Langattomia anturiverkkoja hyödynnetään monissa käyttökohteissa ja sovelluksissa (kuva 1). Verkon solmuilla voi olla erilaisia tehtäviä, ja verkon rakenne voi vaihdella tilanteen mukaan esimerkiksi tähti- ja silmukkatopologian välillä. Yhteistä tällaisille verkoille on, että antureiden tuottama mittausdata täytyy saada välitettyä keskitetysti jatkokäsittelyyn (Suojanen 2018, 108–109). Luvasta vapaat lyhyen kantaman radiotekniikat tarjoavat tähän käyttötarkoitukseen useita erilaisia ratkaisuja. Energiatehokkuutta ja pientä tiedonsiirtonopeutta edustavia tekniikoita ovat esimerkiksi CSA:n (Connectivity Standards Alliance) kehittämä Zigbee ja LoRa-allianssin hallinnoima LoRaWAN.
Jotta valitusta tiedonsiirtotekniikasta saataisiin paras hyöty ja suorituskyky, ei verkon solmuja kannata sijoitella toiminta-alueelle täysin satunnaisesti. Langattoman anturiverkon rakenteen ja yhteysetäisyyksien suunnittelussa voidaan hyödyntää esimerkiksi linkkibudjettianalyysiä, jossa laiteparametrien avulla lasketaan lähettimen ja vastaanottimen välillä sallittu suurin vaimennus (Niemelä ym. 2012, 26–27). Tällainen suunnittelumenetelmä ei kuitenkaan ota juurikaan kantaa asennusympäristöön. Signaalin reitille osuvat maaston muodot ja rakennukset voivat aiheuttaa esimerkiksi vaimennusta, joka heikentää tiedonsiirtonopeutta ja rajoittaa yhteysetäisyyttä.
Anturiverkon optimointi simulointiohjelmistolla
Langattoman anturiverkon suunnittelu voidaan viedä uudelle tasolle radioteknisten ilmiöiden mallintamiseen keskittyvien simulointiohjelmistojen avulla. Ohjelmistot tarjoavat tyypillisesti työkaluja verkon yhteysetäisyyksien, peittoalueiden ja mahdollisten häiriötilanteiden selvittämiseen. Simulointi perustuu tehokkaaseen laskentamoottoriin, joka hyödyntää erilaisia kartta- ja korkeusmalliaineistoja sekä vaihtoehtoisia signaalin etenemistä kuvaavia malleja. (ATDI 2021, 9–11, 22.)
Simulointiohjelmistoissa käytetty karttadata vaikuttaa olennaisesti simulaation lopputuloksen tarkkuuteen. Matalan resoluution kartta-aineistoa voidaan käyttää esimerkiksi verkkojen yleiseen luonnosteluun ja taajuushallinnan koordinointiin. Korkean resoluution aineistossa on mahdollista erotella yksittäisiä rakennuksia ja puita toisistaan. Tällaisella aineistolla radiosignaalin etenemistä voidaan mallintaa hyvin realistisesti heijastukset ja vaimentumiset huomioiden. Tarkempi mallinnus kohdistaa luonnollisesti lisää vaatimuksia laskentaympäristön suorituskyvylle. Nykyaikaiset simulointiohjelmistot mahdollistavat simuloinnin laajentamisen fyysisen kerroksen lisäksi myös OSI-mallin (Open Systems Interconnection model) ylemmille kerroksille, jolloin esimerkiksi liikenteen reititys voidaan sisällyttää osaksi tarkastelua.
Pekka Riipinen käsitteli YAMK-opinnäytetyössään langattoman anturiverkon tiedonsiirtomenetelmiä. Erilaisten tekniikoiden vertailu toteutettiin simulointiohjelmiston avulla. Simulointi osoittautui toimivaksi vertailumenetelmäksi ja saadut tulokset auttoivat suorituskykyisimmän radiotekniikan valinnassa. Lisäksi simuloinnin avulla havaittiin, että verkon solmujen antennikorkeudet vaikuttivat yhteysetäisyyksiin hyvin merkittävästi. (Riipinen 2023.)
Kirjoittajat
Pekka Riipinen opiskelee LAB-ammattikorkeakoulussa IoT:stä tekoälyyn -koulutusohjelmassa ja työskentelee osastoinsinöörinä RF-tekniikan parissa.
Rami Viksilä, MEng, toimii LAB-ammattikorkeakoulussa lehtorina tieto- ja viestintätekniikan insinöörikoulutuksessa (AMK/YAMK).
Lähteet
ATDI. 2021. Spectrum Management and Electronic Warfare. Viitattu 15.11.2023. Saatavissa https://atdi.com/wp-content/uploads/2021/08/BSMS_HTZ-Warfare_2021.pdf
geralt. 2018. Kaupunki, panoraama, smartphone. Pixabay. Viitattu 14.12.2023. Saatavissa https://pixabay.com/fi/photos/kaupunki-panoraama-smartphone-3213676/
Niemelä, J., Asp, A. & Sydorov Y. 2012. Radiosignaalin vaimennusmittauksia nykyaikaisissa asuintaloissa. Tampereen teknillinen yliopisto. Loppuraportti. Viitattu 15.11.2023. Saatavissa https://www.rt.fi/globalassets/rakentamisen-kehittaminen/niemela_radiosignaalin_vaimennusmittauksia.pdf
Riipinen, P. 2023. Lyhyen kantaman radiotekniikat langattoman anturiverkon perustana. YAMK-opinnäytetyö. LAB-ammattikorkeakoulu. Viitattu 18.11.2023. Saatavissa https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023111729958
Suojanen, M. 2018. Military Communications in the Future Battlefield. Norwood: Artech House.
