Frekvensforstoppelse: Umuligt at mase flere bit gennem luften

Når hastigheden på dataoverførsel gennem luften skal øges, er der grundlæggende to håndtag at trække i. Det ene handler om at øge det frekvensområde, der kan bruges til dataoverførsel indenfor en given teknologi som eksempelvis højhastigheds 3G - altså båndbredden.

Det andet håndtag går ud på at øge udnyttelsen af det frekvensområde, der er til rådighed. Men nu er det ved at være slut med at kunne trække i det sidste håndtag, når der skal skrues op for hastigheden for mobil datatrafik.

Foreløbigt er det gradvist lykkedes at optimere den mængde bit, det er muligt at sende gennem luften per hertz. Således udnytter den kommende mobile bredbåndsteknologi LTE radiospektrummet bedre end dens forgænger: Højhastigheds 3G (HSDPA).

Den gennemsnitlige spektrumudnyttelse for HSDPA ligger på omkring 0,6 - 0,8 bit per hertz for hver celle, mens den for LTE, der tilbyder råhastigheder på over 100 Mbit/s, ligger på omkring 1,5 bit/hertz per celle. Men nu er grænsen for, hvor mange bit der kan sendes per hertz - den såkaldte spektrale effektivitet - ved at være nået, forklarer professor Preben Mogensen fra Institut for Elektriske Systemer ved Aalborg Universitet.

»Forklaringen ligger i Shannons lov, som sætter en fysisk grænse for, hvor mange data, det er muligt at overføre,« siger han.

Claude Shannon var matematiker og elektronikingeniør og definerede i 1940'erne en teori der forudsiger, hvor mange bit det er fysisk muligt at overføre fejlfrit inden for en given båndbredde. Mængden af bit afhænger af signal/støjforholdene, der sætter en grænse for den luftbårne kommunikation.

MIMO

Foreløbigt er det dog lykkes at presse Shannons lov til det yderste ved at øge antallet af antenner. Flere antenner kan nemlig give højere datarater takket være en teknologi, der kaldes Multiple Inputs Multiple Outputs eller MIMO. Teknologien går ud på at udstyre sendere og modtagere med flere antenner, som derved gør det muligt at anvende flere datastrømme i det samme frekvensområde. Det giver teoretisk muligheder for mere end en fordobling af dataraterne.

»Teoretisk er det er muligt at få den gennemsnitlige spektrumudnyttelse af LTE helt op på tre bit per hertz, men det ville kræve fire antenner i hver terminalenhed. Realistisk set er det nok nærmere to bit per herz med to antenner i terminalen,« siger Preben Mogensen.

De sidste fire år har han arbejdet med forskning inden for LTE og blandt andet på metoder til at forbedre trådløs dataoverførsel og her er MIMO ifølge professoren ikke nødvendigvis løsningen.

»Der er nok nogle forskere, der vil hævde, at MIMO kan bryde Shannons lov, og det kan det også for teoretiske råhastigheder, men i praksis kommer det ikke til at have den store virkning for den gennemsnitlige spektrumudnyttelse,« siger Preben Mogensen.

Han forklarer, at generelt set skal der særdeles gode signal/støjforhold til, før MIMO giver en gevinst. Årsagen er, at frekvenserne bliver genbrugt i alle celler i netværket og dermed interfererer de med hinanden.

»Derfor vil det kun være meget tæt på basestationerne, at brugerne vil opleve en stor forbedring ved MIMO-teknologien, mens gevinsten i resten af cellen vil være begrænset,« siger Preben Mogensen.

Samtidig er frekvensområdet fra omkring 300MHz til 3GHz, hvor blandt andet HSDPA, Wifi, GPS og det digitale TV-signal opererer, ved at være godt fyldt op, og det betyder, at der ikke er så mange hertz at tage af til eksempelvis LTE.

»Jeg vil mene, at der i alt er omkring en lille gigahertz , vi på sigt kan bruge til mobilt bredbånd som HSPA og LTE, i frekvensbåndet 300MHz til 3GHz,« siger Preben Mogensen og tilføjer:

»For at få yderligere spektrum skal vi over 3GHz, hvilket giver meget kort rækkevidde.«

Flere master

LTE anvender i den kommende udgave allerede MIMO, og det er en del af forklaringen på, hvorfor det er muligt at sende med mere end 100Mbit/s i en båndbredde på 20MHz. Hastigheden kan teoretisk øges op til 300Mbit/s med fire sende- og fire modtageantenner.

»Men hvis slutbrugerne faktisk skal opleve højere hastigheder, kræver det flere master og basestationer,« påpeger Preben Mogensen.

Mobilt bredbånd er nemlig en delt ressource, og derfor kommer der mere båndbredde per bruger, hvis der er færre brugere per mast, samtidigt betyder en tættere skov af master og basestationer også hurtigere hastigheder i forhold til signal/støj-forholdene.

»Jo tættere, du er på basestationen, jo flere bit vil det også være muligt at sende per hertz i følge Shannons lov,« siger Preben Mogensen og tilføjer, at det kun er en mindre del af de mange ny basestationer, hvor det vil være nødvendigt at placere antennerne i master eller på hustage, fordi basestationer bliver små og kompakte og derfor kan monteres diskret på lygtepæle eller bygningsfacader.

»Eksempelvis er Femto-basestationer til indendørs placering ikke større end en WiFi-access boks,« forklarer han.

Læs mere om frekvenser, basestationer og mobilt bredbånd i Ingeniørens elektroniksektion, der udkommer fredag d. 20 november.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

LTE er en delt resource, dvs at cellen har f.eks en kapacitet på 100 mb/s, men de brugere som er forbundet til den pågældende celle skal dele 100 mb/s, så når man skriver at den prkatiske hastighed er 6 mb/s, er det ikke pga overhead, men baseret på trafik beregninger over hvor manger celler som er sat op og hvor manger brugere som man forventer på hver, og så ender man på 6 mb/s, det fungerer på samme måde med 3G idag

  • 0
  • 0

Et supergodt indlæg om de tekniske udfordringer med HSPA og LTE! Godt gået, Ingeniøren. Det er meget relevant.

  • 0
  • 0

men bivirkningerne overses. Ny russisk forskning på 8-12 årige mobilbrugere - med kontrolgruppe uden mobiler - viser at mobilbrugerne er mere ukoncentrede og uopmærksomme m.m. Det er da interessant i disse tider , hvor ADHD er i stigning. Hvornår vil SST komme med forebyggende udmeldinger? Yuri Grigoriev omtalte disse ikke afsluttede forsøg på konferencen i Stavanger d. 17. nov. se www.emf2009.no

  • 0
  • 0

Denne tråd handler IKKE om sundhed eller mennesker i det hele taget - menneskeliv er os 'græsk katolske' netop her. Om mennesker så døde i milliontal, er det DENNE tråd ganske uvedkommende.

Denne tråd handler om tekniske muligheder og Shannons lov - punktum.

Lars :)

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten