Intelligent trådlös kommunikation bortom 5G

I det som kallas sakernas internet väntas gigantiska mängder objekt kopplas ihop och kommunicera med varandra. Utvecklingen av snabb och intelligent trådlös nätverksteknik är central för att komma dit. Marina Petrovas forskning siktar bortom 5G, mot perceptiva nätverkssystem i höga radiofrekvenser, i millimetervågbandet.

Marina Petrova

Docent i trådlös kommunikation

Wallenberg Academy Fellow 2019

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Utveckling av kognitiva trådlösa nätverkssystem och metoder som gör det möjligt att skicka information och kommunicera i millimetervågbandet (mmW).

– Vi lever i en intressant tid med en enorm ökning av trådlös datatrafik. Den beror på ett skifte i sättet vi skapar, delar och konsumerar information. Våra smarta mobiler är i princip vår dörr till samhället och världen, säger Marina Petrova, docent i trådlös kommunikation på KTH.

Alltfler saker, människor, företag och samhällstjänster kommer inom en snar framtid utbyta information i allt snabbare hastigheter. Många av de nya applikationerna i ”sakernas internet” kommer hanteras och styras trådlöst. Det kan vara robotarna i fabrikerna, självkörande ambulanser eller människor som kommunicerar i en virtuell verklighet.

– Alla prognoser för det kommande decenniet, vare sig de kommer från Ericsson, Cisco eller någon annan stor aktör på området, visar på en mycket stor efterfrågan på att uppgradera de trådlösa nätverken för att stödja behovet av omedelbar kommunikation. Det vill säga att vi väldigt snabbt och med mycket liten fördröjning kan transportera data trådlöst från a till b.

Det pågår också utveckling av så kallad haptisk kommunikation, fortsätter Marina Petrova.

– Inom kanske tio år kommer vi även ha förmågan att röra, känna och lukta i applikationer via trådlös kommunikation. Och för att allt det här ska kunna ske behöver vi ha möjlighet att skicka stora mängder data i höga hastigheter på ett robust och säkert sätt.

”Jag förstod snabbt hur uppskattad och viktig Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är för finansieringen av grundforskningen och för forskningsfriheten i Sverige. Att få det här anslaget bekräftar att det jag gör är relevant, intressant och spännande.”

Bortom 5G

Femte generationen mobilnätverk, 5G, rullas ut av teleoperatörer runt om i världen. 5G kommer att använda större bandbredder tillsammans med strålformning som möjliggörs av förfinad antennteknik för att ge högre datahastigheter till mobilanvändare.

Under de kommande åren kommer 5G-systemen fortsätta att utvecklas, säger Marina Petrova. Och för att klara behovet av mer och snabbare dataöverföring krävs att man på sikt utnyttjar andra radiofrekvenser än de traditionella spektrumbanden.

– Hittills har vi använt frekvenser under 6 GHz. Men vi är på väg ut ur det spektrumet och behöver gå över till högre frekvenser.

Marina Petrovas forskning fokuserar på millimetervågbandet, mmW, i området 24-80 GHz. Här är den stora utmaningen att det på grund av egenskaperna i elektromagnetiska vågor i höga frekvensband inte går att täcka stora ytor. Millimetervågor blockeras av olika hinder, som väggar och människor till exempel, vilket bland annat ställer krav på fler basstationer. Energin i radiovågorna måste koncentreras i små smala strålar för att nå några meter i distans mellan sändare och mottagare.

– Det är därför mmW inte finns med i den första utrullningen av 5G. Det är fortfarande en hel del svårigheter som måste hanteras.

Komma runt blockeringar

Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ger Marina Petrova möjlighet att försöka lösa utmaningarna med blockering av radiosignalen i mmW.

– Med hjälp av tekniker för avkänning, avbildning och maskinlärning vill vi hitta sätt att komma runt de flaskhalsar som finns idag på mmW-området och designa algoritmer för att styra strålarna. Det övergripande målet är perceptiva nätverk. Situationsmedvetna nätverk som känner av var användarna är, har massor av information om deras beteendemönster och hur de rör sig för att kunna ge dem mycket snabb och sömlös kommunikation.

En kombination av avkänning via radarteknologi och telekommunikation kan vara en framkomlig väg. Marina Petrova och hennes forskargrupp studerar nu hur dessa två tekniker kan existera simultant i mmW-bandet.

Forskningen handlar framförallt om system- och simuleringsstudier, kombinerat med experiment och prototyper. De mest intressanta lösningarna testas genom att sätta upp och testa nätverk i labbet på KTH.

–Vi har bevisat i vårt labb att mmW-kommunikation fungerar, det vill säga att radiolänken inte bryts mellan sändare och mottagare. Men vi vill åstadkomma den funktionen även i större skala.

Äntligen händer det

Marina Petrova tog ingenjörsexamen i elektronik och telekommunikation i hemstaden Skopje i Nordmakedonien. Till Sverige och KTH kom hon 2016 från RWTH Aachen University i Tyskland, där hon disputerade om kognitiva trådlösa nätverk och hade en forskargrupp.

Hon konstaterar att under doktorsstudierna var en av de stora forskningsfrågorna just hur man kan göra kommunikationsnätverken smartare med hjälp av att använda mycket extern information.

– Det är intressant att se hur idéerna från förr nu kan realiseras. Vissa saker var tvungna att hända först och händer just nu i snabb takt. Vi hade koncepten och algoritmerna, men saknade molntekniken, processkraften och minneskapaciteten i systemen. Först nu med 5G får vi se de här intelligenta nätverkssystemen börja komma på plats. Men det finns fortfarande mycket kvar att göra, säger Marina Petrova.

Text Susanne Rosén
Photo Michael Popa, Marina Petrova, Markus Marcetic