De markt voor draadloze telecommunicatie groeit nog steeds als kool: met de nieuwste generatie hogesnelheidscommunicatienetwerken, de zogeheten derdegeneratie- of 3G-netwerken, is het mogelijk om steeds sneller gegevens over te seinen. Voor onderzoek dat zich bezighoudt met draadloze telecommunicatie betekent dit dat er veel toepassingsmogelijkheden zijn voor nieuwe ideeën. Maar het betekent ook dat de internationale concurrentiedruk groot is. Vrijwel alle goede mogelijkheden voor het nog sneller en beter kunnen overdragen van nog weer meer informatie zijn ergens ter wereld al onderzocht. Dit geldt met name voor het vakgebied van de in 1973 in Sjanghai geboren Zijian Tang: de digitale signaalverwerking.
Tang: “In 2002 ontdekte ik in mijn afstudeerproject aan de Technische Universiteit Delft een prachtige mogelijkheid om binnen 3G-netwerken beter informatie te versturen. Net voordat ik in mijn promotieonderzoek hiermee verder zou gaan, ontdekten we dat iemand in Amerika dezelfde resultaten al had gepubliceerd. Dat betekent in ons vakgebied: einde onderzoek.”
Het eerste jaar van Tangs promotieonderzoek werd daarom zwaar. Tang: “Ik kwam bijna elke dag op de universiteit met een nieuw idee. Dan ging ik enthousiast naar mijn promotor. Die zei meestal binnen tien minuten dat iemand anders dat al had uitgevonden. Zo verliepen de eerste maanden. Het was om moedeloos van te worden. Ik dacht dat ik nooit een promotie in dit vakgebied zou kunnen afronden.”
Achteraf vindt Tang het waardevol dat zijn ideeën door zijn promotor aan het begin allemaal naar de prullenmand werden verwezen. Tang: “Uiteindelijk zorgde dit ervoor dat ik geen tijd heb verspild met zinloos onderzoek. Bovendien kreeg ik zo helemaal aan het eind van mijn promotie een geniale inval.”
Gewapend met wiskunde
Voor onderzoek in de digitale signaalverwerking is diep inzicht van de wiskunde nodig: vooral lineaire algebra is belangrijk, en statistiek. Tang: “De wiskunde die je aan de universiteit leert, is ontoereikend om in ons vakgebied goed onderzoek te kunnen doen. Want in het uitermate zeldzame geval dat je een goed en ook nog origineel idee hebt, deugt vaak het wiskundige bewijs niet.”
Gewapend met de nodige wiskunde kwam Tang aan het eind van zijn eerste jaar op een veelbelovend spoor terecht. Centraal in zijn idee staat een gangbare methode om informatie draadloos te versturen: Orthogonal frequency-division multiplexing genoemd, kortweg OFDM. Tang: “Bij OFDM verstuur je digitale bits parallel in meerdere kanalen tegelijk. Op die manier pers je de maximale capaciteit uit een beschikbare bandbreedte. Dat werkt goed als zender en ontvanger beiden stilstaan. Maar het wordt problematisch, als een ervan beweegt, bijvoorbeeld als je met een mobiele telefoon in de trein zit. Dan gaan de parallelle kanalen in elkaar overlopen. Het is net als bij de storing van een radio-ontvanger waarbij twee zenders te dicht op elkaar zitten.”
Oorzaak voor de storing is het dopplereffect. Dit verschijnsel houdt in dat radiogolven die op een bewegende waarnemer toe bewegen voor die waarnemer een hogere frequentie krijgen, terwijl golven die zich van hem af bewegen een lagere frequentie hebben. Bij OFDM zorgt dit verschijnsel ervoor dat bij ieder kanaal de waarden van de radiogolven iets verschuiven – zoals de frequentie, de fase, de vorm van de golven en de verhouding tussen signaal en ruis. Tang: “Je hebt tijdrovende berekeningen nodig om deze verschijnselen te beschrijven. Je neemt daarbij een soort gemiddelde van de storingen en probeert die dan weg te regelen of te compenseren. Maar er is geen enkele manier om precies te weten hoeveel je wanneer moet compenseren, want de storing kan op ieder moment voor ieder van de kanalen veranderen.”
Tang bereikte in 2006, pas helemaal aan het eind van zijn promotieonderzoek, een doorbraak: hij kreeg een idee hoe je de kanalen ondanks de storingen van het dopplereffect nauwkeuriger kunt meten, en ook hoe je het effect ervan in alle kanalen tegelijk beter en gemakkelijker kunt compenseren. Tang: “We laten daarbij de ontvanger een rij met nullen aan het eind van de ontvangende signalen toevoegen. Daarmee kunnen we het totale dopplereffect in een bepaalde (gunstige) vorm veranderen, met als resultaat dat er veel nauwkeuriger én eenvoudiger te compenseren valt voor de invloed van het dopplereffect op ieder kanaal.”
Tang schreef een wetenschappelijk artikel waarin hij zijn vondst uiteenzet. Tot zijn verbazing werd het aanvankelijk door de redactie van vaktijdschriften afgewezen: “De deskundigen wezen het zelfs met extreem negatief commentaar af. Een referee schreef dat hij mijn idee te absurd voor woorden vond!”
Dat veranderde toen Tang zijn artikel bij ICASSP (een internationale conferentie voor signaalbewerking) in Hawaï presenteerde, en daar op het juiste vakpubliek stootte. Zijn artikel werd uitgeroepen tot een van de beste student papers, en een publicatie in een gerenommeerd vaktijdschrift volgde.
Sommige methoden van Tang werden opgenomen in een onderzoekproject van TNO, waar Tang inmiddels in dienst is. Het project gaat over het versturen van digitale signalen vanaf onderzeeboten. In een soort race tussen Zweedse en Italiaanse onderzoekers won zijn methode het op alle fronten. Tang: “Digitale signaalverwerking is een van de populairste richtingen binnen elektrotechniek. Het doet me goed, dat ik aan zo’n competitief onderzoeksgebied toch iets nieuws heb weten bij te dragen.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.
Zie ook op Kennislink: