Alkusanat Sähkömagnetiikan seminaari on toiminut vuodesta 1991 alan tutkijoiden vuosittaisena tapaamisena yhtä vuotta lukuunottamatta. Sähkömagnetiikan seminaarin tarkoituksena on luoda kontakteja eri tutkijoiden ja tutkimusryhmien välillä, lisätä vuoropuhelua teorian ja käytännön toteuttajien välillä sekä mahdollistaa yksi päivä vuodesta kansalliseen sähkömagnetiikkakeskusteluun rennossa ilmapiirissä. Tämän vuoden esitelmissä heijastuu alan tutkimuksen monipuolisuus. Aihepiirit käsittelevät laajasti sähkömagnetiikkaa sivuavia kysymyksiä sekä kokeelliselta, teoreettiselta, lainsäädännölliseltä että historialliselta näkökannalta. Haluan kiittää kaikkia seminaarin puhujia sekä osallistujia onnistuneen kokonaisuuden rakentamisesta. Kiitokset haluan osoittaa myös tieteellisen toimikunnan jäsenille Seppo Härköselle, Lauri Kettuselle, Keijo Nikoskiselle, Antti Pursulalle, Jussi Raholalle, Erkki Saloselle ja Ari Viljaselle. Erityisesti haluan kiittää CSC:stä Antti Pursulaa avusta seminaarin tiedottamisessa sekä ilmoittautumisten koordinoinnista. Haluan toivottaa kaikki lämpimästi tervetulleiksi kuudenteentoista sähkömagnetiikan seminaarin Puolustusvoimien Teknilliselle Tutkimuslaitokselle Riihimäelle. Riihimäellä 1. elokuuta 2007 Juhani Hämäläinen Sähkömagnetiikka seminaarin kotisivu: http://www.csc.fi/csc/kurssit/arkisto/smag 1
Sähkömagnetiikka aikojen saatossa: puolustusvoimien näkökulma alan kehitykseen ja tulevaisuuteen maassamme Klemola Olli Elektroniikkalaitos, PL 8, 11311 Riihimäki, olli.klemola@mil.fi Tiivistelmä: Tässä artikkelissa tarkastellaan sähkömagnetiikan sovellusten kehittymistä ja tulevaisuudennäkymiä puolustusvoimien näkökulmasta. Käsittelytapa pyrkii olemaan lähinnä havainnoiva ja visionäärinen pääpainon ollessa sotatekniikan sovelluksissa: artikkelissa ei näin ollen pyritä missään määrin kattavaan esitykseen sähkömagnetiikan eri osa-alueiden käsittelyssä. Lopuksi tarkastellaan yhtäältä sähkömagnetiikan tutkimuksen merkitystä puolustusvoimien tutkimuskentässä ja toisaalta myös tutkimuksen organisointiin liittyviä haasteita. Sähkömagnetiikan kehitystä meillä ja muualla: historiasta nykypäivään Voidaan perustellusti väittää, että teknologiakehityksen veturina Suomessa on tällä hetkellä matkapuhelin ja siihen liittyvä verkkoteknologia. Puhelimen keksimisen voidaan näin jälkikäteen tarkasteltuna todeta vaikuttaneen olennaisella tavalla sähkömagnetiikan tutkimusalueen painopistealueisiin ja ylipäätään alan kehitykseen maassamme. Suomessahan on tästä tekniikasta pitkät perinteet: kun Alexander Graham Bell keksi puhelimen v. 1876, otettiin Suomessa ensimmäinen puhelinyhteys Helsingissä jo v. 1877 metallitehtailija Johan Nissisen Annanja Eerikinkadun kulmassa sijainneiden myynti- ja konttorihuoneistojensa välille [1]. Sittemmin maahamme on rakennettu koko maan kattava puhelinverkko, joka on osaltaan edesauttanut kehityksen ja hyvinvoinnin leviämistä harvaan asutussa maassamme. Tätä nykyä perinteinen lankapuhelinverkko on kovaa vauhtia korvautumassa langattomalla verkolla; samalla tavallisen matkapuhelinkäyttäjän ulottuville saadaan viihdesovellusten lisäksi mitä moninaisimpia nyky-yhteiskunnan palvelumuotoja. Sodassa joukkojen välinen yhteydenpito sekä toisaalta tilannetietoisuus omien ja vihollisen toiminnasta - nykytermeillä ilmaistuna tiedustelu, valvonta ja johtami- 2
nen - ovat keskeisessä asemassa menestymisen kannalta. Tiedustelun, valvonnan ja johtamisen järjestelmien eli TVJ-järjestelmien kehitys on perinteisesti tuottanut myös siviilimaailmaan uusia teknisiä sovelluksia. Hyvänä esimerkkinä tästä voidaan mainita vaikkapa tutka. Tosin tutkan osalta alkuperäisenä tavoitteena oli tarinan mukaan laivojen törmäyksenestojärjestelmän kehittäminen. Saksalaisen keksijän Christian Hülsmeyerin laitetta ei kuitenkaan otettu käyttöön Saksan laivastolle järjestetystä onnistuneesta esittelystä huolimatta [2]. Syynä lienee ollut toisen keksinnön, kipinälennättimen, yleistyminen. Laitteen kun katsottiin tuottavan saman suorituskyvyn ilmeisesti kustannustehokkaammalla tavalla. Voidaan kuitenkin todeta, että maailmansotien välillä tutkatekniikkaa kehitettiin pääasiassa sotilassovellusten lähtökohdista. Suomeen ensimmäiset tutkat saatiin keväällä 1943 Saksasta. Radion ja sittemmin television keksiminen olivat todellinen läpimurto kulutuselektroniikan yleistymiselle tavallisen kansan keskuudessa. Osansa tästä kehityksestä sai myös Suomi: maamme ensimmäinen radioyhteyshän toteutettiin jo vuonna 1900 venäläisen tiedemiehen Popovin toimesta Kotkasta Suursaaren edustalla olleeseen venäläiseen General-Admiral Apraksin -taistelualukseen [3]. Makaaberia tai ei, sota on kiihdyttänyt tekniikan tutkimusta eritoten sähkömagnetiikassa. Etenkin mikroaaltotekniikan saralla saavutettiin merkittäviä edistysaskelia toisen maailmansodan aikana. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Massachusettes Institute of Technology -yliopistossa valjastettiin mittava tiedemieskaarti mikroaltotekniikan ja sähkömagnetiikan tutkimukseen. Tuloksena tuotettiin mm. MIT Radiation Laboratory Series -kirjasarja, joka on edelleen alan perustiedon kulmakivi. Lienee oikeutettua väittää, että sähkömagnetiikan teorian ja sovellusten tuntemus lisääntyi roimasti maassamme toisen maailmansodan jälkeisenä aikana. Kun sodan seurauksena Saksasta hankittu tutkakalusto alkoi vanhentua, tuli uuden ilmavalvontatutkakaluston hankkiminen ajankohtaiseksi. Syystä tai toisesta Suomelle ei ollut kaupan haluamamme suorituskyvyn omaavaa kalustoa - näin ollen jouduimme pakon edessä suunnittelemaan ja valmistamaan ensimmäisen tutkamme itse. Ensimmäisen suomalaisen valvontatutkan, VRRVI:n, kehitystyö aloitettiin professori Jouko Pohjanpalon johdolla Valtion Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa vuonna 1948 ja sarjavalmistus Valtion Sähköpajalla vuonna 1952 [4]. Sittemmin maassamme on kehitetty ja valmistettu toinenkin vastaava ilmavalvontatutka eli ns. KEVA (keskivalvontatutka). Kun VRRVI ja sen sisartyyppi VRRVY poistuivat käytöstä 1990-luvulle tultaessa, on alun perin 1960- ja 1970-luvuilla toteutettu (ja useaan kertaan modifioitu ja modernisoitu) KEVA-tutka edelleen operatiivisessa käytössä. Lähteessä [5] on kuvattu KEVA-tutkan suunnittelun ja toteutuksen vaiheita varsin seikkaperäisesti. 3
Sähkömagnetiikan tutkimus ja sovellukset: katsaus nykytilaan puolustusvoimien näkökulmasta Kuten jo todettiin, nykyaikaisessa sodankäynnissä korostuu tulivoiman ja liikkuvuuden ohella etenkin tiedustelun, valvonnan ja johtamisen muodostama kokonaisuus. Tämän kokonaisuuden ilmentymiä ovat mm. elektroninen sodankäynti (ELSO), informaatiosodankäynti ja verkostokeskeinen sodankäynti. Menemättä sen koommin näiden käsitteiden määrittelyyn, voidaan kuitenkin väittää sähkömagnetiikan sovelluksilla olevan keskeinen merkitys tässä kokonaisuudessa. Sähkömagnetiikan tutkimus voidaan monelta osin kiteyttää yhteen keskeiseen perusteemaan eli sähkömagneettisen kentän käyttäytymiseen avaruuden epäjatkuvuuskohdassa. Tästä perusongelmasta voidaan puolestaan johtaa useita eri tavoilla painottuneita tutkimusaloja, kuten sähkömagnetiikan laskennallisten menetelmien tutkimus, antennitekniikka, materiaalitekniikka ym. Tuo edellä mainittu kytkös materiaalitekniikkaan on puolustusvoimien kannalta erityisen mielenkiintoinen; onhan esimerkiksi Teknillisen korkeakoulun sähkömagnetiikan laboratorio saanut kansainvälistä tunnustusta mm. kiraalisten materiaalien tutkimuksessa. Kiraalisilla materiaaleilla voidaan pienentää kappaleiden tutkapoikkipintaa; toisin sanoen alusten, lentokoneiden ja ajoneuvojen näkyvyyttä tutkassa voidaan olennaisesti heikentää mm. materiaaliteknisin keinoin. Häivetekniikka onkin eräs merkittävistä tutkimusalueista Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa (PVTT). Kappaleen tutkapoikkipinnan laskennallinen määrittäminen on jo vuosikausia ollut intensiivisen tutkimuksen kohteena. Usein teoreettiset mallinnusmenetelmät ovat suuresti riippuvaisia laskentakapasiteetista. Esimerkiksi FDTD-menetelmässä (Finite Difference Time Domain) kappale korvataan ohuista langoista koostuvalla hilarakenteella; tällöin laskenta perustuu Maxwellin roottoriyhtälöiden differentiaalimuotoihin. Mitä suurempi mallinnettava kappale on, sitä enemmän tarvitaan laskentakapasiteettia. Tulevaisuudessa laskentakapasiteetin kasvaessa voidaan todennäköisesti mallintaa myös suuria kappaleita kuten lentokoneita ja laivoja riittävällä tarkkuudella ja riittävän suurilla taajuuksilla. Esimerkkinä kotimaisesta kehitystyöstä tällä alalla mainittakoon mm. VTT:ssa tutkapoikkipinnan arviointiin kehitetty CAST-ohjelmisto [6]. Ohjelmistoradio (OHRA) [7] on eräs kotimaisen tutkimusyhteisön ja teollisuuden yhteistyön tuottama "keihäänkärki". Alan kehittämisellä on Suomessa jo pitkät perinteet; tässä yhteydessä on tutkittu ja kehitetty radiotekniikkaa, antennitekniikkaa, ohjelmistotekniikkaa, algoritmeja ja erilaisia aaltomuotoja ja niiden generointiin liittyviä sovelluksia. Mikäli ohjelmistoradio saadaan tuotteistettua ja ennen kaikkea markkinoitua vaikkapa yhteiseurooppalaiselle asiakaskunnalle, voimme me suomalaiset hyvällä syyllä todeta olleemme varsinainen tukipila- 4
ri uuden sukupolven radion suunnittelussa ja tuotekehityksessä - eritoten vahvan amerikkalaisen puolustusvälineteollisuuden ristivedossa. Maamme tutkimusyhteisön lisäksi myös kotimaisessa puolustusvälineteollisuudessamme on korkeatasoista osaamista sähkömagnetiikan sovellusten tuotekehityksen saralla. Tätä osaamiskapasiteettia on ylläpidetty ja kehitetty mm. puolustusvoimien tutkimus- ja tuotekehitys -rahoituksella (TTK). Valitettava realiteetti on kuitenkin se, että maassamme ei syystä tai toisesta koeta olevan riittävää kapasiteettia TVJ-järjestelmien laajamittaiseen suunnitteluun ja valmistukseen. Toki puolustusvälineteollisuutemme osallistuu puolustusvoimien järjestelmähankkeisiin merkittävällä panoksellaan, mutta kovin usein tuo panos liittyy pääasiassa järjestelmien mekaaniseen integrointiin. Näin sähkömagnetiikan näkökulmasta tarkasteltuna soisi tämän alan osaamista hyödynnettävän myös laajemmassa mittakaavassa. Osaamista maastamme kyllä löytyy - kännykkäteollisuutemme kaikkine spin-off -vaikutuksineen on tästä hyvä osoitus. Toki tämän alan teollisuuden kapasiteetin kasvattaminen riippuu paljolti rahoittajan tahtotilasta ja toisaalta myös teollisuuden kyvystä laajentaa markkina-alueitaan. Tulevaisuusnäkymiä MIT:n julkaisemassa Technology Review -lehdessä tarkasteltiin taannoin teknologia-alueita, joiden ennustetaan muuttavan maailmaa. Nämä teknologiat ovat [8]: - Video vertaisverkoissa. - Aurinkoenergiaa kvanttipisteillä. - Neuronihallinta. - Metamateriaalit. - Nanoparantaminen. - Optiset antennit. - Pakattu havainnointi. - Personoitu terveydentilan tarkkailu. - Soluyksiköiden analyysi. - Mobiili laajennettu todellisuus. Kuten havaitaan, tässä listassa korostuvat etenkin biotieteet ja IT-teknologia. Selkeästi tai ainakin osittain sähkömagnetiikan alueita ovat mm. metamateriaalit ja optiset antennit. Voidaan kuitenkin väittää, että myös monet muut em. listan mukaiset teknologian alat tuottavat sähkömagnetiikan tutkimusta ja sovelluksia elinkaarensa jossain vaiheessa. 5
Perinteisten sotilassovellusten kannalta etenkin metamateriaalit muodostavat mielenkiintoisen aihealueen. Näillä keinotekoisilla materiaaleilla voi olla ominaisuuksia, jotka poikkeavat luonnollisten materiaalien käyttäytymisestä. Esimerkiksi ns. DNG-materiaaleilla (Double Negative) voi olla samanaikaisesti sekä negatiivinen reaalinen permittiivisyys- että permeabiliteettiarvo. NIR-materiaaleilla (Negative Index of Refraction) voi puolestaan olla negatiivinen taitekerroin. Tällaisilla materiaaleilla voi olla erittäin suuri merkitys tulevaisuuden häiveteknisissä sovelluksissa. Metamateriaalit saattavat mullistaa myös perinteisiä käsityksiä vaikkapa antennien suorituskyvystä. Esimerkiksi DNG-materiaaleilla voi tulevaisuudessa olla mahdollista toteuttaa pieni antenni, jonka vahvistus on suurempi kuin mitä pelkän aallonpituuden ja antennin fyysisten mittojen perusteella voisi olla pääteltävissä [9]. Toki sähkömagnetiikan tutkimusta ja tuotekehitystä tarvitaan myös muista kuin materiaalitekniikan lähtökohdista. Puolustusvoimien näkökulmasta tarkasteltuna luonnollisesti sensoriteknologia kaikkine osa-alueineen säilyy merkityksellisenä painopisteenä - kuten myös johtamisjärjestelmiin ja tietoliikenteen sovelluksiin liittyvä aktiviteetti. Elektronisen suojautumisen merkitys kasvaa uusien uhkien myötä; esimerkiksi suuritehoisten mikroaaltoaseiden (HPM, High Power Microwave) uhkaan tulee varautua jo lähitulevaisuudessa. Yleisenä tekniikan kehittymisen ominaispiirteenä tultaneen näkemään entistä suurempi integroitumisaste. Järjestelmätasolla esimerkiksi elektronisen tiedustelun järjestelmä voi integroitua aktiiviseen valvonta- ja maalinosoitusjärjestelmään sekä mahdollisesti myös samalla alustalla olevaan tietoliikennejärjestelmään. Näin ollen eri toimintoihin käytetään yhteisiä moduuleja ja apertuureja. Tämän kehityksen mahdollistavat mm. aiemmin mainittu materiaalitekniikka, AD-muuntimien nopeuden ja ylipäätään digitointiasteen kasvaminen sekä ohjelmallisten toimintojen ja sitä kautta loppukäyttäjän vapausasteiden lisääntyminen. Voidaankin todeta, että järjestelmien äly tulee yhä lähemmäksi loppukäyttäjää sulautettujen ja "näkymättömästi"integroitujen ratkaisujen muodossa - toisin sanoen ns. läsnä-äly lisääntyy. Johtopäätökset Tulevaisuuden taistelutilassa eritoten Suomen näkökulmasta tarkasteltuna korostuvat tilannetietoisuus, liikkuvuus, tulivoima, johtaminen ja taistelunkestävyys. Sähkömagnetiikan sovelluksilla on oma tärkeä roolinsa näiden kaikkien edellä mainittujen elementtien kehittämisessä joko suoraan tai välillisesti. Voidaan sanoa, että sähkömagnetiikka toimii ikään kuin demodulaattorina ympäröivän maailman fyysisten ilmiöiden ja loppukäyttäjän sovelluksen välillä. Puolustusvoimien Teknillisellä Tutkimuslaitoksella on olennainen asema mm. strategista suunnittelua tukevan tutkimuksen tuottajana ja tutkimusta koordinoi- 6
vana tahona. Sekä kotimainen että ulkomainen verkottuminen on välttämätöntä resurssien optimaalisen käytön kannalta. Tähän verkottumiseen ja sen hyödyntämiseen tulisi osoittaa myös riittävä rahoitus, sillä esimerkiksi Euroopan puolustusviraston (European Defence Agency, EDA) yhteiset tutkimushankkeet vaativat tietyn vuotuisen panostuksen. On toki pantava merkille, että tutkimus ei puolustusvoimien kannalta ole itsetarkoituksellista toimintaa - sen on aina oltava tavalla tai toisella päämäärähakuista. Tässä mielessä tutkimuksen ohjaukseen on kiinnitettävä erityistä huomiota. Ohjauksessa tulisi entistä selkeämmin erotella strategista suunnittelua, kehitysohjelmia ja hankintoja palveleva tutkimus toisistaan priorisoinnin ja resurssien suuntaamisen helpottamiseksi. Tutkimuksen ohjaaminen vaatii päätoimisuutta, ammattitaitoa ja pitkäjänteisyyttä; tutkimuksen tavoitteet on kyettävä sitomaan operatiivisiin suunnitelmiin ja strategisiin tavoitteisiin ja toisaalta käytettävissä oleviin resursseihin. Tämän tasoinen ohjaus tulisi toteuttaa nykyistä painokkaammin Pääesikunnasta käsin - tällä hetkellä tutkimuksen resursseja koordinoidaan lähinnä Pääesikunnan materiaaliosaston (J10) suunnasta. Lisäksi Pääesikunnan eri osastoilla työskentelee yksittäisiä henkilöitä, joiden tehtäviin kuuluu tutkimuksen ohjaus oman toimen ohella. Kytkös strategiseen suunnitteluun ja kehitysohjelmiin valtakunnallisella tasalla olisi kuitenkin helpommin saavutettavissa, mikäli tutkimuksen sisällöllinen kokonaisohjaus kuuluisi esim. Pääesikunnan operatiivisen osaston (J3) tai suunnitteluosaston (J5) vastuulle. Koska esimerkiksi PVTT:n tutkimuskokonaisuus on laaja, tulisi päätoimisia tutkimuksen sisältöä ja resursseja koordinoivia henkilöitä olla riittävä määrä - tämän mittakaavan asiakokonaisuuksia kun ei soisi hoidettavan oman toimen ohella. Tässä yhteydessä ei sovi luonnollisestikaan unohtaa puolustushaaraesikuntien roolia oman alansa tutkimuksen ohjauksessa. Valtakunnallinen koordinaatio tulee kuulua kuitenkin Pääesikunnan vastuulle. Suomalainen sähkömagnetiikan osaaminen kestää kansainvälisen vertailun. Olemme kotimaisin voimin kyenneet toteuttamaan verrattain suuria kansallisesti merkittäviä hankkeita, kuten valtakunnan ilmavalvontaverkon pääsensorien suunnittelun ja toteutuksen. Elektroniikasta ja eritoten mobiiliteknologiasta on viimeisen vuosikymmenen aikana tullut kansantaloutemme merkittävimpiä tekijöitä. Sähkömagnetiikan tulevaisuus maassamme näyttää turvatulta. Viitteet [1] Kaituri, T.: Automaattisten puhelinkeskusten historia (http://www.cs.helsinki.fi/u/kerola/tkhist/k2000/alustukset/puhelinkeskukset/). 7
[2] Hänninen, J.: Kaikuja tutkan historiasta. Espoo 1991, Teknillinen korkeakoulu, sähkömagnetiikan laboratorio. Raportti SF13, 39 s. [3] http://halfvalue.com/wiki.jsp?topic=invention_of_radio. [4] Heinonen, H. (toim.): Sähkötkoo 50. Riihimäki 1998, Riihimäen Kirjapaino Oy, 328 s. [5] Heikkilä, E., Ivars, R., Marjanen, R., Santomaa, V.: Kokemuksia matalavalvontatutkan kehittämisestä. Helsinki 1996, Maanpuolustuksen tieteellinen neuvottelukunta MATINE, Raporttisarja A, 1996/3, 102 s. [6] http://virtual.vtt.fi/cast/ [7] Tuukkanen, T., Pouttu, A., Leppänen, P.(toim.): Finnish Software Radio Programme. 2005, Telecommunication Laboratory and Centre for Wireless Communications, 68 s. [8] Torikka, M.: 10 tulevaisuuden teknologiaa. Tekniikka & Talous, 12/2007, s. 14-16. [9] Ziolkowski, R. W., Kipple, A. D.: Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 51(2003)10, s. 2626-2640. 8
SÄHKÖMAGNEETTISILLE KENTILLE ALTISTUMISESTA TYÖSSÄ (DIREKTIIVI 2004/40/EY) JA TULEVA VALTIONEUVOSTON ASETUS Rauno Pääkkönen Työterveyslaitos, PL 486, 33101 TAMPERE, rauno.paakkonen@ttl.fi Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2004/40/EY hyväksyttiin 29.4.2004 ja sen mukaan Euroopan Unionin jäsenvaltioiden on saatettava direktiivin edellyttämät lait, asetukset ja hallinnolliset määräykset voimaan viimeistään 30.4.2008. Suomessa tämä toimeenpannaan pääasiassa valtioneuvoston asetuksella, mistä on jo luonnoksia olemassa. Tämä direktiivi kuuluu fysikaalisten tekijöiden tuoteperheeseen ja se tullaan hyväksymään työturvallisuuslain alaisena säädöksenä ja sitä valvovat työsuojeluviranomaiset. Aikaisemmin fysikaalisten tekijöiden osalta on laadittu melua ja tärinää koskevat valtioneuvoston asetukset. Tulossa on lisäksi keinotekoisia optisia säteilyitä koskeva valtioneuvoston asetus, mikä annettaneen Suomessa vuonna 2010. Väestön altistumisesta sähkömagneettisille kentille on Euroopan Unionin neuvoston suositus 1999/519/EC ja sosiaali- ja terveysministeriön asetus 294/2002. Direktiivin ja tulevan valtioneuvoston asetuksen tarkoituksena on suojella työntekijöitä liialliselta altistumiselta sähkämagneettisille kentille. Voimakkaille sähkömagneettisille kentille altistuvia on Suomessa erilaisten arvioiden mukaan noin 10 000 työntekijää. Kuitenkin lähes jokainen suomalainen altistuu pienille sähkömagneettisten kenttien voimakkuuksille käyttäessään koneita tai laitteita tai matkapuhelinta. Pieniä sähkömagneettisia taustakenttiä on kaikkialla. Sähkömagneettiset kentät eivät ole aiheuttaneet ammattitauteja, mutta tapaturmaisia palovammoja ja subjektiivisia oireita kenttien koetaan aiheuttavan. Sähkömagneettisten kenttien pitkäaikaisvaikutuksista, mm. syövän riskistä ja sähkömagneettisille kentille herkistymisestä käydään keskustelua Pientaajuisista sähkömagneettisista kentistä eniten pohdintaa aiheuttavat sähkön siirrosta ja jakelusta syntyvät käyttötaajuiset (50 Hz) sähkömagneettiset kentät. Voimalinjat, jakelumuuntamot, sähkömoottorit, koneet ja laitteet voivat aiheuttaa 9
ympärilleen magneettikentän, jonka voimakkuutta tavallisesti arvioidaan magneettivuon tiheyden avulla. Teollisuudessa yli 500 µt olevia vuontiheyksiä on raportoitu esimerkiksi pistehitsauksesta, halkeamien tarkastuksesta magneettivuopenkissä, suurivirtaisten pienjännitekaapelien lähellä, sähkövetureissa sekä sähkösulatusuunien lähellä. Terveysepäilyjen takia asioita on ajoittain selvitetty arviolta 100-200 työpaikalla vuosittain. Pientaajuisten magneettikenttien tekninen ja henkilökohtainen vähentäminen on vaikeampaa kuin radiotaajuisten sähkömagneettisten kenttien. Sähkökenttä kyetään vaimentamaan helpommin. Toistaiseksi pientaajuisten magneettikenttien arvioinneissa on tavallisimmin kaupallisilla mittareilla mitattu kentänvoimakkuuksia tietyillä taajuusalueilla (esimerkiksi 30-1000 Hz) eikä työntekijöitä altistavien kenttien taajuuksia ole selvitetty. Kuitenkin ohjearvot muuttuvat taajuuden muuttuessa, joten näiltä osin ohjearvovertailuissa on puutteita. Samoin tyypillisesti ei ole selvitetty pulssinmuotoisten magneettikenttien ominaisuuksia, vaan lähinnä mittarinvalmistajan standardisoimattomilla ominaisuuksilla varustetuilla mittareilla on mitattu tehollisarvoja. Näiltä osin mittaustekninen tilannearvio kaipaa lisäselvityksiä. Eräs ongelma sähkömagneettisista kentistä on syntynyt sähkömagneettisista häiriöistä, minkä sähkölaitteet toisilleen aiheuttavat. Jo 0,2 µt magneettivuon tiheys esimerkiksi jakelumuuntajasta voi häiritä näyttöpäätteen kuvan muodostumista, jolloin kuva liikkuu, väreilee tai kuvan värit saattavat muuttua. Samoin esimerkiksi herkkien mittalaitteiden toiminta saattaa häiriintyä ulkoisista sähkö- tai magneettikentistä. Vaikka terveysvaikutusten takia toimenpiteitä ei voitaisi perustella, laitehäiriöiden tai näyttöpäätehäiriöiden takia on tehty runsaasti sähköja magneettikenttien vaimentamistyötä. Pientaajuisista sähkömagneettisista kentistä oma alueensa ovat staattiset sähkö- ja magneettikentät, joiden sovelluksista voidaan mainita magneettikuvauslaitteet, suprajohdemagneetit, elektrolyysihallit, nosto- ja erotusmagneetit ja kattilaveden erotusmagneetit. Maapallo on iso magneetti, jolloin esimerkiksi Suomessa asumme noin 50 µt vuontiheydessä koko ajan. Näin ollen tavallisin ohjearvo staattisen magneettikentän työperäiselle hetkelliselle altistukselle on 2 T ja jatkuvalle altistukselle (8 h) 60 mt (ACGIH 02) tai 200 mt (ICNIRP). Sydämentahdistimen käyttäjille ohjearvoksi esitetään 0,5 mt. Radiotaajuisia sähkömagneettisia kenttiä käytetään tietoliikenteessä, suurtaajuuslaitteissa, mikroaaltokuivauksessa sekä ilma- ja merivalvontatutkissa. Liimankuivaukseen ja muovinhitsaukseen käytettävissä suurtaajuuslaitteissa ohjearvot voivat ylittyä ja niiden tarkastuksesta on valtioneuvoston päätös (473/85), joka kumoutuu uuden asetuksen myötä. Suurtaajuuslaitteita käytettäessä ihon palovammojen lisäksi ei ole havaittu sairauksia tai terveydentilan muutoksia. Ohjearvot perustuvat lämpövaikutuksiin, joita näiden laitteiden läheisyydessä voi esiintyä. Muovien saumaukseen liitetty silmä-ärsytys on kytketty muovien lämpöhajoamistuotteisiin ja toisaalta sähkömagneettisiin kenttiin. Mahdollisista ra- 10
diotaajuisten sähkömagneettisten kenttien aiheuttamista pitkäaikaisvaikutuksista käydään keskustelua. Radio- ja TV-mastoissa sekä joitakin matka- ja radiopuhelimia käytettäessä ohjearvojen ylittyminen on mahdollista. Suomessa on käytössä noin 1500 sydämentahdistinta ja muutamia kymmeniä defibrillaattoreita, joihin liittyy mahdollisuus häiriytyä ulkoisesta sähkö- tai magneettikentästä. Ympäristössämme olevat sähköisten laitteiden todelliset, epäillyt tai kuvitellut tahdistimien tai defibrillaattorien toimintahäiriöt aiheuttavat kantajalleen oireita, ahdistusta ja pelkoa. Toimintahäiriöt voivat vaatia työtehtävien muutoksia ja johtaa jopa ammatilliseen työkyvyttömyyteen. Samalla tavalla kuulokojeiden reagointi GSM-puhelimille on kiusallinen ilmiö ja vaikeuttaa merkittävästi kuulokojeen käyttäjien matkapuhelimen käyttöä. Yhdysvaltalaisessa työhygieenikkojärjestön suosituksessa mainitaan, ettei sydämentahdistimien käyttäjien työympäristössä saisi esiintyä käyttötaajuisten sähkökenttien arvoja yli 1000 V/m ja magneettivuon tiheyksiä yli 100 µt. Ympäristössämme on laitteita, joiden läheisyydessä edellä mainitut ohjearvot ylittyvät. Tällaisia ovat esimerkiksi magneettijauhetarkastus, autokorjaamoiden ja puusepänteollisuuden käsityökalut, voimalaitokset, terästehtaat ja sähköistetyt rautatien rataosat. Turvaetäisyydet eli ne etäisyydet laitteista, jolloin ohjearvot eivät ylity vaihtelevat käsityökalujen puolesta metristä suurten valokaariuunien tai voimalaitosten kaapelointien kymmenien metrien etäisyyteen. Joidenkin kauppojen turvaporttien läheisyydessä magneettivuon tiheyden ohjearvo 100 µt ylittyy. Uudemmilla radiotaajuuteen perustuvilla turvaporteilla vastaavaa ongelmaa ei enää esiinny. Viitteet [1] ACGIH: Threshold limit values for chemical substances and physical agents. American Conference of Governemental Industrial Hygienists (AC- GIH). Cincinnati, OH 2002. [2] Euroopan unionin neuvoston suositus. Väestön sähkömagneettisille kentille (0 Hz - 300 GHz) altistumisen rajoittamisesta. 1999/519/EY. Euroopan yhteisöjen virallinen lehti, L199/59, 30.7.1999, 59-70. [3] Euroopan yhteisön komissio. Ehdotus neuvoston suositukseksi. Väestön altistumisen rajoittamisesta taajuudeltaan 0 Hz - 300 GHz oleville sähkömagneettisille kentille. Kom(1998) 268 lopull. 98/0166 (CNS). [4] ICNIRP Guidelines: Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Health Physics 74(1998);4, 494-522. 11
[5] Sosiaali- ja terveysministeriö: Väestön ionisoimatonta säteilyaltistusta rajoittavan sosiaali- ja terveysministeriön NIR-asiantuntijaryhmän lausunto. Työryhmämuistio 2001:38. Sosiaali- ja terveysministeriö, Helsinki 2001. 64 s. [6] Sosiaali- ja terveysministeriön asetus ionisoimattoman säteilyn väestölle aiheuttaman altistumisen rajoittamisesta. STMa 294/2002. Suomen asetuskokoelma, Helsinki 2002. [7] Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2004/40/EY terveyttä ja turvallisuutta koskevista vähimmäisvaatimuksista työntekijöiden suojelemiseksi altistumiselta fysikaalisista tekijöistä (sähkömagneettiset kentät) aiheutuville riskeille. Euroopan unionin virallinen lehti L 184 24.5.2004, 1-9. 12
Materiaalirajapintojen mallintaminen FDTD:ssä Ilkka Laakso, Tero Uusitupa TKK Sähkömagnetiikan laboratorio PL 3000, 02015 TKK ilkka.laakso@tkk.fi FDTD-menetelmä on eksplisiittinen aika-alueen differenssimenetelmä, joka ratkaisee Maxwellin yhtälöt numeerisesti. FDTD:ssä tutkittava tilavuus on diskretoitu suorakulmaisiin soluihin, ja materiaaliparametrit ovat paloittain homogeeniset, siten että ne ovat vakiot kussakin solussa. Kaarevien rajapintojen mallintamiseen käytetään staircase-approksimaatiota. Perinteisesti FDTD-menetelmää käytettäessä on oletettu, että diskretoidut sähkökentän komponentit sijaitsevat solujen särmillä, ja ovat siten tangentiaaliset materiaalirajapintoihin nähden. Tässä tapauksessa magneettikentän (oikeasti magneettivuon tiheyden) komponentit sijaitsevat solujen tahkoilla, ja ovat normaalisuuntaiset. Tätä materiaalirajapintojen mallinnustapaa kutsutaan tässä E-solumenetelmäksi. Aivan yhtä hyvin voidaan sähkö- ja magneettikenttäkomponenttien paikat vaihtaa keskenään, jolloin sähkökentän (sähkövuon tiheyden) komponentit ovat normaalisuuntaiset ja magneettikentän komponentit ovat tangentiaaliset materiaalirajapinnoilla. Tätä tapaa kutsutaan H-solumenetelmäksi. E- ja H-solut on kuvattu Kuvassa 1. E x3 E y4 E x2 E y3 E z2 E z4 E z3 E y2 E z1 E x4 E z2 E x1 E y1 E x2 E y1 E y2 E z1 E x1 Kuva 1: Sähkökentän komponentit E-solussa (vas.) ja H-solussa (oik.) 13
Tämän tuntemattomien ja kantafunktioiden valinnan vaikutusta tutkitaan SARlaskennassa, joka on FDTD-menetelmän tärkeä sovellutusalue. Tässä tapauksessa erityisesti häviöllisten dielektristen pallojen alimpien resonanssitaajuuksien lähellä solutyypin välinnalla on suuri merkitys, ja tietyissä resonansseissa toinen solutyyppi saattaa antaa merkittävästi parempia tuloksia kuin toinen. Suuremmilla homogeenisilla kappaleilla solutyyppien valinnan vaikutukset vähenevät. Solutyypin valinnasta johtuvien erojen lisäksi epävarmuuksia aiheuttavat muun muassa staircase-approksimaatiosta johtuva mallinnusvirhe ja epätäydellisesti toimivien absorboivien reunaehtojen aiheuttamat virhetekijät. Myös näiden epävarmuustekijöiden vaikutuksiin paneudutaan. Viitteet [1] A. Taflowe, S. C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite- Difference Time-Domain Method. Artech house, 3rd ed., 2005. [2] I. Laakso, FDTD method in assessment of human exposure to base-station radiation, diplomityö, Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto, TKK, 2007. 14
Parallel FDTD solver for large electromagnetic compatibility calculations Sami Ilvonen, Tero Uusitupa Helsinki University of Technology, Electromagnetics Lab., P.O. Box 3000, FI-02015 TKK, sami.ilvonen@tkk.fi Numerical evaluation of microwave electromagnetic fields inside the human body is a demanding task. High resolution model of the body is needed because of the electrical properties and highly inhomogeneous structure of biological tissue. Finite-Difference Time-Domain method is widely used for numerical dosimetry studies due to its ability to model heterogeneous problems easily. In this presentation, a parallel FDTD code is introduced. Memory consumption of the solver has been optimized for calculation of Specific Absorption Rate (SAR) in voxel based models by using e.g. packed coefficient arrays. As an absorbing boundary condition, a well-tested Convolutional Perfectly Matched Layer (CPML) has been implemented. For antenna interaction problems, a resistive voltage gap source is used. Results of the solver have been compared against analytical models and commercial FDTD solver in order to validate the correctness of the program code. The solver has been implemented using Fortran 95, MPI message passing library and the parallel HDF5 library for input and output and it has been tested with machines ranging from single workstation to CSC s new Cray XT4 computer (Louhi), where the code has been used to study SAR problems with over 2 10 9 Yee s cells. References [1] S. Ilvonen: Parallel FDTD-method for electromagnetic radiation problems. Master s thesis, 2000 (in Finnish). [2] A. Taflove, S.C. Hagness: Computational Electrodynamics, The Finite Difference Time Domain Method. Artech House, 3rd edition, 2005. 15
Studying human exposure to base station radiation using parallel FDTD Tero Uusitupa, Sami Ilvonen, Ilkka Laakso, Keijo Nikoskinen Helsinki University of Technology, Electromagnetics Lab, P.O. Box 3000, FI-02015 TKK tero.uusitupa@tkk.fi Base-station antennas (BSA) of mobile communication are typically located on the rooftops of buildings. Usually, in practice, the general public is very well safe if considering the BSA radiation exposure in terms of specific absorption rate (SAR), i.e., the SAR values do not exceed the basic restriction limits set by ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection). But occupational exposure is a different matter. For example, maintenance personnel or a window cleaner may need to work in locations very near to a BSA so that he/she is exposed to the BSA s main lobe. In that case, exposure limits may be exceeded. Because of the large number of BSA s around nowadays, there is need to better understand exposure due to BSA s. Also, there is need for efficient methods to estimate SAR in human body. Currently, an international exposure assessment standard IEC 62232 is being developed. This standard includes measurement and computation protocols to evaluate SAR due to a BSA. It is also required that the uncertainty of all the methods is known. Because the standard protocols/methods, such as simple SAR estimation formulas, will be much based on numerical SAR simulations, it is necessary to study the various uncertainties in SAR simulations. In general, these uncertainties need to be understood, because field and SAR simulations have an increasingly important role nowadays. It is very well known that the permittivity and conductivity data of tissues, which is used in the modeling, has considerable uncertainty. Further, for example, in Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) the cell size affects the obtained SAR results (whole-body-average SAR, maximum of 10g-SAR). Also, the power-loss-density calculation method may have a substantial effect on SAR values. In this work, the effects of FDTD resolution (cell size) and power-loss computa- 16
tion methods have been investigated. Different human voxel models have been utilized (Norman, Zubal, Visible Human). The exposure has been due to a plane wave or base-station antenna (BSA). In BSA-human simulations the distance between the BSA and human has been varied, e.g. from 1 cm to 3 m. If modeling with high resolution (cell size around 1mm) and if the modeled physical volume is large, a memory-efficient method is required, but also, a huge memory space is needed. Thus, we have used parallel FDTD in the field computation (codes developed at TKK/Electromagnetics Lab.). Throughout the modeling process, memory-efficiency of all the codes has been required. With computationally heavy problems, the parallel FDTD code has been run in CSC s supercomputers (CSC=Finnish IT center for Science). Smaller problems have been solved using the PC s (Linux) of our laboratory. The largest problem so far had about 10 billion field unknowns, but much larger problems can be solved. In a nutshell: Large-scale electromagnetic problems can be solved in time domain, human models are anatomically realistic, and the radiating structures can be modeled realistically. The software has been tuned to BSA-human modeling, but it has a lot of potential for other kind of cases, too. The project has been on since March 2006 and is funded by Nokia Corporation and Tekes. References [1] A. Taflove, S.C. Hagness. Computational Electrodynamics, The Finite Difference Time Domain Method. Artech House, 3rd edition, 2005. 17
Tomography based ionosphere correction for mobile GNSS applications Juha-Pekka Luntama Meteorological Institute P.O. Box 503, FI-00101 Helsinki, juha-pekka.luntama@fmi.fi Kathryn Mitchell Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Bath, Bath BA2 7AY, UK. c.n.mitchell@bath.ac.uk The navigation signals transmitted by the GNSS 1 satellites suffer carrier phase advance and code phase delay distortions when they pass through the plasmasphere and the ionosphere. These space weather impacts degrade the positioning accuracy in single frequency GNSS applications. In multi-frequency applications these impacts can be mitigated to the first order by a linear combination of two or more simultaneous observations. However, also in multi-frequency applications higher order errors may still reduce positioning accuracy. A new approach in mitigating the ionospheric error is to use observation based 3D electron density maps to estimate the code phase delays and the carrier phase advances. Ground based and spaceborne GNSS observations can be used in the calculation of the maps. The spaceborne GNSS observations in this context mean radio occultation soundings from LEO satellites. When the electron density distribution along the approximate ray path is known, the ionosphere correction for the pseudorange measured by a GNSS receiver can be calculated from ρ Li = 40.3 f i N e ds 0, (1) where L i is the GNSS channel, f i is the transmission frequency, and N e ds 0 is the integral of the electron density over the slant propagation path of the signal. 1 GNSS = Global Navigation Satellite System including the GPS, GLONASS and in the future also GALILEO satellite systems 18
The 3D electron density map can be calculated with many different methods. The most advanced method is assimilation of the observations into a numerical ionosphere model. If the model is physical based, this approach theoretically allows assimilation on any types of ionospheric observations. The drawback of this approach is that the development of the numerical model is a major task consuming significant amount of time and man power. A faster alternative is to use an experimental ionosphere model like e.g. IRI and NeQuick. In this approach the model can be adjusted to fit in a least squares sense a number of simultaneous observations. The drawback of this technique is that combining GNSS observations with other measurements is usually not possible. A third option is to use just observations and tomographic calculation techniques without any numerical model. The main drawback of this approach is that there is no information about the electron density of the voxels that are not in the path of any of the observed GNSS signals. Thus, in this approach the 3D map is created gradually over time when the observed signals sweep through the voxels. This presentation shows the results from using a tomographic 3D electron density map over Finland to mitigate ionospheric impacts on GPS navigation. The observations used in the map calculations are from the GNSS network operated by Geotrim. The results are based on selected observation days in December 2006. 19
OHJELMISTORADIO - RADIOIDEN UUSI SUKUPOLVI Heikki Rantanen Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos Elektroniikka- ja Informaatiotekniikkaosasto PL 10 11310 Riihimäki Tel +358 19 181 3549, Email: heikki.rantanen@mil.fi JOHDANTO Ohjelmistoradio on ollut kuuma aihe sotilasradioiden kehittäjien keskuudessa jo pian kymmenen vuotta. Sotilaspuolella ohjelmistoradiotekniikan uskotaan olevan avainteknologia, joka mahdollistaa liikkuvan verkkokeskeisen sodankäynnin ja radiotiedonsiirron yhteensopivuuden erilaisissa monikansallisissa yhteisoperaatioissa. Tulevaisuuden sotilasoperaatioissa sotilaat eivät enää toimi yksin vaan sotilaiden, viranomaisten ja siviiliorganisaatioiden saumaton yhteistoiminta korostuu. Kriisinhallintaoperaatioissa niin sotilas-, viranomais- kun myös sotilasradioverkkoja pitäisi voida käyttää saumattomasti yhdessä. Ohjelmistoradion nähdään tänä päivänä olevan lupaavin teknologia tämän vaatimuksen toteuttajana. Siviilipuolella 4G verkkojen myötä korostuu myös tarve käyttää heterogeenisiä verkkoja saumattomasti yhdessä: tulevaisuuden radiolaitteiden tulisikin tukea niin GSM, UMTS, WLAN, WiMax jne radioverkkoja. Suurien alan toimijoiden keskuudessa onkin herännyt viime aikoina mielenkiinto ohjelmistoradiota kohtaan ja parhaillaan he ovat selvittämässä ohjelmistoradiotekniikan soveltamismahdollisuutta helposti päivitettävänä ja uudelleen konfiguroitavana radiotekniikkana. MIKÄ ON OHJELMISTORADIO? Ohjelmistoradiossa radiosignaalin digitalisointi tapahtuu mahdollisimman lähellä antennia huomioiden tämän päivän A/D ja D/A muuntimien suorituskyky. Tämä mahdollistaa radion toimintojen määrittämisen mahdollisimman paljon ohjelmistollisesti käyttäen ohjelmoitavia signaalinkäsittelypiirejä. Ohjelmisto- 20
radiossa radion toimintataajuus, RF-kaistanleveys, modulaatio ja kaikki kantataajuiset signaalinkäsittelytoiminnot ovat ohjelmallisesti määriteltäviä. Digitaalisten signaalinkäsittelykomponenttien suorituskyvyn jatkuva kasvu on tehnyt mahdolliseksi ohjelmistoradion toteuttamisen. Ohjelmistoradiota voidaankin kuvata supertehokkaaksi tietokoneeksi, johon on liitetty RF-etupää sekä A/D- ja D/A muuntimet. Ensimmäiset sotilasohjelmistoradiot tulevat markkinoille muutamien vuosien kuluttua. Näille tyypillistä on myös standardi ohjelmistoarkkitehtuuri, joksi sotilaspuolella on muodostumassa hyvin mittavan USA:n ohjelmistoradiohankkeen JTRS (Joint Tactical Radio System) myötä Software Communication Architecture (SCA). Standardi ohjelmistoarkkitehtuuri mahdollistaa radion aaltomuodon siirtämisen toisen valmistajan radioon aivan kuten Word- tekstinkäsittelyohjelma pyörii kaikissa PC-tietokoneissa. OHJELMISTORADION HAASTEITA Vaikka ohjelmistoradiossa käytetään pääsääntöisesti digitaalisen signaalinkäsittelyn komponentteja asettaa se samalla myös uusia vaatimuksia RF- ja antennitekniikan alueella. Ohjelmistoradio pitäisi perusmääritelmän mukaan toimia millä tahansa taajuusalueella ja vapaasti valittavalla RF-kaistalla, joka edellyttää laajakaistaisten multiband antennien kehittämistä. Samoin sen pitää pystyä toimimaan jopa kymmenissä eri radiojärjestelmissä, joissa jokaisessa on voi olla tiukat vaatimukset RF-parametreille. Rinnakkaiset RF-etupäät eivät voi olla enää realistinen ratkaisu vaan jatkossa tarvitaan ohjelmoitavaa RF-etupäätä, jonka toteuttamisessa muun muassa MEMS on lupaava teknologia. 21
Radios are becoming cognitive Aarne Mämmelä VTT Technical Research Centre of Finland P.O. Box 1100, 90571 OULU aarne.mammela@vtt.fi Introduction There is some indication that many licensed frequency bands are most of the time unused [1], and more frequencies are requested. The reason is the strict frequency allocations: only one user is allowed to use each licensed frequency band. Therefore more flexible use of the frequency spectrum is needed. Cognitive radio principles first suggested by Mitola are being used to solve some of these problems [2], [3]. The available frequency band for radio communications is between 3 khz and 300 GHz. There are practical reasons why all of these frequencies are not in use. The available bandwidth at low frequencies is small and the antennas are large. The frequencies below 3 GHz are already crowded since the technology is mature enough. Above 300 GHz and below the infrared and optical frequencies the electromagnetic waves do not in practice propagate at all in the atmosphere. The attenuation of the frequencies above 10 GHz depends on weather conditions [4], [5]. Especially the rain attenuation may be large. Even the attenuation of the dry atmosphere starts to increase at frequencies above 10 GHz. Thus presently the frequencies 3-10 GHz seem to be the most interesting for new outdoor systems although some special systems will use frequencies up to 60-80 GHz. Definitions The definition of the term cognitive radio is under discussion. The dictionary definition of cognitive refers to awareness based on senses, memory, and reasoning, excluding emotions and will, which belong to a more general form of awareness called consciousness. Mitola s cognitive radio is a radio driven by a large store of a priori knowledge, searching out by reasoning ways to deliver the services the user wants [2]. Later Haykin defined cognitive radios to be radios that improve spectral efficiency by sensing the environment and then filling the discovered gaps of unused licensed spectrum [3]. Haykin s definition seems to be quite narrow. Cognitive radios are adaptive systems that are aware of their 22
environment by using various sensors. After processing the available information, the radios can make reasonable actions. The sensors are not only antennas and related spectrum analyzers as in Haykin s definition, but also cameras, microphones, position sensors, etc. A cognitive network is a network being able to sense the radio environment, and it includes automatic reasoning, self-actuating, self-tuning, and self-healing [6]. The primary goal is to increase the spectrum efficiency and decrease the capital and operating expenses. Cognitive radio draws its inspiration from cognitive science. History Radio regulation started in the United States already in 1912, only about 16 years after Marconi s invention of the radio telegraph. The present Federal Communications Commission (FCC) was founded in 1934. More recently there have been some signs towards more flexible use of frequencies. In 1985 FCC defined the unlicensed Industrial, Scientific, and Medical (ISM) frequency bands. The users could use those bands without any licence fees if they followed certain rules regarding for example the transmitted power spectral density. Finally in 2002 FCC allowed the license-free use of ultra wideband (UWB) radios. They are special spread spectrum radios working as underlay systems mainly in the frequency band 3.1-10.6 GHz. The research on adaptive transmission started already in the 1960 s. It is now widely used in the form of power control, and adaptive modulation and coding. In 1991 Mitola proposed the concept of software-defined radio (SDR) and later in 1999 the cognitive radio. The SDR is needed to implement a cognitive radio. Regulation and standardization The regulation and standardization organizations are interested in cognitive radios. FCC has defined four approaches for more efficient use of radio spectrum [7]: 1) A licensee can employ cognitive radio technologies internally within its own network. 2) Cognitive radio technologies can facilitate secondary markets in spectrum use, implemented by voluntary agreements between licensees and third parties. 3) Cognitive radio technologies can facilitate automated frequency coordination among licensees of co-primary services. 4) Cognitive radio technologies can be used to enable non-voluntary third party access to spectrum, for instance as an unlicensed device operating at times or in locations where licensed spectrum is not in use. To coordinate related standards, the IEEE Standards Board approved the reorganization of the earlier IEEE 1900 effort as Standards Coordinating Committee 41 (SCC 41), which is called Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN) [8]. One of the first applications of cognitive radios will be the secondary use of TV bands, to be defined in the standard IEEE 802.22. Many other standards will include cognitive principles [8]. In Europe similar regulation rules and standards are being developed. 23
Challenges The awareness of cognitive radios is very limited. This is because the radios do not see each other, they only listen to the existing traffic. There is also a hidden terminal problem. Even though we do not hear any communications, we might cause some interference to some receivers since somebody may be transmitting for example behind a corner. This problem is not exceptional since it exists also in wireless local area networks. If we start to transmit, we may also emit some interference to adjacent frequencies. A challenge is the wide bandwidth that needs to be scanned. The antennas must be able to receive those frequencies without major distortion. Especially in mobile systems, the use of the spectrum is dynamically changing and thus the spectrum sensing must be rapid enough [9]. As in any adaptive system, there is a trade-off between rapid and reliable sensing [10]. The reliability of the spectrum sensing must be improved by cooperation between the nodes. There is a danger for chaotic behaviour and traffic jams [3] since there are many interacting nodes. The complexity of the system tends to be prohibitive. Quite much control information needs to the transmitted through the radio waves. In ordinary cellular systems a major part of the control is transmitted though optical cables and it therefore invisible from the wireless part of the system. Network information theory is still in its infancy, but it will integrate the various efforts in improving the spectral efficiency [11]. Conclusions Cognitive radios will improve the flexibility of the use of the frequency spectrum and therefore the spectral efficiency is made better. They will be widely used in the 2010s, most probably first as automated frequency coordination among licensees of co-primary services [7]. Even now some rudimentary forms of cognitive radios are in use. For example the Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) radios select their carrier frequency. Some cognitive radio products and related chips are available [12], [13]. At this initial phase, many different terms refer to a certain kind of cognition, for example the terms autonomous and autonomic have been used. The term consciousness should be reserved to the highest level of awareness, which for example human beings have. The terminology will be unified in the IEEE DySPAN committee [8]. Acknowledgment. CHESS project. The work was partially carried out in the Tekes funded References [1] Report of the spectrum efficiency working group. FCC, Spectrum Policy Task Force, November 2002. [Online]. Available: 24
http://www.fcc.gov/sptf/files/sewgfinalreport_1.pdf. [2] Mitola J., III and Maguire, G.Q., Jr.: Cognitive radio: Making software radios more personal. IEEE Personal Communications 6 (1999) 13-18. [3] Haykin S.: Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications 23 (2005) 201-220. [4] Harmuth H.F.: Fundamental limits for radio signals with large bandwidth. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility EMC-23 (1981) 37-43. [5] Skolnik M.I.: Introduction to radar systems, 3rd ed. (New York: McGraw- Hill, 2001). [6] End-to-End Reconfigurability (E2R) Project Glossary. [Online]. Available: http://e2r2.motlabs.com/glossary. [7] Notice of proposed rulemaking and order. FCC, Report ET Docket no. 03-322, December 2003. [Online]. Available: http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/fcc-03-322a1.doc. [8] IEEE Standards Coordinating Committee 41 (Dynamic Spectrum Access Networks), IEEE Standards Association. [Online]. Available: http://www.ieeep1900.org. [9] Höyhtyä M., Hekkala A., Katz M., and Mämmelä A.: Spectrum awareness: Techniques and challenges for active spectrum sensing. In: Cognitive wireless networks: Concepts, methodologies and visions inspiring the age of enlightenment of wireless communications. Fitzek F.H.P. and Katz M.D., Eds. (Dordrecht, the Netherlands: Springer, 2007), to be published. [10] Tandra R. and Sahai A.: Fundamental limits on detection in low SNR under noise uncertainty. In: Proc. Int. Conf. Wireless Networks, Communications, and Mobile Computing, 2005, pp. 464-469. [11] Biglieri E., Proakis J., and Shamai S.: Fading channels: Informationtheoretic and communications aspects. IEEE Transactions on Information Theory 44 (1998) 2619-2692. [12] The future radio is now. Adapt4, Melbourne, FL, December 1, 2005. [Online]. Available: http://www.adapt4.com/downloads/radio-specbrochure.pdf. [13] Newgard R., Conway C., Journot T., and Jiacinto J.: Broadband spectral sensing for dynamic spectrum allocation. In Proc. Int. Symp. Advanced Radio Technologies, Boulder, CO, 2006, pp. 137-140. 25