Hur kom vi fram till 5G och vart är vi på väg? Ove Edfors, Lunds Universitet

Transkript

1 Hur kom vi fram till 5G och vart är vi på väg? Ove Edfors, Lunds Universitet 1

2 Radiokommunikation Utveckling Radio 1900 Trådlös multimedia Television Mobiltelefoni 1950? Digital cellulär Analog telefoni cellulär telefoni 2000 År Analoga system Digitala system 2

3 Generationerna i mobiltelefoni > 10 Mbit/sek > 1 Mbit/sek > 10 kbit/sek Ingen data lo a An tal gt 1G 80-talet alt t i Dig tal ita g i D k l te 2G ra Me ltiu M di a me fre u ns e kv 3G m try il b Mo ta da 4G me m y utr ner s n ve nten k e fr ler a a r f Me och me Och nu då? n ik 90-talet 00-talet 10-talet 3

4 Några årtal och vem som var först Världens första automatiska mobiltelefonisystem tas i drift i Stockholm. Telefonen väger 40 kg och kostar mer än en bil Första 1G-systemet NMT (Nordic Mobile Telephony) i de nordiska länderna Första 2G-systemet (GSM) i Tyskland Första 3G-systemet (WCDMA) i Sydkorea Första 4G-systemet (LTE) tas i bruk av TeliaSonera 4

5 Terminalernas storleksutveckling 4 kg kg kg 5

6 Batteritid Batteriteknologin har utvecklats mycket långsamt (jämfört med elektroniken). Vi vill ha in allt mera avancerade funktioner i terminalerna. Trots detta minskar batteriernas storlek och stand-by-tiden ökar. Nästan all reduktion av batteristorlek kommer från effektivare elektronik och bättre mobilsystem. 6

7 Just nu: Fokus på uppkoppling Long-Term Evolution LTE Uppkoppling mot Internet centralt Datahastigheter upp mot 100 Mbit/sek Prestanda avgörs av telefonens hårdvara Funktionen bestäms nästan helt av vad som finns på nätet, inte av vad som byggts in i telefonen 4G Ett enda 4G-system i världen 7

8 Just nu: Användarupplevelse Mobilsystem där terminalerna är generella plattformar Stor del av funktionen bestäms av vilka appar man installerar Användarens upplevelse styrs till stor del av hur bra kommunikationstekniken är, dvs hur hög och stabil datatakt man har ( tillförlitlighet ) korta respons-tiderna är ( lag ) energieffektiv tekniken är ( batteritid ) 8

9 Vad innebär 5G? Values for 5G* from 21th meeting Reference value for IMT-Advanced User Experienced Data Rate 100 Mbps 1 Gbps 10 Mbps Peak Data Rate 20 Gbps 1 Gbps Mobility 500 km/h 350 km/h Latency 1 ms (radio interface) 10 ms (radio interface) Connection Density 106 per km2 (scenario required) 105 per km2 Energy Efficiency 100 x greater than IMT-Advanced (for network) Key Parameters Spectrum Efficiency 2/3/5 x greater than IMT-Advanced Area Traffic Capacity ITU-R WP 5D 10 Mbps/m2 0.1 Mbps/m2 9

10 Var behövs 5G egentligen? Da tah as tig he t 10

11 Sakernas internet kommer på bred front Mångdubbelt flera enheter som skall kommunicera och ofta med höga krav på ex.vis tillförlitlighet och låg fördröjning 11

12 Hur betjänar vi 50 miljarder terminaler? 1000 gånger högre kapacitet 10 ggr fler antenner/basstation 10 ggr fler basstationer/ytenhet 10 högre bandbredd 12

13 Mobil data sedan 2010 PetaByte per månad Data Voice 1 PetaByte = Byte 13

14 ... och vad händer fram till 2023? PetaByte per månad Något drastiskt måste ske om vi skall kunna följa den här trenden! Data Voice 1 PetaByte = Byte 14

15 I huvudsak två vägar framåt Flytta till högre frekvenser (ex.vis 28 GHz eller 60 GHz) Mer bandbredd tillgänglig vid höga frekvenser Datahastigheten ökar linjärt med bandbredd Använda många fler antenner Fler antenner kan utnyttja miljön bättre Datahastigheten ökar också linjärt med antalet antenner Vi fokuserar på denna idag...

16 Hur kan fler antenner hjälpa oss? Analogi: Mottagarantennen är en ljussensor inuti en pingisboll Sändarantennen är en glödlampa Hur kan vi ka flera samtidiga sändare (som inte stör varandra)? Mottagare

17 Hur kan fler antenner hjälpa oss? Två sändare kan ha olika färger... Datahastigheten Datahastigheten dublerad dublerad men men två två färger färger (frekvenser) (frekvenser) krävs krävs Mottagare men bara om mottagaren kan skilja de två färgerna åt.

18 Hur kan fler antenner hjälpa oss? De två sändarna kan turas om... Ingen Ingen vinst vinst eftersom eftersom man man delar delar på på en en resurs resurs (frekvens)! (frekvens)! Mottagare... men bara sända halva tiden vardera.

19 Hur kan fler antenner hjälpa oss?... och en lins Lägg till en mottagarantenn... Två sändare med samma färg... Dublerad Dublerad datahastighet datahastighet med med endast endast en en resurs resurs (frekvens)! (frekvens)! Mottagare... kan sända samtidigt och ändå skiljas åt av mottagaren.

20 Hur kan fler antenner hjälpa oss? Använd en kamera-sensor som har många enskilda sensorer... Många sändare med samma färg... Hur översätter vi detta till många fler antenner i radio? Mottagare... kan separeras av mottagaren. Mycket Mycket högre högre datahastighet datahastighet med med endast endast en en resurs resurs (frekvens)! (frekvens)!

21 Hur kan fler antenner hjälpa oss? Ersätt kamera-sensorn med en array av antennelement... glödlamporna med terminalantenner... Väldigt Väldigt hög hög datahastighet, datahastighet, med med bara bara en en enda enda resurs resurs (frekvens)! (frekvens)! Mottagare och ta bort linsen. Gemensam processning av av signalerna från antennerna gör att vi kan skilja sändarna åt.

22 Så vad skall vi göra? Upp till 8 antenner i dagens LTE/4G låt oss använda många fler antenner. I teorin kan den här tekniken, som kallas massiv MIMO, förbättra: energieffektiviteten med flera tiopotenser (vilket ger mycket lägre utsänd effekt), och spektraleffektiviteten med flera tiopotenser (mycket högre totala datahastigheter) 22

23 Vad är Massiv MIMO? 23

24 Kort VIDEO 24

25 Kraftig spatiell fokusering av energi Radiosignalens styrka, sedd uppifrån Önskad mottagares antenn här Notera att energin i radiovågen fokuseras till en plats, både i bredd och djup Önskad mottagarens antenn här Andra mottagare här 25

26 Bidrag från LTH till massiv MIMO Först att visa att massiv MIMO kan leverera även i verkligheten och inte bara i teorin. Gjordes med kanalmätningar och 128 antenner på basstationen Konstruerat världens första programmerbara testbädd för massiv MIMO i relatid och med höga datatakter (flera samtidiga 4G-liknande förbindelser) tillsammans med National Instruments Först att konstruera integrerade kretsar för nyckelfunktioner och visat att systemen kan byggas mycket energieffektiva Håller tillsammans med Bristol University världsrekordet i spektrumeffektiv radiokommunikation 145 bit/s/hz 26

27 RUSK Lund mäter radiokanaler från 128 antenner till nio användare 27

28 LuMaMi - Vår testbädd för massiv MIMO 320 antenner, av vilka 100 är inkopplade samtidigt 100 programmerbara radiosändare och -mottagare Massiv beräkningskraft för att kunna göra så avancerade tester det bara går 28

29 Integrerad krets för massiv MIMO Digital fokusering av signalens energi till 8 samtidiga användare med 128 antenner på basstationen Varje användare kör 4G-liknande kommunikation Effektförbrukning under 40 mw. Kretsen endast ca 1x1 mm. 29

30 Världsrekord tillsammans med University of Bristol I Bristol har man byggt en likadan testbädd som vår LuMaMi Forskare från Lund och Bristol som var med på försöken 30

31 Uppställning av experimentet 22 mobiler Mobiler Basstation (128 antenner) Basstation 145 bit/sec/hz (22 gånger snabbare än LTE) 31

32 Tester med rörliga användare utomhus Basstation på taket Mobiler på cykelkärror Mobiler på biltak 32

33 Kort VIDEO 33

34 Kan vi ta det här ännu längre? Låt alla ytor i omgivningen vara elektromagnetiskt aktiva Vi kallar konceptet Intelligenta Ytor. 34

35 Vad innebär det? Man skulle kunna kalla det extrem Massiv MIMO Många fler potentiella tillämpningar Gigantiska utmaningar att implementera Är det ens möjligt hur långt kan vi nå? 35

36 Hur skulle det kunna byggas? 36

37 En abstrakt vy 37

38 Vilka nya egenskaper skulle man kunna få? Enorma mängder terminaler skulle kunnna kommunicera samtidigt, utan att man använder mer resurser (massiv IoT) Det kraftiga fokus man kan uppnå kan användas till att ladda terminaler trådlöst (möjliggöra batterilösa sensorer) Beröringsfritt lyssna på livsprocesser hos varelser/människor i en miljö (andning, hjärtslag, m.m.) Naturlig människa-maskin-kommunikation (följa gester) osv. 38

39 En liten sådan yta i Globen 4 x 4 m intelligent yta i taket Kan (teoretiskt) öka kapaciteten ca ggr jämfört med dagens 4Gsystem. 39

40 En tankeställare 40

41 Fältstyrka, utsänd effekt och avstånd Fältstyrka från mobilen [W/m2, logaritmisk skala] 1 ~ 2 d Fältstyrkan är direkt proportionerlig mot utsänd effekt. Hö gr e Mobilens position Lä gr e ut sä nd ut sä nd ef fe 1 ~ 4 d kt ef fe kt Position [linjär skala] 41

42 Avstånd till basstation och mobilens utsända effekt Basstationens position Fältstyrka från mobilen [logaritmisk skala] Mobil nära basstation Mobil långt från basstation En mobil nära basstationen kan sända med mycket lägre effekt! Lägsta fältstyrka för fungerande mottagning Position [linjär skala] 42

43 Avstånd till basstation och basstationens utsända effekt Basstationens position Fältstyrka från basstation [logaritmisk skala] Basstationen kan sända med mycket lägre effekt om mobilerna är nära! Mobil nära basstation Mobil långt från basstation Lägsta fältstyrka för fungerande mottagning Position [linjär skala] 43

44 Cellulära system enkel modell Basstation i mitten, som betjänar mobiler i den egna cellen. Ingen mobil är längre bort från basstationen än en cellradie. 44

45 Cellulära system cellernas storlek Fältstyrka från basstation och mobil [logaritmisk skala] Liten cell Högre sändareffekter och därmed högre fältstyrkor med stora celler. Stor cell Lägsta fältstyrka Position [linjär skala] 45

46 Om vi vill ha låga fältstyrkor... få basstationer och stora celler eller många basstationer och små celler? Många basstationer leder till lägre fältstyrkor, men det är dyrt för operatören! 46

47 Vad händer i ett basstationsfritt område där mobiltelefoner tillåts? Mobilen måste kommunicera med en basstation på långt avstånd! Höga fältstyrkor i mobilens närhet! 47

48 Ett enkelt räkneexempel En typisk situation Basstationen har bättre mottagare och mobilen kan därför sända med lägre effekt än basen! Låt oss säga 10 ggr. 10P Watt Sb Fältstyrka från mobil S m Fältstyrka från bas Sb Sm Passiv mottagare 1000 m 4 P Watt 4 db 50 m P / dm 950 = = =13000 ggr P / db 10 d m I många situationer är fältstyrkan från mobiler i ens närhet tusentals till miljontals gånger starkare än den från basstationen! 48

49 49