Konetyyppinen suora satelliittiviestintä: Mallinnus ja suorituskykyanalyysi

Vaikka 5G- ja uudemmissa järjestelmissä on edistytty merkittävästi, nykyiset maanpäälliset verkot eivät ulotu kaikkialle edes maalla saati avomerellä, jota on 70 prosenttia maapallon pinta-alasta. Tästä erosta voidaan havaita merkittävä digitaalinen kahtiajako. Tulevien langattomien 6G-verkkojen tärkeimpiä vaatimuksia on maailmanlaajuinen kuuluvuus, jotta tähän elintärkeään tarpeeseen voidaan vastata.

Esitän tässä tutkielmassa, miten massiivisen laitteiden välisen viestinnän (massive machine-type communication, MMTC) ja matalan kiertoradan (low earth orbit, LEO) satelliittien avulla edulliset ja pienitehoiset päätelaitteet voivat saada satelliittiyhteyden ilman maanpäällistä verkkoa. Tämä uusi yhteysmuoto, suora laitteiden välinen satelliittiviestintä (direct-to-satellite, DtS), voi kuroa edellä mainitun digitaalisen kuilun umpeen. DtS-tekniikkaan liittyy kuitenkin mielenkiintoisia haasteita. Haasteena on muun muassa LEO-satelliittien liikkuvuus, mikä aiheuttaa voimakasta Doppler-ilmiötä ja ajassa vaihtelevia kanavan olosuhteita. Samoin yhteyden huomattava pituus (satoja tai tuhansia kilometrejä) ja laaja satelliitin peittoalue aiheuttavat suurta etenemisvaimennusta ja häiriötä tässä järjestyksessä. Lisäksi maanpäällisten päätelaitteiden energiabudjetti on rajallinen. Näin ollen onnistunut DtS:n käyttö edellyttää erinomaista energiatehokkuutta.

LoRaWAN-teknologian pienet tehovaatimukset ja pitkä kantama saivat minut valitsemaan tämän tutkielman mallinnukseen ratkaisut, jotka perustuvat LoRa- ja LR-FHSS-teknologiaan. Kehitän tutkielmassa uusia Monte Carlo -simulaatioita ja analyyttisiä malleja DtS-tietoliikenteen suorituskyvyn analysoimiseksi. Tulosten perusteella sekä LoRa- että LR-FHSS-teknologiassa on potentiaalia ja ne ovat toteuttamiskelpoisia DtS-tiedonsiirtoon. Tulokset myös korostavat erilaisista parametreista seuraavia kompromisseja. Yhteenvetona totean, että LR-FHSS:n suorituskyky oli LoRa-teknologiaa parempi.

LR-FHSS-päätelaitteet ovat oletusarvoisesti akkukäyttöisiä, joten LR-FHSS-teknologian energiankulutuksen tutkiminen on ehdottoman tärkeää. Tein tässä tutkielmassa kokeita oikeilla päätelaitteilla ja mittasin LR-FHSS-teknologian lähetysaikaa ja virrankulutusta. Sovelsin empiirisiä mittaustuloksia sellaisten analyyttisten mallien kehittämiseen, joilla saatoin päätellä LR-FHSS-päätelaitteiden energiatehokkuuden ja akkukeston. LR-FHSS-lähetysaikamalli on tärkeä työkalu tarkkaan törmäysten mallintamiseen ja skaalautuvuuden analysoimiseen.