Veijo Hänninen

Konstikasta radiotekniikkaa

Radiotekniikka on ehkä viestintätekniikan kuumin aihe nykyään. Mobiililaitteiden kova kysyntä pitää myös tutkijat kiireisinä kehittämään yhä tehokkaampia siirtomenetelmiä.

Antenni on yksi radiotekniikan keskeisiä elementtejä. Tutkijat ovat toteuttaneet niitä nykyään grafeenista ja ns. näkymättömyysmateriaaleista.

Antenneja puettaviin

Antenneja tarvitaan myös puettavassa elektroniikassa. Tiiti Kellomäki väitteli keväällä 2012 Aalto-yliopistossa puettavista antenneista. Antennit eivät yleensä toimi hyvin ihmiskehon lähellä, sillä keho imee suurimman osan tehosta.

Kellomäki tutki väitöstyössään miten kehon etäisyys vaikuttaa antennin toimintaan. Metallikerros antennin ja käyttäjän välissä estää antennin ja kehon välisen vuorovaikutuksen, mutta tällöin antennista tulee helposti suuri ja hankala. Yksinkertaisen, maatasottoman antennin valmistaminen on helpompaa, mutta sellainen on puettava riittävän etäälle ihosta.

Keväällä 2016 Ohion yliopiston tutkijat puolestaan kertoivat toteuttaneensa puettavaa elektroniikka kankaaseen 0,1 mm tarkkuudella. Sellainen mitoitus riittäisi jo integroimaan esimerkiksi antureita ja muisteja vaatteisiin.

He toteuttivat tekniikallaan myös kirjo-ommellun antennin, joka on läpimitaltaan noin kuusi tuumaa ja lähettää signaaleja taajuuksilla 1 - 5 GHz lähes täydellisellä hyötysuhteella.

Metamateriaalit antenneissa

Äskettäin Penn Staten insinöörit valmistivat antenneja metamateriaalista. Niitä voidaan integroida ohjelmistoilla hallittuihin digitaaliradioihin, muokkaamaan viestintäjärjestelmiä huomattavalla taajuuden ja polarisaation ketteryydellä.

Kehitetty pieni funktionalisoitu metamateriaaliantenni hoitaa samanaikaisesti metamateriaalin komponenttien että antennin virittämisen kuin yhtenä järjestelmänä, toteaa väitöskirjatutkia Clinton Scarborough.

Metamateriaaliin perustuvat antennit kärsivät usein leimautumisesta epäkäytännöllisen kapealle toiminta-alueelle kaistanleveyttä, aivan kuten pienetkin antennit. Viritettävän metamateriaalin avulla voidaan virittää pientä antennia jollekin kapealle hetkelliselle kaistanleveydelle käytettävissä olevasta kaistalta.

Antenneja sovittelemalla

Queen Mary University of London (QMUL) tutkijat yhdessä brittiläinen teollisuuden kanssa osoittavat kesällä 2016 käytännöllisen peittämislaitteen, jonka avulla kaarevat pinnat näkyvät sähkömagneettisille aalloille tasaisina.

Käytännössä tällainen ratkaisu voisi johtaa muutokseen, siinä miten antenneja liitetään alustoilleen. Erityisesti se voisi mahdollistaa erimuotoisten ja -kokoisten antennien kiinnittämisen hankaliin paikkoihin ja erilaisiin materiaaleihin.

Myös Aalto yliopiston tutkijat ovat kehittäneet paremmin älypuhelimien raameihin sovitettavaa antennitekniikkaa.

Heidän kehittämä digiantenni yhdistää useita antennielementtejä yhdeksi antenniksi vauhdittamaan tiedonsiirtoa sekä parantamaan kuuluvuutta ja hyötysuhdetta.

Tällöin esimerkiksi älypuhelimen GPS, Bluetooth ja Wi-Fi eivät enää tarvitse omia antennejaan vaan kaikki tiedonsiirto voi tapahtua yhden, digitaalisesti ohjattavan antennin kautta.

Kyseessä on konsepti taajuusmuunneltavista antenneista perustuen hajautettuihin lähetinvastaanottimiin ja taajuuden suhteen uudelleen konfiguroitaviin antenneihin.

Antennin symmetrian rikkova keksintö

Alkuvuodesta 2016 University of Texas at Austinin tutkijat kertoivat kehitelleensä antennin, joka pystyy käsittelemään saapuvia ja lähteviä radio-aaltosignaaleja toisistaan riippumatta ilman erillistä isolaattoria, joita käytetään yleisesti antennijärjestelmissä.

Tutkijoiden läpimurto on suunnitelma antennista, joka voi rikkoa vastavuoroisuuden eli säteilyn luonnollisen symmetrian, joka on ominaista perinteisille antenneille.

Suurin etu tässä kehitystyössä on mahdollisuus lähettää signaalia mutta samalla pitäen takaisin heijastuneista signaaleista johtuvat kohina ja kaiut kurissa. Tämä mahdollistaisi paremmat radioyhteydet sekä keventäisi antennijärjestelmän vaatimaa tilankäyttöä.

Lähetyksen ja vastaanoton välisen symmetrian rikkominen onnistuu käyttämällä ajallisesti moduloituja kulkuaaltoantenneja. Antenniin syötettiin kahta signaalia samanaikaisesti: varsinainen radiotaajuinen signaali ja heikko matalataajuinen modulaatiosignaali, joka muuttaa hitaasti antennin ominaisuuksia kun radiotaajuinen signaali liikkuu sitä pitkin.

Langattomasti kaksisuuntaisesti

Kaksisuuntainen viestintä on puhelintekniikassa ollut käytössä jo 1960- ja esimerkiksi sotilasradiotekniikassa 1970-luvulta lähtien. Sellaista tavoitellaan nyt myös kuluttajien langattomiin. Periaatteessa sillä saataisiin tuplattua siirtokapasiteetti.

University of Waterloon tutkijat julkistivat vuonna 2012 kehittämäänsä kaksisuuntaista langatonta teknologiaa. Sen lisäksi että lähetys ja vastaanotto voivat tapahtua samaan aikaan järjestelmä mahdollistaisi jopa kaksinkertaisen ja paremman kapasiteetin soveltamalla parannettua adaptiivista siirtoa ja käyttäjän hallintaa olemassa olevissa verkoissa.

Innovaation perusta on antennien suunnittelussa ja monitasoisessa häiriöiden vaimentamisessa. Menetelmiä tukee useiden antennien (MIMO) kaksisuuntaista siirtoa ja asynkronisia kaksisuuntaisia linkkejä.

Uusi ratkaisu tuottaa myös perustan toteuttaa murtamaton eli laskennallisen tai teoreettisen tason ylittävä tietoturva.

Se tuo myös uuden menetelmän langattomaan viestintään. Se perustuisi datan sisällyttämiseen siirtomediaan muuttamalla sen RF-ominaisuuksia eikä perinteiseen tapaan sisällyttämällä dataa lähetettyyn signaaliin. Tämä ylittäisi merkittävästi tietyt teoreettiset rajoitukset kanavan kapasiteetistä.

Kaksisuuntaisesti mikropiirillä

Keväällä 2015 Columbia Engineeringin tutkijat kertoivat kehittäneensä mikropiirin, joka mahdollistaa radiosignaalin samanaikaisen lähettämisen ja vastaanottamisen yhteisellä taajuuskaistalla.

Keväällä 2016 ryhmä oli kehittänyt tekniikkaansa edelleen siten, että siinä tarvitaan vain yksi antenni, mikä mahdollistaa vieläkin pienemmän kokonaisjärjestelmän. Kyseessä oli ensimmäinen kerta kun tutkijat integroineet ei-vastavuoroisen kiertoelimen ja kaksisuuntaisen radion nanomittakaavan piisirulle.

Perinteisesti radiotaajuiset kiertoelimet rakennetaan magneettisista materiaaleista kuten ferriiteistä. Ne eivät kuitenkaan ole yhteensopivia piitekniikan kanssa ja niistä rakennetut kiertoelimet ovat tilaa vieviä ja kalliita.

Professori Harish Krishnaswamyn ja hänen ryhmänsä suunnittelivat mikropiirille kiertoelimiä, jossa kytkimet kierrättävät signaalia kondensaattoreissa, samaan tapaan kuin magneettisissa kiertoelimissä.

Laajasti tutkittua

Kaksisuuntaista langatonta datansiirtoa on tutkittu myös Suomessa muun muassa Tampereen, Oulun ja Aalto yliopistoissa sekä alan yrityksissä. Yhteistyötä on tehty myös yhdysvaltalaisen Ricen sekä Kioton ja Tokion yliopistojen kanssa.

Tampereen teknillisen yliopiston ja Intelin yhteistyöprojektissa selvitettiin tarvittavaa vaimennustekniikkaa ja todettiin 100 desibelin vaimennuksen olevan toteutettavissa nykyisellä tekniikalla ja protokollilla.

Perusongelma yhteisen kaistan Full Duplex -tekniikassa on radion lähtevän ja vastaanotettavan signaalin erittäin suuri tehoero. Kun ollaan samalla taajuudella, lähetettävä signaali peittää vastaanotettavan signaalin.

Suomalaisissa tutkimuksissa ratkaisuna pulmaan on mietitty laitteiden erillisiä lähetys- ja vastaanottoantenneita tai lähetyssignaalin vaimennusta ennen kuin se pääsee herkkiin RF-vahvistimiin ja poistamalla loppuhäiriö digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin.

Siirtotietä tehostaen

Kaksisuuntainen tekniikan käyttöönotto vaatii laitekannan uusimista, joten alkuun sitä nähtäneen vain rajatuimmissa järjestelmissä kuten WLAN-verkoissa.

Väitöstukija Taneli Riihonen väitteli aiheesta heinäkuussa 2015 Aalto-yliopistossa. Aiheena oli monihyppyisten OFDM(A)-linkkien eli siirtotien dupleksitilojen ja välitysprotokollien kehitys ja analyysi. Niihin liittyen Riihosen työssä esittämä täysdupleksinen eli kaksisuuntainen siirtotapa voisi olla tapa, jolla tulevan 5G-verkon välityskyky voidaan lähes tuplata.

Työn kiinnostavin pääaihe käsittelee dupleksitilojen kehitystä ja analyysiä ja siinä nostetaan esiin "full-duplex"-tila toteuttamiskelpoisena ja edistyneenä vaihtoehtona perinteiselle "half-duplex"-tilalle vaikka sen luontainen itse-interferenssi otetaankin huomioon.

Edullisempia tutkavirityksiä

Uusimmat tutkajärjestelmät tukeutuvat viivetekniikalla toteutettuihin vaiheistettuihin ryhmäantenneihin. Ne korvaavat perinteisiä sähkömekaanisia pyörivien antennien järjestelmiä. Kuitenkin vaiheohjatutkin antennit vaativat tilaa vievää viivetekniikkaa, joka voi olla yhtä kookasta kuin mekaniikka vanhemmissa järjestelmissä.

Tämän ongelman ratkaisuksi Georgia Institute of Technologyn tutkijaryhmä kehitti vuonna 2013 uudenlaisen erittäin kompaktin passiivisen viivetekniikan. Tämä ultrakompakti ratkaisu hyödyntää sähkömagneettisen aallon ja äänen välistä nopeuseroa.

Myös University of Wisconsin-Madisonin sähköinsinöörit pähkäilivät luodakseen antenneja, jotka pyörittävät säteitään ympyriäisesti, vaikka laite on paikallaan.

Tutkijaryhmä aloitti suunnittelemalla erityisiä heijastavia pintoja, joilla saavutetaan sama vaikutus kuin vaiheistetuilla antenniryhmillä, mutta tukeutuen vain yhteen lähteeseen.

Niiden toteuttamiseksi tutkijat kokeilivat lukuisia erilaisia monimutkaisia lähestymistapoja muuntamaan jokaista komponenttia ennen kuin tajusivat, että heidän ei tarvitse hallita jokaista elementtiä yhtä kerrallaan. Sen sijaan he valjastavat pienimuotoisen mekaanisen liikkeen eli maatason kallistuksen toteuttamaan säteen kiertoliikkeen.

Pieni kallistusliike yhteisen litteän tason sisällä vaatii paljon vähemmän aikaa ja mekaanista voimaa kuin kiertää suurta heijastinlautasta.

Kvanttitekninen tutka

Jonkin kohteen kvanttivalaisuun eli kvanttitutkaukseen soveltuvan järjestelmän perusteita esittivät Massachusetts Institute of Technologyn Seth Lloyd kollegoineen jo kahdeksan vuotta sitten.

Vuonna 2015 Yorkin yliopiston kvantti-informaation tiedemiesten vetämässä kansainvälisessä tutkimuksessa onnistuttiin kehittämään prototyyppi kvanttitutkalle. Sellaisella on mahdollista havaita esineitä, jotka ovat näkymättömiä tavanomaisille tutkajärjestelmille kuten tutkalle näkymättömiä lentokoneita tai syöpäsoluja.

Uudenlaisessa hybriditutkassa hyödynnetään nanomekaanista elektro-optista muunninta lomittamaan mikroaaltosignaali ja optinen kenttä. Mikroaaltosignaali lähetetään ja optinen kenttä säilytetään lähteessä. Kohteesta heijastuva mikroaaltosäteily vaiheistetaan, muunnetaan optiselle taajuuksille ja yhdistetään säilytetyn optisen kentän kanssa yhteistoimiseen ilmaisuun kvanttimittauksella.

Tavanomainen tutka-antenni lähettää mikroaaltoja jotka kohteesta heijastuvat takaisin. Kuitenkin heikosti heijastavista kohteista palaava signaali hukkuu taustakohinaan. Kvanttitutkassa käytetty lomittuminen mahdollistaa sen havaita heikkojakin signaaliheijastuksia hyvin kohinaisesta taustasta.

Fotoninen tutka

Venäläinen elektronisen sodankäynnin järjestelmien tuottaja ryhtyy testaamaan fotonista tutka-asemaa muutaman vuoden kuluessa. Sen odotetaan avaavan uuden aikakauden tutkaelektroniikalle järjestelmiin, joissa paino on kriittinen, kuten dronesit ja satelliitit.

Tulevaisuuden radio-fotonisten tutkajärjestelmät perustuvat aktiiviseen radio-optisen vaiheittaisen ryhmän tekniikkaan, jota kehitetään nyt Radio-Electronic Technologies Concern (KRET) -yhtiössä.

Aiheesta on käynnistetty radio-fotoni laboratoriotutkimukset, joiden tarkoituksena on luoda tekniikka integroitavaksi seuraavan sukupolven tutkajärjestelmiin. Itse laitteiden odotetaan sitten olevan yli kaksi kertaa niin kevyitä kuin nykyiset järjestelmät ja huomattavasti tarkempia.

Reaaliaikaisia radiotaajuuskarttoja

DARPA eli Yhdysvaltain asevoimien tutkimusorganisaatio kehittää RadioMap –sovellusta, jolla pyritään tarjoamaan reaaliaikaista tietoa radiotaajuuksien käytöstä taajuuden, maantieteen ja ajan suhteen.

RadioMap visualisoi käytettyjen spektrien tiedot kartalle mahdollistaen nopean käytettävissä olevien taajuuksien käytön viestintä- ja tiedustelu-, valvonta ja tiedustelujärjestelmiin. Erityisesti sotilaille ruuhkaisen RF-spektrin tehokas hallinta on olennaista varmistaa tehokas viestintä ja tiedustelu.

RadioMap voi auttaa esimerkiksi pieniä taktisia yksiköitä kuten joukkueita tai komppanioita, joilla harvoin on omia radioemissioiden seurantalaitteita identifioimaan uhkia tai mahdollisuuksia, jotka näkyvät RF-spektrissä.

Tietoliikennettä teoreettisilla rajoilla

Kolme nuorta Munchenin teknillisen yliopiston (TUM) tutkijaa sijoittuivat vuonna 2015 maailmanlaajuisessa Bell Labsin tieto- ja viestintätekniikan kilpailussa kolmanneksi.

He osoittivat, kuinka yhden tyyppistä lähetintä voitaisiin käyttää kaikilla eri digitaalisen viestinnän eri järjestelmillä, varmistaen kussakin tapauksessa, että siirtonopeus lähestyy teoreettista rajaa.

Informaatioteoria määrittää ylärajan sille, kuinka paljon dataa voidaan lähettää tietyn kanavan kautta. Käytännön koodaus- ja modulointijärjestelmät pyritään kuitenkin optimoimaan tietyntyyppisiin järjestelmiin, joten mikään lähestymistapa ei ole yleispätevä.

TUMin tutkijoiden kehittämä RateX -menetelmä kokoaa yhteen kolme olennaista toimintoa tavalla, joka tarjoaa alalle ennennäkemättömän joustavuuden.

Se on tyylikäs ratkaisu luoden puhtaan signaalimuokkauksen, koodauksen ja modulaation kerrostamisen Open Systems Interconnection mallin fyysisen kerroksen sisällä, toteaa professori Gerhard Krames yliopistonsa tiedotteessa.

Monet nykyiset eri tietoliikennejärjestelmien komponentit voitaisiin korvata yhden piirin RateX-algoritmin toteutuksella. Se olisi vähemmän monimutkainen ja vähemmän virtaa kuluttava kuin nykytekniikka.

Menettelyn perusta on muuttaa bittejä, joilla on yhtenäinen jakautuma, symbolien sekvenssiksi ei-tasaisella jakautumisella. Menettely on palautuva, joten symbolijonosta voi palauttaa bittejä.

Langattomasti ilman paristoja

Vuonna 2013 University of Washingtonin insinöörit kertoivat rakentaneensa ympäristön yleisistä radiosignaaleista käyttötehonsa keräävän ja siirtoväylänä käyttävän langattoman viestinnän järjestelmän.

Näin nämä radiolaitteet voivat viestiä toistensa kanssa turvautumatta paristoihin tai muihin teholähteisiin. Kehitetty tekniikka hyödyntää television ja matkapuhelimien tukiasemin lähetyssignaaleita, jotka ympäröivät meitä jatkuvasti.

Alkuvuodesta 2016 he kertoivat luoneensa passiivisia Wi-Fi-yhteyksiä, jotka käyttävät 10000 kertaa vähemmän tehoa kuin nykyiset WiFi-yhteydet. Passiivinen Wi-Fi-solmu voi lähettää Wi-Fi signaaleja jopa bittinopeudella 11 megabittiä sekunnissa, joka voidaan dekoodata eli lukea millä tahansa laitteilla, joissa on Wi-Fi-toiminnot.

Järjestelmä toimii tavallisen WiFi-reitittimen solmussa yhden aktiivisen RF-signalointeja hallitsevan laitteen avulla. Passiivilaitteiden radiosignaalit perustuvat aktiivilaitteen lähettämän erikoissignaalin takaisinsirontaan.

WiFi-viestintää sironnan kautta

Edelleen elokuussa 2016 Washingtonin tutkijat kertoivat uudesta tavasta kommunikoida laitteille, joihin ei paristot tai akut mahdu. Heidän kehittämä keskinäisen sironnan (Interscatter) viestintä mahdollistaa esimerkiksi implantoitujen laitteiden sekä älykkäiden piilolinssien ja luottokorttien viestittää Wi-Fi-verkossa.

Uusi viestintätapa toimii muuntamalla Bluetooth-signaalit Wi-Fi-lähetteiksi. Käyttämällä vain heijastuksia, esimerkiksi älykäs piilolinssi voi muuntaa Bluetooth-signaaleja vaikkapa Wi-Fi-lähetteiksi, jotka voidaan lukea älypuhelimella.

Systeemi ei vaadi erikoislaitteita, sillä se perustuu kuluttajilta löytyviin mobiililaitteisiin ja käyttää 10 000 kertaa vähemmän energiaa kuin perinteiset menetelmät.

Järjestelmä tukeutuu takaisinsirontaan, jonka avulla nämä eri tavoin toimivat laitteet voivat vaihtaa tietoja heijastamalla olemassa olevia signaaleja. Se hyödyntää Bluetooth-, Wi-Fi- tai ZigBee-radioita palvelemaan sekä lähteenä että vastaanottimena heijastesignaaleille.

Haasteena on kuitenkin se, että takaisinsironnan prosessi luo ei-toivotun peilikuvakopion signaalista, joka kuluttaa paljon kaistanleveyttä sekä häiritsee verkkoja Wi-Fi-kanavan peilikopiolla. Mutta tutkijat ottivat käyttöön yksisivukaistaisen takaisinsironnan poistamaan tahattoman sivutuotteen.

Syyskuu 2016