Gør trådløs kommunikation mere energieffektiv

Omer Tanovic, en ph.d. kandidat i Institut for Elektroteknik og Datalogi, sluttede sig til Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS), fordi han elsker at studere teori og omdanne forskningsspørgsmål til løselige matematiske problemer. Men Omer siger, at hans ingeniørbaggrund – før han kom til MIT, modtog han bachelor- og mastergrader i elektroteknik og datalogi ved universitetet i Sarajevo i Bosnien-Hercegovina – har lært ham aldrig at tabe af syne de tilsigtede anvendelser af hans arbejde, eller de praktiske parametre for implementering.

"Jeg elsker at tænke på ting på det abstrakte matematiske niveau, men det er også vigtigt for mig, at det arbejde, vi udfører, hjælper med at løse problemer i den virkelige verden, " siger Omer. "I stedet for at bygge kredsløb, Jeg opretter algoritmer, der hjælper med at lave bedre kredsløb. "

Et problem i den virkelige verden, der fangede Omers opmærksomhed under hans ph.d. er strømeffektivitet i trådløse operationer. Succesen med trådløs kommunikation har ført til massiv infrastrukturudvidelse i USA og rundt om i verden. Dette har inkluderet mange nye mobiltårne ​​og basestationer. Efterhånden som disse netværk og mængden af ​​information, de håndterer, vokser, de bruger en stadig større mængde strøm, hvoraf nogle går til at drive systemet, som det skal, men hvoraf meget går tabt som varme på grund af energiineffektivitet. Dette er et problem både for virksomheder som mobilnetoperatører, som skal betale store forsyningsregninger for at dække deres driftsomkostninger, og for samfundet som helhed, i takt med, at sektorens udledning af drivhusgasser stiger.

Disse bekymringer er det, der motiverer Omer i hans forskning. De fleste af de projekter, som han har arbejdet med på MIT, søger at designe signalbehandlingssystemer, optimeret til forskellige mål, det vil øge strømeffektiviteten og samtidig sikre, at udgangssignalet (hvad du hører, når du taler med nogen i telefonen, for eksempel) er tro mod det oprindelige input (det der blev sagt af personen i den anden ende af opkaldet).

Hans seneste projekt søger at løse problemet med strømeffektivitet ved at reducere peak-to-average power ratio (PAPR) for trådløse kommunikationssignaler. I videste forstand, PAPR er en indirekte indikator for, hvor meget strøm der kræves for at sende og modtage et klart signal på tværs af et netværk. Jo lavere dette forhold er, jo mere energieffektiv transmissionen er. Nemlig meget af den strøm, der forbruges i mobilnetværk, er dedikeret til effektforstærkere, som opsamler laveffekt elektronisk input og konverterer det til en højere effekt output, såsom at opfange et svagt radiosignal genereret inde i en mobiltelefon og forstærke det, så, når den udsendes af en antenne, er den stærk nok til at nå et mobiltårn. Dette sikrer, at signalet er robust nok til at opretholde tilstrækkeligt signal-til-støj-forhold over kommunikationsforbindelsen. Effektforstærkere er mest effektive, når de arbejder tæt på deres mætningsniveau, ved maksimal udgangseffekt. Imidlertid, fordi mobilnetværksteknologien har udviklet sig på en måde, der rummer en enorm mængde og variation af information på tværs af netværket – hvilket resulterer i langt mindre ensartede signaler end tidligere – moderne kommunikationsstandarder kræver signaler med store top-til-gennemsnitlige effektforhold. Det betyder, at en radiofrekvenssender skal være konstrueret således, at den underliggende effektforstærker kan klare peaks meget højere end den gennemsnitlige effekt, der transmitteres, og derfor, det meste af tiden, effektforstærkeren fungerer ineffektivt - langt fra dens mætningsniveau.

"Hvert celletårn skal have en form for PAPR -reduktionsalgoritme på plads for at fungere. Men de algoritmer, de bruger, er udviklet med få eller ingen garantier for at forbedre systemets ydeevne, " siger Omer. "En almindelig opfattelse er, at optimale algoritmer, hvilket helt sikkert ville forbedre systemets ydeevne, er enten for dyre at implementere - i form af kraft eller beregningskapacitet - eller kan slet ikke implementeres."

Omer, som er superviseret af LIDS professor Alexandre Megretski, designet en algoritme, der kan reducere PAPR af et moderne kommunikationssignal, hvilket ville gøre det muligt for effektforstærkeren at arbejde tættere på sin maksimale effektivitet, dermed reduceres mængden af ​​energi, der går tabt i processen. For at skabe dette system betragtede han det først som et optimeringsproblem, hvis betingelser betød, at enhver løsning ikke ville være implementerbar, da det ville kræve uendelig latenstid, betyder en uendelig forsinkelse før udsendelse af signalet. Imidlertid, Omer viste, at det underliggende optimale system, på trods af uendelig latens, har en ønskelig fading-memory egenskab, og så kunne han skabe en tilnærmelse med begrænset latenstid - en acceptabel forsinkelsestid. Fra dette, han udviklede en måde til bedst muligt at tilnærme det optimale system. Tilnærmelsen, som kan implementeres, tillader afvejninger mellem præcision og latenstid, så real-time realiseringer af algoritmen kan forbedre strømeffektiviteten uden at tilføje for meget transmissionsforsinkelse eller for meget forvrængning til signalet. Omer anvendte dette system ved hjælp af standardiserede testsignaler til 4G-kommunikation og fandt ud af, at gennemsnitlig, han kunne opnå omkring 50 procent reduktion i top-til-gennemsnit effektforholdet, samtidig med at han opfylder standardmål for kvaliteten af ​​digitale kommunikationssignaler.

Omers algoritme, sammen med at forbedre strømeffektiviteten, er også beregningsmæssigt effektiv. "Dette er vigtigt for at sikre, at algoritmen ikke kun er teoretisk implementerbar, men også praktisk implementerbare, "Omer siger, understreger igen, at abstrakte matematiske løsninger kun er værdifulde, hvis de hænger sammen med virkelige parametre. Microchip fast ejendom inden for kommunikation er en begrænset vare, så algoritmen ikke kan optage meget plads, og dens matematiske operationer skal udføres hurtigt, da latenstid er en kritisk faktor i trådløs kommunikation. Omer mener, at algoritmen kunne tilpasses til at løse andre tekniske problemer med lignende rammer, herunder kuvertsporing og modelprædiktiv kontrol.

Mens han har arbejdet på dette projekt, Omer har lavet et hjem til sig selv på MIT. To af hans tre sønner blev født her i Cambridge - faktisk, den yngste blev født på campus, i trappeopgangen til Omer og hans kones akademiske boligbyggeri. "Naboerne sov lige igennem det, ”Siger Omer med et grin.

Omer blev hurtigt et aktivt medlem af LIDS -samfundet, da han ankom til MIT. Især, han var en del af LIDS studenterkonference og studerendes sociale udvalg, hvor, ud over at hjælpe med at afvikle den årlige LIDS Student Conference, en signaturlaboratoriebegivenhed nu på sit 25. år, han hjalp også med at organisere månedlige frokoster, sammenkomster, og spilkonkurrencer, inklusive en semesterlang udfordring døbt OLIDSpics (en hyldest til de olympiske lege). Han siger, at det at være i udvalgene var en fantastisk måde at engagere sig i og bidrage til LIDS -samfundet, en gruppe, som han er taknemmelig for.

"På MIT, og især ved LIDS, du kan lære noget nyt af alle, du taler med. Jeg har været mange steder, og det er det eneste sted, hvor jeg har oplevet sådan et fællesskab, " siger Omer.

Da Omers tid på LIDS nærmer sig sin ende, han diskuterer stadig, hvad han skal gøre nu. På den ene side, hans kærlighed til at løse problemer i den virkelige verden trækker ham mod industrien. Han tilbragte fire somre under sin ph.d. i praktik hos virksomheder, herunder Mitsubishi Electric Research Lab. Han nød det høje tempo i industrien, at kunne se sine løsninger implementeret relativt hurtigt.

På den anden side, Omer er ikke sikker på, at han nogensinde kunne forlade den akademiske verden i lang tid; han elsker forskning og brænder også virkelig for undervisning. Omer, som voksede op i Bosnien-Hercegovina, begyndte at undervise i sit første år på gymnasiet, på en matematiklejr for mindre børn. Han har undervist i en eller anden form lige siden.

På MIT, Omer har undervist på både bachelor- og kandidatniveau, herunder som instruktør-G, en aftale kun givet til avancerede studerende, der har demonstreret undervisningskompetence. Han har vundet to undervisningspriser, MIT School of Engineering Graduate Student Extraordinary Teaching and Mentoring Award i 2018 og MIT EECS Carlton E. Tucker Teaching Award i 2017.

Omfanget af Omers kærlighed til undervisning er klar, når han taler om at arbejde med elever:"Det øjeblik, hvor du forklarer noget for en elev, og du ser dem virkelig forstår konceptet, er uvurderligt. Uanset hvor meget energi du skal bruge på at gøre det ske, det er det værd, " siger Omer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.