Nykyisissä 5G-matkapuhelinverkoissa data liikkuu liukkaasti. Liikenteen toimivuuden takaa tiheä maanpäällinen tukiasemaverkko ja tarkkaan standardoitu tekniikka.
Tulevaisuudessa osa matkapuhelintukiasemista saattaa sijaita satelliiteissa. Kun kymmenen vuoden päästä ostan uuden kännykän, kulkeeko data satelliittiteitse, jos yhteys ei onnistu maanpäällisen verkon kautta?
– Kyllä vain, ennustaa Jyväskylän yliopistosta väitellyt Mikko Majamaa.
Kaikkialle ei maanpäällistä kännykkäverkkoa voi rakentaa, onhan maapallon pinta-alasta esimerkiksi 70 prosenttia veden peitossa. Kiinteiden verkkojen rakentaminen voi tyssätä myös hankalaan maastoon tai sähköverkon puutteeseen.
– Tällöin voidaan käyttää satelliittiverkkoja, joissa paikallinen verkkoympäristö kytketään maailmanlaajuiseen verkkoon satelliitin kautta, sanoo Majamaa.
Matala kiertorata avuksi
Mikko Majamaan väitöskirja käsittelee satelliittien roolia tulevaisuuden langattomissa verkkojärjestelmissä ja niiden integroimista osaksi nykyistä 5G-verkkoa ja tulevia mobiiliverkkoja.
Lähes 40 000 kilometrin korkeudessa geostationäärisellä radalla kiertävät satelliitit ovat välittäneet tv-lähetyksiä ja puheluita jo vuosikymmeniä. Sen sijaan viivekriittisen internet-liikenteen välittäminen näiden GEO-satelliittien kautta on vaikeaa satoihin millisekunteihin venyvien viiveiden takia.
Nyt datakin on alkanut liikkua yhä enemmän satelliittiteitse, kun LEO (low Earth orbit) -satelliitit ovat yleistyneet. Ne kiertävät maapalloa GEO-satelliitteja matalammilla kiertoradoilla muutaman sadan kilometrin korkeudessa. Matalampi kiertorata tiputtaa viiveen jopa alle kymmeneen millisekuntiin, samoin päätelaitteiden tehontarve pienenee.
Tunnetuin LEO-satelliittikonstellaatio on Elon Muskin SpaceX-yhtiön Starlink, jolla on jo yli viisi miljoonaa asiakasta ympäri maailman. Ukrainan joukkojen dataliikenteen mahdollistaneet Starlink-tukiasemat tekivät järjestelmän tutuksi koko maailmalle.
Tavallisissa kännyköissä toimivat satelliittiyhteydet ovat kuitenkin vielä tulevaisuutta.
– Tähän saakka satelliitti- ja maanpäällisillä verkoilla on ollut omat operaattorinsa, jotka ovat toimineet omilla laitteillaan ja omilla protokollillaan, Majamaa kertoo.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Matkapuhelinverkkojen globaaleja standardeja laativa 3GPP-organisaatio alkoi vuonna 2022 ensi kertaa tukea 5G-satelliittikommunikointia.
– 3GPP-standardi on sääntökirja, joka kertoo miten tukiasemat ja käyttäjien päätelaitteet kommunikoivat keskenään. Vuonna 2022 ilmestynyt 3GPP Release 17 mahdollistaa sen, että samoja protokollia pystytään käyttämään sekä satelliitti- että maanpäällisessä viestinnässä.
Myös kännyköiden piirisarjat pystyvät nykyisin vastaanottamaan entistä heikompia signaaleja.
Edellytykset kännyköiden satelliittiviestinnälle alkavat siis olla olemassa. Eräs varhainen käytännön toteutus on uusiin iPhone-puhelimiin ilmestynyt hätäviestiominaisuus. Jos maanpäällistä tukiasemaa ei ole saatavilla, voidaan hätäviesti välittää satelliitin kautta.
– Mutta sekin käyttää omia protokolliaan, ja puhelin pitää suunnata taivaalle satelliitteja kohti.
Monta yhteyttä kerralla
Majamaan väitöskirja esittää erilaisia teknisiä ratkaisuja maanpäällisten verkkojen ja satelliittiverkkojen yhdistämiseksi. Väitöskirjan ensimmäinen tutkimusjulkaisu selvittää, onko kansainvälisen televiestintäliitto ITU:n vaatimukset satelliitti-5G:lle ylipäätään mahdollista teknisesti toteuttaa. Kyllä on, vahvistavat tutkimuspaperin verkkosimulaatiot, mutta antenneja päätelaitteeseen tarvitaan kaksin kappalein.
Useimmat väitöskirjan seitsemästä tutkimusartikkeleista käsittelevät moniyhteydellisyyttä.
– Moniyhteydellisyys on tekniikka, jossa päätelaite voi olla yhteydessä useampaan kuin yhteen tukiasemaan kerrallaan, olipa se sitten maanpäällinen tai satelliittitukiasema.
Majamaan väitöskirjan oma suosikkipaperi esittelee seitsemän teknistä ongelmaa, joihin satelliittiverkkojen moniyhteydellisyydessä törmätään, ja pohtii miten niitä voi ratkoa.
Helppoa päätelaitteiden yhteydenpito satelliitteihin ei ole, esimerkiksi satelliittitukiasemien huiman vauhdin takia. Kun perinteiset satelliitit ovat olleet geostationäärisellä radalla käyttäjään nähden paikallaan, liikkuvat LEO-satelliitit taivaalla jopa kuuden kilometrin sekuntinopeudella.
Satelliittiyhteyksissä signaalin kulkuaika ja viiveet ovat nekin yhä pidempiä kuin maanpäällisissä verkoissa. Myös tehontarve kasvaa, kun etäisyys tukiasemiin mitataan kilometrien sijasta satoina kilometreinä.
Algoritmeilla ongelmien kimppuun
Väitöskirjan tutkimuspapereissa Majamaa esittää uusia algoritmeja, joilla ratkotaan satelliittiviestinnän pullonkauloja. Yksi Majamaan kehittämistä algoritmeista suosii päätelaitteita, joiden radioyhteydet ovat kaikkein heikoimmat. Ne kytkeytyvät automaattisesti useampaan tukiasemaan. Algoritmi tuo keskimäärin 20 prosentin parannuksen päätelaitteiden siirtonopeuteen.
Toinen tutkimusartikkeli esittelee dynaamisen taajuudenjakomenetelmän, jossa satelliittiverkko ja maanpäällinen verkko pystyvät operoimaan samalla taajuudella.
– Algoritmi jakaa taajuusresursseja dynaamisesti näiden verkkojen välillä, Majamaa kertoo.
Majamaan väitöskirja syntyi entisessä työpaikassa Magister Solutionsissa.
Siellä hän teki myös LUT-yliopiston kandidaatti- ja diplomityönsä. Diplomityö käsitteli moniyhteydellisyyttä satelliittiverkoissa. Väitöskirja on sille luontevaa jatkoa. Työkaluna oli yrityksen kehittämä kaupallinen systeemisimulaattori. Se on ohjelmisto, jonka avulla laitevalmistajat ja matkapuhelinoperaattorit voivat simuloida dataliikennettä maanpäällisessä tai satelliittiverkossa.
Vastaväittäjä, Aalto-yliopiston professori Riku Jäntti toteaa lausunnossaan, että väitöskirja tuo merkittävää uutta tietoa satelliitti- ja mobiiliverkkojen yhteiskäytöstä.
Väitöstilaisuudessa Jäntti esitti tiukkoja kysymyksiä koko standardoinnin tarpeellisuudesta.
– Kollega sanoi tilaisuuden jälkeen, että en kyllä olisi kyllä halunnut olla tilallasi, Majamaa sanoo – ja lisää samaan hengenvetoon arvostavansa vastaväittäjän syvällistä perehtymistä työhön.
– Hän oli kyllä löytänyt ne työni kipukohdat.
Tulevien 6G-matkapuhelinverkkojen standardit ovat parhaillaan työn alla. Niissä satelliittikommunikointi on tarkoitus ottaa mukaan heti alusta lähtien, kun ensimmäiset 6G-puhelimet ilmestyvät markkinoille joskus vuoden 2030 tienoilla.
Tungosta. Matalan kiertoradan satelliitteja tarvitaan taivaalle paljon, jos tavoitteena on globaali verkko.
– Starlink-satelliittikonstellaatioon on suunnitteilla jopa 40 000 satelliittia, Mikko Majamaa kertoo.
Amazon on rakentamassa Starlinkin kilpailijaa, EU:kin suunnittelee omaa LEO-satelliitti-konstellaatiota nimeltä IRIS2.
Mikko Majamaan tie filosofian tohtoriksi
- 1993. Mikko Majamaa syntyy Jyväskylässä.
- 2003. ”Mikosta tulee insinööri”, ala-asteen opettaja toteaa.
- 2017. Majamaa aloittaa laskennallisen tekniikan opinnot LUT-yliopistossa. – Ala yhdisteli matematiikkaa ja tietotekniikkaa, joista olin aina pitänyt.
- 2020–2021. Opiskelijavaihdossa Lissabonissa Instituto Superior Técnicossa.
- 2022. Majamaa valmistuu diplomi-insinööriksi LUT-yliopistosta, jatkaa työskentelyä diplomityöpaikkansa Magister Solutions Oy:n tutkijana ja aloittaa jatko-opinnot Jyväskylän yliopistossa.
- 2024. Tutkijavierailulla Luxemburgin yliopiston signaalinkäsittelyn tutkimusryhmässä, siirtyy töihin Nokialle 6G-standardien pariin.
- 2025. Mikko Majamaan väitöskirja ”Advances in Satellite Integration into 5G and Beyond” hyväksytään Jyväskylän yliopiston informaatioteknologian tiedekunnassa. Majamaa valmistuu filosofian tohtoriksi ohjelmisto- ja tietoliikennetekniikan alalta.
Mitä haluaisit saada aikaan filosofian tohtorina?
– Ei ole kiveen hakattua visiota, haluan tehdä teknisesti mielenkiintoisia ja haastavia asioita, joista on toivottavasti apua jollekulle.
Suosikkileikkikalu?
Fein MultiMaster -monitoimityökalu. – Teen sivutoimisesti asuntosijoittamista, siinä tulee remontoitua.
Lempiharrastus?
Jalkapallo. – Harrastan monipuolisesti liikuntaa kuntosalista avantouintiin, mutta lempihomma on jalkapallo, kaveriporukalla pelataan.
Mahdollisuuksiin tarttuja
Mikko Majamaalla olivat alun perin opiskelupaikkaa miettiessä mielessä ammattikorkeakouluopinnot. Hän päätti kuitenkin kokeilla, riittäisivätkö eväät yliopisto-opintoihin. Riittiväthän ne, hieman reilussa seitsemässä ja puolessa vuodessa aina tohtoriksi saakka.
– Huomasin, että helposti tulee itse luotua rajoitteita itselleen. Sitä pystyy vaikka mihin, jos ei usko rajoitteisiin.
Sen jälkeen Majamaa on päättänyt tarttua mahdollisuuksiin kursailematta.
Kun diplomityön ohjaaja sanoi, että Majamaan satelliittikommunikointia käsitelleessä diplomityössä olisi eväitä ”pariinkin väitöskirjaan”, päätti Majamaa jatkaa aiheen parissa väitöskirjatutkijana.
– Jo diplomityön kirjallisuuskatsausta tehdessä tuli hauska tunne, että kukaan ei ole tehnyt tätä aiemmin.
Nykytyössään Nokian standardointiosastolla Majamaa suunnittelee tulevaisuuden 6G-matkapuhelinstandardeja ja rakentaa tutkimuskäyttöön tarkoitettua 6G-verkkosimulaattoria.