Ända sedan den allra första mobilgenerationen började byggas har det funnits områden i nätet med dålig täckning. Att den problematiken fortfarande finns är helt enkelt för att den är krånglig att lösa.

Emil Björnson

– Det är där vi försöker skjuta in vår forskning, säger Emil Björnson, gästprofessor på KTH.

Alla mobilgenerationer som hittills byggts är så kallade cellulära nätverk, där basstationer bildar celler som användaren befinner sig i.

För varje generation har utvecklingen tagit kliv mot högre datahastighet, men också bättre täckning. På senare tid har de stora mobilmasterna gått från att innehålla antenner med många passiva antennelement vars lob inte går att styra, till antenner med aktivt styrbara antennelement som kan rikta loben åt olika håll och skapa många lober samtidigt.

– Nu har vi nått den punkten där mobiltekniken kan leverera mer än tillräcklig datahastighet för de allra flesta saker som en användare vill göra. Det är också i väldigt få fall som vi behöver de allra högsta datahastigheterna, så det vi är ute efter är att designa näten på ett sätt som gör att vi kan få upp täckningen och hastigheterna där de idag är som sämst.

Vanligen är täckningen som sämst om du befinner dig långt ifrån stora mobilmaster som står glest. Hamnar du då bakom en husvägg blir nätkvaliteten snabbt dålig. Kapacitetsproblem uppstår också lätt där det befinner sig många människor som behöver mycket data samtidigt.

Konceptet att komplettera de stora mobilmasterna – som fungerar som enstaka utstrålande punkter i periferin – med många små och distribuerade antenner fångade forskarnas intresse för flera år sedan.

–  Vi funderade på hur vi skulle kunna bygga ihop det på ett rimligt sätt, så att det går att sätta upp. Den första idén var att dra en kabel till varje antenn, säger Emil Björnson, och tillägger:

– Vi föreslog det för Ericsson, som menade att det inte kommer att gå att bygga för det blir alldeles för mycket sladdar överallt. Men sen kom Ericsson tillbaka med idén att ”om vi ska dra en sladd från en punkt till en antenn, varför kan vi inte sätta flera antenner längs sladden”.

Sagt och gjort. Idén förverkligades i en remsa med ett antal tryckta antenner kompletterade med små radiokretsar som Ericsson kunde visa upp ett koncept för på mobilmässan Mobile World Congress år 2019.

En remsa bestående av en tryckt kabel med ett antal tryckta antenner för kommunikation på 3 GHz.

Då – för två sedan – handlade det om en remsa bestående av en tryckt kabel med ett antal tryckta antenner för kommunikation på 3 GHz. De små kretsarna längs sladden är där för att hantera radiosignalerna som skickas ut och tas emot av de tryckta antennerna.

Lite skämtsamt kallar Emil Björnson resultatet från det beskrivna forskningsprojektet "mobilmast på löpmeter". Remsan som han visar upp är den första fysiska realiseringen av hur det kan komma att fungera om fem-sex år, men det är inte forskarnas uppgift att ta det slutgiltiga kommersiella steget.

– Vi är kommunikationsforskare. Vi måste ha en vision om hur man kan organisera mobilnäten på ett annat sätt för att kunna leverera bättre mobilprestanda. Sen krävs det att någon gör upp en plan för hur man utvecklar och bygger kretsarna som möjliggör det vi är ute efter.

– Det görs inte över en dag, men jag övertygad om att det går att krympa ner radiokretsarna på remsan. Jag är inte säker på att det kommer att gå att trycka dem, men de kan i varje fall bli tillräckligt små för att remsan en dag ska kunna sitta bakom en tapet.

I höstas började Emil Björnson med ett stort forskningsprojekt inom något som heter Framtidens Forskningsledarprogram, finansierat av SSF (se ruta).

– Där jobbar jag vidare på den teknik som vi talat om här, men i synnerhet arbetar jag med intressanta fysikaliska fenomen som tidigare inte har varit synbara men som nu dyker upp.

Idag är en typisk radiobox en meter stor och den innehåller massor av antennelement. Placerar du den i en mobilmast blir resultatet för användaren en utstrålande punkt på avstånd.

Tänk dig istället att du sätter upp remsor – det vill säga tryckta kablar med kanske en antenn per meter – längs med en husvägg, exempelvis på en skyskrapa. Om en sådan remsa sätts upp på varje våning skapas istället en antennyta som är fysiskt stor för användaren.

–  Om antennen ser dig från många olika riktningar då kan man rikta signalen på ett helt nytt sätt. Istället för att man skapar en riktad signal, så skapar man en liten boll runt din mobil med stark energi just där, säger Emil Björnson, och fortsätter:

– I områden med ett stort antal människor, säg en tågstation där många tusen passerar, kan alla få en liten boll runt sin mobil. Jag studerar hur vi ska designa näten för att de ska vara skalbara och fungera, och vilka nya fysikaliska fenomen som dyker upp som vi måste modellera och utnyttja.

Visionen är alltså att skifta fokus från att ha mobilmaster som är omgivna av användare till användare som är omgivna av en massa små antenner.

– Vi tänker att det finns ju redan energisnåla kretsar i dagens mobiltelefoner. Kanske kan vi börja från det hållet och använda dessa små och energisnåla kretsar för att bygga framtidens distribuerade mobilmaster.

När antennerna sprids ut får man ett djupseende som liknar det som människor har med sina två ögon, men antennerna måste spridas ut betydligt mer eftersom radiovågor har en mycket längre våglängd än synligt ljus. Rent tekniskt hamnar användaren i närfältet av en tänkt jätteantenn.

För att vara i närfältet av en enskild antenn måste du vara väldigt nära den. Det är mycket sällan som närfält utnyttjas praktiskt idag, två exempel är rfid-taggar och trådlösa mobilladdare.

– När du sätter upp många antenner kan du vara i fjärrfältet av varje enskild antenn, men tillsammans skapar de en stor antenn som du hamnar i närfältet av, förklarar Emil Björnson.
Fördelen med att vara i närfältet är som nämnts att det går att fokusera signalerna på ett nytt sätt. Därmed kan många tillåtas att dela på samma mobilfrekvenser.

– När vi var på väg mot 5G var det mycket tal om att nu ska vi använda de nya millimetervågsfrekvenserna för att få högre kapacitet. Men nu har vi 5G och det finns nästan inga mobilnät som använder millimetervågsfrekvenser för de har så korta räckvidder, så det blir osmidigt att sätta upp.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Istället är tanken att använda de klassiska mobilfrekvenserna – runt 1 GHz till 3 GHz – och dela dem med alla. Dagens 5G-antenner på 3,5 GHz med styrbara lober är ett steg i den riktningen.

– Vill man ta konceptet ytterligare ett steg måste man dra upp antennytan för att få djupseende. Beroende av hur stor man gör ytan kan hundra, kanske tusen, dela på samma mobilmast på exakt samma frekvenser.

En av de viktigare utmaningarna i framtida mobilnät är också att öka energieffektiviteten. Det finns en kostnad för varje bit som ska skickas, och när vi alla vill ha fler bitar per sekund leder det till en extremt hög energiförbrukning.

I huvudsak finns två källor till energiförlust i nätet. Den ena är energin som förloras i radiovågorna som skickas ut.

– Kan du korta avståndet mellan antenn och mobil kan du dra ner den energin jättemycket eftersom signalerna sprids mycket snabbt i luften. Kan du korta ner avstånden med en faktor tio så sparar du åtminstone 100 gånger energi, om inte mer.

Det andra som slukar energi är bearbetningen som görs i hårdvaran. Här är tanken att använda små enkla kretsar, konstruerade specifikt för vissa ändamål för att bli så energieffektiva som möjligt.

– Vad jag också forskar kring är att medvetet använda radiokretsar som inte är perfekta.

Självklart vill alla allra helst att ljudet i en mobil ska låta bra, det ska till exempel inte finnas någon distorsion när man lyssnar på musik. Å andra sidan går det att dra ner energiförbrukningen om man kan leva med distorsion, så länge budskapet når fram.

Samma princip gäller i trådlösa signaler. Här försöker forskarna hitta balansen mellan energisnålhet och att inte levererar exakta signaler.

– Jag jobbar inte med själva kretsdesignen, utan snarare själva principerna för hur stora distorsioner vi kan leva med. Och om vi vet att det finns distorsioner, hur kan vi kommunicera så att vi kommer runt det hela och fortfarande får det att låta bra?