Väitöskirjasta vauhtia kännykkäverkkoihin

Vuoden 2018 väitöskirjapalkinnon saaja Dani Korpi osoitti, että matkapuhelinverkon välityskyvyn tuplaava full duplex -tiedonsiirto toimii myös käytännössä – ja sen voi toteuttaa halvoilla radiokomponenteilla.

Nykyaikaiset matkapuhelinverkot pystyvät välittämään uskomattomia datamääriä, mutta yksi pullonkaula on jäljellä: radioyhteys toimii edelleen vain yhteen suuntaan kerrallaan. Ongelmaa ratkotaan vuorottelemalla lähetyksen ja vastaanoton välillä, tai lähettämällä ja vastaanottamalla radiosignaalia vierekkäisillä taajuuksilla. Aito full duplex, samanaikainen lähetys ja vastaanotto samalla radiotaajuudella, on tähän saakka ollut saavuttamaton haave. 

Ongelman ydin on radion itseinterferenssi. Voimakas lähetyssignaali peittää paljon heikomman vastaanotettavan signaalin alleen. 

– Lähetyssignaali on teholtaan 10 miljardia kertaa voimakkaampi kuin vastaanotettava signaali, Korpi kertoo. 

Tilanne on siis sama kuin yrittäisit saada selvää vieruskaverin puheesta lentokoneen suihkumooottorin käydessä vieressä täysillä kierroksilla. Haaste tuntuu mahdottomalta. 

– Juuri sen takia näinkin ilmeinen juttu on jäänyt meidän sukupolvemme ratkaistavaksi, Korpi toteaa. 

Yksi alan pioneeritutkijoista on TTY:n apulaisprofessori Taneli Riihonen, Korven tutkijakollega ja TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinnon voittaja vuodelta 2015. Riihonen tuli pohtineeksi full duplexin mahdollisuutta jo vuonna 2005 omaa diplomityötä tehdessään. Palkitussa väitöskirjassaan Riihonen osoitti laskennallisesti, että full duplex -tiedonsiirto on mahdollista. 

Korven väitöskirja taas näyttää, että kaksisuuntainen dataliikenne samalla radiotaajuudella on mahdollista myös käytännössä. Tampereen tietoliikennelaboratoriossa syntyneet prototyyppilaitteet ovat ensimmäisten full duplex -radioiden joukossa koko maailmassa. 

Vastamelukuulokkeet radiolle

Full duplex -radion periaate on yksinkertainen. Lähetyssignaalin aiheuttama itseinterferenssi kumotaan vastaanottimessa identtisellä, mutta vastakkaisvaiheisella signaalilla. Tällöin jäljelle jää vain vastaanotettava signaali. Samaan tapaan toimivat vastamelukuulokkeet, jotka vaimentavat ympäristön äänet. 

– Teoriassa se on helppoa, mutta käytännön ongelmat tulevat esiin vasta kun rakennat toimivan laitteen.

TTY:n demolaitteessa käytettiin varta vasten edullisia komponentteja, esimerkiksi halpoja tehovahvistimia, jotka saattavat säröyttää signaalia. Näin päästiin arvioimaan toimisiko teknologia myös halvoissa kuluttajalaitteissa.

Tutkijoiden lähtökohtana oli tavallinen lähetin-vastaanotin, joka vuorottelee lähetyksen ja vastaanoton välillä. Kun sitä lähdetään modifioimaan samanaikaisesti lähettäväksi ja vastaanottavaksi full duplex -radioksi, pitää itseinterferenssistä hankkiutua eroon useassa vaiheessa. Aluksi lähettimen vastaanottimelle aiheuttamaa häiriötä vähennetään passiivisilla komponenteilla, sitten siirrytään signaalinkäsittelyyn. 

Yksi tutkijoiden rakentamista uusista komponenteista oli RF-vaimennin, joka simuloi radiolaitteen antennin ilmasta vastaanottamaa signaalia, mutta vastakkaisvaiheisena. Viimeinen askel on lähetyssignaalin digitaalinen vaimennus.

– Otamme digitaaliset näytteet lähetettävästä signaalista ja teemme sille vähän temppuja, Korpi kuvailee.

Otamme digitaaliset näytteet lähetettävästä signaalista ja teemme sille vähän temppuja.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn avulla lähetyksen aiheuttamat häiriöt saadaan vähenemään edelleen, ja vastaanotettava signaali saadaan esiin samaan aikaan lähettävän antennin synnyttämästä “taustamelusta". 

– Passiivisella vaimennuksella, RF-vaimennuksella ja digitaalisella vaimennuksella pääsemme yli 100 desibelin vaimennukseen.

Onnistuu halvoillakin komponenteilla

Korven väitöstyön tärkein tulos oli se, että full duplex -tiedonsiirto on teknisesti mahdollista halvoillakin radiokomponenteilla, kunhan niiden ominaisuudet huomioidaan laskenta-algoritmeissa.

Väitöstyön mieleen painuneita hetkiä olivat ensimmäiset kerrat, kun signaalia syötettiin oikean prototyypin läpi. Dani Korven käden jälkeä olevat digitaaliset vaimennusalgoritmit toimivat juuri kuten simulaatiot ennustivat. 

– Oli hienoa esimerkiksi huomata, että signaalimallini toimivat siitä huolimatta, että tehovahvistin vääristi signaalia.

Korven palkittu väitöskirja syntyi ripeästi kolmessa vuodessa, mutta tavaraa siinä on paljon: seitsemän omaa tutkimusartikkelia, 14 konferenssipaperia sekä nippu artikkeleita, joiden tekemisessä Korpi on ollut mukana. Tutkimuspapereista henkilökohtainen suosikki on vuonna 2014 julkaistu artikkeli, josta tuli koko väitöskirjan viitatuin.

– Siinä kehittämiäni signaalimalleja ovat käyttäneet muutkin full duplex -tutkijat. Se on hirveän palkitsevaa.

Laitteiston sullominen vaikkapa kännykän kuoriin on mahdollista.

Korven vastaväittäjänä toimi professori Daniel W. Bliss Arizonan yliopistosta.

– Hän oli se kaveri, joka pisti full duplexin alulle.

Bliss oli vuonna 2007 ensimmäisiä tutkijoita, jonka julkaisuissa pohdittiin olisiko samanaikainen lähetys ja vastaanotto mahdollista radioliikenteessä.

Bliss kiitteli Korven väitöstyön kokonaisuutta. Se lähtee liikkeelle teoriasta ja etenee aina käytännön toteutukseen saakka. Kehuihin yhtyi myös TEKin ja TFiFin valintaraati, joka nosti Korven työn ykköseksi 27 väitöskirjapalkittavaksi ehdotetun joukosta.

– Korven työssä on kehitetty oikea full duplex -prototyyppi- ja demonstraatiolaitteisto, jolla kehitettyjä menetelmiä on todennettu oikeilla laitteilla oikeissa toimintaympäristöissä, valintaraati kiittelee. 

Vielä toistaiseksi tutkijoiden protolaite vie paljon tilaa työpöydältä, mutta laitteiston sullominen vaikkapa kännykän kuoriin on täysin mahdollista. 

– Ensimmäisenä full duplex -radiot ilmestyvät varmasti tukiasemalaitteisiin, Korpi toppuuttelee. 

Alan tutkimuksen lakipiste on jo saavutettu, kertoo Korpi. Nyt työ on siirtymässä yrityksiin, jotka pohtivat, olisiko langattoman tietoliikenteen perusperiaatteet mullistavassa teknologiassa myös kaupallista potentiaalia. Fakta on, nykyisillä radiotaajuuksilla alkaa olla ruuhkaa. Seuraavan sukupolven mobiiliverkkojen tiedonsiirtonopeuksien saavuttamiseksi tarvitaan uusia teknologioita. Full duplex -radiot on yksi lupaava keino spektritehokkuuden lisäämiseksi.

Dani Korven tie tekniikan tohtoriksi

• 1989. Dani Korpi syntyy 
Ilmajoella.
• 2004. Korpi kiinnostuu langattomasta tiedonsiirrosta saatuaan matkapuhelimen. – Nokia 6610:n gprs-nettiyhteydellä tietokoneen sai langattomasti nettiin. Ajattelin, että vitsi miten 
siistiä.
• 2008. TTY:lle opiskelemaan tietoliikennetekniikkaa. – Alavalinta oli helppo, ja Tampereella asunut veli kehui, että Tampere on hyvä kaupunki. 
• 2011. Korpi aloittaa kandityön full duplex-tiedonsiirrosta, ja jää tutkimusapulaiseksi professori Mikko Valkaman ryhmään. – Kandityö oli kirjallisuusselvitys. Luin kaikki tutkimuspaperit mitä full duplexista oli siihen mennessä julkaistu.
• 2014. Valmistuu DI:ksi, aloittaa jatko-opinnot TTY:n tutussa Valkaman tutkimusryhmässä. 
• 2017. Väitöskirja Full-Duplex Wireless: Self-interference Modeling, Digital Cancellation, and System Studies hyväksytään TTY:n tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa. 
• 2018. Korven väitöstyö palkitaan TTY:n vuoden parhaana väitöskirjana. TEK ja TFiF myöntävät vuoden 2018 parhaan väitöstyön palkinnon. Korpi aloittaa työt Nokia Bell Labsissa.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
Olisi mahtava nähdä joku itse tutkimansa asia ihmisten arjessa, vaikkapa nämä väitöskirjan algoritmit joskus pyörimässä oikeassa tukiasemassa tai matkapuhelimessa.

Suosikkileikkikalu?
Tietokoneen Logitech G27 -ratti ja -polkimet. Kilpa-ajopelejä tulee pelattua paljon.

Lempiharrastus? 
Pyöräily. Työmatkaa on 15 kilometriä, kilometrejä tulee vuodessa aika paljon. Pyöräily on hyvä tapa saada työasiat mielestä kotimatkalla.