finns?

En trend inom trådlös kommunikation är att utnyttja avancerade så kallade diversitetstekniker. Ett sätt att göra detta är att bestycka sändare och mottagare med fler än en antenn. Idéen är helt enkelt att utnyttja faktumet att det uppstår flera möjliga signalvägar, en för varje kombination av sändar- och mottagarantenn. Denna teknik brukar kallas för "MIMO" som står för multiple-input, multiple-output. Risken att alla signalvägar är dåliga samtidigt är väldigt liten.

Research in Communication SystemsDen trend som är hetast nu är så kallad massiv MIMO, där visionen är basstationer utrustade med hundratals antenner som samverkar fas-koherent. I princip, kan man med massiv-MIMO-teknik tillse att de elektromagnetiska vågor som en basstation sänder ut summerar upp konstruktivt precis på de platser där de önskade mottagarna befinner sig, medan vågorna släcker ut varandra på nästan alla andra platser. Detta möjliggör mycket energi-effektiv transmission. Dessutom kan man med massiv-MIMO-teknik sända data till och ta emot data på tiotals terminaler samtidigt, vilket potentiellt kommer att kunna öka datatakten i det trådlösa nätet.


Vilka frågeställningar arbetar ni med?

Ett huvudproblem i all kommunikationselektronik är den begränsade effektförbrukning man kan tillåta. Det som sätter gränsen är främst batteriers begränsade livslängd, men för teleoperatörer är det även viktigt att begränsa kostnaderna för effektförbrukning. I avancerade system går mycket effekt åt till så kallad signalbehandling, som exempelvis omfattar omformandet av ett digitalt datapaket, eller mänskligt tal, till vågformer som kan överföras via en antenn (och vice versa).

Nya tillämpningar, såsom massiv-MIMO-teknik och avancerade industriella tillämpningar, kommer kräva ännu mer signalbehandling än vad system gör idag. Samtidigt, har slutanvändare ökade krav på mobilitet och batteritid. Detta leder till ett behov av ny energisnål, flexibel hårdvara för beräkningar, samt beräkningsalgoritmer som kan utnyttja denna hårdvara. Algoritmer handlar i princip om att med liten energiförbrukning och på kort tid räkna ut värdet av komplicerade matematiska formler. Paradoxalt nog är det ofta enkelt att härleda vad som är "optimalt" under ideala förhållanden, men det är mycket utmanande att ta hänsyn till praktiska villkor och att förenkla teoretiska lösningar till en form som kan implementeras i energisnål elektronik.

De senaste åren har vi forskat fram praktiska lösningar för signalbehandlingen i massiv-MIMO-teknik, vilka blivit internationellt uppmärksammade och prisbelönta. Nu använder vi dessa lösningar som en grund för att maximera datatakterna i framtida nätverk, uppnå högre energieffektivitet och utveckla specifika lösningar för de nya tillämpningsområden som nämnts ovan.

På Shanghai Rankings akademiska ranking 2017 hamnade Linköpings universitet på 32:a plats i världen inom telekommunikation och på femte plats i Europa.


Vilka teoretiska redskap används inom kommunikationsforskningen?

Kommunikation är ett tvärvetenskapligt forskningsområde och vi använder därför många vitt skilda redskap, speciellt avancerad matematik och datorsimuleringar. När det gäller att konstruera enskilda sändare och mottagare, arbetar vi med avancerade fysikaliska modeller och matematiska redskap. Sannolikhetsteori är till exempel en viktig komponent när det gäller att modellera brus och andra slumpmässiga förlopp. Bilder och videoklipp som man skickar över en kommunikationslänk modelleras ofta som strukturerade, men slumpmässiga datamängder.

När det gäller att använda spektrum effektivt så uppstår ofta resurskonflikter. Ett exempel är två nätverk som konkurrerar om samma, olicensierade spektrum. Ett redskap som är användbart för att modellera och analysera sådana konflikter är spelteori, en gren inom matematiken som också är ett kraftfullt verktyg inom forskning inom ekonomi. Ett annat exempel är ett mobilnät med licensierat spektrum som måste hantera tusentals samtidiga användare i en stad. Optimeringslära är då användbart för att identifiera lösningar där alla användare får sina dataöverföringsbehov uppfyllda samtidigt.


Förutom trådlös kommunikation, vad mer forskar ni om?

Ett viktigt område är stora och komplexa nätverk.  Nätverk finns runt omkring oss, på många nivåer. Några exempel är sociala nätverk, transportnätverk, Internet samt nätverk av gener och proteiner inuti organismer. Studiet av sådana nätverk har visat på likheter i deras strukturer och sättet de uppför sig över tid. Detta, i kombination med att data från sådana nätverk har blivit lättillgänglig, har bidragit till skapandet av det nya forskningsområdet nätverksvetenskap ("network science").

Research in Communication Systems

Eftersom nätverken tenderar att vara mycket stora - tänk bara på hur många webbsidor som är länkade till varandra, antalet tågstationer i ett land, eller nätverket av bekantskaper i sociala medier som Facebook - så finns det ett behov av att skapa matematiska modeller och automatiserade verktyg som hjälper oss att analysera och i vissa fall designa nätverk. På så vis kan vi förstå till exempel hur virus (både elektroniska och biologiska) sprider sig, konstruera tillförlitligare järnvägssystem och upptäcka fejkade konton på sociala medier.
I takt med att den här typen av nätverk växer allt snabbare och dyker upp i fler branscher och samhällssektorer så är nätverksvetenskap ett forskningsområde som kommer spela en avgörande roll för att få våra komplexa samhällen att fungera i framtiden.
 

Hur ser arbetsmarknaden ut för ingenjörer som gått utbildningar i kommunikationssystem?

De som läser kommunikationsteknik på grundutbildningen kan se fram mot en bred arbetsmarknad som växer både globalt, nationellt och lokalt i Östergötland. En del ingenjörer anställs av storföretagen i branschen (t.ex. Ericsson, Saab), men många studenter rekryteras även av mindre företag som funnit sin egen nisch inom området (e.g., Attentec, Autoliv, Cinside, Combitech, WISI, Zenuity).

På sikt kommer alla elektroniska apparater bli trådlöst uppkopplade och för att uppnå detta efterfrågas kommunikationsingenjörer inom branscher som traditionellt inte haft sådan kompetens. Några söker sig till avknoppningsföretagen runt LIU och några blir forskarstuderande. En forskarutbildning i Kommunikationssystem erbjuder intellektuella utmaningar och stimulans och den lägger grunden för en karriär som såväl ledare som specialist, antingen inom industrin eller akademin.

Forskning

Om avdelningen

Om institutionen

Kontakt