Spookrijden op de draadloze snelweg

| Marc Laan

Mensen zijn niet gebouwd om tegelijk te spreken en te luisteren. UT-promovendus Dirk-Jan van den Broek slaagde er in een radio-chip te bouwen die dat wel kan en ook nog op dezelfde frequentie. Daarmee verdubbelt de capaciteit van draadloze verbindingen, wat goed uitkomt bij steeds schaarser wordende telefoniefrequenties.

Door de groei van mobiel dataverkeer lopen de radiofrequenties die daarvoor nodig zijn snel vol. Er dreigt schaarste. Een mobieltje waarmee je internet op gaat of iemand belt, gebruikt meestal twee frequenties: één waarop het 'spreekt' en een andere waarop het 'luistert'. Dat is om het verkeer in beide richtingen goed uit elkaar te houden.

Op aandrang van telecombedrijven doen universitaire onderzoekers steeds vaker onderzoek naar de mogelijkheid gelijktijdig te zenden en te ontvangen op één en dezelfde frequentie.

Spookrijden

Dirk-Jan van den Broek (1986) noemt het lachend 'spookrijden op de snelwegen van radiogolven'. Het is hem gelukt een minuscule chip te ontwerpen van 1,4 bij 1,4 millimeter, die in staat is tegelijk te praten en te luisteren op hetzelfde kanaal. In het jargon van de draadloze specialisten heet deze eenkanaals-technologie 'Full Duplex' communicatie. Hij promoveert vrijdag 12 mei hierop aan de UT, in de vakgroep Integrated Circuit Design van de gelauwerde UT-hoogleraar Bram Nauta.

In zijn proefschrift, waaraan hij vier jaar gewerkt heeft, komt de onderzoeker met een oplossing voor één van de belangrijkste problemen bij zulke eenkanaals-communicatie: de storingen die de zendende apparaten zelf veroorzaken in hun eigen ontvanger.

Fluisteren en schreeuwen

Van den Broek legt uit: ‘Draadloze apparaten zenden data naar andere toestellen. Het lastige aan radiosignalen is, dat zij aan kracht verliezen naarmate de afstand tussen zender en ontvanger toeneemt. Je moet met enorme vermogens zenden om die ander te bereiken. En zelfs dan komt het signaal bij de ander erg zwak binnen.’

‘Stel je voor dat je probeert te luisteren naar het gefluister van een ander, terwijl je zelf schreeuwt op het geluidsniveau van een straaljager. Dat gefluister van de ander verdrinkt daarin. Het signaal dat een draadloze zender afgeeft kan wel 100 decibel harder zijn dan het signaal dat binnenkomt van het andere toestel waarmee het communiceert.’

Met die hoge zendvermogens stoort een apparaat als het ware zichzelf. Een deel van de enorme energie van de schreeuwende zendantenne lekt door naar de ontvangstantenne op hetzelfde toestel. Het toch al fluisterzachte binnenkomende signaal raakt dan ook nog eens verminkt. Van den Broek: ‘Wij noemen deze storing zelf-interferentie.’

Hindernissen

‘Er waren tot nu toe verschillende technische hindernissen bij deze eenkanaals-communicatie,’ vertelt Van den Broek. ‘Om te beginnen moet je de zendantenne zo goed isoleren dat hij zijn eigen ontvangstantenne niet stoort. Daar heb je dure onderdelen voor nodig, en soms lukt het helemaal niet, omdat je de antenne verstoort met bijvoorbeeld je handen. Vervolgens moet je de storing die dan resteert ook nog zien te verwijderen uit het zwakke binnenkomende signaal.’

‘Vergelijk het met de koptelefoon die je in een vliegtuig op zet om met behulp van antigeluid de herrie van de motor uit te doven, in plaats van te proberen de koptelefoon zelf perfect te isoleren. Het is een vorm van noise cancellation.’

Storing onderdrukken

De promovendus heeft nu een chip gebouwd die de vervelende storing van de zender continue onderdrukt in de ontvanger. Alles wat je op een chip kunt doen bespaart kosten voor externe onderdelen. ‘Als je de karakteristiek van je eigen zendsignaal kent, kun je zijn storing ook namaken, en dus opheffen. Ik ontdekte hoe je het storende signaal met behulp van een speciale frequentie-down-mixer precies zo kunt nabootsen, dat je het kunt uitdoven.’

Met deze techniek draagt Van den Broek bij het storingsvrij draadloos communiceren via één kanaal. ‘Zo verdubbel je in de toekomst de capaciteit van je draadloze netwerk. Wellicht komt dan tweezijdig video-streamen via één kanaal in zicht: twee keer zoveel mensen kunnen Skypen via één zendmast.’

De toekomst?

Voorlopig hoeven we niet met zijn allen naar de winkel te rennen om een nieuw mobieltje te kopen, want de test-chip verkeert nog grotendeels in een academisch stadium. ‘Voor het toepassen van Full Duplex-communicatie tussen een smartphone en een zendmast kilometers verderop is het nog te vroeg. Maar mijn technologie kan al wel concurreren met korte-afstandsverbindingen, zoals wifi en Bluetooth. Als je storingen geautomatiseerd kunt onderdrukken op een chip, kun je in twee richtingen tegelijk communiceren zonder extra kosten voor filters en antenne-isolaties. Als deze chip via massaproductie goedkoper gefabriceerd gaat worden, kan deze technologie net zo betaalbaar worden als wifi en Bluetooth.’

Van den Broek verwacht wel dat de telecomaanbieders Full Duplex-technieken op korte termijn kunnen gebruiken voor de onderlinge communicatie tussen hun zendmasten. ‘Daar zie je grote belangstelling voor. Nu wacht een zendmast bijvoorbeeld nog tot alle informatie binnen is, voordat hij die doorstuurt naar de volgende. Straks kan dat zonder vertraging. Het vergroot de capaciteit van hun netwerken met dezelfde hardware en werkt dus kostenbesparend.’