TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto
Timo Ilmari Vesterinen
PÄÄTELAITTEIDEN VAIKUTUS
GSM-RADIOVERKON LAATUTASOON
Diplomityö, joka on jätetty tarkastettavaksi diplomi- insinöörin tutkintoa varten Espoossa^!./^. 1997.
Työn valvoja Pertti Vainikainen
Työn ohjaaja
fcn°?ö Tuomo Hokkanen
”
5
"11
-1997
TKKbs^f /3
tillin kirjasto Ciz!:cT,;i/C A4^
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä: Timo Ilmari Vesterinen
Työn nimi: Päätelaitteiden vaikutus GSM-radioverkon laatutasoon
Päivämäärä:28.10.1997 Sivumäärä: 66
Osasto: Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto
Professuuri:Radiotekniikka Koodi: S-26
Työn valvoja: Apulaisprofessori Pertti Vainikainen Työn ohjaaja:Diplomi-insinööri Tuomo Hokkanen
Tämän diplomityön tavoitteena on ollut tutkia GSM-päätelaitteiden suorituskyvyn eroja ja näiden erojen merkitystä radioverkolle.
Työssä on selvitetty päätelaitteiden toimintaa GSM-verkossa sekä arvioitu tyyppihy
väksynnän tilannetta. Hyväksyntätestit eivät sisällä lainkaan mittauksia päätelaitteen antennille, mikä koetaan vakavana puutteena. Hyväksyntämenettely on lisäksi keve
nemässä ja vastuu laitteiden toimintakunnosta siirtymässä valmistajalle.
Teoreettisesti on tutkittu päätelaitteen ominaisuuksia ja järjestelmän mittausraportte- ja. Etenemismallien avulla on laskettu käyttäjän aiheuttaman vaimennuksen vaikutus
ta solun peittoalueen kokoon. Jo 3 dB:n lisävaimennus pienentää peittoaluetta 65
%:iin alkuperäisestä. Vaikutus voidaan havaita kuitenkin vain kohinarajoitteisessa verkossa.
Työssä kehitetty päätelaitteiden laatutilastointi todettiin käyttökelpoiseksi menetel
mäksi puhelujen katkeamislukujen selvittämisessä. Sekä laboratoriossa että oikeassa verkossa tehtyjä antennitestejä on työssä analysoitu ja tuloksia on vertailtu laatutilas- toinnin tuloksiin. Tuloksissa on eroja menetelmien erilaisuuden vuoksi, mutta toisaal
ta eri mittaustavat täydentävät toisiaan.
Käyttäjän aiheuttamassa vaimennuksessa on mitattu jopa 10 dB:n eroja laitetyyppien välillä. Laatutilastoinnissa huonoimmin menestynyt laitetyyppi katkoi puheluja lähes kaksi kertaa enemmän kuin parhaiten menestynyt.
Diplomityön tuloksia käytetään apuna päätelaitetutkimuksessa ja tyyppihyväksynnän kehittymisen seurannassa.
Avainsanat: GSM, päätelaite, katkenneet puhelut_______________________________
3
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author: Timo Ilmari Vesterinen
Name of the Thesis: The Effect of Mobile Stations to the Quality of GSM Radio Network
Date:28.10.1997 Number of pages: 66
Department: Department of Electrical and Communications Engineering
Professorship:Radio Engineering Code: S-26
Supervisor: Associate Professor Pertti Vainikainen Instructor:M.Sc. Tuomo Hokkanen
The aim of this master's thesis was to examine the effect of GSM mobile stations to the radio network.
Type approval testing of terminal equipment was analysed. The procedure doesn't include any tests for the antenna of mobile station, which is seen as a serious defect.
The new proposal would remove a few type approval tests and give the responsibility for the compliance of mobile stations to the manufacturer.
The performance of mobile stations was examined as well as the measurements of GSM system. Using propagation models the effect of mobile station user was calcu
lated. The extra attenuation of 3 dB decreases coverage area to about 65 % from the original. The effect can be noticed only in noise limited network.
The cut off call ratio statistics seemed to be a useful method to find out the dropped call amounts for each type of mobile stations. Antenna tests in anechoic chamber and in a live network were analysed and the results were compared to these statistics. The results had differences because of the inequality of the methods, but on the other hand these tests complete each other.
The body loss of user differed up to 10 dB between mobile station types in laboratory measurements. The statistics indicated, that one type of mobile station could have dropped calls almost twice as much as the other.
The results of this thesis will be utilised in mobile station investigations and in the monitoring of type approval test development.
Keywords: GSM, mobile station, dropped calls ______________________
ALKULAUSE
Tämän diplomityön valvojana on toiminut apulaisprofessori Pertti Vainikainen, jolle haluan esittää parhaat kiitokseni arvokkaista ohjeista ja kiinnostuksesta työtäni koh
taan.
Diplomityö on tehty Telecom Finland Oy:n Matkapuhelinverkkojen Verkkotekniik
ka-osastossa. Työn ohjaajaa, DI Tuomo Hokkasta, kiitän asiantuntevasta opastukses
ta ja rakentavista kommenteista. Mielenkiintoisesta aiheesta kiitän esimiestäni Aapo Lahtea. Kiitos DI Olavi Kokolle ja DI Jyrki Penttiselle radiotien ja järjestelmän salo
jen selvittelytuokioista sekä Olavi Laaksolle opastuksesta kirjoitustyön parissa. Halu
an kiittää myös muita työtovereitani työtä edistäneistä neuvoista ja mukavasta työil
mapiiristä.
Kiitos vanhemmilleni kannustamisesta ja tukemisesta opintojeni aikana sekä Elinalle lämpimästä ymmärryksestä opintoihini ja avusta diplomityön viimeistelyssä.
Helsingissä, lokakuun 20. päivänä 1997
Timo Vesterinen
5
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ...2
ABSTRACT...3
ALKULAUSE... 4
SISÄLLYSLUETTELO... 5
LYHENNELUETTELO...8
SYMBOLILUETTELO...H 1. JOHDANTO...12
2. KATSAUS NYKYTILANTEESEEN...13
2.1 PÄÄTELAITTEIDEN TOIMINTA GSM-VERKOSSA... 13
2.2 LAATU... 16
2.2.1 Radioverkon laatutaso... 17
2.2.2 Yhteyden laatuparametri... 17
2.3 STANDARDOINTI... 18
2.3.1 Yleistä... 18
2.3.2 Tyyppihyväksyntä... 18
2.3.3 Tulevaisuus... 19
3. GSM-JÄRJESTELMÄ...21
3.1 LOHKOT... 21
3.2 TOIMINNALLISET TASOT... 22
3.3 KANAVAT... 23
3.4 YHTEYDEN MUODOSTUMINEN JA KATKEAMINEN 25
4. GSM-PÄÄTELAITE... 27
4.1 PÄÄTELAITTEEN RAKENNE...27
4.2 PÄÄTELAITTEEN TEHONSÄÄTÖ...28
4.3 PÄÄTELAITTEEN HERKKYYS...31
4.4 PÄÄTELAITTEEN ANTENNITYYPIT...31
4.5 PÄÄTELAITTEEN TYYPPIHYVÄKSYNTÄTESTIT...32
5. RADIOYHTEYS...35
5.1 LINKKIBUDJETTI...35
5.1.1 Uplink-suunta...36
5.1.2 Downlink-suunta...37
5.2 ETENEMISYMPÄRISTÖT...37
5.2.1 Häiriörajoitteinen etenemisympäristö...38
5.2.2 Kohinarajoitteinen etenemisympäristö...39
5.3 PEITTO ALUE... 40
5.3.1 Suursolu... 40
5.3.2 Piensolu... 41
6. MITTAUSRAPORTIT GSM-JÄRJESTELMÄSSÄ...42
6.1 RADIORAJAPINNAN MITTAUKSET... 42
6.1.1 Mittausten koodaus... 42
6.1.2 BTS:n mittaukset... 43
6.1.3 MS:n mittaukset valmiustilassa...44
6.1.4 MS:n mittaukset puhelutilassa... 44
6.1.5 Mittausten käsittely... 45
6.2 MITT AUS RAPORTTIEN TUTKIMINEN... 45
7
7. MITTAUSMENETELMÄT...47
7.1 TESTEJÄ GSM-PÄÄTELAITTEEN ANTENNILLE... 47
7.1.1 Antennitesti hajakenttäolosuhteissa... 47
7.1.2 Päätelaitteen antennin suorituskyvyn mittaus... 48
7.1.3 Käyttäjän vaikutus päätelaitteen toimintaan... 49
7.1.4 Yhteenveto... 49
7.2 PÄÄTELAITTEIDEN LAATUTILASTOINTI...50
7.2.1 Mittausjärjestely... 50
7.2.2 Tulokset... 51
7.3 PÄÄTELAITEMITTAUS GSM-VERKOSSA...53
7.3.1 Mittausjärjestely...53
7.3.2 Tulokset... 54
8. TULOKSET JA POHDINTA...56
9. JOHTOPÄÄTÖKSET...61
LÄHDELUETTELO...63
LIITE 1. GSM-JÄRJESTELMÄN LOOGISET KANAVAT...66
LIITE 2. ESIMERKKI LINKKIBUDJETISTA 67
LYHENNELUETTELO
ACTE AGCH AuC ART OMSK BABT BAPT BCCH BSC BSIC BSS BTS CCCH CEC CM CTR dBi dBm DTX EIR ETSI FACCH FCCH
Approvals Committee for Technical Equipment, Euroopan komissi
on alainen tyyppihyväksyntäjärjestö
Access Grant Channel, hajasaannin kuittauskanava Authentication Centre, tunnistuskeskus
Autorite de regulation des telecommunications, ranskalainen tyyp- pihyväksyntäviranomainen
Gaussian Minimum Shift Keying, GSM-järjestelmässä käytettävä digitaalinen modulaatiomenetelmä
British Approvals Board for Telecommunications, englantilainen tyyppihyväksyntäviranomainen
Bundesamt Für Post Und Telekommunikation, saksalainen tyyppi
hyväksyntäviranomainen
Broadcast Control Channel, yleislähetyskanava Base Station Controller, tukiasemaohjain
Base Station Identity Code, tukiaseman tunnistuskoodi Base Station Sub-System, tukiasemajärjestelmä
Base Transceiver Station, tukiasema
Common Control Channel, yhteinen ohjauskanava
Commission of the European Communities, Euroopan komissio Communication Management, GSM-järjestelmässä yhteyden hallin- tataso
Common Technical Regulations, ACTE:n hyväksymä yleinen tek
ninen vaatimus
antennin vahvistus desibeleinä verrattuna isotrooppiseen säteilijään desibeliä verrattuna yhteen milliwattiin
Discontinuous Transmission, epäjatkuva lähetys Equipment Identity Register, laiterekisteri
European Telecommunications Standards Institute, eurooppalainen telealan standardointijärjestö
Fast Associated Control Channel, nopea ohjauskanava Frequency Correction Channel, taaj uuskorj auskanava
9
GSM HLR HO HT IMEI IMSI LA ME MM MO MS MSC MT NMT
NSS NT A OAM OMC OSS PCH PSTN RA RACH RF
Global System for Mobile Communications, yleiseurooppalainen digitaalinen matkaviestinjärjestelmä
Home Location Register, kotirekisteri Handover, kanavanvaihto
Hilly Terrain, etenemisympäristönä vuoristo
International Mobile Station Equipment Identity, kansainvälinen matkaviestimen laitetunnus
International Mobile Subscriber Identity, kansainvälinen matka
viestintilaajan tunnus Location Area, sijaintialue
Mobile Equipment, matkapuhelinlaitteisto (ilman SIM:ä)
Mobility Management Layer, GSM-järjestelmän liikkuvuuden hal- lintataso
Mobile Originating, GSM-verkosta PSTN:ään lähtevä puhelu Mobile Station, matkaviestin, -puhelin, päätelaite
Mobile services Switching Centre, matkapuhelinkeskus Mobile Terminating, PSTN:stä GSM-verkkoon tuleva puhelu
Nordic Mobile Telephone, pohjoismaissa kehitetty automaattinen, analoginen matkapuhelinjärjestelmä, toimii taajuusalueilla 900 MHz ja 450 MHz
Network and Switching Sub-System, GSM-verkon keskusjärjestö
inä
National Telecom Agency, tanskalainen tyyppihyväksyntäviran- omainen
Operations, Administration and Maintenance, GSM-järjestelmän toiminta-, hallinta-ja kunnossapitotaso
Operation and Maintenance Centre, käyttö-ja kunnossapitokeskus Operations Sub-System, käyttöyksikkö
Paging Channel, kutsukanava
Public Switching Telephone Network, yleinen puhelinverkko Rural Area, etenemisympäristönä maaseutu
Random Access Channel, hajasaantikanava
Radio Frequency, radiotaajuus (GSM:llä 900 MHz:n taajuusalue)
RR SACCH SCH SDCCH SIM SMG SMS STC TAC TBR TC TCH/F TCH/H TDMA THK TU VLR
Radio Resource Management, GSM-järjestelmän radio-osan hallin- tataso
Slow Associated Control Channel, hidas ohjauskanava Synchronization Channel, synkronointikanava
Stand alone Dedicated Control Channel,
Subscriber Identity Module, tilaajan tunnistusyksikkö, identifioi käyttäjän
Special Mobile Group, ETSI:n työryhmä Short Message Service, lyhytsanomapalvelu
Technical Sub Committee, ETSI:n tekninen alakomitea
Type Approval Code, tyyppihyväksyntätunnus, IMEIm kuusi en
simmäistä merkkiä
Technical Basis for Regulation, ETSI:n laatima tekninen peruste Technical Committee, ETSI:n tekninen komitea
Traffic Channel/Full Rate, täyden nopeuden liikennekanava Traffic Channel/Half Rate, puolen nopeuden liikennekanava Time Division Multiple Access, aikajakoinen tekniikka Telehallintokeskus, valvoo tyyppihyväksyntää Suomessa Typical Urban, etenemisympäristönä kaupunki
Visitor Location Register, vierailijarekisteri
11
SYMBOLILUETTELO
BER C/l COCR d f
FER
Gbts
Gms Ebts
Ecdownlink E( uplink Ecomb
Ldpx
Lms
Np
PbTS-ix
P MS-tx
RBER RXLEV RXQUAL S BTS
Sms
Bit Error Rate, bittivirhesuhde
Carrier-to-Interference ratio, kantoaaltohäiriösuhde (dB) Cut Off Call Ratio, päätelaitetyypin puhelujen katkeamisluku distance, signaalin kantama tukiasemalta (km)
frequency, taajuus (Hz)
Frame Erasure Rate, kehysvirhesuhde, puhekoodekin hylkäämien puhekehysten osuus (%)
tukiaseman antennivahvistus (dBi) päätelaitteen antennivahvistus (dBi)
tukiaseman antennisyöttökaapelin vaimennus (dB) radiotien vaimennusvara downlink-suuntaan (dB) radiotien vaimennusvara uplink-suuntaan (dB) tukiaseman yhdyssuotimen vaimennus (dB) duplex-suodattimen vaimennus (dB)
päätelaitteen antennisyöttökaapelin vaimennus (dB)
päätelaitteiden laatutilastoinnin painokerroin, ilmaisee päätelaite- tyypin merkityksen verkolle
tukiaseman lähetysteho (dBm) päätelaitteen lähetysteho (dBm)
Residual Bit Error Rate, jäännösbittivirhesuhde
Received Signal Level, vastaanotetun signaalin tehotaso Received Signal Quality, yhteyden laatuparametri tukiaseman vastaanottoherkkyys (dBm)
päätelaitteen vastaanottoherkkyys (dBm)
1. JOHDANTO
Matkapuhelinten käyttö on viime vuosina lisääntynyt merkittävästi, ja kasvun ennus
tetaan jatkuvan voimakkaana. Lisääntyvä liikenne asettaa matkapuhelinverkkojen kapasiteetin ja laadun kovalle koetukselle. Voimakkaimmin matkapuhelinkehitystä on vienyt eteenpäin digitaalinen GSM-tekniikka (Global System for Mobile Commu
nications)i, joka samalla on suurten haasteiden edessä liikenteen kasvun hallinnassa.
GSM-järjestelmä on jo käytössä useimmissa Euroopan maissa ja laajenemassa muis
sakin maanosissa. GSM:n käyttäjiä on lähes 25 miljoonaa (helmikuun lopussa 1997) yli 200 operaattorin verkossa, yli 100 maassa.
GSM-verkon toimivuuden ongelmiin on haettu ratkaisuja lähinnä vain itse verkosta ja sen hallinnasta. Kuitenkin eri päätelaitetyyppien välillä on merkittäviä eroja, ja päätelaitteiden puutteet tai viat vaikuttavat verkon toimintaan. Matkapuhelimen an
tennin säteilykuviota on mitattu laboratorio-olosuhteissa, mutta todellista käytännön vaikutusta GSM-verkon toimintaan ei ole juurikaan tutkittu.
Päätelaitteen on täytettävä tyyppihyväksyntäspesifikaatioiden määräämät vaatimuk
set, mikä varmistetaan viranomaisten valvomilla testeillä. Tyyppihyväksyntä on voi
massa Euroopan unionin alueella, mutta tulevaisuudessa menettely näyttää kevene
vän tai jopa poistuvan. Ilman tyyppihyväksyntää yhä halvemmat ja huonommat pää
telaitteet todennäköisesti yleistyvät GSM-verkossa.
Tässä diplomityössä selvitetään GSM-päätelaitteiden vaikutusta verkon laatuun.
Työn alussa tarkastellaan päätelaitteiden toimintaa GSM-verkossa. Laadusta sekä standardoinnin tilanteesta, puutteista ja tarpeellisuudesta kerrotaan toisessa luvussa.
GSM-järjestelmää esitellään lyhyesti kolmannessa ja -päätelaitetta neljännessä luvus
sa. Viidennessä luvussa käsitellään GSM-verkon radioyhteyttä ja kuudennessa järjes
telmän mittausraportteja. Seuraavaksi analysoidaan päätelaitteille tehtyjä testejä sekä esitellään omia mittauksia. Lopuksi esitetään saadut tulokset ja pohditaan niiden merkitystä sekä jatkotutkimuksen tarvetta ja mahdollisuuksia.
2. Katsaus nykytilanteeseen 13
2. KATSAUS NYKYTILANTEESEEN
Erot päätelaitteiden suorituskyvyssä vaikuttavat GSM-verkkoon. Tässä luvussa käsi
tellään päätelaitteen toimintaa verkossa ja hahmotellaan mahdollisia vaikutuksia ra
dioverkon laatutasoon. Laatu voidaan käsitteenä ymmärtää monella tavalla. Luvussa määritellään termin eri merkityksiä. GSM:n standardointitilannetta tarkastellaan lu
vun lopussa.
2.1 PÄÄTELAITTEIDEN TOIMINTA GSM-VERKOSSA
Tässä työssä päätelaitteella tarkoitetaan GSM-verkossa toimivaa matkaviestintä (MS, Mobile Station) [1], jonka muodostavat matkaviestinlaite (ME, Mobile Equipment) ja siihen asennettava tilaajan tunnistusyksikkö (SIM, Subscriber Identification Module) (ks. kuva 2-1). SIM-kortti sisältää tilaajatunnuksen, salausavaimen, lyhytsanomien vastaanoton, lyhytvalintanumerot, lähtevien puhelujen eston ja verkon valinnan.
Yleisin matkaviestintyyppi on ensisijaisesti puheyhteyksiin tarkoitettu matkapuhelin.
Kuva 2-1 Matkaviestin MS koostuu puhelinlaitteesta ME ja tilaajan tunnistusyksikös- tä eli SIM-kortista.
GSM-järjestelmän toiminnasta saadaan lukuisia erilaisia raportteja. Tarkasteltavia parametrejä, kuten katkenneiden puhelujen määrää, käytetään apuna verkon suunnit
telussa ja säätämisessä. Katkenneiden puhelujen määrää pyritään pienentämään ver
kon parametrejä muuttamalla. Osaan katkeamisista ei verkon puolelta kuitenkaan päästä käsiksi, sillä yhteyden onnistuminen riippuu aina myös käytettävästä päätelait
teesta. Vaikka verkkoa rakennetaan tiheämmäksi ja sen toimintaa parannetaan, kat
keamisia ei pystytä kokonaan poistamaan, koska radio- eli RF-ominaisuuksiltaan {Radio Frequency, radiotaajuus) heikommat päätelaitteet vaikuttavat omalta osaltaan puhelujen katkeamislukuihin.
Kun 1980-luvulla yhteispohjoismainen analoginen NMT-matkapuhelinjärjestelmä {Nordic Mobile Telephone) aloitti 450 ja 900 MHz:n taajuusalueilla, sen kannettavat NMT-puhelimet ja -antennit olivat huomattavasti kookkaampia kuin nykyiset tasku
kokoiset laitteet. Myös käytettävät tehotasot olivat suurempia. Näitä kookkaampia päätelaitteita käytetään edelleen ainakin kiinteästi autoon asennettuina NMT- ja GSM-järjestelmissä. Kun viime vuosina on kehitetty pienempiä päätelaitteita ja las
kettu lähetystehotasoa, ovat päätelaitteiden radio-ominaisuudet todennäköisesti huo
nontuneet. Kun lisäksi käsipuhelimien osuus varsinkin GSM-verkossa on kasvanut räjähdysmäisesti, kokonaisvaikutus verkkoon saattaa olla merkittävä.
Päätelaitteen aiheuttamien katkenneiden puhelujen osuutta on hahmoteltu kuvassa 2- 2. Verkkoa rakentamalla ja kehittämällä katkenneiden puhelujen määrä saadaan vä
henemään. Mikäli päätelaitteiden aiheuttamien katkeamisten osuus kasvaa kuvan 2-2 osoittamalla tavalla, kalliit verkkoinvestoinnit eivät ole paras tapa korjata tilannetta.
Verkossa tehtävät muutokset saattavat myös vaikuttaa päätelaitteiden aiheuttamien katkeamisten määrään. Verkkoa muuteltaessa on aina pyrkimyksenä, ettei olemassa oleva palvelutaso huonone. Katkenneiden puhelujen määrällä tarkoitetaan suhteellis
ta osuutta kaikista puheluista eli puhelujen kokonaismäärän kasvun vaikutus ei näy kuvassa.
2. Katsaus nykytilanteeseen 15
verkosta johtuvat
päätelaitteiden aiheuttamat
Kuva 2-2 Päätelaitteet saattavat ajan mittaan aiheuttaa yhä suuremman osan puhe
lujen katkeamisista.
Puutteet päätelaitteen RF-suorituskyvyssä vaikuttavat laitteen oman yhteyden laatuun sekä peittoalueen laajuuteen. Huono kuuluvuus saattaa aiheuttaa ylimääräisiä kana
vanvaihtoja (HO, Handover), mikä lisää signalointia. Lisääntyvä signalointi kasvattaa verkon kuormitusta ja huonontaa siten verkon toimintaedellytyksiä. Päätelaitteen vaikutusta verkon kuormittumiseen ei kuitenkaan käytännössä ole helppo mitata.
Ihmiskehon arvioidaan aiheuttavan keskimäärin noin 3 dB:n vaimennuksen antennin säteilyyn, kun päätelaitetta käytetään normaaliin tapaan korvalla pitäen [2]. Käyttäjän kehosta, lähinnä kädestä ja päästä, aiheutuva vaimennus on kuitenkin joillakin pääte- laitetyypeillä mitattu paljon suuremmaksi, ja lisäksi eri laitetyyppien välillä on ha
vaittu suuria eroja (ks. kohta 7.1). Matkapuhelimen käyttäjän aiheuttama oletettua suurempi "kehonvaimennus" heikentää lähtevää signaalia niin, ettei se kannakaan kaikkialta solun alueelta tukiasemalle asti. Näin yhteys huononee ja pahimmassa ta
pauksessa katkeaa. Solun peittoalue on siis pienempi kuin suunniteltaessa on tarkoi
tettu.
Tukiasema
Kuva 2-3 Tukiaseman peittoalue RF-ominaisuuksiltaan hyvällä (A) ja huonolla (B) päätelaitteella.
Kuvassa 2-3 on teoreettinen malli solun peittoalueesta. Päätelaite A on RF- ominaisuuksiltaan niin hyvä, kuin verkkoa suunniteltaessa on oletettu. Päätelaite В on radio-osaltaan huonompi laite, jolla yhteyttä tukiasemaan ei koko suunnitellulta peittoalueelta saada. Ulommalta kehältä B:n signaali ei enää kanna tukiasemalle. To
dellinen peittoalue on käytännössä pienenentynyt kuvan osoittamalla tavalla.
Myös päätelaitekannan vanheneminen saattaa aiheuttaa ongelmia verkossa. Näyttää kuitenkin siltä, että laitekanta uusiutuu melko nopeassa tahdissa. Laitevalmistajat tuovat jatkuvasti markkinoille entistä pienempiä, monipuolisempia, kevyempiä, edullisempia ja pidemmän toiminta-ajan omaavia päätelaitteita, joihin vanhat puhe
limet vaihdetaan. Varhaisimpia laitetyyppejä on nykyisin käytössä enää marginaali
nen määrä.
2.2 LAATU
Laadulla voidaan matkaviestinverkosta puhuttaessa tarkoittaa useaa eri asiaa. Laatu voi olla asiakkaan kokema oman matkapuhelimen toimivuus jokapäiväisessä käytös
sä: äänen laatu, puhelujen katkeaminen, peittoalue, puhelun onnistuminen, datapalve
lun kytkeytymisaika, palvelujen oikea toiminta, helppokäyttöisyys, lyhytsanomapa!-
2. Katsaus nykytilanteeseen 17
velujen viive, laskutuksen oikeellisuus, datan siirtonopeus tai roaming-palvelujen toiminta.
Verkko-operaattorin kannalta laatu voi merkitä verkon eri parametrien ilmaisemaa toimivuutta. Koska laadusta puhutaan tässäkin työssä monessa yhteydessä, seuraa- vassa määritellään termin eri merkitykset.
2.2.1 Radioverkon laatutaso
Työn otsikossa mainitulla GSM-järjestelmän radioverkon laatutasolla tarkoitetaan verkon yleistä toimivuutta, jota voidaan mitata esimerkiksi katkenneiden puhelujen määrällä, verkon häiriötasolla, estolla ja kuormituksella. Tärkein ja tarkin radiover
kon laadun mittari on seuraavassa esiteltävä radioyhteyden laatuparametri.
2.2.2 Yhteyden laatuparametri
Radioyhteyden laatu päätelaitteen ja tukiaseman välillä ilmaistaan laatuparametrilla RXQUAL {Received Signal Quality), jonka asteikko on 0...7 siten, että paras laatu kuvataan luvulla 0. Parametrin arvot perustuvat vastaanotetun signaalin keskimääräi
seen bittivirhesuhdearvoon (BER, Bit Error Rate) ennen kanavadekoodausta. BER on arvio vastaanotetun signaalin laadusta, ei tarkka arvo. Arviointi tapahtuu valmista
jakohtaisella algoritmilla. Dekoodauksen jälkeen mitatusta BER:stä käytetään nimi
tystä jäännösbittivirhesuhde (RBER, residual BER). RXQUAL-parametristä kerro
taan tarkemmin kohdassa 6.1.1.
GSM-järjestelmä tuntee myös FER-arvon {Frame Erasure Rate), joka ilmaisee puhe- koodekin hylkäämien puhekehysten osuuden prosentteina (%). FER antaa arvion sii
tä, kuinka hyvin lähetetty puheinformaatio on vastaanotettu, kun taas RXQUAL ar
vioi havaittujen bittivirheiden määrää. FER ilmaisee siis paremmin äänenlaatua.
2.3 STANDARDOINTI
2.3.1 Yleistä
Eurooppalaisesta telealan standardoinnista huolehtii ETSI (European Telecommuni
cations Standards Institute). Järjestössä on jäseniä 28 Euroopan maasta. ETSI:n tek
niset komiteat (TC, Technical Committee) ja alakomiteat (STC, Technical Sub Committee) laativat ETS-standardeja ja väliaikaisia I-ETS-standardeja. Komiteoiden alaisuudessa toimii lukuisia työryhmiä (SMG, Special Mobile Group). Päätelaitteisiin liittyviä standardeja laaditaan mm. työryhmissä SMG2 (radiorajapinta) ja SMG7 (päätelaitetestaus).
2.3.2 Tyyppihyväksyntä
Spesifikaatio GSM 11.10-1 [3] eli ns. telepäätelaitteen "yhdenmukaisuusohje" sisäl
tää GSM-päätelaitteen testauksen tekniset tunnusmerkit ja menetelmät. ETSI:n sääntöjen teknisissä perusteissa [4] ja [5] (TBR, Technical Basis for Regulation) lue
tellaan testit, jotka päätelaitedirektiivin [6] määräämien vastaavien yleisten teknisten vaatimusten (CTR, Common Technical Regulations) mukaisesti muodostavat ns.
tyyppihyväksynnän. Euroopan komission (CEC, Commission of the European Com
munities) alainen ACTE {Approvals Committee for Technical Equipment) hyväksyy käytettävät CTR:t.
Laitteiden on toimittava spesifikaation määräämien rajojen sisällä. Tyyppihyväksyntä vaaditaan jokaiselta GSM-verkkoon liitettävältä telepäätelaitteelta jo ennen kuin laite tuodaan markkinoille. Tyyppihyväksyntätestauksella pyritään takaamaan päätelait
teelle riittävä toimintakyky GSM-verkossa. Laitteen valmistaja saa samalla juridisen perustan myydä päätelaitteitaan Euroopan unionin alueella.
Туyppihyväksyntätestejä tekevät pääasiassa valtuutetut laboratoriot. Valtuutettuja GSM-tyyppihyväksyntäviranomaisia Euroopassa ovat: englantilainen BABT (British Approvals Board for Telecommunications), saksalainen В APT {Bundesamt Für Post Und Telekommunikation), ranskalainen ART {Autorite de regulation des telecom
munications) ja tanskalainen NT A {National Telecom Agency). Laitevalmistaja voi
2. Katsaus nykytilanteeseen 19
myös itse testata tuotteensa, mikäli sillä on hyväksytty testausjärjestelmä. Suomessa valvonnasta vastaa Telehallintokeskus (THK).
Tyyppihyväksyntätestaus sisältää mittauksia päätelaitteen yleisille, tuki-, lisä-, pube
ja datatoiminnoille, radio-osan ominaisuuksille, signaloinnille, tehonsäädölle, SIM- rajapinnalle ja lyhytsanomatoiminnoille (SMS, Short Message Service).
Tyyppihyväksynnän riittävyys päätelaitteen toiminnalle GSM-verkossa ei ole itses
tään selvää. Esimerkiksi puhelimen vastaanottimen herkkyyttä mitattaessa käytetään laboratorio-olosuhteissa järjestelmäsimulaattoria (SS, System simulator), joka kytke
tään kaapelilla suoraan päätelaitteen ulkoiseen antenniliittimeen. Ellei päätelaitemal- lissa ole ulkoista antenniliitintä, signaali kytketään antennista kytkentäelimellä eli ns.
couplerilla simulaattoriin. Tämä mittausjärjestely antaa väärän kuvan päätelaitteen todellisesta RF-toimintakyvystä, koska antennivahvistuksen tasoon ei kiinnitetä lain
kaan huomiota. Oikeassa käyttöympäristössä ja omalla antennilla toimiessaan pääte
laite voi siis osoittautua tyyppihyväksynnästä huolimatta radio-ominaisuuksiltaan riittämättömäksi.
2.3.3 Tulevaisuus
GSM-päätelaitteiden tyyppihyväksyntä on voimassa Euroopan unionin alueella. Uu
det päätelaitteet edustavat GSM:n ns. toista vaihetta (Phase 2). Se tuo järjestelmään runsaasti palveluja ja toimintoja, jotka vaativat ETSEltä useiden standardien uusimis
ta.
Tyyppihyväksynnän tulee antaa päätelaitevalmistajille ohjeet, joita noudattamalla valmistajat pystyvät takaamaan tuotteidensa vaatimustenmukaisuuden. Kun ohjeita seurataan koko tuotekehityksen ajan, varmistetaan tuotteen pääsy markkinoille vii
västyksittä. Tyyppihyväksynnän tulisi tarjota nopea "kerralla kuntoon" -testaus, jolla laitevalmistaja pääsee maailmanlaajuisille markkinoille. Testauksella laitevalmistaja vakuuttaa kansalliset viranomaiset siitä, että sen päätelaitteet täyttävät jatkossakin vaatimukset kaistanhallinnan, tuotteen turvallisuuden ja häiriöttömyyden sekä kulut
tajasuojan suhteen.
Tyyppihyväksynnän pitää pystyä vakuuttamaan verkko-operaattori siitä, että jatkos
sakin päätelaitteet toimivat ongelmitta niin sen omassa verkossa kuin toistenkin ope
raattorien verkoissa. Sen tulee myös rohkaista kansainväliseen liikkumiseen verkosta toiseen (roaming). Päätelaitevalmistajat katsovat osan nykyisistä testeistä olevan käytännössä täysin tarpeettomia. Kun laitevalmistuksen tuotteistusajat ovat lyhenty
neet merkittävästi, testausmenetelmät eivät ole enää riittävän joustavia. Telepäätelait
teen käyttöiäksi arvioidaan yleensä vain kolme vuotta. Kun uuden standardin voi
maantulo äänestyksineen ja hyväksymisineen voi kestää jopa puolitoista vuotta, ovat laitevalmistajat alkaneet vaatia muutosta hyväksymismenettelyyn.
Euroopan komissiossa on valmisteltu ehdotusta uudeksi telepäätelaitedirektiiviksi [7]. Toteutuessaan ehdotus laajentaisi nykyisen direktiivin [6] sovellusaluetta, yksin
kertaistaisi menettelytapoja, keventäisi laitteiden ensivalvontaa (tyyppihyväksyntää) ja nopeuttaisi siten uusien laitetyyppien pääsyä markkinoille. Nykyisen, vuonna 1991 hyväksytyn direktiivin menettelytavat ovat osoittautuneet liian byrokraattisiksi ja ai
kaa vieviksi, eikä lisääntyvää kilpailua ole otettu riittävästi huomioon.
Uusi direktiivi tulee todennäköisesti voimaan vuoden 1999 puolivälissä [8]. GSM- operaattoreille uuden direktiivin voimaantulo tuo muutamia huomioon otettavia muutoksia. Ensiksikin oleellisista vaatimuksista poistuvat verkon ja päätelaitteen vä
liset yhteentoimivuusvaatimukset. Toiseksi vastuu laitteiden vaatimustenmukaisuu
desta siirtyy ns. kolmannelta osapuolelta eli hyväksytyltä testauslaitokselta laiteval
mistajalle. Radiolaitteille vaadittavat testaukset määrittelee kuitenkin edelleen ulko
puolinen tarkastuslaitos (notified body). Laitevalmistajan on joko itse tehtävä nämä testit tai teetettävä ne ulkopuolisessa testauslaitoksessa. Vastuu viallisista laitteista on tämän jälkeen laitevalmistajalla, mikä on varmistettu ns. valmistajan vakuutuksella.
Uusi direktiivi mahdollistaa uusien laitetyyppien ja ominaisuuksien nykyistä no
peamman kehittämisen ja käyttöönoton, mutta jättää päätelaitteiden vaatimustenmu
kaisuuden valvontavastuuta niin viranomaisille kuin joissakin tapauksissa myös verkko-operaattoreille. Eurooppalaiset verkko-operaattorit ovat tyyppihyväksynnän mahdollisesta purkamisesta syystäkin huolissaan. Jos tyyppihyväksynnän vaatimus
ten alentuessa ns. halpatuonti alkaa vallata päätelaitemarkkinoita, vaikutus matkapu
helinverkkojen toimintaan saattaa olla huomattava.
3. GSM-järjestelmä 21
3. GSM-JÄRJESTELMÄ
GSM-järjestelmä toimii taajuuksilla 890-915 MHz (MS lähettää) ja 935-960 MHz (MS vastaanottaa) [9]. Modulointi hoidetaan järjestelmässä digitaalisesti GMSK- tekniikalla (Gaussian Minimum Shift Keying). Tässä luvussa esitellään työn kannalta tarpeellisella tarkkuudella GSM-järjestelmää.
3.1 LOHKOT
GSM-verkossa on keskusjärjestelmä (NSS, Network and Switching Sub-System), ra
diojärjestelmä (BSS, Base Station Sub-System) ja käytön hallintajärjestelmä (OSS, Operation Sub-System). GSM-järjestelmän lohkokaavio on kuvassa 3-1. [10]
radio
rajapinta
NSS keskusjärjestelmä M SC matkapuhelinkeskus HLR kotirekisteri VLR vierailijarekisteri EIR laiterekisteri AuC tunnistuskeskus BSS radiojärjestelmä BSC tukiasemaohjain BTS tukiasema OSS käytön hallinta
järjestelmä OMC käyttö- ja kunnossa-
pitokeskus
Abis-
rajapinta A-rajapinta
^ulkopuoliset verkot
OSS OMC
Kuva 3-1 GSM-verkon rakenne.
Matkapuhelinkeskuksen (MSC, Mobile services Switching Centre) tärkeimpänä teh
tävänä on kytkeä GSM-verkkoon tulevat puhelut oikealle BSS:lle tukiasemaohjaimen (BSC, Base Station Controller) ja tukiaseman (BTS, Base Transceiver Station) kautta sekä BSS:ltä tulevat puhelut muihin verkkoihin. Yksi MSC peittää keskusalu
een, joka jakautuu sijaintialueisiin (LA, Location Area).
Kotirekisteri (HLR, Home Location Register) sisältää tilaajatiedot.
Vierailijarekisteri (VLR, Visitor Location Register) pyytää sen keskusalueelle tulevan päätelaitteen tilaajatiedot tämän HLR:stä ja pitää tiedot muistissa niin kauan kuin päätelaite viipyy sen alueella.
Jokaiseen matkapuhelimeen tallennettu laitetunnus löytyy myös laiterekisteristä (EIR, Equipment Identity Register). EIR:stä voidaan tarkistaa laitetiedot esimerkiksi vialli
sista, varastetuista ja seurannassa olevista puhelimista.
Tilaajan salaisia tunnistenumeroita säilytetään tunnistuskeskuksessa (AuC, Authenti
cation Centre). Puhelun muodostusvaiheessa AuC:n VLRdle antamia tunnistenume
roita verrataan MS:n lähettämiin, ja puhelu voidaan tässä vaiheessa estää, mikäli soittajalla ei ole oikeutta käyttää verkkoa.
Käytön hallintajärjestelmä toimii aina vuorovaikutuksessa GSM-järjestelmän yhden tai useamman osan kanssa. Sen tärkeimmät tehtävät ovat: verkon käyttö ja kunnos
sapito, tilaajatietojen hallinta (esim. laskutus) ja matkaviestimien hallinta.
Käyttö- ja kunnossapitokeskuksen (OMC, Operation and Maintenance Centre) avulla voidaan ladata BTS:n ohjelmisto, syöttää BTS:lle parametrejä ja valvoa BTS:n tilaa.
3.2 TOIMINNALLISET TASOT
GSM-järjestelmän toiminnot on jaettu viiteen toiminnalliseen tasoon [11].
Lähetystaso (Transmission) on alin taso. Se mahdollistaa informaation lähetyskeinot järjestelmän eri osien välillä.
3. GSM-järjestelmä 23
Radio-osan hallintataso (RR, Radio Resource Management) huolehtii MS:n ja MSC:n välisestä linkistä, esimerkiksi kanavanvaihdoista. Suurimman osan RR:n tehtävistä toteuttaa BSS.
Liikkuvuuden hallintataso (MM, Mobility Management Layer) vastaa tilaajatietokan- noista ja erityisesti tilaajan sijainnin seurannasta. MM huolehtii myös turvallisuus
asioista, kuten tilaajan tunnistuksesta.
Yhteyden hallintataso (CM, Communication Management) mahdollistaa edellä mainittujen tasojen tarjoamat palvelut käyttäjille. CM:n tehtäviä ovat puhelujen muodostaminen, ylläpitäminen ja lopettaminen.
Toiminta-, hallinta- ja kunnossapitotaso (OAM, Operations, Administration and Maintenance) mahdollistaa operaattorille toiminta- ja tarkkailumenetelmät.
3.3 KANAVAT
GSM-järjestelmässä radiokanavat ovat 200 kHz:n välein. Lähetys- ja vastaanottokais- tojen väli eli ns. duplex-väli on 45 MHz [12]. Lähetteen rakenne on esitetty kuvassa 3-2.
downlink
f1 0 1 2| 3| 4 5 6 7 0 1 2| 3| 4 5 6 7 0 1 2|3| 4 5 6 7
X
uplink ^
f\
f1 0 1 2| 3| 4 5 6 M 1 2| 3| 4 5 6 y 0 1 2|з] 4 5 6 7
X/ za____n \
Kuva 3-2 GSM-järjestelmän aikaväli ja kahdeksan aikavälin muodostama lähete eli purske. Kun MS on lähettänyt ja vastaanottanut, se monitoroi loppuajan (7/8 kehyk
sestä) naapurisoluja.
Tukiaseman lähetys ja vastaanotto on jaettu kahdeksan aikavälin jaksoihin. Kukin jakso eli TDMA-kehys käsittää kahdeksan fyysistä kanavaa. MS lähettää puheluti- lassa yhden purskeen yhden TDMA-kehyksen aikana aina samassa aikavälissä, kun
nes tukiasema BTS määrää sen vaihtamaan kanavaa. Aikavälin kesto nousu- ja las- kuaikoineen on 577 ps. Lähetetty ään ja vastaanotettuaan tietoa MS monitoroi naa- puritukiasemia. MS saa palvelevalta BTS:Itä listan naapuritukiasemista.
Kun 26 liikennekanavaa tai 51 ohjauskanavaa toistuu peräkkäin, muodostuu TDMA- kehyksistä yksi ylikehys. Ylikehyksiä käytetään, koska hitaat kanavatyypit eivät aina tarvitse aikavälejä peräkkäisistä TDMA-kehyksistä. Kanavajärjestys toistuu ylike- hyksittäin.
Liikennekanavien ylikehysten toistuttua 51 kertaa ja ohjauskanavien ylikehysten toistuttua 26 kertaa ne ovat jälleen samassa vaiheessa. Tämä rakenne on superkehys.
Edelleen 2048 superkehystä muodostaa hyperkehyksen, jonka kesto on lähes kolme ja puoli tuntia. Hyperkehystä tarvitaan salausalgoritmia varten [11].
Fyysinen kanava voi sisältää yhden tai useamman loogisen kanavan toiminnot. Loo
gisia kanavia GSM-järjestelmässä ovat liikenne-ja ohjauskanavat [13].
Liikennekanavat
Liikennekanavat (TCH, Traffic Channel) välittävät käyttäjien tietoa: puhetta tai da
taa. Liikennekanava voi olla:
• täyden nopeuden (TCH/F, Full Rate Traffic Channel) tai
• puolen nopeuden (TCH/H, Half Rate Traffic Channel) liikennekanava.
Ohjauskanavat
Ohjauskanavat jakautuvat yhteyskohtaisiin ja yleisiin ohjauskanaviin.
Yhteyskohtaisia ohjauskanavia (DCCH, Dedicated Control Channel) ovat:
• merkinantokanava (SDCCH, Stand alone Dedicated Control Channel),
• hidas ohjauskanava (SACCH, Slow Associated Control Channel) ja
3. GSM-järjestelmä 25
• nopea ohjauskanava (FACCH, Fast Associated Control Channel).
Lähetyskanavia (BCH, Broadcast Channel) ovat:
• yleislähetyskanava (BCCH, Broadcast Control Channel), joka välittää solutunnis- teen sekä tietoa mm. naapurisolujen taajuuksista kaikille MS:ille,
• synkronointikanava (SCH, Synchronization Channel), joka vie MS:lle kehyksen ajastustietoa ja
• taajuuskorjauskanava (FCCH, Frequency Correction Channel), joka on puhdasta siniaaltoa.
Yhteistä ohjauskanavaa (CCCH, Common Control Channel) tarvitaan yhteydenmuo
dostuksen alussa. Sen alikanavia ovat:
• kutsukanava (PCH, Paging Channel),
• hajasaantikanava (RACH, Random Access Channel), jolla MS ilmoittautuu BTS:lle ja
• hajasaannin kuittauskanava (AGCH, Access Grant Channel), jolla BTS osoittaa ilmoittautuneelle MS:lle kanavan.
Esimerkiksi liikennekanava ja siihen liittyvä ohjauskanava ovat samaa fyysistä kana
vaa. Kun käytetään puolen nopeuden liikennekanavaa, voidaan siirtää kaksi liikenne- kanavaa yhdellä loogisella kanavalla. Kaavio loogisten kanavien tyypeistä on liittees
sä 1.
3.4 YHTEYDEN MUODOSTUMINEN JA KATKEAMINEN
Yhteyden muodostuminen GSM-järjestelmässä riippuu siitä, onko puhelu GSM- verkon sisäinen vai yleiseen puhelinverkkoon (PSTN, Public Switching Telephone Network) liitetty [14]. GSM-verkosta PSTN:ään lähtevä puhelu (MO, Mobile Origi
nating) on myös eri tapaus kuin PSTN:stä GSM-verkkoon tuleva puhelu (MT, Mobi
le Terminating). GSM-verkosta toiseen GSM-verkkoon puhelu yhdistetään PSTN:n kautta.
Kun puhelun päätetään tarkoituksella, MSC:lle kirjautuu purkukoodi (clear code)
"normaali puhelunpäättyminen". Verkon käyttäjä kokee myös muutaman muun ver-
kon kannalta eri purkukoodin tuottavan tapauksen onnistuneeksi puheluksi. Verkon kannalta vain puhelut, jotka päättyvät edellä mainittuun purkukoodiin, tulkitaan on
nistuneeksi.
Puhelu saattaa katketa yllättäen, ilman haluttua puhelun päättämistä, kun olosuhteet ovat erityisen vaikeat. Jos esimerkiksi vastaanotettu signaali on tehotasoltaan tai laa
dultaan heikko, handover epäonnistuu tai akku loppuu, yhteys saattaa katketa. Tällai
nen katkeaminen kirjautuu järjestelmän laskutustietoihin ja OMC:n laskureihin eri purkukoodilla kuin onnistunut puhelu. Purkukoodeilla voidaan vertailla laitetyyppien suorituskykyä GSM-verkossa. Aiheesta kerrotaan enemmän kohdassa 7.2.
4. GSM-päätelaite 27
4. GSM-PÄÄTELAITE
GSM-järjestelmän asiakkaalle eli ns. loppukäyttäjälle näkyvä osa järjestelmää on päätelaite (MS), jolla digitaaliset puhe- ja datayhteydet luodaan [11]. Päätelaitetekno
logia on edennyt huimin askelin matkaviestinnän suuren suosion kasvun myötä. No
pea kehitys on tuottanut yhä pienempiä, kevyempiä, monipuolisempia, käyttäjäystä
vällisempiä ja käyttöajoiltaan parempia päätelaitemalleja. Myös hintataso on laskenut suuren kysynnän ja kovan kilpailun ansiosta. Suurin osa GSM-päätelaitteista on ny
kyisin käsipuhelimia, jotka painavat pienimmillään vain 100 grammaa. Autoihin asennettuja matkapuhelimia on myös edelleen jonkin verran käytössä. Autopuheli
men etuja ovat suurempi lähetysteho sekä usein suurempi ulkoinen antenni, jolloin heikossakin kentässä yhteydet onnistuvat.
Tässä luvussa kerrotaan GSM-päätelaitteen rakenteesta, toiminnoista, antenneista sekä tyyppihyväksyntätestauksesta.
4.1 PÄÄTELAITTEEN RAKENNE
Lohkokaavio päätelaitteen rakenteesta on esitetty kuvassa 4-1.
antenni
demodulaattori
kaiutin puhe-
dekooderi kanava-
dekooderi kyt ein
duplex- suodatin
ulkoinen
antenniliitin mikrofoni
puhe- kooderi modulaattori kanava-
kooderi RF-vahvistin
Kuva 4-1 GSM-päätelaitteen lohkokaavio [15].
Mikäli käytetään ulkoista antennia tai esimerkiksi testataan päätelaitteen vastaanotto- herkkyyttä järjestelmäsimulaattorilla, ulkoinen antenniliitäntä kytkee päätelaitteen oman antennin pois päältä. Päätelaite raportoi vastaanottamansa GSM-signaalin teho- tasoa ja laatua simulaattorille. Joissakin päätelaitemalleissa ulkoinen antenniliitin on laitteen pohjassa, jolloin antennikaapelin pituudeksi - antennin juuresta ns.
"pohjaliittimen" kautta takaisin laitteen yläpäässä sijaitsevaan RF-osaan - tulee kaksi puhelimen mittaa. Tämä kierros lisää kaapelivaimennusta 1-2 dB. Toinen, mahdolli
sesti kalliimpi vaihtoehto on kytkeä jonkinlaisella mekaanisella kytkimellä laitteen oma antenni pois päältä silloin, kun käytetään ulkoista antenniliitäntää. On myös mahdollista sijoittaa antenni päätelaitteen pohjaan tai antenniliitin laitteen yläosaan.
Nykyisestä suuresta päätelaitevalikoimasta löytyy esimerkkejä kaikkiin esitettyihin ratkaisuihin. Antenniliittimen jälkeen signaali kulkee duplex-suodattimen läpi. Tämä ns. duplexeri huolehtii lähetyksen ja vastaanoton erottelusta.
4.2 PÄÄTELAITTEEN TEHONSÄÄTÖ
Käsimatkapuhelimen suurimmaksi lähetystehoksi määritellään 2 W eli 33 dBm, mistä sen tulee pystyä vähentämään tehoa 13 dBm:ään [16]. Tehonsäätöä voidaan käyttää myös tukiasemalla. Päätöksen tehonsäädön käyttämisestä tekee verkko- operaattori.
Päätelaitteen teholuokat on esitetty taulukossa 4-1 [9]. Ilmoitetut tehot ovat huippu- lähetystehoja. Teholuokka 1 vastaisi 20 W:n lähetystehoa, mutta standardointikaan ei enää edes mainitse sitä. Näin suuritehoisia laitteita ei GSM-järjestelmässä käytetä.
Käsipuhelimissa ei ole 5 W:n tehotasoa, vaan enimmäisteho on 2 W.
4. GSM-päätelaite 29
Taulukko 4-1 GSM-päätelaitteen teholuokat. Luvut ovat huippulähetystehoja. Teho- luokan 1 (20 W) laitteita järjestelmässä ei käytetä.
Teholuokka Suurin lähetysteho Laitetyyppi
1 - ajoneuvoja kannettava
2 8 W (39 dBm) ajoneuvoja kannettava
3 5 W (37 dBm) käsipuhelin
4 2 W (33 dBm) käsipuhelin
5 0,8 W (29 dBm) käsipuhelin
Päätelaitteen tehonsäätöä käytetään pienentämään laitteen tehonkulutusta ja näin pi
dentämään päätelaitteen akun toiminta-aikaa. Tehonsäädöllä pyritään myös alenta
maan järjestelmän uplink-suunnan häiriötasoa. Tehonsäätöä voidaan käyttää myös tukiasemalla, jolloin häiriötasoa voidaan alentaa myös downlink-suunnassa.
MS säätää lähetystehoaan BTS:n käskyjen mukaan. BTS mittaa uplink-suunnan sig
naalin tehoa ja laatua. BTS laskee keskiarvoja mittaustuloksista, joiden määrän aset
taa verkko-operaattori. Vastaanottotehon alue on -110...-47 dBm ja yhteysvälin laa- tuparametrin 0...7.
GSM-päätelaitteen tehonsäädössä voidaan erottaa normaali tehonsäätö (normal po
wer control) ja muuttuva tehonsäätö (variable power control) [17].
Normaali tehonsäätö
Normaalissa tehonsäädössä MS:n lähetystehoa lisätään ja vähennetään verkko- operaattorin määräämä porras (yleensä 2 dB) kerrallaan.
BTS komentaa MS:n kasvattamaan lähetystehoa yhdellä portaalla, kun
• uplink-tehotaso eli BTS:n vastaanottama signaali alittaa operaattorin asettaman alarajan (esim. kuvassa 4-2 -85 dBm) tai
• yhteyden laatuparametri RXQUAL on asetettua kynnysarvoa (esim. 4) suurempi.
Vastaavasti MS komennetaan pienentämään lähetystehoaan yhdellä portaalla, kun
• uplink-signaali ylittää asetetun ylärajan (esim. -70 dBm) tai
• yhteyden laatu saavuttaa arvon 0 ja samalla vastaanotettu tehotaso ylittää asetetun laaturajan (esim. -77 dBm).
asetettu yläraja -70 dBm -
asetettu alaraja -85 dBm
a) tehon vähennys b) tehon lisäys
Kuva 4-2 Normaali tehotasosta johtuva MS:n tehonsäätö. MS:n lähetystehoa sääde
tään tarpeen mukaan uplink-signaalin voimakkuuden mukaan. Ylä- ja alarajat ovat verkko-operaattorin määrättävissä.
Muuttuva tehonsäätö
Jos uplink-signaali alittaa asetetun alarajan niin, ettei kahden portaan lähetystehon nostolla päästä vielä alarajalle, käytetään muuttuvaa tehonsäätöä. Siinä alarajan ja uplink-tehotason erotus lasketaan ja MS:n lähetystehoa nostetaan tuon erotuksen ver
ran, jolloin uplink-signaalin voimakkuus nousee asetetulle alarajalle. Vastaavasti toimitaan ylärajalla: uplink-signaali pienennetään operaattorin asettamalle ylärajalle, ellei kahden portaan muutos riitä.
Päätelaitteen lähetystehoa alennetaan varovaisesti, ettei tehonlasku aiheuta kanavan
vaihtoa eli handoveria. Tämä tarkoittaa, että handover on priorisoitu tehonsäädön
4. GSM-päätelaite 31
edelle. Tehonsäätöä käytettäessä on varattava riittävästi marginaalia radiotien nopeil
le häipymille.
Tehonsäätöä kontrolloidaan tasaisin väliajoin. Tehon lisäys ja vähennys tapahtuvat erillisesti. Samoin, mikäli käytetään tehonsäätöä BTS:llä, se tapahtuu erillään MS:n tehonsäädöstä.
Jos huonossa kentässä MS:n säätövara loppuu, etäisyyden kasvu BTS:ään alkaa huo
nontaa kuuluvuutta uplink-suuntaan. Tällaisessa tilanteessa tulevat ilmi päätelaitteen antennin mahdolliset heikkoudet. Heikon suorituskyvyn omaava antenni aiheuttaa myös sen, että päätelaite tarvitsee käytössä jatkuvasti korkeaa lähetystehoa. Tällöin laitteen tehonkulutus kasvaa ja akku kuluu nopeammin loppuun.
4.3 PÄÄTELAITTEEN HERKKYYS
GSM-päätelaitteiden, jotka toimivat 2 W:n lähetysteholla, vastaanottoherkkyysvaa- timus on -102 dBm ja suuremman lähetystehon päätelaitteelle -104 dBm [9]. Tämä tarkoittaa, että 2 W:n päätelaitteen on pystyttävä vastaanottamaan -102 dBm:n GSM- signaali riittävällä bittivirhesuhteella (BER). Tämä BER on määritelty GSM- järjestelmän eri kanavatyypeille (ks. kanavat kohta 3.3) ja etenemisympäristöille (ks.
kohta 4.5) erikseen.
4.4 PÄÄTELAITTEEN ANTENNITYYPIT
Piiska-antenni
Yleisin radiopuhelinverkkojen auto- ja käsipuhelimissa käytetty antenni on piiska- antenni [18]. Sen rakenne on yksinkertainen. Suuntakuvio on horisontaalinen ja ta
sainen kaikkiin suuntiin. Suuntakuvioon vaikuttavat maatason ominaisuudet. Käsi
puhelimen runko toimii pikemminkin dipolin toisena haarana kuin maatasona, mutta sen sijaan autokäytössä katon keskelle sijoitettava antenni saa katosta hyvän maata
son. Ollakseen tehokas tulisi käsipuhelimen piiska-antennin olla mahdollisimman suuri ja sijaita mahdollisimman vapaasti [2]. Käytetyimmät piiska-antennityypit ovat
ХУ4- ja 3/8X-antennit, jolloin 900 MHz:llä antennin pituudet ovat 8,3 cm ja 12,5 cm [19].
Helix-antenni
Helix-antennit ovat yleistyneet käsipuhelimissa pienen kokonsa takia. Helix-antenni on tyypillisesti X/4-antennin pituinen sähköisesti ja sen säteilykuvio on lähes saman
lainen kuin piiska-antenninkin [18].
Uudet tyypit
Uusia päätelaitteen antennityyppejä ovat suuntaavat ja integroidut antennit. Integ
roitu antenni on nimensä mukaisesti päätelaitteen sisällä. Se on tyypillisesti planaari- nen eli levymäinen komponentti. Ensimmäisiä integroidun antennin päätelaitemalleja on jo markkinoilla. Suuntaava antenni säteilee, toisin kuin perinteinen ympärisäteile- vä antenni, vain sektoriin. Säteilykuviosta on käyttäjän pään puolelta esimerkiksi 60°
leikattu pois. Suuntaavan antennin toiminta perustuu siihen, että monitie-etenemisen ansiosta päätelaite voi saada signaalin useasta suunnasta [20]. Huomioon otetaan myös käyttäjän pään vaikutus, joka tekee ympärisäteilevänkin antennin säteilykuvios
ta epäsymmetrisen. Antenni voi tietysti olla sekä planaarinen integroitu että samalla suuntaava.
Matkapuhelinantennia suunniteltaessa tulee ottaa huomioon itse antennin, päätelait
teen rungon ja materiaalien lisäksi käyttäjän pään ja käden vaikutukset antennin suuntakuvioon ja hyötysuhteeseen.
4.5 PÄÄTELAITTEEN TYYPPIHYVÄKSYNTÄTESTIT
GSM-päätelaitteiden tyyppihyväksyntätestien [3] tarkoitus on taata puhelimen riittä
vä toimintavalmius. Jokainen markkinoille tuotava päätelaiteinani testataan huolella, jotta varmistutaan sen toimintakyvystä GSM-verkossa. Hyväksyntätesteissä päätelait
teen radio-osa testataan siten, ettei sen säteily häiritse muita radiolaitteita. Lähettimel- le ja vastaanottimelle on omat testinsä, joilla varmistetaan laitteelle käytössä vaadit
tava suorituskyky.
4. GSM-päätelaite 33
Päätelaitteen lähetin-vastaanottimesta mitataan sen lähettämiä häiriöitä. Vaatimuk
sia on asetettu erikseen sekä johtuville että säteileville häiriöille. Päätelaitteen on myös siedettävä häiritseviä signaaleja, jotta se toimisi oikeassa käyttöympäristössä.
Tyyppihyväksynnässä päätelaitteen lähettimestä tarkastetaan:
• kantotaajuuden poikkeama BTS:n lähettämästä signaalista (frequency error),
• vaihevirhe (phase error),
• taajuusvirhe monitie- ja häiriöympäristössä (frequency error under multipath and interference conditions),
• lähetysteho (taulukon 4-1 mukaisesti) ja lähetteen ajastus (transmitter output po
wer and burst timing) sekä
• lähetyksen RF-spektri (output RF spectrum).
Vastaavasti päätelaitteen vastaanottimesta tarkastetaan:
• virheenilmaisukyky (bad frame indication): ilmaisematta jääneet "huonot" kehyk
set DTX-olosuhteissa (Discontinuous Transmission, epäjatkuva lähetys),
• herkkyys (sensitivity): GSM-käsipuhelimella -102 dBm:n signaali vastaanotettava riittävillä BER:n ja FER:n arvoilla (riippuvat etenemisympäristöstä ja kanavatyy
pistä),
• käytettävissä oleva vastaanottoalue (usable receiver input level range): FER ja BER riittävät koko alueella,
• samakanavavaimennus (co-channel rejection): TCH- ja FACCH-kanavat,
• naapurikanavavaimennus (adjacent channel rejection): puhe- ja ohjauskanavat, e keskinäismodulaatio (intermodulation rejection): kahden tai useamman keski-
näismoduloivan häiriösignaalin summan vaimennus, puhe- ja ohjauskanavat,
• tukkeutuminen ja harhatoisto (blocking and spurious response): muiden kuin naa
puri taajuuksien vaimennus, puhe- ja ohjauskanavat sekä
• amplitudimodulaatiovaimennus (AM suppression): TDMA-moduloidun (Time Division Multiple Access, aikajakoinen tekniikka) häiriön vaimennus, puhe- ja ohjauskanavat.
Testeissä järjestelmäsimulaattori (system simulator SS), joka terminä käsittää kaiken testien vaatiman mittauslaitteiston, kiinnitetään päätelaitteen ulkoiseen antenniliitti- meen. Jos ulkoista antenniliitintä ei ole, simulaattori liitetään antenniin eräänlaisella kytkentäelimellä eli couplerilla.
Vastaanottimen herkkyysmittaus tehdään kanavilla:
• 5 (936 MHz), joka on päätelaitteen kellotaajuuden (13 MHz) 72. harmoninen,
• 70 (949 MHz), joka on kellotaajuuden 73. harmoninen sekä
• 120... 124 (959-959,8 MHz) eli ns. korkeilla kanavilla.
Simulaattorista asetettavat etenemisympäristöt ovat kaupunki (TU, Typical Urban), maaseutu (RA, Rural Area) ja vuoristo (HT, Hilly Terrain). Mittaukset suoritetaan sekä normaaleissa että ns. äärimmäisissä olosuhteissa. Simulaattori lähettää päätelait
teelle signaalin halutulla herkkyysrajalla -102 dBm. Mittausjärjestelmässä muodoste
taan silmukka, joka palauttaa signaalin päätelaitteelta sen jälkeen, kun signaali on käynyt läpi demoduloinnin ja dekoodauksen. Simulaattori vertaa lähetettyä ja takaisin tullutta signaalia ja tarkistaa hylättyjen kehysten ilmaisun (frame erasure indication).
Seuraavaksi se määrittää signaalista RBER:n ja FER:n. Vaaditut arvot RBERdle ja FER:lle vaihtelevat kanavatyypin, e tene mi sy mpäri stön ja ns. bittiluokan (jonka mää
rää paikka TDMA-kehyksessä) mukaan.
Tyyppihyväksyntä ei sisällä testejä päätelaitteen antennille. Tästä huolestuneina eu
rooppalaiset verkko-operaattorit ovat kehittäneet useita ehdotuksia korvaaviksi tes
teiksi. Näistä antennitesteistä kerrotaan enemmän luvussa 6.
5. Radioyhteys 35
5. RADIOYHTEYS
GSM-järjestelmän tärkein rajapinta on langaton yhteys matkapuhelimen ja tukiase
man välillä eli ns. radiorajapinta. Se on täysin spesifioitu, jotta eri valmistajien lait
teet toimivat yhteen. Tässä luvussa kuvataan GSM-järjestelmän radioyhteydelle oleellisia asioita. Verkkosuunnittelulle tärkeä työkalu on linkkibudjetti. Radiotien etenemisympäristö vaikuttaa ratkaisevasti radioyhteyteen. Peittoalueen kokoon vai
kuttavat kaikki radiotien vaimennukset.
5.1 LINKKIBUDJETTI
Matkaviestinjärjestelmässä radiotien siirtosuuntien (uplink ja downlink) tulee olla tasapainossa keskenään, jolloin päätelaite (MS) ja tukiasema (BTS) kuulevat toisiaan.
Tarvittavia lähetystehoja lasketaan radiolinkin tehobudjetilla. Tämän ns. linkkibudje- tin parametrit voidaan määrittää kuvan 5-1 lohkokaavion [21] avulla.
Lcomb
MS-RX
MS-TX Yhdys-
suodin
Antenni- syöttö
_ DUPLEX-
»uodatin BTS-RX
BTS-TX
Antenni- syöttö Antenni- syöttö
Kuva 5-1 GSM-radioyhteyden lohkokaavio. Tukiasemalla on yleensä erikseen an
tennit lähetystä ja vastaanottoa varten. Jos käytössä on diversiteetti, vastaanottoan- tenneja on kaksi. Duplex-suodattimen käyttö myös tukiasemalla on mahdollista.
Radiotien vaimennusvarat uplink- (MS lähettää) ja downlink-suuntiin (BTS lähettää) lasketaan seuraavista lausekkeista:
(5.1)
L*c _downlink
jossa
Lc upiink = radiotien vaimennusvara uplink-suuntaan (dB),
Pms-ix= päätelaitteen lähetysteho (dBm), Ldpx = duplex-suodattimen vaimennus (dB),
Lms = päätelaitteen antennisyöttökaapelin vaimennus (dB), Gms = päätelaitteen antennivahvistus (dBi),
Gbts= tukiaseman antennivahvistus (dBi),
Lbts= tukiaseman antennisyöttökaapelin vaimennus (dB),
Sbts= tukiaseman vastaanottoherkkyys (dBm),
Lf downiink = radiotien vaimennusvara downlink-suuntaan (dB),
Pbts-ix= tukiaseman lähettimen tehotaso (dBm), Lcomb = tukiaseman yhdyssuotimen vaimennus (dB) ja Sms = päätelaitteen vastaanottoherkkyys (dBm).
Jos tukiasemalla käytetään mastovahvistinta, vahvistaa se uplink-suunnan signaalia vielä 3-4 dB, mikä vastaa kaapelihäviöitä. Vahvistusta voidaan kuitenkin saada vain rajallisesti, koska mastovahvistin vahvistaa koko taajuuskaistaa eli samalla pohjako- hinaa.
Linkkibudjetti voidaan tehdä hyvinkin tarkasti. Liitteessä 2 on GSM-järjestelmän linkkibudjetista esimerkki, jossa on tämän työn luonteen mukaisesti tarkennettu pää
telaitteen puolta.
Päätelaitteen käyttäjän pään ja käden aiheuttaman vaimennuksen arvioidaan olevan noin 3 dB [22]. Päätelaitteen suorituskykyä mittaavien testien (kohdassa 7.1) tulosten mukaan vaimennus kuitenkin eroaa jopa useita desibelejä eri päätelaitemallien välil
lä. Radio-osan resiprookkisuuden vuoksi voidaan olettaa, että erot käyttäjän vaiku
5. Radioyhteys 37
tuksessa päätelaitetyyppien antennien säteilykuvioon ovat yhtä suuret sekä vastaanot- toherkkyydessä että lopullisessa lähetystehossa. Eli vaimennusvara pienenee saman verran uplink- ja downlink-suunnassa.
5.1.1 Uplink-suunta
Jos MS:n lähettämä signaali on heikko, BTS lisää MS:n lähetystehoa (ks. kohta 4.2).
Näin MS saadaan pysymään verkossa eli yhteys ei katkea. Oletettavasti kuitenkin radio-ominaisuuksiltaan huonompi päätelaite toimii suuren osan käyttöä] as taan suu
rella lähetysteholla, mikä johtaa päätelaitteen virrankulutuksen kasvamiseen ja siten akun toiminta-ajan lyhenemiseen.
Kun uplink-signaalin vaimennus on odottamattoman suuri ja päätelaitteen lähetyste
ho jo suurimmillaan, yhteys alkaa heiketä. Käytännössä solun peittoalue on käytettä
vällä päätelaitteella pienempi kuin mitä on suunniteltu (ks. kuva 2-3).
5.1.2 Downlink-suunta
Verkkosuunnittelussa oletetaan, että GSM-päätelaite pystyy vastaanottamaan signaa
lin, joka on vastaanottimen herkkyysvaatimuksen -102 dBm suuruinen. Koska tyyp- pihyväksynnässä ei tehdä antennimittauksia, päätelaitteen todellinen vastaanotto- herkkyys voi kuitenkin olla merkittävästi huonompi. Käytännössä downlink-suunnan vaimennusvara (ks. liitteen 2 taulukko) pienenee saman verran kuin päätelaitteen vastaanottoherkkyys poikkeaa oletetusta -102 dBrmstä.
5.2 ETENEMISYMPÄRISTÖT
GSM-verkossa päätelaitteen vaikutus radioyhteyksiin riippuu etenemisympäristöstä.
Järjestelmän vaatimus on, että hyötysignaali on aina 9 dB suurempi kuin muut kana
valle osuvat häiriöt, riippumatta ympäristön samakanavahäiriöstä tai kohinatasosta.
Signaalihäiriösuhteen (Carrier-to-Interference ratio) tulee siis olla:
-^— = 9 dB
I + N (5.3)
jossa
C = hyöty signaali,
I = samalla kanavalla oleva häiriösignaali ja N = pohjakohina.
Verkko suunnitellaan niin, että halutulle peittoalueelle taataan riittävä palvelutaso.
GSM-järjestelmän kehitystyössä on simuloimalla todettu vastaanotetun signaalin riittävän laadun tarkoittavan jäännösbittivirhesuhdetta RBER = 0,4 %, mikä merkit
see signaalihäiriösuhteelle arvoa 9 dB [22]. Käytännössä tähän vaatimukseen lisätään suunnitteluvaraa 3-4 dB, jolloin raja-arvoksi tulee 12-13 dB. Raja-arvo riittävälle palvelutasolle riippuu aina käytettävästä loogisen kanavan tyypistä ja signaalin ete- nemisolosuhteista.
5.2.1 Häiriörajoitteinen etenemisympäristö
Kun samalla kanavalla oleva häiriösignaali ylittää pohjakohinan tason, etenemisym
päristö on häiriörajoitteinen (kuva 5-2). Tällainen tilanne syntyy GSM-verkossa usein kaupunkialueella, kun samaa taajuutta käytetään uudestaan muutaman kilometrin päässä sijaitsevalla toisella tukiasemalla. Päätelaite kuulee myös kauempana samalla kanavalla toimivan tukiaseman signaalin. Pohjakohinan vaikutus on nyt niin pieni, että määrääväksi tekijäksi kaavan 5.3 nimittäjässä jää samakanavainen häiriösignaali.
Tämä signaali alkaa häiritä yhteyttä, kun erotus on pienempi kuin 9 dB. Erityisesti vesialueilla solun häiriöalue voi olla hyvin suuri verrattuna sen palvelualueeseen ja samakanavahäiriö aiheuttaa ongelmia verkon suunnittelussa [23].
Käytännössä verkko on häiriörajoitteinen lähes aina kaupunkiympäristön piensoluis- sa. Tällainen verkko takaa yleensä hyvän yhteyden, vaikka päätelaitteen RF- suorituskyky olisikin puutteellinen. Häiriörajoitteisessa verkossa päätelaite löytää kuuluvuuden heiketessä yleensä uuden solun, johon se voi tehdä handoverin.
Kuvassa 5-2 on esitetty signaalitasot häiriö- ja kohinarajoitteisessa etenemisympäris- tössä.
5. Radioyhteys 39
signaalitaso C/l = 9 dB
C/N = 8 dB
kohinataso häiriötaso kohina-
häiriö-
rajoittei nen rajoitteinen
etenemisympäristö etenemisympäristö
Kuva 5-2 Vaatimukset signaalitasolle häiriö- ja kohinarajoitteisessa etenemisympä- ristössä.
5.2.2 Kohinarajoitteinen etenemisympäristö
Etenemisympäristö voi olla kohinarajoitteinen (kuva 5-2) vähäliikenteisellä maaseu
dulla suursoluissa tai sisätilojen alemmissa kerroksissa, kuten kellareissa tai metro- tunnelissa [24].
Kohinarajoitteisessa ympäristössä downlink-suunnassa ei kohinatason yläpuolella havaita merkittävää samakanavaista häiriötä. Tällaisessa ympäristössä kuuluvuuden heikkeneminen tarkoittaa yleensä sitä, että päätelaitteen vastaanottama hyötysignaali on laskenut lähelle herkkyysrajaa (-102 dBm). Puhtaasti kohinarajoitteisessa ympäris
tössä teoreettiseksi signaalikohinasuhteeksi vaaditaan C/N = 8 dB. Käytännössä verkkosuunnittelussa varataan suunnittelumarginaalia 3-4 dB eli signaalikohinasuh- devaatimukseksi tulee 11-12 dB [22]. Näin pyritään varmistamaan yhteyksien onnis
tuminen harvemmassakin verkossa ja kaikissa olosuhteissa.
Kun kuuluvuus heikkenee kohinarajoitteisessa ympäristössä, ei uutta kanavaa välttä
mättä ole käytettävissä. Tällöin yhteys saattaa jopa katketa.
5.3 PEITTOALUE
Verkkosuunnittelussa oletetaan MS:n lähetystehon riittävän yhtäläisesti uplink- suuntaan BTS:lle kuin BTS:n lähetyksen downlink-suuntaan. Suurempi alkuperäinen lähetysteho BTS:llä tarvitaan pitempien syöttökaapelien ja useampien liittimien vai
mennuksiin.
Verkkosuunnittelussa ei ole varauduttu siihen, että MS:n lähetyssignaalin vaimennus eroaa merkittävästi eri päätelaitetyyppien välillä. Kun päätelaitteen todellinen lähe
tysteho on oletettua pienempi, sen lähettämä signaali ei kanna peittoalueen reunoilta tukiasemalle. Vastaanottopuolella antennin ja liittimien vaimennukset vaikuttavat herkkyyteen samansuuruisesti.
Radiotien resiprookkisuudesta johtuen päätelaitteen vaimeampi lähetysteho uplink- suunnassa merkitsee samansuuruista herkkyyden huonontumista downlink- suunnassa. Käytännössä vaimeampi lähetysteho pienentää peittoaluetta saman verran riippumatta siitä, onko vaimennus uplink- vai downlink-suunnan signaalissa. Vasta molempien suuntien toimivuus mahdollistaa yhteyden onnistumisen. Korjaukset peittoalueen parantamiseksi vaativat operaattorilta kalliita investointeja.
5.3.1 Suursolu
Suursolussa tukiasema-antennit ovat korkeimpien rakennusten kattojen yläpuolella.
Signaalin kantamaa voidaan arvioida Okumura-Hatan vaimennusmallilla [22]. Taa
juudella 900 MHz, BTS:n antennin ollessa korkeudella 50 m ja MS:n antennin kor
keudella 1,5 m, vaimennus kaupunkialueella lasketaan seuraavasti:
LHk = 123,3 + 33,7 • log10(¿0 (5.4)
jossa
d = signaalin kantama (km).
5. Radioyhteys 41
Maaseudulla (puoliaukea), kun BTS:n antennikorkeus on 100 m, vaimennus Okumu- ra-Hatan mallilla lasketaan seuraavasti:
LHm =95,7 + 31,8 log10(d) (5.5)
Oletetaan, että päätelaite aiheuttaa radiotielle ylimääräistä vaimennusta 3 dB, jolloin yhteyden vaimennusvara pienenee esimerkiksi 144 dB:stä 141 dB:iin (ks. liitteen 2 taulukko). Kaavojen 5.4 ja 5.5 perusteella suursolun säde d pienenee kaupungissa 4,1 krmstä 3,4 km:iin ja maaseudulla 33,0 km:stä 26,6 km:iin.
Säteen lyheneminen pienentää ympyrän pinta-alaa kaupungissa 66 %:iin ja maaseu
dulla 65 %:iin. Ympyrä on teoreettinen malli tukiaseman peittoalueelle, mutta antaa suuntaviivoja päätelaitteen lähetystehon vaimennuksen vaikutukselle, joka edellä saatujen tulosten perusteella näyttää todella merkittävältä.
5.3.2 Piensolu
Pienemmässä solussa, jossa signaalin enimmäiskantama on noin 1-3 km, kannattaa käyttää Okumura-Hataa tarkempaa mallia COST 231 -Walfish-Ikegami [22]. Kun ka
dun leveys on 20 m, ylimpien kattojen korkeus 15 m, BTS:n antennin korkeus 17 m, MS:n antennin korkeus 1,5 m, tiensuunta radioyhteyteen nähden poikittain ja raken
nusten väli keskimäärin 40 m, vaimennus lasketaan seuraavasti:
Lw = 132,8 + 38 • log(i/) (5.6)
Vaimennusvaran arvoilla 144 dB ja 141 dB saadaan signaalin kantamiksi 2,0 km ja 1,6 km. Ympyrän pinta-ala pienenee vastaavasti 69 %:iin.
Esitetyn suuruiset peittopinta-alan pienenemiset merkitsevät huomattavaa operaatto
rin tavoitteleman palvelutason alenemista. Verkon lisärakentaminen niin, että sama tavoiteltu palvelutaso saavutetaan, on kallista. Radio-osaltaan huonon päätelaitteen aiheuttama toiminta-alueen pienennys vaikuttaa tosin merkittävästi vain silloin, kun kyseessä on kohinarajoitteinen verkko (ks. kohta 5.2.2).
