Langaton tiedonsiirto Sisältö: 1. Matkaviestinjärjestelmät 2. Radio- ja TV-tekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto 4. Langattomat tietoverkot 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 1 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 1 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 2 2 1. Matkaviestinjärjestelmät 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 3 -Matkaviestintekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä. Yleensäkin langattomat sovellukset valtaavat alaa joka puolella. -Suomi on matkapuhelintekniikassa edelläkävijä 3 Peruskäsitteitä • Perusidea on päätelaitteiden liikkuvuus 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 4 •Matkaviestinjärjestelmä tarkoittaa matkaviestinverkon ja matkaviestinten muodostamaa tietoliikennejärjestelmää. •Matkaviestintä (mobile communication) tarkoittaa langatonta viestintää, 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. 4 Solukkoverkko 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 5 Solukkoverkkojen rakenne: -solukkoverkko koostuu soluista -solu on tukiaseman muodostama radiopeittoalue -solujen koot ja muodot vaihtelevat ympäristön ja liikennetarpeiden mukaan 5 Solukkoperiaate • samaa taajuutta toistetaan mahdollisimman usein, mutta häiriöitä välttäen • tukiasemapaikalla voi olla useita soluja 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 6 •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. 6 • Matkapuhelinverkoissa käyttökelpoisia taajuuksia on vain pieni osa sähkömagneettisen spektrin koko kaistasta • Käytössä ovat lähinnä VHF- ja UHF-alueet 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 7 •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 7 Monitie-eteneminen 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 8 •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. 8 Handover 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 9 •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. 9 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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 10 •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. 10 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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 11 •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. 11 Monikäyttötekniikat Monikäyttötekniikoita tarvitaan, jotta saadaan suuri joukko käyttäjiä mahtumaan samalle rajalliselle taajuuskaistalle (vrt. siirtotekniikassa kanavointi). Kolme käytetyintä tekniikkaa ovat FDMA, TDMA ja CDMA. 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 12 •FDMA eli taajuusjakoinen monikäyttö tarkoittaa 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 monikäyttö tarkoittaa 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 hajaspektrimonikäyttö käyttää 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 taajuushyppelymonikäyttö on digitaalinen menetelmä, jossa käyttäjien taajuuksia vaihdellaan nopeassa tahdissa laajalla radiokaistalla. Esim. Bluetooth käyttää FHMA:ta. •CDMA:ssa eli koodijakoisessa monikäytössä signaali 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 tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana. Esim. UMTS-järjestelmässä käytetään CDMA:ta. 12 Laskutus • 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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 13 •Vastaanottomaksu on määrätty, koska matkapuhelimeen soittaja ei voi tietää, missä puhelin on liikkeellä. Tällöin ei myöskään