In-band full-duplex-radiolaitteet sodankäynnin elektronisessa tuessa

Abstract

Kaistansisäinen full-duplex tarkoittaa samanaikaista lähetystä ja vastaanottoa samalla taajuuskaistalla. Full-duplex teknologia avaa uusia mahdollisuuksia viestintäteknologian alalla sekä sotilas- että siviilisovelluksissa. Merkittävänä haasteena teknologian käyttöönotossa on kuitenkin lähettimen ja vastaanottimen välinen itseishäiriö, jonka peittoon kuunneltava tietoliikennesignaali jää. Jotta tietoliikennesignaali saadaan kuulumaan, järjestelmän aiheuttamaa itseishäiriötä voidaan pyrkiä poistamaan erilaisin keinoin, jotka jaetaan passiiviseen- ja aktiiviseen vaimennukseen. Passiivinen vaimennus pitää sisällään sellaiset itseishäiriön vaimennuksen keinot, joilla itseishäiriösignaalin tehoa pyritään vaimentamaan ennen sen saapumista vastaanottimeen. Tyypillisesti passiivinen vaimennus rajoittuu lähetys- ja vastaanottoantennien välisen eristyksen parantamiseen tai lähetinvastaanottimen lähetys- ja vastaanottolohkojen väliseen eristykseen. Aktiivisella vaimennuksella tarkoitetaan kaikkia niitä itseishäiriön vaimennuksen keinoja, jotka tapahtuvat itseishäiriösignaalin saavuttua vastaanottimeen. Aktiivinen vaimennus voidaan edelleen jaotella analogiseen- ja digitaaliseen vaimennukseen signaalin käsittelytavan perusteella. Yleistettynä aktiivisen vaimennuksen keinot luovat kopion häiritsevästä signaalista ja pyrkivät sekä amplitudia että vaihetta muuttamalla kumoamaan häiritsevän signaalin superpositioperiaatteen mukaisesti. Tutkielma jakautuu kahteen osaan, joista ensimmäisessä tarkastellaan kaistansisäisen full-duplexin periaatteiden lisäksi elektronista sodankäyntiä ja full-duplex teknologian soveltuvuutta tähän. Työssä huomataan, että kaistansisäinen full-duplex voi tuoda merkittävän edun taistelukentällä toimiville joukoille, ja samanaikaisesti vaikeuttaa vastapuolen radioliikennettä. Tutkielman toinen osa tarkastelee käytännön full-duplex-prototyyppilaitteistoa, joka koostuu simuloidusta prototyyppiantennista, analogisesta itseishäiriön vaimentimesta ja digitaalisesta itseishäiriön vaimentimesta, jonka suorituskyky on arvioitu tutkimusten pohjalta. Laitteisto toimii Nato Band I-taajuuskaistalla eli taajuuksilla 225–400 MHz. Lisäksi laitteiston suorituskykyä ana-lysoidaan matemaattisesti elektronisen tuen toimintaskenaariossa, jossa tarkoituksena on samanaikaisesti häiritä vastapuolen radioliikennettä, ja havaita mahdollisia muutoksia häirittävällä taajuusspektrillä. Matemaattisen analyysin pohjalta todetaan, että tutkielmassa esiteltävä ja analysoitu prototyyppijärjestelmä kykenee samanaikaisesti sekä häiritsemään vastapuolen radioliikennettä että havaitsemaan taajuusspektrin muutoksia merkittävien etäisyyksien päästä. Prototyyppilaitteistolla saavutetaan noin 160 dB itseishäiriön vaimennus passiivinen ja aktiivinen vaimennus huomioiden. Ensiluokkaisen itseishäiriön vaimennuksen ansiosta laitteisto kykenee häiritsemään vastapuolen radioliikennettä kapeakaistaisella häirinnällä noin 10 km päästä samanaikaisesti, kun häirittävällä taajuusspektrillä muutokset havaitaan vastaavalta etäisyydeltä häirintätehon ollessa noin 2500 W. Verrokkina tuloksissa pidetään identtistä radiolaitteistoa ilman full-duplex toiminnallisuutta mahdollistavaa antennia, jonka passiivinen vaimennus on 0 dB. Aktiivista itseishäiriön vaimennusta laitteistolle on arvioitu 51 dB. Tällaisella laitteistolla spektrinmuutosten havainnointi jää vastaavassa skenaariossa alle 2,5 km:n häirintätehon ollessa 20 W. Analyysi osoittaa, että prototyyppilaitteiston suorituskyky on monikertainen verrattuna referenssilaitteistoon.