Langaton tiedonsiirto millimetriaaltotaajuuksilla
Vanhamäki, Ilari (2020)
Vanhamäki, Ilari
2020
Tieto- ja sähkötekniikan kandidaattiohjelma - Degree Programme in Computing and Electrical Engineering, BSc (Tech)
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-06-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005205546
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005205546
Tiivistelmä
Tiedonsiirtojärjestelmiltä vaaditaan jatkuvasti entistä korkeampia siirtonopeuksia ja suurempaa kapasiteettia. Seuraavan sukupolven mobiilitekniikka 5G pyrkii tyydyttämään nämä tarpeet. Tällä hetkellä 5G on Euroopassa saatavilla vain alle 6 GHz:n taajuuksilla, mutta Yhdysvalloissa ja Aasiassa myös yli 20 GHz:n taajuuksilla. Taajuuksia välillä 20—300 GHz kutsutaan millimetriaaltotaajuuksiksi. Tässä työssä tarkastellaan millimetriaaltotaajuuksia yleisesti, niiden käyttöä ja kuinka niillä tapahtuva langaton tiedonsiirto saadaan toimimaan laitteistotasolla ilman ongelmia. Lisäksi tutkitaan kahden antenniryhmälaitteen ominaisuuksia ja toiminnallisuutta.
Millimetriaaltotaajuuksilla on mahdollista käyttää suurempia kaistanleveyksiä, koska käytettävissä on huomattavasti suurempi taajuusalue. Näin ollen saavutetaan myös suuremmat siirtonopeudet. Millimetriaallot kärsivät kuitenkin enemmän esteiden aiheuttamasta vaimenemisesta, eivätkä ne etene ilmassa pitkälle. Tyypillinen tukiaseman toimintaetäisyys millimetriaaltotaajuuksilla on vain noin 100 metriä. 5G:lle suunnitellaan jatkuvasti uusien taajuusalueiden käyttöä, mutta ne voivat vaihdella maittain. Taajuuskaistat voidaan luokitella operaattorien lisensoituihin ja vapaasti käytettäviin lisensoimattomiin kaistoihin. 5G:n millimetriaaltotaajuuksilla tullaan käyttämään taajuusjakoisen dupleksoinnin (FDD) sijasta dynaamista aikajakoista dupleksointia (TDD).
Laitteistolla tulee vastaan omat ongelmansa langattomassa tiedonsiirrossa millimetriaaltotaajuuksilla. Vaimenemisen lieventämiseksi tarvitaan antenniryhmiä, niillä tapahtuvaa keilanmuodostusta ja keilan ohjaamista. Vahvistimelle täytyy valita sopivin toimintaratkaisu, joka riippuu siitä millä toiminta-alueella operoidaan. Millimetriaaltotaajuuksilla toimivan suodattimen integrointi on hankalaa, jonka lisäksi sen sijoitus lähetin- tai vastaanottoketjuun täytyy valita huolella hyvän toiminnallisuuden takaamiseksi. Paikallisoskillaattorin vaihekohinaan ja sen tuottaman signaalin alhaiseen amplituditasoon voidaan käyttää ratkaisuna esimerkiksi vaihelukittua silmukkaa. Suuret kaistanleveydet ja siirtonopeudet vaativat DA- ja AD-muuntimilta suuria prosessointinopeuksia, mikä tarkoittaa suoraan suurempaa tehonkulutusta. Monissa alan tutkimuksissa on todettu rinnakkain toimivien muuntimien olevan hyvä ratkaisu tähän ongelmaan.
Anokiwave AWMF-0129 ja SiversIMA EVK06002/00 ovat käytännön esimerkkejä millimetriaaltotaajuuksilla toimivista antenniryhmistä. Molemmat tukevat keilanmuodostusta ja -ohjausta, mutta ne toimivat eri taajuusalueilla. AWMF-0129 tuottaa korkeamman keilan säteilytehon, mutta EVK06002/00 tukee korkeampia siirtonopeuksia.
Työssä huomataan, että langaton tiedonsiirto millimetriaaltotaajuuksilla tuo mukanaan hyviä ja huonoja puolia. Hyvät puolet täyttävät kuitenkin ennalta asetetut vaatimukset ja tarpeet. Huonojen puolien ongelmat puolestaan ovat yleensä ratkaistavissa.
Millimetriaaltotaajuuksilla on mahdollista käyttää suurempia kaistanleveyksiä, koska käytettävissä on huomattavasti suurempi taajuusalue. Näin ollen saavutetaan myös suuremmat siirtonopeudet. Millimetriaallot kärsivät kuitenkin enemmän esteiden aiheuttamasta vaimenemisesta, eivätkä ne etene ilmassa pitkälle. Tyypillinen tukiaseman toimintaetäisyys millimetriaaltotaajuuksilla on vain noin 100 metriä. 5G:lle suunnitellaan jatkuvasti uusien taajuusalueiden käyttöä, mutta ne voivat vaihdella maittain. Taajuuskaistat voidaan luokitella operaattorien lisensoituihin ja vapaasti käytettäviin lisensoimattomiin kaistoihin. 5G:n millimetriaaltotaajuuksilla tullaan käyttämään taajuusjakoisen dupleksoinnin (FDD) sijasta dynaamista aikajakoista dupleksointia (TDD).
Laitteistolla tulee vastaan omat ongelmansa langattomassa tiedonsiirrossa millimetriaaltotaajuuksilla. Vaimenemisen lieventämiseksi tarvitaan antenniryhmiä, niillä tapahtuvaa keilanmuodostusta ja keilan ohjaamista. Vahvistimelle täytyy valita sopivin toimintaratkaisu, joka riippuu siitä millä toiminta-alueella operoidaan. Millimetriaaltotaajuuksilla toimivan suodattimen integrointi on hankalaa, jonka lisäksi sen sijoitus lähetin- tai vastaanottoketjuun täytyy valita huolella hyvän toiminnallisuuden takaamiseksi. Paikallisoskillaattorin vaihekohinaan ja sen tuottaman signaalin alhaiseen amplituditasoon voidaan käyttää ratkaisuna esimerkiksi vaihelukittua silmukkaa. Suuret kaistanleveydet ja siirtonopeudet vaativat DA- ja AD-muuntimilta suuria prosessointinopeuksia, mikä tarkoittaa suoraan suurempaa tehonkulutusta. Monissa alan tutkimuksissa on todettu rinnakkain toimivien muuntimien olevan hyvä ratkaisu tähän ongelmaan.
Anokiwave AWMF-0129 ja SiversIMA EVK06002/00 ovat käytännön esimerkkejä millimetriaaltotaajuuksilla toimivista antenniryhmistä. Molemmat tukevat keilanmuodostusta ja -ohjausta, mutta ne toimivat eri taajuusalueilla. AWMF-0129 tuottaa korkeamman keilan säteilytehon, mutta EVK06002/00 tukee korkeampia siirtonopeuksia.
Työssä huomataan, että langaton tiedonsiirto millimetriaaltotaajuuksilla tuo mukanaan hyviä ja huonoja puolia. Hyvät puolet täyttävät kuitenkin ennalta asetetut vaatimukset ja tarpeet. Huonojen puolien ongelmat puolestaan ovat yleensä ratkaistavissa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8344]