Mm-wave antenna array developed in an earlier project paves the way towards even smaller dimensions of THz communications and sensing

Oulun yliopisto 6G-tutkimuksen kärjessä - "Yliopiston tehtävä on katsoa eteenpäin"

Parhaillaan käynnistyvä Oulun yliopiston 6G-teknologiaan perustuva tutkimusohjelma on yksi ensimmäisistä koko maailmassa. ”Taas joudumme tekemään asioita, joita ei oikeastaan vielä osata. Sehän on tieteen merkitys”, sanoo professori Aarno Pärssinen haasteen edessä.

Suomen Akatemian päätös valita Oulun yliopiston johtama 6G-Enabled Wireless Smart Society & Ecosystem -osaamiskeskittymä tutkimuksen lippulaivaksi on tunnustus sinnikkäästä, pitkäjänteisestä työstä.

- Tämä 6G-rahoitus tuli pitkän näytön perusteella. Sinnikäs työ Oulussa tietoliikenne- ja elektroniikan puolella aloitettiin jo 1990-luvulla, ja sitä on jatkettu sieltä saakka, professori Timo Rahkonen toteaa.

Kahdeksanvuotisen hankkeen rahoituksen saaminen Ouluun on tunnustus myös kaupungille.

- Oulu on positiivisessa mielessä loistava esimerkki insinöörikaupungista. Täällä on erittäin ymmärtäväinen ympäristö ja kova tahtotila. Oulussa paistaa yrittäjyys, ja yrittäjyys näkyy hyvin vahvasti myös yliopistolla. Oululaiset ovat riittävän sinnikkäitä pitkäjännitteisen tutkimuksen kehittäjiksi, hehkuttaa Oulun yliopiston radiotekniikan professori Aarno Pärssinen.

Vuoropuhelu ja yhteistyö teollisuuden toimijoiden kanssa on vienyt omalta osaltaan Oulun yliopistoa eteenpäin. Yliopisto tarvitsee yhteistyökumppaneita. Yhteistyöllä on saatu paljon aikaan ja on pystytty tarjoamaan uusia innovaatioita teollisuudelle.  Pärssisen mukaan yliopiston tehtävä on katsoa eteenpäin.

"Yliopiston tehtävä on katsoa eteenpäin."

- Oulussa rakensimme ohjelman 6G-teknologian ympärille. 5G on vasta tulossa, ja sen ympärillä on jo paljon teollista toimintaa, mutta akateeminen maailma on jo vähitellen siirtymässä kuudenteen generaatioon. Meidän oli jo aika ruveta katsomaan kymmenen vuotta eteenpäin unohtamatta, että 5G:ssä on vielä paljon tutkimuksellisia haasteita radiostandardien ja parempien tuotteiden jatkokehityksen tueksi pitkäksi aikaa.

Fokus kokonaisuudessa

Uusille ratkaisuille on suuri tarve, ja osaajia tarvitaan. Oulun yliopistolla on tarjolla loistava testiympäristö, jossa RF-teknologiaan panostettu, eli fasiliteetit huippututkijoiden työskentelyyn ovat kunnossa.  Oulun yliopiston 6G-teknologiaan perustuva tutkimusohjelma on yksi ensimmäisistä, jos ei ensimmäinen näin laaja tutkimusohjelma koko maailmassa.

- Tottakai meillä on samoja tutkimusalueita ja osa-alueita, joita Euroopassa, Yhdysvalloissa ja jossain määrin Kauko-Idässä tutkitaan, ja jotka tulevat liittymään 6G -teknologioihin. Mutta meillä on fokus siinä, että katsomme kommunikaatioita, radiojärjestelmiä ja niihin liittyviä kaikkia osa-alueita aina sovelluksista syvälle toteutusteknologioihin, implementaatioihin ja elektroniikkaan asti yhtenä kokonaisuutena. Koetamme ymmärtää, minkälainen järjestelmä voitaisiin rakentaa 5G:n jälkeiseen tarpeeseen, Pärssinen kertoo.

Korkeammat taajuudet, lyhyemmät aallonpituudet

6G-teknologiassa mennään vielä 5G:tä korkeammille taajuuksille, ja aallonpituus lyhenee.

- 2G, 3G ja 4G ovat käyttäneet taajuuksia, jotka ylettyvät suurin piirtein kuuteen gigahertsiin saakka. Yksi gigahertsi on 30 cm aallonpituutena. 5G-järjestelmissä hyödynnetään alle kuuden gigahertsin alue mahdollisimman tehokkaasti. Ensimmäiset kaupalliset järjestelmät tulevat laajentamaan tätä 24 - 40 gigahertsin alueelle, ja siitä ylöspäin voidaan mennä aina lähes 100 gigahertsiin saakka. Tämän me olemme määrittäneet 5G:n alueeksi. Silloin puhutaan millimetriaaltotekniikasta, eli aallon pituus alkaa olla sentti- tai millimetreissä. 6G:ssä ollaan hyppäämässä katsomaan, mitä tapahtuu 100 gigahertsin yläpuolella. Kiinnostava alue tulee siis olemaan sadasta gigahertsistä terahertsiin, eli taas hypätään iso askel ylöspäin. Taajuutta tulee olemaan käytettävissä niin paljon, että sinne mahtuu ihan käsittämätön määrä dataa. Dataintensivisyyttä kasvatetaan, ei pelkästään tietotekniikassa, vaan myös siinä, miten dataa voidaan kuljettaa langattomasti, selittää Pärssinen.

Antennit ja piirit uusiksi

Langattomat yhteydet vaativat paljon infrastruktuurilta, koska niiden pitää kulkea seinien läpi.

- Meidän täytyy keksiä taas kerran uudestaan, miten tämä on järkevää ja fysikaalisesti mahdollista toteuttaa korkeilla taajuuksilla. Se on riski ja mahdollisuus, jonka otamme. Taas joudumme tekemään asioita, joita ei oikeastaan vielä osata. Sehän on tieteen merkitys. Tavoite on tehdä uusia asioita taajuuksilla, joissa on radioastronomiassa ja muissakin tieteellisissä tai muuten erittäin vaativissa sovelluksissa tehty merkittäviä teknologisia edistysaskeleita, mutta nyt mietitään, miten tämä voitaisiin valjastaa kaupalliseen käyttöön, järkevän hintaisiin, pieniin laitteisiin ja miten saada radiosignaali kulkemaan tässä ympäristössä. 

Haasteita riittää. Antennikin on keksittävä uudelleen.

- Antenni on aallonpituuteen verrannollinen komponentti. Aloitimme GSM:n 30 cm:n pituudesta, ja nyt puhutaan millimetrin osien kokoisista rakenteista, joita pitää pystyä suunnittelemaan luotettavasti sähköisillä työkaluilla. Pitää myös pystyä liittämään niitä yhteen elektroniikkaan. Puhutaan dimensioista, joissa mittasuhteet ovat nanometreistä muutamaan kymmeneen, ehkä muutamaan sataan mikrometriin. Tällaisella tarkkuudella pystytään laittamaan tuhansia ja miljoonia transistoreita samalle piirille, ja sitten vielä jollain antenniteknologialla säteilemään se informaatio ulos ’taivaalle’ langattoman tietoliikenteen tarpeisiin, kuvailee Pärssinen. 

Nopeiden integroitujen piirien valmistamiseen tarvittavia tehtaita löytyy vain kourallinen maailmalta.

Professori Timo Rahkonen

- Nopeimpien piirien valmistukseen tarvittavien tehtaiden valmistus on niin kallista, että niitä löytyy kymmenkunta koko maailmasta. Ne on rakennettu paikkoihin, joissa ei esiinny maanjäristyksiä, eivätkä junat kulje lähellä, eli maaperä ei saa täristä. Prosessien ominaisuudet on valittu suurimpien tarpeiden mukaan. Toistaiseksi suurimmat volyymit ovat tietokonepuolella, eli hyvin monet prosesseista joita käytetään, ovat alun perin viritetty digitaalipiirien suunnitteluun, kertoo professori Timo Rahkonen.

Tilaisuus opiskella kehityksen huipulla

Oulun yliopistossa toimii jo tällä hetkellä yksi maailman ensimmäisistä 5G-testiverkoista, joka on monella tavalla käytössä opiskelijoilla. Kahdeksanvuotisen hankkeen loppupuolella Oulun yliopistolla pitäisi olla käytössä ensimmäiset 6G-testiverkot. Opiskelijoilla tulee olemaan loistavat mahdollisuudet päästä hyötymään RF-kehityksen huipusta.

 Esimerkiksi radiotekniikan uudella opintosuunnalla koulutetaan laajasti ja syvällisesti perehtyneitä RF-, RFIC-, antenni- ja järjestelmäsuunnittelijoita, joilla on riittävät tiedot myös radiokanavista, digitaalisesta signaalinkäsittelystä ja tietoliikennetekniikasta. RF-suunnittelijan toimenkuva on laaja ja edellyttää tämän päivän suunnittelijalta radiotekniikkaan suoranaisesti liittyvän ymmärryksen lisäksi tietämystä transistoritason analogiasuunnittelusta ja IC-toteutusteknologiasta. Esimerkiksi uudella opintosuunnalla pyritään vastaamaan nykyisten ja tulevien langattomien tiedonsiirtojärjestelmien suunnittelun asettamiin haasteisiin. Elektroniikan ja tietoliikennetekniikan maisteriohjelman opinnot 2018 - 2019.

Visioita kohti

Mitä 6G tulee tulevaisuudessa tarjoamaan teollisuudelle ja tavallisille kuluttajille, ei vielä tiedetä. Visioita on kuitenkin olemassa.

- Sieltähän voi löytyä sellaista, mitä ei perinteisesti radiotekniikassa ole vielä paljoa harrastettu. Toistaiseksi radio lähettää jonnekin päin ja jossakin on vastaanotin. Nyt ollaan menossa MIMO-systeemiin eli moniantennisysteemiin, jossa ammutaan dataa useisiin suuntiin ja käytetään heijastukset hyväksi. Sellaisella voidaan pystyä myös rakentamaan kuvaa ympäristöstä. Samalla kertaa, kun sinulla on yhteys tukiasemaan, niin sinulle alkaa mahdollisesti rakentua fyysinen kuva ympäristöstä. Kyllä siinä kuvantamismahdollisuuksia alkaa nousta. Terahertsialuetta on käytetty jo jonkin aikaa lentokentillä turvatarkastuksiin, ettei tarvitse röntgenillä tärryyttää ihmisiä. Samoin se soveltuu mm. kudostyyppien tunnistamiseen, esim. syöpäsolujen etsimisessä, kertoo Rahkonen.

Pääkuva: Mm-aalto antenniryhmä, joka on kehitetty aiemmassa projektissa, näyttää jo suuntaan mittasuhteiden pienenemiselle kohti THz tietoliikennettä, kuva Hanna Saarela.

Teksti ja kuvat Ari Kettunen

Viimeksi päivitetty: 9.8.2018