Kopioi artikkelin PDF-versio
Kolmannen sukupolven matkaviestintäjärjestelmä on jo tulollaan ja ennustelut meneillään, miten sille käy. Mutta millaisia ratkaisuja langattomiin järjestelmiin ja niiden toteutukseen tarvitaan 3G:n jälkeen?
Uudet langattomat tietoliikennejärjestelmät perustuvat aina pitkäaikaiseen tutkimukseen ja ovat siten tuloksena vuosia kestävistä tutkimustuloksista. Esimerkiksi UMTS-järjestelmän perusajatusta, hajaspektritekniikkaa, tutkittiin useita vuosikymmeniä eri näkökulmista ennen sen valintaa UMTS-järjestelmän pohjaksi.
Kun järjestelmät antavat mahdollisuuden luotettavaan tiedonsiirtoon, ennemmin tai myöhemmin käyttäjien määrä tai tiedonsiirron tarve ylittää järjestelmän sietokyvyn ja ollaan tilanteessa, jossa tarvitaan entistä parempia ja tehokkaampia järjestelmiä. Siksi nyt on keskityttävä ratkaisumahdollisuuksiin, jotka ovat käytettävissä 10-15 vuoden päästä: FUTURA-hankkeen päätavoitteena on luoda perusteknologiaosaamista silloin toteutettaviin järjestelmiin. Tutkimuksen sovelluksina ovat matkapuhelinjärjestelmät, mikroaaltolinkit, langattomat paikallisverkot, lyhyen kantaman lisensoimattomat radiojärjestelmät, paikannusjärjestelmät, satelliittijärjestelmät sekä erilaiset langattomat viranomaisjärjestelmät
Jotta pystytään suunnittelemaan riittävän suurikapasiteettisia sekä kehittyneitä verkkoratkaisuja omaavia järjestelmiä, tutkimuksessa täytyy tarkastella sekä verkko- että linkkitasoa läheisessä yhteistyössä. Jotta edellä mainittuun perusteknologiaosaamistavoitteeseen päästäisiin, FUTURA-projektissa on kolme tutkimusaluetta, jotka ovat radiorajapinnat, lähetin-vastaanotin-algoritmit sekä langattomat verkot.
Näiden lisäksi neljännessä tutkimuslueessa kerätään muiden tutkimusalueiden tuloksia yhteen päämääränä niin sanottu 4G-järjestelmä. Tutkimusalueissa on useita tutkimusaiheita, jotka keskittyvät muun muassa signaalin suunnitteluun, järjestelmien suorituskykyanalyysiin sekä kantataajuisiin algoritmeihin. 4G-järjestelmän osalta tehdään tiivistä yhteistyötä muiden NETS-hankkeiden kanssa: Nokian BEMARI- (Beyond 3G Multidimensional Air Interface) ja Elektrobitin BROWAT-hankkeissa (Broadband Wireless Access Technologies) tehtäviä teknologiavalintoja tuetaan FUTURA-projektin tutkimustuloksilla.
Mukautuvuutta tilanteen mukaan
Lähetettävän signaalin suunnittelu perustuu käytettävissä olevaan radiokanavan malliin, ja signaali on mukautettava kanavan käyttäytymiseen. Kanava kuitenkin muuttuu ajan myötä, joten myös käytettävää signaalia täytyy mukauttaa kanavan muutoksiin. Tällöin puhutaan adaptiivisista (mukautuvista) radiorajapinnoista tai adaptiivisista radiolinkeistä (Adaptive Radio Links, ARL), jotka pyrkivät maksimoimaan kanavassa siirrettävän tiedon määrän ja/tai minimoimaan lähetettävän kokonaistehon.
Mukautuvien radiolinkkien avulla taajuusalueen käytön tehokkuutta voidaan kasvattaa muuttamalla tiedonsiirtonopeutta, modulaatiomenetelmää, modulaatiotasojen lukumäärää, lähetystehoa ja/tai kanavakoodausmenetelmää tiedonsiirtoympäristön mukaan. Myös lähetettävien tiedonsiirtopakettien jakamista voidaan hyödyntää häiriöiden pienentämiseksi, jolloin järjestelmän kapasiteetti kasvaa.
ARL:n avulla on mahdollista päästä suurinopeuksiseen tiedonsiirtoon ja eri laatuvaatimuksia (Quality of Service, QoS) käyttäviin palveluihin, esimerkiksi bittivirhesuhde- (Bit Error Rate, BER), kehysvirhesuhde- (Frame Error Rate, FER) ja viivevaatimukset voivat olla erilaisia. Tutkimuksellinen tarkastelu koostuu teoreettisesta maksimikapasiteetista sekä tiettyihin kanaviin ja häiriötilanteisiin sopivan parametrijoukon valitsemisesta simulointien avulla.
Hyvin suunniteltu on melkein puoliksi tehty
Toistetta eli diversiteettiä hyödynnetään tiedonsiirrossa, jotta informaatio saadaan siirrettyä luotettavasti ympäristössä, missä yksittäinen yhteys lähettimen ja vastanottimen välillä on aika ajoin huonolaatuinen tai käyttökelvoton. Joissain sovelluksissa, esimerkiksi hitaan liikkuvuuden sallivissa järjestelmissä, ei voida saavuttaa aika-toistetta ja vastaavasti toisissa sovelluksissa etenemisympäristö ei aiheuta taajuustoistetta, jolloin on käytettävä muita ratkaisuja suorituskyvyn parantamiseksi. Tällöin voidaan ottaa käyttöön monen antennin järjestelmät, jotka antavat toistetta kolmannessa tasossa, tilasuunnassa.
Useiden antennien käyttö sekä lähettimessä että vastaanottimessa onkin yksi avainratkaisuista tulevaisuuden langattomissa järjestelmissä, joissa tiedonsiirtonopeuksien täytyy olla suuria: teoreettinen siirtokapasiteetti kasvaa oleellisesti verrattuna yksiantennisiin järjestelmiin. Tämä tarkoittaa, että voidaan siirtää enemmän informaatiobittejä samassa ajassa annetulla tiedonsiirtokaistalla (bits/sec/Hz). Tila-aika -koodit on suunniteltu siten, että ne hyödyntävät useiden antennien antaman potentiaalisen kanavakapasiteetin kasvun, ja kaistankäytön tehokkuus kasvaa käytettyjen antennien lukumäärän suhteessa. Tila-aika-koodit tuottavat järjestelmään toistetta sekä tila- että aikatasossa. Jos käytössä on vielä monikantoaaltotekniikkaan perustuva menetelmä, tähän voidaan lisätä vielä taajuustoiste, jolloin puhutaan tila-aika-taajuus-koodauksesta.
Aihepiirin tutkimuksessa suunnitellaan uusia ja tehokkaita signaaleja pienen liikkuvuuden oletuksin. Menetelmät hyodyntävät tila-aika-taajuus-koodausta ja mahdollistavat kapasiteetin ja siirron luotettavuuden merkittävää parannusta. Tutkittavana on MIMO-kavavien (Multiple-Input Multiple-Output) monenkäyttäjän kapasiteetti, MIMO-kanavan siirtotekniikat sekä tila-aika-taajuus-koodaus.
Tulevaisuuden järjestelmät
Langattoman tiedonsiirron väistämätön trendi on tarvittavan siirtonopeuden kasvu, mikä tarkoittaa siirrettävien signaalien suurempia kaistanleveyksiä ja korkeampia keskitaajuuksia. Lisensoimattomien ISM-taajuusalueiden (Industrial, Scientific and Medical) merkitys kasvaa sitä mukaa, kuin lisensoiduista taajuuskaistoista on pulaa. Kun otetaan MIMO-kanavasta ja mukautuvista radiolinkeistä kaikki hyöty, eri ISM-kaistojen kapasiteettia voidaan parantaa merkittävästi.
Monikantoaaltomodulointiin (Multicarrier Modulation, MCM) perustuvat menetelmät monikantoaalto-CDMA (Multicarrier CDMA) ja ortogonaalinen taajuusjakomultipleksointi (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ovat käytettävissä olevia lupaavia ratkaisuja.
Erittäin laajakaistainen UWB-tekniikka (Ultra Wideband) on ääritapaus lisensoimattomista langattomista järjestelmistä. Mielenkiinnon kohteena on myös monikantoaaltotekniikalla tai perinteisellä hajaspektritekniikalla toteutettu UWB, joka käyttää yhtä tai useampaa ISM-kaistaa samanaikaisesti. Tutkittavina asioina ovat sekä ortogonaaliset että ei-ortogonaaliset monikantoaaltomodulointimenetelmät ja niihin liittyvät ilmaisumenetelmät, laajakaistaisten monikäyttömenetelmien vertailut sekä laajakaistaiset modulointitekniikat.
Kenen signaali ja millaisessa kanavassa
Vastaanottimessa on estimoitava useita parametreja, ennen kuin informaatio voidaan ilmaista signaalista: vastaanottimen täytyy tunnistaa oma signaali, vaikka vastaanottimeen tulee usean eri lähetteen yhdistelmä. Näitä parametreja ovat perinteisesti muun muassa kantoaallon taajuus ja vaihe, signaalin amplitudi, symbolin ja koodin ajastus sekä tulosuunta. Osa näistä parameterista voidaan estimoida yhtäaikaisesti.
Adaptiivisia radiorajapintoja käytettäessä modulointimenetelmä ja signaalin rakenne muuttuvat, jolloin käytetty modulointimenetelmä tai -tasojen lukumäärä on vastaanottimessa tuntematon. Nämä on estimoitava vastaanotetusta signaalista, jotta vältyttäisiin kapasiteetin tuhlaamiselta tietojen erilliseen välittämiseen lähettimeltä vastaanottimelle.
Tutkimuksessa keskitytään antenniryhmien käyttöön synkronoinnin yhteydessä häipyvässä kanavassa, moduloinnin luokittelumenetelmiin ja kolmiulotteiseen (tila-aika-taajuus) kanavaestimointiin.
Häiriöistä on päästävä
Tiedonsiirtoon käytettävällä taajuuskaistalla voi esiintyä tahallisia tai tahattomia häiriösignaaleja. Laajakaistaisen järjestelmän taajuusalueen sisällä voi olla käytössä omia järjestelmiä kapeampia kaistoja annettuna muiden järjestelmien käyttöön tai viereisiltä taajuusalueilta vuotaa häiriötä. Esimerkiksi ISM-sovellutuksissa käytetyllä taajuusalueella häiritsevien signaalien määrä on tuntematon.
Sotilastietoliikenteessä häiriöt ovat tahallisia ja suunniteltuna siten, että ne heikentävät järjestelmän suorituskykyä mahdollisimman paljon. Häiritsevät signaalit täytyy kyetä poistamaan tai ainakin pienentämään niiden vaikutusta. Koska niistä ei välttämättä ole etukäteistietoa, häiriön poistomenetelmien pitää olla sokeita (blind), eli ne eivät tarvitse tietoa häiriöstä, ja mukautuvia (adaptiiviisia), eli ne pystyvät toimimaan, vaikka häiriötyyppi tai sen ominaisuus vaihtuu. Häiriön poistomenetelmissä keskitytään menetelmiin, jotka hyödyntävät useiden antennien käyttöä ja häiriön poistoon käytetään signaalin kaikkia dimensioita (tila, aika ja taajuus). Menetelmien on toimittava mahdollisimman nopeasti ja niiden on oltava riittävän yksinkertaisia toteutettaviksi.
Pala kerrallaan
Signaalin suunnittelussa lähtökohdaksi otetaan kanavan ominaisuudet ja suunnitellaan signaali sitä silmälläpitäen. Käytännössä lähetettävä signaali koodataan sopivasti käyttäen muun muassa turbo-koodausta ja tila-aika-taajuus-koodausta.
Optimaalinen dekoodaus vastaanottimessa on liian monimutkainen toteutettavaksi, joten koodauksen purku tehdään käyttäen alioptimaalisia dekoodausalgoritmeja. Algoritmit ovat iteratiivisia, ja ne tarkentavat saatuja tuloksia askel kerrallaan. Vastanottimessa joudutaan lisäksi käyttämään häiriönpoistomenetelmiä, joita voidaan hyödyntää dekoodauksessa.
Tutkittavana on, miten koodauksen purku ja häiriönpoisto voidaan tehdä järkevästi toinen toistaan auttaen toteutuksen ollessa riittävän yksinkertainen. Tutkimuksessa tarkastellaan alioptimaalisia turbo-dekoodausalgoritmeja sekä tila-aika-taajuus-dekoodausta ja yhdistetyjä ilmaisu- ja dekoodausalgoritmeja
Ei välttämättä kiinteitä tukiasemia
Ad hoc -verkko (rakenteeton verkko) koostuu liikkuvista solmuista, joista verkko muodostetaan hyodyntämättä olemassaolevia verkkorakenteita tai keskitettyä hallintoa, eli ei rakenneta kiinteitä tukiasemia. Jokainen solmu voi toimia reitittäjänä, ja yleensä solmujen väliseen kommunikointiin tarvitaan useita hyppyjä.
Rakenteettomiin verkkoihin on kehitetty useita reititysprotokollia. Reititys vaatii kuitenkin tietoa linkkitasolta, jotta uusi reitti pystytään valitsemaan. Osa-alueen tutkimuksen tavoitteena on selvittää, minkälaisia parametreja tarvitaan, jotta reitityspäätökset ovat optimaalisia, ja kuinka herkkiä reititysprotokollat ovat näiden parametrien suhteen.
Samalla laadulla eri monipalveluverkoissa
Monipalveluverkoissa siirretään erilaisia palveluita, joilla voi olla erilaisia laatuvaatimuksia. Looginen linkki lähettimen ja vastaanottimen välillä voidaan joutua toteuttamaan useilla hypyillä käyttäen jopa eri teknologioita. Usean hypyn verkoissa palvelun laatu päätepisteessä riippuu reitin jokaisesta linkistä. Lisäksi reitittimenä toimivät solmut kuormittuvat sekä solmussa itsessään generoidusta että reititettävästä liikenteestä. Näin ollen resurssien jakoalgoritmin täytyy tarkastella paikallisesti generoitua ja reititettyä liikennettä sekä kaikkia reittejä lähteestä vastaanottoon.
Reitillä olevien linkkien käyttökelpoisuus riippuu useista tekijöistä. Etenemisolosuhteet niissä voivat olla erilaisia (häipyminen, varjostuminen, häiriöt), eri solmujen liikkuvuus on erilaista ja lisäksi voidaan käyttää eri modulaatio- ja koodausmenetelmiä. Käytettävissä oleva datanopeus linkkitasolla on ajasta riippuva. Tiedonsiirto-olosuhteet ja tehokkuus vaihtelevat eri siirtojen välillä, mikä aiheuttaa ongelmia palvelunlaadun (QoS) adaptoinnissa.
Lopuksi kaikki yhteen
Minkälaisia vaihtoehtoja tulevaisuuden järjestelmille sitten on ja miten niihin päästään? On hyödynnettävä osaamista edellä esitetyistä osa-alueista, jotta pystytään valitsemaan sopivat radiorajapintaratkaisut: millaiset järjestelmäkonseptit ovat mahdollisia ja riittävän suorituskykyisiä, millaista adaptiivisuutta tarvitaan ja miten signaalit suunnitellaan.
Lisäksi on kerättävä tieto, mitä parametreja on estimoitava ja minkälaisia algoritmeja tarvitaan parametrien estimointiin, häiriönpoistoon ja dekoodaukseen. Mitä mittauksia tarvitaan linkkitasolla, jos verkko on rakenteeton, ja miten palvelun laatu pystytään säilyttämään, kun siirto sisältää useita hyppyjä. Edellä kuvatut tutkimuaiheet antavat ratkaisuja näihin kysymyksiin, minkä jälkeen voidaan vaihtoehtoja vertailla.
Kansainvälinen yhteistyö välttämätöntä
Menneisyys on osoittanut, että langattoman tietoliikenteen tutkimusyhteistyö globaalisti on välttämättömyys erityisesti järjestelmien standardointityön kannalta. Euroopassa merkittävimmät tutkimuspanostukset tehdään EU:n tutkimusohjelmissa.
Kuudennen puiteohjelman suunnittelu on parasta aikaa käynnissä, ja näyttää vahvasti siltä, että FUTURA-hankkeessa jo tehdyt valinnat ovat oikeansuuntaisia: useiden suunnitteilla olevien hankkeiden teknologiavalinnat ovat pitkälle FUTURAn kaltaisia. Jotta FUTURAn vaikuttavuus olisi mahdollisimman laajaa, on varsin mielekästä mukauttaa siinä tehtävän tutkimuksen linjat tärkeitä EU-hankkeita tukeviksi myös jatkossa.
FUTURA-hankkeen yhteydessä on aloitettu tutkimusyhteistyö myös japanilaisten yliopistojen kanssa. Yhteistyön kohteena on erityisesti 4G-radiokonseptien tutkiminen. Tutkimusyhteistyö liittyy teknologiakylien väliseen yhteistyöhön; tällä hetkellä yhteistyö kattaa Oulun, Aalborgin ja Yokosukan teknologiakylät ja niissä toimivat yritykset.
FUTURA-hanke on siinä mielessä yleishyödyllistä tutkimusta, että siinä syntyvää teknologiaosaamista voidaan hyödyntää mitä erilaisimmissa sovelluksissa. Hankkeen tutkimuksen suuntaamisessa vaikuttavat olellisesti yritysrahoittajien intressit. TEKESin myöntämä tuki FUTURA-hankkeelle mahdollistaa hankkeen kokonaisrahoituksen kasvattamisen kymmenen prosentin vuosivauhdilla. Tämän myötä uusien teollisuuspartnereiden mukaantulo kesken projektin on mahdollista ja tervetullutta. Uusien teollisuusosapuolten toivottaisiin monipuolistavan hankkeessa syntyvän teknologiaosaamisen soveltamista käytäntöön.
Aiheesta enemmän
FUTURA-projekti: http://www.cwc.oulu.fi/home/
3G - 3rd Generation, kolmannen sukupolven matkaviestintäjärjestelmä
4G - 4th Generation, neljännen sukupolven matkaviestintäjärjestelmä
ARL - Adaptive Radio Link, adaptiivinen radiolinkki
BER - Bit Error Rate, bittivirhesuhde
FER - Frame Error Rate, kehysvirhesuhde
ISM - Industrial, Scientific and Medical, lisensoimaton taajuusalue
MCM - Multicarrier Modulation, monikantoaaltomodulointi
MIMO - Multiple-Input Multiple-Output, usean sisään- ja ulostulon järjestelmä
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ortogonaalinen taajuusjakomultipleksointi
QoS - Quality of Service, palvelun laatu
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System, yleismaailmallinen matkaviestinjärjestelmä
UWB - Ultra Wideband, erittäin laajakaistainen -tekniikka
Taustat
Kirjoittajat: Professori Matti Latva-aho, johtaja, Centre for Wireless Communications, FUTURA-projektin johtaja ja Professori Jari Iinatti, projektipäällikkö.
Yhteyshenkilö: jari.iinatti@ee.oulu.fi
Tutkimus: FUTURA (Future Radio Access)
Yhteistyössä: Nokia Mobile Phones, Nokia Networks, Elektrobit Oy, Ilmavoimat, Puolustusvoimien teknillinen tutkimuslaitos, Oulun yliopisto, Centre for Wireless Communication.
Teknologiaohjelma: NETS