4. Langattomat tietoverkot

(1)

30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 1

Sisältö:

1. Matkaviestinjärjestelmät 2. Radio- ja TV-tekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto

4. Langattomat tietoverkot

Langaton tiedonsiirto

Sisältö:

1. Matkaviestinjärjestelmät:

• Peruskäsitteitä

• Matkapuhelinverkkojen sukupolvet ja kehitys

• Verkkojen levinneisyys ja liittymämäärät

• Matkapuhelinverkon osat ja niiden tehtävät

• NMT-verkko

• GSM-verkko

• UMTS-verkko

• Muita matkaviestinverkkoja

• Verkkojen turvallisuuskysymyksiä

• Verkkojen tulevaisuuden näkymiä 2. Radio- ja TV-tekniikka

• Analoginen radiotekniikka

• Digitaalinen radiotekniikka

• Analoginen televisiotekniikka

• Digitaalinen televisiotekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto

4. Langattomat tietoverkot

• WLAN

• Bluetooth

• UWB

• IrDa

• Tulevaisuudennäkymät

(2)

(3)

1. Matkaviestinjärjestelmät

-Matkaviestintekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä. Yleensäkin langattomat sovellukset valtaavat alaa joka puolella.

-Suomi on matkapuhelintekniikassa edelläkävijä

(4)

• Perusidea on päätelaitteiden liikkuvuus

Peruskäsitteitä

•Matkaviestinjärjestelmätarkoittaa matkaviestinverkon ja matkaviestinten muodostamaa tietoliikennejärjestelmää.

•Matkaviestintä (mobile communication) tarkoittaa langatontaviestintää, jonka radioyhteyttä käyttävinä päätelaitteina toimivat matkaviestimet MS (mobile station).

Matkaviestin on yleisimmin matkapuhelin. Mitä muita laitteita matkaviestimet voivat olla?

•Päätelaitteiden liikkuvuus eli mobiliteetti perustuu radioyhteyteen puhelimen ja tukiaseman välillä. Yleensä verkon muut osat eivät ole liikkuvia.

•Verkko koostuu (vähintään) keskuksista, tukiasemista ja niiden välisistä yhteyksista.

Yhteydet matkapuhelinverkosta ulospäin kulkevat aina matkapuhelinkeskuksen kautta.

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

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

Matkapuhelinverkossa yhteyksien muodostaminen on huomattavasti monimutkaisempaa.

(5)

Solukkoverkko

Solukkoverkkojen rakenne:

-solukkoverkko koostuu soluista

-solu on tukiaseman muodostama radiopeittoalue

-solujen koot ja muodot vaihtelevat ympäristön ja liikennetarpeiden mukaan

(6)

Solukkoperiaate

•

samaa taajuutta toistetaan mahdollisimman usein, mutta häiriöitä välttäen

• tukiasemapaikalla voi olla useita soluja

•Matkapuhelinverkoissa on yleensä aina taajuusalueista pulaa. Taajuuksia on pakko säästää ja siksi niitä käytetään useaan kertaan.

•Solukokoa pienentämällä voidaan kasvattaa kapasiteettia => tukiasemaverkko tihenee ja saadaan enemmän kanavia käyttöön samalle alueelle.

•Tukiasemaverkon tihentäminen nostaa verkon rakentamiskustannuksia. Tämän vuoksi verkon suunnittelussa joudutaan optimoimaan ja tekemään päätöksiä

tukiasematiheydestä ja solujen koosta.

(7)

• Matkapuhelinverkoissa käyttökelpoisia taajuuksia on vain pieni osa sähkömagneettisen spektrin koko kaistasta

• Käytössä ovat lähinnä VHF- ja UHF-alueet

•Matalilla taajuuksilla signaali etenee hyvin kauas, joten solujen kokoa on vaikea hallita.

Lisäksi matalilla taajuuksilla vaikuttavat monet hyvin epävarmat ja oikulliset

etenemisilmiöt kuten ionosfääriheijastukset yms. Myös käytössä olevat kaistat ovat kapeita.

•Korkeilla taajuuksilla vaimennus kasvaa. Mitä ylemmäksi taajuuksissa siirrytään, sitä pienempiä soluista tulee. Mieti, mitä tämä vaikuttaa esim. Suomen kaltaisessa laajassa maassa, kun siirrytään GSM-verkosta (900 MHz) UMTS-verkkoon (2,5 GHz)

•Paras peittoalue voidaan saavuttaa alemmilla taajuuksilla, esim. NMT450:llä on laaja peittoalue

(8)

Monitie-eteneminen

•Puhelimen liikkuessa maastossa tukiasemalta tuleva signaali tulee puhelimeen yhtä aikaa montaa eri reittiä. Vastaanottimen saama signaali on summa eri reittejä käyttävistä signaalin osista.

•Signaali on summa

•suoraan edenneestä osasta (LOS)

•heijastuneista ja diffraktoituneista osista (NLOS), jotka kulkevat määränpäähän pidempiä reittejä ja siten viivästyvät verrattuna suoraan edenneeseen

signaalikomponenttiin

•Tämä aiheuttaa ongelmia varsinkin kaupunkiympäristössä, jossa on paljon heijastavia pintoja. Signaalin voimakkuus vaihtelee paikoittain erittäin voimakkaasti. Tämä täytyy ottaa huomioon kaikkien matkapuhelinjärjestelmien suunnittelussa ja rakentamisessa.

(9)

Handover

•Puhelu jatkuu, vaikka puhelin siirtyy puhelun aikana toisen tukiaseman peittoalueelle.

Tätä toiminnetta kutsutaan nimellä handover.

•Verkko ja puhelin ovat koko ajan yhteydessä toisiinsa ja yhteyden laatua tarkkaillaan.

Verkko komentaa puhelimen siirtymään parempaan soluun jos yhteys huononee liikaa.

(10)

Sijainnin seuranta:

•Automaattisessa matkapuhelinverkossa puhelimella on ns. kotikeskus tai kotirekisteri (HLR) joka tietää missä puhelin liikkuu

•Puhelut matkapuhelimeen välittyvät kotiverkon kautta

•Muiden operaattorien verkossa toimimista kutsutaan nimellä roaming

•Matkaviestinverkossa yhteyksien muodostaminen on mutkikas 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.

•Jotta tilaaja voisi toimia normaalisti vieraassa verkossa, täytyy kotiverkon operaattorin ja vierailtavan verkon operaattorin välillä olla solmittuna ns. Roaming-sopimus.

Sopimuksessa sovitaan hinnoista ja laskutuskäytännöistä sekä tarjottavista palveluista.

(11)

Analogiset ja digitaaliset matkapuhelinverkot

Analogisissa järjestelmissä puheen laatu huononee tasaisesti liikuttaessa poispäin tukiasemasta

Digitaalisissa puheen laatu säilyy pitkään hyvänä, kunnes tietyn kynnyksen jälkeen se huononee äkillisesti

•Analogisissa järjestelmissä (esim. NMT) käytetään yleensä modulointimenetelmänä 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.

(12)

Monikäyttötekniikat

Monikäyttötekniikoita tarvitaan, jotta saadaan suuri joukko käyttäjiä mahtumaan samalle rajalliselle taajuuskaistalle (vrt.

siirtotekniikassa kanavointi).

Kolme käytetyintä tekniikkaa ovat FDMA, TDMA ja CDMA.

•FDMA eli taajuusjakoinen monikäyttötarkoittaa sitä, että kullekin käyttäjälle annetaan oma kanava tarvittavaksi ajaksi kokonaan käyttöön. FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin.

Laitekustannuksiltaan se 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.

•TDMA eli aikajakoinen monikäyttötarkoittaa sitä, että radiospektri jaetaan aikaväleihin. Jokaisessa aikavälissä voi yleensä lähettää tai vastaanottaa vain yksi käyttäjä. TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä.

TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä taajuuskaista jaetaan kanaviin, joita sitten käytetään aikajakoisesti vuorotellen.

•SSMA eli hajaspektrimonikäyttökäyttää signaaleja, joiden kaistanleveys on monta kertaa suurempi kuin tarvittava minimi radiokaistanleveys. SSMA:ta on kahta tyyppiä: FHMA eli taajuushyppelytekniikka ja CDMA eli koodijakoinen monikäyttö. Lisäksi käytetään eri menetelmien yhdistelmiä eli hybriditekniikoita

•FHMA eli taajuushyppelymonikäyttöon digitaalinen menetelmä, jossa käyttäjien taajuuksia vaihdellaan nopeassa tahdissa laajalla radiokaistalla. Esim. Bluetooth käyttää FHMA:ta.

•CDMA:ssa eli koodijakoisessa monikäytössäsignaali kerrotaan hyvin laajakaistaisella signaalilla, jota kutsutaan levityssignaaliksi. Tekniikasta käytetään myös nimeä Direct Sequence (DS). Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella.

Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi. Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan

(13)

• Yleensä sekuntiperustainen, noudattelee kiinteän verkon laskutusperiaatteita: yleensä A-tilaaja maksaa

• Teksti- ja kuvaviestit kertaveloituksena

• Vastaanottomaksu poikkeaa kiinteän verkon periaatteista

• Verkkovierailusta syntyvät laskut tulevat kotioperaattorin kautta

Laskutus

•Vastaanottomaksu on määrätty, koska matkapuhelimeen soittaja ei voi tietää, missä puhelin on liikkeellä. Tällöin ei myöskään voida velvoittaa häntä maksamaan esim.

ulkomaanpuhelun korkeampaa taksaa. Soittajan maksu siis määräytyy aina samalla perusteella. Liittymän omistaja maksaa esim. matkapuhelun ja ulkomaanpuhelun välisen hinnan erotuksen vastaanottaessaan puhelun vieraassa verkossa.

•Eri operaattorien hinnoitteluperiaatteet ja liittymien maksut poikkeavat toisistaan erittäin paljon. Liittymää otettaessa kannattaa miettiä kenelle soittaa ja mihin aikaan.

•Erilaisia liittymätyyppejä (miettikää yhdessä lisää):

•tasataksat

•halvemmat puhelut kotiverkon tilaajien kesken

•pre-paid –liittymät

•…

(14)

Matkapuhelinverkkojen sukupolvet ja kehitys

0. ARP (käsivälitteinen)

1. NMT ja muut analogiset järjestelmät 2. GSM ja muut digitaaliset järjestelmät 3. UMTS (laajakaistainen järjestelmä)

Esimerkkejä matkapuhelinverkkojen eri sukupolvia edustavista järjestelmistä:

1G:

•NMT: (Pohjoismaat, Puola, Hollanti, Sveitsi, monet Aasian maat)

•TACS (Englanti, Irlanti, Itävalta, Italia yms.)

•AMPS (Pohj.-Amerikka, Australia, Aasiassa)

•C-450 (Saksa, Portugali)

•RC2000 (Ranska) 2G:

•GSM (joka puolella maailmaa)

•D-AMPS eli TDMA(Amerikka, Hong Kong, Israel, Malesia, yms.)

•CDMA (USA)

•PDC (Japani, Aasia) 3G:

•UMTS (joka puolella maailmaa)

•CDMA2000 (USA)

•TD-SCDMA (Kiina)

(15)

• Ensimmäinen yleinen matkapuhelinverkko Suomessa oli ARP

Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1970-luku

•Ennen ARP-verkkoja oli käytössä vain yksityisiä, alueellisesti rajoittuneita PMR(Private Mobile Radio) –verkkoja. Niitä oli lähinnä kuljetusyrityksillä, sähkölaitoksilla yms.

•ARP-verkko (Autoradiopuhelin)

•käsivälitteinen, automatisoitiin myöhemmin

•käynnistyi 1972, lakkautettiin 1999

•taajuusalue 150 MHz kieppeillä, joten solujen peittoalueet olivat suuria, Lapissa jopa 100 km.

•puhelu katkeaa aina toisen tukiaseman alueelle siirryttäessä

•kohinarajoitteinen verkko (solukkoverkot häiriörajoitteisia)

•Telen/Soneran operoima

•Ruuhkainen ja kallis käyttää

(16)

Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1980-luku

NMT:n nykyinen peittoalue Euroopassa

• Euroopassa oli käytössä monia kilpailevia standardeja, joista laajimmalle levinnyt oli

pohjoismainen NMT

• Myös Suomessa käytettiin NMT:tä, josta tulikin hyvin suosittu. NMT oli valtion omistaman Telen monopoli.

•Useimmissa Euroopan maissa oli oma, täysin itsenäinen matkapuhelinverkkostandardi.

Standardit eivät olleet yhteensopivia. Lisäksi lähes kaikki verkon olivat valtioiden omistamien operaattoreiden omistamia ja operoimia. Kilpailua ei ollut.

•Laajimmalle levinnyt oli pohjoismaisten telehallintojen kehittämä NMT-standardi (Nordic Mobile Telephone). Suomen PTL oli vahvasti mukana kehittämässä NMT-standardia. Se oli myös ainoa tekniikka, jossa oli käytössä kansainvälinen roaming.

•Suomen teletoiminta oli voimakkaasti kahtiajakautunut:

•valtion omistama Tele (Sonera) operoi harvaan asutuilla alueilla paikallisverkkoa ja koko maassa matkapuhelinliikennettä, kaukoliikennettä ja ulkomaanliikennettä

•alueelliset yksityiset puhelinlaitokset operoivat omilla alueillaan paikallispuhelinliikennettä

•Asiakkaat alkoivat vaatia enemmän kilpailua, koska kilpailun puutteessa hinnat olivat kalliita ja verkkojen laatua ei kehitetty riittävän nopeasti.

•Ensimmäisenä vapautettiin dataliikenne 1988

•Puhelinten myynnissä oli Suomessa heti alusta lähtien vapaat kädet, myös esim.

alueelliset puhelinlaitokset myivät puhelimia NMT-verkkoon. Kaikissa maissa tämä ei ollut mahdollista vaan valtiolliset monopolit pidättivät usein myös oikeuden myydä puhelimia omiin verkkoihinsa.

(17)

Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1990-luku

• Tällä vuosikymmenellä maailmanlaajuinen mobiili

vallankumous käynnistyi todella. Suomi oli tässä kehityksessä edelläkävijä yhdessä muiden pohjoismaiden kanssa.

•Matkapuhelinliikenteen liberalisointi alkoi Suomessa vuonna 1991, jolloin Radiolinja sai luvan rakentaa ja operoida GSM-verkkoa. Radiolinja oli yksityisten puhelinlaitosten omistama.

•Suomalaisilla ja muilla pohjoismailla oli hyvät kokemukset NMT:stä, joten niiden pohjalta tehtiin aloite yleiseurooppalaisen matkapuhelinverkon kehittämiseksi (jo 1980-luvulla).

Verkko saatiin käyttöön 1991 Suomessa ensimmäisenä maailmassa. Ensimmäinen operaattori oli Radiolinja, toisena tuli Tele muutamaa kuukautta myöhemmin.

•Vallankumous oli nopea: tilaajamäärien kasvu oli erittäin nopeaa ja hyvin vaikeaa ennustaa. Verkkoja rakennettiin nopeasti ja peittoalueet olivat 90-luvun lopussa jo hyvin kattavat.

•Myös suomalaisella tietoliikenneteollisuudella oli vahva rooli mobiilien verkkojen ja palveluiden kehittämisessä. Nokia etunenässä suomalaiset yritykset ovat valloittaneet tärkeitä alueita sekä verkkotekniikassa että päätelaitteiden kehityksessä. Esim. Nokia on maailman suurin matkapuhelinten valmistaja.

•Vuonna 1997 ja 1999 suomalainen operaattori Sonera sai palkinnon maailman nopeimmin kasvavasta penetraatiosta.

•Vuonna 1999 matkapuhelintiheys Suomessa ylitti 50% ja samana vuonna myös matkapuhelinten määrä Suomessa ylitti kiinteiden liittymien määrän.

(18)

Verkkojen levinneisyys ja liittymämäärät

•GSM-verkko on levinnyt lähes koko maailmaan, käytössä on yli 500 verkkoa. Vapaa kilpailu on auttanut GSM:n leviämistä. Ennen GSM:ää lähes kaikki verkot olivat

valtiollisten teleoperaattoreiden monopoleja. Käyttäjiä oli vuoden 2004 alkupuolella jo yli miljardi.

•Amerikassa on omien TDMA- ja CDMA-standardien mukaisia järjestelmiä. Myös Japanissa on oma standardi (PDC).

•Monissa kehitysmaissa on matkapuhelinverkko käynnistynyt vaikka kiinteääkään puhelinverkkoa ei olla rakennettu kattavaksi. Matkapuhelinverkko onkin nopeampi rakentaa kuin kiinteä kaapeleihin perustuva verkko.

(19)

Nykytilanne Suomessa

• Kokonaistilaajamäärä

matkapuhelinverkoissa on n. 4,8 milj.

(5/2004). Penetraatio on n. 88% ja nousee hitaasti. Nuorten keskuudessa (15-24v) penetraatio on 98%!

• Suomessa on toiminnassa kolme itsenäistä GSM-verkkoa

• Toiminnassa on myös lisäksi

palveluoperaattoreita, jotka myyvät puheaikaa ja omia palveluitaan

•Suomessa toimii kolme GSM-verkkoa. Ne toimivat sekä 900 että 1800 MHz:n taajuusalueilla:

•TeliaSonera (51% tilaajista 12/2003)

•Radiolinja (28 %)

•DNA (16%)

•Lisäksi toimivat ainakin seuraavat palveluoperaattorit, jotka toimivat em. verkoissa:

•Saunalahti (3 %)

•ACN (2,5 %)

•Cubio, Globetel and PGFree aloittivat toimintansa 2003 (< 1 % tilaajista kullakin)

•Maailmanlaajuinen telealan taantuma on viime vuosina koskettanut myös Suomea. Kaikki laitevalmistajat, operaattorit ja monet muut yhtiöt ovat ilmoittaneet pienentyneistä tuloksista.

Yleinen epävarmuus on lisääntynyt tietoliikennealalla. Myös työvoimaa on vähennetty viime vuosina. Operaattorien välinen koventunut kilpailu on alentanut hintoja ja siten myös pienentänyt alan kannattavuutta.

•UMTS:n kaupallinen käynnistys on viivästynyt kuten muissakin Euroopan maissa. Suomessa on rakennettu kolme esikaupallista koeverkkoa, jotka ovat olevien GSM-operaattorien

operoimia. Niiden peittoalue rajoittuu 20 suurimpaan kaupunkiin. Kaupallista käynnistystä odotellaan vuodelle 2004.

•Myös suomalainen tietoliikenneteollisuus on kärsinyt 3G:n maailmanlaajuisesta

(20)

Matkapuhelin omassa käytössä marraskuussa 2001

sukupuolen ja iän (15 - 74 v.) mukaan (Suomi)

(21)

Palveluiden käyttö Suomessa

• Käytettyjen palveluiden (muut kuin puhelut) kokonaisarvo Suomessa oli vuonna 2003 226 milj. euroa.

• SMS:ien osuus kasvaa koko ajan.

MMS:ien käyttö lisää myös SMS:ien käyttöä.

• Jokainen suomalainen lähetti vuonna 2003 keskimäärin yhden SMS:n päivässä

•Käytetyimmät palvelut:

•hyötypalvelut: numerotiedustelu ja saldokyselyt

•viihdepalvelut: soittoäänet ja logot

•esim. suomalainen Idols-äänestys keräsi yhteensä yli 700 000 ääntä, mikä oli puhelinäänestysten tähänastinen ennätys

•Kamerapuhelinten osuus maailmanlaajuisesti oli 14% vuonna 2003 myydyistä puhelimista. Suomessa osuuden arvioidaan olevan hieman korkeampi. Kuvien lähetys verkossa ei vielä ole yleistynyt, ihmiset lähinnä ottavat kuvia ja näyttävät niitä toisilleen.

•Matkapuhelinnumeron siirrettävyys:

•Heinäkuussa 2003 tuli mahdolliseksi säilyttää vanha matkapuhelinliittymänumero operaattoria vaihdettaessa. Tämä aiheutti valtavaa liikehdintää tilaajien

keskuudessa:

•Huhtikuussa 2004 lähes 700 000 tilaajaa oli vaihtanut operaattoria

•Vanhimmat ja suurimmat eli TeliaSonera ja Radiolinja menettivät eniten asiakkaita

•Uusimmat ja pienimmät operaattorit hyötyivät eniten tilaajien vaihtohalukkuudesta

(22)

Matkapuhelinverkon osat ja niiden tehtävät

Matkapuhelin MS (Mobile Station)

• Matkapuhelin on verkon ainoa liikkuva osa

• On radioteitse yhteydessä verkon tukiasemaan

• Nykyaikaisissa verkoissa puhelin koostuu matkapuhelinlaitteesta ja SIM-kortista, joka sisältää tilaajaliittymän

•Puhelimella voi verkossa olla kolme tilaa: off-tila (virraton), idle-tila (valmiustila) ja call (puhelutila)

•Koko on kymmenessä vuodessa pienentynyt n. kymmenesosaan. Tämä johtuu

mikropiiritekniikan kehittymisestä ja myös akkujen kehityksestä. Puhelimen tekniikka on erittäin vaativaa.

•Puhelimen lähetin ja vastaanotin käyttävät samaa antennia

•NMT-järjestelmässä puhelimeen oli ohjelmoitu pysyvä tilaajanumero. GSM-puhelimen muodostavat päätelaite ja SIM-kortti, joka sisältää tilaajatiedot eli itse liittymä on SIM- kortissa. SIM-kortti on älykortti, joka sisältää matkapuhelintilaajan tilaajasuhteen. Se sisältää tilaajan tunnistetietoja sekä salausalgoritmit

Yhdistelmäpäätelaitteet:

•dual-band:

•multi-band:

•multi-mode: eri järjestelmiä yhdistetty samaan puhelimeen, esim. :

•muita yhdistelmiä: GSM+GPS, GSM+DECT, GSM+satelliittipuhelin, GSM+UMTS

(23)

Matkapuhelinkeskus MSC (Mobile Switching Center)

• Keskuksessa on verkon älykkyys ja se muodostaakin verkon ytimen

• MSC:n tekniikka perustuu kiinteän verkon keskustekniikkaan. Lisätoiminteita ovat liikkuvuuteen liittyvät toiminnot.

• Yhden MSC:n hoitama alue on keskusalue

• Matkapuhelu kulkee aina vähintään yhden keskuksen kautta

Matkapuhelinkeskuksen tehtäviä:

•Reitittää puhelut muihin matkapuhelinverkon keskuksiin ja muihin verkkoihin (esim. kiinteään puhelinverkkoon)

•Muodostaa, ylläpitää ja purkaa järjestelmän sisäiset puhelut

•Hallinnoi tilaajiin liittyvät tiedostot ja tilaajan liikkuvuuden hallinta (nämä voidaan hoitaa myös erillisillä keskuksen yhteydessä olevilla rekistereillä kuten GSM:ssä)

•Huolehtii laskutustietojen keräämisestä

•Huolehtii omaan toimintaansa liittyvästä tiedonkeruusta, esim. liikennemittaukset

(24)

Tukiasema BS (Base Station)

• Tukiasema sovittaa langattoman radiotien ja digitaalisen siirtotien toisiinsa. Tukiaseman kautta puhelin saa yhteyden keskukseen

• Tukiasemalla voi olla useita soluja

• Esim. GSM-verkossa on keskuksen ja tukiaseman välissä tukiasemaohjain, joka hoitaa kaiken

radioyhteyteen liittyvän hallinnoinnin silloin kun ei vaihdeta keskusaluetta puhelun aikana

• Kolmannen sukupolven verkoissa on huomattavasti enemmän erilaisia

verkkoelementtejä liittyen mm. pakettidatan

välitykseen yms. Verkon peruselementit keskus ja tukiasema löytyvät kyllä niistäkin.

•Tukiasemia on verkossa lukumääräisesti satoja tai tuhansia kappaleita.

Tukiasemaverkko on siis kustannuksiltaan verkon kallein osa.

•Yksittäinen tukiasema tarvitsee seuraavat osat:

•Maston tai muun vastaavan rakenteen

•Antennit ja antennikaapelit yms. siihen liittyvät osat

•Laitetilan (tontin, tien aidan yms.), sähköliittymän, varavoimalaitteet sekä siirtojärjestelmän keskukseen liittämistä varten

•Varsinaisen tukiasemalaitteiston

(25)

Radiorajapinta

• sijaitsee tukiaseman ja puhelimen välillä ja on avoin rajapinta

• nykyisissä verkoissa full-duplex eli täysin kaksisuuntainen

• radiorajapinnan yhteyden laatua valvotaan koko puhelun ajan.

– jos puhelun laatu heikkenee, tapahtuu solunvaihto (handover).

• valmiustilassa puhelin kuuntelee kutsukanavaa ja tunnistaa itselleen tulevat kutsut

tx rx

f duplex-väli

•Avoin rajapinta tarkoittaa erittäin tarkasti spesifioitua rajapintaa. Laitevalmistajille on jätetty tällaisessa tapauksessa hyvin vähän tulkinnanvaraa.

•Esim. GSM-verkossa kaikki verkon sisäiset rajapinnat eivät ole avoimia. Mitä tämä merkitsee matkapuhelinverkon tapauksessa?

(26)

• Pohjoismaissa aloitettiin yhteisen NMT-verkon suunnittelu 1971

• NMT on pohjoismainen järjestelmä, joka oli ennen GSM:ää maailman laajin yhtenäinen

matkapuhelinjärjestelmä.

Se on analoginen ja edustaa ns. ensimmäistä sukupolvea

NMT-verkko

•Vaikka NMT yleensä mainitaan analogisena verkkona, sen keskukset ja siirtotiet ovat digitaalisia, vain puheen siirto radiotiellä tapahtuu käyttäen analogista

taajuusmodulaatiota (FM). Radiotien signalointiin eli merkinantoon käytetään digitaalista FFSK-modulaatiota (”1” = 1200 Hz ja ”0” =1800 Hz).

•NMT450 käynnistyi 1982 ja siitä tuli niin suosittu, että se ruuhkautui nopeasti

•taajuusalue 450 MHz, 180 kanavaa

•lakkautettiin vuoden 2002 lopussa

•sopiva verkko harvaanasutuille seuduille

•NMT900-verkko rakennettiin ruuhkan purkamiseksi 1980-luvun lopulla

•tekniikka oli samanlaista kuin NMT450:n, muutamia parannuksia tehtiin (parempi äänen laatu, tilaajanumeron salaus, yms.)

•käyttänyt GSM:n kaistaa ja kaistaa kavennettiin matkan varrella

•lakkautettiin 2000, käytössä ollut taajuuskaista annettiin DNA:n GSM900-verkolle

(27)

NMT 450 -järjestelmän taajuuskaistan käyttö

•NMT:n tekniikka oli aikanaan edistyksellisintä. Siinä on monia toiminteita, jotka ovat lähes sellaisinaan tai vähän paranneltuina siirtyneet GSM-verkkoon ja edelleen UMTS- verkkoon. Näitä olivat mm. lähetystehon ja paristonsäästön ohjaus, puheen laadun valvonta ja NMT900-verkossa käytetty tilaajanumeron salaus. Puhetta ei NMT-verkossa oltu salattu mitenkään.

•NMT käyttää FDMA-tekniikkaa (Frequency Division Multiple Access), jossa taajuuskaista on jaettu kapeisiin 25 kHz kanaviin. Kutakin kanavaa käyttää yksi käyttäjä kerrallaan.

•Keskus tietää valmiustilassa olevan puhelimen sijainnin liikennealueen tarkkuudella.

Liikennealue muodostuu soluista. Puhelukutsu lähetetään liikennealueen kaikkien solujen kautta. Yhdessä NMT-solussa on ainakin yksi kutsukanava, jota puhelimet kuuntelevat.

Puhelun alussa puhelin siirtyy kutsukanavalta puhekanavalle

(28)

• GSM = Global System for Mobile Communications

• GSM:n kehitystyö tähtäsi yhteiseurooppalaisen verkon rakentamiseen, mutta se levisi kaikkiin muihinkin maanosiin

• GSM on täysin digitaalinen verkko

• käynnistyi 1990-luvun alkupuolella ja toimi aluksi 900 MHz:n alueella

• 1998 otettiin käyttöön GSM:n laajennus 1800 MHz:n alueella (USA:ssa aluksi 1900 MHz ja v. 2002 käyttöön tullut 850 MHz)

GSM-verkko

•Teknisesti standardi havaittiin hyväksi ja kehityskelpoiseksi. Tämä vaikutti

menestykseen. Toinen tekijä oli alusta lähtien mahdollisuus kansainväliseen roamingiin eli verkkovierailuun. Mitä laajemmalla verkko levisi, sitä laajempi käyttöalue oli tilaajalla.

•Yksi suuri tekijä standardin menestykselle on avoimen kilpailun periaate. GSM:ssä otettiin kilpailun mahdollistavat näkökohdat huomioon heti alusta lähtien. Kun GSM:ää lähdettiin kehittämään, oli useissa Euroopan maissa valtiollisen monopolin hoitama, usein kansallisia standardeja noudattava verkko. Tämä oli havaittu huonoksi järjestelyksi.

•Suurin osa GSM:n spesifiointityöstä on tehty ETSI:ssä (European Standardisation Institute) vuosina 1989-2000

•Nykyään kaikki GM:n spesifikaatiot tehdään 3GPP:ssä, joka käsittelee GSM:ää yhtenä UMTS-verkon radiopääsyrajapintana

(29)

Verkkoarkkitehtuuri koostuu

osajärjestelmistä

(30)

• BSS sisältää kolme erilaista verkkoelementtiä ja sen päätehtävänä on radioverkon ohjaus

•BTS = tukiasema

•kaksisuuntainen radioyhteys päätelaitteiden kanssa

•yksi tai useampia TRX:iä (lähetin-vastaanotinlaitteisto) sisältää kahdeksan radiokanavaa

•sisältää myös tehojakajan (kombainer), salauslaitteiston sekä antennit

•BSC = tukiasemaohjain

•päätehtävänä huolehtia oman alueensa radioresurssien hallinnasta (esim.

kanavien allokoinnit ja kanavanvaihdot) sekä radiorajapinnan parametrien hallinnasta (esim. tehonsäätö)

•TC = transkooderi

•muuntaa GSM-signaalin PCM-muotoon (16kbit/s => 64 kbit/s)

(31)

• keskustoiminnot (NSS) on jaettu kahdelle (tai useammalle) verkkoelementille

•MSC/VLR

•MSC:n tärkeimpänä tehtävänä on kytkeä verkkoon tulevat puhelut oikealle BSS:lle tukiasemaohjaimen ja ja tukiaseman kautta sekä BSS:ltä tulevat puhelut muihin verkkoihin

•jokainen puhelu kulkee keskuksen kautta (vaikka puhelimet olisivat samassa tukiasemasolussakin)

•IWF (Interworking funcion) hoitaa datayhteyksien sovittamisen MSC:n ja ulkoisten verkkojen välillä

•VLR (vierailijarekisteri) sisältää tiedot kaikista verkkoon rekisteröityneistä vierailevista tilaajista

•HLR/AC/EIR

•HLR (kotirekisteri) sisältää perustiedot (esim. tilaajanumerot ja sallitut palvelut) verkon omista tilaajista sekä omien tilaajien sijaintitiedon

•AC (tunnistuskeskus) sisältää tilaajan tunnistukseen, käyttöoikeuksien tarkastamiseen ja tiedon suojaukseen liittyvät parametrit

•EIR (laitetunnusrekisteri) sisältää laitetunnukset (IMEI-koodit)

•valkoinen lista (hyväksytyt ja luvalliset)

•harmaa lista (seurannassa olevat, esim. väliaikaisen tyyppihyväksynnän

(32)

Puhelun reititysesimerkki matkapuhelimeen GSM-verkossa

(33)

GSM-järjestelmän numerot ja tunnukset

•GSM-järjestelmässä on paljon erilaisia numeroita ja tunnuksia, mutta käyttäjälle näkyviä on hyvin vähän.

•Muutamia yleisimpiä

•IMSI = kansainvälinen tilaajatunnus

•IMEI = kansainvälinen laitetunnus

•PIN = SIM:n tunnusluku

•PUK = SIM:n purkukoodi (jos SIM on mennyt lukkoon)

(34)

• radiorajapinnassa käytetään FDMA:n (taajuusjakomonikäyttö) ja TDMA:n (aikajakomonikäyttö) yhdistelmää

– 200 kHz kanava jaettu 8 aikaväliin

– uplink- ja downlink-suuntiin käytetään eri taajuuksia

(35)

• Radiorajapinnassa käytetyn aikajakoisesti kanavoidun lähetteen jakautuminen

aikaväleihin

•Aikavälejä käytetään monella tapaa

•yleensä 7 aikaväliä/TRX puheen- tai datansiirtoon

•0...2 aikaväliä/TRX merkinantoon

•TRX = tukiaseman lähetin/vastaanotinpari

•Kantoaallon modulointiin käytetään GMSK-menetelmää (eräs FSK-modulaation alalaji)

(36)

•GSM-järjestelmän palvelut jaetaan verkkopalveluihin (Bearer Services) ja telepalveluihin (Tele Services). Näitä kutsutaan peruspalveluiksi .

•Lisäksi on määritelty suuri joukko spesifioituja lisäpalveluita (Supplementary Services).

•On myös kehitetty koko ajan kasvava määrä ns. lisäarvo- palveluita (VAS, Value Added Services), joita ei ole virallisissa spekseissä mainittu. Yleensä ne ovat operaattorin tai erillisten palveluntuottajien itse kehittämiä.

•Nykyään yhä suurempi osa verkon tuotoista tulee erilaisista lisä- ja lisäarvopalveluista. Kolmannen sukupolven verkoissa tämä kehitys kiihtyy edelleen.

GSM-järjestelmän palvelut

Esimerkkejä eri palveluista:

Verkkopalvelut: (Verkkopalveluita käytetään datansiirron yhteydessä.):

•yleinen synkroninen verkkopalvelu (sisältää HSCSD:n)

•asynkroninen (300 b/s –9600 b/s)

•yleinen synkroninen verkkopalvelu GBS (General Bearer Service)

•yleinen synkroninen pakettipääsy GBS (sisältää GPRS:n)

•synkroninen pakettipääsy (2400 b/s – 9600 b/s) Telepalvelut

•puhe

•puhe, hätäpuhelu

•lyhytsanomapalvelu (SMS, Short Message Service)

•Multimedia Messaging Service (MMS eli multimediasanoma) Lisäpalvelut

•puhelun hinnan näyttö

•erilaiset estot: kaikkien tulevien, kaikkien lähtevien puheluiden yms. estot

•puheluiden ennakkosiirrot eri tapauksissa: puhelin varattu, ei vastaa, ei kuuluvuusalueella yms.

•puhelinnumeron näyttö kutsutulle puhelimelle ja sen esto

Lisäarvopalvelut (Lisäarvopalvelut käyttävät tele-, verkkoja lisäpalveluita alustanaan. Näitä palveluita kehitetään nykyisin eniten lyhytsanomapalvelun ja GPRS:n päälle):

•pankkipalvelut

(37)

GSM-verkon datapalvelut

Datapalveluiden kehityspolku:

•Piirikytkentäinen hidas data, max. 9,6 kbit/s

•HSCSD: piirikytkentäinen nopea data, kevennetty kanavakoodaus ja multislot, max. 57,6 kbit/s

•GPRS: pakettikytkentäinen, max. n. 170 kbit/s

•EDGE: modulaatiotavan muutos, max. 384 kbit/s (=> EGPRS ja EHSCSD)

•UMTS: max. 2 Mbit/s

•WAP mahdollistaa Internetia muistuttavien palveluiden käytön (rakentuu datapalveluiden päälle)

(38)

•Pakettikytkentäinen datapalvelu, tarkoitettu erityisesti purskeisen datan siirtoon.

Ulkopuolisille verkoille GPRS-verkko näyttää tavanomaiselta

pakettiverkolta GPRS = General Packet Radio service

•GPRS:n lisääminen GSM-verkkoon vaatii useita uusia

verkkoelementtejä ja suuria muutoksia entisiin verkkoelement- teihin. Lisäksi tarvitaan IP-pohjainen runkoverkko.

•Radiorajapinnan resurssit jaetaan usean eri käyttäjän kesken tarpeen mukaan. Vapaita aikavälejä käytetään nopean purskeen siirtoon ja aikavälit vapautetaan heti kun

siirtotapahtuma on ohi. Aikavälejä voidaan ottaa hetkellisesti käyttöön jopa 8 kpl. Näin saavutettava teoreettinen maksimisiirtonopeus on n. 170 kbit/s. Maksimisiirtonopeus vaatii myös hyvän radioyhteyden.

•Operaattorin on mahdollista laskuttaa välitetyn datan perusteella (eikä yhteysajan pituuden mukaan). Liikennöinti tapahtuu IP-protokollan mukaisesti. Yhteys verkkoon on periaatteessa aina auki ja paketit siirtyvät nopeasti

•GPRS-arkkitehtuuri (kuva )

•operointisolmu SGSN toimii samalla hierarkiatasolla kuin MSC

•yhdyskäytäväsolmu GGSN mahdollistaa datan siirron ulkopuolisten dataverkkojen ja GPRS-verkon välillä

•GPRS-rekisteri GR sisältää GPRS-tilaajan tilaaja- ja reititystiedot (käytännössä yhdistetty HLR:ään)

•GPRS-runkoverkko (Backbone) on IP-pohjainen

•paketinohjausyksikkö PCU sijaitsee BSC:n yhteydessä

•GPRS:n avulla toteutetaan hyvin monenlaisia palveluita, joista yksi esim. on Push To Talk (PoC), joka tarkoittaa radiopuhelintyyppistä palvelua VoIP-muotoisena GPRS:n avulla.

(39)

Matkapuhelinverkkojen evoluutio (2g => 3g)

EDGE: Enhanced Data Rates for Global Evolution

•Käytetään usein termiä 2,75G eli on viimeinen väliporras matkalla kolmanteen sukupolveen

•Voi toimia myös korvikkeena 3G:lle, koska EDGE:llä voidaan tarjota suurempia datanopeuksia kun pelkällä GPRS:llä

(40)

UMTS-verkko

UMTS = Universal Mobile Telecommunications System)

•UMTS-verkko on kolmannen sukupolven verkko eli

laajakaistainen,

multimediapalveluiden välitykseen suunniteltu monipalveluverkko.

•Kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoja on syntymässä usean eri standardin pohjalle. UMTS-standardi on näistä tärkein ja se perustuu eurooppalaislähtöisen GSM- verkon hyödyntämiseen.

•UMTS:n standardointi tehdään 3GPP (3G Partnership Project) –nimisessä standardointielinten yhteenlittymässä.

•Vaatimuksena kolmannen sukupolven järjestelmälle on se, että järjestelmän täytyy antaa selvästi lisäarvoa kun sitä verrataan GSM-järjestelmään tai muihin 2G-järjestelmiin kaikissa suhteissa. Alussa vaaditaan myös yhteensopivuutta

•Nämä vaatimukset ovat niin raskaita, että ne voidaan toteuttaa vain

moniympäristöjärjestelmällä (kts. kuva). Erityyppisiä palveluita tarjotaan erilaisilla osajärjestelmillä ympäristöstä riippuen.

•Todennäköisesti verkko tullaan toteuttamaan seuraavasti:

•samanlainen radiorajapinta on saatavilla kaikkialla maailmassa

•myös muita teknologioita tuetaan paikallisesti eli käytössä tulee olemaan puhelimia, jotka pystyvät toimimaan useissa eri teknologioissa

(41)

Evoluutio GSM:stä UMTS:iin

UMTS:in 1. vaihe eli R99: uusi radioverkko

•3GPP päätyi julkaisemaan standardeja vuosittaisella periaatteella. Ensimmäinen versio sai nimekseen Release 99 (3GPP 99). Se perustuu vielä pääosin GSM-verkkoon. UMTS- verkon radiorajapinta on WCDMA-tekniikan mukainen. Tämän vuoksi joudutaan

rakentamaan uusi radioverkko UTRAN. Uudet elementit ovat RNC ja BTS.

•Yhteensopivuutta GSM:n ja UMTS:N välillä tarvitaan. Tämä tarkoittaa sitä, että handover verkon sisällä järjestelmästä toiseen onnistuu. Verkon täytyy pystyä välittämään tietoa toisen puolen tilasta puhelun aikana.

•Piirikytkentäiset elementit kehittyvät myös. GSM:n MSC:tä voidaan käyttää, mutta siihen joudutaan tekemään muutoksia ja lisäyksiä. Myös GPRS-verkon solmuihin tulee suuria muutoksia.

(42)

UMTS:n tavoiteverkkoarkkitehtuuri

•Seuraava versio oli Release 00, joka jaettiin kahteen osaan: Release 4 ja Release 5.

Release 5 sisältää jo All IP-pohjaisen verkon eli runkoverkko toimii IP-protokollan mukaan. Myös Release 6 on jo julkaistu.

•Kun siirrytään kokonaan IP-pohjaiseen liikenteeseen, perinteisiä piirikytkentäisiä verkkoelementtejä ei enää tarvita. GSM-radiorajapinta on edelleen mukana (GERAN).

•Verkon tässä vaiheessa palvelut ovat tärkein peruste radiorajapinnan valinnalle.

Radiorajapinnalta toivotaan riittävää kaistanleveyttä käytettäville palveluille.

(43)

UMTS:n radiorajapinta

•UMTS-järjestelmän radioverkko koostuu kahdesta

komponentista: FDD ja TDD. FDD toteutetaan ensin ja se sisältää 5 MHz:n levyisiä kaistoja, joita käytetään WCDMA- tekniikan avulla

•Käyttäjän lähete saadaan selvitettyä muiden lähetteiden joukosta oman koodin avulla.

•WCDMA:ssa käytetään DS-CDMA-tekniikkaa (Direct Sequence Code Division Multiple Access): käyttäjän informaatiobitit levitetään laajalle kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal).

•Suuria bittinopeuksia tuetaan käyttämällä muuttuvaa levityskerrointa ja useaa koodia/yhteys. Vierekkäisissä soluissa voidaan käyttää samaa taajuutta.

•Radiotiellä oleva häiriö (kts. kuva) levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi.

•RAKE (=harava) -vastaanotin pystyy tunnistamaan viivästyneet signaalikomponentit ja summaamaan ne yhteen.

(44)

UMTS:n palvelut

•UMTS on nimenomaan palveluverkko: sen menestys tulee riippumaan siitä, millaisia palveluita sen avulla tarjotaan.

Sisällöntuottajakerros Palveluntuottajakerros Verkkoelementtikerros Fyysinen siirtokerros

Verkonhallinta Turvallisuustoiminteet

UMTS:n palvelumalli

•2G-verkoissa tuli ensimmäisen kerran esille palveluntuottajan rooli: kaupallisia palveluita verkossa tuotti joku muu osapuoli kuin verkko-operaattori.

•Palveluiden kerrosmalli UMTS:ssä mahdollistaa erilaisten toimijoiden eriyttämisen. Myös kustannukset ja tulot jakautuvat eri kerroksissa eri tavoin. Mitä alemmalla kerroksella toimitaan, sitä suurempi osa kustannuksista koostuu laitteista.

•Palveluketjussa voi olla myös sama toimija usealla portaalla: esim. palveluntuottaja voi tuottaa myös sisällön ja verkko-operaattorit voivat kehittää palveluita.

(45)

Hot spotit, kaupunkien keskustat,

kävelynopeus, sisätilapeitto 2 Mb/s (huippu)

2 Mb/s

Kaupunki, liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto 384 kb/s (huippu)

384 kb/s

Peruspeitto, maaseutu/lähiö, nopeasti liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto 144 kb/s (huippu)

144 kb/s

Peittoaluetyyppi Pakettikytkentäinen

bittinopeus Piirikytkentäinen

bittinopeus

Bittinopeudet

•Huom. UMTS:n peruspeittona tarjoama 384 kbit/s voidaan tarjota myös EDGE:n avulla!

•UMTS sallii tilaajan tai sovelluksen neuvotella verkkopalvelulle ominaisuudet, jotka parhaiten soveltuvat ko. yhteyden käyttöön. Niitä voidaan myös vaihtaa yhteyden aikana.

Verkkopalvelun ominaisuudet vaikuttavat suoraan hintaan, joka yhteydestä maksetaan.

Ominaisuuksia ovat mm. bittinopeus, viiveet ja niiden vaihtelu, luotettavuus eli virheiden määrä yms.

•Paikannuspalveluihin perustuvista palveluista on ennustettu tulevan todennäköinen Killer Applicationeli suosituin, massoihin vetoava palvelumuoto. Näissä palveluissa on tärkeää nopea datan lajittelu ja valintamahdollisuus. Dataa tarjotaan sijainnin perusteella.

(46)

UMTS:n päätelaitteet

•UMTS-päätelaitteita ei ole speksattu kovinkaan tarkkaan.

Laitevalmistajille on jätetty vapaat kädet toteuttaa uusia ideoita.

Vain tietyt perustoiminteet täytyy löytyä kaikista puhelimista.

•Päätelaitteiden kirjo tulee kasvamaan valtavasti. Erilaistuminen jatkuu kohti eri palveluiden käyttöä varten räätälöityjä

päätelaitteita.

•Alkuvaiheessa on tärkeää yhteensopivuus GSM-radiorajapinnan kanssa.

•Yksi pääpiirteistä päätelaitteissa on se, miten se käyttää PS- ja CS-domaineja (paketti- ja piirikytkentäisiä verkon osia). Päätelaite voi toimia kolmessa eri toimintamoodissa:

PS/CS, PS ja CS. Päätelaitteet voidaan luokitella myös sen mukaan, miten ne kykenevät käyttämään eri verkkoteknologioita (UMTS ja GSM)

•Tilaajasuhde sisältyy USIM-moduliin. Fyysinen sijaintipaikka on UICC-kortti.

•Jotta palveluita voidaan käyttää erilaisilla terminaaleilla, on määritelty seuraavat toiminnot pakollisiksi: accept, select, send, indication ja end. Toimintojen syöttö voidaan päätelaitteessa toteuttaa eri tavoin, esim. näppäimistöllä, puheohjauksella,

kosketusnäytöllä yms.

(47)

•Autonet

•Mobitex

•Meriradiopalvelut

•Hakuverkot

•VIRVE

Muita matkaviestinverkkoja

•Autonet:

•toimi trunking-tekniikalla, mikä tarkoittaa automaattisesti tapahtuvaa radiokanavien kapasiteetin jakoa monien käyttäjien kesken. Noudattaa englantilaista MPT 1327 –standardia. Toimii 440 MHz:n

taajuusalueella. Suunniteltu etupäässä puheensiirtoon, vain toissijaisesti datansiirtoon.

•Mobitex

•Soneran operoima, 150 MHz:n taajuudella toimiva, ensisijaisesti datansiirtoon suunniteltu verkko.

Otettiin käyttöön 1987

•Meriradiopalvelut

•Viestintää laivoille, käytössä monia eri järjestelmiä. Uusinta tekniikka edustaa INMARSAT-järjestelmä, joka välittää maa-asemien ja laivojen välistä puhelin-, telex, telefax- ja dataliikennettä satelliittiteitse.

Järjestelmä kattaa kaikki valtameret.

•Hakuverkot

•Soneran KAUHA (150MHz) koko maan kattava järjestelmä 1985, lakkautettiin vuoden 2001 lopussa.

Yhteiseurooppalainen ERMES käynnistyi 1992 (169 MHz).

•Matkapuhelimien yleistyessä käyttö jäänyt vähäiseksi, tilaajamäärä oli lopussa muutamia kymmeniätuhansia.

•Viranomaisverkot

•Yleiset televerkot tai tavalliset erillisradioverkot eivät sovellu viranomaiskäyttöön, koska ne on yleensä suunniteltu kahden pisteen välisiä yhteyksiä varten.

•Suomalainen VIRVE perustuu TETRA-standardiin, joka toimii trunking-periaatteella. Käyttäjät näkevät verkon virtuaalisena erillisverkkona, joka tarpeen tullen voidaan ottaa kaikkien yhteiskäyttöön. Verkko on digitaalinen ja soveltuu myös datansiirtoon.

(48)

• Matkapuhelinverkkojen päätelaitteiden irrallisen luonteen vuoksi niihin kohdistuu enemmän turvallisuusuhkia ja – vaatimuksia kuin kiinteisiin päätelaitteisiin

• Radiosäteilyä lähettävään laitteeseen voi aina liittyä myös häiriö- ja säteilyturvallisuusongelmia

• Matkapuhelimen fyysinen varastaminen on helpompaa kuin langallisen puhelimen

• Autossa ajonaikainen käyttö on myös todettu turvallisuusriskiksi

Verkkojen turvallisuuskysymyksiä

•Säteilyturvallisuus ja terveysriskit:

•Tutkittu laajalti, ei näyttöä riskeistä. Toisaalta hyvin pitkäkestoisen käytön vaikutuksia ei olla vielä pystytty tutkimaan riittävästi

•Radiosäteily on ionisoimatonta säteilyä, joka ei aiheuta muutoksia kudoksiin

•Sallitulle säteilymäärälle on asetettu rajat

•Häiriöt:

•Matkapuhelin itse aiheuttaa häiriötä huonosti suojattuihin elektronisiin laitteisiin, esim. televisioon, radioon, lankapuhelimeen yms. Myös lähellä sijaitseva tukiasema voi häiritä muita laitteita.

•Sairaaloissa on usein kielletty matkapuhelimen käyttö em. häiriöiden vuoksi.

•Häiriötä aiheuttaa varsinkin GSM-lähetteen purskeinen muoto.

•Matkapuhelinten käyttö julkisilla paikoilla aiheuttaa salakuunteluriskin, jota käyttäjä voi itse kontrolloida

•Ajonaikainen käyttö ilman hands free –varustusta kielletty Suomessa 1.1.2003 alkaen

(49)

Matkapuhelinjärjestelmiin kehitetyt turvallisuustoiminteet

• SIM-kortin PIN-kysely

• Tilaajan tunnistus (autentikointi)

• Radiotien salaus

• Varastetun laitteen sulkeminen verkosta

• UMTS-verkossa myös tilaaja tunnistaa verkon. UMTS:iin on lisätty myös muita turvallisuustoiminteita GSM:ään verrattuna.

•SIM-kortin PIN-kysely:

•Kun puhelimessa on kortin PIN-kysely päällä, vain salasanan tietämällä voi käyttää puhelinta

•Tilaajan tunnistus (autentikointi, kuvassa):

•Ennen jokaisen puhelun tai muun palvelun aloitusta tehdään tilaajan

tunnistusproseduuri, jossa verkko kommunikoi SIM-kortin kanssa ja varmistaa, että tilaaja on se, joksi esittäytyy

•Radiotien salaus:

•Salakuuntelun estämiseksi kaikki radiotiellä tapahtuva liikenne (puhe, data ja signalointi) on salattu tehokkaiden salausalgoritmien avulla. Vanhempia verkkoja (esim. NMT:tä) sen sijaan pystyttiin helposti salakuuntelemaan

•Varastetun laitteen sulkeminen verkosta:

•Esim. GSM-verkossa on laiterekisteri (EIR), jonne ilmoittamalla voidaan varastettu puhelin sulkea pois käytöstä. Tällöin varas ei voi soittaa puhelimella edes omalla SIM:llään.

•UMTS:

(50)

Verkkojen tulevaisuudennäkymiä

•On arvioitu, että UMTS:n todellinen läpimurto ei tapahdu vielä parin lähivuoden aikana

•UMTS tulee käynnistymään vähitellen, GSM:n lisäominaisuutena

•GSM tullee säilymään perusverkkona vielä pitkään. EDGE:n avulla toteutetaan monia palveluita lähes yhtä hyvin kuin UMTS:llä

•Matkapuhelinten ja WLAN:in integrointi saattaa tulla hyvin suosituksi

•4G tulossa mahdollisesti vuoden 2010 jälkeen

•UMTS:n kaupallinen käynnistys laajemmassa mittakaavassa tapahtunee vuoden 2004 aikana. UMTS:n käynnistäminen GSM:n sivutuotteena on helppoa oleville GSM- operaattoreille, sen sijaan uusilla operattoreilla on vaikeampaa rakentaa verkkoa nopeasti. Suomen kokoisessa maassa on epätodennäköistä rakentaa koko maa UMTS- peittoalueeksi, koska UMTS:n korkea taajuus mahdollistaa vain pienet peittoalueet.

Tämän vuoksi arvioidaan, että GSM säilyy pitkään peruspeittoa tuottavana verkkona.

•Huhtikuussa 2004 Suomen viranomaiset antoivat operaattoreille luvan rakentaa verkkoja yhteistyössä, mikä on taloudellisesti järkevää

•EDGE antaa mahdollisuuden lähes yhtä suuriin datanopeuksiin (384 Mbit/s) kuin UMTS, mikä helpottaa nopeiden datapalveluiden kehittämistä ilman UMTS:iakin. Näin palveluita voidaan tarjota myös GSM-verkon laajemmalla peittoalueella.

•Tietoliikenneteollisuudella on suuri kiusaus siirtää tuotantoa halvempiin maihin, ja näin onkin jo tapahtunut. Todennäköisesti Suomeen kuitenkin jäävät tuotekehitys- , tutkimus- ja vaativat tuotannonsuunnittelutehtävät. Myös uusien palveluiden kehitys tarjoaa uusia mielenkiintoisia työpaikkoja.

•4G:n on tarkoitus integroida olemassolevat verkot yhteen ja tarjota lisäksi hyvin korkeita datansiirtonopeuksia, jopa 100 Mbit/s.

(51)

Killer application:

•Paikannukseen perustuvista palveluista on ennustettu tulevaisuuden suurta massojen suosion saavuttavaa sovellusta eli Killer Applicationia

•Pelkkä paikannus ei riitä, vaan siihen täytyy liittää paikkaan perustuvan tiedon nopeaa käsittelyä

•Uusia palveluita:

•korkealaatuiset kuvat

•matalalaatuinen videokuva

•matkapuhelimen avulla kauko-ohjatut laitteet

•mobiili kauppa, korvaa luottokortit

•laitteiden välinen kommunikaatio (M2M, machine to machine)

(52)

2. Radio- ja TV-tekniikka

•Radio- ja televisiotekniikkaa käytetään joukkoviestintään.

Tällöin välitettävä informaatio saavuttaa suuren joukon vastaanottajia

•Informaatio on yleensä yksisuuntaista, tosin nykyään kaapelitelevisioverkossa on mahdollisuus myös

kaksisuuntaiseen tiedonsiirtoon

(53)

Lähetysten vastaanotto

Yleisradioasemien välityksellä

(terrestriaali)

Kaapelitelevisioverkon välityksellä

Televisiosatelliitin välityksellä

•Yleisradioasemien välityksellä:

•valtakunnalliset ohjelmat siirretään studioista tai ulkolähetysyksiköistä radiolinkkiketjujen välityksellä maan eri puolilla oleviin yleisradiolähettimiin

•Suomessa noin 500 ULA- ja noin 80 TV-lähetysasemaa

•ULA-lähettimien tehot vaihtelevat muutamasta kW:sta 50 kW:in

•TV-lähettimien tehot 0,25...1000 kW ja mastojen korkeudet 72...325 m

•Lähetysten vastaanotto tapahtuu joko vastaanotinkohtaisten antennien tai yhteisantennijärjestelmien avulla

•Yhteisantennijärjestelmä => SYJ => kaapeliverkko

•Kaapelitelevisioverkon välityksellä:

•Kaapelitelevisioverkko on yleensä puhelinyhtiön tai jonkun muun yrityksen rakentama ja ylläpitämä

•Verkossa välitetyt ohjelmat koostuvat yleensä yleisradioverkon avulla vastaanotetuista, satelliittitelevision avulla vastaanotetuista ja lisäksi paikallisradio- ja tv-ohjelmista

•Kaapelitelevision etuina ovat parempi kuvan laatu ja monipuolinen ohjelmatarjonta

•Televisiosatelliitin välityksellä:

•Satelliitit välittävät ohjelmia maa-asemilta avaruuden kautta yksittäisiin vastaanottimiin tai

(54)

Yleisradioverkkojen taajuuskaistat

•Matalia taajuusalueita (LF, MF ja HF) ei juurikaan enää käytetä yleisradiotarkoituksiin.

Näillä taajuusalueilla voidaan lähinnä lähettää hyvin pitkiin yhteyksiin tarvittavia signaaleja

•ULA = ultralyhyet aallot

(55)

30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 55 KAAPELIKANAVA KARTTA

Analogiset Peruskanavat

EurosportVHF 1-alue kanava 2, 48,25 MHz NelonenVHF III-alue kanava 5, 175,25 MHz Suomen TV 2VHF III-alue kanava 6, 182,25 MHz MTV3VHF III-alue kanava 8, 196,25 MHz Suomen TV1VHF III-alue kanava 10, 210,25 MHz UrheilukanavaVHF III-alue kanava 12, 224,25 MHz BBC worldS-alue kanava S 4, 126,25 MHz SubTVS-alue kanava S 5, 133,25 MHz OuluTVS-alue kanava S 11, 231,25 MHz Deutsche WelleS-alue kanava S 12, 238,25 MHz Ruotsin TV 2S-alue kanava S 13, 245,25 MHz TV 5S-alue kanava S 14, 252,25 MHz MTV-europeS-alue kanava S 15, 259,25 MHz EuronewsS-alue kanava S 16, 266,25 MHz

Radiotaajuudet

Oulun alueen ruots. ULA87,6 MHz Suomi POP88,6 MHz

Yle Radio 189,1 MHz Radio Pooki89,9 MHz Yle Radio Suomi92,8 MHz Radio Dei94,1

YleX94,5 MHz Kiss-FM95,1 MHz Iskelmä Oulu95,5 Radio Mega95,9 MHz Ruotsin ULA 396,4 MHz NRJ Oulu96,9

Sävelradio97,8 MHz Radio NOVA98,3 MHz Classic-FM98,8 MHz Ruotsin ULA 199,3 MHz Ruotsin ULA 2100,7 MHz Suomen Urheilukanava101,2 MHz

Esimerkki kaapelitelevisioverkon kanavajaosta (Oulutv)

•Kaapeli-TV –verkkoa varten on otettu käyttöön ns. S-kaista (105,25...463,25 MHz), jolle mahtuu 41 kanavaa

•Satelliittilähetyksille on myös varattu maailmanlaajuisesti omat kaistansa. Katso esim.

www.ficora.fi

(56)

• Yleensä analogisissa radiolähetteissä käytetään FM-moduloitua signaalia

• Ao. kuvassa näkyy radiovastaanottimen lohkokaavio

Analoginen radiotekniikka

•FM-moduloitu ULA-lähete:

•vastaanotettu kantoaalto muutetaan ensin välitaajuudelle (IF=10,7 MHz)

•etuna parempi taajuusselektiivisyys ja yksinkertaisempi rakenne vastaanottimen loppuosassa

(57)

Stereolähetyksen muodostus

•stereolähete:

•äänitetään kaksi erillistä äänisignaalia (L ja R)

•lähetin muodostaa summa- ja erotussignaalit (M- ja S-signaalit)

•M (L+R) lähetetään kanavalla normaaliin tapaan (kaista 40 Hz...15 kHz)

•S (L-R) amplitudimoduloidaan (DSB) 38 kHz apukantoaaltoon => siirtyy kuuloalueen yläpuolelle (23...53 kHz)

•lähetteessä lisäksi 19 kHz pilotti, jota tarvitaan vastaanottimessa S-signaalin ilmaisuun

•kokonaissignaali (M, S ja pilotti) taajuusmoduloidaan lähettimen kantoaaltoon

•stereolähetykset vaativat 300 kHz kaistan (monolle riittää 150 kHz)

(58)

• RDS on järjestelmä, jolla ohjataan RDS-toiminnolla varustetun radion toimintaa kuuntelijan haluamalla tavalla

• Radiosignaaliin liitetään digitaalinen lisäinformaatio, jonka RDS- vastaanotin kykenee purkamaan

• RDS helpottaa ohjelmien kuuntelua. Kuuntelija voi mm. valita ohjelmatyypin jota haluaa seurata ja saada lisäinformaatiota ohjelmista.

• RDS-signaalia vastaanottavat radiot kehittyvät koko ajan ja uusia palveluita lisätään RDS-järjestelmään

• RDS:n kehityksestä vastaa nykyään pääasiassa RDS Forum RDS (Radio Data System)

•Lähetettävä informaatio voi sisältää seuraavia elementtejä:

•palvelun nimen

•ohjelman tunnuksen

•ohjelman tyypin

•muut rinnakkaiset taajuudet

•kellonajan ja päivämäärän

•esimerkiksi liikenneilmoituksia tai mainoksia

(59)

DAB (Digital Audio Broadcasting)

Digitaalinen radiotekniikka

Etuja:

• äänenlaatu verrannollinen CD:hen (> 90 dB:n

dynamiikka).

• olennaisesti tehokkaampi taajuuksien käyttö

• tunteeton

monitievastaanotolle

• pienempi lähetysteho

• joustava äänen, (still-) kuvan ja datan siirto

•etuja:

•äänenlaatu verrannollinen CD:hen (> 90 dB:n dynamiikka).

•olennaisesti tehokkaampi taajuuksien käyttö : DAB-radiokanavassa voidaan lähettää jopa seitsemän digitaalista ohjelmaa. Kanavien määrä riippuu halutusta äänen laadusta

•tunteeton monitievastaanotolle (mm. heijastumille), josta seuraa mm. korkea taajuusalueiden hyväksikäyttö, samaa taajuutta voidaan käyttää yli maan jolloin mobiilivastaanotto paranee

•pienempi lähetysteho ULA FM:ään verrattuna (alle 1 kW lähetystehoilla on menestyksekkäästi voitu siirtää 6 HiFi stereokanavaa)

•joustava äänen, (still-) kuvan ja datan siirto erillisinä oheispalveluina samassa lähetteessä

•Äänen koodaus

•DAB tavoitteena oli saavuttaa CD tasoinen ääni vastaten vastaten 16 bittistä S/N suhdetta (96 dB) ja 44.1 knäytettä/s kummallakin kanavalla

•MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing) koodausta, mikä sisältää bittinopeudet 32 kbit/s...384 kbit/s. DAB mahdollistaa nopeuksien muuttamisen dynaamisesti.

•kiinteä 48 knäytettä/s olevaa näytteenottoa. Uusimmat versiot em. ISO/IEC

(60)

DAB –vastaanottimen lohkokaavio

•DAB-taajuuksien käytöstä on sovittava kansainvälisesti, koska radioaallot ja siten myös radiohäiriöt ylittävät valtiolliset rajat vaivatta. Suomelle on tähän mennessä sovittu DAB- taajuuksia siten, että koko maassa on otettavissa käyttöön yksi valtakunnalliseen jakeluun ja yksi alueelliseen jakeluun tarkoitettu DAB-radiokanava, joissa siis kummassakin voidaan lähettää useita eri ohjelmia. Lisäksi pääkaupunkiseudulla on käytettävissä yksi alueellinen DAB-kanava.

•Käytetyt taajuudet sijoittuvat TV-kanaville 5 – 12 (174 – 230 MHz), lisäksi paikoin on käytettävissä noiden taajuuksien yläpuolella oleva alue 230 – 240 MHz.

•Yleisradio on jo aloittanut laajamittaiset DAB-lähetykset. Alueellisesti ne kattavat koko lounaisen Suomen ja väestöstä n. 40%.

•DAB-lähetysten vastaanottoon tarvitaan uusi vastaanotin, nykyisillä FM-radioilla ne eivät ole kuultavissa. Juuri kohtuuhintaisten vastaanotinten hidas markkinoille tulo onkin jarruttanut DAB-tekniikan laajempaa käyttöönottoa.

(61)

Kanavakoodaus ja modulaatio

Kuva esittää signaalin saapumista vastaanottimeen useaa eri reittiä (multipath)

•Kanavakoodaus/-modulaatio

•DAB signaali on suhteellisen laajakaistainen (1.5 MHz) ja informaatio on jaettu useammalle osakanavalle (COFDM, Coded Orhogonal Frequency Division Multiplex). Käytössä on n. 1500 osakanavaa, jolloin yhden tai useammankaan kantoaallon häiriintyminen ei vielä tuhoa signaalia

•Järjestelmä tunteeton heijastumille esimerkiksi rakennuksista. Heijastumia käytetään hyväksi alentamaan tarvittavaa lähetystehoa (hyötysignaali = suora + heijastumat).

•Kaikki samaa ohjelmaa lähettävät lähettimet käyttävät samaa lähetystaajuutta (nämä voivat siis peittää kuuluvuudeltaan toinen toisensa). Vastaanotin näkee nämä vain yhtenä lähettimenä + joukkona heijastumia tästä lähettimestä

•Perinteisessä FM/AM:ssä vierekkäiset lähettimet joutuvat käyttämään riittävän kaukana toisistaan olevia kantoaaltoja

•Näin DAB mahdollistaa taajuusalueen tehokkaamman käytön.

(62)

DAB-lähetteen rakenne

•Lähetteen rakenne: lähete muodostuu kolmesta kanavasta:

•synkronointikanava SC;

•ei sisällä mitään varsinaista hyötyinformaatiota

•toiminnan kannalta välttämätön

•nopeasta informaatiokanava FIC ( Fast Information Channel)

•sellainen informaatio, jonka vastaanotin voi nopeasti koodata

•ensisijaisesti tieto siitä, miten MSC:n kapasiteetti on jaettu eri palveluille

•varsinainen palvelukanava MSC (Main Service Channel)

•sisältää useita radio ohjelmia ja datakanavia

•lähetyksissä näyttää vakiintuvan MSC sisällöksi 5 HiFi stereokanavaa + 1 monokanava ja 1 datakanava.

•yhdessä MSC kanavassa voi siis olla useitakin palvelukomponentteja (esim. eri lähetyksiä).

•jokaisella komponentilla voi olla erilainen dynamiikka ja suojaus

•näitä voidaan vieläpä lähetyksen aikana muokata dynaamisesti.

(63)

• Perusperiaatteena on kaksiulotteisen kuvan muuttaminen yksiulotteiseksi ajasta riippuvaksi signaaliksi

Analoginen televisiotekniikka

Kuvan lomittelu vaakajuoviin

•Televisiokuva jaetaan vaakajuoviin. Videosignaali koostuu kuvan valoisuuden vaihtelusta pitkin juovia. Vastaanottoa varten tarvitaan synkronointipulssit osoittamaan uuden kuvan ja uusien juovien alkua

•Ihmissilmä vaatii min 10 kuvaa/s, jotta tulkitaan liikkuvaksi kuvaksi, välkkymisen kannalta toistotaajuuden tulisi olla min 50 Hz. Kaistanleveyden pienentämiseksi käytetään

lomittelua, missä kuva jaetaan kahteen kenttään, joissa kummassakin puolet koko kuvan juovamäärästä. Kentät esitetään peräkkäin niin, että niiden juovat sattuvat toistensä väliin.

ihmissilmä tulkitsee hitautensa takia tilanteen kuitenkin yhdeksi kuvaksi

(64)

Mustavalkoinen videosignaali

Värillinen videosignaali Videosignaalin muoto

•Useita järjestelmiä käytössä:

•Suomessa ja läntisessä Euroopassa PAL-järjestelmä

•Ranskassa, Venäjällä ja itäisessä Euroopassa SECAM-järjestelmä

•Yhdysvalloissa ja Japanissa NTSC

•PAL:

•analoginen lähete

•625 juovaa/kuva

•kuva jaettu kahteen kenttään (juovat 1...313 ja 313...625)

•kenttätaajuus 25 Hz ja kuvataajuus 50 Hz

•juovataajuus 15625 Hz (= 25*625)

•Luminanssi=

•Krominanssi=

(65)

Kentänvaihdon pulssimuodot Aktiivinen kuva-ala

•Kentänvaihtoon on varattu kaikkiaan 25 juovaa, jolloin kuvasisältöä ei lähetetä (sisältää 2½ juovaa esitasauspulsseja ja 2½ juovaa jälkitasauspulsseja

•Teksti-TV hyödyntää kentänvaihdon jälkeisiä sammutettuja juovia. Ensisijaisesti käytössä juovat 17-18 ja 330-331 (tällöin nopeus 4 sivua/s), mutta myös muita juovia voidaan käyttää