Full-duplex-radiosuojakilpi haitallisen radio-ohjauksen torjunnassa

(1)

Antti-Pekka Saarinen

FULL-DUPLEX-RADIOSUOJAKILPI

HAITALLISEN RADIO-OHJAUKSEN TORJUNNASSA

Kandidaatintyö

Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta (ITC)

Tarkastaja: Taneli Riihonen

Tammikuu 2021

(2)

TIIVISTELMÄ

Antti-Pekka Saarinen: Full-duplex-radiosuojakilpi haitallisen radio-ohjauksen torjunnassa Kandidaatintyö

Tampereen yliopisto

Tieto- ja sähkötekniikan kandidaatin tutkinto-ohjelma Tammikuu 2021

Tämän kandidaatintyön aiheena on full-duplex-tekniikalla toteutettu radiosuojakilpijärjestelmä haitallisten radio-ohjattujen laitteiden torjumiseen. Full-duplex-tekniikka on ollut viime vuosina kasvavan kiinnostuksen kohteena tietoliikennetekniikan alalla tiedonsiirtomäärien kasvaessa ja taajuusalueiden ruuhkautuessa. Full-duplex tarkoittaa samanaikaista tiedonsiirtoa kahteen suuntaan, ja se voi olla osa ratkaisua tiedonsiirtokapasiteetin kasvattamisessa tulevaisuuden tarpei- den täyttämiseksi. Lisäksi se tarjoaa uusia mahdollisuuksia radiohäirinnässä, joka on ajankohtai- nen aihe erityisesti turvallisuus- ja puolustusalalla. Radiosuojakilpi luodaan lähettämällä radiohäi- rintää full-duplex-laitteen ympärille.

Työ koostuu kahdesta osasta. Kirjallisuuskatsausosassa esitellään full-duplex-tekniikan toimintaperiaate ja käsitellään sen hyötyjä tiedonsiirrossa, sekä sen avaamia mahdollisuuksia radiohäi- rinnässä. Tutkimusosassa tarkastellaan full-duplex radiosuojakilven toimintaa teoriassa ja suori- tetaan käytännön mittauksia prototyyppilaitteella. Työn tavoitteena on selvittää radiohäirinnän vaikutus ja peittoalue, sekä kuinka hyvin full-duplex-tekniikan mahdollistama hyötydatan vastaanottaminen onnistuu samanaikaisesti häirintäsignaalin lähettämisen kanssa.

Käytännön mittauksissa kohdistamattomalla laajakaistahäirinnällä full-duplex-laitteen ympärille saatiin luotua yli 10 metrin säteinen radiosuojakilpi, jonka alueella radio-ohjatun räjähteen laukaiseminen torjuttiin. Vastaavasti kun laukaisemiseen käytetyt kanavat tiedettiin, voitiin käyttää kohdistettua monikanavahäirintää, jolla radiosuojakilven peittoalueeksi saatiin noin 40 metriä. Hyö- tydatan vastaanottamista samanaikaisesti häirinnän kanssa testattiin kahdella tavalla: havainnoi- malla laukaisusignaali taajuuskaistasta ja vastaanottamalla WLAN- tai Bluetooth-signaalia. Full- duplex-laitteessa mitatut SINR-arvot (engl. signal-to-interference-plus-noise ratio) molemmissa testitavoissa osoittivat, että hyötydatan vastaanottaminen onnistui samalla kun radiosuojakilpeä ylläpidettiin.

Työn tuloksista voidaan päätellä, että full-duplex-tekniikka mahdollistaa monipuolisen radiohäirin- tälaitteen kehittämisen, joka pystyy reaaliajassa havainnoimaan häirittävän signaalin ja adaptiivi- sesti häiritsemään sitä. Torjunnan kohteena voi olla esimerkiksi improvisoitu räjähde eli IED (engl.

improvised explosive device) tai kauko-ohjattava lennokki. Lisäksi voidaan olettaa, että pelkäs- tään häirinnän tehotasoa kasvattamalla voitaisiin saavuttaa huomattavasti suurempia peittoalueita kuin tämän työn mittauksissa, joissa käytettiin verrattain pieniä häirintätehoja.

Avainsanat: Full-duplex, radiohäirintä, radiosuojakilpi, radio-ohjattavat improvisoidut räjähteet, adaptiivinen häirintä, drone, lennokki

Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.

(3)

ALKUSANAT

Työ on tehty Maanpuolustuksen tieteellisen neuvottelukunnan (MATINEn) rahoittamissa

”Full-duplex radioteknologia sotilaskäytössä” ja "Miehittämättömien ilma-alusten elektroninen torjunta" -tutkimushankkeissa.

Haluan kiittää TkT Taneli Riihosta suuresta avusta työn ideoinnissa ja ohjauksessa. Ha- luan kiittää myös kaikkia tutkimushankkeisiin osallistuneita, joiden kanssa olen saanut työskennellä. Lisäksi kiitokset myös tyttöystävälleni suuresta tuesta.

Tampereella, 21.1.2021

Antti-Pekka Saarinen

(4)

SISÄLLYSLUETTELO

1.JOHDANTO ... 1

2. FULL-DUPLEX-RADIOTEKNIIKKA ... 3

Toimintaperiaate ... 3

Hyödyt tiedonsiirtosovelluksissa ... 5

Mahdollisuudet turvallisuus- ja puolustussektorilla ... 8

2.3.1 Radiohäirinnän skenaariot ja periaatteet ... 8

2.3.2 Radiohäirintäsovellukset ... 9

3.FULL-DUPLEX-RADIOSUOJAKILVEN TEORIA ... 12

Radiosuojakilpijärjestelmä teoriassa... 13

RC-vastaanottimen häirintä ... 14

Hyötysignaalin vastaanottaminen ... 18

4.FULL-DUPLEX-RADIOHÄIRINTÄ KÄYTÄNNÖSSÄ ... 21

Mittausten käytännön järjestelyt ... 21

4.1.1 Full-duplex-järjestelmä ... 21

4.1.2 RC-lähetin ja -vastaanotin ... 22

4.1.3 WLAN/Bluetooth-lähetin ... 24

Mittaustulokset ... 25

4.2.1 Häirinnän onnistuminen ... 25

4.2.2 Hyötysignaalin vastaanotto ... 27

5.YHTEENVETO ... 30

LÄHTEET ... 31

(5)

1. JOHDANTO

Full-duplex on radiotekniikka, jolla voidaan suorittaa sekä radiolähetystä että -vastaanottamista samanaikaisesti yhdellä radiotaajuusalueella. Full-duplex-tekniikan tutkimus on etenkin viiden viime vuoden aikana kiihtynyt nopealla tahdilla tietoliikennetekniikan alalla, kun aikaisemmin käytännössä mahdottomana pidetyn toteutuksen suurimpia ongelmia on alan läpimurtojen ja tekniikan kehittymisen myötä saatu ratkaistua [1]. Full- duplex-tekniikan potentiaali tiedonsiirtokapasiteetin ja siirtonopeuksien kaksinkertaista- jana langattomassa tietoliikenteessä on ollut suurena mielenkiinnon kohteena esimerkiksi radiospektrin ruuhkautumisen kanssa tuskailevien teleoperaattoreiden ja mobiili- verkkotekniikkaa kehittävien yritysten keskuudessa jo pitkään [2]. Lisäksi full-duplex-tekniikalla on potentiaalia luoda uusia ulottuvuuksia ja mahdollisuuksia monille muillekin ra- diotekniikkaa käyttäville aloille esimerkiksi turvallisuus- ja puolustussektorilla [3].

Radiosuojakilpi on käytännössä radiotaajuudella suoritettavaa häirintää, jolla estetään kilven toiminta-alueella mahdollisuus epätoivotun signaalin vastaanottamiseen tai kilven toiminta-alueen sisäpuolella kulkevan tiedonsiirron salakuuntelu. Tämän kandidaatin- työn aiheena on full-duplex-tekniikalla toteutetun radiosuojakilpijärjestelmän toiminnan pohjalla olevan teorian analysointi, sekä järjestelmän käytännön toteutuksen laitteiston ja mittaustulosten esittely. Käytännön mittauksissa prototyyppijärjestelmällä pyrittiin luomaan radiosuojakilpi, jonka peittoalueella estettiin radio-ohjattavan improvisoidun räjäh- teen laukaiseminen. Järjestelmä toimi ISM-taajuusalueella (engl. industrial, scientific and medical) ja sen tavoitteena oli pystyä ylläpitämään radiosuojakilpeä ja samanaikaisesti vastaanottamaan hyödyllistä tiedonsiirtosignaalia. Tiedonsiirtosignaalina mittauksissa toimivat WLAN- tai Bluetooth-signaali sekä torjuttavan räjähteen laukaisusignaali, joka pyrittiin havaitsemaan.

Teorian pohjalta luodut ja käytännön mittausten mukaan sovitetut matemaattiset mallit havainnollistavat ja selittävät eri lähetystehojen ja häirintäsignaalien eroavaisuudet, sekä auttavat ymmärtämään radiosuojakilven tehokkuutta ja hyötysignaalin vastaanottamisen onnistumista käytännön mittauksissa. Lisäksi mallit antavat suuntaa prototyypin toimin- nasta myös muunlaisilla parametreilla, kuin mitä tähän työhön liittyvissä käytännön mittauksissa käytetiin. Tekniikan toiminnan ohella työssä on esitetty erilaisia full-duplex-tekniikkaa hyödyntäviä taktisia häirintäskenaarioita, joita esimerkiksi turvallisuus- ja puolustussektorin toimijat voisivat hyödyntää.

(6)

Työssä esitellyt mittaustulokset osoittavat, että radiosuojakilpijärjestelmä toimii estäen epätoivotun radiosignaalin vastaanottamisen suojakilven peittoalueella, jonka suuruus on kokoluokaltaan tarpeeksi suuri ollakseen hyödyllinen käytännön toteutuksissa. Li- säksi full-duplexin-tekniikan ansiosta samanaikaisesti suojakilven ylläpitämisen kanssa pystytään sekä vastaanottamaan hyödyllistä WLAN- tai Bluetooth-tiedonsiirtosignaalia, että havaitsemaan lähetetty radiosignaali, jonka vastaanottaminen estetään. Full-duplex- prototyypin perustana toimi vektorisignaalilähetin-vastaanotin – laite eli VST (engl. vector signal transceiver) ja erityisvalmisteinen dipoliantenni, jota käytettiin sekä häirintäsignaa- lin lähettämiseen, että hyötysignaalin vastaanottamiseen. Prototyypin kolmivaiheinen itseinterferenssin poisto saavutti noin 90–100 dB vaimennuksen, joka mahdollisti hyödyl- lisen tiedonsiirtosignaalin vastaanottamisen.

Ensimmäiseksi luvussa 2 käydään läpi full-duplex-tekniikan toimintaperiaatetta, käsitel- lään sen käytännön toteuttamisen haasteita, sekä kerrotaan sen tarjoamista mahdolli- suuksista yleisesti tiedonsiirrossa ja radiohäirinnän sektorilla. Tämän jälkeen luvussa 3 perehdytään työssä käsiteltävän radiosuojakilpijärjestelmän toimintaan teoriassa ja esi- tellään käytännössä suoritettujen mittausten pohjalta rakennettujen teoreettisten mallien havainnollistamia radiohäirintäskenaarioita. Luku 4 käsittelee Tampereen yliopiston Her- vannan kampuksella käytännössä toteutettua prototyyppijärjestelmää ja sillä tehtyjä mittauksia ulkoilmassa. Luvussa myös arvioidaan järjestelmän toimivuutta oikeissa olosuhteissa ja verrataan mittaustuloksia teoreettisiin malleihin. Lopuksi yhteenveto kokoaa työn tulokset ja päätelmät yhteen.

(7)

2. FULL-DUPLEX-RADIOTEKNIIKKA

Full-duplex on tietoliikennetekniikan termi, jolla tarkoitetaan samanaikaista liikennettä kahteen suuntaan. Tässä luvussa käsitellään full-duplex-tekniikan toimintaperiaatetta, sekä sen haasteita ja mahdollisuuksia langattomassa tiedonsiirrossa. Luvun lopussa pa- neudutaan myös full-duplex-tekniikan tuomiin mahdollisuuksiin radiojärjestelmissä turvallisuus- ja puolustussektorilla.

Toimintaperiaate

Full-duplex-radio on laite, jolla voidaan samanaikaisesti tietyllä taajuuskaistalla sekä lä- hettää että vastaanottaa radiosignaaleita. Full-duplexia yksinkertaisempi tekniikka half- duplex pystyy lähettämiseen tai vastaanottamiseen vain vuorotellen. Full-duplexilla voidaan tarkoittaa half-duplex-tekniikalla toteutettua järjestelmää, kuten kaksisuuntaista pu- helua, jossa pystytään lähettämään ja vastaanottamaan eli puhumaan ja kuuntelemaan näennäisesti samaan aikaan. Käytännössä tällainen järjestelmä kuitenkin toimii lähettä- mällä ja vastaanottamalla vain vuorotellen aikajakoisesti (engl. time-division duplex). En- nen viime vuosien läpimurtoja alalla full-duplex-tekniikaksi on yleisesti kutsuttu radiosig- naalien lähettämistä ja vastaanottamista samaan aikaan taajuusjakoisesti (engl. frequency-division duplex) eli eri taajuuskaistoja käyttäen. Taajuusjakoinen samanaikainen kommunikaatio kahteen suuntaan vaikuttaa käyttäjästä full-duplexilta, mutta teknisesti määriteltynä se ei nykyään sitä kuitenkaan ole. Tässä työssä full-duplexilla tarkoitetaan järjestelmää, jossa tiedonsiirto tapahtuu molempiin suuntiin aidosti samanaikaisesti ja samalla taajuuskaistalla (engl. in-band full-duplex). Yksityiskohtaisempaa tietoa full-duplex-tekniikasta voi lukea lähteistä [1], [4]-[11].

Käytännössä full-duplex-järjestelmän toteuttamisessa suurin haaste on itseinterferenssin (engl. self-interference) poistaminen. Itseinterferenssi tarkoittaa lähetetyn signaalin ylikuulumista vastaanotettavaan signaaliin, jolloin tämä signaalien yhdistelmä ei enää vastaa pelkkää alun perin vastaanotettavaksi tarkoitettua signaalia. Itseinterferenssin poistaminen on tarpeellista, sillä järjestelmästä lähetetyn oman signaalin teho on vastaanottimeen saapuessaan huomattavasti suurempi verrattuna vastaanotettavaan hyö- tysignaaliin. Hyötysignaali on vaimentunut paljon lähetettyä signaalia enemmän saapuessaan pidemmän matkan päästä kuin full-duplex-laitteen oma lähetys, joka lähtee joko samasta tai lähellä olevasta toisesta antennista [2]. Periaatteessa poistaminen voitaisiin toteuttaa pelkällä vähennyslaskulla eli erottamalla valmiiksi tiedossa oleva lähetetty sig-

(8)

naali vastaanotetusta signaalista, mutta käytännössä se ei kuitenkaan ole niin yksinker- taista. Tiedetty digitaalinen lähetetty signaali vääristyy matkalla vastaanottimeen niin paljon, ettei yksinkertainen saman signaalin vähentäminen toimi. Vääristyminen johtuu lä- hetyspäässä esimerkiksi signaalin muuntamisesta analogiseksi ja sen kulkemisesta ana- logisten komponenttien läpi sekä vahvistamisesta, mitkä aiheuttavat siihen säröä, kohinaa ja viivettä jo ennen kuin se edes lähetetään antennin kautta. Lisäksi signaalin kulke- massa kanavassa eli matkassa lähettimestä vastaanottimeen ympäristön aiheuttamat heijastukset johtavat siihen, että signaalista saapuu vastaanottimeen kopioita eri tehota- soilla ja viiveen takia eri ajan hetkillä. Lopullinen vastaanotettu signaali on näiden sig- naalikomponenttien summa. [12]

Kuva 1. Full-duplex-radiolaite (a) kahden ja (b) yhden antennin toteutuksena.

Itseinterferenssiongelman ratkaisu koostuu yleensä kolmesta eri osasta: passiivisesta vaimennuksesta, analogisesta poistamisesta ja digitaalisesta poistamisesta. Passiivisen vaimennuksen tarkoitus on vähentää itseinterferenssiä fyysisellä eristämisellä tai vai- mentamisella lähetin- ja vastaanotinantennien välillä. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi kuvan 1 (a) kaltaisella toteutuksella, jossa käytetään erillisiä antenneja lähettämiseen ja vastaanottamiseen ja antennit on asetettu erilleen toisistaan passiivisen vaimennuksen aikaansaamiseksi [5]. Erillisiä antenneja käytettäessä ne voidaan myös kohdistaa eri suuntiin, käyttää eri polarisaatioita ja eristää toisistaan esimerkiksi esteellä suuremman passiivisen vaimennuksen saavuttamiseksi [13], [14]. Yhtä antennia sekä lähettämiseen että vastaanottamiseen käytettäessä, kuten kuvassa 1 (b), samankaltainen mutta huomattavasti huonompi passiivinen vaimennus voidaan toteuttaa eristävällä komponentilla, kuten kiertoelimellä (engl. circulator), joka erottaa lähetin- ja vastaanottopiirit toisistaan [5].

(9)

Analoginen poistaminen pyrkii vähentämään itseinterferenssiä ennen kuin signaali digi- toidaan. Analogisen poistamisen toimintaperiaate perustuu käänteisen itseinterferenssi- signaalin luomiseen referenssisignaaliksi, joka yhdistetään vastaanottimessa itseinterferenssin kanssa sen kumoamiseksi. Käänteisen signaalin luonti perustuu vaiheen kään- tämiseen ja se voidaan toteuttaa balun-muuntajalla tai viivelinjalla. Referenssisignaalin luomisessa täytyy ottaa huomioon signaalin kulkeminen kanavassa, joka aiheuttaa vii- vettä ja vaimenemista. Lisäksi ajassa muuttuva ympäristö aiheuttaa muutoksia itseinter- ferenssiin esimerkiksi monitie-etenemisen takia. Näitä muutoksia huomioon ottavia pa- rametreja jatkuvasti automaattisesti säätämällä referenssisignaali saadaan vastaamaan riittävän hyvin itseinterferenssiä. [5], [15]

Vastaanottimen kokema kohina muodostuu taustakohinasta ja itseinterferenssistä jäl- jelle jääneestä osuudesta eli jäännösinterferenssistä. Digitaalisen poistamisen tarkoitus on käsitellä digitoitua signaalia niin, että analogisen poistamisen jälkeen itseinterferens- siä saadaan vähennettyä vielä sen verran, että hyötysignaali jää tarpeeksi kohinatason yläpuolelle ja vastaanotin pystyy erottamaan signaalin kohinasta. Digitaalinen poistaminen koostuu kahdesta osasta: itseinterferenssin kulkeman kanavan ennustamisesta ja sen perusteella luotujen näytteiden vähentämisestä vastaanotetusta signaalista. Käytän- nössä siis algoritmien avulla pyritään ennustamaan signaalin käyttäytyminen tiedonsiir- tokanavassa etenkin kanavan aiheuttamien epälinearisuuksien osalta, jotta itseinterferenssi pystytään poistamaan mahdollisimman tarkasti. [5], [15]

Vaimennustekniikoiden suuruusluokkia itseinterferenssin poistamisessa. [15]

Taulukkoon 1 on koottu eri vaimennustekniikoiden suuntaa antavia vaimennusten suuruusluokkia itseinterferenssin poistamisessa. Erilaisilla antenniratkaisuilla pystytään melko suureen itseinterferenssin poistamiseen, etenkin jos käytetään kahta tai useam- paa antennia. On kuitenkin selvää, että lisäksi vaaditaan analogista ja todennäköisesti myös digitaalista poistamista, jotta itseinterferenssiä saadaan poistettua riittävästi.

Hyödyt tiedonsiirtosovelluksissa

Full-duplex-tekniikka tuo monenlaisia parannuksia langattomaan tiedonsiirtoon esimerkiksi kapasiteetin, laitteiden välisen kommunikoinnin ja verkkoon pääsyn osalta. Alun

Vaimennustekniikka Vaimennuksen suuruus (dB)

Antennien suuntaus 30

Antennien sijoittaminen 47

Antennien erottaminen 30

Ristipolarisaatio 50

Balun-muuntaja (kiertoelin) Digitaalinen poistaminen

45 60

(10)

perin full-duplex-tekniikan tutkimus lähtikin liikkeelle juuri tiedonsiirtokapasiteetin huo- mattavan parantamisen motivoimana, sillä nykyään radiospektri alkaa olemaan melko ruuhkainen. Teoriassa spektraalisen tehokkuuden kaksinkertaistaminen on mahdollista, kun tiedonsiirto onnistuu kahteen suuntaan samaan aikaan käyttämällä vain saman verran taajuuskaistaa kuin aiemminkin half-duplex-tekniikoilla. Esimerkiksi teleoperaatto- reille tiedonsiirtokapasiteetin kaksinkertaistaminen voisi tuoda satojen miljoonien eurojen säästöt radiospektrin vuokraamisessa tai ostamisessa, kun ne joutuisivat maksamaan vain puolikkaasta määrästä radiospektriä verrattuna nykyiseen, säilyttäen kuitenkin saman tiedonsiirtokapasiteetin [16] .

Käytännössä spektraalisen tehokkuuden parannusta rajoittavat kuitenkin itseinterferenssin poistamisen haasteet ja niistä johtuva rajallinen signaalikohinasuhde. Signaalikohi- nasuhde vaikuttaa kapasiteettiin niin, että esimerkiksi tiedonsiirtoon käytettävä modulaatio- ja kanavakoodaustekniikat täytyy valita sen mukaan, kuinka hyvä signaalikohinasuhde hyötysignaalille pystytään vastaanottimessa saavuttamaan. Itseinterferenssi li- sää vastaanottimen kokeman kohinan määrää, jolloin hyvän signaalikohinasuhteen saa- vuttaminen riippuu itseinterferenssin poistamisen tehokkuudesta. Full-duplex-tekniikkaa käytettäessä ei siis välttämättä voida käyttää yhtä suuren kapasiteetin modulaatio- ja kanavakoodaustekniikoita kuin half-duplex-tekniikkaa käytettäessä, jolloin tiedonsiirto- kapasiteetti ei käytännön sovelluksissa suoraan kaksinkertaistu. [4]

Kuva 2. Piiloasemaongelma, jossa laitteet A ja C tietämättä toisistaan koittavat lä- hettää samaan aikaan laitteelle B. Laite B ei pysty vastaanottamaan kahta lähe-

tystä samanaikaisesti.

Tiedonsiirtokapasiteetin parantamisen lisäksi full-duplex tarjoaa mahdollisesti ratkaisun niin sanottuun piiloasemaongelmaan (engl. hidden-node problem), jossa kaksi laitetta

(11)

koittaa samanaikaisesti kommunikoida tukiaseman kanssa tietämättä toisistaan, jolloin tukiasema ei välttämättä saa vastaanotettua kummankaan laitteen lähetystä. Piiloase- maongelma on esitelty kuvassa 2. Full-duplexin ansiosta vastaanottava laite B voisi lä- hettää kaistanvaraussignaalia samalla kun vastaanottaa dataa laitteelta A, jolloin myös lähellä oleva laite C tietää kaistan olevan käytössä, eikä päällekkäisiä lähetyksiä pääse tapahtumaan [17]. Jos laitteet A ja B olisivat molemmat full-duplex-tekniikalla varustet- tuja, laitteen B lähettämä hyötysignaali laitteelle A sinällään toimisi kaistanvaraussignaa- lina, mikäli myös laite A voisi ottaa lähettää ja vastaanottaa samaan aikaan. Piiloasema- ongelman ratkaisu tehostaisi varsinkin ad hoc –tyyppisten verkkojen toimintaa. Ad hoc – verkoissa laitteet voivat kommunikoida suoraan keskenään ilman välissä olevaa tukiase- maa. Verkon toiminta muuttuu tehokkaammaksi, kun lähetysten törmäykset vähenevät ja uudelleenlähetyksiä tarvitaan näin ollen vähemmän.

Hyötydatan tiedonsiirtokapasiteetin kasvattamisen lisäksi full-duplex-tekniikka tehostaa myös laitteiden välistä protokollatietojenvaihtoa. Protokollatietoja, joita laitteet kommuni- koivat toisilleen kertoen omasta tilastaan, pystytään full-duplexin avulla lähettämään ja vastaanottamaan tehokkaammin, koska lähettäminen ja vastaanottaminen onnistuvat samanaikaisesti. Näin ollen laitteet pystyvät vaihtamaan näitä tietoja toistensa kanssa, vaikka hyötydatalähetyksiä olisikin päällä. Tämän avulla tiedonsiirron pääsykerroksen suorituskyky voisi parantua huomattavasti, jos hyötydatan edellä lähetettyjen otsikkotie- tojen määrä pienenisi. [4]

Full-duplex saattaa olla suuressa roolissa 5G-mobiiliverkkojen jatkokehityksessä ja suuremman tiedonsiirtokapasiteetin saavuttamisessa spektraalisen tehokkuuden ja spektrin monipuolisemman käytön ansiosta [18], [19]. Tulevaisuudessa 5G:n, sekä myös van- hempien mobiiliverkkojen, toimintaa on mahdollista tehostaa soluverkkotasolla full-duplex-tekniikalla toimivalla tukiasemalla, joka voisi tarvittaessa kommunikoida langatto- masti myös runkoverkon suuntaan samalla kun se kommunikoi käyttäjälaitteiden eli esimerkiksi matkapuhelinten kanssa. Full-duplex-tukiasemat voisivat olla yksinkertainen, nopea ja verrattain kustannustehokas tapa kasvattaa mobiiliverkkojen kapasiteettia, kun käyttäjälaitteiden ei tarvitsisi muuttua ollenkaan, ja jo olemassa olevien tukiasemien päi- vitys full-duplex-tekniikkaan riittäisi [20].

Sotilasviestintään ja elektroniseen sodankäyntiin full-duplex-tekniikka tuo sekä samat tiedonsiirron parannukset kuin siviilipuolellakin, että uusia taktisia mahdollisuuksia tiedonsiirron, radiohäirinnän ja radiohäirinnältä suojautumisen alueilla. Käytännön toteutus- mahdollisuudet sotilasviestinnässä vaativat kuitenkin vielä lisää tutkimusta, sillä full-duplex-tekniikan käyttö saattaa altistaa sotilasviestintää häirinnälle, mutta toisaalta se voi myös helpottaa siltä suojautumista [21].

(12)

Mahdollisuudet turvallisuus- ja puolustussektorilla

Radiohäirinnän näkökulmasta full-duplex-tekniikka tuo uusia mielenkiintoisia mahdollisuuksia. Samanaikainen häirintäsignaalin lähettäminen ja ympäristön kuunteleminen tai hyötydatan vastaanottaminen tuovat uudenlaisia skenaarioita niin siviilipuolen radiohäi- rintään, kuin myös sotilasviestinnän ja elektronisen sodankäynnin puolelle [22]. Lisäksi radiohäirinnältä suojautumiseen voidaan löytää uusia mahdollisuuksia full-duplex-tekniikan myötä.

2.3.1 Radiohäirinnän skenaariot ja periaatteet

Yleisesti radiohäirinnällä pyritään estämään tunnetun tai tuntemattoman osapuolen ra- dioviestintä estämällä hyötysignaalin vastaanottaminen. Yksinkertaisesti se voi tarkoittaa radioviestintään käytettyjen radiotaajuuden tai –taajuuksien tukkimista [23]. Radiohäi- rintä voi olla myös signaalin lähettäjänä esittäytymistä, jolloin vastaanottava laite vas- taanottaakin väärän signaalin alkuperäisen sijasta, tai vaihtoehtoisesti tilanne voidaan kääntää myös toisinpäin, jolloin esittäydytään vastaanottavana laitteena, ja saadaan lä- hettävä osapuoli luulemaan signaalin menneen perille [24]. Näiden lisäksi radiohäirintää voi tapahtua myös tahattomasti, jos käytetään vahingossa väärää radiotaajuutta, joka on varattu muuhun käyttöön, tai jos esimerkiksi vahingoittunut radiolaite säteilee häiriötä taajuuksille, joille laitetta ei ole alun perin edes tarkoitettu [25].

Yksinkertainen radiohäirintä perustuu häirittävän hyötysignaalin hukuttamiseen häirin- täsignaalin alapuolelle, jolloin häirittävän osapuolen vastaanotin ei pysty erottamaan hyötysignaalia kohinasta, tai ainakaan purkamaan signaalin sisältämää dataa [23]. Täl- lainen lamauttava häirintä voidaan karkeasti jakaa kahteen ryhmään käytettävän häirin- täsignaalin kohdistamisen perusteella: kohdistamattomaan koko häirittävän kaistanle- veyden kattavaan häirintään, ja kohdistettuun häirintään, jossa vain tiettyjä alikanavia tai taajuusalueita häiritään. Kohdistamisen luokittelu perustuu suhteelliseen eroon häirittä- vän signaalin ja häirintäsignaalin kaistanleveyksien välillä. Kohdistamatonta kohinatyyp- pistä häirintäsignaalia voidaan käyttää, kun häirittävän radiolähetyksen taajuus ei ole tarkasti tiedossa tai jos muusta syystä halutaan häiritä suurta kaistanleveyttä, esimerkiksi montaa tuntematonta hyötysignaalia samaan aikaan. Kohdistettua häirintää taas käytetään, jos häirittävä taajuus tai taajuudet ovat tiedossa ja kun häirinnän tehotiheys halutaan ohjata tarkasti ja säästeliäästi vain tiettyyn osaan radiospektriä.

(13)

TX FD Hyötysignaali

TX RX

Häirintä

(a)

FD

TX RX

Salakuuntelu Häirintä

(b)

TX FD

RX Häirintä Hyötysignaali

Salakuuntelu- yritys

FD

TX RX

Adaptiivinen häirintä Havainnointi

(c) (d)

Kuva 3. Havainnekuva eri radiohäirintäskenaarioista. TX on lähetin, FD on full- duplex-laite ja RX on vastaanotin.

Erilaisia full-duplex-tekniikkaa hyödyntäviä radiohäirintäskenaarioita ovat esimerkiksi samanaikainen häirintä ja hyötydatan vastaanottaminen kuvassa 3 (a) [26], samanaikainen häirintä ja tiedetyn taajuuden salakuuntelu kuvassa 3 (b), samanaikainen häirintä radiokilpenä salakuuntelulta suojautumiseksi ja hyötydatan vastaanottaminen kuvassa 3 (c) [27], sekä adaptiivinen häirintä perustuen taajuuskaistan havainnointiin ja häirin- täsignaalin muuttamiseen sen perusteella kuvassa 3 (d). Adaptiivinen radiohäirintä on full-duplex –tekniikalla mahdollista toteuttaa käyttäen vain yhtä laitetta, joka pystyy kuuntelemaan häirittävää kaistaa ja reaaliajassa kohdistamaan näin häirinnän tehokkaammin pelkästään häirittävän laitteen käyttämille taajuuksille. Tällaista adaptiivista häirintää voitaisiin soveltaa esimerkiksi taajuushyppelevää radio-ohjaustekniikka käyttävien dronejen häirinnässä. [3], [28]

2.3.2 Radiohäirintäsovellukset

Radiohäirintäsovellukset voidaan karkeasti jakaa kahteen kategoriaan käyttöympäristön perusteella – siviilimaailman sovelluksiin ja elektronisen sodankäynnin sovelluksiin. Suu-

(14)

rin ero näiden välillä on useimmissa tapauksissa käytettävissä olevat resurssit radiohäi- rintäjärjestelmien kehityksessä ja käytössä. Elektronisen sodankäynnin tullessa koko ajan tärkeämmäksi osaksi sodankäynnin kokonaiskuvaa, myös alan kehitys kasvaa kiih- tyvää vauhtia rinnakkain siviilitekniikan kanssa [23].

SIVIILIMAAILMA

Siviilimaailmassa radiohäirintää käyttävät laillisesti viranomaiset. Etenkin dronejen len- nättämisen tiukentuneet säännöt ja käyttöön otetut kiellot ovat lisänneet viranomaisten mielenkiintoa mahdollisuuksiin dronejen pakottamiseksi laskeutumaan tai poistumaan luvattomalta alueelta radiohäirinnän avulla. Käyttökohteita voivat olla esimerkiksi lento- kenttien, vankiloiden ja isojen massatapahtumien kuten festivaalien ilmatilan valvonta ja turvaaminen [29]-[32]. Vankiloissa viranomaisilla saattaa olla intressejä myös valvoa matkapuhelinverkkojen käyttämiä taajuuksia ja tarvittaessa häiritä niitä, jotta vangit eivät pysty käyttämään mahdollisesti salakuljetettuja puhelimia vankilassa. Radiohäirintä voi liittyä myös rikollisuuteen, jos rikolliset haluavat häiritä vaikkapa matkapuhelinverkkoa hyödyntävää kodinvalvontajärjestelmää [33].

Radiohäirintää esiintyy esimerkiksi satelliittien, TV- ja radiolähetysten sekä mobiiliverkkojen käyttämillä taajuuksilla. Tahallinen radiohäirintä keskittyy enimmäkseen edellä mainittujen radiolaitteiden käyttämille taajuusalueille, joilla häirintää pystytään toteutta- maan melko pienillä tehoilla ja lyhyellä kantamalla. Lisäksi häirintää esiintyy tahattomasti rikkinäisten radiolaitteiden aiheuttamana, esimerkiksi vikaantunut TV-antennivahvistin voi aiheuttaa radiohäiriötä matkaviestintaajuuksille [34]. Suomessa digi-TV-lähetykset (DVB-T ja DVB-T2) lähetetään taajuuksilla 482–690 MHz [35] ja FM-radiolähetykset taajuuksilla 87,5–108,0 MHz [36]. Keskitaajuuden 2,44 GHz ympärillä olevalla ISM-taajuusalueella (engl. industrial, scientific and medical) toimii suuri joukko radiohäirinnälle alttiita lyhyen kantaman langattomia tietoliikennetekniikoita, kuten Bluetooth, NFC (engl. near field communication) ja osa WiFi –tekniikoista. Matkapuhelinverkkotekniikat GSM, UMTS, LTE ja 5G NR, sekä satelliittipaikannusjärjestelmät kuten GPS, GLONASS, Ga- lileo ja BeiDou kokevat myös radiohäirintää. Edellä mainitut mobiiliverkkotekniikat toimivat muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta UHF-taajuuksilla (300–3000 MHz), joka on muutenkin hyödyllisin taajuusalue tiedonsiirrossa. Kaikki edellä mainitut satelliittipaikan- nusjärjestelmät taas käyttävät taajuusalueita välillä 1,1–1,6 GHz. Lisäksi korkeammilla SHF-taajuuksilla (3–30 GHz) toimivat esimerkiksi tutkat, osa WiFi –tekniikoista, sekä jot- kin vahvaan antennien suuntaavuuteen perustuvat langattomat datalinkit ja 5G mobiili- verkko.

(15)

ELEKTRONINEN SODANKÄYNTI

Toinen radiohäirintäsovelluksien luokka on sotilasviestintä ja erityisesti elektroninen so- dankäynti. Elektronien sodankäynti koostuu tiedustelusta, vaikuttamisesta ja suojaami- sesta [23]. Tiedustelun avulla on tarkoitus tukea sodankäyntiä hankkimalla tietoa viholli- sesta paremman tilannekuvan saamiseksi. Vaikuttamisella pyritään hidastamaan ja la- mauttamaan vihollisen toimintaa ja viestintää. Suojaamalla tuetaan omien joukkojen toi- mintakykyä esimerkiksi estämällä vihollisen tiedustelua tai harhauttamalla vihollista joukkojen aikeista tai sijainnista.

Verrattuna siviilimaailmaan elektronisen sodankäynnin toiminnassa häirinnän luonne muuttuu ainakin käytettävien lähetystehojen osalta, jotka voivat kasvaa huomattavasti suuremmiksi verrattuna siviilimaailmaan. Lisäksi häirintäjärjestelmien koko saattaa olla suurempi ja järjestelmä voi koostua monesta erillisestä osasta, esimerkiksi eri kulkuneu- voissa kuljetettavista lähettimistä ja vastaanottimista [23]. Näin ollen häirinnän mahdollinen vaikutusalue suurenee kaikilla taajuusalueilla verrattuna siviilimaailmaan, koska käytettävien resurssien määrä on suurempi. Full-duplexin mahdollistamat taktiset häirin- täsovellukset elektronisen sodankäynnin puolella tulevat todennäköisesti olemaan tär- keitä tutkimuksen kohteita tulevaisuudessa, kun elektronisessa sodankäynnissä pyritään saamaan suuri etu viholliseen nähden [3].

Elektronisessa sodankäynnissä radiohäirintää on monella eri sodan osa-alueella. Se voi kohdistua esimerkiksi tiedustelu- tai valvontajärjestelmiin, kuten tutkiin, johtamisen kannalta tärkeisiin viestijärjestelmiin, paikannusjärjestelmiin tai vaikkapa asejärjestelmien sensoreihin. Häirintää voidaan tehdä maalta, mereltä tai ilmasta käsin, jolloin on mahdollista vaikuttaa melkein missä tahansa ja mihin tahansa. Myös oman toiminnan suo- jaaminen häiritsemällä mahdollisia salakuuntelu- tai muita radioteitse tehtäviä vaikutus- yrityksiä on tärkeä osa elektronista sodankäyntiä. [23]

Sotilastekniikan hidas ja kallis kehittäminen luo haasteita elektronisen sodankäynnin alueella. Siviiliteknologian käyttäminen on houkuttelevaa halvempana ja nopeammin kehit- tyvänä, mutta sen mukana tulee ongelmia haavoittuvuuksien osalta. Sen yhdistäminen sotilasteknologiaan ja sen kehitykseen on kuitenkin välttämätöntä nykymaailmassa, koska kaupallisuus on huipputekniikan kehityksessä ajava voima. Näin ollen siviiliteknologian – kuten esimerkiksi full-duplex-tekniikan – integroiminen sotilasteknologiaan on entistä tärkeämpää tulevaisuudessa. [37]

(16)

3. FULL-DUPLEX-RADIOSUOJAKILVEN TEORIA

Tässä luvussa käsitellään full-duplex-tekniikalla toteutetun prototyyppisovelluksen toimintaa teoriassa. Järjestelmän tarkoitus on estää radio-ohjatun räjähteen laukaisu radio- signaalilla, sekä samalla pystyä vastaanottamaan hyötysignaalia. Järjestelmä soveltuu myös dronejen torjuntaan, koska käytössä ovat tavalliset RC-komponentit (engl. radio controlled). Näin ollen radiohäirinnällä pyritään luomaan eräänlainen radiosuojakilpi jär- jestelmän ympärille, joka estää lähellä olevan vastaanottimen toiminnan, ja full-duplexin ansiosta järjestelmä pystyy samalla radiosuojakilvestä huolimatta samanaikaisesti vas- taanottaman myös hyötysignaalia. Kuvassa 4 on havainnollistettu full-duplex radiosuo- jakilpijärjestelmän mahdollistamaa skenaariota, jota tässä työssä käsitellään.

FD-lähetinvastaanotin (blue team)

WLAN/Bluetooth lähetin (blue team)

RC-lähetin (red team) RC-

vastaanotin (red team)

Kuva 4. Full-duplex radiosuojakilpijärjestelmä, joka pystyy samaan aikaan havait- semaan ja häiritsemään RC-järjestelmää, sekä vastaanottamaan hyödyllistä tie-

donsiirtosignaalia WLAN/Bluetooth lähettimeltä.

(17)

Radiosuojakilpijärjestelmä teoriassa

Järjestelmä pystyy vastaanottamaan hyötysignaalia, jos itseinterferenssin poistaminen onnistuu riittävän tehokkaasti, jolloin järjestelmän lähettämän häirintäsignaalin aiheuttama jäännösinterferenssi jää tarpeeksi pieneksi, eikä hukuta vastaanotettavaa hyöty- signaalia alleen. Hyötysignaalin vastaanottamisen onnistumista voidaan arvioida sen vastaanottimessa mitatun laadun perusteella. Signaalin tehotasoon vastaanottimessa vaikuttaa sen lähetysteho ja signaalin kulkema kanava lähetinantennista vastaanotinan- tenniin. Lähetysteho muodostuu lähetinlaitteen käyttämästä lähetystehosta, laitteiston ja kaapeleiden aiheuttamista tehohäviöistä, sekä antennin suuntaavuudesta ja vahvistuk- sesta. Radiokanavan ominaisuuksia muokkaavat etäisyys antennien välillä, ympäristön muodot ja suoraa näköyhteyttä rajoittavat esteet. Vastaanottimessa vastaanotetun signaalin teho 𝑃_𝑅𝑋 saadaan laskettua seuraavan kaavan avulla:

𝑃_𝑅𝑋= 𝐺𝑃_𝑇𝑋, (1)

jossa 𝐺 on etenemisvaimennuksen ja muiden vahvistus- ja vaimennuskertoimien vaikutus lähetettyyn signaaliin, jonka lähetysteho on 𝑃_𝑇𝑋.

Etäisyys antennien välillä aiheuttaa signaaliin etenemisvaimennusta, jolloin signaali heikkenee sitä enemmän, mitä pidemmän matkan se kulkee. Vapaan tilan vaimennus eli FSPL (engl. free-space path loss) voidaan laskea kaavalla:

𝐹𝑆𝑃𝐿 = (^4𝜋𝑑

𝜆 )², (2)

jossa 𝑑 on antennien välinen välimatka ja 𝜆 on signaalin aallonpituus. Vapaan tilan vaimennus ei nimensä mukaisesti ota huomioon mitään esteitä tai ympäristössä tapahtuvia muutoksia signaalin kulkemalla reitillä. Hieman tarkempaa signaalin vaimenemisen las- kemista varten voidaan käyttää yksinkertaistettua logaritmista mallia (engl. log-distance path loss model), joka ottaa karkeasti huomioon signaalin etenemisympäristön:

𝑃𝐿 = 𝑃_𝑇𝑥_𝑑𝐵𝑚 − 𝑃_𝑅𝑥_𝑑𝐵𝑚 = 𝑃𝐿₀+ 10𝑛 log₁₀ ^𝑑

𝑑₀, (3)

jossa 𝑃𝐿 on etenemisvaimennus desibeleinä (dB), 𝑃_𝑇𝑥_𝑑𝐵𝑚 on lähetetty teho dBm:inä, 𝑃_𝑅𝑥_𝑑𝐵𝑚 on vastaanotettu teho dBm:inä, 𝑃𝐿₀ on kaavan (2) mukaan laskettu etenemisvaimennus referenssietäisyydellä 𝑑₀ muunnettuna desibeleiksi, 𝑛 on etenemiseksponentti (𝑛 = 2 vapaassa tilassa), 𝑑 antennien välinen etäisyys ja 𝑑0 referenssietäisyys esimerkiksi 1 m tai 1 km. Etenemiseksponentti 𝑛 voidaan valita eri ympäristöille empiiri- sesti määriteltyjen viitearvojen mukaan, joita löytyy taulukosta 2.

(18)

Etenemiseksponenttien viitearvoja eri ympäristöihin. [38]

Kaava (1) voidaan kirjoittaa yleisessä muodossa etäisyyden 𝑑 funktiona:

𝑃_𝑅𝑋[𝑑𝐵](𝑑) = 𝑋 − 𝑌log₁₀(𝑑), (4)

jossa 𝑑 on lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys, 𝑋 on lähetysteho vahvistus- ja vaimennuskertoimineen ja 𝑌𝑙𝑜𝑔₁₀(𝑑) etenemisvaimennus etäisyyden 𝑑 funktiona.

Signaalin laatu mitataan hyötysignaalin ja kohinan välisten tehotasojen suhteena (engl.

signal-to-noise ratio) eli SNR-arvona, joka voidaan esittää seuraavalla kaavalla:

𝑆𝑁𝑅 =^𝑃^{𝑅𝑋 𝑆}

𝑃_𝑁 , (5)

jossa 𝑃_𝑅𝑋𝑆 on vastaanotettu hyötysignaalin teho kaavalla (1) kun 𝑃_𝑇𝑋 = 𝑃_𝑇𝑋_𝑆 ja 𝑃_𝑁 kohinateho. Häirintäsignaalin vaikutus voidaan myös sisällyttää tähän suureeseen, jolloin hyötysignaalille kyseessä on SINR (engl. signal-to-interference-plus-noise ratio):

𝑆𝐼𝑁𝑅 = ^𝑃^{𝑅𝑋 𝑆}

𝑃_𝑅𝑋𝐼+𝑃_𝑁, (6)

jossa 𝑃_{𝑅𝑋 𝐼} on häirintäsignaalin vastaanotettu teho.

Valitsemalla tutkittavan tapauksen ympäristöön sopiva etenemiseksponentti, voidaan etenemisvaimennusmallin avulla matemaattisesti arvioida esimerkiksi radiosuojakilven vaikutusaluetta tai kuinka paljon jäännösinterferenssiä radiosuojakilpi aiheuttaa hyöty- signaalin vastaanottamiseen. Kun tiedetään lähettimien ja vastaanottimien sijainnit, sekä signaalien lähetystehot, voidaan laskea signaalien SNR- tai SINR-arvot vastaanotti- missa.

RC-vastaanottimen häirintä

Radio-ohjattua räjähdettä eli RC-vastaanottimen avulla tehtyä laukaisua vastaan tehtä- vän radiohäirinnän tarkoitus on peittää alleen RC-lähettimestä lähetetty laukaisusignaali niin, että RC-vastaanotin ei pysty vastaanottamaan sitä, tai osaa siitä. Työssä käytettyjen RC-lähettimen ja -vastaanottimen teknisiä ominaisuuksia käydään läpi luvussa 4, jossa käsitellään järjestelmällä tehtyjä käytännön mittauksia. Kuvassa 5 on havainnollistettu laitteiden välillä kulkevia signaaleita.

Ympäristö Etenemiseksponentti 𝒏

Vapaa tila 2

Asutettu alue 2,7–3,5

Tiheästi asutettu alue 3–5

Näköyhteys rakennuksen sisällä 1,6–1,8

Ilman näköyhteyttä rakennuksen sisällä 4–6

(19)

FD-lähetinvastaanotin (blue team)

WLAN/Bluetooth lähetin (blue team)

RC-lähetin (red team) RC-

vastaanotin (red team)

PTXRC

PRXRC

PTXI

PRXI

PTXS

PRXS

GS

GI GRC

Kuva 5. Havainnekuva eri laitteiden välillä kulkevista signaaleista.

Kaavan (1) mukaan vastaanotettu teho 𝑃_𝑅𝑋_𝑅𝐶 RC-signaalille 𝑃_𝑅𝐶 RC-vastaanottimessa on:

𝑃_𝑅𝑋_𝑅𝐶 = 𝐺_𝑅𝐶𝑃_𝑇𝑋_𝑅𝐶, (7)

jossa 𝐺_𝑅𝐶 on etenemisvaimennuksen ja muiden vahvistus- ja vaimennuskertoimien vaikutus lähetettyyn signaaliin, jonka teho on 𝑃_𝑇𝑋_𝑅𝐶.

Vastaavasti hyötysignaalille 𝑃_𝑆 saadaan:

𝑃_𝑅𝑋_𝑆 = 𝐺_𝑆𝑃_𝑇𝑋_𝑆, (8)

ja häirintäsignaalille 𝑃_𝐼 saadaan:

𝑃𝑅𝑋_𝐼 = 𝐺𝐼𝑃𝑇𝑋_𝐼 . (9)

RC-vastaanottimen häirintään on käytetty tässä työssä kahta erilaista häirintäsignaalia, kuvassa 6 (a) näkyvää kohdistamatonta ja kuvan 6 (b) kohdistettua. Kohdistamaton häi- rintäsignaali on satunnaista kohinaa lähetettynä koko RC-lähettimen käyttämällä noin 67 MHz:n radiotaajuusalueella.

(20)

Kuva 6. Kohdistamattoman (a) ja kohdistetun (b) häirintäsignaalin taajuuskuvaajat.

Kohdistettu häirintäsignaali taas on kohinaa lähetettynä 14 tietyllä RC-lähettimen käyttä- mällä kanavalla, joiden välillä se taajuushyppelee taajuusalueensa sisällä. Kohdistetun häirintäsignaalin etu on se, että kun tiedetään häirittävän laitteen käyttämät kanavat, voidaan lähettää häirintäsignaalia vain niillä taajuuksilla ja näin häirinnän spektraalinen te- hokkuus on parempi verrattuna kohdistamattomaan häirintäsignaaliin. Tämän työn ta- pauksessa samoilla tehoilla lähetettyjen häirintäsignaalien spektraalisen tehokkuuden ero voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

𝛥𝐺_𝐼 = 10 log₁₀(^𝐵^𝑊𝐵

𝐵_𝑅𝐶), (10)

jossa 𝛥𝐺_𝐼 on spektraalisen tehon ero desibeleinä, 𝐵_𝑊𝐵 on kohdistamattoman häirintäsig- naalin kaistanleveys ja 𝐵𝑅𝐶 kohdistetun häirintäsignaalin yhteenlaskettu kaistanleveys.

Kaavaan (10) sijoittamalla kohdistamattoman ja kohdistetun häirintäsignaalien kaistan- leveydet 𝐵_𝑊𝐵= 67 MHz ja 𝐵_𝑅𝐶 = 9,8 MHz (14 kappaletta 700 kHz:n levyistä kanavaa) saadaan spektraalisen tehon eroksi 𝛥𝐺_𝐼= 8,3 dB.

Mallinnettaessa radiosuojakilven toiminta- eli peittoaluetta vastaanottimen eri sijoituspai- koille laskettiin SINR-arvoja MATLAB-ohjelmalla käyttäen luvussa 3.1 läpikäytyä teoriaa.

Peittoalue tarkoittaa aluetta, jonka sisäpuolella vastaanotin ei pysty vastaanottamaan lähetettyä signaalia radiosuojakilven häirinnän takia, eli RC-signaalin SINR-arvo vastaanottimessa on liian pieni. Matemaattisen mallin luomisessa käytettiin käytännön mittauksista saatua dataa, jonka pohjalta valittiin SINR-raja-arvot lasketun mallin sovitta- mista varten.

(21)

Kuva 7. Kohdistamattoman häirintäsignaalin (a) peittoalue sinisellä 10, 15 ja 20 dBm:n lähetystehoilla. (SINR < 3 dB) Kohdistetun häirintäsignaalin (b) peittoalue punaisella 0, 5, 10, 15 ja 20 dBm:n lähetystehoilla. (SINR < 15 dB) Oranssi pallo on RC-lähettimen paikka ja sininen pallo full-duplex-järjestelmän paikka.

(22)

MATLAB-ohjelmalla mallinnetuista havainnekuvista 7 (a) ja 7 (b) nähdään teoreettiset häirintäsignaalien peittoalueet Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen etunurmi- kolla. Malli on sovitettu samassa paikassa tehdyissä käytännön mittauksissa kerätyn datan avulla, jota käydään tarkemmin läpi luvussa 4. Kuvista nähdään, kuinka suuri hyöty voidaan saavuttaa käyttämällä kohdistettua häirintää verrattuna kohdistamattomaan, kun tiedetään häirittävän signaalin käyttämä taajuus tai taajuudet.

SINR-raja-arvoksi on mallin sovittamiseksi mittausdataan valittu 3 dB kohdistamattomalle häirinnälle ja 15 dB kohdistetulle. Tämä ero johtuu spektraalisen tehokkuuden 8,3 dB vaikutuksesta, sekä siitä että mittaukset on tehty eri häirintäsignaaleilla eri päivinä, jolloin mittausjärjestelmä on muuttunut. RC-lähettimen lähettämän signaalin vastaanotettu teho 𝑃_𝑆 on laskettu kaavojen (4,7) mukaan etäisyyden 𝑑 funktiona seuraavasti:

𝑃_{𝑅𝑋 𝑃}

𝑆⌈𝑑𝐵𝑚⌉(𝑑) = 32 dBm − 30 log₁₀(𝑑). (11) Vastaavasti häirintäsignaalin vastaanotettu teho 𝑃_𝐼 on laskettu seuraavasti:

𝑃_{𝑅𝑋 𝑃}

𝐼⌈𝑑𝐵𝑚⌉(𝑑) = 𝑃_𝑡𝑥+ 𝐺_𝑧− 30 log₁₀(𝑑), (12) jossa lähetysteho 𝑃_𝑡𝑥= 0–20 dBm ja 𝐺_𝑧 on antennin keilan aiheuttama vaimennus sekä kohdistamattoman ja kohdistetun häirintäsignaalin spektraalisen tehokkuuden ero desi- beleinä.

Edelleen kaavan (6) mukaan SINR-arvo tietyssä paikassa on laskettu seuraavasti:

𝑆𝐼𝑁𝑅 =^𝑃^{𝑅𝑋𝑃𝑆}

𝑃_{𝑅𝑋 𝑃𝐼}, (13)

jossa 𝑃_{𝑅𝑋 𝑃}

𝐼 sisältää lineaariseksi muutetun kohinatehon 𝑃_𝑁= -110 dBm. Kohinateho on kuitenkin käytännössä merkityksetön, koska häirintäteho on paljon suurempi siihen näh- den.

Hyötysignaalin vastaanottaminen

Hyötysignaalin vastaanottaminen samaan aikaan radiosuojakilven ylläpitämisen kanssa perustuu itseinterferenssin tehokkaaseen poistamiseen. Kun jäännösinterferenssin määrä saadaan tarpeeksi alhaiseksi full-duplex-järjestelmän vastaanottimessa, saavu- tetaan vastaanotetulle hyötysignaalille tarpeeksi suuri SINR-arvo, jolloin signaalista voidaan purkaa hyötydata.

(23)

Kuva 8. Bluetooth-hyötysignaalin teoreettisia SINR-arvoja full-duplex-laitteessa etäisyyden funktiona kohdistamatonta ja kohdistettua häirintäsignaalia käytettä-

essä.

Kuvassa 8 on MATLABilla luodun teoreettisen mallin avulla tehty kuvaaja, joka antaa karkean kuvan siitä, millaisia SINR-arvoja full-duplex-laitteessa voisi olla mahdollista saavuttaa hyötysignaalin vastaanottamisessa samalla kun radiosuojakilpeä pidetään yllä. Mallissa on käytetty samoja lähetystehoja kuin käytännön mittauksissa: 4 dBm Bluetooth-signaalille ja 20 dBm molemmille häirintäsignaaleille ja häirintäsignaalit ovat samat kuin aiemmin esitetyssä RC-vastaanottimen häirintä -mallissa. Kuvasta 8 näh- dään kuinka spektraalisesti tehokkaampi kohdistettu häirintäsignaali häiritsee vastaanotettua SINR-arvoa paremmin kuin kohdistamaton häirintäsignaali. Itseinterferenssin vaimennus mallissa on määritelty vakioksi 100 dB, joka vastaa käytännön mittauksissa käytetyn full-duplex-laitteen teoreettista itseinterferenssin vaimennusta. Malli toimii huo- nommin matalammilla lähetystehoilla vakioksi määritellyn itseinterferenssin vaimennuksen takia.

(24)

Kuva 9. RC-lähetyksen teoreettisia SINR-arvoja full-duplex-laitteessa etäisyyden funktiona kohdistamatonta (a) ja kohdistettua (b) häirintäsignaalia käytettäessä.

Samoin kuin WLAN- tai Bluetooth-signaalin vastaanottaminen, myös RC-lähetyksen ha- vainnoimisen onnistuminen perustuu tarpeeksi hyvään itseinterferenssin poistamiseen.

Kuvassa 9 on esitetty teoreettisen mallin pohjalta RC-lähetyksen havainnoimiseen eli vastaanottamiseen liittyvät SINR-arvot eri lähetystehoilla molemmilla häirintäsignaa- leilla. Malli on sama kuin kuvassa 8, mutta Bluetooth-signaalin tilalle on vaihdettu RC- lähettimen signaali, jota lähetetään 20 dBm teholla kuten käytännön mittauksissa.

(25)

4. FULL-DUPLEX-RADIOHÄIRINTÄ KÄYTÄNNÖSSÄ

Tässä luvussa käydään läpi full-duplex-järjestelmällä tehtyjen käytännön mittausten lait- teistoa, järjestelyjä sekä esitellään mittaustulokset. Lisäksi vertaillaan mittausdatan tuloksia teoreettisiin MATLAB-malleihin ja analysoidaan mistä niiden väliset erot johtuvat.

Mittausten käytännön järjestelyt

Käytännön mittaukset tehtiin kesällä 2018 Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen etunurmikon alueella. Mittauksissa oli käytössä radiosuojakilven muodostajana ja hyöty- signaalin vastaanottajana full-duplex-radioprototyyppi, radio-ohjatun ”räjähteen” laukaisemiseen RC-lähetin ja -vastaanotin, sekä hyötysignaalin lähettimenä ohjelmistoradio.

RC-lähetin sijoitettiin noin 125 metrin päähän full-duplex-radioprototyypistä, 1,5 metrin korkeudelle maasta. Häirintää mitattiin viidellä eri tehotasolla 0–20 dBm 5 dB:n välein kahdella eri häirintäsignaalilla. Häirintäsignaaleina käytössä olivat kohdistamaton ja kohdistettu kohinatyyppinen häirintäsignaali. Peittoalueiden määrittämiseksi vastaanotinta siirreltiin radioprototyypin eli häirintälaitteen ympärillä, ja mittauksia tehtiin prototyypistä katsottuna 30 asteen välein yhteensä 12 eri suuntaan kattaen koko ympyrän 360 astetta.

Peittoalueen rajaksi määräytyi maksimietäisyys häirintälaitteesta, jonka alueella häirintä toimi.

Mittauksissa oli käytössä hyötysignaalin lähettämiseen ohjelmistoradiojärjestelmä, jonka tarkoituksena oli saada testattua full-duplex-tekniikkaa vastaanottamisessa samaan aikaan häirintälähetyksen kanssa. Radiojärjestelmä oli sijoitettuna kahdessa eri paikassa 10 metrin ja 30 metrin päässä full-duplex-prototyypistä.

4.1.1 Full-duplex-järjestelmä

Mittauksissa käytetty full-duplex-radioprototyyppi toimii ISM-taajuusalueella ja sen tarkoituksena on lähettää RC-laukaisujärjestelmää häiritsevää häirintäsignaalia, sekä samanaikaisesti poistaa häirinnästä aiheutuva itseinterferenssi niin, että se pystyy myös havainnoimaan lähetetyn RC-signaalin ja vastaanottamaan hyötydataa WLAN/Bluetooth lähettimestä. Prototyypin perustana toimii vektorisignaalilähetin-vastaanotin – laite eli VST (engl. vector signal transceiver) malliltaan NI (National Instruments) PXIe-5645R VST.

(26)

Kuva 10. Full-duplex-radioprototyypin laitteisto. [26]

Prototyypin itseinterferenssin poisto on toteutettu kolmessa vaiheessa. Ensimmäiseksi passiivista eristystä antavat erityisvalmisteinen dipoliantenni, joka minimoi itseinterferenssin heijastumisen takaisin antenniin, sekä kiertoelin lähetin- ja vastaanotinhaarojen välissä. Sen jälkeen analogisesta signaalista vähennetään kolmesta osasta koottu vii- västetty ja amplitudi- ja vaihemuunneltu versio lähetetystä signaalista. Lopuksi jälkikäsit- telynä tehdään MATLABin avulla digitaalinen poisto lähetetyn ja vastaanotetun signaalin perusteella. Yhteensä näiden menetelmien avulla itseinterferenssiä saadaan vaimennet- tua noin 90–100 dB. Lisää mittauksissa käytetystä prototyypistä ja sen teknisestä toteutuksesta voi lukea lähteistä [16], [39], [40].

4.1.2 RC-lähetin ja -vastaanotin

RC-järjestelmänä mittauksissa käytettiin HobbyKing-merkkisiä HK-T4A-V2 lähetintä ja HK-TR6A-V2 vastaanotinta. Ne käyttävät FlySkyn AFHDS-protokollaa (engl. Automatic Frequency Hopping Digital System). Radiopiirinä toimii Amiccom A7105, joka on yleinen lyhyen kantaman laitteita varten suunniteltu 2,4 GHz radiopiiri. AFHDS-protokolla käyt- tää GFSK:ta (engl. Gaussian Frequency-shift Keying) ja FHSS-hajaspektritekniikkaa

(27)

(engl. Frequency Hopping Spread Spectrum). Mittausjärjestelmän lähetin lähettää hyp- pysekvenssillä 16 eri kanavalla, mutta vastaanotin kuuntelee niistä vain 14, koska se on lähetintä vanhempi malli. Lisää AFHDS-protokollasta, lähettimen ja vastaanottimen tek- nisistä ominaisuuksista voi lukea lähteestä [41].

Kuva 11. Käytännön mittauksissa käytetty RC-lähetin noin 1,5 metrin korkeudella maasta kepin varressa. [26]

Mittausjärjestelmää varten rakennettiin vastaanottimen RSSI-pinnin (engl. received signal strength indicator) lukulaite, jolla mikrokontrollerin avulla saatiin reaaliajassa luettua dataa, joka kertoo saako vastaanotin ilmaistua lähettimen signaalia. Datan perusteella lasketusta SNR-arvosta ja datasta arvioidusta pakettivirhesuhteesta pystyttiin päättele- mään, saiko vastaanotin luettua signaalin kehyksiä. Häirinnän katsottiin toimivan, kun vastaanotin ei pystynyt löytämään yhtään lähetettyä kehystä viiden sekunnin aikana. Li- sää lukulaitteen ominaisuuksista ja teknisestä toteutuksesta voi lukea lähteestä [41].

(28)

4.1.3 WLAN/Bluetooth-lähetin

Hyötysignaalin lähetykseen käytettiin NI USRP-2953R ohjelmistoradioita, jota ohjattiin LabVIEW -ohjelmistolla. Signaaleina lähetettiin 16,6 MHz levyistä OFDM (engl. Ort- hogonal Frequency-Division Multiplexing) WLAN-signaalia 20 dBm teholla ja 80 MHz levyistä GFSK-tyyppistä taajuushyppivää Bluetooth-signaalia 4 dBm:n teholla. WLAN- signaalin keskitaajuus on 2,462 GHz ja se koostuu 52:sta QPSK (engl. Quadrature Phase-Shift Keying) alikantoaallosta. Bluetooth-signaali taas taajuushyppelee 79:llä 1 MHz levyisellä kanavalla ja sen keskitaajuus on 2,440 GHz. Molempia signaaleja lähe- tettiin niin, että ohjelmistoradio luki MATLABilla generoidusta CSV-tiedostosta (engl.

comma-separated values) IQ-näytevektoria ja lähetti sitä toistolla. Näytteenottotaajuus molemmille signaaleille oli 100 MHz.

Kuva 12. WLAN- ja Bluetooth-hyötysignaalien lähettämiseen käytetty laitteisto. [26]

OFDM on modulointitekniikka, joka hyödyntää toisiaan häiritsemättömiä ja toisiinsa näh- den kohtisuoria taajuuskanavia samanaikaiseen tiedonsiirtoon. Lähetettävä tieto jaetaan moneen osaan ja osat lähetetään eri alikantoaalloilla, jotka käyttävät eri taajuuskanavia, jolloin tiedonsiirto on vähemmän altis virheille [42]. Tässä työssä käytetty MATLABilla

(29)

luotu WLAN-signaali perustuu IEEE 802.11g standardiin [43], jossa käytetään apukan- toaaltojen modulointiin PSK-tekniikkaa (engl. Phase-Shift Keying) tai QAM-tekniikkaa (engl. Quadrature Amplitude Modulation). PSK eli vaiheavainnus perustuu vaiheen muuntamiseen ja QAM vaiheen muuntamisen lisäksi amplitudin muuntamiseen.

GFSK perustuu FSK-tekniikkaan eli taajuusavainnukseen, jossa symboli 0 esitetään las- kemalla kantoaallon taajuutta ja symboli 1 vastaavasti nostamalla kantoaallon taajuutta.

Suodattamalla tätä signaalia Gaussian-suotimella saadaan näistä taajuuden muutok- sista sulavampia, joka vähentää ylikuulumista käytetyn spektrin ulkopuolelle. [44] Työssä käytetty MATLABilla luotu Bluetooth-signaali perustuu IEEE 802.15.1 standardiin [45].

Mittaustulokset

Mittauksista kerätystä datasta pyrittiin arvioimaan kuinka hyvin ja suurella alueella RC- lähetystä pystyttiin häiritsemään. Lisäksi haluttiin tietää kuinka hyvin full-duplex-järjes- telmä onnistui havainnoimaan hyötysignaalia, eli RC-lähetystä yhtä aikaa lähettäessään häirintäsignaalia.

4.2.1 Häirinnän onnistuminen

Häirinnän onnistumisen mittari oli jo aikaisemmin mainittu viiden sekunnin ikkuna, jonka aikana vastaanotin ei pystynyt löytämään yhtään lähetettyä kehystä.

Kohdistamatonta häirintäsignaalia käytettäessä RC-vastaanottimen lukulaitteesta saadut arvot 0 ja 5 dBm häirintälähetyksen tehoilla eivät täyttäneet häirinnän toimivuuden kriteerejä luotettavasti millään mittausetäisyydellä, joten kohdistamattomalle häirintäsig- naalille kirjattiin tulokset vain 10, 15 ja 20 dBm tehoille. Kohdistettua häirintäsignaalia käytettäessä tätä ongelmaa ei pienemmilläkään häirintätehoilla ollut, koska signaalin spektritehokkuus oli parempi. Suurimmalla 20 dBm häirintälähetysteholla kohdistamattomalla signaalilla saatiin yli 10 metrin peittoalue ja vastaavasti kohdistetulle signaalille noin 40 metrin peittoalue.

Seuraavaan kuvaan on piirretty mittaustulokset kohdistamattomalle 13 (a) ja kohdistetulle häirintäsignaalille 13 (b) eri häirintätehoilla. Kuvasta nähdään radiosuojakilven peittoalueen kasvavan loogisesti häirintätehon kasvaessa.

(30)

Kuva 13. Radiosuojakilven peittoalueita kohdistamattomalle (a) ja kohdistetulle (b) häirintäsignaalille.

(31)

Lisäksi kuva havainnollistaa hyvin full-duplex-prototyypin antennin suuntauksen vaiku- tusta peittoalueeseen: suoraan kohti RC-lähetintä suunnattu antenni (kuvassa vasem- malle päin) tuottaa suurimman noin 40 metrin säteisen peittoalueen suoraan eteenpäin, ja se pienenee sivuille (noin 30 m) ja taakse (noin 25 m). Tämä johtuu prototyypissä käytetyn antennin suuntakuviosta, eli antenni säteilee parhaiten pienessä keilassa suoraan eteenpäin. Tällainen suurin peittoalue saatiin, kun käytettiin kohdistettua häirin- täsignaalia ja suurinta 20 dBm häirintälähetystehoa.

Kuva 14. Häirintäsignaalien peittoalueet 20 dBm:n lähetysteholla lintuperspektiivistä kuvattuna.

Kuvassa 14 näkyy radiosuojakilven peittoalue piirrettynä lintuperspektiivistä otettuun kuvaan. Kuva havainnollistaa erinomaisesti jo teoriassa esitettyä kohdistetun häirintäsig- naalin spektritehokkuuden ylivoimaisuutta verrattuna kohdistamattomaan häirintäsig- naaliin.

RC-lähetyksen häirinnässä onnistuttiin hyvin. Tarkoituksena oli saavuttaa todistetusti käytännön olosuhteissa toimiva radiosuojakilpi, jonka peittoalue on merkityksellisen suuri. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että full-duplex-tekniikalla toteutettu radiosuojakilpi voisi olla mahdollinen tapa suojautua esimerkiksi improvisoituja räjähteitä, kuten tienvarsipommeja vastaan.

4.2.2 Hyötysignaalin vastaanotto

Mittauksissa hyötysignaalina mitattiin RC-lähettimen signaalin vastaanottamista. Mitta- reina toimivat SINR-arvo full-duplex-järjestelmän vastaanottimessa ja vastaanotetusta datasta laskettu kertymäfunktio eli CDF (engl. cumulative distribution function). CDF:n

(32)

avulla voidaan arvioida, kuinka suuri osa jokaisen vastaanotetun kehyksen informaati- osta pystytään dekoodaamaan.

Kuvasta 15 nähdään SINR-arvojen olevan melko hyviä, etenkin pelkän signaalin havain- noimista ajatellen. Kuvassa on myös mitattuja SINR-arvoja RC-lähettimen ollessa lä- hempänä, noin 40 metrin päässä full-duplex-järjestelmästä. Tässä työssä keskitytään kuitenkin vain RC-lähettimen kauempaan paikkaan, sen ollessa noin 125 metrin etäisyy- dellä full-duplex-järjestelmästä. CDF-arvot 8–9 dB SINR-arvoille olivat noin 35–70 %, jonka perusteella RC-lähetyksen havainnointi häirinnästä huolimatta on mahdollista [26].

Kuva 15. RC-lähetyksen SINR-arvoja full-duplex-järjestelmässä ilman Bluetooth- tai WLAN-lähetystä. [26]

Bluetooth-lähetyksen ollessa päällä SINR-arvoiksi saatiin melko samanlaisia lukuja.

Bluetooth-lähetin lähempänä eli noin 10 metrin etäisyydellä ja kohdistettua häirintää 20 dB teholla lähetettynä SINR-arvot putosivat noin 6 dB:iin. Edelleen havainnointi kuitenkin oli hyvin mahdollista CDF-arvojen ollessa noin 70 % luokkaa [26].

Toisen hyötysignaalilähetyksen lisääminen ei siis juurikaan haitannut RC-lähetyksen ha- vainnointia. Yhteenvetona voidaan myös todeta, että RC-lähetyksen havainnointiin full-

(33)

duplex-järjestelmässä pystyttiin aina kun havainnointi oli mahdollista ilmankin häirin- täsignaalia tai toista hyötysignaalia. Tarkempia mittaustuloksia voi lukea lähteestä [26], joka perustuu samoihin ulkona suoritettuihin käytännön mittauksiin kuin tämä työ.

Kuvassa 9 esitetty teoreettinen malli RC-lähetyksen vastaanottamisesta on osaksi lin- jassa näiden käytännön mittaustulosten kanssa. Suurimpana erona on noin 5 dB:n por- rastus mallin SINR-arvoissa, kun näin suurta porrastusta ei mittauksissa eri häirintäsig- naalien tehoilla ole. Tämä ero johtuu siitä, että matemaattisessa mallissa on käytetty vakio arvoa itseinterferenssin poiston suurudelle ja se ei skaalaudu tehokkaasti koko häirintälähetyksissä käytettävälle tehoalueelle.

(34)

5. YHTEENVETO

Työssä perehdyttiin full-duplex-tekniikan toiminnan perusteisiin teorian pohjalta ja mah- dollisiin tulevaisuuden käyttökohteisiin erilaisilla tiedonsiirron aloilla. Lisäksi käytännön mittauksilla testattiin full-duplex-prototyypin toimintaa ja matemaattisia malleja luomalla tarkasteltiin mittauksissa saatuja tuloksia teorian avulla. Radiohäirinnän ohella itseinterferenssin poistaminen sekä teorian, että käytännön tasolla oli työssä mielenkiinnon kohteena, koska juuri itseinterferenssi on keskeisin tekninen haaste ja sen mahdollisimman tehokas vaimentaminen on full-duplex-tekniikan kulmakivi.

Työn käytännön mittauksissa tavoitteena oli luoda full-duplex-prototyypillä radiosuojakilpi, joka estäisi RC-radiosignaalin vastaanottamisen kilven peittoalueen sisällä, ja kilven ylläpitämisen lisäksi samanaikaisesti vastaanottaisi hyötysignaalia. Parhaimmillaan mittauksissa radiosuojakilven peittoalueeksi saatiin jopa 40 metriä 20 dB:n häirintäte- holla, kun käytettiin häirittävään signaaliin kohdistettua häirintää. Tulokset osoittavat, että radiosuojakilpi toimi tehokkaasti ja hyötysignaalin vastaanottaminen full-duplex-tekniikkaa hyödyntäen onnistui. Työssä tehdyt matemaattiset mallit yhdistävät radiohäirin- nän teorian ja käytännön mittauksissa saadut tulokset, ja niiden avulla eri häirintäsignaa- lien ja -tehojen eroja voidaan hyvin havainnollistaa ja ymmärtää.

Full-duplex-tekniikan toteutuksen tekniset haasteet ovat ilmeiset, mutta esimerkiksi tiedonsiirtokapasiteetin teoreettinen kaksinkertaistaminen, nykyisten tiedonsiirtotekniikoi- den parantaminen ja niiden ongelmakohtien ratkaiseminen kannustavat tutkimukseen näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Full-duplex-tekniikan käyttö radiohäirinnässä ja siltä suojautumisessa on tulevaisuudessa mielenkiintoinen osa-alue. Erilaiset kohdistetut ja adaptiiviset häirintäsignaalit, samanaikaisen hyötysignaalin vastaanottamisen tuoma spektritehokkuuden parantuminen ja ISM-radiokaistan ulkopuolisten taajuuksienkin käyttö ovat lukemattomien uusien mahdollisuuksien maailma. Full-duplex-tekniikka on erityisen kiinnostava turvallisuus- ja puolustussektorin kannalta, kun radiotaajuuksien hallitseminen on entistä tärkeämpää radio-ohjattujen laitteiden, kuten esimerkiksi kasva- vissa määrin käytettyjen dronejen, vaikutukselta suojautumiseksi.

(35)

LÄHTEET

[1] K. E. Kolodziej, B. T. Perry and J. S. Herd, "In-Band Full-Duplex Technology: Tech- niques and Systems Survey" in IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech- niques, vol. 67, (7), pp. 3025-3041, 2019. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2896561.

[2] S. Hong et al, "Applications of Self-Interference Cancellation in 5G and Beyond" in IEEE Communications Magazine, vol. 52, (2), pp. 114-121, 2014. DOI:

10.1109/MCOM.2014.6736751.

[3] T. Riihonen et al, "Inband Full-Duplex Radio Transceivers: A Paradigm Shift in Tac- tical Communications and Electronic Warfare?" in IEEE Communications Magazine, vol. 55, (10), pp. 30-36, 2017. DOI: 10.1109/MCOM.2017.1700220.

[4] A. Sabharwal et al, "In-Band Full-Duplex Wireless: Challenges and Opportunities" in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, (9), pp. 1637-1652, 2014.

DOI: 10.1109/JSAC.2014.2330193.

[5] Z. Zhang et al, "Full-Duplex Wireless Communications: Challenges, Solutions, and Future Research Directions" in Proceedings of the IEEE, vol. 104, (7), pp. 1369-1409, 2016. DOI: 10.1109/JPROC.2015.2497203.

[6] C. D. Nwankwo et al, "A Survey of Self-Interference Management Techniques for Single Frequency Full Duplex Systems" in IEEE Access, vol. 6, pp. 30242-30268, 2018. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2774143.

[7] H. Alves, R. D. Souza and M. E. Pellenz, "Brief Survey on Full-Duplex Relaying and Its applications on 5G" in IEEE 20th International Workshop on Computer Aided Model- ling and Design of Communication Links and Networks (CAMAD), pp. 17-21, 2015.

DOI: 10.1109/CAMAD.2015.7390473.

[8] G. Liu et al, "In-Band Full-Duplex Relaying: A Survey, Research Issues and Chal- lenges" in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, (2), pp. 500-524, 2015.

DOI: 10.1109/COMST.2015.2394324.

[9] D. Kim, H. Lee and D. Hong, "A Survey of In-Band Full-Duplex Transmission: From the Perspective of PHY and MAC Layers" in IEEE Communications Surveys & Tutori- als, vol. 17, (4), pp. 2017-2046, 2015. DOI: 10.1109/COMST.2015.2403614.

[10] M. Amjad et al, "Full-Duplex Communication in Cognitive Radio Networks: A Sur- vey" in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, (4), pp. 2158-2191, 2017.

DOI: 10.1109/COMST.2017.2718618.

[11] S. K. Sharma et al, "Dynamic Spectrum Sharing in 5G Wireless Networks With Full-Duplex Technology: Recent Advances and Research Challenges" in IEEE Com- munications Surveys & Tutorials, vol. 20, (1), pp. 674-707, 2018. DOI:

10.1109/COMST.2017.2773628.

(36)

[12] D. Bharadia, E. McMilin and S. Katti, "Full Duplex Radios" in SIGCOMM Com- put.Commun.Rev., vol. 43, (4), pp. 375-386, 2013. DOI: 10.1145/2534169.2486033.

[13] M. Chung et al, "Prototyping Real-Time Full Duplex Radios" in IEEE Communica- tions Magazine, vol. 53, (9), pp. 56-63, 2015. DOI: 10.1109/MCOM.2015.7263346.

[14] M. Heino et al, "Recent Advances in Antenna Design and Interference Cancella- tion Algorithms for In-Band Full Duplex Relays" in IEEE Communications Magazine, vol. 53, (5), pp. 91-101, 2015. DOI: 10.1109/MCOM.2015.7105647.

[15] C. D. Nwankwo et al, "A Survey of Self-Interference Management Techniques for Single Frequency Full Duplex Systems" in IEEE Access, vol. 6, pp. 30242-30268, 2018. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2774143.

[16] D. Korpi, "Full-Duplex Wireless: Self-Interference Modeling, Digital Cancellation, and System Studies", väitöskirja, Tampereen teknillinen yliopisto, 2017.

[17] H. Liang et al, "Hidden Node Avoidance in LTE Licensed Assisted Access (LAA) Networks Using Full Duplex Radio (FDR) Technology" in Proceedings of the Interna- tional Conference on Wireless Networks (ICWN), pp. 42-47, 2018. Saatavissa:

https://search.proquest.com/docview/2139471617?accountid=14242

[18] “5G: A Technology Vision”, White Paper. Saatavissa (viitattu 5.8.2019):

http://www.huawei.com/ilink/en/download/HW_314849

[19] M. A. Fakih et al, "Optimization of Efficient Dual Band PIFA System for MIMO Half- Duplex 4G/LTE and Full-Duplex 5G Communications" in IEEE Access, vol. 7, pp.

128881-128895, 2019. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2940556.

[20] G. Noh et al, "Enabling Technologies toward Fully LTE-Compatible Full-Duplex Radio" in IEEE Communications Magazine, vol. 55, (3), pp. 188-195, 2017. DOI:

10.1109/MCOM.2017.1600791CM.

[21] J. Kytömäki, "Full-duplex-radiot sotilastietoliikenteessä”, kandidaatintyö, Tampe- reen teknillinen yliopisto, 2018. Saatavissa (viitattu 22.12.2020):

http://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201806111955

[22] T. Riihonen et al, "Full-duplex Radio Technology for Simultaneously Detecting and Preventing Improvised Explosive Device Activation" in International Conference on Mili- tary Communications and Information Systems (ICMCIS), pp. 1-4, 2018. DOI:

10.1109/ICMCIS.2018.8398707.

[23] J. Kosola ja Tero Solante, "Digitaalinen taistelukenttä - informaatioajan sotakoneen tekniikka", Maanpuolustuskorkeakoulu, 2013.

[24] Q. Xu et al, "Device Fingerprinting in Wireless Networks: Challenges and Opportu- nities" in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 18, (1), pp. 94-104, 2016.

DOI: 10.1109/COMST.2015.2476338.

[25] Traficom, "Radiohäiriöiden ehkäisy ja selvittäminen", 2019. Saatavissa (viitattu 17.2.2020): https://www.traficom.fi/fi/viestinta/viestintaverkot/radiohairioiden-ehkaisy-ja- selvittaminen

(37)

[26] J. Saikanmaki et al, "Simultaneous Jamming and RC System Detection By Using Full-Duplex Radio Technology," in International Conference on Military Communica- tions and Information Systems (ICMCIS) 2019. DOI: 10.1109/ICMCIS.2019.8842727.

[27] K. Parlin et al, "Transferring the Full-Duplex Radio Technology from Wireless Net- working to Defense and Security" in 52nd Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers 2018. DOI: 10.1109/ACSSC.2018.8645445.

[28] J. Marin et al, "Perfecting Jamming Signals Against RC Systems: An Experimental Case Study on FHSS with GFSK" in IEEE 31st Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications 2020. DOI:

10.1109/PIMRC48278.2020.9217129.

[29] K. Riihola, "Drone-lennokeista tuli ongelmia poliisille – "Luonut uudenlaisia turvalli- suusuhkia"" 2018. Saatavissa (viitattu 17.8.2019): https://www.helsinginuutiset.fi/artik- keli/718889-drone-lennokeista-tuli-ongelmia-poliisille-luonut-uudenlaisia-turvallisuusuh- kia

[30] E. Mäntymaa, "Kopteri toi vankilaan sukan täydeltä subutexia – dronella voi sala- kuljettaa vaikka käsiaseita" 2017. Saatavissa (viitattu 17.8.2019): https://yle.fi/uutiset/3- 9867140

[31] Rajavartiolaitos, "Drone luvatta Venäjältä Suomeen", 2017. Saatavissa (viitattu 17.8.2019): https://www.raja.fi/tietoa/tiedotteet/1/0/drone_luvatta_venajalta_suo- meen_74709

[32] A. Torniainen, "Drone-uhka!: miehittämättömien lennokkien valvonta ja torjunta", Poliisiammattikorkeakoulu, 2018. Saatavissa (viitattu 17.8.2019):

http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201803293948

[33] J. Tanskanen, "Kotien langattomat valvontajärjestelmät on helppo mykistää", 2016.

Saatavissa (viitattu 17.8.2019): https://yle.fi/uutiset/3-9185771

[34] J. Koponen, ”Video: Näin toimii Viestintäviraston salaperäinen peilausauto”, 2017 Saatavissa (viitattu 17.2.2020): https://yle.fi/uutiset/3-9425002

[35] Digita, "Kanavat ja Taajuudet" Saatavissa (viitattu 15.8.2019):https://www.digita.fi/files/1923/Kanavat_ja_Taajuudet.pdf

[36] Traficom, "Radioasemat Suomessa" Saatavissa (viitattu 15.8.2019):

https://www.traficom.fi/fi/viestinta/tv-ja-radio/radioasemat-suomessa

[37] J. Kosola, "Teknologisen kehityksen vaikutuksia sodankäyntiin 2015–2025", Maan- puolustuskorkeakoulu, 2011.

[38] T. S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles and Practice”, Prentice Hall, 1996.

[39] J. Tamminen et al, "Digitally-Controlled RF Self-Interference Canceller for Full-Du- plex Radios" in 24th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), vol. 2016- 08, pp. 783-787, 2016. DOI: 10.1109/EUSIPCO.2016.7760355.