福利姬

När 4G-tekniken för trådlös kommunikation utvecklades var det inte många som funderade över hur mycket energi som går åt för att skicka bitar av information kors och tvärs mellan mobiler och master. 4G-tekniken har därför inget stand-by läge, utan drar nästan lika mycket energi vare sig näten används eller inte. Basstationen signalerar "här är jag" även om det inte finns en enda vaken mobiltelefon i närheten.

– När 4G-nätet byggdes ville operatörerna vara säkra på att tekniken verkligen fungerade i alla lägen och satte på både hängslen och livrem. Idag vet vi att det inte behövs, säger Emil Björnson, biträdande professor i kommunikationssystem vid LiU.

Prisbelönt helhetsgrepp

När 5G-tekniken sedan började utvecklas var det därför ett av de första problem man löste. Är det lite trafik drar 5G-näten också lite energi. Men Emil Björnson och några forskarkollegor började också fundera över om det inte gick att effektivisera näten även när det är mycket trafik och många användare samtidigt.

– Vi försökte ta ett helhetsgrepp. Istället för att optimera varje del för sig tittade vi på hårdvaran i masterna, kretsarna, hur signalerna processas, antal samtidiga användare, hur tätt masterna står med mera och använde sedan matematisk modellering för att optimera det hela som ett system, berättar han.

Massiv MIMO består av hundratals sammankopplade antenner, systemet ger en stark signal hos mottagaren och en svag störning hos alla andra. Foto Magnus JohanssonBeräkningarna visade att den nya antenntekniken Massiv MIMO är en viktig pusselbit för att få ner energiförbrukningen per ivägsänd informationsbit. Massiv MIMO är en antennteknik som LiU-forskarna var tidiga med att studera och där de har byggt upp världsledande kompetens.

Resultatet publicerades i en vetenskaplig artikel som uppmärksammats med hundratals citeringar. Emil Björnson och hans medförfattare fick förra året också ta emot IEEE Marconi Prize Paper Award in Wireless Communications. Det är den mest prestigefyllda utmärkelsen en artikel kan få inom trådlös kommunikation.

– Vi har även lagt ut simuleringskoden som öppen data och vi har fått mycket positiv respons på det. Det har varit ett problem inom vårt område att alla har gjort sina egna antaganden så att de olika resultaten inte varit jämförbara. Att vi lagt ut simuleringskod har lett till ett skifte i branschen, från konkurrens till att hjälpa varandra att komma snabbare framåt. Det ger också fler citeringar så öppen i näten data är bra både för branschen och för mig som forskare, säger Emil Björnson.

Långt ifrån den teoretiska gränsen

Via ett tre-årigt forskningsanslag från Stiftelsen för Strategisk forskning har Emil Björnson sedan givit sig på att ta reda på var den teoretiska gränsen går för hur energieffektivt ett mobilnät kan bli.

– Vi är långt ifrån den teoretiska gränsen i dag, men om man ser till vad som är praktiskt och estetiskt genomförbart så ligger vi betydligt närmare. 5G-näten kan kanske bli 1000 gånger effektivare än 4G, bland annat med hjälp av Massiv MIMO, säger Emil Björnson.

När 5G-tekniken kommer i kommersiell drift och finns i våra telefoner är dock en marknadsföringsfråga, anser han. Dagens teknik har redan börjat kallas 5G i vissa länder.

– 5G-telefoner kanske kommer i slutet av året, men det kommer inte att bli någon bullrande övergång utan en utveckling över tid. Trafiken i näten ökar med 30-40 procent per år och det finns ingen anledning för operatörerna att byta ut fungerande teknik så länge inte behovet finns.

Antenntekniken Massiv MIMO testas nu på olika ställen i världen, exempelvis under fotbolls-VM i Ryssland i somras där många användare samlats på en relativt begränsad yta.

– Men här finns också mer att göra, mjukvaran är lite för rudimentär ännu så länge, och vi som forskar inom akademin har fortfarande mycket att bidra med, konstaterar Emil Björnson.

Massiv MIMO

MIMO står för Multiple Input, Multiple Output och tekniken innebär att man kopplar samman hundratals små antenner på kanske 10 mW vardera. Alla antennerna skickar tiotals signaler med väl valda tidsfördröjningar. Tidsfördröjningarna väljs så att kopiorna av en signal når fram exakt samtidigt till den mottagare som ska ha signalen, men utspritt över tid hos alla andra mottagare. Det ger en stark signal hos den tilltänkta mottagaren och en svag störning hos alla andra. Såväl Emil Björnson som professor Erik G Larsson har skrivit aktuella böcker om tekniken.

Artiklarna:

Emil Björnson, Luca Sanguinetti, Jakob Hoydis, and Mérouane Debbah “Optimal Design of Energy-Efficient Multi-User MIMO Systems: Is Massive MIMO the Answer?”, IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 14, No. 6, pp. 3059-3075, June 2015. DOI: 10.1109/TWC.2015.2400437
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-120170

Emil Björnson, Erik G. Larsson, “How energy-efficient can a wireless communication system become?,” Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, USA, October 2018.

Emil Björnson och hans kolleger fick i höstas ta emot IEEE Marconi Prize Paper Award in Wireless Communications för sin artikel om energiförbrukningen i mobilnäten.