Sami Sarlin
Sakari Pieskä
Matkaviestinverkon sisäkuuluvuuden ongelmat korostuvat entisestään 5G-teknologian käyttöönoton myötä. Haasteena 5G-verkkojen kanssa on se, että nykyisiä 700–2 600 megahertsin 4G-verkkoja korkeammat taajuudet läpäisevät paljon heikommin seiniä ja tehokkaasti eristettyjä ikkunalaseja. Tämän ehkäisemiseksi ikkunavalmistajat ovat kehittäneet laseja, jotka päästävät RF-signaaleja paremmin läpi heikentämättä ikkunan lämpöominaisuuksia.
RF-läpäisyikkunan toiminta perustuu lasipintaan kalvotettuun tai laseroituun kuviointiin, joka toimii sekundääriantennina tukiaseman ja sisätiloissa olevan päätelaitteen välillä. Centria-ammattikorkeakoulu teki yhteistyössä Oulun yliopiston kanssa sarjan robotisoituja lämpöikkunan RF-läpäisymittauksia, joilla selvitettiin ikkunan RF-läpäisykykyä erilaisilla lasiyhdistelmillä.
Rakennusten energiatehokkuus- ja viranomaisvaatimukset sekä 5G-verkot tuovat haasteita matkaviestinten kuuluvuuteen sisätiloissa
Ympäristöministeriön asetus uuden rakennuksen energiatehokkuudesta (1010/2017) asettaa uudis- ja saneerauskohteiden energiatehokkuudelle vaatimuksia, jotka kiinteistön on täytettävä. Rakennuksen on oltava käyttötarkoituksensa mukaisesti laskennallisen energiatehokkuuden vertailuluvun tai rakenteellisen energiatehokkuuden mukainen, lämpöhäviöltään vähäiselle energiatarpeelle edellytykset luova, sekä laskennalliselta kesäajan huonelämpötilaltaan, energiankäytön mittaamiseltaan ja lämmön ja sähkön tehon tarpeeltaan energiatehokas (Ympäristöministeriö 2017 § 3).
Keskeinen osa rakennuksen energiatehokkuutta muodostuu rakennuksen lämpöhäviön pienentämisestä, jota rakennustekniikassa sovelletaan mm. monikerroksisilla ja selektiivikalvollisilla ikkunoilla sekä uudenlaisilla eristeratkaisuilla. Tämä on kuitenkin tuonut omat haasteensa matkaviestinverkon sisäkuuluvuuteen asuinkiinteistössä. Etenkin betoni- ja teräsrakenteisissa taloissa ikkunat ovat perinteisesti olleet se väylä, jota kautta radiosignaali etenee rakennusten sisätiloihin. Tämän vuoksi energiatehokkaiden ikkunoiden useat lasikerrokset ja niissä olevat metallipinnoitteet aiheuttavat usein näissä kohteissa kuuluvuusongelmia. (Traficom 2019). Ongelmien ehkäisemiseksi ikkunavalmistajat ovat kehittäneet laseja, jotka päästävät RF-signaaleja paremmin läpi heikentämättä ikkunan lämpöominaisuuksia.
Matkaviestinverkon sisäkuuluvuudesta säädetään myös maankäyttö- ja rakennuslaissa (132/1999) siten, että asuin-, majoitus-, ja työtiloja sisältävän rakennuksen on teknisiltä ratkaisuiltaan mahdollistettava edellytykset matkaviestinten kuuluvuudelle sisätiloissa kustannustehokkuus huomioiden (Maankäyttö- ja rakennuslaki § 117 j).
5G-verkoissa taajuudet yltävät alkuvaiheessa 3.5 gigahertsistä 6 gigahertsiin, mutta myöhemmin myös jopa millimetriaalloille aina 100 gigahertsiin saakka. Suomessa 5G-verkot on toteutettu tällä hetkellä 3.5 gigahertsin taajuusalueelle. Kesäkuun 2020 alussa liikenne- ja viestintäministeriö huutokauppasi millimetriaaltoihin kuuluvan 26 gigahertsin taajuusalueen kolmena 800 megahertsin kaistaleena. 26 gigahertsin taajuusalueen eli n258-taajuuskaistan 5G-verkkojen rakentaminen pystyi Suomessa alkamaan heinäkuussa 2020. Operaattoreista Elisa on antanut arvion, jonka mukaan millimetriaallot tulevat käyttöön Suomessa vuonna 2021. (Konttinen 2020.)
Mittauksilla saadaan tietoa ikkunan RF-läpäisykyvystä
RF-läpäisyikkunan toiminta perustuu lasipintaan kalvotettuun tai laseroituun kuviointiin, joka toimii sekundääriantennina tukiaseman ja sisätiloissa olevan päätelaitteen välillä. Ikkuna siis läpäisee signaaleja paremmin kuin muu seinärakenne, jolloin rakennusteknisesti puhutaan RF-aukosta. RF-aukko voi sijaita myös muualla seinässä, jolloin esim. alumiinipäällysteiset eristelevyt korvataan muulla eristeellä tai betonielementtiseinään jätetään aukko, joka paikataan RF-signaaleja läpäisevällä materiaalilla. Yleensä RF-aukko sijaitsee ikkunassa tai sen vierellä, jos se päätetään rakennukseen sisällyttää. (Rakennusteollisuus 2013.)
Ikkunalasin RF-läpäisymittaukset tarjoavat RF-lasin suunnittelijalle tai valmistajalle ensiarvoista tietoa lasielementin suoritustasosta osana rakennuksen RF-aukotusta. Matkaviestinverkon sisäkuuluvuus on ollut osin ongelmallista jo useita vuosia ja uuden 5G-teknologian myötä ongelmat korostuvat entisestään aiempaa korkeamman taajuusalueen vuoksi. RF-signaalien vaimennusmittauksiin ja mittausjärjestelyihin on kehitetty menetelmiä, joissa 5G-verkkojen millimetritaajuudet saavat yhä enemmän huomiota (Ängskog, Bäckström & Vallhagen 2015; Ryan, MacCartney & Rappaport 2017).
Centria-ammattikorkeakoulu toteutti yhteistyössä Oulun yliopiston kanssa sarjan robotisoituja lämpöikkunan RF-läpäisymittauksia, joilla selvitettiin ikkunan RF-läpäisykykyä erilaisilla lasiyhdistelmillä. Centria vastasi mittauksissa käytetyn robottiohjelman ja -sovelluksen kehittämisestä. Mittausten koordinoinnista ja mittaustulosten analysoinnista vastasi Oulun yliopiston CWC:n (Centre for Wireless Communications) radiotekniikan tutkimusryhmä. Testaustarkoitukseen toimitettiin pinnoittamattomia, selektiivikalvollisia sekä RF-kuvioituja ikkunalaseja, joiden lisäksi tutkittiin kaihtimien vaikutusta RF-läpäisyyn.
Robotisoidulla mittauksella simuloidaan todellista tilannetta
Robotisoiduissa RF-mittauksissa käytettiin Centrian Omron TM 12 -yhteistyörobottia. Ensimmäiset testaukset ennen radiokaiuttoman huoneen testauksia tehtiin Centrian tuotantotekniikan laboratoriossa (Kuva 1).
Varsinaiset mittaukset suoritettiin Centria-ammattikorkeakoulun EMC-laboratoriossa radiokaiuttomassa huoneessa, jonka oviaukkoon rakennettiin testattavaa ikkunaa varten ikkuna-aukko. Muilta osin oviaukko suljetaan alumiinipaperilla, jolloin testattava ikkuna toimii radiokaiuttoman huoneen RF-aukkona. Päätelaitetta, esim. modeemia tai matkapuhelinta, simuloiva vastaanotinantenni sijoitettiin radiokaiuttomaan huoneeseen ja tukiasemaa simuloiva lähetinantenni huoneen ulkopuolelle, johon on sijoitettu myös mittalaite.
Testaustilanteessa mittalaite lähettää RF-taajuisen taajuuspyyhkäisyn, jonka voimakkuus mitataan taajuuksittain radiokaiuttomassa huoneessa. Signaalin voimakkuus mitataan useasta pisteestä, jotta saadaan tarkka kuva vastaanotetusta signaalitasosta myös realistisessa tilanteessa, kun päätelaite ei ole välttämättä jatkuvasti RF-aukon läheisyydessä. Mittalaite ja robotti ovat ulkoisten liitäntöjen kautta yhteydessä toisiinsa, jolloin mittaussekvenssi pysyy synkronoituna ja mittaukset tapahtuvat oikealla hetkellä. Sekvenssi kestää kokonaisuudessaan vain noin minuutin. Mittausten tulosten analysointi jatkuu Oulun yliopiston CWC:n radiotekniikan tutkimusryhmän toimesta.
Robotisoidulla mittauksella on mahdollista kasvattaa mittauspisteiden määrää ja samalla taataan tulosten vertailukelpoisuus, kun mittauspisteet pysyvät vakioina. Mittausten robotisoinnilla saavutetaan etuja myös ergonomian ja ajansäästön kannalta, sillä antennin paikoitusta ja suuntausta ei erikseen ole tarpeen tehdä mittausten välillä, ja mittaukset voidaan suorittaa ikkunakohtaisesti yhdellä kertaa. Tällöin ainoa tauko mittausten välillä syntyy ikkunaa tai lasia vaihdettaessa. Yhteistyörobotit eli cobotit (collaborative robots) tarjoavat joustavan, helppokäyttöisen ja turvallisen toteutustavan robotisoitujen mittausten tekemiseen.
Lähteet:
Konttinen, E. 2020, Tivi-uutiskirje 14.7.2020. Uusia 5g-verkkoja saa odottaa ensi vuoteen: katso listasta, mitä taajuuksia puhelinmallit tukevat. Saatavissa: https://www.tivi.fi/uutiset/uusia-5g-verkkoja-saa-odottaa-ensi-vuoteen-katso-listasta-mita-taajuuksia-puhelinmallit-tukevat/5c321476-6e47-4d34-942c-7030dbee5c0c. Viitattu 21.8.2020.
Maankäyttö- ja rakennuslaki. 5.2.1999/132. Saatavissa: https://www.finlex.fi/fi/laki/ajantasa/1999/19990132. Viitattu 17.08.2020.
Rakennusteollisuus. 2013. ”Suunnitteluohje – Matkapuhelimien kuuluvuus sisätiloissa – Energiatehokas uudis- ja korjausrakentaminen”. Sähköinen dokumentti. Saatavissa: https://www.rakennusteollisuus.fi/globalassets/rakentamisen-kehittaminen/suunnitteluohje_matkapuhelimien_kuuluvuus.pdf. Viitattu 14.08.2020.
Ryan, J., MacCartney, G. R., & Rappaport, T. S. 2017. Indoor office wideband penetration loss measurements at 73 GHz. In 2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), pp. 228-233
Traficom 2019. Opas matkapuhelinverkkojen sisätilakuuluvuudesta. Liikenne- ja viestintävirasto Traficomin verkkojulkaisu 7/2019. Saatavissa:
https://www.traficom.fi/sites/default/files/media/publication/Opas-matkapuhelinverkkojen-sisatilakuuluvuudesta.pdf . Viitattu 21.8.2020.
Ympäristöministeriön asetus uuden rakennuksen energiatehokkuudesta. 20.12.2017/1010. Saatavissa: https://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/2017/20171010. Viitattu 14.08.2020.
Ängskog, P., Bäckström, M., Vallhagen, B. 2015. Measurement of Radio Signal Propagation through Window Panes and Energy Saving Windows. In: Proceedings of Electromagnetic Compatibility (EMC), 2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 74-79.
Sami Sarlin
TKI-kehittäjä
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 040 352 6322
Sakari Pieskä
Tutkimusyliopettaja
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 044 449 2564
