•Lohkojen toiminta:

-Langaton tekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä.

Yl säki l tt m t s ll ks t lt t l j k l ll Yleensäkin langattomat sovellukset valtaavat alaa joka puolella.

-Keskustelua ryhmissä:

Mieti Oulun seudulla toimivia yrityksiä, jotka toimivat langattoman tekniikan alalla

Mitä nämä yritykset tuottavat?

Millaisia työtehtäviä näissä yrityksissä on?

•Opettajan oma materiaali on pdf-muodossa tietoliikennelaboratorion kotisivulla.

M t i li l t lt l t k j t tä d tää l ill Materiaali on luonteeltaan luentorunko, jota täydennetään luennoilla lisämuistiinpanoilla ja laskuharjoituksilla.

1. Johdanto langattomiin järjestelmiin

1.1. Langattoman tekniikan historiaa

1.2. Matkapuhelinjärjestelmien kehityspolku.

1.3. Keskeisiä käsitteitä ja ominaisuuksia 1.4. Järjestelmien osat

2. Radioaaltojen käyttö langattomissa järjestelmissä 2.1. Radiotaajuudet

2 2 Radioaaltojen eteneminen 2.2. Radioaaltojen eteneminen

2.3. Langattomissa järjestelmissä merkittävät ilmiöt 3. Radiorajapinnan ominaisuuksia

3.1. Monikäyttötekniikat 3.2. Tehonsäätö

3.3. Yleisimmät modulaatiomenetelmät langattomissa järjestelmissä 3.4. Diversiteettitekniikat

3.5. Virheenkorjaus ja –ilmaisu

4. Langattomissa järjestelmissä käytettävät antennit 5. Verkkosuunnittelu

6. Turvallisuuskysymykset

6.1. Tietoturvallisuus 6.2. Häiriöt

6 3 Säteilyturvallisuus 6.3. Säteilyturvallisuus

•Pohdintaa:

•Mieti missä kaikessa tarvitset langatonta tiedonsiirtoa päivittäin

•Miksi kaikki tiedonsiirto ei voi tapahtua langattomasti?

Langattomat teknologiat:

•Matkapuhelinverkot

•Langattomat laajakaistatekniikat

•Yleisradio- ja TV-verkot

•Lyhyen kantaman radiotekniikat

•Satelliittitekniikat

•Muut

•Häiriöt: radiolähetystä ei voida suojata häiriötä vastaan kuten kaapeleissa t ht läh t stä

tapahtuvaa lähetystä

•Taajuuksien säätely: taajuudet toimivat rinnakkain ja vain pieni osa taajuuskaistasta on käyttökelpoista ja muuten käytettävissä

•Alhainen kaistanleveys ja siirtonopeus: langattomien järjestelmien suurimmat nopeudet ovat korkeintaan muutaman 10 Mb/s

•Suuret viiveet ja niiden vaihtelut: langattomien järjestelmien radiotiestä johtuvat viiveet ovat vielä suurempia kuin TCP/IP-protokollien aiheuttamat

•Radiorajapinnan turvallisuus: radiorajapinta on periaatteessa aina altis

salakuuntelulle. Tämä aiheuttaa järjestelmille raskaita salaus-, autentikointi- ja muita turvallisuusmekanismivaatimuksia

•Jaettu siirtotie: siirtotie jaetaan aina useamman käyttäjän kesken, mikä rajoittaa yhden käyttäjän saamaa kapasiteettia

•Pohdi kumpi järjestelmä on kalliimpi ja mikä hintaan vaikuttaa?

•Italialainen keksijä Marconi rakensi 1800 -luvun lopulla laitteet, joilla voitiin lähettää ja vastaanottaa sähköisiä signaaleja ilmateitse lyhyeltä matkalta Tosin nykytietämyksen mukaan vastaanottaa sähköisiä signaaleja ilmateitse lyhyeltä matkalta. Tosin nykytietämyksen mukaan venäläinen Alexander Popov pystyi ensimmäisenä luomaan radioyhteyden kahden pisteen välille.

Kokeensa Popov teki Kotkassa. Marconin panos langattoman viestinnän tutkijana on kuitenkin niin merkittävä, että häntä voidaan pitää alan uranuurtajana. Jo vuonna 1901 Marconi onnistui vastaanottamaan valtameren yli lähettämänsä signaalin. Näin luotiin pohja langattomalle lennättimelle ja radiolähetyksille. Marconi sai keksinnöistään Nobelin palkinnon vuonna 1909.

Tässä vaiheessa tietoa siirrettiin vielä morsettamalla eli radiolähetystä katkomalla (huom:

datansiirtoa!)

•Photophone

In 1880 Alexander Graham Bell transmitted the first wireless telephone message on his In 1880, Alexander Graham Bell transmitted the first wireless telephone message on his newly-invented photophone. The photophone worked by projecting his voice through an instrument towards a mirror. The vibrations in the voice caused similar vibrations in the mirror. Bell directed sunlight into the mirror, which captured and projected the mirror's vibrations. The vibrations could be deconstructed back into sound at the receiving end of the projection. In this way the photophone functioned similarly to the telephone; the difference was that the photophone used light as a means for projecting the information, while the telephone used electricity.

•Ensimmäisen "yleisradiolähetys" tapahtui jouluaattona 1906. Moduloinnin kehittäjä Reginald Hessenden, joka oli askarrel1ut langattoman puhelimen parissa, soitti viulullaan Adolphe Adamin "Oi Jouluyön" ja hämmästytti kaikki radiosähköttäjät pohjoisella Atlantilla.

•Ensimmäiset radiopuhelimet suunniteltiin ja valmistettiin sotilaskäyttöön 1900-luvun alkupuolella. Ne olivat painavia ja hankalia käyttää. Ne oli tarkoitettu lähinnä kahden pisteen välisiin yhteyksiin. Toisen maailmansodan aikana oli jo käytössä useita eri

radiopuhelintekniikoita.

•Varsinaiset radiopuhelinverkot yleistyivät 1950-luvulta lähtien, aluksi ne olivat suljettuja

kk k h k l k l k l

verkkoja pienten käyttäjäryhmien käytössä. Käytössä oli kirjava valikoima erilaisia taajuusalueita ja standardeja.

1G (alkaen n. 1980): analogiset (tai puolianalogiset) verkot, joissa pääpaino oli puheen ja siih liitt i l l id älit ks ssä V k t li t k s llisi j st d d j li l k is siihen liittyvien palveluiden välityksessä. Verkot olivat kansallisia ja standardeja oli lukuisa määrä (esim. NMT ja AMPS). Standardien kansallisesta luonteesta johtuen verkot eivät olleet yhteensopivia. Matkaviestintä oli vain langallisen viestinnän sivutuote.

2G (alkaen n.1990): haluttiin globaali verkko, joka olisi joka paikassa yhteensopiva.

Poliittisista syistä tämä ei täysin toteutunut vaan syntyi useita digitaalisia verkkostandardeja (esim. TDMA ja GSM). Näistä on GSM laajimmalle levinnyt ja suuri kaupallinen menestys. 2G- verkot sisältävät jo kehittyneitä datapalveluita ja monipuolisia lisäpalveluita perinteisen

h l l lisäksi puhepalvelun lisäksi.

3G (alkaen n. 2001): kolmannen sukupolven odotettiin täydentävän verkkojen globalisaation, silti vaikeuksia on jo näkyvissä. Näillä näkymin 3G-verkot tulevat suurimmaksi osaksi

perustumaan UMTS-tekniikkaan. Tämä johtuu siitä, että GSM on levinnyt järjestelmänä laajimmalle ja siihen on tehty eniten investointeja. Tehtyjä investointeja halutaan hyödyntää ja rakentaa uutta verkkoa rinnan entisen kanssa. UMTS-verkossa voidaan hyödyntää useita GSM-verkon olemassaolevia komponentteja.

4G (alkaen n. 2010) on yleisnimitys matkapuhelintekniikoille, jotka tulevat kolmannen sukupolven jälkeen. 4G on yhdistelmä erilaisia verkkoja, jossa 3G:n eri versiot (LTE), GSM, WLAN ja muut järjestelmät yhdistetään yhdeksi virtuaaliseksi verkoksi, jonka kautta tarjotaan IP-pohjaisia palveluja. Neljännen sukupolven langattomassa verkossa on datasiirtotien nopeudet arvioitu 100 Mbit/s (latausnopeus) ja 20Mbit/s (lähetysnopeus).

ITUn määritelmä 4G:n nopeuksista poikkeaa tästä huomattavasti, latausnopeus paikallaan 1Gbit/s ja 100Mbit/s liikkuessa. Pääpaino on sisällössä, joka on 4G:ssä tekniikkaa tärkeämpää.

Kä ttäjä l tt ill t d t i l l j j it hd lli t kä ttää k ikki ll Käyttäjän ulottuville tuodaan arvoa tuovia palveluja, joita on mahdollista käyttää kaikkialla.

•Analogiset järjestelmät edustavat matkapuhelinverkkojen ensimmäistä sukupolvea.

Vi lä ik is m t k iikk d st t käsi älitt is t k t k t sim Vielä aikaisempaa tekniikkaa edustavat käsivälitteiset verkot, kuten esim.

suomalainen ARP-verkko (0:s sukupolvi).

•Digitaaliset järjestelmät luetaan kuuluviksi matkaviestinverkkojen toiseen sukupolveen.

•Kolmannen sukupolven järjestelmiä ovat laajakaistaiset monipalveluverkot, kuten UMTS Niistä käytetään nimitystä 3G (eli 3 Generation)

UMTS. Niistä käytetään nimitystä 3G (eli 3. Generation)

Mitä eroa on paikantamisella ja sijainnin seurannalla?

Pohdinta: esitä esimerkkejä näistä kolmesta eri vaihtoehdosta Full duplex:

Half duplex

Simplex Simplex

Pohdinta: Vertaile handoverin toimintaa erilaisissa verkoissa

Seuraavalla sivulla tarkastellaan tarkemmin langatonta digitaalista ti t liik jä j st lmää j s t imi t l hk j

tietoliikennejärjestelmää ja sen toimintalohkoja

•Lohkojen toiminta:

•Lähteen koodaus ja dekoodaus (source encoder ja decoder):

•Salaus ja salauksen purku (encryption ja decryption):

•Kanavakoodaus ja koodauksen purku (channel encoder ja decoder):

•Kanavakoodaus ja koodauksen purku (channel encoder ja decoder):

•Monikäyttö ja sen purku (multiplex ja demultiplex):

•Pulssin muotoilu ja ilmaisu (pulse forming ja detection):

•Modulointi ja demodulointi (modulator ja demodulator):

•Taajuuden levitys ja levityksen purku (frequency spreading ja despreading):

•Modernien matkapuhelinverkkojen (esim. GSM ja UMTS) rakenne on huomattavasti m im tk is m i k i k ss sit tt s k V k ss äid

monimutkaisempi kuin kuvassa esitetty perusrakenne. Verkossa on näiden

peruskomponenttien lisäksi paljon erilaisia komponentteja, kuten tukiasemaohjaimia, erilaisia palvelualustoja, tietorekistereitä yms.

•Yleisten matkaviestinverkkojen (Public Land Mobile Network, PLMN) palvelut ovat kaikkien saatavilla. Tunnetuimpia PLMN-verkkoja Euroopassa ovat NMT- ja GSM- verkot.

•Kiinteässä puhelinverkossa (PSTN) päätelaitteiden hallinta ja puheluiden muodostus on helppoa, koska päätelaitteet on yhdistetty kiinteillä johdoilla verkkoon.

•Matkaviestinverkossa yhteyksien muodostaminen on huomattavasti mutkikkaampi tapahtuma, koska päätelaitteet voivat liikkua vapaasti koko verkon alueella.

Alueeseen kuuluvat myös muiden operaattoreiden verkot, joihin on mahdollista vaeltaa tilaajaksi. Tätä kutsutaan roamingiksi.

•Tämän vuoksi on tilaajan liikkuvuuden hallinta eräs tärkeimmistä

matkapuhelinverkon tehtävistä. Yhteyden muodostamisessa tarvitaan tietoa tilaajan sijainnista. Tietoa vaihdetaan kotiverkon ja palvelevan verkon välillä

yhteiskanavamerkinantoa käyttäen.

•Mieti millaisia päätelaitteita matkaviestinverkoissa voi olla?

Verkkotopologiat:

Yksinkertaisimmassa tapauksessa joukko laitteita, joissa on esim. WLAN-adapteri ja jotka ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, muodostavat itsenäisen verkon (ad-hoc –

verkko). Jos asemien välinen etäisyys kasvaa liian suureksi, verkkoyhteys katkeaa.

Kun asemat palaavat kantaman sisälle, muodostuu yhteys uudelleen muutamassa sekunnissa. Käyttämällä tukiasemaa toistimena, voidaan itsenäisen verkon kantamaa kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi.

Infrastruktuuri-verkot: Infrastruktuurimuodossa yksi asemista toimii tukiasemana Infrastruktuuri verkot: Infrastruktuurimuodossa yksi asemista toimii tukiasemana, jonka kanssa muut asemat keskustelevat. Tukiasemana voi toimia tavallinen tietokone tai erillinen tukiasemalaite. Useista tukiasemista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa, muodostuu langaton lähiverkko. Verkko ei yleensä kuitenkaan ole täysin langaton, vaan tukiasemat ovat kiinni perinteisessä lähiverkossa ja niiden välinen liikenne siis kulkee kaapelissa (yo. kuva)

On olemassa myös ratkaisu, joka on yleisessä käytössä ja usein teleoperaattorin operoima. Verkko voi peittää laajojakin alueita, mutta silloin tarvitaan paljon

tukiasemia. Langattomien lähiverkkojen käyttämillä korkeilla taajuusalueilla ei voida muodostaa suuria peittoalueita, n. 1 km tukiasemasta laitteeseen on lähellä maksimia.

Vaihtoehtoja lyhyen kantaman radiojärjestelmien verkkorakenteille:

Point-to-point:

Point-to multipoint:

Mesh:

•Langattomissa järjestelmissä yleisimmin käytetty siirtotie on radiotaajuinen si li S ksi tässä l ss k skit tää di lt j mi is ksii signaali. Sen vuoksi tässä luvussa keskitytään radioaaltojen ominaisuuksiin.

•Muita langattomia tekniikoita ovat :

•Infrapunasäteily

•Valosignaalin käyttö

•Radioaalto on sähkömagneettista säteilyä. Sähkömagneettinen säteily on poikittaista aaltoliikettä joka etenee suoraviivaisesti tyhjiössä valon nopeudella

aaltoliikettä, joka etenee suoraviivaisesti tyhjiössä valon nopeudella

•Sähkömagneettisen tasoaallon edetessä sähkö- ja magneettikenttä sykkivät samanvaiheisina kohtisuorassa sekä toisiaan että etenemissuuntaa vastaan

•Sykkimisen taajuus on f ja aallonpituus on λ=c/f

•Laskutehtäviä:

•Muuta taajuudet aallonpituuksiksi:

• 947 MHz

• 2,4 GHz

• 10 Hz

•Muuta aallonpituudet taajuuksiksi:

•997 mm

•4,7 μm

•3 m

•Aallonpituuden tai taajuuden perusteella sähkömagneettisen säteilyn spektri jaetaan osa- alueisiin yo kuvan perusteella

alueisiin yo. kuvan perusteella

•Ultraviolettisäteily ja sitä lyhytaaltoisempi säteily pystyvät molekyylien ionisoimiseen eli ne ovat ionisoivaa säteilyä. Radioaallot vain lämmittävät biologisia materiaaleja.

•Vain pieni osa sähkömagneettisesta spektristä on käyttökelpoista langattomiin järjestelmiin.

Niissä käytetään radiotaajuista säteilyä ja osaa mikroaaltotaajuisesta säteilystä.

•Maan sisäinen taajuusjako on kunkin maan sisäinen asia. Esim. Suomessa Viestintävirasto (entinen Telehallintokeskus) jakaa radiotaajuudet Liikenneministeriön päätösten mukaisesti (entinen Telehallintokeskus) jakaa radiotaajuudet Liikenneministeriön päätösten mukaisesti.

Voimassaoleva taajuusjako Suomessa löytyy www.ficora.fi -sivuilta.

•Kotitehtävä: Etsi Ficoran sivuilta voimassaolevat 1800 MHz:n taajuusluvat

•Lisensoimatonta taajuuskaista käyttävän järjestelmän täytyy olla sellainen, ettei se häi its k ist m it kä ttäjiä S ksi läh t st h t äillä k ist ill id tää häiritse kaistan muita käyttäjiä. Sen vuoksi lähetystehot näillä kaistoilla pidetään yleensä pieninä.

•Järjestelmien toiminnan täytyy olla hyvin virhesietoista, koska aina on mahdollisuus häiriöön muista kaistan käyttäjistä johtuen. Tämän vuoksi on kehitetty paljon erilaisia virheenkorjaus- ja virheenilmaisumenetelmiä. Myös

uudelleenlähetyspyyntöjä ja taajuushyppelyä käytetään häiriöiden vaikutusten poistamiseksi.

•The ISM bands defined by the ITU-R are (bands in italicsare subject to local acceptance):

•6.765–6.795MHz(centre frequency 6.780 MHz)

•13.553–13.567 MHz (centre frequency 13.560 MHz)

•26.957–27.283 MHz (centre frequency 27.120 MHz)

•40.66–40.70 MHz (centre frequency 40.68 MHz)

•433 05–434 79 MHz433.05 434.79 MHz(centre frequency 433 92 MHz) in Region 1(centre frequency 433.92 MHz) in Region 1

•902–928 MHz (centre frequency 915 MHz) in Region 2

•2.400–2.500 GHz(centre frequency 2.450 GHz)

•5.725–5.875 GHz (centre frequency 5.800 GHz)

•24–24.25 GHz (centre frequency 24.125 GHz)

•61–61.5 GHz(centre frequency 61.25 GHz)

•122–123 GHz(centre frequency 122.5 GHz)

•244–246 GHz(centre frequency 245 GHz)

•VLF(Very Low Frequencies 3—30 kHz) ja LF (Low Frequencies 30—300 kHz) : pitkiin radioyhteyksiin.

VLF alueella radioaallot etenevät pinta aaltona tuhansia kilometrejä LF alueella radioaallot etenevät pinta VLF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona tuhansia kilometrejä. LF-alueella radioaallot etenevät pinta- aaltona 900—1 700 kilometriä. Antennit ovat kohtuullisen kokoisia (aallonpituus 10—1 km), mutta

tunkeutuminen veteen on erittäin pientä.

•MF(Medium Frequency 0,3—3 MHz) MF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona lyhyehkön matkan (400 km), mutta tiedonsiirtokapasiteetti on edelleen pieni. Tästä syystä tämän alueen sotilaallinen merkitys on pieni. Alueelta löytyy suuritehoinen LORAN-suunnistusjärjestelmä ja paljon yleisradioasemia.

•HF(High Frequencies, 3-30 MHz) : yleisradioasemien AM-lähetteet ja FM-lähetteet

•VHF(Very High Frequencies 30—300 MHz) VHF-alueella radioaallot etenevät pääosin suoran säteilyn perusteella enintään 8—30 km. Alue mahdollistaa suuren tiedonsiirtokapasiteetin ja antenni on kohtuullisen perusteella en ntään 8 3 km. lue mahdoll staa suuren t edons rtokapas teet n ja antenn on kohtuull sen kokoinen liikkuvaankin käyttöön. Metsän lisävaimennus alkaa myös VHF-alueen alapäästä. Käyttösovelluksia TV-lähetykset, kaupalliset radiolähetteet.

•UHF(Ultra High Frequencies, 0,3—3 GHz) : TV-lähetykset, digitaalinen yleisradiolähetys, useat analogiset matkapuhelinverkot, GSM ja muut digitaaliset matkapuhelinverkot. UHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mukaan. Maasto vaikuttaa voimakkaasti esteenä. Yhteyden on oltava lähes näköyhteys antennista toiseen. Aluetta käytetään myös satelliittiyhteyksiin. Suuri kapasiteetti tekee alueesta hyvän monikanavaisten linkkijärjestelmien alueen. Antennit voidaan rakentaa voimakkaasti suuntaaviksi, mutta kohtuullisen kokoisiksi.

•SHF(Super High Frequencies 3—30 GHz) : mikroaaltolinkit ja kiinteät satelliittipalvelut SHF alueella

•SHF(Super High Frequencies, 3—30 GHz) : mikroaaltolinkit ja kiinteät satelliittipalvelut. SHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mallin mukaan. Antennien välillä on oltava näköyhteys. Aallonpituus on 10—1 cm, eli antennit saadaan erittäin pieniksi. Sää alkaa vaikuttaa ensimmäisen kerran tällä alueella, lähinnä sateen muodossa. Voimakas sade vaimentaa sähkömagneettista säteilyä niin paljon, että yhteys saattaa katketa.

•EHF(Extremely High Frequencies, 30—300 GHz): laskeutumistutkajärjestelmät, avaruuden radiomittaukset. Voimakkaasti suuntaava antenni on mahdollista saada erittäin pieneen tilaan. Alueen radioaaltojen etenemistä vaikeuttavat merkittävästi sääilmiöt, lähinnä sade. Myös perusvaimennus ilmakehässä on niin suuri, että lähinnä vain tietyt ikkuna-alueet soveltuvat esimerkiksi viestinsiirtoon.

Ali illi t i l (300 3 000 GH ) i l kä ttöä il k hä ä il k hä tä j ht

•Alimillimetrialue(300—3 000 GHz), ei ole käyttöä ilmakehässä mm. sen suuren ilmakehästä johtuvan lisävaimennuksen takia. Taajuusalueita, joilla on suuri vaimennus ilmakehässä käytetään kuitenkin

Antennien välinen radioyhteys voidaan laskea seuraavalla tavalla:

Isotrooppisen antennin synnyttämä tehotiheys etäisyydellä r on S_ISOT =P_T/ 4πr², missä

P_T= lähetysteho

4πr² = pallon pinta-ala etäisyydellä r

Jos käytetään antennia, jolla on vahvistus G_T, saadaan lähetinantennin aiheuttamaksi tehotiheydeksi y

S = G_TP_T/ 4πr², missä

G_T= lähetysantennin vahvistus = 4πA_T/ λ²

,jossa A_T on lähetysantennin tehollinen pinta-ala (ns. sieppauspinta) Lähetinantennin synnyttämä kentänvoimakkuus on

E = √2ηS, missä

120 ( hji ) ( hji i ii i ) η= 120πΩ(tyhjiössä) (tyhjiön permittiivisyys)

Vastaanottoantenni, jonka efektiivinen pinta-ala on A_R, sieppaa tasoaallosta tehon P_R = A_R S = λ² G_R S / 4π = G_T G_R (λ/4πr)² P_T, missä

G_R= vastaanotinantennin vahvistus Antennien efektiivisten pinta-alojen avulla lausuttuna siisnt nn n f t st n p nta a oj n a u a ausuttuna s s

P = A A (1/λr)²P

Laskutehtäviä:

Tärkeimmät etenemismekanismit:

1 Et i äkö ht ittiä (LOS Li f i ht) itki 1. Eteneminen näköyhteysreittiä (LOS=Line of sight) pitkin

2. Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla 3. Eteneminen ionosfäärin kautta

4. Maanpinta-aaltona eteneminen

Tehtävä: mieti mitä etenemismekanismia Marconin lähettämä signaali Atlantin yli todennäköisesti käytti? Perustele!

todennäköisesti käytti? Perustele!

•Muita etenemistapoja:

•Troposfääriheijastukset (30-1000 MHz): sääilmiöistä johtuvia, esim. sadepilvistä syntyviä voimakkaita heijastuksia. Nämä ovat epäluotettavia, sääoloista riippuvia ilmiöitä. Ne aiheuttavat lähinnä häiriöitä. Näiden varaan ei voi suunnitella radioyhteyksiä.

•Meteoriittiheijastukset: Radioaalto heijastuu ilmakehään tulleen meteoriitin synnyttämästä ionisoituneesta jälkivanasta

•Myös revontulet heijastavat radioaaltoja

Li i i R i L h R di k iikk (l k 10)

•Lisätietoa esim. Räisänen-Lehto, Radiotekniikka (luku 10)

Ilmakehä:

•Troposfäärion ilmakehän alin kerros, missä sääilmiöt tapahtuvat

•Ulottuu navoilla n. 9 kilometrin ja päiväntasaajalla n. 17 km korkeuteen

•Radioaaltojen etenemiseen troposfäärissä vaikuttavat lämpötila, paine, kosteus, sade yms.

•Ionosfääri on ilmakehän ylin kerros, ulottuu n. 60 kilometristä 100 kilometriiny ,

•Ionosfäärissä on auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneja ja ioneja

•Radioaalto ei läpäise ionosfääriä n. 30 MHz:n alapuolella vaan signaali heijastuu ionosfäärin rajapinnasta

Eteneminen näköyhteysreittiä (LOS=Line of sight) pitkin:

•Aalto etenee ilmakehän alimmassa kerroksessa eli troposfäärissä.

•likimain vapaan tilan etenemistä

•tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF-alueilla eli 300MHz-300GHz

•Yli 30 MHz taajuudet eivät heijastu ionosfääristä, joten niillä voidaan kommunikoida satelliittien kanssa

Optinen horisontti ja radiohorisontti:p j

•Maan kaarevuus asettaa maksimin näköyhteydelle maan pinnalla kommunikoitaessa (horisontti)

•Radioaaltojen taipumisen vuoksi näköyhteys radiolle on hieman pidempi. Ilmakehässä maata lähestyttäessä ilman taitekerroin pienenee ja radioaallot taipuvat maata kohti.

•Ottamalla taipuminen huomioon voidaan radioaallot lähettää korkeammalla kulmalla.

•Linkkireittiä suunniteltaessa täytyy tuntea reitillä olevat esteet ja varmistua siitä, että ellipsoidin muotoinen vyöhyke jää vapaaksi Sama sääntö pätee myös esim matkapuhelimen ja ellipsoidin muotoinen vyöhyke jää vapaaksi. Sama sääntö pätee myös esim. matkapuhelimen ja tukiaseman välisellä yhteydellä.

•Esim. Suunnitellaan linkkireittiä, jossa välimatka on 50 km ja taajuus 10 GHz. Antennien korkeudet molemmissa päissä oletetaan samoiksi.

Ellipsoidi on laajimmillaan_________________________________

Lasketaan vapaaksi jätettävä tila :

J tällä ll ht d llä kä t ttäi ii 100 MH t j tt k i jät ttä ä til li i

•Jos tällä samalla yhteydellä käytettäisiin 100 MHz:n taajuutta, vapaaksi jätettävä tila olisi:

•Tämä on käytännössä mahdoton toteuttaa Pienillä taajuuksilla joudutaan usein tinkimään

•Tämä on käytännössä mahdoton toteuttaa. Pienillä taajuuksilla joudutaan usein tinkimään Fresnelin vaatimuksesta, jolloin välille syntyy vaimennusta.

Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla.

•Tapahtuu taajuusalueella n 0 3 –10 GHzTapahtuu taajuusalueella n. 0,3 10 GHz

•Tätä kutsutaan myös troposfäärietenemiseksi.

•Ilmakehän olosuhteet eli lämpötila, paine, kosteus, sade, yms. vaikuttavat etenemiseen

•Troposfäärissä aalto vaimenee, siroaa ja kaartuu sekä voi myös heijastua. Sironta tarkoittaa, että osa tasoaallon koherentista tehosta muuttuu epäkoherenttiin muotoon ja säteilee laajaan avaruuskulmaan.

Kanavoitumista aiheuttavat sääolosuhteet. Esimerkiksi muutaman sadan metrin korkeudella maanpinnasta olevat huomattavat lämpötila- ja kosteuserot voivat muodostaa "kanavan" jossa radioaalto voi edetä jopa tuhannen kilometrin etäisyydelle. Radioaalto etenee ilmakerrosten välissä heijastelemalla kuin aaltoputkessa. Troposfääristä etenemistä havaitaan pääasiassa kesä- ja

talvikuukausina iltaisin auringonlaskun aikoihin ja aamuisin auringon noustessa.

Eräissä tilanteissa tällainen kaukokuuluminen saattaa kestää useita päiviä.

Eteneminen ionosfäärin kautta (sky wave propagation):

•Ionosfääri sijaitsee 60 1000 km korkeudella maanpinnasta

•Ionosfääri sijaitsee 60 –1000 km korkeudella maanpinnasta

•Alle 30 MHz:n taajuuksilla aalto voi heijastua ionosfäärin alarajapinnasta.

Heijastumalla uudelleen maanpinnasta aalto voi edetä jopa maapallon ympäri

•Ionosfäärissä on auringon säteilyn ionisoimaa plasmaa. Radioaalto ei läpäise

ionosfääriä alle 10 MHz:n taajuuksilla. Heijastuminen johtuu aaltojen taittumisesta (refraction)

4. Maanpinta-aaltona eteneminen:

•Lähetys ja vastaanottoantennit ovat lähellä maanpintaa Radioaalto seuraa

•Lähetys- ja vastaanottoantennit ovat lähellä maanpintaa. Radioaalto seuraa maanpintaa.

•Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden funktiona, joten eteneminen rajoittuu alle 10 MHz:n taajuuksille.

•Eteneminen riippuu maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista.

•Maata pitkin aalto voi edetä jopa tuhansien kilometrien päähän.

•Mieti, millainen maaperä johtaa hyvin radioaaltoa

Langattomissa maanpäällisissä järjestelmissä radioaallon etenemiseen vaikuttavat seuraavat ilmiöt:

ilmiöt:

•Vaimeneminen

•Heijastuminen

•Taipuminen

•Polarisaatiotason kiertyminen

•Sironta

•Häipyminen

Näiden ilmiöiden yhteisvaikutus synnyttää monitie-etenemistä, josta tarkemmin sivulla 44.

Ilmakehän vaimennus (Atmospheric absorption):

•Vesihöyry

•vaikutus vahvimmillaan 22 GHz:n alueella

•alle 15 GHz:n alueella vaikutus on pienempi

•Happi

•huippu 60 GHz:n alueella

•alle 30 GHz:n alueella vaikutus pienempialle 30 GHz:n alueella vaikutus pienempi

•Vaihtuvat tekijät (vesisade, lumisade, sumu)

•aiheuttavat signaalien vaimennusta ja sirontaa

•matalilla taajuuksilla vaikutus pieni

•Tyypillisiä vaimennusarvoja erilaisille seinille:

•betoni 25 cm (isot ikkunat) 4 dB

•betoni 25 cm (ei ikkunoita) 11 dB

•betoni 10 cm (väliseinä) 6 dB

•lasi 2 dB

•lasi (metallivahvisteinen) 8 dB

•puu ja levyrakenteiset väliseinät 2 6 dB

•puu- ja levyrakenteiset väliseinät 2-6 dB

Heijastuminen:

•Radioaallot heijastuvat maastoesteistä ja rakennuksista, myös vedenpinnasta. Heijastava pinta on tasainen ja suurempi kuin radioaallon aallonpituus.

•Radioaallon tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret

•Heijastuneilla aalloilla on myös sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloillaHeijastuneilla aalloilla on myös sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloilla

•Radioaallon heijastuessa osa aallon tehosta uppoaa heijastavaan materiaaliin, eli heijastuneen aallon teho on pienempi kuin tulevan aallon. Heijastuksessa pintaan imeytyvä teho riippuu radioaallon taajuudesta, heijastavan pinnan tiheydestä, muodosta ja karkeudesta sekä aallon tulokulmasta pintaan. Heijastuspintaan imeytyvä osa aallosta taittuu kohti pinnan

keskinormaalia (ylemmässä kuvassa refracted ray).

•Esim. järven tai meren rannalla oleva kesämökki on usein ”kuolleessa pisteessä” tukiasemaan nähden. Mökin takaa puuttuu heijastava pinta, joka voisi parantaa signaalin tasoa (alempi kuva). Näin ollen heijastumisesta on sekä haittaa että hyötyä tapauksesta riippuen.

Polarisaatiotason kiertyminen:

A i l h i k ik li i l i i T i i

•Antennista lähtiessään kenttä on vertikaalisesti polarisoitua. Teoreettisesti paras signaali saadaan siis silloin kun matkapuhelimen antenni on pystyssä.

•Heijastuessaan maastoesteistä ja rakennuksista aallon polarisaatiotaso muuttuu eli kiertyy.

•Polarisaatiotason muutos riippuu tulokulmasta ja heijastavan pinnan ominaisuuksista.

•Kun signaali saapuu päätelaitteeseen, sen polarisaatiotaso on saattanut muuttua huomattavasti. Paras signaali saavutetaan kun antenni on polarisaation kanssa saman suuntainen.

Diffraktio:

d i k h d ll l i

•Sädeteorian mukaan yhteydellä oleva este estää säteen etenemisen

•Paremmin todellisuutta kuvaa Huygensin periaate: jokainen esteen yläpuolella oleva aaltorintaman piste toimii uuden aallon lähtökohtana

•Tästä seuraa diffraktio eli aallon taipuminen. Aalto siis taipuu ja leviää osuessaan esteeseen.

Diffraktion avulla aalto voi edetä myös näköesteen taakse.

•Maaston pyöreäreunaisten esteiden vaikutus on suurempi kuin teoreettisten teräväreunaisten esteiden vaimennus. Pienin vaimennus on teräväreunaisella ja pinnaltaan tasaisella esteellä.

•Usean peräkkäisen esteen synnyttämä diffraktiovaimennus voidaan laskea jokaiselle esteelle k ll j itt hdi tä ällä l k t t i k t

kerrallaan ja sitten yhdistämällä lasketut vaimennukset

•Taipuminen voi synnyttää myös ongelmia, esim. interferenssi: kts kuva

•Kun ympäristössä on epäsäännöllisiä pienikokoisia esteitä, joiden koko on ll it d l kk t i sitä i m i di lt si st istä s t isii aallonpituuden luokkaa tai sitä pienempi, radioaalto siroaa esteistä satunnaisiin suuntiin. Tämä siis tarkoittaa sitä, että osa radioaallon energiasta synnyttää uusia radioaaltoja eri suuntiin. Siroamisessa häviää suuri osa aallon tehosta, joten sironnut signaali ei useinkaan pääse vastaanottimeen saakka.

•Häipyminen johtuu lähettimen tai vastaanottimen liikkumisesta ja monitie- t mis stä S ih tt si lit s h ik t mistä

etenemisestä. Se aiheuttaa signaalitason heikentymistä.

•Häipymislajit:

•Hidas häipyminen on signaalitason laskua joka syntyy radiotien muutoksista mentäessä poispäin lähettimestä

•Nopea häipyminen (Rayleigh tai Rician fading) syntyy monitie-etenemisen seurauksena

•Vastaanottimessa nopea ja hidas häipyminen summautuvat eli häipyminen vaihtelee hetkittäin suuresti, jopa useita kymmeniä desibelejä

•Vastaanottimeen saapuva signaali on summa

d i ll i

•suoraan edenneistä aalloista

•heijastuneista aalloista

•diffraktoituneista aalloista

•Kukin aallon komponentti on antenniin saapuessaan kulkenut eripituisen matkan. Tätä kutsutaan monitie- etenemiseksi. Saapuvat monitie-edenneet signaalit sisältävät eri amplitudeja ja vaiheita.

•Erivaiheiset signaalikomponentit voivat vahvistaa tai kumota toisiaan. Näin vastaanotetussa signaalissa on tietyin välimatkoin hyvin kapeita mutta syviä häipymiä (vastaanottimen liikkuessa maastossa)y y p y py

•Häipymät toistuvat puolen aallonpituuden välein eli esim. GSM900:lla ____________ ja GSM1800:lla _____________ välein.

•Nopeaa häipymistä kutsutaan Rayleigh-häipymäksi. (Hidasta häipymistä on maaston aiheuttama stabiili vaimennus.)

•Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä.

•Monitie-eteneminen aiheuttaa myös symbolien välistä häiriötä eli ISI:ä (Intersymbol Interference).

Heijastuneet signaalit saapuvat viivästyneinä ja vääristävät seuraavan symbolin tulkintaa. Esim. GSM:ssä ISI:n vaikutusta torjutaan ekvalisaattorilla. UMTS:ssa taas RAKE-vastaanotin kerää myös viivästyneet komponentit.

Nopeaa häipymää nimitetään Rayleigh-häipymäksi, jos

•signaali saapuu vastaanottimeen useita eri reittejä

•signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (normaalisti näköyhteys)

•soveltuu hyvin ulkotiloihin

Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä.

Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta.

Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta.

Mikäli signaalilla on olemassa yksi dominoiva polku eli näköyhteys, nimitetään nopeaa häipymää Rician-häipymäksi. Myös tässä tapauksessa signaali saapuu vastaanottimeen myös eri reittejä pitkin. Tämä eteneminen esiintyy usein sisätiloissa.

•Sisätiloissa etenemismekanismeista tärkein on heijastuminen

•Sisätiloissa etenemiseen vaikuttavat seinien paksuudet, sijainnit, materiaalit ja pinnoitteet

•Ulkotiloissa etenemismekanismeista tärkein on yleensä diffraktio (urbaanissa ympäristössä) ja näköyhteysreitti (maaseudulla). Mikrosoluympäristössä tärkeä mekanismi on heijastuminen, koska antennit sijaitsevat kattotason alapuolella.

•Käytännössä jokaiseen pisteeseen saapuvaa kentänvoimakkuutta ei voida laskea tarkasti erikseen ottaen huomioon kaikkia edellä mainittuja radiotien ominaisuuksia Tämän vuoksi on kehitetty ottaen huomioon kaikkia edellä mainittuja radiotien ominaisuuksia. Tämän vuoksi on kehitetty empiirisiä eli mittauksiin perustuvia kentänvoimakkuuden laskentamalleja. (Empiirinen=

kokemusperäinen, mittauksiin perustuva). Radiokanavan arvioimiseksi ja mallintamiseksi täytyy tehdä paljon erilaisia käytännön mittauksia ja laajentaa niitä simuloinnilla. Mittaukset tehdään asettamalla eri kohteisiin radiolähettimiä ja mittaamalla ympäristössä vastaanotettuja tehoja.

Mittaustuloksia verrataan simuloinneilla saatuihin arvoihin ja korjataan malleja erilaisten parametrien avulla vastaamaan paremmin todellisuutta.

•Kaikki nykyaikaiset radioverkkojen suunnitteluohjelmistot käyttävät näitä empiirisiä

i ll j K i i ll j Ok H d ll j COST231

etenemismalleja. Käytetyimpiä malleja ovat Okumura-Hata maaseudulle ja COST231 – mikrosolualueille. Ne on parametrisoitu erilaisille ympäristöille ja eri taajuusalueille.

•Digitaalisen karttapohjan avulla pystytään ennustamaan kentänvoimakkuus halutun rasterikoon mukaisille alueille. Maaseudulla käytetään ennustamiseen suurta rasterikokoa, kaupungeissa jopa muutamien neliömetrien kokoisia paloja (<100m²). Kaupungeissa rakennusten mallintaminen on vaikeaa, myös monitie-eteneminen vaikeuttaa ennustamista. Kaupunkeihin on kehitetty erityisiä mikrosolu- ja jopa sisätilamalleja.

•Kuvassa näkyy erään laskentaohjelman laskema kentänvoimakkuus etäisyyden f kti Alh ll lik ss äk ät k tä im kk t ik tt t m t it:

funktiona. Alhaalla valikossa näkyvät kentänvoimakkuuteen vaikuttavat parametrit:

•tukiaseman antennikorkeus (efektiivinen korkeus, kts. kuva alla)

•puhelimen antennikorkeus (efektiivinen korkeus)

•taajuus

•ympäristö (parametrisoitu)

•lähetysteho

•haluttu aika- ja sijaintitodennäköisyysj j yy

Tästä linkistä löytyy scripti, jolla voi laskea kentänvoimakkuutta erilaisilla parametreille Okumura-Hata –mallilla:

http://www.cdt21.com/products/tech_info/siryo4_01.asp

Okumura-Hata –malli soveltuu makrosolujen kentänvoimakkuuden laskentaan esim. GSM- verkolle. Se onkin eniten käytetyimpiä malleja matkapuhelinverkoissa.

•Tämä malli soveltuu parhaiten mikrosolujen peiton laskemiseen. Mallissa oletetaan, ttä t ki s m t i k skimää äis k sk k d lä l ll m tt että tukiasema-antenni on keskimääräisen rakennuskorkeuden yläpuolella mutta maksimirakennuskorkeuden alapuolella. LOS-kaava antaa vaimennuksen

katukanjonissa.

•Mallia nimitetään myös Walfish-Ikegamiksi kehittäjiensä mukaan

•Vuodenajat aiheuttavat jonkin verran vaihtelua radiosignaalin etenemiseen. Kosteus, sim k t s t t ih tt t lisä im st

esim. kovat sateet aiheuttavat lisävaimennusta.

•Suomen pinta-alasta suuri osa on metsää, joka varsinkin märkänä on merkittävä vaimennuksen aiheuttaja. CCIR:n raportissa on metsän aiheuttamaa lisävaimennusta arvioitu seuraavalla kaavalla:

L(dB) = 0,187 (f^0,284) (d^0,588), missä

f on taajuus megahertseissä ja d metsäalueen syvyys metreinä.

Yo. Kuvassa on laskettu vaimennusta ko. kaavalla neljällä eri taajuudella. Kuvasta havaitaan että vaimennus kasvaa suhteellisesti enemmän korkeilla taajuuksilla havaitaan, että vaimennus kasvaa suhteellisesti enemmän korkeilla taajuuksilla metsän syvyyden funktiona. Talvella vaimennus on 0-2 dB pienempi johtuen puuston solurakenteen jäätymisen aiheuttamista muutoksista.

•Tässä luvussa keskitytään radiorajapinnan ominaisuuksiin OSI-mallin 1-kerroksella li f sis llä k ks ll j 2 k ks ll li sii t k ks ll

eli fyysisellä kerroksella ja 2-kerroksella eli siirtokerroksella

•On myös poikkeuksia radiotaajuuden käytöstä:

•IrDa käyttää tiedonsiirtoon infrapunasäteilyä

•Osa langattomien järjestelmien käyttämistä korkeammista taajuuksista luetaan kuuluvaksi mikroaaltotaajuuksiin

•Myös langatonta optista yhteyttä voidaan käyttää, mutta sen käyttö on jää t ähäi k i h häi iö i d j t id k i

jäänyt vähäiseksi huonon häiriönsiedon ja esteiden vuoksi

•Analogisissa järjestelmissä (esim. NMT) käytetään yleensä modulointimenetelmänä FM d l i ti j ll i häi iöt ik tt t s si lii Si li l t

FM-modulointia, jolloin häiriöt vaikuttavat suoraan signaaliin. Signaalin laatu heikkenee vähitellen.

•Digitaalisissa järjestelmissä (esim. GSM) käytetään signaalin siirrossa radiotiellä digitaalisia modulointimenetelmiä, kuten esim. GMSK ja PSK. Silloin signaalin laatu pysyy hyvänä niin kauan kun loogiset 0 ja 1 pystytään erottamaan toisistaan. Kun tämä raja ylittyy, laatu romahtaa huomattavasti.

Varsinainen monikäyttö:

•Yleisimmät monikäyttötekniikat ovat FDMA, TDMA ja CDMA. Viime vuosien aikana on yhä enemmän kehitetty myös OFDMA:han perustuvia järjestelmiä.

•Ne voidaan edelleen luokitella kapea- ja laajakaistaisiin järjestelmiin riippuen siitä, miten käytetty kaista on jaettu käyttäjille:

•kapeakaistainen järjestelmä: saatavilla oleva kaista on jaettu suureen ää ää k k i t i i k i

määrään kapeakaistaisia kanavia

•laajakaistainen järjestelmä: kanavan kaistanleveys on huomattavasti suurempi kuin sen lähettämiseen vaadittava kaista

•Järjestelmien suunnittelussa pyritään mahdollisimman suureen kaistankäytön tehokkuuteen. Yleensä sitä mitataan käyttäjien määrällä/MHz. Myös muita

mittaustapoja on käytössä. Tehokkuutta on vaikea arvioida teoreettisesti riittävän luotettavasti usein vasta käytössä oleva järjestelmä näyttää oikean

luotettavasti, usein vasta käytössä oleva järjestelmä näyttää oikean kaistatehokkuuden.

FDD (Frequency Division Duplexing):

•Oma taajuus lähetykseen ja vastaanottoon

•Duplex-väli on aina sama

•Yleensä lähetin ja vastaanotin erotetaan toisistaan duplex-suodattimella

TDD (Time Division Duplexing):

•Oma aikaväli lähetykseen ja vastaanottoonOma aikaväli lähetykseen ja vastaanottoon

•Yksi taajuus riittää, duplex-suodatinta ei tarvita

•FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin. Laitekustannuksiltaan se k it ki l sä k lliim i k sk j k is ll kä ttäjäll t it m

on kuitenkin yleensä kalliimpi, koska jokaiselle käyttäjälle tarvitaan oma kanavayksikkö. Useimmiten käytetään FDMA:n yhteydessä analogista taajuusmodulointia eli FM:aa.

•Kullakin kanavalla voi olla vain yksi puhelu kerrallaan käynnissä. Yleensä käytetään n.

30 kHz kaistaa käyttäjää kohti. FDMA:ta käyttäviä järjestelmiä ovat esim. AMPS (30 kHz/käyttäjä) ja NMT (25 kHz/käyttäjä).

•FDMA/FDD: yksi kanava käytössä tukiasemalta puhelimeen ja toinen kanava puhelimesta tukiasemalle.

•FDMA:ssa saattaa syntyä keskeismodulaation aiheuttamaa häiriötä: epälineaarisissa komponenteissa syntyy epätoivottuja harmonisia taajuuksia, jotka häiritsevät muita kanavia tai muita järjestelmiä.

•Kanavien määrä FDMA-järjestelmässä:

N = (B_t– 2B_guard) / B_c, missä

Bt = koko käytettävissä oleva kaista

Bguard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä Bc = yhden kanavan kaistanleveys

•TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä

radiokanavan aikaväleistä.

•TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Aikavälien määrä radiokanavalla riippuu modulaatiotekniikasta ja saatavilla olevasta kaistasta.

•TDMA/TDD: puolet aikaväleistä toiseen suuntaan ja puolet toiseen suuntaan samalla radiokanavalla.

•TDMA/FDD: kantoaallot erikseen molemmille suunnille.

•Esim GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta koska siinä on käytössä useita taajuuksia joita käytetään Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä on käytössä useita taajuuksia, joita käytetään aikajakoisesti vuorotellen.

•Etuja:

•datan siirto tapahtuu purskeina, mikä säästää varsinkin puhelimen paristoja

•käytetään eri aikavälejä lähetykseen ja vastaanottoon, joten duplex-suodatin ei ole välttämätön

•laitetekniikka hinnaltaan edullisempaa kuin FDMA:ssa

•TDMA:n yhteydessä vaaditaan hyvää synkronisointia, etteivät purskeet mene vääriin aikaväleihin. Tehokkuutta TDMA:n yhteydessä vaaditaan hyvää synkronisointia, etteivät purskeet mene vääriin aikaväleihin. Tehokkuutta laskee myös kehysrakenteissa tarvittavien ylimääräisten bittien käyttö.

•Kanavien määrä TDMA-järjestelmässä:

N = m(B_tot– 2B_guard) / B_c, missä B_tot= koko käytettävissä oleva kaista

B_guard= suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä B_c= yhden kanavan kaistanleveys

B_c yhden kanavan kaistanleveys m= aikavälien määrä radiokanavaa kohti

SSMA:

•Näennäiskohinasekvenssin (pseudo-noise) avulla kapeakaistainen signaali muutetaan kohinaa muistuttavaksi ennen lähetystä. Signaali siis levitetään laajemmalle kaistalle.

•SSMA-tekniikoiden kaistankäyttö ei ole kovin tehokasta, jos tarkastellaan vain yhtä käyttäjää. Samaa kaistaa voi kuitenkin käyttää yhtäaikaisesti suuri joukko käyttäjiä häiritsemättä toisiaan. Näin ajatellen tehokkuus on suuri.

•Ensimmäisenä hajaspektritekniikoita on käytetty militäärisovelluksissa korkean turvallisuustasonsa vuoksi.

FHMA:

•Data on pätkitty tietyn pituisiin purskeisiin, jotka lähetetään eri taajuuksilla.

•Hetkellinen kaistanleveys yhdelle yhteydelle on pieni. Hetkellisesti FHMA muistuttaa FDMA:ta. FHMA eroaa FDMA:sta siinä, että lähetystaajuus vaihtuu nopeasti.

•Turvallinen menetelmä, koska käyttäjän yhteys siirtyy eri taajuuksille

valesatunnaisen sekvenssin mukaan. Jotta yhteyttä voisi salakuunnella, täytyisi tietää tämä sekvenssi. Taajuushyppely vaatii tarkkaa synkronointia, jota lähetin ja vastaanotin käyttävät joka hetki samaa taajuuskanavaa.

•FHMA on epäherkempi häipymiselle kuin TDMA ja FDMA, koska taajuus vaihtuu nopeasti. Taajuushyppelyä käytetäänkin diversiteettitekniikkana radioyhteyden laadun parantamiseksi

laadun parantamiseksi.

•Käytössä esim. Bluetooth-yhteyksillä. Myös GSM:ssä on optiona taajuushyppely, jossa sitä käytetään lähinnä häiriönkeston parantamiseen.

•Levityssignaali sisältää näennäiskohinaa muistuttavan sekvenssin, jonka symbolinopeus on hyvin lj s m i k i lk äis si li s Tätä s k ssiä k ts t l it sk diksi paljon suurempi kuin alkuperäisen signaalin nopeus. Tätä sekvenssiä kutsutaan levityskoodiksi.

•Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella.

Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi, jolla signaali on koodattu.

Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana.

•CDMA:n yhteydessä käytetään sekä FDD:tä että TDD:tä

•CDMA:n yhteydessä käytetään sekä FDD:tä että TDD:tä.

•Pehmeä kapasiteetti: käyttäjien määrän noustessa kapasiteetti ei lopu yhtäkkiä, vaan järjestelmän häiriötaso nousee ja palvelun laatu huononee vähitellen. Kun tietty häiriökynnys ylitetään, ei enää oteta lisää käyttäjiä.

•Monitie-eteneminen vähenee, koska käytetään laajaa kaistaa. Myös häiriönkesto paranee, koska laajakaistainen lähete on tunteeton kapeakaistaiselle häiriölle CDMA-järjestelmissä käytetään laajakaistainen lähete on tunteeton kapeakaistaiselle häiriölle. CDMA järjestelmissä käytetään usein RAKE-vastaanotinta (harava), joka parantaa signaalin laatua keräämällä viivästyneitä signaalikomponentteja.

•Kaikilla soluilla voi olla sama taajuus. Tätä voidaan hyödyntää ns. pehmeässä puhelunsiirrossa (soft handover). Siinä puhelin on yhteydessä verkkoon yhtäaikaa kahden solun kautta. Tässä tilassa pysytään kunnes ollaan siirrytty riittävän syvälle toisen solun alueelle.

•Kuvassa esitetään CDMA-lähettimessä suoritettava koodaus ja vastaanottimessa tehtävä d k d s Al m i s k st sittää m id si li k i h l t si li ik t ks dekoodaus. Alempi osa kuvasta esittää muiden signaalien kuin halutun signaalin vaikutuksen vastaanottimessa.

•Tehonsäätö on CDMA-järjestelmissä tärkeää. Käyttäjien tehot säädetään sopivalle tasolle, muuten lähellä tukiasemaa olevat käyttäjät dominoivat ja häiritsevät muiden käyttäjien liikennöintiä. Tätä kutsutaan lähi-kauko –ongelmaksi (near-far-problem).

OFDM:ää nimitetään diskreetiksi monikantoaaltomodulaatioksi (Discrete Multi-tone M d l ti ) k sk hd k t ll m d l i i sij st sii ä kä t tää s t mää ää Modulation), koska yhden kantoaallon moduloinnin sijasta siinä käytetään suurta määrää tasaisin kanavavälein sijoiteltuja alikantoaaltoja. Kapeakaistaisia alikantoaaltoja

moduloidaan esim. jollakin monitilaisella QAM-modulointitavalla. OFDM on laajakaistainen tekniikka, joka kasvattaa datansiirron tehokkuutta lisäämällä

siirrettävää datanopeutta kantoaaltojen suuren määrän avulla. Lisäksi menetelmässä monitie-etenemisen aiheuttamat ongelmat voidaan minimoida valitsemalla käytettävät alikantoaallot niiden joukosta, joilla syntyy vähiten bittivirheitä. Huonot alikantoaallot eli ne joilla syntyy virheitä, voidaan jättää käyttämättä.

OFDM-tekniikkaa käytetään monissa laajasti käytetyissä sovelluksissa, esim. digitaalisen TV-jakelun standardeissa (DVB-T, ja DVB-H), digitaalisessa yleisradiotekniikassa, useissa WLAN-standardeissa ja langallisissa verkoissa esim. ADSL-

laajakaistaliittymissä.

OFDM sallii vain yhden käyttäjän yhdelle kanavalle yhtäaikaisesti. Jotta saadaan useita käyttäjiä samalle kaistalle samanaikaisesti, joudutaan yhdistämään OFDM-tekniikka joko y j , j y j TDMA:han tai FDMA:han. TDMA:n tapauksessa käytetään kullekin käyttäjälle omia aikavälejä ja FDMA:n tapauksessa kullekin käyttäjälle omia alikantoaaltoja.

OFDMA on useamman käyttäjän OFDM, joka sallii monikäytön samalla kaistalla (kaistalla tarkoitetaan tässä alikantoaaltojen ryhmää) OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää alikantoaaltojen ryhmää). OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää ja vastaanottaa samaan aikaan kantoaaltojen ryhmässä. Lisäksi alikantoaaltoja voidaan sovittaa kullekin käyttäjälle siten, että käyttäjä käyttää niitä kanavia jotka tarjoavat hänelle parhaan laadun (yo. kuva). Kukin käyttäjä siis käyttää niitä kantoaaltoja, jotka sillä ajanhetkellä tarjoavat hänelle parhaat etenemisolosuhteet ja pienimmän bittivirhesuhteen. Nämä riippuvat tietenkin käyttäjän sijainnista ja muista olosuhteista. Kanavien tilaa seurataan pilottialikantoaaltojen avulla (kuva ed. sivulla)

OFDM:ää käytetään esim. Wimax-tekniikassa kiinteän palvelun toteuttamisessa ja OFDMA:ta mobiilin Wimax- palvelun monikäyttötekniikkana. OFDMA on standardoitu myös 3G-verkon LTE-kehitysversioon (Long Term

E l i ii d )

Evolution, suuremmat siirtonopeudet).

Ortogonaalisuus alikantoaaltojen valinnassa tarkoittaa kantoaaltojen keskinäistä riippumattomuutta.

Kantoaaltojen parametrit on valittu siten, että kantoaallon teho on nolla viereisen kantoaallon keskitaajuudella, jolloin vierekkäiset kanavat häiritsevät toisiaan mahdollisimman vähän.

Hybridi FDMA/CDMA

k k k k k

•kaista on jaettu pienempiin osiin, joista kukin toimii omana kapeakaistaisena systeeminään

•esim. Cdmaone käyttää tätä Hybridi DS/FHMA

•DS-järjestelmä, jonka keskitaajuus vaihtuu tietyn satunnaisen kaavan mukaan

Time Division CDMA

•jokaisella solulla on oma levityskoodi

•vain yksi käyttäjä/aikaväli/solu Time Division Frequency Hopping

•TDMA-kehyksen alussa käyttäjä voi hypätä eri taajuudelle (häiriöllisissä tai häipyvissä olosuhteissa)

häipyvissä olosuhteissa)

•GSM käyttää tätä

•solussa useampia taajuuksia, joilla hypitään tietyssä järjestyksessä

SDMA (tilajakoinen monikäyttö)

•Kutakin käyttäjää palvellaan omalla antennikeilallaan (kts. kuva)

•Menetelmässä tarvitaan hyvin kehittyneitä, adaptiivisia antenneja

•Ideaalisessa järjestelmässä kukin käyttäjä toimisi omassa antennikeilassaan samalla kanavalla samanaikaisesti kuin muut käyttäjät mutta ilman häiriöitä muista antennikeiloista

PR (pakettiradio)

•Useat käyttäjät yrittävät käyttää yhtä kanavaa ennalta määräämättömällä tavalla (kilpavaraus)

•Data lähetetään lyhyinä purskeina

•Mobiilille lähetetään joko kuittaus- tai hylkäys –viesti riippuen siitä onko törmäystä tapahtunut vai ei.

•Tehoton systeemi kaistankäytön kannalta, ei sovi suurikapasiteettisiin järjestelmiin

•Ensimmäinen sovellus oli ALOHA-protokolla, josta sittemmin kehittyi Ethernet-verkon kilpavarausperiaate

1. Taajuuskaistojen vähyys pakottaa suunnittelemaan verkot tiukan

l ll

taajuussuunnitelman mukaan. Käytettävät tehot määritellään tarkasti.

Jos tehot kasvavat liian suuriksi, syntyy samakanavahäiriöitä

päätelaitteelta tukiasemille ja tukiasemilta päätelaitteille. Myöskään järjestelmän ulkopuolisille ei haluta aiheuttaa liikaa häiriötä.

2. Langattomien järjestelmien päätelaitteet toimivat akkujen varassa. Jotta akku kestäisi mahdollisimman kauan, kannattaa laitteen lähetysteho säätää mahdollisimman pieneksi. Suurimman osan tehosta kuluttaa juuri p j signaalin lähetystapahtuma, ei niinkään vastaanotto tai standby-tila.

3. Radiorajapinnan muuttujia seurataan koko ajan. Niitä ovat radiokanavien määrä, etäisyys, vastaanotettu teho, handovereihin liittyvät asiat yms.

Teho on näistä yksi tärkeimmistä. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat toisiinsa ja ovat osa RRM-prosessia (Radio Resource Management). RRM- prosessin toiminta vaikuttaa kaikkiin päätelaitteisiin ja niiden toimintaan verkossa Tehonsäätö on siis yksi osa verkon monimutkaisessa

verkossa. Tehonsäätö on siis yksi osa verkon monimutkaisessa toiminnassa. Esim. handovereiden toiminnassa ja solun valinnassa on tehonsäädöllä suuri rooli.

Tehonsäätöön sisältyy useita eri osa-alueita:

-Radioyhteyden tehonsäätö sisältää algoritmit, protokollat ja tekniikat, joita käytetään langattomissa järjestelmissä dynaamisesti muuttamaan lähetystehoa, jotta saadaan vähennettyä samakanavahäiriötä, lähi-kauko-ongelmaa (CDMA:ssa) tai muita järjestelmän sisäisiä ongelmia

-Paristonsäästötoiminteet tähtäävät päätelaitteen pariston säästämiseen kuitenkin niin ettei kommunikaatio verkon kanssa häiriinny. Paristonsäästöä voidaan ohjata myös verkon toimesta.

-Tehoa säästävä laitesuunnittelu tähtää myös akun säästöön käyttämällä sellaisia my y m komponentteja, protokollia ja modulaatio- ja koodaustekniikoita jotka käyttävät tehoa mahdollisimman taloudellisesti.

-Tehoa säästävä ohjelmistosuunnittelu hyödyntää ohjelmistoja tehonsäästön kannalta

Avoimen silmukan tehonsäätö (Open Loop Power Control) :

-Päätelaite mittaa tukiaseman lähettämää signaalia ja säätää omaa tehoaan vastaanotetun tehon mukaan. Päätelaite voi mitata esim. RSS:ää (vastaanotetun signaalin voimakkuus, Received Signal Strength), BER:iä (bittivirhesuhde, Bit Error Rate) tai kehysvirhesuhdetta. Jos mitattu suure on asetetun kynnyksen yläpuolella, päätelaite laskee omaa lähetystehoaan. Jos suure on huonompi kuin kynnysarvo, tehoa nostetaan.

-Haittapuolena on DL- ja UL-suuntien erilaisuus; radiosignaalin eteneminen ei ole samanlaista eri taajuuksilla olevilla siirtosuunnilla. Vaikka tehoa nostetaankin, päätelaite ei saa informaatiota siitä miten nosto vaikutti. Myöskään tehonsäädön nopeus ei tässä menetelmässä ole kovin suuri

Suljetun silmukan tehonsäätö (Closed Loop Power Control) :

-Tukiasema mittaa päätelaitteen lähettämän signaalin laatua ja tekee sen perusteella

johtopäätöksen toimenpiteestä. Tukiasema antaa tehonsäätökomentoja päätelaitteelle DL-suunnan ohjausyhteyden kautta. Myös tukiaseman tehoa voidaan säätää päätelaitteen tekemien mittausten perusteella.

-Tämä menetelmä on tehokkaampi koska siinä saadaan palautetta oikeasta siirtosuunnasta.

Keskitetty ja hajautettu tehonsäätö:

-Keskitetyssä tehonsäätöjärjestelmässä tukiasemassa tai keskuksessa on tieto kaikista

järjestelmässä toimivista radioyhteyksistä eli niiden SIR-, RSS- ja BER-arvoista. Järjestelmässä voidaan hyödyntää tehokkaita optimointialgoritmeja saavuttamaan mahdollisimman hyvä

optimiratkaisu käytetyille tehoille. Tämä vaatii raskasta prosessointia järjestelmän keskuksissa.

-Hajautetussa tehonsäädössä päätelaitteet muuttavat tehoaan diskreettien askelten mukaan.

Tällöin ei tarvita monimutkaisia algoritmejä vaan suhteellisen yksinkertaisella toimintamallilla Tällöin ei tarvita monimutkaisia algoritmejä vaan suhteellisen yksinkertaisella toimintamallilla päästään toimivaan tehonsäätöön.

Epäjatkuva lähetys (DTX, Discontinuous Transmission)

-Normaalissa yhteydessä on usein tilanteita, jolloin jompikumpi pää ei muodosta informaatiota, esim. puheyhteydessä toinen on hiljaa. Tällaisessa tilanteessa olisi tehonsäästön kannalta järkevää olla lähettämättä mitään signaalia. Koska suurin osa tehosta kuluu juuri lähettämiseen, on tähän kehitetty erilaisia menetelmiä.

-Hiljaisuuden tutkimiseen on kehitetty VAD-menetelmiä (Voice Activity Detection), jotka seuraavat puhesignaalin voimakkuutta ja yrittävät erottaa puhetta

taustamelusta.

-Kuulijat kokevat hankalana sen, jos ääni loppuu yhtäkkiä kokonaan. Silloin yleensä K j , j pp y y luullaan että yhteys katkesi. Tämän vuoksi järjestelmässä generoidaan ns.

mukavuuskohinaa, joka matkii taustamelua. Mukavuuskohina lähetetään parametreina, jotka kuormittavat lähetintä huomattavasti vähemmän kuin jatkuva lähetys.

-Toinen mahdollisuus on toistaa edellisiä näytteitä vaimennettuina, jolloin ei myöskään synny häiritsevää hiljaisuutta.

-Datansiirrossa on helpompi sulkea lähetin silloin kun dataa ei ole lähetettävänä.

Varsinkin pakettimuotoisessa datansiirrossa tämä on helppo toteuttaa.

Nukkumistila (Sleep Mode)

-Nukkumistilaa käytetään standby-tilassa eli silloin kun yhteys ei ole aktiivinen.

Päätelaite liikkuu verkossa ja herää vain silloin tällöin kuuntelemaan tuleeko sille osoitettuja kutsuja. Verkko lähettää tulevat kutsut tiettyinä ajanhetkinä ja päätelaite vastaanottaa signalointia ajastuneena näihin ajanhetkiin. Muulloin se on joutotilassa, jolloin virrankulutus on vähäistä. Tämä toiminne on ollut käytössä jo NMT-verkoissa.

Tehoa säästävä laitesuunnittelu:

-Digitaaliset CMOS-piirit ja mobiileja laitteita varten suunnitellut prosessorit kuluttavat vähän tehoa.

-Käytettävän protokollan valinnassa otetaan huomioon tehonkulutus. Myöskin tässä valinnassa täytyy kiinnittää huomiota siihen aikaan, jonka päätelaite on lähetystilassa. Jos protokollassa on käytössä ARQ (Automaattinen uudelleenlähetyspyyntö), se lisää

tehonkulutusta. Paketteja lähetetään radiotielle useaan kertaan. Myös törmäykset mahdollistavassa protokollassa kulutetaan paljon tehoa varsinkin kuormitustilanteissa, jolloin sattuu paljon törmäyksiä ja sen seurauksena uudelleenlähetyksiä. Joissakin protokollissa otetaan vastaan kaikki tulevat paketit, vaikkei niitä ole osoitettu ko.

laitteelle. Tämäkin syö turhaan tehoa, on edullisempaa vastaanottaa vain ne paketit jotka on otsikon mukaan osoitettu itselle.

-Myös modulaatio- ja koodausmenetelmien valinnassa täytyy ottaa tehonkulutus huomioon.

Erilaiset modulaatiomenetelmät vaihtelevat häiriönsieto-ominaisuuksiltaan ja sitä kautta myös tehonkäytöltään. Myös siirrettävä datanopeus vaikuttaa tehonkulutukseen. Mitä suurempi siirtonopeus, sitä monitilaisempi modulaatiomenetelmä ja suurempi tehonkulutus.

Tehokkaat virheenkorjaavat koodit osaltaan säästävät tehoa, koska silloin ei tarvitse

k h hl i d ll l h k i

käyttää tehoa tuhlaavia uudelleenlähetyksiä.

Ohjelmistolla on myös paljon mahdollisuuksia vaikuttaa tehonkulutukseen:

-Käyttöjärjestelmässä otettava huomioon paristonsäästö: miten toteutetaan muistien käyttö, näytön ja käyttöliittymän toiminta, mitä kellotaajuutta käytetään jne.

-On tärkeää suunnitella huolellisesti siirtyminen virransäästötilasta aktiivitilaan ja päinvastoin. Jos tämä ei toimi kunnolla, sillä on suuria vaikutuksia käyttömukavuuteen.

Esimerkkejä langattomiin järjestelmiin valituista modulointimenetelmistä:

•GSM: GMSK

•EDGE: 8-PSK

•UMTS: QPSK ja OQPSK

•WLAN: BPSK, QPSK ja 8PSK

•DVB-standardit:

•DVB-T: QPSK, 16-QAM ja 64-QAM

•DVB-H: QPSK 16-QAM tai 64-QAMDVB H: QPSK, 16 QAM tai 64 QAM

•DVB-C: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM tai 256-QAM

•DVB-S: QPSK, 8PSK or 16-QAM

(HUOM! Pohdi miten DVB-standardeissa on päädytty ko. menetelmien valintaan?)

GSM käyttää puheensiirtoon GMSK-modulointia

GMSK on valittu GSM:n modulointimenetelmäksi koska sen spektri vaimenee nopeasti

•GMSK on valittu GSM:n modulointimenetelmäksi, koska sen spektri vaimenee nopeasti viereisten kanavien alueella (kuva ylh.). Näin ollen GSM:n radiokanavat voidaan sijoittaa 200 kHz:n välein.

•GMSK on periaatteessa kaksitilainen modulaatiomenetelmä, mutta käyttäytyy kuin nelitilainen menetelmä koska siinä käsitellään dataa kvadratuurihaarojen avulla bittipareittain.

Kaksitilaisena menetelmänä GMSK:lla on hyvä häiriönsietokyky.

EDGE (GSM:n nopea datansiirto) käyttää myös 8PSK:ta

•EDGE:ssä käytetään 8PSK:ta jotta saavutetaan suurempi bittinopeus. 8PSK:lla siirretään yhtäaikaisesti kolme bittiä Kääntöpuolena on huonontunut häiriönsietokyky

yhtäaikaisesti kolme bittiä. Kääntöpuolena on huonontunut häiriönsietokyky.

•EDGE:ssä käytetään adaptiivisesti erilaisia yhdistelmiä modulaatiotavasta ja

kanavakoodauksesta. Mitä parempi radioyhteys on, sitä kevyempää kanavakoodausta ja tehokkaampaa modulointia voidaan käyttää. Tällöin bittinopeus kasvaa. Taulukossa näkyvät EDGE:n käyttämät yhdistelmät.

UMTS-verkko käyttää UL- ja DL-suunnissa erilaisia modulointitapoja:

•DL: Käytetään QPSK-modulointia (Quadrature Phase Shift Keying). Dataa käsitellään bittipareina I- ja Q-haarojen avulla. QPSK vaatii koherentin ilmaisun. Signaalin kaista on leveä. Signaalissa esiintyy amplitudivaihteluita, joten se vaatii erityisen lineaarisia vahvistimia.

•UL: Em. amplitudinvaihteluiden vuoksi on valittu muunnos QPSK:sta eli OQPSK (Offset QPSK). Tästä on etua terminaalin tehonkulutukselle ja laitteen hinnalle.

laitteen hinnalle.

HSDPA ja HSUPA(UMTS:n nopea pakettidatansiirto)

•Käyttää AMC:ta (Adaptive Modulation and Coding)

•Mukautuva radioyhteys, nopeat muutokset

•useita yhdistelmiä modulaatiotavoista ja kanavakoodauksesta

•modulaatiotavat QPSK, 16QAM ja 64QAM, SF=16

LTE(UMTS:n kehitysversio, ns. 4G)

•Samoin kuin HSPA käyttää useita eri modulaatiotapoja adaptiivisesti

•modulaatiotavat QPSK, 16QAM ja 64QAM

•Kaikki WLAN-standardit käyttävät kiinteää modulaatiota (BPSK:ta tai QPSK:ta) sk l st s s ss (P mbl ) M tt t d t d t s d ik

purskeen alustusosassa (Preamble). Muuttuvat datanopeudet saadaan aikaan muuttamalla modulaatiota purskeen hyötydataosassa.

•802.11b ja 802.11g käyttävät BPSK:ta ja QPSK:ta (differentiaalisena) datansiirtoon.

802.11a/h ja 802.11g (OFDM-moodissa) käyttävät datan siirtoon alemmilla nopeuksilla BPSK:ta ja QPSK:ta. Suuremmilla nopeuksilla käytetään

kvadratuuriamplitudimodulaatioita (QAM).

•WIMAX: 802.16-standardi käyttää dynaamista modulaatiota, jossa käytettävää y y m m , j y modulointitekniikkaa (64 QAM, 16 QAM, QPSK) voidaan vaihtaa tarpeen mukaan.

Diversiteettitavat:

•Aikadiversiteetti: signaalista lähetetään versioita eri aikoina.

•Taajuusdiversiteetti: Signaali lähetetään eri taajuuksilla

•Tiladiversiteetti: signaali lähetetään erilaisia etenemisteitä pitkin. Antennidiversiteetti on yksi sovellutus tästä.

•Polarisaatiodiversiteetti: signaali lähetetään tai vastaanotetaan useilla antenneilla, joilla on erilaiset polarisaatiokulmat

Diversiteettihyödyt:

•Diversiteetillä saadaan parempi kentänvoimakkuus vastaanottimeen

•Diversiteetillä voidaan myös torjua häiriötä. Jos esim. taajuushyppelyssä jokin taajuus on häiriöllinen, taajuushyppely tasoittaa häiriön vaikutusta ja jakaa sitä kaikkien käyttäjien kesken.

Näin häiriö ei vaikuta liian voimakkaasti yhdelle käyttäjälle.

•Hyödyt ovat suurimmillaan paikallaan pysyvälle puhelimelle. Nopeasti liikkuva puhelin liikkuu muutenkin nopeasti pois huonosta kentänvoimakkuudesta.