Pakettivälitteinen datasiirto radioverkossa

Teknillisen fysiikan laitos 15.5.1989

PAKETTIVÄLITTEINEN DATASIIRTO RADIOVERKOSSA

¡¡¡¡£»lbJAmjKIO 2 C ,02150 ESPOO

Markku Toijala

Valvoja: professori Kauko Rahko Ohjaaja: Dl Arto Harjula

Tekijä ja työn nimi: Markku Toijala

Pakettivälitteinen datasiirto radioverkossa

Päivämäärä: 15.5.1989 Sivumäärä: 58

Osasto: Tietotekniikan osasto Teknillisen fysiikan laitos

Professuuri: Tkl-38

Puhelin-ja tietotekniikka

Työn valvoja: Professori Kauko Rahko

Työn ohjaaja: DI Arto Harjula

Diplomityössä käsitellään pakettiradioverkon toteutusta lähinnä kiijallisuuteen perustuen. Alue on laaja, jonka vuoksi tavoitteeksi on asetettu yleisnäkemyksen muodostaminen tekniikasta aina laitteistotasolta radiokanavan siirto-omi­

naisuuksiin ja tiedonsiirtoprotokolliin. Lähdekirjallisuuteen perustuen on esitetty saadut teoreettiset tulokset eri toteutusvaihtoehdoista.

Työssä selostetaan pakettiradioverkkojen asema ISO:n avointen järjestelmien yh- teenliittämismallissa ja käsitellään pakettiradioverkon erityispiirteet lanka­

verkkoihin verrattuna. Erilaisia kanavanvarausalgoritmeja ja protokollatyyppejä vertaillaan verkon suorituskyvyn kannalta. Lisäksi esitellään reitityksen toteutusvaihtoehtoja sekä eräitä toteutettuja pakettiradioverkkoja.

Pakettiradion etuna tiedonsiirtotapana radiokanavalla on suuri taajuustehokkuus.

Tämä on nykyisen taajuushallinnon asettamia perusvaatimuksia, sillä käytettävissä olevia VHF- ja UHF-kanavia on enää niukasti vapaana. Tyypillisillä sano- mamäärillä voi kanavalla olla satoja samanaikaisia käyttäjiä ilman, että nämä kokisivat merkittävää viivettä tiedonsiirrossa.

Pakettiradio sopii parhaiten lyhyehköjen tekstimuotoisten viestien välittämiseen.

Se tarjoaa niille virhettömän siirtotien eikä vaadi verkkosolmujen jatkuvaa kuuluvuutta store-and-forward toimintaperiaatteen johdosta. Järjestelmän kustan­

nuksia pienentää myös se, että jokainen solmu voi toistaa paketin eikä erillisiä toistimia tarvita. Oman pakettiradioverkon rakentaminen on kuitenkin aina suuri investointi ja sen sovittaminen kiinteäksi osaksi muuta yrityksen järjestelmää vaatii runsaasti resursseja. Siksi eri toteutusvaihtoehdot tulee tutkia tarkasti.

Haluan kiittää työni valvojaa, professori Kauko Rahkoa, motivoinnista tämän työn kiijoittamiseen sekä myös häneltä saamistani ohjeista ja vi­

rikkeistä kirjoitustyön kestäessä. Kiitän myös laboratorioinsinööri Tapio Erkeä, joka hoiti puhelintekniikan profesessuuria aloittaessani työn tekemisen. Hänen kanssaan käydyissä keskusteluissa hahmottui sisältö lähes lopulliseen muotoonsa.

Työn ohjaajana toiminutta DI Arto Harjulaa ja muuta Puhelin- ja tieto­

tekniikan laboratorion henkilökuntaa kiitän virikkeitä antaneista kes­

kusteluista ja miellyttävän työskentelyilmapiirin luomisesta. Laborato­

rion tietotekninen laitteisto on työn kuluessa osoittautunut korvaamat­

tomaksi sekä tiedon hankinnassa että sen esittämisessä tässä työssä.

Helsingissä, 15. toukokuuta 1989

Markku Toijala

SISÄLLYSLUETTELO

Pakettivälitteinen datasiirto radioverkossa

1. Johdanto...1

2. Pakettiradion perusteet... 3

2.1 Pakettiradion historiaa...•... 3

2.2 OSI-malli ja pakettiradio... 3

2.3 Pakettiradioverkkoon soveltuva datasiirto... 4

2.4 Pakettiradioverkon erityispiirteitä... .5

3. Pakettiradioverkon suunnitteluparametreja...7

3.1 Liikkuvan laitteen signaalin analysointi...7

3.1.1 Yleistä... 7

3.1.2 Siirtovirheiden aiheuttajat radiokanavalla... 7

3.1.3 Rayleigh-häipymän simulointimalli... 9

3.1.4 Simulointimallin antamat tulokset... 10

3.2 Kanavanvarausalgoritmit...12

3.2.1 Taajuusjako (FDM)...12

3.2.2 ALOHA... 13

3.2.3 Slotted ALOHA...13

3.2.4 Kilpavaraus (CSMA)... 14

3.2.5 Koodijako (CDMA)... 15

3.3 "Hidden Station"-ongelma...15

3.4 Yhteydetön vai yhteydellinen yhteyskäytäntö?... 18

3.5 Reititystiedon kerääminen ja jakaminen... 20

3.5.1 Modifioitu tulvamenetelmä... 20

3.5.2 Hierarkinen reititys... 21

3.5.3 Väylöitystaulu solmuista...22

3.6 Pakettiradioverkon liittäminen osaksi langallista verkkoa... 23

3.7 Satelliittiverkot... 24

4. Toteutettuja järjestelmiä... 26

4.1 ALOHA-verkko... 26

4.1.1 Yleiskuvaus...26

4.1.2 Tekninen rakenne...27

4.1.3 Ongelmia järjestelmässä... 27

4.2 DARPA PRNET... 28

4.2.1 Yleistä. . . . : ... 28

4.2.2 Laitteisto... ...29

4.2.3 Reititys... 29

4.3 Radioamatööriverkko... 33

4.3.1 Yleistä... 33

4.3.2 Laitteisto... 33

4.3.3 Protokollat...35

4.4 Meteorisirontajärjestelmät...36

4.4.1 Yleistä... 36

4.4.2 Laitteisto... 37

4.4.3 Protokollat... 38

4.5 Kaupallisia järjestelmiä... 38

4.5.1 Motorola PCX...38

4.5.2 Mobildata...40

4.5.3 Dataradio Corporation...41

4.5.4 Mobitex...41

4.5.5 Autonet...43

4.5.6 Euroopan matkapuhelinverkko GSM... 44

5. Käytännön järjestelmäsuunnittelu... .. . 46

5.1 Yleisperiaatteet...46

5.2 Vaadittava toiminta-alue... 46

5.3 Taajuusalueen valinta... 47

5.4 Siirtokapasiteetti...48

5.5 Tietosuoja... 49

6. Case: Liikkuvan jakeluliikenteen järjestelmä... 51

6.1 Lähtökohtatilanne... 51

6.2 Tarveanalyysi... 51

6.3 Ratkaisumalli...52

6.4 Järjestelmän kustannukset... 54

6.5 Muita ratkaisumalleja... 55

7. Yhteenveto... 56

Lähdeluettelo... 57

1. JOHDANTO

Langallisissa verkoissa tapahtuva pakettikytkentä on lisännyt suosiotaan jatkuvasti. Tähän ovat vaikuttaneet muun muassa palvelun laaja tar­

jonta ja edulliset tariffit. Monien yritysten liiketoiminnan luonne on kuitenkin muuttumassa niin, että tarvitaan datayhteyksiä myös ajo­

neuvoihin. Pakettiradio on tähän ratkaisu.

Vaikka etenkin sotilasverkoissa pakettiradio on ollut käytössä jo useita vuosia, on se vasta nyt leviämässä voimakkaasti myös kaupallisina so­

velluksina. Tätä auttaa erilaisissa matkapuhelinverkoissa tapahtuva pii­

rikytkentäinen modeemipohjainen tiedonsiirtopalveluiden tatjonta, mikä tehokkaasti levittää tietoa tarjolla olevista mahdollisuuksista. Paketti­

välityksellä on kuitenkin näihin nähden yksi selvä etu: se käyttää erit­

täin taloudellisesti radiotaajuuksia, joita on vain rajoitetusti saatavilla.

Tässä työssä käsitellään erilaisia pakettiradioverkon toteuttamiseen liit­

tyviä seikkoja lähinnä kirjallisuuteen perustuen. Alue on laaja, jonka vuoksi tavoitteeksi asettiin yleisnäkemyksen muodostaminen teknii­

kasta aina laitteistotasolta radiokanavan siirto-ominaisuuksiin ja tiedon­

siirtoprotokolliin. Lähdekirjallisuuteen perustuen on esitetty tärkeim­

mät saadut teoreettiset tulokset eri vaihtoehdoista.

Toinen luku selvittää pakettiradioverkkojen historiaa ja alueeseen liitty­

vää terminologiaa. Pakettiradioverkkojen sijoittuminen ISO:n avointen järjestelmien yhteenliittämismallissa selostetaan ja esitetään paketti- radioverkon erityispiirteet lankaverkkoihin verrattuna.

Erilaisia teoreettisluonteisia suunnitteluparametrej a on selvitetty kolmannessa luvussa. Tämä antaa käsityksen radiokanavan siirtotieominaisuuksista sekä erilaisten kanavanvarausalgoritotien vai­

kutuksesta koko verkon suorituskykyyn. Pakettien reititys ja siihen liittyvät erilaiset menetelmät muodostavat oman ongelmakenttänsä eri­

tyisesti liikkuvien verkkosolmujen kohdalla. Tähän osa-alueeseen esi­

tetään katsaus luvun lopussa.

Tavallisimpia toteutettuja pakettiradioverkkoja on selostettu luvussa neljä. Nämä verkot edustavat mahdollisimman laajaa aluetta tekniikan suomista mahdollisuuksista: tehokkaasta sotilasverkosta edulliseen ra- dioamatööriverkkoon. Erilaisia kaupallisesti tarjottuja järjestelmiä on otettu mukaan kokonaiskuvan antamiseksi markkinakentästä.

Työn loppuosa käsittelee käytännön jäijestelmäsuunnittelua. Aikaisem­

paa teoriaosuutta täydennetään laitteistotyypin valintakriteerien osalta.

Tähän nojautuen esitetään suunnittelu-case jakelualan yrityksen tieto­

verkon toteuttamisesta pakettiradiolla.

2. PAKETTIRADION PERUSTEET

2.1 Pakettiradion historiaa

Samoihin aikoihin langallisten pakettiverkkojen kanssa toteutettiin Hawaijin yliopiston ALOHA-verkossa [ABRA70] ensimmäiset kokei­

lut radiotiellä tapahtuvasta pakettisiirrosta. Järjestelmä käytti kahta 100 kHz kanavaa 410 MHz taajuusalueella. Siirtonopeutena oli 24 000 bit/s.

ALOHA verkossa suoritettiin runsaasti tutkimus ja kokeilutyötä erilai­

sista protokollista radiokanavan siirtokapasiteetin hyödyntämiseksi.

Näitä käsitellään tarkemmin myöhemmin tässä työssä.

1970-luvun alkupuolella käynnisti ARPA (Army Research Projects Agency) kehitys- ja tutkimusprojektin pakettiradioverkon luomiseksi [KAHN78]. Tavoitteena oli kehittää ALOHA-verkon laajennus, joka sopisi hyvin myös liikkuvien asemien käyttöön. Tutkimus oli ensisijai­

sesti tarkoitettu kehittämään sotilaskäyttöön soveltuvia laitteita.

Nykyisin on syntynyt muutamia pakettiradiota käyttäviä sovelluksia, vaikka se on toistaiseksi levinnyt yllättävän heikosti järjestelmän käyttökelpoisuus huomioonottaen. Laajin verkko on radioamatöörien AMPRNET, joka toimii yksinkertaisella kalustolla ja hitaalla nopeu­

della. Motorola on kehittänyt alunperin IB M: n huoltomiesten käyttöön pakettiradiojäijestelmän, Dataradio Corporation lähinnä kiinteään käyttöön tarkoitetun järjestelmän sekä Mobile Data International poh­

joismaissakin kokeillun järjestelmän. Laajasti tulkiten voidaan lisäksi laskea Mobitexrn ja GSM:n datavälitys pakettiradioverkoiksi. Sotilas- puolella on tarjolla järjestelmiä HF-alueen alusten välisestä hitaasta verkosta UHF/SHF-alueen nopeaan pienen toiminta-alueen verkkoon.

2.2 OSI-malli ja pakettiradio

OSI-malli on ISO:n (International Standard Organisation) tekemä vii­

temalli avointen järjestelmien yhteenliittämisestä (Open System Inter- connetion). Se muodostuu seitsemästä kerroksesta, joiden tehtävät ja rajapinnat on tarkasti määritelty. Näiden yläpuolella ovat vielä käyttä­

jän omat sovellukset. Eri kerrosten tehtävät on kuvattu tarkemmin liit­

teessä 1.

Pakettiradioverkko vaatii yleensä mallin muutaman alimman kerroksen toteuttamista nimenomaan radiokäyttöä ajatellen: fyysinen kerros on it­

sestäänselvyys samoin siirtoyhteyskerros. Ylemmillä kerroksilla voi­

daan käyttää jo sangen kätevästi lankaverkoissa yleisiä yhteyskäytäntöjä kuten esimerkiksi ТСРДР, mutta täyden hyödyn saavuttamiseksi yleensä toteutetaan ainakin verkko- ja kuljetuskerrokset ottaen huomioon mahdolliset verkon topologian nopeat muutokset.

Yleisperiaatteena pakettiradioverkossa on kuitenkin OSI-mallin keskei­

nen ajatus: käyttäjän ei tarvitse välittää siitä, kuinka yhteys muodostuu hänen haluamaansa laitteeseen. Siis tämä ei välttämättä edes tiedä, että välillä käytetään radiotietä.

2.3 Pakettiradioverkkoon soveltuva datasiirto

Pakettiverkko taijoaa edullisimman tiedonsiirtoratkaisun yleensä silloin, kun siirrettävät tietomäärät ovat verrattain pieniä. Erityisen hyvin pa­

kettiverkon käyttö soveltuu pääteyhteyksiin, tosin jossaikin tilanteissa saattaa tällöin tulla häiritseväksi pakettivälitykseen olennaisena liittyvä vasteaikojen vaihtelu.

Pakettiradioverkolle erityisen hyvin soveltuvia käyttöympäristöjä tiedon välittämiseen keskusasemalta ala-asemille ovat esimerkiksi:

1. Asemat sijaitsevat alueella, jossa langallinen televerkko on heikosti kehittynyt tai puuttuu kokonaan. Näitä ovat yleensäkin maaseutualueet ja erityisesti suurin osa kehitysmaista.

2. Asemat ovat liikkuvia. Ajoneuvot ovat selvä ryhmä: tarvetta tiedon­

siirtoon on hälytysajoneuvoilla ja takseilla. Samoin vesillä liikkuvat alukset ovat potentiaalisia pakettiradion käyttäjiä. Tähän ryhmään kuuluu myös sotilaskäyttö.

3. Asemien tarjoama liikenne on piikikästä (suuri huippu/keskiarvo suhde) tai se on pientä kokonaismäärältään. Pakettiradiota käytettäessä voidaan usea samankaltainen asema sijoittaa samalle taajuudelle ilman, että jokaista varten vaaditaan kiinteä kaapeliyhteys, joka olisi vajaa­

käytössä.

Nykyisin käytössä on useita erilaisia pakettiradioverkkoja: liikkuvan sotilasliikenteen verkko (kapeakaistainen 16 kbit/s ja leveäkaistainen 400 kbit/s), radioamatööriverkko (1,2 kbit/s), HF-alueen radioverkko

laivastolle sekä satelliittivälitykseen perustuva (1 Mbit/s) verkko. Kai­

kille näille on kuitenkin tunnusomaista yhden jaetun radiokanavan käyttö. Verkot on suunniteltu liikkuvien käyttäjien vaatimusten mukai­

sesti ja niissä käytetään store-and-forward välitystä.

Tyypillinen verkkorakenne on kuvassa 2.1. Pakettiradioyksikkö voi­

daan jakaa kolmeen pääosaan: antenni, radiolaite ja digitaalinen ohjain- osa. Kukin radio voi olla yhteydessä useampaan naapuriinsa, mutta ei kuitenkaan saavuta suoraan kaikkia verkon asemia. Näinollen ohjain- osan on pystyttävä reitittämään sanomat ja huolehtimaan reititystiedon ylläpitämisestä.

Radio- osa

Ohjain-

isäntälaitteeseen

Kuva 2.1 Tyypillinen pakettiradioverkkorakenne

2.4 Pakettiradioverkon erityispiirteitä

Fyysinen siirtotie, radiokanava, muodostaa suurimman eron langalliseen verkkoon verrattuna. Radiokanava ei ole missään muodossa ideaalinen nopeaan tiedonsiirtoon. Ongelmia aiheuttavat esimerkiksi monitie- eteneminen, ympäristön sähkö- ja magneettikentän häiriöt sekä naapuri- solmujen signaalit.

Pakettiradioverkko on yleensä luonteeltaan liikkuva. Tämän johdosta verkon reititystieto muuttuu hyvinkin nopeasti ja se on pystyttävä jaka­

maan edelleen muille verkon solmuille. Reititysalgoritmin hyvyydestä riippuukin paljolti koko verkon tiedonvälityskapasiteetti.

Koska radiokanavaa pystytään kuuntelemaan hyvinkin etäällä lähetti- mestä, on tietosuojaan kiinnitettävä erityistä huomiota. Vaikka paketti- radioliikennettä ei pystykään seuraamaan ilman sovitinyksikköä, on ar­

kaluontoisen materiaalin välittäminen selvä turvallisuusriski. Tämä voidaan välttää ainoastaan salaamalla joko lähdemateriaali tai kaikki pakettiliikenteen sisältö.

3. PAKETTIRADIO VERKON SUUNNITTELU? ARAMETREJA

3.1 Liikkuvan laitteen signaalin analysointi

3.1.1 Yleistä '

VHP-ja UHF-taajuuksien ominaisuuksiin kuuluu, että taajuusmoduloitu signaali kohtaa monitie-etenemisestä johtuvaa häipymistä sironnan sekä rakennuksista ja muista esteistä aiheutuvien heijastusten vaikutuksesta.

Tämän seurauksena vaihtelee signaalin amplitudi Rayleigh-jakautumaa noudattaen tietyn keskiarvon ympärillä kun signaalia tarkastellaan muutaman sadan aallonpituuden säteellä vertailupisteestä. Signaalin vaihe sensijaan on tasaisesti jakautunut välille (0,tc). Kun signaalin taso laskee merkittävästi alle keskiarvon, sanotaan sen häipyneen ja vastaan­

otin havaitsee kohinaa. Puhetta lähettettäessä nämä havaitaan paukah­

duksina ja kilahduksina signaalissa, datalähetyksessä nämä puolestaan aiheuttavat virheryöppyjä.

Kuvatun kaltaiselle kommunikaatiokanavalle on kehitetty useita eri tie- donkoodaustapoja. Useimmissa tapauksessa käytetään virheenhavaitse- vaa ja -koijaavaa koodia. Kukin tieto lähetetään useaan kertaan lomi­

tettuna toisten samanlaisten sanomien kanssa: näin vältetään eri toisto­

jen joutuminen samaan virheryöppyyn. Näin saadaan aikaan tietyn as­

teen virhesietoisuus, mutta lähettämällä jokainen viesti useampaan ker­

taan pienenee välityskyky vastaavasti.

3.1.2 Siirtovirheiden aiheuttajat radiokanavalla

Seuraavassa esitetään lähteessä [KARI86] saatuja tuloksia, jotka on saatu käyttäen normaalia ISO:n määrittelemää HDLC-protokollaa. Tätä ei ole suuniteltu ottamaan huomioon radiokanavan häipymisilmiöitä, mutta sitä kuitenkin käytetään runsaasti tiedonsiirtoon. Pakettien kesto­

aika oletetaan niin lyhyeksi, että suurin osa niistä siirtyy häiriöttä häi­

pymisten väliaikana. Normaalisti lähetetään jokainen paketti vain ker­

taalleen. Jokaisessa paketissa on 16 bittinen CRC-tarkistussumma, jonka avulla havaitaan siirron virhettömyys. Mikäli tapahtuu siirto­

virhe, tilanteesta riippuen vastaanottaja joko hylkää paketin tai pyytää

sen toistoa. Näin pysyy välityskyky sangen suurena kohtuullisen virhettömällä siirtotiellä.

Käytettäessä puhdasta kahden taajuuden FM-modulaatiota riippuu vas­

taanotetun datan virhetodennäköisyys, Pe, useasta parametrista. Ensin­

näkin se on signaalikohinasuhteen (S NR, signal-to-noise ratio) funktio.

Toinen parametri on a, signaalin taajuusdeviaation suhde kohinan kais­

taleveyteen. Kolmas vaikuttava tekijä on b, kanavan dispersio. Tämä on kanavan kaistaleveydestä aiheutunutta säröä ja on suhteessa vastaanotetun FM signaalin derivaattaan. Jos kaksi ensinmainittua pa­

rametria pidetään vakioina, niin Pe on pienin b:n arvolla 0. Kuvasta 3.1 nähdään virhetodennäköisyys signaalikohinasuhteen funktiona (b=0).

Käyrä a=°o esittää teoreettisesti parhaimman arvon, <2=1 on saavutetta­

vissa hyvin suunnitellussa järjestelmässä.

Virhesuhde

a = °°

(optimi)

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Signaalikohinasuhde

Kuva 3.1 Virhetodennäköisyys signaalikohinasuhteen funktiona

Liikkuville radiolaitteille toinen syy virheisiin on Rayleigh-häipyminen.

Kun signaali häipyy, häipyneen osan bitit ovat virheellisiä todennäköi­

syydellä 0,5. Häipymien haitallisuus riippuu niiden syvyydestä ja omasta liikkumisnopeudesta. Esimerkiksi 850 MHz taajuudella ja 30 km/h nopeudella tippuu signaali 15 dB alle keskiarvon noin 10 kertaa sekunnissa ja pysyy tällä tasolla keskimäärin 3 ms ajan kerrallaan.

Näistä tiedoista voidaan laskea bittivirhesuhteen olevan 0,015. Jos tarkastellaan -10 dB signaalitasoa, niin-tämä tapahtuu keskimäärin 18 kertaa/s ja 5,3 ms kerrallaan. Tällöin siis signaali on tämän tason alapuolella jo 9,3% ajasta. Molemmissa tapauksissa Rayleigh- häipymisen aiheuttamat virheet ylittävät edellä käsitellyt puhtaasti satunnaisesti syntyneet virheet monella kertaluokalla. Koska satunnaisvirheet voidaan selvittää käyttämällä virheenkorjaavaa koodia, niin ainoastaan häipymisen aiheuttamat virheryöpyt ovat merkittäviä.

3.1.3 Rayleigh-häipymän simulointimalli

Paras tapa selvittää Rayleigh-häipymän vaikutusta radiokanavalla on simulointi. Tämä voidaan tehdä joko laitteistolla tai ohjelmallisesti. So­

veltuva simulointilaitteisto on esitetty lähteessä [ARRE73]. Seuraa­

vassa on lyhyt selvitys ohjelmallisesti toteutetusta simuloinnista [KARI86].

Sähkökentän voimakkuutta e ja samalla liikkuvan antennin vastaanot­

tamaa signaalia voidaan kuvata kaavalla [CLAR68]

e=x\ cos coct + X2 cos coct,

missä x\ ja ovat kaksi riippumatonta normaalijakautunutta satun­

naismuuttujaa, joiden keskiarvo = 0 ja joilla on yhtäsuuri varianssi, coc on kantoaaltotaajuus. Näin saatu e:n amplitudi noudattaa Rayleigh-ja- kautumaa. Tämä signaali on lähtökohta simuloinnille, joka ohjelmoi­

daan kuvan 3.2 mukaisesti:

Lasketaan Doppler-siirtymä Cöm = 2tuv/X tarkastellulla nopeudella v.

Syötetään alussa muodostetut sarjat saadun siirtofunktion läpi, jolloin saadaan antennin vastaanottama Rayleigh-häipymän muuttama signaali.

Lasketaan edellisen pohjalta amplitudifunktio 0,25 Hz välein ja talletetaan se matriisiin [bjJ.

Lasketaan matriisin [bjJ arvoista numeerisesti integroiden kertoimet kanavan siirtofunktiota kuvaavalle Fourier-Saijalle.

Generoidaan kaksi riippumatonta normaalijakautunutta Saijaa, joiden keskiarvo on nolla ja joilla on sama varianssi.

Kuva 3.2 Simulointiohjelman periaatekaavio

3.1.4 Simulointimallin antamat tulokset

Simuloinnilla saadaan kuvan 3.3 mukaiset arvot nopeuksille 30 km/h ja 110 km/h. Voidaan selvästi päätellä, että virheettöminä siirtyneiden pa­

kettien määrä riippuu häipymiskohtien välisestä ajasta ja tietenkin pa­

kettien pituudesta.

Todennäköisyys paketin häipymisvälin toteutumiselle

99.99

110 km/h

30 km/h

40 80 120 160 200 240 280 320

Häipymisten väli (ms)

Kuva 33 Häipymiskohtien aikajakautuma -15 dB tasolle ajoneuvon nopeuksilla 30 km/h ja 110 km/h

Todennäköisyys paketin siirtoajan toteutumiseen

Paketin pituus = 4 ms

Siirtoaika pakettipituuden monikertoina

Kuva 3.4 Siirtoviive pakettipituuden suhteen 110 km/h nopeudella Kuvassa 3.4 on esitetty siirtoviiven jakautumistodennäköisyys 110 km/h nopeudella liikkuvalle solmulle eri pakettikokojen osalta. Selvästi voi­

daan havaita viiveen (ja välityskyvyn) parantuvan pakettikoon pienen­

tyessä. Toisaalta kuitenkin paketin koon pienentyessä kasvaa otsikko-

tiedon suhteellinen osuus ja kokonaistehokkuus pienenee. Näiden ar­

vojen suhteen voidaan kuitenkin löytää optimi, jossa viive on pieni ja tehokkuus suuri.

3.2 Kanavanvarausalgoritmit

Kanavanvarausalgoritmilla tarkoitataan sitä tapaa, jolla verkkosolmu huolehtii, että sen lähetys menee mahdollisimman virhettömänä perille.

Taajuusjakoa lukuunottamatta perustuvat kaikki seuraavassa esitetyt ta­

vat saman radiokanavan vuorottaiseen käyttämiseen, aikajakoon.

(TDMA = Time Division Multiple Access)

3.2.1 Taajuusjako (FDM)

Taajuusjakoa käytettäessä jokaiselle asemalle varataan oma lähetys- taajuus. Näin estetään tehokkaasti kahden solmun lähetteiden törmää­

minen toisiinsa. Ongelma on kuitenkin siinä, että jokaisella vasta- asemalla on pystyttävä seuraamaan useaa taajuutta. Jotta taajuusjaosta saataisiin kaikki hyöty, tulee näiden vastaanottimien olla kokonaan eril­

lisiä yksiköitä. Tämä on erittäin kallista.

Taajuusjaossa jää kanavan käyttöaste alhaiseksi pienellä tarjotulla liikenteellä, koska koko kanava on varattu tietylle solmulle sen tarjoa­

man liikenteen määrästä riippumatta. Tämä taajuustehokkuus on kui­

tenkin nykyisin ensiarvoisen tärkeä ominaisuus telehallintoviranomai- sille, sillä käyttökelpoiset radiokanavat alkavat olla vähissä etenkin ti­

heään asutuilla seuduilla.

Taajuusjaon eräänä erikoistapauksena voidaan pitää sitä, että keskus­

asema lähettää ja vastaanottaa eri taajuuksilla. Sensijaan ala-asemat toimivat kaikki samalla kanavalla. Tällöin liikenteen on oltava aina keskusaseman ja ala-aseman välistä. Näin on tehty esimerkiksi Havvai- jin ALOHA-verkossa.

3.2.2 ALOHA

ALOHA-protokollassa asema lähettää paketin aina, kun sillä on tietoa välitettävänä. Tämä tapahtuu riippumatta siitä, onko kanavalla muuta liikennettä vai ei. Mikäli kaksi asemaa lähettää yhtä aikaa tapahtuu törmäys ja ainakin toisen lähettämä paketti tuhoutuu. Paketin vir­

heettömyys tutkitaan siihen liittyvästä tarkistussummasta.

Abrahamson [ABRA70] on johtanut ALOHA-verkolle kanavan käyttö­

asteen p :

In N

p=--- N=paketin lähettämiseen 2N tarv. yritysten lukumäärä

Tästä saadaan p:n maksimiarvoksi 18,4% (=l/2e), joka on siis ALOHA- kanavan suurin mahdollinen käyttöaste. Mikäli tämä ylitetään, joudu­

taan kuormituskäyrän epästabiilille alueelle, jolloin on vaarana koko kanavan tukkiutuminen. Käytännössä pyritäänkin jättämään pieni var- muusmarginaali ja pidetään kanavan kuormitus noin 16%:ssa tai sen alapuolella.

3.2.3 Slotted ALOHA

Slotted ALOHA:ssa on aika jaettu paketin mittaisiin aikaväleihin ja solmu voi aloittaa lähettämisen ainoastaan jonkin aikavälin alussa. Tätä selventää oheinen kuva: Paketit А, В ja E välittyvät oikein, mutta C ja D törmäävät.

lZ

В

t -M •» •t ♦ H < b-t-44-

cl

I ^е

Aika ->

Kuva 35. Slotted ALOHA protokolla

Slotted ALOHAdle voidaan johtaa kanavan läpäisykyky p kuten klas­

sisen ALOHA:n tapauksessa:

In N

P =

N

N=paketin lähettämiseen tarv. yritysten lukumäärä

Tästä saadaan differentoimalla suurimmaksi käyttöasteeksi 36,8%, eli kaksi kertaa parempi kuin klassisella ALOHA:lla. Slotted ALOHA vaatii kuitenkin jäijestelmältä enemmän monimutkaisuutta: kaikkien solmujen on oltava synkronissa keskenään eli niiden kellojen täytyy olla samassa ajassa. Käytännössä täytyy järjestelmässä olla jokin aikapulssit säännöllisin väliajoin lähettävä laite.

3.2.4 Kilpavaraus (CSMA)

Kanavan kilpavaraus (CSMA, Carrier Sense Multiple Access) on tuttu langallisista lähiverkoista: ШЕЕ 802.3 suosituksen mukainen lähiverkko (nk. ethemet) käyttää sen kehitettyä muotoa. Kilpavarausprotokollalla saadaan erittäin hyvä siirtokanavan käyttöaste.

CSMA perustuu siihen, että kukin solmu kuuntelee väylää ennen pake­

tin lähettämistä. Pakettia ei lähetetä, mikäli havaitaan väylän olevan va­

rattu. Mikäli väylä on vapaa, voidaan toimia usealla eri tavalla riippuen valitusta käyttäytymisestä:

"Non-persistent"-käyttävtyminen: Solmu jää odottamaan kanavan va­

pautumista lähettää välittömästi havaittuaan kanavan vapaaksi.

"p-persistent"-kävttäytyminen: Solmu odottaa asetutun ajan t ja tarkistaa uudelleen kanavan tilan. Mikäli se on varattu, odotetaan jälleen yksi t ja tarkistetaan tilanne uudelleen. Mikäli kanava on vapaa, lähetetään pa­

ketti todennäköisyydellä p tai odotetaan jälleen yksi aikaväli t toden­

näköisyydellä (1-p). Valitsemalla p riittävän pieneksi, saadaan jopa 80% kanavan välityskyvystä hyödynnettyä. Tämä tosin tapahtuu kes­

kimääräisen välitysajan kustannuksella.

"l-persistent"-käyttäytvminen: Tämä on itse asiassa edellisen erikois­

tapaus: kanavan ollessa vapaa lähettää solmu aina pakettinsa.

Kanavan käyttöastetta erilaisilla persistenssiarvoilla on tutkittu lähteessä [KLEI74], Oheisesta kuvasta nähdään saadut tulokset eri arvoilla.

Kaikki ovat kuitenkin selvästi parempia kuin ALOHA-menetelmillä.

Slotted 1 -persistent

Normalisoitu viive (paketin pituuksia)

Nonpersistent Slotted

ALOHA ALOHA

M/0/1

0.4 0.6 0.8

Kanavan kuormitusaste

Kuva 3.6 Eri persistenssiarvojen vaikutus kanavan välityskykyyn CSMA menetelmä edellyttää, että siirtoviive on lyhyt paketin kesto- aikaan verrattuna. Tilannetta voidaan parantaa kasvattamalla paketin pituutta tai käyttämällä erityistä kanavanvaraussignaalia ennen varsinai­

sen tiedon lähettämistä (BTMA, Busy Tone Multiple Access).

3.2.5 Koodijako (CDMA)

Hajaspektritekniikka taijoaa uuden mahdollisuuden kanavan jakami­

seen: koodijaon (CDMA, Code Division Multiple Access). Tällöin voidaan samalle kanavalle sijoittaa useita erillisiä solmuja, jotka käyttä­

vät erilaista pseudo-satunnaista koodia spektrin levittämiseen. Näin ja­

kautuu suurtaajuusenergia eri paikkoihin spektriä.

Koodijaon ongelmana on havaita halutun vasta-aseman oleminen va­

paana: vasta-aseman olisi tiedettävä tämän kulloinkin käyttämä koodi.

3.3 "Hidden Station"-ongelma

Suuren ongelman pakettiradioverkon toteutuksessa muodostaa radio­

aaltojen etenemisestä syntyvät katvealueet. Näiden johdosta eivät kaikki verkon solmut kuule toisiaan. Ongelma tilanteessa on se, että kaksi solmua voi lähettää yhtä aikaa käyttäen kilpavarausperiaatetta,

koska ne eivät kuule toistensa lähetystä. Kuitenkin näiden välissä oleva solmu kuulee molempien paketit, jotka törmäävät.

Kuva 3.7 Hidden Station ongelma

Hidden station ongelmaa on yritetty teoreettisesti ratkaista lähteessä [ТОВА75]. Koska eri vaihtoehtojen mallittaminen on hankalaa, ei mi­

hinkään yksikäsitteiseen tulokseen ei voida päästä. Lähteessä on käsi­

telty useita eri malleja, joista seuraavassa esitetään tulokset nk. seinä- mallissa.

+ 180°

Asema Seinä -7

(mäki tms.)

Terminaali To

Kuva 3.8 Seinämallin periaate

Malli rakentuu kuvan 3.8 mukaisesti oletuksesta, että solmut ovat ja­

kautuneet tasaisesti ympäristöön ympyrän muotoiselle alueelle. Kaikki solmut ovat radioiden kantomatkan päässä toisistaan, mutta "seinä"

(mäki tms.) aiheuttaa sen, että osa solmuista ei kuule toisiaan. Mallin muodostamiseksi on alue jaettu 10 sektoriin, jolloin se pystytään vielä

numeerisesti ratkaisemaan. Tällöin solmu TQ, joka on kulmassa oc0 sei­

nästä, kuulee naapurinsa, jotka ovat kulmassa (0,0^+180°) seinään näh­

den. 180° vastakkaisilla puolilla olevissa sektoreissa solmut kuulevat toisiaan sijainnista riippuen. Tämä on otettu mallissa huomioon tutki­

malla sekä ylä- että alarajaa kuulemiselle (siis kaikki kuulevat vastak­

kaisen sektorin solmut tai yksikään ei kuule niitä, tapaukset i ^g h¿ ja i G

hi). '

a) / G Hj b) / e Hj

Kuva 3.9 Solmujen kuuluvuusgraa.fi seinämallissa

Kanavan läpäisykyky

Ei 'Hidden Terminal"

solmuja

Seinämalli

(Todellinen tilanne tällä välillä)

Tarjottu liikenne kanavalla

Kuva 3.10 Liikenteenvälityskyky tarjotun liikenteen funktiona seinämallissa

Näitä tapauksia vastaavasti voidaan muodostaa kuvan 3.9 mukaiset yh- teysgraafit. Tästä kuviosta laskien saadaan kuvan 3.10 esittämä käyrä

kanavan käytettävyydestä. Se osoittaa selvästi hidden station-ongelman CSMA protokollan suorituskykyä heikentävän vaikutuksen.

Ratkaisuna ongelmaan esitetään yksittäisen solmun varustamista kah­

della radiokanavalla: toinen varsinaiseen tiedonsiirtoon ja toinen huo­

lehtimaan kanavanvarauksesta. Tämä BTMA (Busy Tone Multiple Access) menetelmä perustuu siihen, että havaitessaan liikennettä data- kanavalla solmu lähettää toisella kanavalla varattusignaalia. Tällä pro­

tokollalla päästään teoreettisesti luokkaa 70% olevaan kanavan käyttö­

asteeseen. Tämä pysyy lähes vakiona riippumatta verkon topologiasta ja asemien keskinäisestä kuulumisesta. Vastaava luku CSMAdla vaih-

telee välillä 20% - 80% pienentyen liikenteen kasvaessa.

BTMA:n toteutuksessa on kuitenkin suuria käytännön ongelmia: se vaatii solmun radiolaitteiston kahdentamisen ja silloinkin saattaa tulla ongelmia keskinäisistä häiriöistä ja vastaanottimien tukkiintumisesta.

3.4 Yhteydetön vai yhteydellinen yhteyskäytäntö?

Pakettiverkossa voidaan verkon sisäinen toiminta tehdä kahdella eri pe­

riaatteella: yhteydettömästi ja yhteydellisesti. Yhteydetön protokolla käyttää tietosähkeitä (datagrammej a), jotka kukin sisältävät kaiken pa­

ketin reititykseen tarvittavan tiedon. Kukin tietosähke voidaan reitittää edeltäjistä riippumatta. Esimerkkinä yhteydettömästä protokollasta on Yhdysvaltojen puolustusministeriön DoD:n muodostama de facto- standardi IP (Internet Protocol). Yhteydellisessä protokollassa puoles­

taan ennen varsinaisen datan lähettämistä muodostetaan virtuaaliyhteys (Virtual Circuit) alku- ja lähtöpisteen välille erityisellä yhteyden- luontipaketilla. Tämä määrää seuraavien tietopakettien reitin, joilloin näissä otsikkotiedot voivat olla selvästi vähäisemmät. Tyypillinen vir- tuaaliyhteysprotokolla on CCITT:n pakettiverkkosuosituksen X.25 mu­

kainen liikennekuri. Käyttäjälle käytetyllä menettelyllä ei ole merki­

tystä, sillä kumpikin tarjoaa palveluna virhettömän kuljetusprotokollan.

Sen sijaan valinnalla on suuri merkitys verkon suunnittelun ja suoritus­

kyvyn kannalta. Molemmilla menetelmillä on omat hyvät ja huonot puolensa, joista tärkeimpiä käsitellään seuraavassa.

Toteutuksen helppous: Datagrammipakettisolmu on helpompi imple­

mentoida kuin virtuaaliyhteyttä käyttävä, sillä sen ei tarvitse huolehtia erikoisista yhteydenmuodostus ja -purkupaketeista. Ainoaksi funktioksi jää sopivan ulospäin lähtevän reitin valitseminen reititystaulun pohjalta.

Virheelliseksi havaittu datagrammi voidaan hylätä ilman virheenkor- jaustoimenpiteitä, joiden ohjelmointi vaatisi runsaasti koodaustyötä.

Dynaaminen reitinvalinta: Kuten jo mainittiin, virtuaaliyhteydellä lu­

kitaan paketin reitti jo yhteydenmuodostusvaiheessa. Mikäli jokin solmu reitillä vaurioituu tai joudutaan käynnistämään uudelleen vaik­

kapa virtakatkon seurauksena, niin kaikki tätä kautta kulkeneet yhteydet joudutaan purkamaan ja muodostamaan uudelleen lähtöpisteestä alkaen.

Samoin tapahtuu solmun siirtyessä ja poistuessa aikaisemmalta kuulu­

vuusalueeltaan. Datagrammeja käytettäessä yhteys ei katkea, vaan uusi reitti voidaan valita paikallisesti. Näin yhteydetön protokolla on sel­

västi parempi muuttuvassa verkkotopologiassa.

Otsikkokentät (overhead): Virtuaaliyhteydellä on selvä etu datagram- meihin nähden tässä kohdassa: yhteydenmuodostuksen jälkeen otsikko­

kenttien koko pienenee ratkaisevasti. Esimerkiksi TCP/IP käyttää vä­

hintään 40 tavua jokaisessa paketissa verkko- ja kuljetuskerroksen ot­

sikkotietoihin, kun taas vastaava arvo X.25 protokollalla on 6-12 tavua.

Toisaalta on otettava huomioon liikennöinnin laatu: jos kyseessä on yk­

sinkertainen tietokantakysely tai vastaava, niin sekä vastaus että kysy­

mys saattavat kumpikin mahtua yhteen datagrammiin, jolloin yhtey­

dettömän protokollan edut tulevat esiin.

Luotettavuus: Koska datagrammi sisältää kaiken sen reitittämiseen tar­

vittavan tiedon, niin pakettisolmun ei tarvitse pitää muistissaan tilatie­

toja pakettien välillä. Näin sietää yhteydetön verkko paremmin todelli­

sissa käyttöolosuhteissa tapahtuvia ilmiöitä kuten virransyöttökatkoja ja ohjelmointivirheitä, sillä yksittäinen solmu pystytään helposti ohitta­

maan alemmilla protokollatasoilla. Lisäksi ainoa tarpeellinen tieto, mikä tuhoutuu solmun uudelleenkäynnistyksessä, on tieto naapureista ja niiden yhteyksistä. Virtuaaliyhteyksiä käytettäessä on solmun tiedettävä kunkin yhteyden muodostustiedot, joiden tuhoutuessa on koko yhteys muodostettava uudelleen lähtöpisteestä alkaen.

Verkkopalvelun laatutaso (grade of service): Yhteydellisissä verkoissa oletetaan, että kaikki sovellukset tarvitsevat luotettavaa verkkopalvelua.

Tämä ei pidä paikkaansa etenkään eräiden reaaliaikaisten sovellusten kohdallla, jotka eivät tarvitse suurta yhteyden laatutasoa eivätkä edes toimi sen tuoman ylimääräisen viiven vuoksi. Esimerkki tällaisestä on digitoitu puhe: ihminen sietää hävinneitä tai muuttuneita paketteja pa­

remmin kuin pitkiä viiveitä. Näin voidaan uhrata jonkin verran täydelli­

sestä luotettavuudesta viiveen pienentämiseksi. Datagrammeissa voi­

daan asettaa ohjausbitit niin, että jokaista hyppyä ei kuitata erikseen.

Samoin voidaan asettaa paketeille erilaisia prioriteetti tasoja. Tyypilli­

sesti tämä ei ole mahdollista yhteydellisessä protokollassa, jossa paketit palvellaan saapumisjärjestyksessä.

Yhteislähetvkset (broadcasting): Virtuaaliyhteydet ovat pääsääntöisesti kahden pisteen välisiä. Haluttaessa lähettää sama tieto N vastaanotta­

jalle, joudutaan ensin muodostamaan N virtuaaliyhteyttä ja lähettämään sama sanoma N kertaan. Tämä on annetun yhteyskapasiteetin hukka- käyttöä, jos verkkomedia sallii yhteislähetykset kuten radiokanava te­

kee. Erityisen käyttökelpoisia ovat yhteislähetykset reititystiedon le­

vittämisessä. Vaikka datagrammit eivät ratkaisekaan kaikkia ongelmia yhteislähetyksissä, niin ne myöskään niiden käyttöä estä kuten virtuaa­

liyhteydet.

Edelläolevaan nojautuen voidaan katsoa, että yhteydetön pakettiproto- kolla on soveltuu selvästi paremmin pakettiradioverkkoon, jossa solmu­

jen sijainti ja niiden yhteydet naapureihin muuttuvat jatkuvasti. Mikäli verkkorakenne on staattisempi, voidaan harkita myös yhteydellisen verkkopalvelun käyttöä.

3.5 Reititystiedon kerääminen ja jakaminen

Gitman [GITM76] on esittänyt kolme perusvaihtoehtoa pakettiradio- verkon reititykselle. Seuraavassa tarkastellaan niitä jokaista erikseen.

Näiden lisäksi voidaan käyttää muita adaptiivisen väylöityksen algorit­

meja, joita on esitelty lähteissä [ERKE71] ja [HERZ83] lähinnä puhe­

linverkon näkökulmasta. Nämä ovat kuitenkin lähes suoraan sovelletta­

vissa myös pakettiradioverkkoon.

3.5.1 Modifioitu tulvamenetelmä

Tulvamenetelmässä jokainen toistimena toimiva solmu välittää edelleen kaikki vastaanottamansa paketit kahdella ehdolla:

1) Paketin suurinta sallittua hyppymäärää ei ole ylitetty ja 2) Kyseinen solmu ei ole aiemmin juuri tätä pakettiä välittänyt

Suurin hyppymäärä voidaan määritellä lisäämällä paketin otsikkotietoi­

hin laskuri, jonka arvoa vähennetään joka kerta, kun paketti toistetaan.

Laskurin saavutettua nollan ei pakettia enää toisteta. Näin estetään se,

ettei mikään paketti voi olla ikuisesti aktiivinen. Laskurin alkuarvon valinta on järjestelmän toiminnan kannalta kriittinen parametri: Mikäli se on liian pieni, niin kaukaisempia solmuja ei pystytä koskaan saavut­

tamaan. Liian suuri arvo taas aiheuttaa turhia toistoja, jotka tuhlaavat arvokasta verkon kapasiteettia.

Toista rajoitusta, eli aiemmin toistettujen pakettien hylkäämistä, tarvi­

taan verkon avoimen topologian vuoksi: broadcast-tyyppisellä kanavalla syntyy helposti silmukoita, joissa sama paketti kiertää kunnes sen hyp- pylaskuri ylittyy. Silmukat aiheuttavat runsaasti ylimääräistä liikennettä verkkoon. Solmu pitää kiijaa viimeksi välitetyistä paketeista FIFO-jo- non avulla. Paketin koko sisältöä ei tarvitse tallentaa, vaan sen selkeästi identifioivat tiedot riittävät. Näitä voivat olla tieto lähettäjästä, vastaan­

ottajasta sekä järjestysnumero.

Näillä ehdoilla on tulvamenetelmä käyttökelpoinen menetelmä solmu- pisteiden tai toistimien ollessa liikkuvia. Menetelmän etuna on se, että yhdenkään solmun ei tarvitse tietää toisen sijaintia verkossa. Selvä haittapuoli on menetelmän vaatima suuri osuus verkon kapasiteetista.

3.5.2 Hierarkinen reititys

Hierarkinen reititys soveltuu silloin, jos liikenne tapahtuu pääasiassa keskussolmulta ala-asemille. Verkon topologian ja reititystaulun saa keskussolmu selville lähettämällä broadcast-paketin, joka levitetään tul- vamenetelmällä. Kun paketti ohittaa solmun, se liittää siihen oman tun­

nuksensa. Keskussolmu voi saamistaan vastauksista päätellä lyhimmän reitin kullekin ala-asemalle. Muodostelmaan taulukon se lähettää kulle­

kin solmulle tiedoksi sen reititystunnuksen. Esimerkki muotoutuneesta verkosta on kuvassa 3.11.

Tätä menetelmää voidaan käyttää tarvittaessa yhdistettynä muihin. Jos oheisen esimerkin kuvassa katkeaa yhteys 1300 - 1320, niin 1300 voi yrittää tavoittaa kohdettaan käyttäen tulvamenetelmää havaittuaan epä­

onnistumisen.

Keskus­

asema

2200

Kuva 3.11 Solmupuu ja solmujen nimeäminen. Pisin reitti on neljä hyppyä, joten nimet ovat 4 numeroa pitkiä varustettuna mahdollisesti

tarvittavilla loppunollilla.

3.5.3 Väylöitystaulu solmuista

Tätä algoritmia käytettäessä solmu välittää paketin edelleen ainoastaan sidoin, kun se on lähempänä kohdetta hypyissä mitattuna kuin edellinen lähettäjä. Tämä vaatii, että solmulla käytössään taulukko etäisyyksistä kaikkiin muihin verkon solmuihin. Tieto voidaan kerätä asettamalla ku­

kin solmu lähettämään säännöllisin väliajoin oma etäisyystaulukkonsa.

Muuta verkon asemat seuraavat kanavan liikennettä ja saadessaan tie­

don naapurin reitti tiedoista vertaavat sitä omaansa. Mikäli reitti naapu­

rin kautta on lyhyempi, niin omassa muistissa oleva reitti korvataan tällä.

Väylöitystaulun ylläpito solmuissa kuormittaa kanavaa enemmän kuin edellisessä kohdassa esitetty hierarkinen reititys. Vastapainona saadaan parempi virhesietoisuus, sillä solmu kokeilee kaikkia reittejä, joiden etäisyys on sama kuin pienimmällä. Tämä algoritmi soveltuu hyvin ta­

pauksiin, joissa on liikennettä myös ala-asemien välillä, samoin kuin silloin, kun toistimet ovat liikkuvia.

3.6 Pakettiradioverkon liittäminen osaksi langallista verkkoa

Pakettiradioverkon yhdistäminen langalliseen verkkoon ei eroa juuri­

kaan erillisten langallisten verkkojen yhdistämisestä. Suurimmat on­

gelmat eivät suinkaan ole verkkojen teknisessä yhteenliittämisessä vaan lainopillisissa ja käyttöpoliittisella puolella. Sälällänsä eri verkkojen yhdistämisestä hyötyvät sekä käyttäjä että verkkopalvelun tarjoaja:

käyttäjällä on selvä tarve käyttää mahdollisimman montaa eri laitteistoa omalta päätelaitteeltaan ja verkko-operaattori puolestaan toivoo mah­

dollisimman suurta liikennettä juuri itse tarjoamansa palvelun kautta.

Tutkittaessa verkkojen yhteenliittämistä on otettavat huomioon seuraa- via seikkoja [CERF78]:

- millä OSI-tasolla yhdistäminen tapahtuu

- solmujen nimeäminen, niiden osoitteet ja reititys - vuonohjaus ja kuormituksen valvonta

- laskutus

- käyttäjän oikeudet verkossa

- verkkojen välille toteutettavat palvelut.

Mikäli verkot käyttävät samaa protokollaa, voidaan ne helposti kytkeä toisiinsa esimerkiksi kuljetus- tai verkkokerroksella. Tällöin yhdys­

käytävän tehtäväksi jää lähinnä kunkin verkon oman liikenteen suodat­

taminen ja laskutustietojen kerääminen. Mikäli verkkojen yhteyskäy­

täntö on erilainen, niin joudutaan tekemään muutos korkeammilla ta­

soilla. Tämä ei ole yksinkertaista ja ääritapauksena saatetaan joutua muodostamaan esimerkiksi kaksivaiheinen yhteys kytkeytymällä ensin yhdyskäytäväsolmuun ja antamalla tälle erillinen komento yhteyden muodostamisesta haluttuun kohteeseen.

Jokaisella verkkosolmulle annetaan nimi ja osoite. Reitti yhdistää nämä kaksi toisiinsa. Verkkojen yhdistämisessä yleensä yhdyskäytävä- solmulla on kaksi verkko-osoitetta: yksi kumpaankin verkkoon, johon se kuuluu. Nimi voi olla yhteinen molemmissa, mutta sen ei välttämättä olla olla sama. Osoitteiden muodostamisesta on CCITT:n suositus X.121, joka antaa mahdollisuuden 14 numeron solmuosoitteisiin.

Käytännön standardiksi on muodostunut myös Internet: in IP-osoitteiden jakotapa: 4 oktettia (=32 bittiä) jaettuna sopiviin ryhmiin verkon laajuuden mukaan.

Toimittajakohtaisten verkkoratkaisuiden ohella on kaksi yhdistämis- standardia saavuttanut vakiintuneen aseman: X.25 pakettiverkoissa

CCITT:n X.75 suositus sekä lähiverkoissa yms. Yhdysvaltain puolus­

tusministeriön (DoD) vaatima ТСРДР. Myös ISO:n tuleva verkkoker­

ros muistuttaa suuresti DoD:n IP-protokollaa.

Suurin ongelma pakettiradioverkon liittämisessä on siinä tapahtuu sangen suuri pakettien häviäminen ja lankaverkkoa suuremmat viiveet.

Näiden vaikutus voidaan kuitenkin minimoida käyttäen sopivia protokollia.

Toinen ominainen piirre on pakettiverkon liikkuvuus ja siinä erityisesti tieto johonkin solmupisteeseen liittyvän laitteen sijainnista. Ei voida käyttää tavanomaista fyysistä osoitetta laitteelle, sillä luotettavuussyistä se on voitava kytkeä myös eri pakettiradiolaitteeseen verkon liikkuessa.

Näin täytyy ottaa käyttöön loogisen osoitteen periaate, joka tuo muka­

naan lisää reititystiedon kaltaista koko verkkoon levitettävää tietoa.

3.7 Satelliittiverkot

Erityisesti kriisiaikojen tarve toteuttaa toimintavarma viestintäjärjes­

telmä yhdessä teknologian kehittymisen kanssa on johtanut tarkempaan tutkimukseen satelliittien välillä tapahtuvasta kytkennästä. Tässä käsi­

teltävä satelliittijärjestelmä [BIND87] voi koostua muutamasta tusinasta aina useaan sataan satelliittiin saakka. Idea sinänsä on jo 10 vuotta vanha, se esitettiin ensimmäisen kerran ITC:ssä Torremolinoksessa vuonna 1979 [HERZ83],

Satelliitin korkeuden valinta vaikuttaa ratkaisevasti sen toimintaluotet- tavuuteen ja hintaan. Mitä suurempi korkeus, sitä vähemmän tarvitaan satelliitteja tietyn alueen kattamiseen halutulla redundanssilla. Kuiten­

kin satelliittien suuremmat välimatkat yhdistettynä suurempiin liiken- teenvälitysvaatimuksiin kasvattavat yksittäisen satelliitin hintaa. Li­

säksi tärkeänä seikkana on otettava huomioon se, että pienentynyt satel- liittimäärä heikentää luotettavuutta.

Kun otetaan huomioon satelliittien toiminnan kannalta tärkeimmät näkökohdat, satelliitin tehonkäytön minimointi ja väylöityksen varmis­

taminen, on pakettiperustainen liikennöinti selvästi jatkuvan kantoaallon tekniikkaa parempi. Lisäksi ympäristön suuret vaihtelut ja luotetta­

vuusvaatimukset puoltavat pakettitekniikan käyttöä. Paketeissa voidaan siirtää joko puhetta tai dataa.

Kuva 3.12 MSS (Multiple Satellite System) kaaviokuvana

Maa-asemat, jotka voivat olla joko kiinteitä tai liikkuvia, lähettävät pa­

ketit satelliitille. Satelliitti tutkii paketin osoitekentän ja reitittää sen seuraavaan kohteeseen: suoraan takaisin maahan, jos vasta-asema on ko satelliitin palvelualueella tai tyypillisemmin usean satelliitin kautta, vasta-aseman kuuluvuusalueella olevaan satelliittiin.

Liikennematriisista riippuen jotkut satelliitit voivat toimia ainoastaan satelliittien keskinäisen liikenteen välittäjinä kun taas jotkut välittävät ainoastaan paikallista maaliikennettä. Tyypillisin tilanne on kuitenkin näiden yhdistelmä, jolloin liikennematriisi ja kanavan laatu määräävät näiden suhteen.

Järjestelmän välityskyky ei ole yksiselitteisesti määriteltävissä: vaikka yksittäisen satelliitin kapasiteetti olisikin esim. 1 Mbit/s, niin siitä saa­

tava arvo N Mbit/s N:lie satelliitille ei toteudu käytännössä. Tarkka arvo riippuu liikennematriisista: satelliittien välisen liikenteen kasvami­

nen syö kokonaiskapasiteettia järjestelmältä. Samoin on muistettava se, että vaikka maa-aseman kuuluvuusalueella olisikin useampi satelliitti, se ei pysty niitä hyödyntämään samanaikaisesti.

4. TOTEUTETTUJA JÄRJESTELMIÄ

Tässä luvussa tarkastellaan lähemmin muutamaa pakettiradioverkkoa, jotka ovat olleet laajemmassa käytössä. Koska tekniikka on sangen tuo­

retta, ei etenkään kaupallisista verkoista ole saatavana yksityiskohtaisia spesifikaatioita.

Mukaan tarkasteluun on otettu ALOHA-verkko ensimmäisenä koe­

alueena, Yhdysvaltain puolustusministeriön rahoittama PRNET- kokeilu edustamaan nopeaa ja pitkälle integroitua järjestelmää sekä radio­

amatöörien pakettiverkko edustamaan laajaa ja edullista, mutta suori­

tuskyvyltään heikkoa verkkoa. Myös muutama kaupallinen järjestelmä esitellään lyhyesti.

4.1 ALOHA-verkko

4.1.1 Yleiskuvaus

Ensimmäinen laajempi tietokonejärjestelmä, joka käytti radiokanavaa kahden pisteen välisten suorien yhteyksien sijasta oli University of Hawaiim ALOHA. Laitteisto otettiin käyttöön vuonna 1971 ja siitä kehitettiin eri versioita saatujen kokemusten pohjalta.

ALOHA rakennettiin, jotta yliopiston henkilöstö, joka oli hajallaan seit­

semässä kohteessa neljällä eri saarella, pystyisi saamaan yhteyden Oahu:ssa olevaan tietokonekeskukseen. Puhelinyhteydet oli todettu kalliiksi ja epävarmoiksi. Yhteydet muodostettiin varustamalla kukin laitteisto pienellä FM-radiolla, jolla saatiin yhteys noin 30 km alueelta.

Myöhemmin, tehokkaan toistinaseman myötä, kasvoi teoreettinen kan­

tama 500 km saakka.

Kaikki liikennöinti tapahtuu ala-asemalta tietokonekeskukseen tai tieto­

konekeskukselta ala-asemalle. Kahden ala-aseman väliset yhteydet ei­

vät ole mahdollisia. Kun keskusasema vastaanottaa paketin, se ei lähetä sitä uudelleen. Näinollen ei ala-asemilla ole mahdollisuutta tietää me­

nikö sanoma perille ellei käytetä erillisiä kuittauksia.

4.1.2 Tekninen rakenne

Käytössä on kaksi kanavaa: 407,350 MHz ja 413,475 MHz. Ensinmai­

nittua käyttävät ala-asemat lähettäessään paketteja keskusasemalle ja jälkimmäistä vastaavasti keskusasema omissa lähetyksissään. Verkossa

käytetään 9600 bit/s nopeutta radiotiellä.

Verkon keskuskone on HP 2100 minitietokone nimeltään Menehune.

Tämän kautta kulkee kaikki tieto sisään- ja ulospäin keskuspaikalta.

Menehune on liitetty kahteen suurtietokoneeseen, IBM 370 ja BCC 500 sekä kahteen muuhun verkkoon, ARPANET:iin ja PACKNET:iin. Jo­

kaisella ala-asemalla on erillinen sovitin (toteutettu Intel 8080 prosesso­

rilla), joka huolehtii tiedon puskuroinnista ja uudelleenlähetyksistä.

Verkon toistimet ovat yhdellä taajuudella toimivia store-and-forward tyyppisiä laitteita. Toistin ei voi aloittaa lähetystä ennen kuin se on täy­

dellisesti vastaanottanut itse paketin. Jos Menehune lähettää uuden pa­

ketin samaan aikaan kun toistin välittää edelleen aiempaa, syntyy mo­

lempien kuuluvuusalueella törmäys ja tieto tuhoutuu. Keskusaseman onkin otettava toistimien sijainti huomioon käsitellessään lähtevien sa­

nomien jonoja.

4.1.3 Ongelmia järjestelmässä

Järjestelmä käyttää erillisiä kanavia lähetykselle ja vastaanotolla. Tämä vaikuttaa koko järjestelmän rakenteeseen laitteiston ja ohjelmiston osalta. Tutkijat ovat kuitenkin myöhemmin tulleet käsitykseen, että va­

linta oli huono. Alkuperäisenä syynä kahden taajuuden käyttöön oli tu­

levan ja lähtevän liikenteen erilainen luonne. Tuleva liikenne on sa- tunnaisliikennettä, jossa käyttäjät kilpailevat jaetun resurssin käytöstä.

Lähtevässä liikenteessä taas ainoastaan keskusasema lähettää ja siten siinä ei ole ongelmia törmäyksistä. Perusajatus on käyttää siis tulevan liikenteen kanavaa kilpavarausperiaatteella ja lähtevää kanavaa

"broadcast"-tyyppisesti, jolloin ala-asemat poimivat itselleen tarkoitetut paketit jatkuvasta viestivirrasta.

Ala-aseman lähettäessä paketin Menehune:lle on tämän lähetettävä erillinen kuittauspaketti, sillä se ei toista vastaanotettuja paketteja.

Tämä onnistuu ilman suurempia ongelmia. Vaikeampi tilanne on Menehune:n itse lähettäessä dataa ala-asemalle: ala-asema kuittaa pake­

tin kilpavarauskanavalla, jossa se voi törmätä muihin ja hävitä. Jos

Menehune ei saa kuittausta tietyn ajan kuluessa, joudutaan paketti lä­

hettämään uudelleen ja samalla tuhlaamaan kanavan siirtokapasiteettia mahdollisesti turhaan mikäli vain kuittaus on hävinnyt.

Ongelma voitaisiin kiertää siten, että kuitattaisiin kuittauspaketit (tässä on muistettava lähtevän ja tulevan kanavan tyyppiero). Tätä menettelyä ei kuitenkaan käytetä. Sitävastoin Menehune numeroi lähtevät paketit ja lähettää uuden vasta saatuaan kuittauksen edellisestä. Nyt ala-asema tietää kuittauksen menneen perille saadessaan uuden paketin kes­

kusasemalta.

Vaikka siirtonopeus radiotiellä on 9600 bit/s voi verkkoon liitettyinä ohjeislaitteina olla hitaita ( 300 bit/s ) kirjoittimia. Verkkopäätteessä onkin mahdollisuus tiedon puskurointiin rajoitetusti (muutama paketti).

Keskusaseman on kuitenkin pidettävä kirjaa oheislaitteen nopeudesta, jottei se lähettäisi enempää merkkejä kuin kirjoitin pystyy tulostamaan.

Toinen vaihtoehto olisi kuitata paketti vasta kun se on kokonaan tulos­

tettu, mutta tällöin saattaisi syntyä laitteen joutokäyntiä, jos kuittaus- paketti ei mene välittömästi läpi törmäysten vuoksi.

4.2 DARPA PRNET

4.2.1 Yleistä

Vuonna 1973 aloitti USArssa Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) tutkimuksen, jonka tarkoituksena oli selvittää paket­

tikytkentäisen radiokanavalla tapahtuvan store-and-fonvard tyyppisen yhteyskäytännön soveltuvuutta luotettavaan tiedonsiirtoon. Työn moti­

vaationa oli tarve saada kehitettyä liikkuvia tietokoneita ja päätelaitteita varten tietoliikenneverkko ja tarjota näille liitäntämahdollisuus kiin­

teään verkkoon. Pakettiradio tarjoaa tähän tehokkaan vaihtoehdon eri­

tyisesti ryöppyisässä liikenteessä käyttäessään kilpavarausperiaatetta kanavahallinnassa. DARPArn Pakettiradiokoeverkko (PRNET) on toi­

minut yli 15 vuotta ja osoittaunut toimivaksi ja luotettavaksi. Verkko on kehittynyt askeleittain toimintansa aikana: uusia algoritmeja on kehitetty ja uusia laiteratkaisuja on tullut käyttöön.

4.2.2 Laitteisto

Nykyisin on käytössä olevaa laitemallia kutsutaan nimellä LPR, Low- Cost Packet Radio. Sen suunnittelussa on ollut tavoitteena kehittää laite, jota voidaan valmistaa suuria määriä kohtuullisin kustannuksin, mutta kuinten sovittaa erityistarpeiden mukaan sekä joustavasti erilaisissa verkkokokeiluissa.

LPR sisältää digitaaliohjatun hajaspektriradion sekä mikroprosesso- riohjatun pakettisolmun. Se sisältää tyypillisen pakettiradiolaitteen ta­

paan OSI-mallin kolme alinta kerrosta: verkko-, siirtoyhteys- ja fyysisen kerroksen.

Lähetysteho: 5W

Taajuusalue: 1718,4- 1840 MHz Kanavia: 20 kpl 20 MHz leveitä Kanavaerotus: 6,4 MHz

Modulaatiotyyppi: satunnaiskohinaan perustuva suora hajaspektri (DSPN)

Modulaatiolaji: minimum shift keying (MSK) Datanopeus: 12.8 Mchips/s (MCPS)

LPR:n suurtaajuusosan tärkeimmät ominaisuudet [FIFE87]

LPR pystyy mukautumaan etenemisolosuhteisiin ja kanavan kuormituk­

seen muuttamalla osaa toimintaparametreistaan. Näitä ovat virheen- koijauksen laatu (FEC), monitie-etenemisen aikavaihtelut, tiedonsiirto­

nopeus sekä lähetysteho. Tarvittaessa voidaan radiolle ladata uudet pa­

rametrit tai jopa koko ohjelmisto uudelleen radiokanavaa käyttäen.

Radioliitännän lisäksi on LPR:ssä HDLC-perustainen sarjaliityntä isän­

täkoneeseen. Tämä vaaditaan jo senkin takia, että isännän on huoleh­

dittava kommunikointiprotokollan ylemmistä kerroksista.

4.2.3 Reititys

PRNET:ssä on täysin hajautettu verkon reititystiedon hallinta. Jokainen solmu kerää ja ylläpitää riittävästi tietoa verkon topologiasta, jotta se voi itsenäisesti päättää tiedon välitysreitistä mihin tahansa määränpää­

hän jo ennenkuin sille annetaan paketti lähettäväksi tai välitettäväksi.

Tietoa verkon rakenteesta pidetään kolmessa taulukossa:

• naapuritaulu

• etäisyystaulu (tiertable)

• laitetaulu

Nämä taulukot muodostetaan, kun pakettiradiolaite otataan käyttöön.

Niitä päivitetään automaattisesti verkon topologian muuttuessa. Reiti­

tystä on yksityiskohtaisemmin kuvattu lähteessä [JUBI87].

Naapuritaulu:

Kun pakettiradio käynnistetään ja protokollaohjelmisto on ladattu muis­

tiin, ryhtyy se välittömästi luomaan ja ylläpitämään paikallista kytkey- tymistietoa. Aina kun laite on toiminnassa, se lähettää aina 7,5 sekun­

nin välein reititystietopaketin (PROP, Packet Radio Organization Packet), jossa se välittää tiedon olemassaolostaan ja oman näkemyk­

sensä verkon topologiasta. Heti käynnistämisen jälkeen laite ei tieten­

kään tiedä mitään muista asemista, joten se ainoastaan välittää tiedon it­

sestään. Naapurisolmut vastaanottavat PROP:n ja päivittävät sen tie­

doilla omia taulukoitaan. Kun solmu ryhtyy välittämään liikennettä verkoon, käytetään myös näitä paketteja taulukon ylläpitoon.

Naapuritaulussa ylläpidetään pelkän listan lisäksi myös tietoa yhteysvä­

lin laadusta kunkin solmun kanssa. Tämä tapahtuu laskemalla 7,5 se­

kunnin aikavälissä kuultujen pakettien lukumäärä. Tämä lähetetään yhtenä tietona PROP-sanomassa. Jos esimerkiksi solmu on lähettänyt 80 pakettia ja vasta-asema kuulluut niistä 50, niin tämän yhteyden hy­

vyydeksi saadaan 5/8. PROP-paketin mahdollinen katoaminen on myös otettu huomioon tallentamalla edelliset laskuriarvot.

Yhteyden hyvyysarvot tasoitetaan ja yhteysvälin tulkinnassa käyttö­

kelpoiseksi käytetään hystereesiä tilanvaihdon yhteydessä. 100 ja 400 kbit/s nopeuksille pidetään erillisiä taulukoita. Naapuritaulussa on siis kaikki solmun keräämä tieto pakettiradioista, jotka ovat yhden hypyn päässä siitä. Jos solmu siirtyy toiseen paikkaan, uudet kytkennät selvi­

tetään dynaamisesti käyttäen samoja menetelmiä.

Etäisyystaulu:

Reititys PRNET:ssä perustuu siihen, että jokainen solmu ylläpitää tietoa siitä, mille naapurille pitää välittää kuhunkin muuhun solmuun tarkoi-

lettu paketti. Saadessa topogiatietopaketin (PROP) suoraan joltain sol­

multa, voi pakettiradio asettaa sen etäisyydeksi 1 itsestään ja välittää tiedon eteenpäin seuraavassa itse lähettämässään PROP:ssa. Tämän taas kuulevat jälleen uudet asemat, jotka voivat päätellä olevansa etäi­

syydellä 2 alkuperäisestä solmusta. Etäisyystaulukon englanninkielinen nimi, "tiertable", kuvaa varsin osuvasti tilannetta: tier on suoraan kään­

nettynä vyöhyke tai kerros. Näin tieto leviää koko verkkoon keskimää­

rin 3,75 sekunnin nopeudella kerrosta kohden.

Solmun N reititystaulukko

solmu reitti etäisyys

N N 0

M N 1

P P 1

L M 2

Q M 2

Kuva 4.1 Esimerkki solmun N etäisyystaulukosta (vrt. kuva 42) Etäisyystaulukon tarkoituksena on aina sisältää "paras" reitti haluttuun pakettiradiosolmuun. "Paras" on määritelty olemaan vähiten hyppyjä sisältävä reitti, jossa yhteys joka hypyllä luokitellaan hyväksi. Tästä syystä etäisyystaulukkoa päivitetään vain tiettyjen edyllytysten valli­

tessa. Päivittäminen vaatii etäisyystaulukossa sekä välitysreitin että etäisyysluvun tutkimista. Katsotaan asiaa esimerkin avulla: solmu N vastaanottaa solmun M lähettämän PROP:n. Jotta jokin reitti päivitet­

täisiin M:n kautta kulkevaksi, täytyy ensinnäkin yhteysväli M-N olla hyvälaatuiseksi luokiteltava. Sen lisäksi tulee mikä tahansa seuraavista ehdoista täyttyä:

• kohteelle ei ole ennestään reititystietoa

• uuden reitin etäisyysluku on pienempi kuin nykyinen

• myös nykyinen reitti kulkee M:n kautta

Jos yhteyden laatu naapurisolmuun tippuu, merkitään myös etäisyystau- lussa kaikki tätä kautta kulkeneet reitit huonoiksi. Tämä merkitsee sitä, että solmu etsii uuden reitin kohdesolmuun, vaikka se olisikin pidempi kuin kyseisen naapurin kautta kulkenut. Samalla tavalla kuin tieto toimivista yhteyksistä, niin myös tieto katkenneista yhteysväleistä välittyy PROP:n mukana. Tämänkin tiedon järjestelmällinen levittämi­

nen on tärkeää verkon toimivuuden kannalta. Mikäli muuttunut reiti­

tystieto ei tavoita kaikkia lähisolmuja, on protokollassa mahdollisuus katkaista mahdollisesti syntyvät silmukat ja varmistaa, ettei vanhentunut tieto pysty kumoamaan tuoreempaa.

Myös etäisyystaulujen ylläpitoon käytetään tietopakettien otsikkoken­

tistä saatavaa infomaatiota. Suurilla liikennekuormilla tämä suuresti pa­

rantaa verkon sopeutumisaikaa nopeasti muuttuvaan topologiaan.

Laitetaulu:

Laitteiden sijoittuminen verkkoon voi muuttua dynaamisesti. Siis esi­

merkiksi tietokone voidaan liittää mihin tahansa verkkosolmuun ilman, että sitä tarvitsee manuaalisesti päivittää ko. laitteiden käyttäjille. Jotta pakettiradiolaitteella olisi tiedossa mitä siihen on liitetty, lähettää kyt­

ketty päätelaite säännöllisen määräajoin lankaliitäntää pitkin ohjauspa­

ketin. Saatuaan tiedon liitetystä laitteesta pakettiradio lähettää sen edelleen PROP-sanomassa ja näin tieto leviää koko verkkoon keski­

määrin nopeudella 3,75 sekuntia/kerros. Myös laitetietoa kerätään in­

formaatiopakettien otsikkotiedoista. Näin kaikki verkon solmut ovat tietoisia mihin pakettiradiolaitteeseen kukin looginen laite on kytketty.

1,2 ovat päätelaitteet

L,M,N.P,Q ovat verkkosolmuja

Kuva 4.2 Pakettiradioverkkoon kytketyt päätelaitteet

Verkon käyttäytymistä päätelaitteen sijaintipaikan muuttuessa voidaan tarkastella oheisen kuvan mukaisessa tilanteessa: Kun laite 1 haluaa kommunikoida laitteen 2 kanssa, se lähettää yhteydenmuodostus- pyynnön lankalinjaansa pitkin liitetylle pakettiradiosovittimella L. Tä­

män tutkii laitetaulukkoaan ja havaitsee laite 2:n olevan pakettiradio N:n yhteydessä. Yhteys muodostetaan käyttäen etäisyystaulukossa ole­

vaa reittiä N:lie. Toiminta ei näy mitenkään käyttäjälle tai laitteelle 1.

Jos laite 2 siirtyykin jonkin toisen solmun yhteyteen, niin solmu N hyl­

kää sille tulleet paketit, koska ei ole kerrosmallin mukaista muuttaa rei­

titystä tällä tasolla. Tieto uudesta sijaintipaikasta päivittyy aikanaan

L:lle, jossa verkko- ja kuljetuskerroksen protokollat (IP ja TCP) huo­

lehtivat pakettien uudelleenlähettämisestä aikavalvontojen umpeudut­

tua.

Yksittäisten laitenimien lisäksi PRNET taijoaa yleisiä loogisia tunnuk­

sia. Näitä voidaan käyttää esimerkiksi yhdyskäytävien ja nimipalveli­

joiden kutsumiseen. Verkossa voi olla samalla yleisnimellä useita fyy­

sisiä palvelupisteitä, jolloin pyynnöt ohjataan aina laitetta lähimpänä olevalle.

4.3 Radioamatööriverkko

4.3.1 Yleistä

Radioamatööriverkon tavoitteena on ollut muodostaa pienillä kustan­

nuksilla kohtuullisen vaatimattomaan suorituskykyyn perustuva verkko.

Perusideana on ollut se, että amatööri on yleensä jo valmiina käytössään HF- tai VHF-alueen radiolähetin sekä pääte tai pääte-emulaattorilla va­

rustettu mikrotietokone. Näiden väliin on suunniteltu erillinen sovitin- laite, TNC Terminal Node Controller), joka vastaanottaa päätteeltä asynkronisesti lähetetyt merkit, muodostaa niistä paketin ja toimii mo­

deemina. TNC:n ulostulo voidaan kytkeä suoraan lähettimen mikrofo­

niin ttimeen. Siirtonopeudet ovat normaalikäytössä 1200 tai 300 bit/s radiotiellä.

Amatööriverkossa käytetään lähinnä ainoastaan fyysisen ja siirtoyhteys­

kerroksen protokollia. Siirtoyhteyskerros muistuttaa läheisesti CCITT:n X.25 suositusta muutamin laajennuksin: osoitekenttiä on pidennetty ja mukana on broadcast-sanomille tarkoitettu pakettityyppi. Paketissa on mahdollisuus alkeelliseen reititykseen: osoitekentässä voidaan luetella enintään 7 asemaa, jotka toistavat lähetetyn paketin listan edellyttä­

mässä jäijestyksessä. Kuitenkin siirto ja sen kuittaukset tapahtuvat ketjun päästä päähän, mikä aiheuttaa turhaa kuormitusta paketin huk­

kuessa matkalle: tällöin se on lähetettävä uudelleen koko ketjun läpi.

4.3.2 Laitteisto

Yleisimmin käytössä oleva TNC on alunperin erään yhdysvaltalaisen yhteisön kehittämän Z80 CPU:lle perustuva malli. Laitetta valmistaa kaupallisesti usea toiminimi ja niitä on saatavana alle 1000 mk hintaan.

RS-232 TTL-toso

sarjaliitäntä tangentti

32 kB SRAM+

32 kB EPROM

+ 12V

modeemin liitäntä

Z80 CPU

vahtikoira

NRZI- kooderi

AFSK-

AFSK demod.

liitäntäpiste radioon

Kuva 4.3 TNC-2:n lohkokaavio

Laitteessa voidaan yksinkertaisen tietokoneosuuden lisäksi erottaa HDLC-piiri sekä modeemi. Modeemi on toteutettu kustannusten pie­

nentämiseksi PLL-vaihelukkopiirillä sekä funktiogeneraattoripiirillä.

Nämä kykenevät käsittelemään Bell 102 ja Bell 202 modeemistandar- dien mukaisia taajuuksia. Siirtonopeudet ovat vastaavasti 300 ja 1200 bit/s. Pakettiliikenteestä huolehtii Z80-perheen HDLC-piiri, jota ennen on sijoitettu tilakoneeseen perustuva kellonerotuskytkentä: liikennöinti radiotiellä tapahtuu synkronisena käyttäen NRZI (No Return to Zero Inverted) koodausta.

TNC sisältää ainoastaan 32 kB ohjelmamuistia (ERPOM) ja toiset 32 kB käyttömuistia (SRAM). Näin siihen ei voida tehdä kovin monimut­

kaisia protokollia, toisaalta taas CPU:n tehokin tulee rajoittavaksi teki­

jäksi. Pemsohjelmisto pystyy maksimissaan 9600 bit/s nopeuteen.

Laitteelle on tämän lisäksi erilaisia lähinnä verkkosolmukäyttöön tar­

koitettuja ohjelmia. Eräissä näissä on TNC:lle jätetty ainoastaan fyysi­

sen kerroksen sovittaminen ja siirtoyhteyskerroksen protokolla hoide­

taan saijaliitynnän välityksellä isäntätietokoneessa.

4.3.3 Protokollat

AX.25

AX.25 [FOX84] on radioamatööriverkon siirtoyhteystasolla käytetty protokolla. Se pohjautuu CCITT:n X.25 suositukseen sillä erotuksella, että kaksi radioamatööritoiminnan ja radiokanavan käytön vaatimaa piirrettä on lisätty: osoitekenttää on pidennetty sekä lisätty UI (Unnumbered Information) paketti tyyppi. Tätä käytetään broadcast- tyylisiin lähetyksiin. Lisäksi on soveltuvin osin seurattu suositusta Q.921 (LAPD) useiden samanaikaisten yhteyksien (loogisten kanavien) muodostamisen osalta. Protokolla perustuu oletukseen, että molemmat osapuolet ovat tasavertaisia yhteydenmuodostuksessa, eikä siis isäntä- orja ajatteluun kuten usein siirtoyhteyskerroksen kyseessäollen.

Protokolla perustuu kanavan kilpavaraukseen (CSMA). Koska laitteita ei ole optimoitu pakettiradiokäyttöön, ovat kytkeytymisajat lähetyksestä vastaanottoon ja päinvastoin pitkiä. Samoin usein käytetään voimak­

kaasti suuntaavia antenneja ja suuria lähetystehoja. Nämä kaikki ai­

heuttavat runsaasti pakettien törmäämisiä, jolloin kanavan välityskyky laskee havaittavasti.

Ylemmät protokollatasot

AX.25:n käytöstä siirtoyhteyskerroksella ollaan sangen yksimielisiä.

Sen sijaan ylemmät kerrokset ovat vielä avoimina. Sangen laajalle on levinnyt Software 2000 Inc.:n kehittämä Net/Rom, joka on TNC-2:n va- rusohjelman erikoisversio. Tämä toteuttaa verkko- ja kuljetuskerroksen palvelut verkossa ja Net/Rom-verkkoon voidaan liittyä perus-TNC:tä käyttäen. Verkko osaa mukautua yhteyksien muutoksiin, mutta ainoas­

taan 1/2 - 2 tunnin viiveellä.

ТСРЛР

TCP/IP:tä on jossain määrin kokeilu. Vaikka se tarjoaakin hyvät mah­

dollisuudet muihin verkkoihin liittymiselle, niin sen käyttö vaatisi pa­

remman palvelutason saavuttamiseksi nykyistä nopeampia modeemeita.

Erityisesti amatöörikäyttöön on tehty net-niminen ohjelma, joka toimii IBM PC:ssä ja monissa muissa mikrotietokoneissa. Ohjelman avulla voi TNC2:ta ja KlSS-ohjelmaa käyttäen toimia TCP/IP solmuna. Siirto­

yhteyskerroksella käytetään AX.25 paketteja.

Amatööreille on varattu oma А-luokan verkkonsa ARPA/Internetistä, IP-osoitteet 44.0.0.0. Tämä on edelleen jaettu eri maihin, USA:ssa on käytössä alue 44.1.0.0 - 44.127.0.0 ja esimerkiksi Suomessa 44.139.0.0 (0 merkitsee näissä mitä tahansa lukua väliltä 1-255). Näin voitaisiin liittyä esimerkiksi ARPA-verkon pohjalle toteutettuun Internetiin (Yhdysvaltain tutkimus ja korkeakouluverkko), mikäli telehallinto tähän suostuisi.

4.4 Meteorisirontajärjestelmät

4.4.1 Yleistä

Ilmakehään tulevien pienten meteorien ionisaatiovanoista heijastuvia radiosignaaleita voidaan käyttää tiedonvälitykseen. Tälläinen järjes­

telmä on sangen yksinkertainen, suhteellisen halpa ja se toimii etäisyyk­

sillä 400 - 2000 km keskusasemasta. Yhteydensaanti onnistuu säännöl- jardia meteoria satunnaisesti jakautuen. Muutaman kerran vuodessa

(sangen säännöllisesti vuoden välein) on suurempia meteorisateita kuten Kvadrantidit, Geminidit tai Perseidit. Vain hyvin pieni osa meteori- vanoista on silmin nähtävissä.

Keskusasema Ala-asema

Kuva 4.4 Meteorisirontayhteyden periaate