Elementtipohjaisten asuinkerrostalojen ulkokuoren signaalivaimennus nykyisten ja lähitulevaisuudessa käyttöön tulevien matkaviestinverkkojen taajuuksilla

Matkapuhelinverkon kuuluvuusongelmia on raportoitu etenkin uusissa asuinkerrostaloissa tasaisesti koko ajan vuoden 2010 jälkeen. Usein on esitetty perusteltu kysymys, ”miksi uusissa asuinkerrostaloissa on matkapuhelinten käytössä ongelmia, mutta vanhemmissa taloissa niitä ei ole?” Tämä väitöstutkimus pyrkii esittämään vastauksia tähän kysymykseen. Kysymys itsessään on tärkeä koko yhteiskunnan näkökulmasta, sillä matkaviestinverkkojen käyttökulttuuri on muuttunut. Matkapuhelimia käytetään enimmäkseen muuhun kuin puhelujen soittamiseen. Riittävän luotettava ja nopea laajakaistayhteys onkin muodostunut jo kansalaisten perustarpeeksi. Tässä väitöstutkimuksessa keskitytään asuinkerrostalojen ulkokuoren materiaalien ja rakenteiden RF-vaimennuksiin eri taajuuksilla. Päähuomio on matkapuhelinverkkojen teknologioiden sijaan taajuuksissa, sillä asuintalojen elinkaaren aikana matkapuhelinten sukupolvet ja niiden käyttämät taajuudet vaihtuvat todennäköisesti useaan kertaan. Asuinkerrostalojen ulkokuoren pääasialliset rakenneosat ovat betonielementeistä valmistetut ulkoseinät ja ikkunarakenteet. Tämän kirjan ensimmäisissä luvuissa tarkastellaan asuinkerrostalojen ikäjakaumaa ja ulkoseinien rakennetta. Samalla todetaan asuinkerrostalorakentamisen ulkoseinien perustuneen viimeisten vuosikymmenien aikana lähes yksinomaan betonin käyttöön seinärakenteen rungon osalta. Toinen merkittävä rakenneosatyyppi, ikkunat, on kokenut 1990-luvun jälkeen merkittävän muutoksen. Nykyisin markkinoilla olevissa ikkunatyypeissä on lähes poikkeuksetta ainakin yhdessä lasipinnassa niin kutsuttu selektiivipinnoite. Tämä pinnoite parantaa ikkunoiden energiatehokuutta, mutta samalla kasvattaa ikkunan signaalivaimennusta merkittävästi. Tästä syystä uusia ikkunoita onkin pidetty perinteisesti matkapuhelinverkon heikon sisätilakuuluvuuden syynä. Tämä väitöstutkimus sisältää paljon mittaustuloksia, joiden pohjalta on kirjoitettu lukuisia erilaisia raportteja erityisesti suomalaisille lukijoille ja yhteistyötahoille, mutta myös seitsemän kansainvälistä konferenssijulkaisua. Asuinkerrostalojen ulkoseinissä käytettävien betonilaatujen lisäksi tarkasteluun on otettu mukaan myös kosteuden merkitys betonin signaalivaimennukseen. Näiden mittausten tulokset osoittavat, että syy uusien asuinkerrostalojen heikkoon signaalitasoon ei johdu pelkästään ikkunoista. Ikkunoiden osalta mielenkiintoinen yksityiskohta on mahdollisuus selektiivikalvon muokkaamiseen, jota tässä kirjassa on tutkittu sekä laboratoriomittausten, simulaatioiden että käytännön kenttäkokeiden avulla. Näistä kokeista saatujen tulosten perusteella nykyisin markkinoilla olevien, normaalilla selektiivikalvolla varustettujen, ikkunoiden signaalivaimennusta on mahdollista pienentää merkittävästi, joten ikkunoista on mahdollista tulla jälleen helpoin reitti signaaleille asuinkerrostalon ulko- ja sisäpuolen välille. Erilaisista sementtilaaduista valmistettujen betonielementtien oma vaimennus on tässä väitöstutkimuksessa esitettyjen tulosten valossa melko yhdenmukainen matkaviestinverkkojen matalimmilla taajuuksilla, mutta taajuuksien kasvaessa ja erityisesti betonin kastuessa vaimennuksissa on hyvin suuria eroja. Nämä erot aiheuttavat tilanteen, jossa asuinkerrostalojen seinien signaalivaimennukset ovat erilaisia eri vuodenaikoina, erityisesti kohteissa, joissa ulkoseinän pinnoite on vaurioitunut. Oman mielenkiintoisen tilanteensa aiheuttaa ulkoseinäremontti, jossa ulkoseinän pinnoitteeksi valitaan rappausverkolla tuettu paksurappaus. Tämä on tavallinen tapa peruskorjata laajasti vaurioituneita ulkoseiniä. Paksurappauksen laasti on huokoista ja imee helposti vettä, mikä aiheuttaa vaihtelua rappauskerroksen RF-vaimennukseen. Itse laastin vaimennusta paljon tärkeämpi havainto liittyy rappausverkon omaan signaalivaimennukseen, joka on huomattavan suuri erityisesti matkaviestinjärjestelmien matalimmilla taajuuksilla. Rappausverkolla vahvistettu paksurappaus siis käyttäytyy täysin päinvastoin kuin muut rakennusmateriaalit RF-vaimennuksen näkökulmasta. Tällä ilmiöllä on vaikutusta erityisesti nopeasti yleistyvien ja matalilla taajuuksilla toimivien IoT-verkkojen toimintaan

Radiosignaalin vaimennusmittauksia nykyaikaisissa asuintaloissa. Loppuraportti

Tässä teknisessä raportissa käsitellään radiotaajuussignaalien etenemisvaimennuksia nykyaikaisissa asuintaloissa. Raportissa esitettävien mittatulosten perusteella nykyaikainen rakentaminen vaimentaa radiotaajuussignaaleja enemmän kuin vanhoihin standardeihin perustunut rakentaminen. Rakennusten energiankulutuksen hillitseminen on tällä hetkellä varsikin Suomessa merkittävässä yhteiskunnallisessa roolissa johtuen siihen käytettävän kokonaisenergian merkittävästä osuudesta. Energiankulutuksen hillitsemistä ohjaavat myös ilmastonmuutoksen aiheuttamat paineet ja alati kasvava pelko energian loppumisesta. Kasvavien energiatehokkuusvaateiden vuoksi rakennusten eristyskykyä on pyritty ja pyritään edelleen kasvattamaan myös tulevaisuudessa. Nämä tekijät ovat vieneet asuintalojen kehitystä kohti energiatehokkaampia ratkaisuja, jotka perustuvat pitkälti metallikerroksien sekä erilaisten metalliseoksien käyttöön. Tämä on kuitenkin langattomassa viestinnässä käytettävien radiotaajuisten signaalien kannalta ongelmallista, koska ne eivät pysty läpäisemään metallikerrosta hyvin. Tämän seurauksena langattomien palvelujen saatavuus heikkenee erittäin tiiviisti rakennetuissa asuintaloissa. Ongelmat korostuvat entuudestaan mikäli rakentamisessa on käytetty jotain metallipohjaisia rakennusmateriaaleja. Raportissa esitettyjen mittaustulosten perusteella uusien rakennusmateriaalien kuten energiatehokkaiden ikkunoiden (selektiivilasit) ja alumiinipohjaisten polyuretaanilevyjen vaimennukset materiaaleina ovat merkittäviä, varsinkin yleisesti käytettävillä matkaviestintaajuuksilla (900MHz, 2100 MHz). Esimerkiksi 2100 MHz taajuudella eristelevyjen sekä ikkunoiden RF-vaimennukset voivat olla jopa 40 dB. Toisien sanoen, signaalitaso vaimenee 10 000 osaan alkuperäisestä. Asuintaloissa taloissa tehtyjen mittausten perusteella havaittiin noin 10 - 20 dB (eli 10 - 100 -kertaisesti) enemmän vaimennusta 2100 MHz taajuuksilla verrattuna vanhojen standardien perusteella rakennettuun tiilivuorattuun pientaloon. Näiden lisävaimennusten myötä operaattorit joutuvatkin vaikeuksiin asiakkaidensa kanssa kuuluvuusongelmien vuoksi. Langattomien järjestelmien tukiasemaverkosto tulee tulevaisuudessa kasvavaan ja osittain parantamaan kuuluvuutta vaikka rakennusten RF-vaimennukset kasvatkin. Esimerkiksi käsillä olevan mobiilidatan räjähdysmäinen kasvu ajaa operaattoreita keskittymään erityisratkaisuihin kuuluvuuden ja verkon kapasiteetin suhteen. Käytännössä tämä tarkoittaa erilaisen kotitukiasemien ja sisäverkkoratkaisujen lukumääräistä kasvua. Tämä ei valitettavasti yksin riitä ratkaisemaan ongelmaa, varsinkaan yleiskuuluvuuden osalta. Yhtenä keskeisenä ratkaisuna nähdäänkin rakenteisiin tehtävät muutokset; joko rakennusmateriaalien valmistusvaiheessa tai sitten jälkiasennuksena. Tämä puolestaan vaatii muutoksia rakennussäädöksiin ja lainsäädäntöön, jota kautta pystyttäisiin vaikuttamaan rakennuselementtien valmistusprosesseihin.publishedVersio

Future of artificial intelligence, automation, and robotics in automotive industry

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin ratkaisuja ongelmiin, joita yrityksillä on automaation, robotiikan ja tekoälyn käyttöönotossa. Tutkimus keskittyy autoteollisuuteen. Yritysten uuden teknologian osalta kohtaamat ongelmat tulevat esiin tutkimuksessa, jossa haastateltiin kolmea eri toimijaa (Suomen Kuljetus ja Logistiikka SKAL ry, Skoda Auto ja Valmet Automotive) ja tutkimalla useita eri ammattilaisten ja alantuntijoiden kirjoittamia artikkeleita ja tutkimuksia. Ongelmia, joihin tällä tutkimuksella etsittiin ratkaisuja, olivat uusien tekniikoiden käyttöönoton korkeat kustannukset sekä ongelmat kyberturvallisuudessa ja toiminnan etiikassa. Esimerkkinä eettisestä ongelmasta on, että automatiikka, robotit ja tekoäly korvaavat pienituloiset tuotannon työntekijät tuotantolaitoksissa ja jäljelle jäävät työt ovat erityisosaamista vaativia työtehtäviä. Ratkaisu tähän on uudelleenkouluttaa työntekijöiltä, jotka vapautuvat vanhoista tehtävistään, ja kehittää heille uusia töitä. Toinen ongelma on kyberturvallisuus, jonka ylläpitämiseksi suositellaan jatkuvia päivityksiä, yhteistyötä tietoturvaeksperttien kanssa sekä sisäisten ja ulkoisten tietoverkkojen tarkkailua. Työntekijöitä tulee myös jatkuvasti kouluttaa tiedostamaan olemassa olevia tietoturvauhkia. Robotiikan ja automaation korkeiden investointikustannusten takia vaaditaan niiden suunnittelussa suurta tarkkuutta sekä TCO:n (Total Cost of Ownership) ja ROI:n (Return Of Investment) kaltaisten tunnuslukujen käyttämistä luotaessa pitkäaikaisia investointisuunnitelmia. Automatiikka, robotiikka ja tekoäly maksavat itsensä kuitenkin nopeasti takaisin, mutta ne eivät ole kertainvestointeja, vaan niitä tulee ylläpitää ja päivittää jatkuvasti. Tutkimuksessa perehdytään myös alan tulevaisuuden näkymiin ja esimerkiksi sen kasvuun eri sektoreilla ja maanosissa. Erityisesti Aasian ja Tyynenmeren alueella tullaan näkemään huomattavaa tuotannon kasvua lähitulevaisuudessa.This thesis searched for solutions for problems faced by companies with the adaptation of automation, robotics, and artificial intelligence. The study focuses on the automotive industry. The study shows the problems companies are facing with the new technology. For the study, three different actors (Suomen Kuljetus ja Logistiikka SKAL ry, Skoda Auto ja Valmet Automotive) were interviewed, and various articles and research documents written by professionals and industry specialists were analyzed. The problems the present study sought solutions for included the high introduction cost of new technologies as well as problems related to cybersecurity, and ethical issues. An example of an ethical problem is that automation, robotics, and artificial intelligence replace low-income production workers at manufacturing plants, and those work positions that remain require special expertise. The solution for this is to retrain these workers who are relieved from their duties and to develop new work tasks for them. The second problem is cybersecurity, and to maintain it, it is recommended to keep the systems updated, to communicate often with information security experts, and to exercise surveillance of internal and external data networks. Employees should also be constantly trained to be aware of current information security risks. When making long-term investment plans, because of the high investment costs of automation and robotics, their planification requires a high degree of precision and the use of ratios such as TCO (Total Cost of Ownership) and ROI (Return Of Investment) calculation. Automation, robotics, and artificial intelligence pay themselves back fast, but they are not one-time investments but require constant updates and upkeep. This study also takes a look at the future of the industry and its growth in different sectors and continents. Especially the Asia-Pacific area is expected to see noticeable growth in the near future

Radiosignaalin vaimennusmittauksia nykyaikaisissa asuintaloissa. Loppuraportti

Tässä teknisessä raportissa käsitellään radiotaajuussignaalien etenemisvaimennuksia nykyaikaisissa asuintaloissa. Raportissa esitettävien mittatulosten perusteella nykyaikainen rakentaminen vaimentaa radiotaajuussignaaleja enemmän kuin vanhoihin standardeihin perustunut rakentaminen.Rakennusten energiankulutuksen hillitseminen on tällä hetkellä varsikin Suomessa merkittävässä yhteiskunnallisessa roolissa johtuen siihen käytettävän kokonaisenergian merkittävästä osuudesta. Energiankulutuksen hillitsemistä ohjaavat myös ilmastonmuutoksen aiheuttamat paineet ja alati kasvava pelko energian loppumisesta. Kasvavien energiatehokkuusvaateiden vuoksi rakennusten eristyskykyä on pyritty ja pyritään edelleen kasvattamaan myös tulevaisuudessa. Nämä tekijät ovat vieneet asuintalojen kehitystä kohti energiatehokkaampia ratkaisuja, jotka perustuvat pitkälti metallikerroksien sekä erilaisten metalliseoksien käyttöön. Tämä on kuitenkin langattomassa viestinnässä käytettävien radiotaajuisten signaalien kannalta ongelmallista, koska ne eivät pysty läpäisemään metallikerrosta hyvin. Tämän seurauksena langattomien palvelujen saatavuus heikkenee erittäin tiiviisti rakennetuissa asuintaloissa. Ongelmat korostuvat entuudestaan mikäli rakentamisessa on käytetty jotain metallipohjaisia rakennusmateriaaleja.Raportissa esitettyjen mittaustulosten perusteella uusien rakennusmateriaalien kuten energiatehokkaiden ikkunoiden (selektiivilasit) ja alumiinipohjaisten polyuretaanilevyjen vaimennukset materiaaleina ovat merkittäviä, varsinkin yleisesti käytettävillä matkaviestintaajuuksilla (900MHz, 2100 MHz). Esimerkiksi 2100 MHz taajuudella eristelevyjen sekä ikkunoiden RF-vaimennukset voivat olla jopa 40 dB. Toisien sanoen, signaalitaso vaimenee 10 000 osaan alkuperäisestä. Asuintaloissa taloissa tehtyjen mittausten perusteella havaittiin noin 10 - 20 dB (eli 10 - 100 -kertaisesti) enemmän vaimennusta 2100 MHz taajuuksilla verrattuna vanhojen standardien perusteella rakennettuun tiilivuorattuun pientaloon. Näiden lisävaimennusten myötä operaattorit joutuvatkin vaikeuksiin asiakkaidensa kanssa kuuluvuusongelmien vuoksi.Langattomien järjestelmien tukiasemaverkosto tulee tulevaisuudessa kasvavaan ja osittain parantamaan kuuluvuutta vaikka rakennusten RF-vaimennukset kasvatkin. Esimerkiksi käsillä olevan mobiilidatan räjähdysmäinen kasvu ajaa operaattoreita keskittymään erityisratkaisuihin kuuluvuuden ja verkon kapasiteetin suhteen. Käytännössä tämä tarkoittaa erilaisen kotitukiasemien ja sisäverkkoratkaisujen lukumääräistä kasvua. Tämä ei valitettavasti yksin riitä ratkaisemaan ongelmaa, varsinkaan yleiskuuluvuuden osalta. Yhtenä keskeisenä ratkaisuna nähdäänkin rakenteisiin tehtävät muutokset; joko rakennusmateriaalien valmistusvaiheessa tai sitten jälkiasennuksena. Tämä puolestaan vaatii muutoksia rakennussäädöksiin ja lainsäädäntöön, jota kautta pystyttäisiin vaikuttamaan rakennuselementtien valmistusprosesseihin

Radio Signal Propagation and Attenuation Measurements for Modern Residential Buildings

acceptedVersionPeer reviewe

Polarization adaptation to improve cell border area bitrates and system capacity in small cells

Funding Information: This work was supported in part by Aalto University and Tampere University. Measurements were supported by mobile operator DNA (Telenor Group). Publisher Copyright: © 2023, The Author(s).The target of this paper is to show the impact of polarization adaptation on the received signal quality in an outdoor small-cell deployment scenario. The signal-to-interference ratio (SIR) is the key factor in defining the achievable data rate, and the capacity of the cell. At the cell border area, the SIR value is typically low and causes a significant decrease in the system capacity and achievable data rates. These bad SIR areas at the cell border can be improved by using orthogonal polarizations in the neighboring cells rather than using all polarizations over the whole cell coverage area. For the research work of this paper, a series of measurements were carried out to measure a received signal power and a cross polarization discrimination (XPD) ratio while the signal is transmitted and received with a different set of polarizations. In the measurements, we have considered horizontal, vertical, +/− 45° slanted polarizations, and two different environments, urban street and open space, and three frequencybands, 970−1030 MHz, 2000−2030 MHz and 3364−3400 MHz. The measurement results revealed that at a different distance from the transmitter, for horizontal/vertical polarization, the average XPD is around 24.7 dB and 31.7 dB in the urban street and open area environments, respectively. For +/− 45° slanted polarization, the average XPD is around 11.5 dB and 12.1 dB in the urban street and open area environments, respectively. This paper goes on to propose polarization adaptation in each cell, where the primary polarization is valid for the whole service area of the cell, and secondary polarization is only used in close proximity of the base station antenna. Considering the results, it is emphasized that system capacity can be significantly improved by having only one channel with good SIR values compared to multiple channels with bad SIR values. However, MIMO channels with orthogonal polarizations or with spatial multiplexing can be utilized in the closed vicinity of the base station, i.e., in an area with good SIR values. It is shown that the overall cell capacity can be increased by almost 35% by utilizing polarization adaptation compared to MIMO 2 × 2.Peer reviewe

Impact of modern construction materials on radio signal propagation: Practical measurements and network planning aspects

acceptedVersionPeer reviewe

Impact of Plastering Mesh on Radio Propagation: Practical RF Measurements and Basic Principles

As apartment buildings age, the exterior walls usually have to be repaired after about 40-60 years. In the case of exterior wall renovations of apartment block, the old facade is usually completely renovated and the new surface is based on plastering. Plastering is used as a outermost facade surface especially in major overhaul cases, where energy efficiency is improved by increasing the thickness of the insulation layer. However, plastering can add surprising increment the radio signal attenuation caused by the exterior wall. The reason for this is the iron mesh used to support plastering. That mesh attenuates the signals of wireless systems, especially at low frequencies. In this study, it has been shown that the plastering mesh acts as a high pass filter and can double the wall overall attenuation at frequencies below 1 GHz used by cellular networks.publishedVersio

Impact of Plastering Mesh on Radio Propagation : Practical RF Measurements and Basic Principles

As apartment buildings age, the exterior walls usually have to be repaired after about 40-60 years. In the case of exterior wall renovations of apartment block, the old facade is usually completely renovated and the new surface is based on plastering. Plastering is used as a outermost facade surface especially in major overhaul cases, where energy efficiency is improved by increasing the thickness of the insulation layer. However, plastering can add surprising increment the radio signal attenuation caused by the exterior wall. The reason for this is the iron mesh used to support plastering. That mesh attenuates the signals of wireless systems, especially at low frequencies. In this study, it has been shown that the plastering mesh acts as a high pass filter and can double the wall overall attenuation at frequencies below 1 GHz used by cellular networks.publishedVersio