Full-Duplex Multifunction Transceivers : Combining Radar, Communication and Security
Marin, Jaakko (2024)
Marin, Jaakko
Tampere University
2024
Tieto- ja sähkötekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Computing and Electrical Engineering
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.
Väitöspäivä
2024-06-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3478-9
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3478-9
Tiivistelmä
Kaksisuuntainen (engl. full-duplex, FD) lähetin-vastaanotin on laite, joka pystyy samanaikaisesti lähettämään ja vastaanottamaan samalla taajuuskaistalla. Perinteisesti tällaisten laitteiden ongelma on ollut voimakas itseishäiriö lähetys- ja vastaanottopuolien välillä. Viimeaikaiset tutkimustulokset alalla kuitenkin osoittavat, että itseishäiriön poisto vastaanottimen kohinalattian tasolle on mahdollista. Näinollen, on tullut aika tutkia mahdollisia käyttökohteita kaksisuuntaisille lähetinvastaanottimille. Alkuperäinen käyttökohde monissa olemassa olevissa julkaisuissa on ollut parantaa tehokkuutta tiedonsiirrossa nostamalla spektraalista tehokkuutta voimakkaasti ruuhkautuneilla taajuusresursseilla, mutta myös muut käyttökohteet ovat mahdollisia.
Yksi tällainen käyttökohde on useiden toiminnallisuuksein yhdistäminen samaan järjestelmään. Tässä väitöskirjassa näitä toiminnalisuuksia ovat tiedonsiirto, tutkaaminen sekä fyysisen kerroksen turvallisuus. Ensimmäinen näistä toiminnallisuuksista on tiedonsiirto, jossa informaatiota lisätään aaltomuotoon moduloimalla sen ominaisuuksia, kuten amplitudia ja vaihetta. Toinen on tutkaaminen, jossa tutka kohteesta heijastuvasta aaltomuodosta tulkitaan kohteen ominaisuuksia, kuten etäisyyttä sekä säteisnopeutta. Viimeinen on fyysisen kerroksen turvallisuus, joka voidaan edelleen jakaa häirinnäksi sekä spektrin valvonnaksi. Häirinnällä tarkoitetaan voimakkaan aaltomuodon lähettämistä kohdesignaalin päällä siten, että kohdevastaanotin ei pysty hyötymään siitä. Spektrin valvonta sen sijaan viittaa tietyn taajuusalueen vastaanottamiseen, jolta pyritään havaitsemaan ja mahdollisesti demoduloimaan olemassaolevia signaaleja. Tässä työssä näiden toiminnallisuuksein yhdistämistä kutsutaan monitoimisuudeksi, joka käytännössä aiheuttaa radio taajuuksien konvergenssin (eng. RF convergence).
Monitoimiset lähetin-vastaanottimet ovat tutkimus-suuntaus, joka on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan kuluneen vuosikymmenen aikana. Monitoimisuudessa yhdistetään innovatiivisesti useita toiminnallisuuksia, joita käytetään tyypillisesti langattomissa järjestelmissä. Näin saavutetaan korkeampi spektraalinen tehokkuus sekä mahdollisesti muita etuja, kuten esimerkiksi lisäinformaation kerääminen kanavaolosuhteista. Toiminnalisuuksien yhdistelmistä on useita esimerkkejä kirjallisuudessa, joista muutamia ovat yhdistetty tutkaaminen ja tiedonsiirto (eng. joint radar and communication JRC) sekä yhteistyöhäirintä (eng. cooperative jamming). Kirjallisuudessa esitetyt järjestelmät ovat osoitetusti toimineet myös vuorosuuntaisilla (eng. half-duplex) laitteilla, mutta kaksisuuntaisuus tarjoaa mahdollisuuden vähentää toiminnallisuuksien välistä keskinäishäiriötä.
Tässä väitöskirjassa esitellään kaksi FD-kykenevää lähetin-vastaanotin rakennetta. Ensimmäinen näistä on uusi jatkuva-lähetteinen lähetin-vastaanotin (eng. continuous-wave transceiver CW-TRX), joka perustuu taajuusmoduloituihin jatkuvalähetteisiin (eng. frequency-modulated continuous-wave FMCW) tutkiin. Toinen on perinteinen FD-suoramuunnos lähetin-vastaanotin (eng. direct-conversion transceiver DC-TRX).Näitä FD-kykeneviä lähetin-vastaanotinrakenteita testataan useissa monitoiminnallisuuksien yhdistelmissä, sekä simulaatioiden, että käytännön mittausten kautta. Lopuksi esitellään ennennäkemätön yhdistelmä tutkaamis, tiedonsiirto sekä turvallisuus (eng. joint radar, communication and security JRCS) toiminnallisuuksia, sekä tutkitaan edellä mainittujen lähetin-vastaanottimien suorituskykyä tässä tehtävässä. Tulokset osoittavat, että CW-TRX tarjoaa tehokkaan tavan poistaa itseishäiriön analogisella tasolla, kun lähetys-signaali on jatkuvalähetteinen taajuuspyyhkivä tone-signaali, jonka seurauksena lähetin-vastaanotin osoittautuu tehokkaaksi useassa monitoiminnallisuustehtävässä. Lisäksi DC-TRX vaikuttaa lupaavalta JRCS tehtävään, sillä tulokset osoittavat, että järjestelmä pystyy pakottamaan tietyn häirintä-hyötysignaali tehosuhteen (eng. jamming-to-signal power ratio, JSR) missä tahansa sijaitsevalle salakuuntelijalle samalla kun sen oma tutkaaminen sekä kaksisuuntainen tiedonsiirto häiriintyvät minimaalisesti.
Yksi tällainen käyttökohde on useiden toiminnallisuuksein yhdistäminen samaan järjestelmään. Tässä väitöskirjassa näitä toiminnalisuuksia ovat tiedonsiirto, tutkaaminen sekä fyysisen kerroksen turvallisuus. Ensimmäinen näistä toiminnallisuuksista on tiedonsiirto, jossa informaatiota lisätään aaltomuotoon moduloimalla sen ominaisuuksia, kuten amplitudia ja vaihetta. Toinen on tutkaaminen, jossa tutka kohteesta heijastuvasta aaltomuodosta tulkitaan kohteen ominaisuuksia, kuten etäisyyttä sekä säteisnopeutta. Viimeinen on fyysisen kerroksen turvallisuus, joka voidaan edelleen jakaa häirinnäksi sekä spektrin valvonnaksi. Häirinnällä tarkoitetaan voimakkaan aaltomuodon lähettämistä kohdesignaalin päällä siten, että kohdevastaanotin ei pysty hyötymään siitä. Spektrin valvonta sen sijaan viittaa tietyn taajuusalueen vastaanottamiseen, jolta pyritään havaitsemaan ja mahdollisesti demoduloimaan olemassaolevia signaaleja. Tässä työssä näiden toiminnallisuuksein yhdistämistä kutsutaan monitoimisuudeksi, joka käytännössä aiheuttaa radio taajuuksien konvergenssin (eng. RF convergence).
Monitoimiset lähetin-vastaanottimet ovat tutkimus-suuntaus, joka on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan kuluneen vuosikymmenen aikana. Monitoimisuudessa yhdistetään innovatiivisesti useita toiminnallisuuksia, joita käytetään tyypillisesti langattomissa järjestelmissä. Näin saavutetaan korkeampi spektraalinen tehokkuus sekä mahdollisesti muita etuja, kuten esimerkiksi lisäinformaation kerääminen kanavaolosuhteista. Toiminnalisuuksien yhdistelmistä on useita esimerkkejä kirjallisuudessa, joista muutamia ovat yhdistetty tutkaaminen ja tiedonsiirto (eng. joint radar and communication JRC) sekä yhteistyöhäirintä (eng. cooperative jamming). Kirjallisuudessa esitetyt järjestelmät ovat osoitetusti toimineet myös vuorosuuntaisilla (eng. half-duplex) laitteilla, mutta kaksisuuntaisuus tarjoaa mahdollisuuden vähentää toiminnallisuuksien välistä keskinäishäiriötä.
Tässä väitöskirjassa esitellään kaksi FD-kykenevää lähetin-vastaanotin rakennetta. Ensimmäinen näistä on uusi jatkuva-lähetteinen lähetin-vastaanotin (eng. continuous-wave transceiver CW-TRX), joka perustuu taajuusmoduloituihin jatkuvalähetteisiin (eng. frequency-modulated continuous-wave FMCW) tutkiin. Toinen on perinteinen FD-suoramuunnos lähetin-vastaanotin (eng. direct-conversion transceiver DC-TRX).Näitä FD-kykeneviä lähetin-vastaanotinrakenteita testataan useissa monitoiminnallisuuksien yhdistelmissä, sekä simulaatioiden, että käytännön mittausten kautta. Lopuksi esitellään ennennäkemätön yhdistelmä tutkaamis, tiedonsiirto sekä turvallisuus (eng. joint radar, communication and security JRCS) toiminnallisuuksia, sekä tutkitaan edellä mainittujen lähetin-vastaanottimien suorituskykyä tässä tehtävässä. Tulokset osoittavat, että CW-TRX tarjoaa tehokkaan tavan poistaa itseishäiriön analogisella tasolla, kun lähetys-signaali on jatkuvalähetteinen taajuuspyyhkivä tone-signaali, jonka seurauksena lähetin-vastaanotin osoittautuu tehokkaaksi useassa monitoiminnallisuustehtävässä. Lisäksi DC-TRX vaikuttaa lupaavalta JRCS tehtävään, sillä tulokset osoittavat, että järjestelmä pystyy pakottamaan tietyn häirintä-hyötysignaali tehosuhteen (eng. jamming-to-signal power ratio, JSR) missä tahansa sijaitsevalle salakuuntelijalle samalla kun sen oma tutkaaminen sekä kaksisuuntainen tiedonsiirto häiriintyvät minimaalisesti.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4946]