Kuvaaja
Abby Kraftowitz
Kirjoittaja
Petja Partanen

Vuoden väitöskirja tuplaa 5G-verkon välityskyvyn

Tutkija Taneli Riihonen näytti väitöstyössään, miten seuraavan sukupolven kännykkäverkon tiedonsiirtokapasiteetti voidaan lähes kaksinkertaistaa. Radiotaajuuksien ruuhkautuessa tämä oivallus on kullanarvoinen.

Tuorein tunnustus Taneli Riihosen uusia uria aukovalle työlle on TEKin ja TFiFin (Tekniska Föreningen i Finland) vuoden 2015 väitöskirjapalkinto. Mutta se ei ole ensimmäinen arvostuksen osoitus hänen väitöstyölleen.

”He and his thesis are exceptional cases”, kirjoittaa Riihosen väitöstyötä ohjannut Stefan Werner kirjan takakannessa. Näin on myös numeroiden valossa. Harvan juuri väitelleen tutkijan tutkimuspapereihin on viitattu yli 1 400 kertaa. Aalto-yliopiston tutkija Riihonen tuli väitöstyöllään käynnistäneeksi kokonaan uuden tutkimusalueen. Hän kyseenalaisti vallitsevan tieteellisen totuuden ja osoitti, että tulevaisuuden radioverkkojen tiedonsiirtokapasiteettia voidaan kasvattaa huomattavasti. 

Nykyisten 4G-kännykkäverkkojen tukiaseman peittoalueen koko vaihtelee sadoista metreistä muutamaan kilometriin. Yksittäisen tukiaseman peittoaluetta voidaan laajentaa monihyppyisillä teknologioilla: kännykkäpuhelu ohjautuu tukiasemalle hyppien välitinlaitteiden kautta. 

– Välittimet ovat samanlaisia verkkolaitteita kuin matkapuhelinverkon tukiasemat, mutta ne voi sijoittaa vapaammin. Tukiasema tarvitsee toimiakseen valokuitukaapelin, välitin vain sähköä. Välittimien käytöllä on sama vaikutus kuin tukiasemaverkon tihentämisellä, Riihonen selvittää. 

 

Half-duplexista full-duplexiin

Jos matkapuhelinverkko hyödyntää langattomia välitinlaitteita, vältytään valokaapelin kaivamiselta maahan, mutta törmätään uuteen ongelmaan. Radioaalloilla on ruuhkaa, ja samantaajuiset radiolähetykset häiritsevät toisiaan. Lähetys ja vastaanotto täytyy tehdä joko eri taajuuksilla tai eri aikaan.

Vanhan ajan radiopuhelimissa vuorottelusta huolehti tangenttinappi, jota painettiin aina puhuessa. Tämä on alkukantainen half-duplex-järjestelmä. Yhteys on kaksisuuntainen, mutta lähettäviä osapuolia voi olla vain yksi kerrallaan.

Digitaalisissa langattomissa verkoissa ongelma taas ratkaistaan monimutkaisen signaalinkäsittelyn keinoin. Samaan kanavaan pakataan satoja puheluja, mutta radioyhteys toimii edelleen vain yhteen suuntaan kerrallaan. Vuorottelua tehdään monin eri tavoin: tietoa siirretään hieman toisistaan poikkeavilla taajuuksilla (taajuusjakoinen järjestelmä), eri aikaan (aikajakoinen järjestelmä) tai erottelemalla samantaajuiset lähetykset toisistaan koodeilla.

Vuonna 2005 Riihonen oli töissä Nokian tutkimuskeskuksessa tekemässä diplomityötään matkapuhelinverkon välitinlaitteista. Tuolloin hän tuli ensi kertaa pohtineeksi, voisiko välitinlaite vastaanottaa ja lähettää dataa samanaikaisesti – samalla taajuudella. Tällainen aidosti kaksisuuntainen full-duplex-välitin mullistaisi langattoman tietoliikenteen periaatteet. 

– Tämä on aikaisemmin oletettu mahdottomaksi. Väitöstyöni suurin saavutus oli tämän totuuden kyseenalaistaminen, Riihonen toteaa.

Väitöstyössä kiinnostava ajatus jalostui tieteelliseksi tiedoksi. Riihonen esittää väitös-kirjassaan, että välittimien kannattaa usein lähettää ja vastaanottaa samanaikaisesti samalla taajuudella, huolimatta niiden itse itselleen aiheuttamasta häiriöstä. Riihonen kehitti myös erilaisia signaalinkäsittelymenetelmiä, joilla häiriöitä voidaan vähentää. Kaiken lisäksi hänen laskennallinen suorituskykyanalyysinsa osoitti, että konsepti myös toimii. Käytännön testit odottavat vielä tulevaisuudessa, sillä tutkijan esittämiä verkkolaitteita ei vielä kukaan ole rakentanut, alkeellisia prototyyppejä lukuun ottamatta.

Taneli Riihonen on post doc -tutkijavaihdossa Columbian yliopistossa New Yorkissa, joten palkintokahvit kotimaassa juodaan myöhemmin.

Väitöksestä tuli järkäle

Riihosen esittämä full-duplex-tiedonsiirto on uusi lupaava konsepti, joka kiinnostaa tutkijoita ympäri maailman. Siitä on muutamassa vuodessa kehkeytynyt perustutkimusvaiheessa oleva teknologia, joka voi tulevaisuudessa mullistaa langattoman tietoliikenteen periaatteet. Jos sama taajuusalue voidaan hyödyntää sekä lähetyksessä että vastaanotossa, tiedonsiirtokapasiteetti taajuuskaistaa kohti voidaan parhaimmillaan jopa kaksinkertaistaa.

Riihosen väitöstyön viitatuin paperi käsittelee sitä, miten päästä eroon samalla taajuudella lähettävää ja vastaanottavaa välitinlaitetta vaivaavasta itse-interferenssistä. Vuonna 2011 julkaistu paperi on kerännyt jo yli 200 viittausta.

Itse väitöskirja on melkoinen järkäle. Yli 300-sivuinen monografia pohjautuu kaikkiaan 50 tieteelliseen artikkeliin, konferenssipaperiin ja yhteisjulkaisuun toisten tutkijoiden kanssa. 

Väitöksensä kirjoitusvaiheessa Taneli Riihonen meni professori Risto Wichmanin huoneeseen kertomaan, että haluaisi vielä tutkia erästä asiaa. 

– Sinulla on materiaalia jo kahteen tai kolmeen väitöskirjaan, kuului vastaus.

Vastaväittäjänä toimi saksalaisprofessori Robert Schober, joka on yksi langattoman tiedonsiirron huippututkijoista maailmassa. Hänkin oli vaikuttunut Riihosen aikaansaannoksista.

– Hän kirjoitti aika ylistävän lausunnon väitöskirjasta.

Samaa mieltä oli myös TEKin ja TFiFin vuoden väitöskirjan valintaraati. Riihonen oli palkintotoimikunnan ylivoimainen suosikki 22 ehdokkaan joukosta. Kaikki toimikunnan jäsenet asettivat hänet ykköseksi. 

– Taneli Riihosen työ on myös kansainvälisen mittapuun mukaan korkeatasoinen ja hyvin tehty. Työn uraauurtavat tulokset ovat luoneet perustan tällä hetkellä laajalti ympäri maailman tehtävälle tutkimukselle, perusteli raati valintaansa.

Oliko 7 500 euron väitöskirjapalkinto yllätys? 

– Oli se. Kuulin kyllä, että työtä oli ehdotettu, mutta olin unohtanut koko asian.

 

Käyttöä 5G- ja WLAN-verkoissa

Tulevaisuuden radioteknologiat ovat parhaillaan suunnitteilla. Kukaan ei vielä tiedä, mille kaikille teknologioille seuraavan sukupolven matkapuhelinverkot perustuvat, mutta yksi asia on varma. Tiedonsiirtokapasiteettia tarvitaan lisää, ja radiotaajuudet ovat rajalliset. Riihonen arvioi, että radiotaajuuksien edelleen ruuhkautuessa full-duplex-radioteknologian maailmanlaajuinen markkina-arvo voi olla jopa satoja miljardeja euroja. 

Riihosen väitöstyössä esitetään melkoisen valmis resepti full-duplex-lähetinten hyödyntämiseksi seuraavan sukupolven matkapuhelinverkoissa. Yksi väitöskirjan uusista ideoista on lähetystehon älykäs säätö. Sillä päästään tehokkaasti eroon full-duplex-välittimen itselleen aiheuttamista häiriöistä. Toinen uusi tutkimusoivallus on algoritmi, joka valitsee älykkäästi full- ja half-duplex-tilojen välillä lähetyksen aikana. Jos full-duplex-lähetyksen itsehäiriöt kasvavat niin suuriksi, että kasvaneen tiedonsiirtonopeuden hyödyt ulosmitataan, siirtyy välitin perinteiseen half-duplex-tilaan.

Tietoliikenneteollisuus pohtii parhaillaan full-duplex-teknologian käyttöä niin 5G-matka-puhelinverkossa kuin tulevissa WLAN-standardeissa. Matkapuhelinverkon välitinlaitteista alkanut tutkimustyö voi tulevaisuudessa yleistyä myös muissa radiovastaanottimissa ja -verkoissa. 

Riihonen ei tiedä, joko hänen väitöstään luetaan Nokian ja Ericssonin kaltaisten verkkolaitevalmistajien tuotekehitysosastoilla. Perustutkimuksesta tuotekehitykseen on pitkä matka. 

– Tämä on enemmänkin uuden idean esiintuontia, tutkija toteaa vaatimattomasti. 

 

Taneli Riihosen tie tekniikan tohtoriksi

 

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?

”Aika arkinen tavoite: haluaisin tehdä töitä Suomessa, palvella yhteiskuntaa, tehdä tutkimusta ja opettaa seuraavaa tutkijasukupolvea. Ei sen kummempaa.”

Lempiharrastus

Suunnistus, purjelento ja sienestys.

Suosikkileikkikalu

Bumerangi. ”Useampana kesänä olen käynyt heittelemässä. Tyynellä säällä saan heitettyä niin, että saan kopin. Pitäisi opiskella vähän lisää aerodynamiikkaa, että ymmärtäisi lentoradan ja miten bumerangia pitäisi taivuttaa, että sen saisi lentämään juuri oikealla tavalla.”

 

Ristijärveltä Manhattanille

Taneli Riihonen vastaa Skype-puheluun lokakuisena perjantai-aamuna Manhattanilla, Columbian yliopiston kampuksella sijaitsevassa vierailija-asunnossaan. Riihosen koti ja työpaikka on sijainnut keskellä New Yorkia marraskuusta 2014. Tuolloin hän lähti postdoc-tutkijavaihtoon yhteen maailman Top 10 -huippuyliopistoista. 

Mitä on tutkijan ohjelmassa viikonloppuna? 

– Sunnuntaina menen juoksemaan Staten Islandin puolimaratonin, Riihonen kertoo.

Tutkimustyön ohessa hän yrittää harrastaa liikuntaa vähintään joka toinen päivä. 

– Juoksemalla pidän kuntoa yllä. Suunnistaminen ei ole kovin hauskaa jos ei ole kunnossa.

Kainuulaissyntyisen Riihosen lempiharrastukset ovat suunnistus, purjelento ja sienestys. Mahdollisuudet niihin keskellä Manhattania ovat varsin rajalliset.  

– Suunnistamassa kävin viimeksi kesällä 2014, tänä kesänä ehdin purjelentämään pari keikkaa Räyskälässä, Riihonen kertoo. 

Tutkimustyö yhdessä maailman huippuyliopistoista ei Riihosen mukaan juuri poikkea Aalto-yliopistosta. Riihonen viimeistelee parhaillaan viimeistä tieteellistä artikkelia full-duplex-aiheesta.

– Ajattelin perehtyä muihinkin aiheisiin, mutta vielä jäi vähän hampaankoloon.

Suuri ero Aalto-yliopiston arkeen on elämänrytmi. Opiskelijatkin tekevät Columbiassa ympäripyöreitä päiviä.

– Luennoin täällä syksyn ajan kurssia, jonka luennot alkavat seitsemän jälkeen illalla. Aallossa se ei tulisi kuuloonkaan, täällä se on aivan tavallista.

Riihosen tutkimustyöllä on aikamoista kaupallista potentiaalia. Lähes jokaisella ihmisellä on jo matkapuhelin taskussaan, ja verkkojen toimivuutta parantavat innovaatiot ovat rahanarvoisia. Haluaisiko Riihonen mukaan kaupallistamaan tutkimustaan? Ei kuulemma erityisemmin. Myös paluu Suomeen on selviö. 

– Kahdesta asiasta olen varma: haluan tehdä akateemisen uran, ja pääasiassa Suomessa, Riihonen pohtii. 

Tähänastisen uran huippuhetki oli aurinkoinen väitöspäivä kesällä 2014. Mikä voisi olla tutkijan huippuhetki tulevaisuudessa?

– Tutkijan elämä on kyllä arkista. Haluaisin tehdä reilut 30 vuotta hyvää tutkimusta.

 

Asiasana