Denne artikel stammer fra det trykte Computerworlds arkiv. Artiklen blev publiceret den Computerworld d. 25. juni 2004.
4G mobiltelefoni: Forskerne på det nye Center for Tele Infrastruktur er gået i gang med at udvikle 4G. Denne teknologi skal give trådløs båndbredde på op til 100 Mbit/s og skabe gnidningsfri kommunikation på tværs af netværk.
Om nogle år skal fjerde generations mobilnetværk afløse den mobiltelefoni og andre former for trådløs kommu-
nikation, vi kender i dag. Danmark er godt med, for vi har i øjeblikket verdens største universitets-baserede forskningscenter, der udvikler det såkaldte 4G-netværk.
Ifølge forskernes vision skal 4G give båndbredder på over 100 Mbit/s, og - mindst lige så vigtigt - løse de interoperabilitets-problemer, vi kender i dag, når der skal kommunikeres på tværs af teknologier og netværk. Forskningscentret Center for Tele Infrastruktur (CTIF) er etableret i forbindelse med Aalborg Universitet, men det har også afdelinger på DTU og i Esbjerg. CTIF blev officielt åbnet i januar i år, og centret består af ti forskergrupper, som for tiden omfatter 180 mennesker.
- Der findes lignende centre i Oulu i Finland, i Aachen i Tyskland, i Delft i Holland og andre i USA og i Asien, men CTIF er det største center, der er etableret i forbindelse med et universitet og samtidig det, der dækker det bredeste område, siger professor Ramjee Prasad, der er en af hovedmændene bag centret.
4G forener
Visionen er, at 4G skal udvikles til at kunne levere mellem 100 og 150 Mbit/s over trådløse net - nogle sætter målet til 155 Mbit/s med mulighed for yderligere at gøre det muligt at hæve hastigheden mod 1 Gbit/s senere. Men for forskerne på CTIF ligger den største udfordring i at skabe konvergens, så brugerne af 4G kan skifte mellem forskellige typer netværk og oprette ad hoc-net med enheder, ting og personer i deres omgivelser.
- 4G skal omfatte kommunikation via satellitter, globale mobilsystemer, trådløse lokale netværk (WLAN) samt trådløse netværk, der er centreret om den enkelte bruger, de såkaldte PAN - Personal Area Networks. Med en enkelt enhed skal brugerne kunne benytte mange forskellige teknologier, som alle er under "4G-paraplyen", siger Ramjee Prasad.
Der er således ikke lagt op til, at alle brugere af 4G konstant skal anvende båndbredder omkring 100 Mbit/s. Der vil foregå mange overførsler og transaktioner, der kræver betydelig mindre kapacitet. Det gælder telefonsamtaler, der ikke vil kræve mere end de omkring otte kilobit i sekundet, de kræver i dag. Og det vil gælde meget af den maskin-til-maskin-kommunikation, som ventes at komme til at udgøre en betragtelig del af kommunikationen på fremtidens trådløse net.
Udfordringerne
Der skal afsættes fælles frekvensområder over hele jorden til den kommende teknologi, og det er et af de større problem-komplekser, der skal løses, inden visionerne om 4G kan realiseres.
Erfaringerne siger, at dette er en vanskelig opgave. De enkelte lande har afsat dele af frekvensspektrene til vidt forskellige anvendelser ud fra egne kriterier, og det gør det besværligt at finde frem til fælles frekvenser.
En måde at forenkle dette problem er at vælge de mindre efterspurgte forholdsvis høje frekvenser, som har kortere bølgelængder end dem, der anvendes til mobiltelefoni i dag. Det rejser dog nye problemstillinger - således vil dette tvinge udviklerne af 4G til at skabe systemer, der i højere grad end i dag er i stand til at sende og modtage på flere forskellige systemer.
Disse problemstillinger er blandt årsagerne til, at forskerne på CTIF forventer, at et samlet 4G-system tidligst kan komme i luften i 2009-2010. Det er dog højst sandsynligt, at en del af den forskning, der laves på CTIF, vil finde anvendelse tidligere.
- 4G vil blive udviklet til at sameksistere med andre teknologier. Desuden skal det fra begyndelsen opbygges omkring brugernes behov. Denne gang skal vi realisere visionen om konvergens ved at skabe en enhed, der forener forskellige teknologier, så de fremstår som et net. I etableringen af denne enhed af heterogene netværk og teknologier rækker 4G ud over mobiltelefoni, siger lektor Hans-Peter Schwefel fra Wireless Networksgruppen under CTIF.
Målsætningen om at skabe reel konvergens medfører såvel muligheder som behov for en ny tilgang til kendte problemstillinger som sikkerhed.
- I dag har hvert netværk sine egne sikkerhedsfaciliteter. Vi ønsker, at der altid er den samme sikkerhed til rådighed, ud fra brugerens behov, og sikkerhedsfaciliteterne skal ikke være tilføjet senere, som det for eksempel er tilfældet i dag med trådløse lokalnet, siger dr. Neeli Prasad, der arbejder med sikkerhedsproblematikker i det kommende 4G.
Flere antenner pr. enhed
Den gruppe under CTIF, der arbejder med antenneteknologier, er netop en af dem, hvis resultater forventes at kunne finde anvendelse før den fuldstændige overgang til 4G. Forskerne i antennegruppen har en nøglerolle i bestræbelserne på at øge båndbredden. En af måderne, som kapaciteten skal forøges på, er ved at sende flere signaler parallelt over samme frekvensområde. Dette kræver et radiosystem, der kan sende via flere antenner samtidig, og denne type systemer eksperimenters der med i antenne-laboratoriet i forbindelse med CTIF.
I laboratoriet kan man således se forsøgsmodeller af et system med 16 antenner, som vil kunne placeres i låget på en bærbar computer. En af de store udfordringer bliver at gøre det muligt at benytte flere antenner i forholdsvis små enheder.
- Dette rejser mange udfordringer. Vi overfører data over 16 radiokanaler med en båndbredde på tilsammen omkring 16 Gbit/s. Dermed får vi hurtigt opsamlet terabytes af data, som skal lagres og analyseres, fortæller forskningslektor Gert Frølund Pedersen fra CTIF.
Der eksperimenteres også med et antennesystem, hvor enkeltantennerne stikker ud af en kugle. Disse modeller bruges til at skaffe viden om, hvordan radiosignalerne opfører sig i forskellige miljøer, når der sendes over flere antenner samtidig.
- Et af målene er at finde frem til algoritmer, der begrænser interferensen fra den type fler-antennesystemer. Desuden ønsker vi erfaringer med, hvordan de parallelle radiosignaler bevæger sig i forskellige typer omgivelser. Hensigten er at få mere ud af det eksisterende spektrum. Desuden vil vi gerne udvikle en matematisk model for, hvordan signalerne opfører sig, da det er forholdsvis dyrt at lave antennemålinger, siger Gert Frølund Pedersen.
Aalborg først
En anden udfordring er, at de kabler, der leder data til de eksperimentelle sendere, kommer til at virke som antenner, der sender kraftigere signaler end de antenner, der skal afprøves.
Her har antennegruppen over de sidste par år udviklet en løsning, hvor man overfører analoge signaler over fiberoptiske kabler til de eksperimentelle sendere. Det er forskerne i Aalborg de eneste, der kan i øjeblikket.
Den kommende radioteknologi, der sender over flere antenner samtidig, kan betragtes som en videreudvikling af WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), der er dataoverførsels-teknologien i de 3G-systemer, der for tiden er ved at blive taget i brug over hele verden. Her er princippet netop, at man sender forskelligt kodede radiosignaler ud over det samme spektrum. Kommunikationen mellem de enkelte opkalds to parter etableres ved at de benytter samme kode. Man benytter sommetider det billede, at i et rum, hvor mange mennesker taler på forskellige sprog, vil to personer, der taler dansk, kunne forstå hinanden hen over den almindelige kakafoni.
Ad hoc-net
En anden del af CTIF arbejder med protokol-strukturen i det kommende 4G. Her er opgaven at skabe en arkitektur, som kan veksle mellem udelukkende at benytte protokollerne i de såkaldte lavere lag, når det vigtigste er at overføre data hurtigt, og anvende de mere intelligente protokoller i de højere lag til de mere avancerede tjenester. Der vil stadig være enheder med begrænset indlejret intelligens og lave båndbreddekrav, når 4G går i luften, og de skal kunne sameksistere med mere avancerede enheder, siger Hans Peter Schwefel fra Wireless Networks-gruppen.
I realiseringen af denne vision er det centrale begreb context-awareness: At enheden er i stand til at opfatte og tilpasse sig den sammenhæng, brugeren indgår i på det givne tidspunkt, og vælge det mest hensigtsmæssige netværk til at kommunikere over. Dette øger kravet til, at sikkerheden tænkes med i 4G fra starten. I den kommende teknologi vil man ikke længere kunne leve med, at forskellige netværk har hver deres sikkerhedsfaciliteter.
Tanken om at etablere ad hoc-netværk mellem enheder, der indgår i en midlertidig sammenhæng, er ikke ny. Det var en del af den oprindelige vision om det kortrækkende radiosystem Bluetooth. I 4G er det imidlertid tanken at udvide ad hoc-netværkene, så de kan etableres på tværs af netværksteknologier. Disse strækker sig fra net, der drives af mobilselskaber og satellit-operatører, over net, som firmaer eller private selv etablerer, til netværk, der skabes på stedet mellem forskellige enheder.
Bluetooth har vist, at dette er en vanskelig vision at virkeliggøre. I praksis er den kortrækkende radioteknologi nødt til at arbejde med forskellige anvendelsesprofiler alt efter, om det er i et hovedsæt, en mus eller et digitalkamera, teknologien skal anvendes, og det har vist sig vanskeligt, at få enheder med forskellige profiler til at kommunikere.
- Det er en fordel for os i udviklingen af 4G, at der allerede findes begrænsede erfaringer med ad hoc-netværk - blandt andet fra Bluetooth. Vi har et langt klarere billede af, hvad ad hoc-routing kræver, end vi havde for et par år siden, siger Hans-Peter Schwefel.
Samling om fælles teknologi
Den gode nyhed i denne tidlige fase af udviklingen af 4G er, at alle tilsyneladende er ved at erkende, at det er nødvendigt at samles om samme fortolkning af de nye teknologier. Den tid er forbi, hvor lande, regioner eller selskaber søgte at afgrænse en del af markedet ved at satse på deres egne versioner af teknologierne.
- Jeg tror ikke, at der vil komme konkurrerende versioner af 4G. Vi ser i dag, at alle producenter og operatører nu samles om den næste version af 3G-specifikationerne, siger Hans-Peter Schwefel. Denne version af 3G-specifikationerne er den såkaldte Release 7 fra 3GPP (3. Generation Partnership Project), som nu er under forberedelse.
Udviklingen fremmes af etableringen af fora, hvor producenter og operatører i en region samles for at sikre interoperabilitet i de nye mobilsystemer. EU's teknologikommisær Erkki Liikanen har støttet etableringen af et sådant forum ikke bare i Europa, men også et lignende i Indien. Dominerende selskaber som Samsung og NTT DoCoMo står bag lignende fora i henholdsvis Korea og Japan.
Forskere og erhvervsliv i samarbejde
Arbejdet i CTIF skal foregå på fire områder: Trådløs kommunikation, netværksplanlægning, indlejrede software-systemer samt optiske fibre og netudstyr. På sidstnævnte område ligger kompetencerne hos DTU i Lyngby ligesom virksomhederne, der er specialiseret i disse områder, befinder sig i hovedstadsområdet. Så selv om initiativet til centret således er taget i Aalborg, skal der arbejdes sammen med DTU - ligesom en gruppe forskere, der arbejder med trådløs computing under Syddansk Universitet i Esbjerg deltager i centrets arbejde.
Der er afsat 120 millioner kroner til arbejdet på CTIF. Pengene kommer fra lokale fonde, fra Videnskabsministeriet, fra EU og fra universitets egne bevillinger. Desuden har en række selskaber skudt penge i centret. Der er selskaber som Sonofon, TDC, Samsung og Nørresundby-udviklingsselskabet RTX Telecom, der allerede har meldt deres interesse i at samarbejde med forskerne på centret.
Det nye center, der skal forske i kommende mobilteknologier, starter ikke op fra grunden. CTIF bygger i høj grad på den forskning, der foregik på det nu nedlagte Center for Personkommunikation (CPK) på Aalborg Universitet. Dette center, som var finansieret af to femårige bevillinger, der udløb ved udgang af sidste år, har de senere år været krumtap for Nordjyllands position som kraftcenter for udvikling af mobilteknologi.
- Etableringen af CTIF indebærer en udvidelse af de aktiviteter, der foregik på CPK, idet vi blandt andet har fået inddraget de applikationer, der skal afvikles over de kommende net, med i forskningsområdet, siger Ramjee Prasad.
Der kommer til at være tre typer forskningsprojekter på CTIF: Der bliver specifikke, afgrænsede projekter i nært samarbejde med et eller flere selskaber, der bliver større mere generelle udviklingsprojekter, som ofte også vil involvere samarbejde mellem forskere og erhvervsliv, og der vil være uafhængige forskningsprojekter.
- De uafhængige projekter vil forhåbentlig bidrage til at fastholde Nordjylland og Danmark som et højkompetence-område for mobil- og trådløs teknologi, siger professor Ramjee Prasad.
Boks:
Generationerne
4G eller fjerde generation er det næste større teknologiske ryk inden for mobil- og trådløse teknologier. 4G ventes indført om fem-syv år, og teknologierne bag er nu inde i den tidlige udviklingsfase. 4G skal afløse 3G (3. generation), som nu er ved at blive sat i drift over det meste af verden med dataoverførselshastigheder på foreløbig op til 384 kbit/s. Anden generation var det digitale GSM, der gik i luften i 1992, der igen afløste det analoge NMT-system, som opfattes som første generation.
Billedtekst:
Professor Ramjee Prasad fra Aalborg Universitet er med til at bringe Danmark helt i front, når det gælder udviklingen af fjerde generations mobilnetværk.
Billedtekst:
CTIF har adgang til et såkaldt radiodødt rum, som de blandt andet benytter til at teste spredningen af radiosignaler fra
mobiltelefoner i brug uden generende radiostråling fra omgivelserne. Her er et dukkehoved forsynet med en mobil-
telefon.
Billedtekst:
Forskerne på CTIF har som de første udviklet et system til analog dataoverførsel til radiosendere i eksperimentelle opstillinger. Så undgår man, at datakablerne fungerer som antenner, og dermed forstyrrer testen af de antenner, man vil afprøve.
