Draadloze netwerken sneller en goedkoper met meer antennes

17 november 2006

Met een nieuwe techniek voor draadloze communicatie waarin zowel de zenderkant als aan de ontvangerkant meerdere antennes zitten, zijn hoge datasnelheden te halen. ‘Met de techniek die wij hebben ontwikkeld, kun je compenseren voor onvolkomenheden van de gebruikte chips’, noemt TUE-promovendus Tim Schenk een nog groter voordeel. ‘We hoeven dus aan minder strenge eisen te voldoen en kunnen het dus goedkoper.’

Voor de nieuwe generaties draadloze netwerken zoals WLan en de opvolger van UMTS, 4G, stellen bedrijven bij de IEEE een combinatie voor van Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) waarbij er een aantal draaggolven zijn met verschillende frequenties, en Multiple Input Multiple Output (Mimo),met een aantal zenders en ontvangers. ‘Je kunt het beschouwen als een systeem van parallelle pijpen in het frequentiedomein (OFDM) gecombineerd met een systeem van ruimtelijke parallelle pijpen (Mimo)’, verwoordt TUE-promovendus Tim Schenk het.

OFDM deelt een frequentieband op in smalle subbandjes die zo zijn gedefinieerd dat de signalen in aangrenzende frequentiebanden elkaar niet beïnvloeden. Daardoor passen er in dezelfde bandbreedte meer signalen. In combinatie met meerdere antennes die in datzelfde smalle bandje zenden en ontvangen, kunnen er nog meer signalen in dezelfde bandbreedte. Daarvoor is wel een slimme manier nodig om signalen aan de ontvangerkant uiteen te rafelen. Daar richtte Schenk zich op in zijn promotieonderzoek.

Het eerste deel van zijn onderzoek deed hij bij Agere Systems in Nieuwegein. Daar spitste hij zich toe op het aantonen dat die combinatie van technieken ook daadwerkelijk geschikt is voor WLan. Hij bouwde een demonstratiesysteem met drie zenders en drie ontvangers en haalde daarmee in 2003 een snelheid van 162 Mbit/s. ‘Dat was toentertijd het record’, zegt Schenk. ‘Inmiddels zijn de eerste producten op de markt en die halen ongeveer 250 Mbit/s, maar die vergelijking is niet helemaal eerlijk. De producenten daarvan gaan uit van een grotere OFDM-bandbreedte dan de 20 MHz die wij destijds gebruikten. Hun systemen zijn wel marktrijp terwijl mijn opstelling slechts een proof of concep was.’

De proefopstelling met drie zenders en drie ontvangers die TUE’er Tim Schenk gebruikte om aan te tonen dat een combinatie van OFDM- en Mimo-technieken werkt in een WLan.

Toen dat duidelijk was, pakte Schenk de volgende uitdaging op. Een draadloos systeem met meer antennes bevat namelijk ook meer front-ends, de analoge delen van het RF-communicatiesysteem. Dat zijn niet alleen de duurste componenten, maar ook de onderdelen die de meeste spreiding in eigenschappen vertonen. Voor OFDM met zijn scherp gedefinieerde kanalen kun je dat nu juist niet gebruiken.

Schenk analyseerde de invloed van de verschillende niet-lineariteiten van het front-end op het gedrag van het systeem. Hij schatte vervolgens het effect dat de meest voorkomende onvolkomenheden zoals de niet-lineariteiten en faseruis hebben op het signaal. Hij ontwikkelde algoritmes die daar in het ontvangstgedeelte voor compenseren. Die bleken goed te werken. Op die manier is hij niet afhankelijk van de eigenschappen van de individuele chips. ‘Daar heb je dan wel een stukje van het signaal voor nodig waarvan je precies weet hoe het aan de ontvangerkant te voorschijn moet komen. Dat was sowieso al nodig om voor de kanaaleigenschappen te compenseren. Als je dat stuk van het signaal slim definieert, kun je het ook voor dit doel gebruiken.’

De methode die Schenk voorstelt, is niet alleen effectief en uniek, je kunt ook voor andere onvolkomenheden in het systeem compenseren, zelfs voor problemen die al aan de zenderkant ontstaan. De industrie heeft belangstelling voor dit principe, vertelt Schenk. De huidige trend om het analoge front-end samen met de rest van het systeem in CMos op een chip te maken, draagt daar zeker aan bij. CMos drukt de kosten maar komt de kwaliteit van het front-end niet ten goede. Toch willen fabrikanten deze goedkope procestechnologie graag gebruiken. Schenks algoritmes helpen daarbij. Ook voor systemen die met hoge frequenties werken zoals microgolfsystemen met een frequentie van 60 GHz waarvoor stabiele front-ends heel lastig te maken zijn, is Schenks methode een uitkomst.

‘Ik krijg nu al vragen om extra proefschriften, terwijl de inkt nog niet droog is’, vertelt een tevreden Schenk die inmiddels bij Philips Research aan draadloze communicatie voor ambient intelligence-omgevingen werkt. ‘Industrieel onderzoek heeft altijd mijn interesse gehad. Dat was de reden dat ik mijn onderzoek destijds bij Agere Systems in Nieuwegein begon. Academisch onderzoek is wel aardig, maar ik vind het leuker om te zien welke problemen je moet oplossen als je echt iets gaat maken.’

Het onderzoek maakt deel uit van Broadbandradio@Hand waarin het inmiddels niet meer bestaande Agere Systems samenwerkte met de TU Eindhoven, Philips Research en KPN Research/TNO Telecom. Schenks deel van het project resulteerde in vijftien publicaties en een aantal patentaanvragen.

Promovendus Tim Schenk

Titel: RF impairments in multiple antenna OFDM, influence and mitigation

Promotie: 20 november

Promotoren: Erik Fledderus en Heidi Steendam

Copromotor: Peter Smulders

Marianne Vincken

Terug naar overzicht