Storstadslivet hårt för vilsna radiosignaler

När Åsa Waern berättar om allt elände som en radiosignal kan råka ut för i staden är det lätt att gripas av missmod. Radio trivs bäst i öppna landskap. Särskilt militär radio. Militärer har i alla tider skytt att gå in i städer. Därför tillverkas radioapparater för den öppna terrängen.

Åsa Waern är projektledare för projekt Komet, kommunikationskanalens egenskaper i tätort, vid Totalförsvarets forskningsinstituts (FOI) avdelning för ledningssystem. Vi får lita på att det hon och hennes tio medarbetare säger om radiovågor i staden är sant.

– De fysiska lagarna går inte att göra något åt. Det är dessa som gäller i det här spelet, säger hon. Resten är bara tillämpningar.

Men, säger någon. Det finns ju mobiler. Och som dessutom fungerar. Varför då detta prat om stadsmiljöns skadliga inverkan på radiovågorna?

– Det här är något som vi har emot oss. Vi måste försöka förklara att de militära kraven är helt annorlunda. Ett mobiltelefonnät har fasta basstationer. Ett mobilnät byggs upp och förbättras under lång tid. När militären kommer är det ofta en kris och man måste ha ett trådlöst och säkert nät som fungerar med en gång. Nätet kanske utsätts för störning eller obehörig avlyssning. Och det militära sambandet ska fungera när såväl sändare som mottagare rör sig.

Så ser alltså problemet ut. Varken forskare eller militärer har något heltäckande svar på hur nätverksförbanden ska klara sambandet i den urbana miljön, som blir allt vanligare för militära förband. Mobiltelefonsystemen är inte lösningen. Däremot går det att utnyttja de modeller för vågutbredning som är utvecklade för mobiltelefoni.

– Detta är vågutbredning på burk, säger Åsa Waern. Att göra fältmätningar är både tidsödande, osäkert och dyrt. Vi ska leverera förslag på lösningar till försvaret och för att klara det måste vi lära oss mer om vågutbredning.

U-båtar var minkar

Akustisk vågutbredning i grunda vatten är en FOI-specialitet. Det ledde bland annat till att möjliga ubåtar avslöjades som minkar. Vågutbredning i stadsmiljö är också komplicerat. Man har att räkna med ett antal vågutbredningsfenomen som påverkar radiosignalen under dess väg till mottagaren och som sammantaget utgör det som vi kallar radiokanalen. Här är några exempel på vad som händer radiovågen i den stökiga staden.

Frirymdsdämpning. Luften suger kraften ur signalen. Det är inte så mycket, men finns där hela tiden. Signalen minskar med kvadraten på avståndet.

Extra dämpning. Det är lättare hinder i vägen, exempelvis lövverk. Signalen går igenom hindret, men kommer fram försvagad.

Reflexioner. Signalen studsar mot husväggar. Är det en slät yta minskar inte signalstyrkan så mycket eftersom signalen hålls samman och studsar vidare. Är ytan skrovlig slås signalen sönder och far iväg åt många olika håll. Det blir många och svaga signaler som inte kan tas tillvara av mottagaren. Sedan är det alla andra mindre föremål som bilar och vägskyltar. Miljön är som en svamp som suger upp signaler och i staden finns många fler hinder än i det öppna landskapet.

Flervägsutbredning. Signalen kan först studsa och få fel riktning, för att sedan studsa en gång till och komma på rätt kurs. Det gör att mottagaren snappar upp signaler som kommer i flera versioner och så att säga pratar i munnen på varandra.

Uppstickande objekt. Det kan vara berg eller hus. Signalen böjs av runt objektet om den träffar nära en kant eller ett hörn. Om signalen träffar mitt på ytan studsar den.

Åsa Waerns grupp jobbar nu för att försöka förstå dessa fenomen. Tidigare har man tittat på vågutbredning i vegetation och då har man byggt egna modeller.

– Men det tar lång tid och nu är miljön mer komplicerad. Därför har vi skaffat ett kommersiellt program från Tyskland kallat Radio Propagation Simulator. Ett problem är att programmet är gjort för att bygga mobiltelefonnät. Mobiltelefonernas högre frekvenser gör att vågorna inte böjer av lika mycket vid hinder som vid de lägre frekvenser som används för militär taktisk radio. Nu har vi så bra kontakt med tillverkaren att vi kan få ändringar i programmet. Ibland kan vi göra egna ändringar för att till exempel simulera rörliga sändare och mottagare.

Framtida studier som vågutbredningsgruppen vill genomföra är att se vad som händer när soldaten går inomhus, och detta med hänsyn till olika typer av byggnads-material.

Så långt själva forskningsmetoden. Resultaten kan enkelt visas genom att simuleringen kombineras med en tredimensionell dataanimation av en känd stadsmiljö, exempelvis i Stockholms innerstad. Så går det att se hur bra kontakt en soldat på Mäster Samuelsgatan har med sin kamrat på Frejgatan.

Finns det då några vägar genom denna radiodjungel i staden? En sådan kan vara en radio med många antenner som pekar åt olika håll. Inne i radion sköter elektroniken resten. Den skannar av alla antennerna och sorterar signalerna och lägger pussel. Flera svaga signaler av samma sort läggs ihop och blir en stark signal.

– Här jobbar vi tillsammans med institutionen för elektrovetenskap vid Lunds universitet, som har ett mätsystem av en typ som kallas Mimo. Det står för Multiple Input Multiple Output och syftar på att systemet tar emot och sänder med flera antenner. Oftast tänker vi oss att det är samma information som sänds över alla antenner åt alla håll, men det går också att sända olika information på olika antenner. Då skickas flera meddelanden på samma frekvens, men i olika rumsliga kanaler.

– Mimo-mätsystemet hade från början två höga frekvenser avsedda för studier av mobiltelefoni. Vi har lagt till en lägre frekvensmodul för militärt bruk. Det innebär att systemet, vad jag vet, är det enda mätsystem i världen som klarar av hela denna skala. Mätsystemet blir som en wettexduk som suger upp en massa svaga signaler och sedan vrider man ur den och får fram något vettigt.

Vågutbredning i urban miljö

I praktiken programmerar forskarna mätsystemet att sända och ta emot på system av antenner. Sedan lagras och studeras de mottagna signalerna. En radio av mimo-typ skulle teoretiskt kunna nå höga prestanda vad gäller överföringshastighet och så vidare. För att veta vad en sådan radio kan göra i praktiken måste man känna till det medium som radiovågorna ska gå igenom. Det vill säga veta mer om vågutbredning i urban miljö.

– Det första vi fick göra var att lära oss vad strid i urban miljö innebär. Här har vi ju förmånen att ha Markstridsskolan i Kvarn inpå knutarna och folket i Kvarn har vi kontakt med. Fast vår forskning nu är ju inte typiskt militär. Det är de fysiska lagarna som ändå gäller. Med vår kunskap bör vi kunna säga om en mimoradio är bättre än konventionell radio. Vi ska kunna vara rådgivare och ställa rätt frågor till militären. Sedan kan vår kunskap gå vidare till andra projekt. Ett exempel är hur radiosignalerna pusslas ihop, vilket görs med särskild kodning.

Åsa Waern torde vara väl lämpad för att hitta andra tillämpningar än de rent militära för de nyvunna kunskaperna om radiovågornas hårda liv i staden. Åsa Waern samordnar avdelningens civila satsningar och arbetar med det som kallas telematik. Det är en blandning mellan telekommunikation och informatik.

– Det kan ge oss bilar med omvärldsuppfattning som kan meddela sig med andra bilar, säger Åsa Waern som hård-
tränar inför vårens rally i Marocko.

Jan-Ivar Askelin text, Martin Ek grafik, Framsyn 2005/4