Towards wirelessly powered IoT

Esineiden internet kohti langatonta virransyöttöä

Apulaisprofessori Hirley Alves on kahden viime vuoden aikana rakentanut langattoman tietoliikenteen MTC-tutkimusryhmää (MTC, machine-type wireless communications), joka pyrkii kehittämään rajoittamattomia, lähes viiveettömiä tietoliikenneyhteyksiä. Ne ovat keskeisiä 6G-teknologioissa.

MTC koostuu kahdesta pääkomponentista: kriittisestä ja massiivisesta konetyyppisestä tietoliikenteestä.
”Lähes viiveetön toiminta liittyy kriittiseen MTC-viestintään, jolta odotamme erittäin luotettavia äärimmäisen pienen latenssin yhteyksiä. Rajoittamattomuus puolestaan liittyy massiiviseen MTC:hen, jolla pyritään tuomaan yhteydet miljooniin laitteisiin ja palvelemaan monenlaisia sovelluksia.”


Hirley Alves kertoo pitävänsä langattoman koneviestinnän tuoreutta ja nopeaa kehitystä sekä kiehtovana että erittäin haastavana. ”Tutkimuksemme keskittyy pääasiassa fyysiseen kerrokseen (PHY), mutta MTC vaatii uutta näkökulmaa langattoman viestinnän suunnitteluun kaikilla alueilla PHY-kerroksesta aina palveluihin ja sovelluksiin, liiketoimintamalleihin ja koko arvoketjuun”, hän sanoo.


MTC-ryhmä etsii matemaattisia ja algoritmisia ratkaisuja langattoman koneviestinnän useisiin avoimiin ongelmiin. Alves antaa muutamia esimerkkejä. Verkkoliikenteen monitoroinnissa ryhmä keskittyy valtavan käyttäjämäärän verkkoon pääsyyn, käyttäjätunnistukseen ja resurssienhallintaan. ”Koska emme tiedä, milloin laite on aktiivisena, sen tiedonsiirto voi törmätä muiden käyttäjien tiedonsiirtoon, mikä aiheuttaa viiveen lisäksi suorituskyvyn ja luotettavuuden heikkenemistä”, hän kertoo. ”Pyrimme ratkaisemaan tämän ongelman turvautumalla kompressoivaan mittaukseen ja todennäköisyyspohjaiseen koneoppimiseen.”


Toinen esimerkki koskee kriittistä langatonta koneviestintää ja teollisen verkon toimintaa mahdollistamalla yhteydet autonomisiin ajoneuvoihin. ”Tähän sovellamme diversiteettiä monilla tasoilla”, Alves sanoo. ”Ohjaimessa ja ajoneuvossa voi esimerkiksi olla useita antenneja, mikä tarkoittaa tila-avaruudellista diversiteettiä. Samassa tehdassalissa voi olla muita ohjaimia, jotka koordinoivat omaa tiedonsiirtoaan, jolloin hyödynnetään yhteistyötä ja moniyhteyksiä. Lisäksi ohjaimissa ja ajoneuvoissa voi olla muitakin langattomia radiorajapintoja (3G, 4G, 5G), joita pystytään hyödyntämään kahdennettuun tiedonsiirtoon, jolloin puhutaan rajapintojen diversiteetistä. Vaatimukset voidaan täyttää yhdistämällä kaikki nämä diversiteettiratkaisut, joten etsimme matemaattisia ja algoritmisia ratkaisuja niiden tehokkaaseen yhdistämiseen.”


Tarvitaan kestäviä IoT-verkkoja, joista eräs tiimin tohtorikoulutettavista, Onel López, väittelee nyt tohtoriksi. López ehdottaa uudenlaista konseptia, kanavatilatiedosta (CSI, channel state information) riippumatonta massiivista langatonta energiansiirtoa (WET, wireless energy transfer), jolla voidaan syöttää langattomasti virtaa useisiin tällä hetkellä akuista riippuvaisiin laitteisiin. Laitteiden langaton virransyöttö voisi mullistaa esimerkiksi teolliseen internetiin tukeutuvat älykaupungit, maatalouden, kuljetusalan ja logistiikan.


”Perinteisissä CSI-pohjaisissa ratkaisuissa on valtavasti oheisdataa, mikä johtaa resurssien tuhlaukseen, hankalaan koordinointiin ja aikataulutukseen”, López sanoo. ”Ehdottamamme CSI-riippumattomat ratkaisut helpottavat näitä pulmia, ja vaikkei edes otettaisi huomioon kanavatilatietojen hankintaan vaadittavia energiaresursseja, CSI-pohjaisten ratkaisujen hyödyt pienenevät nopeasti syötettävien laitteiden määrän kasvaessa. Hajautetuista CSI-riippumattomista strategioista on etua myös laajentaessamme energian kattavuusaluetta, silloinkin kun vaadimme energiansiirrolta suurta luotettavuutta tai kasvatamme näköyhteyskomponenttia verkon tihentyessä.”


”Tavoitteenamme on osoittaa 5G-testiverkkomme avulla joidenkin uusien MTC-konseptien toimivuus vertikaalisissa sovelluksissa”, Alves toteaa. ”Etsimme parhaillaan ympäristöä, jossa voisimme aloittaa ensin kanavien karakterisoinnin ja sitten järjestelmäsuunnittelun sopivilla diversiteettimenetelmillä, jotta saavutamme vaadittavat luotettavuustavoitteet. Odotamme ensimmäisiä tuloksia keväällä 2021.”

Viimeksi päivitetty: 12.6.2020