Populärvetenskaplig beskrivning av verksamheten vid Kommunikationssystem

Kommunikationssystem, vad är det?

Dagens samhälle förlitar sig mer och mer på infrastruktur för kommunikation, och speciellt trådlös kommunikation. Detta är en utveckling som kommer att fortsätta. Informationsteknologi, och i synnerhet kanske mobil kommunikation, har förändrat människors liv över hela världen. Ett exempel är antalet mobiltelefonanvändare i världen som ökar med runt 50 miljoner människor varje månad (!) av vilka många inte tidigare haft tillgång någon form av telefoni. Internet uppvisar en liknande, imponerande utveckling. Nationellt är området av stor betydelse, både för exportindustrin och infrastruktursektorn då Sverige har världsledande företag och institut inom telekombranschen. Kommunikationssystem är dessutom en vital komponent i komplexa system, till exempel flygindustrin, och inom försvaret.

Parallellt med detta, så tillkommer helt nya tillämpningsområden. Ett exempel är trådlösa sensornätverk, bestående av små sensorer som kommunicerar via radio och som rapporterar mätningar, eller ljud- och videoupptagningar av olika slag. Tillämpningar av sensornätverk finns inom säkerhet, övervakning, miljö (environmental monitoring), inom sjukvården och i processindustrin. I processindustrin är man typiskt intresserad av ersätta kablage på rörlig utrustning (robotar, till exempel) med trådlösa länkar. 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?

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 spektrum, 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.

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. Om man vill öka denna tillgänglighet till säg, 99.9%, med konventionell teknik så kommer detta kosta en storleksordning i investeringar, till exempel 10 gånger så många basstationer. Ny teknik kan däremot öka tillgängligheten utan att öka kostnaden. Robust kommunikation är speciellt viktigt för kritiska kommunikationslänkar inom tex. krisledning, räddningstjänst, militär och flygledning.

Tidskritisk kommunikation, såsom realtidsvideo och reglering över nätverk, erbjuder speciella utmaningar. Ett problem är att kvaliteten på kommunikationskanalen ofta fluktuerar kraftig med tiden, speciellt så 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, dedicerad kanal som kan användas omedelbart. Man dimensionerar istället systemet så att chansen att en användare inte får tillgång till en kanal just i det ögonblick den behövs, är relativt liten. 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 begränsande resurs?

Grundproblemet är att den del av det elektromagnetiska spektrumet som lämpar sig för radiokommunikation är ganska liten. Spektrum är därför en fundamentalt begränsad resurs. Traditionellt, så indelas radiospektrum i licensierat och olicensierat spektrum. I licensierat spektrum har en operatör ensamrätt (licens) att sända, och kan således planera sitt nätverk efter detta. Mobiltelefoni, GSM och 3G, till exempel, använder uteslutande licensierat spektrum. Spektrumlicenser har blivit mycket dyra. Detta framgår exempelvis av de spektrumauktioner som genomförts i Europa. Barriären för nya operatörer att börja erbjuda trådlös service i licensierat spektrum anses därför vara mycket stor.

I olicensierat spektrum, å andra sidan, kan vem som helst sända utan någon speciell licens. Man måste dock uppfylla vissa villkor på sändareffekt, eftersom man annars kan störa andra system eller sprida oönskad elektromagnetisk strålning. Problemet med de olicensierade frekvensbanden har blivit att de typiskt är överfyllda med radiostörningar 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 (WLAN) datornätverk för hemma- och kontorsbruk. Där är också problematiken med störningar tydlig: försöker man sätta upp för många nätverk nära varandra så slutar alla att fungera.

Vad är trenderna och hur stor potential för förbättringar finns?

Att kunna använda radiospektrum och sändareffekt effektivt handlar om att vid varje tillfälle sända data med precis rätt format, och att låta flera radiosändare turas om att sända i rätt ordning. Radiomiljön varierar snabbt och kraftigt med tiden, på grund av att de föremål (bilar, löv på träden, till exempel) som påverkar radioutbredningen rör på sig. Det gäller därför att sändare och mottagare kan följa dessa variationer och sända vid precis rätt tillfälle med rätt format och rätt sändareffekt. Dagens system implementerar ganska rudimentär teknik i detta avseende, och den potential för förbättring som finns är fråga om storleksordningar.

En fundamental 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. Chansen att alla signalvägar är lika dåliga samtidigt är väldigt liten. Utmaningen består i att konstruera kostnadseffektiva system som kan utnyttja flerantennteknik på bästa sätt. En annan diversitetsteknik är så kallad samarbetande sändningstekniker. Detta innebär att om en sändare S vill skicka till en mottagare M och kanalen är dålig, så kan man skicka informationen först till en mellanliggande nod R som fungerar som relä. Sådan teknik har enorm potential men ger ett antal tekniska utmaningar. Till exempel: Om M lyssnar på både S och R, hur ska då S och R ska koda informationen så att M får störst möjliga nytta av det som tas emot? Om överföringen totalt får spendera en viss mängd energi, hur skall denna energi delas upp mellan S och R?

En ytterligare trend är så kallad kognitiv radio. Detta är i princip ett koncept med vilket man blandar licensierad och olicensierad operation i samma frekvensband. Tanken är att dela upp användarna i två grupper: primära användare som har licens för att använda systemet, och sekundära användare som tillåts sända bara om de är säkra på att de inte kommer att störa de primära användarna. För att detta ska kunna fungera måste de sekundära användarna hela tiden lyssna av spektrumet i fråga och avgöra hur långt ifrån en primär basstation, till exempel, som de befinner sig.

Vilka andra frågeställningar arbetar ni med?

Ett huvudproblem i all mobil elektronik är den begränsade effektförbrukning man kan tillåta. Det som sätter gränsen är främst batteriers begränsade livslängd. I avancerade system åtgår mycket effekt för så kallad signalbehandling, som omfattar till exempel omformandet av ett digitalt datapaket, eller mänskligt tal, till vågformer som kan överföras via en antenn (och vice versa).

Nya tillämpningar, såsom mobilt Internet och avancerade industriella tillämpningar, kommer att kräva ännu mer avancerad signalbehandling än vad system gör idag. Samtidigt, har slutanvändare ökade krav på mobilitet och batteritid. Detta leder till ett behov av ny effektsnål, 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. Vi är speciellt intresserade av att utveckla metoder som kan utnyttja så kallad parallell hårdvara. Paradoxalt nog, är det ofta enkelt att härleda vad som är "optimalt", men det är mycket svårt att förenkla det till en form som kan implementeras i strömsnål elektronik.

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 mycket strukturerade, men slumpmässiga datamängder.

När det gäller att använda spektrum effektivt så uppstår ofta resurskonflikter. Till exempel, två nätverk som konkurrerar om samma, olicensierade spektrum. Ett redskap som är användbart för att förstå och analysera sådana konflikter är spelteori, en gren inom matematiken som också är ett kraftfullt verktyg inom forskning inom ekonomi.

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 anställs av storföretagen i branschen, men många studenter rekryteras även av mindre företag som funnit sin egen nisch inom området. Några söker sig till avknoppningsföretagen runt LiTH 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.

Sidansvarig: Mikael Olofsson
Senast uppdaterad: 2013 05 18   23:49