Full-duplex VHF- ja HF-radiolaitteet sotilaskäytössä

Abstract

Full-duplex-tekniikan käyttöä langattomassa viestinnässä on tutkittu paljon viime aikoina, sillä langattoman viestinnän taajuuskaistat ovat ruuhkautuneet ja tiedonsiirrossa vaaditaan yhä suurempia siirtonopeuksia. Full-duplex-tekniikassa radiolaite suorittaa tiedonsiirtoa samanaikaisesti kahteen suuntaan samalla radiokanavalla, mikä teoriassa tuplaa tiedonsiirron spektrillisen tehokkuuden ja voisi olla ratkaisu haasteeseen. Tekniikasta olisi hyötyä myös sotilastietoliikenteessä. Kasvavan spektrillisen tehokkuuden lisäksi full-duplex mahdollistaisi kanavan monikäytön, jolloin radiolaite voisi tiedonsiirron ohessa toteuttaa myös elektronista sodankäyntiä. Tällä hetkellä eräs keskeisin haaste tekniikan toteutuksessa on riittävän itseisinterfernenssin poiston aikaansaaminen. Itseisinterferenssillä tarkoitetaan radiolaitteen oman lähetyssignaalin aiheuttamaa häiriötä sen vastaanotinlohkolle.

Tässä työssä tarkastellaan full-duplex-tekniikan soveltuvuutta käytettäväksi Very High Frequency (VHF)- ja High Frequency (HF)-sotilasradioissa. Työ on rajattu käsittelemään vain maavoimien sotilasradioita, jolloin ilma- ja merivoimien radiolaitteet jäävät tutkimuksen ulkopuolelle. Työn kirjallisuuskatsausosuudessa määritellään ensin VHF/HF-radioiden käyttökohteet sotilastietoliikenteessä, sekä sotilasradioympäristön erityispiirteet taajuusalueilla. Lisäksi osiossa käydään läpi eri itseisinterferenssin vaimennuskeinoja, sekä niiden toimivuutta VHF/HF-taajuusalueilla. Tutkimusosuudessa määritellään ne itseisinterferenssin vaimennuskeinot, jotka soveltuvat VHF/HF-sotilasradioihin ja niiden tehokkuus. Lisäksi määritettyjen full-duplex-radiolaitteiden soveltuvuutta niiden nykyisiin käyttökohteisiin tarkastellaan. Työn tavoite on selvittää, millaisia full-duplex-sotilasradiolaitteita VHF/HF taajuusalueilla voitaisiin toteuttaa ja miten ne soveltuvat taajuusalueiden käyttötarkoituksiin.

Työssä todettiin, että VHF/HF-taajuusalueilla full-duplex-radiolaite tulee toteuttaa yhden antennin konfiguraatiolla. Usean antennin konfiguraatiot olisivat taajuusalueilla liian isokokoisia, ja lisäksi sotilasviestinnässä yleisesti käytetyt ad hoc -verkot asettavat vaatimuksen ympärisäteileville antenneille. Yhden antennin konfiguraatiolla saavutettavan vaimennuksen ja laitekoon näkökulmasta paras vaihtoehto olisi käyttää Electrical Balance Duplexeria, sekä digitaalisesti ohjattua viivelinjaa. Teoriassa Electrical Balance Duplexerilla voitaisiin saavuttaa 45 dB ja digitaalisesti ohjatulla viivelinjalla 50 dB vaimennus, jolloin menetelmien yhteisvaimennus olisi 95 dB. Mikäli radiolaitteissa käytetään tyypillisiä lähetystehoja (VHF-radiot 5–50 W, HF-radiot 5–20 W) ja vastaanottimen herkkyys on -113 dBm, olisi digitaalisen vaimennuksen kyettävä enintään 65 dB vaimennukseen, mikä on realistista. Näin ollen full duplex-tekniikka on mahdollista saada toimimaan VHF/HF-sotilasradioissa, mutta tekniikan toteutus on teknisesti haastavaa ja vaatii lisätutkimusta.

Valituilla tekniikoilla toteutetut radiolaitteet olisivat soveltuvia taajuusalueiden nykyisiin käyttökohteisiin, mutta HF-radio voitaisiin kokonsa puolesta toteuttaa todennäköisesti vain ajoneuvopohjaisena ja VHF-radio joko ajoneuvopohjaisena tai selässä kannettavana. Kummankin taajuusalueen tapauksessa sotilastietoliikenne hyötyisi full-duplexin käyttämisestä. VHF-taajuusalueen sotilastietoliikenne voisi hyötyä sekä full-duplexin paremmasta spektrillisestä tehokkuudesta, että viestinnän ja elektronisen sodankäynnin yhdistämisestä, kun taas HF-radiolla tekniikan suurin hyöty voitaisiin saada spektrillisen tehokkuuden kasvusta.