Erik G. Larsson

− Intresset för Massiv MIMO är stort just nu. Alla seriösa infrastrukturtillverkare investerar i tekniken som definitivt kommer i framtiden, säger Erik G. Larsson, chef för avdelningen Kommunikationssystem på Linköpings universitet.

Professor Erik G. Larsson fick upp ögonen för Massiv MIMO, eller MaMi som det brukar skrivas för enkelhetens skull, redan år 2009. Kort därefter drog han igång ett samarbete med forskarna i Lund.

− Vårt samarbete har blivit en megahit. Det har varit otroligt fruktbart tack vare att vi kompletterar varandra så väl, säger Erik G. Larsson.

I Linköping arbetar forskarna med grundläggande fundamentala frågeställningar såsom kapacitetsanalys, design av protokoll, signalbehandling och taktiker som ska användas när terminaler initialt ska anslutas till nätverket.

Teamet i Lund fokuserar istället på algoritmdesign och på den experimentella verksamheten. Här har de byggt världens största testbädd för realtidskommunikation som ska demonstrera att MaMi-konceptet inte bara är en skrivbordsprodukt, utan något som faktiskt fungerar i verkliga radioutbredningsmiljöer.

− Vi arbetar också tätt med Bell Labs, främst Thomas Marzetta, som anses vara uppfinnaren av MaMi. Det samarbetet har pågått sedan 2009 och varit otroligt givande, säger Erik G. Larsson.

Då, för sju år sedan, var de svenska forskarna bland de allra första i världen att titta på MaMi-konceptet. Idag tillhör de världsledarna inom ett forskningsområde som formligen exploderat i universitetsvärlden under de senaste åren.

Men vad är då MaMi? Faktum är att det inte finns någon vedertagen definition som alla i branschen står bakom. Men grunden är ändå att man har en basstation med väldigt många individuella antennportar, gärna uppåt 100. Alla dessa kommunicerar samtidigt – på samma bärvågsfrekvens och i samma tidslucka – med ett stort antal terminaler; det kan vara 10, 20 eller 30 terminaler. I litteraturen kallas detta ofta för aggressiv spatiell multiplexering, och är ett rejält lyft för spektrumeffektiviteten.

Fredrik Tufvesson

− Generellt skulle jag säga att det bör vara mellan fyra och tio gånger fler antenner på basstationen än användare i en viss tids- och frekvenslucka, men tillämpningen avgör, säger Fredrik Tufvesson, professor i radiosystem på Lunds universitet.

Det är visserligen vanligt att använda en stor mängd antenner i millimetervågssystem, där flera antenner används för lobformning och antennförstärkning. Men medan småceller och millimetervågor har en given plats i framtida 5G-system, så har de mycket korta våglängderna också nackdelar.

− Man kan inte bygga mobila bredbandssystem som har någon yttäckning i millimetervågsbandet. Där kan man bygga små celler som erbjuder mycket hög kapacitet. Det kan vara inom- eller utomhus där man har väldigt tätt med terminaler som inte rör sig speciellt mycket, säger Erik G. Larsson.

Ytterligare nackdelar med högre frekvenser är att de inte tränger igenom material lika bra som radiovågor vid lägre frekvenser. Dessutom ställer dopplereffekten till problem när våglängden krymper. Från 2 GHz till 60 GHz ökar dopplereffekten med 30 gånger, något som i kommunikationssammanhang påverkar mobiliteten.

Vid lägre frekvenser, här under 6 GHz, har radiokanalen helt annat beteende och andra egenskaper än då frekvensen skjuter i höjden. Det är dessa som utnyttjas i MaMi-konceptet som de svenska forskargrupperna förespråkar och som gör att tekniken passar väl för yttäckande dynamiska realtidssystem.

− Jag skulle säga att den verkliga drivkraften bakom MaMi är spekumeffektivitet, det vill säga att kunna packa in mer data i ett givet frekvensband, och yttäckning, säger Erik G. Larsson.

Yttäckning, eller quality-of-service, är och ett mått på systemets robusthet.

− Mitt favoritscenario är förorten. Där har man kanske några kilometer mellan basstationerna och verkligt många terminaler som samtidigt behöver skicka stora mängder data och som rör sig snabbt. Då är det svårt att uppnå yttäckning idag, säger Erik G. Larsson.

Om en basstation istället har hundra antenner så blir förutsättningarna annorlunda eftersom det hela tiden finns hundra signalvägar mellan terminal och basstation. Genom att MaMi-systemet multiplexar olika terminaler spatiellt kan basstationen rikta sin energi i rummet. Förmågan att rikta energin från en mängd antennportar gör att risken för att en användare hamnar i radioskugga, exempelvis om han eller hon rör sig snabbt, minskar avsevärt. På samma sätt är det betydligt mindre risk att terminalen tappar signalen när man exempelvis går ner i en källare, eftersom terminalen nås av mer energi vid given uteffekt om basstationen strålar ut signalen dit användaren är.  

I mer komplexa miljöer, exempelvis i storstäder eller inomhus, där signalerna reflekteras överallt utnyttjas de hundra antennerna lite annorlunda. Här är riktverkan inte viktig. Istället är tricket att lägga ihop alla betydelsefulla flervägskomponenter, så att de förstärker varandra där terminalen som basstationen kommunicerar med är. Det sker med en uppsättning fas- och amplitudvikter för varje användare.

− På detta sätt bygger vi ett moln av signal där den användaren som vi vill skicka information till är, sen kan man tänka sig att vi bygger samma moln av icke-signal vid övriga användare. Det är så vi kan skicka samtidigt utan att de olika terminalerna stör varandra, säger Fredrik Tufvesson.

Världens största testbädd för Massiv Mimo finns idag i Lund.

I Lund har Fredrik Tufvesson och hans kollegor byggt världens största testbädd – LuMaMi (Lund University Massive MIMO testbed) – som emulerar en basstation med hundra koherenta parallella rf-kedjor som är kopplade till en stor gruppantenn med femtio dubbelpolariserande antenner, var och en med två antennportar. Varje antennelement fungerar alltså som två individuella antenner, där respektive port är kopplad till egen hårdvara i form av AD-, DA-omvandlare, filter, förstärkare och så vidare.

Testbädden är utvecklad i samarbete med National Instruments, medan amerikanska Bell Labs varit delaktigt i teknikutvecklingen. Under skalet sitter mjukvaruradio från National Instruments, med totalt 50 FPGA:er, en central processorenhet, en massa kort för att hantera dataströmmarna, och enheter för att distribuera tids- och frekvenssynk till alla ingående enheter. Jämfört med en framtida kommersiell implementering har testbädden alldeles för dyra radiokedjor och för mycket beräkningskapacitet, men flexibiliteten behövs för att forskarna ska kunna testa olika senarior.

För att visa att konceptet fungerar har Lundaforskarna försökt att göra allt så likt LTE som möjligt när det gäller parametrar. Varje antenn sänder på hela bandbredden, som är 20 MHz. Basen är som i LTE, en OFDM-kommunikation som skalar med bandbredden.
Fram tills nu har en stor del av tiden gått till att spela in radiokanalens beteende för ett system med en kanalmätningsutrustning. Mätningarna har gjorts utanför labbet och är nödvändiga för att man ska kunna verifiera att systemet fungerar enligt bakomliggande teorier, men också för att testa olika algoritmer.

− Först när vi såg att resultatet höll med de uppmätta kanalerna började vi bygga testbädden. Hittills har vi kunnat konstatera att det går att implementera MaMi och att det fungerar i realtid, säger Fredrik Tufvesson och han tillägger:

− Just nu kör vi videoströmning i labbet, både i upp- och nerlänk till tio samtidiga användare. Till våren ska testbädden ut ur labbet, upp på ett tak för att motsvara en mer verklig basstationsplacering.

Framförallt har det varit en utmaning att få till realtidsvideo i nerlänk. Orsaken är att kanalinformationen skickas från terminalerna till basstationen. Därefter har basstationen i detta fall 200 µs på sig för kanalestimering och MIMO-kodning. Det innebär att den ska beräkna hur signalerna från de hundra antennerna ska se ut och justera fas och amplitud på alla antenner innan signalerna skickas till de tio användarna.

I den korta tidsluckan ska alltså basstationen besluta om antennvikter för att utnyttja eventuell flervägsutbredning och maximera signalenergin vid terminalen oavsett om den är långt borta i ett öppet landskap eller om den befinner sig i närheten av basstationen i en komplex stadsmiljö.  

Likaså finns det gott om tid för fas- och amplitudjusteringarna om ingen flyttar på sig, vilket är orealistiskt. I dagsläget klarar testbädden hastigheter upp till 30-40 km/h, men då görs också alla beräkningar i kraftfulla FPGA:er.

En detalj som många skeptiker hakar upp sig på är att detta koncept inte enkelt fungerar med frekvensdelad kommunikation (FDD, frequency division duplex) eftersom det då inte går att använda metoden med kanalestimering. Inom forskarvärlden arbetar man med att försöka hitta FDD-lösningar, men de blir betydligt mer komplexa än när tidsdelad kommunikation (TDD, time division duplex) används.

− Från ett MaMi-perspektiv vill man inte ha FDD, det bara försämrar effektiviteten, säger Fredrik Tufvesson.

Dilemmat i nuläget är att mycket av spektrumet under 6 GHz är bundet till FDD av regulatoriska skäl. Det finns dessutom en hel del investeringar nedplöjda i infrastruktur för FDD.

Samtidigt har Kina tryckt hårt på TDD, eftersom FDD egentligen enbart finns kvar av historiska skäl. Likaså finns det en del frekvensband strax under 6 GHz som kommer att tilldelas 5G framöver.

På längre sikt bör det dessutom vara attraktivt att öka spektumeffektiviteten 10 till 50 gånger i dagens frekvensbanden, med tanke på de extremt höga summor som dessa frekvensband auktionerats ut för.

− Men allt är en frågan om vilken tidshorisont man har. Alla kommer inte att kasta allt över bord i morgon för att implementera TDD MaMi. Men om 10 till 20 år när MaMi mognat och alla sett potentialen, då kommer man förmodligen att vilja överge FDD och köra TDD istället, säger Erik G. Larsson.

Runt hörnet finns det andra utmaningar som lockar forskarna mer.

En sådan fråga är hur man bygger multiple access – alltså ett helt MaMi-system där man tar hänsyn till att det i en cell kan finnas 1 000-tals terminaler där några plötsligt vaknar till liv och vill upprätta en kontakt med basstationen.

− Det är en utmaning som vi jobbar mycket med i min grupp och den relaterar också till hur man kan utnyttja MaMi för IoT- och M2M-kommunikation där det inte är mobilt bredband som är den drivande tillämpningen utan där man tänker sig att man har en massa små sensorer och apparater som sover största delen av tiden, men ibland vaknar till för att skicka lite data eller kontakta basstationen för att få ett snabbt svar, säger Erik G. Larsson.

Inom detta område ändrar MaMi-tekniken spelplanen rejält jämfört med hur konventionella system ser ut, enligt forskarna. I synnerhet gör tekniken det möjligt att kommunicera med väldigt låga fördröjningar.

– Tittar man på mängden bitar som skickas så kommer den allra största delen att gå till stora datafiler och video i hög kvalitet som strömmas. Men tittar man på utmaningarna i att konstruera systemet så skulle jag säga att det är lika svårt att få det att fungera med de mer specialiserade terminalerna som bara vill skicka ett par bitar då och då om det ska ske optimalt, tillägger Erik G. Larsson.

Ett bivillkor i IoT-scenariot är just att terminaler inte har råd att ligga och vara vakna hela tiden. De kanske går på batteri eller har begränsat med strömförsörjning, och en radioenhet som ligger och lyssnar hela tiden drar en massa ström. Här gäller det att konstruera smarta protokoll som gör att enheterna snabbt kan vakna och etablera en förbindelse till en basstation.

− Att utarbeta sådana protokoll, som utnyttjar spektrum effektivt och drar minimalt med energi, är nästa steg i forskningen kring MaMi, säger Erik G. Larsson.