-Langaton tekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä.

Transkriptio

1 1

2 -Langaton tekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä. Yleensäkin langattomat t sovellukset valtaavat t alaa joka puolella. ll -Keskustelua ryhmissä: Mieti Oulun seudulla toimivia yrityksiä, jotka toimivat langattoman tekniikan alalla Mitä nämä yritykset tuottavat? Millaisia työtehtäviä näissä yrityksissä on? 2

3 Opettajan oma materiaali on pdf-muodossa tietoliikennelaboratorion kotisivulla. Materiaali on luonteeltaan lt luentorunko, jota täydennetään tää luennoilla lisämuistiinpanoilla ja laskuharjoituksilla. 3

4 1. Johdanto langattomiin järjestelmiin 1.1. Langattoman tekniikan historiaa 1.2. Matkapuhelinjärjestelmien kehityspolku Keskeisiä käsitteitä ja ominaisuuksia 1.4. Järjestelmien osat 2. Radioaaltojen käyttö langattomissa järjestelmissä 2.1. Radiotaajuudet Radioaaltojen eteneminen 2.3. Langattomissa järjestelmissä merkittävät ilmiöt 3. Radiorajapinnan ominaisuuksia 3.1. Monikäyttötekniikat 3.2. Tehonsäätö 3.3. Yleisimmät modulaatiomenetelmät langattomissa järjestelmissä 3.4. Diversiteettitekniikat 3.5. Virheenkorjaus ja ilmaisu 4. Langattomissa järjestelmissä käytettävät antennit 5. Verkkosuunnittelu 6. Turvallisuuskysymykset 6.1. Tietoturvallisuus 6.2. Häiriöt 6.3. Säteilyturvallisuus 4

5 Pohdintaa: Mieti missä kaikessa tarvitset langatonta tiedonsiirtoa päivittäin Miksi kaikki tiedonsiirto ei voi tapahtua langattomasti? 5

6 Langattomat teknologiat: Matkapuhelinverkot Langattomat laajakaistatekniikat Yleisradio- ja TV-verkot Lyhyen kantaman radiotekniikat Satelliittitekniikat Muut 6

7 Häiriöt: radiolähetystä ei voida suojata häiriötä vastaan kuten kaapeleissa tapahtuvaa lähetystä Taajuuksien säätely: taajuudet toimivat rinnakkain ja vain pieni osa taajuuskaistasta on käyttökelpoista ja muuten käytettävissä Alhainen kaistanleveys ja siirtonopeus: langattomien järjestelmien suurimmat nopeudet ovat korkeintaan muutaman 10 Mb/s Suuret viiveet ja niiden vaihtelut: langattomien järjestelmien radiotiestä johtuvat viiveet ovat vielä suurempia kuin TCP/IP-protokollien aiheuttamat Radiorajapinnan turvallisuus: radiorajapinta on periaatteessa aina altis salakuuntelulle. Tämä aiheuttaa järjestelmille raskaita salaus-, autentikointi- ja muita turvallisuusmekanismivaatimuksia Jaettu siirtotie: siirtotie jaetaan aina useamman käyttäjän kesken, mikä rajoittaa yhden käyttäjän saamaa kapasiteettia Pohdi kumpi järjestelmä on kalliimpi ja mikä hintaan vaikuttaa? 7

8 Italialainen keksijä Marconi rakensi luvun lopulla laitteet, joilla voitiin lähettää ja vastaanottaa sähköisiä signaaleja ilmateitse lyhyeltä matkalta. Tosin nykytietämyksen mukaan venäläinen Alexander Popov pystyi ensimmäisenä luomaan radioyhteyden kahden pisteen välille. Kokeensa Popov teki Kotkassa. Marconin panos langattoman viestinnän tutkijana on kuitenkin niin merkittävä, että häntä voidaan pitää alan uranuurtajana. Jo vuonna 1901 Marconi onnistui vastaanottamaan valtameren yli lähettämänsä signaalin. Näin luotiin pohja langattomalle lennättimelle ja radiolähetyksille. Marconi sai keksinnöistään Nobelin palkinnon vuonna Tässä vaiheessa tietoa siirrettiin vielä morsettamalla eli radiolähetystä katkomalla (huom: datansiirtoa!) Photophone In 1880, Alexander Graham Bell transmitted the first wireless telephone message on his newly-invented photophone. The photophone worked by projecting his voice through an instrument towards a mirror. The vibrations in the voice caused similar vibrations in the mirror. Bell directed sunlight into the mirror, which captured and projected the mirror's vibrations. The vibrations could be deconstructed back into sound at the receiving end of the projection. In this way the photophone functioned similarly to the telephone; the difference was that the photophone used light as a means for projecting the information, while the telephone used electricity. Ensimmäisen "yleisradiolähetys" tapahtui jouluaattona Moduloinnin kehittäjä Reginald Hessenden, joka oli askarrel1ut langattoman puhelimen parissa, soitti viulullaan Adolphe Adamin "Oi Jouluyön" ja hämmästytti kaikki radiosähköttäjät pohjoisella Atlantilla. Ensimmäiset radiopuhelimet suunniteltiin ja valmistettiin sotilaskäyttöön 1900-luvun alkupuolella. Ne olivat painavia ja hankalia käyttää. Ne oli tarkoitettu lähinnä kahden pisteen välisiin yhteyksiin. Toisen maailmansodan aikana oli jo käytössä useita eri radiopuhelintekniikoita. Varsinaiset radiopuhelinverkot yleistyivät 1950-luvulta lähtien, aluksi ne olivat suljettuja verkkoja pienten käyttäjäryhmien käytössä. Käytössä oli kirjava valikoima lk erilaisia taajuusalueita ja standardeja. 8

9 1G (alkaen n. 1980): analogiset (tai puolianalogiset) verkot, joissa pääpaino oli puheen ja siihen liittyvien i palveluiden l välityksessä. ssä Verkot olivat kansallisia ja standardeja d oli lukuisa määrä (esim. NMT ja AMPS). Standardien kansallisesta luonteesta johtuen verkot eivät olleet yhteensopivia. Matkaviestintä oli vain langallisen viestinnän sivutuote. 2G (alkaen n.1990): haluttiin globaali verkko, joka olisi joka paikassa yhteensopiva. Poliittisista syistä tämä ei täysin toteutunut vaan syntyi useita digitaalisia verkkostandardeja (esim. TDMA ja GSM). Näistä on GSM laajimmalle levinnyt ja suuri kaupallinen menestys. 2Gverkot sisältävät jo kehittyneitä datapalveluita ja monipuolisia lisäpalveluita perinteisen puhepalvelun l lisäksi. 3G (alkaen n. 2001): kolmannen sukupolven odotettiin täydentävän verkkojen globalisaation, silti vaikeuksia on jo näkyvissä. Näillä näkymin 3G-verkot tulevat suurimmaksi osaksi perustumaan UMTS-tekniikkaan. Tämä johtuu siitä, että GSM on levinnyt järjestelmänä laajimmalle ja siihen on tehty eniten investointeja. Tehtyjä investointeja halutaan hyödyntää ja rakentaa uutta verkkoa rinnan entisen kanssa. UMTS-verkossa voidaan hyödyntää useita GSM-verkon olemassaolevia komponentteja. 4G (alkaen n. 2010) on yleisnimitys matkapuhelintekniikoille, jotka tulevat kolmannen sukupolven jälkeen. 4G on yhdistelmä erilaisia verkkoja, jossa 3G:n eri versiot (LTE), GSM, WLAN ja muut järjestelmät yhdistetään yhdeksi virtuaaliseksi verkoksi, jonka kautta tarjotaan IP-pohjaisia palveluja. Neljännen sukupolven langattomassa verkossa on datasiirtotien nopeudet arvioitu 100 Mbit/s (latausnopeus) ja 20Mbit/s (lähetysnopeus). ITUn määritelmä 4G:n nopeuksista poikkeaa tästä huomattavasti, latausnopeus paikallaan 1Gbit/s ja 100Mbit/s liikkuessa. Pääpaino on sisällössä, joka on 4G:ssä tekniikkaa tärkeämpää. Käyttäjän ulottuville tuodaan arvoa tuovia palveluja, l joita on mahdollista käyttää kaikkialla. 9

10 Analogiset järjestelmät edustavat matkapuhelinverkkojen ensimmäistä sukupolvea. Vielä aikaisempaa is tekniikkaa edustavat t käsivälitteiset älitt is t verkot, kuten esim. suomalainen ARP-verkko (0:s sukupolvi). Digitaaliset järjestelmät luetaan kuuluviksi matkaviestinverkkojen toiseen sukupolveen. Kolmannen sukupolven järjestelmiä ovat laajakaistaiset monipalveluverkot, kuten UMTS. Niistä käytetään nimitystä 3G (eli 3. Generation) 10

11 11

12 Mitä eroa on paikantamisella ja sijainnin seurannalla? 12

13 Pohdinta: esitä esimerkkejä näistä kolmesta eri vaihtoehdosta Full duplex: Half duplex Simplex 13

14 Pohdinta: Vertaile handoverin toimintaa erilaisissa verkoissa 14

15 15

16 Seuraavalla sivulla tarkastellaan tarkemmin langatonta digitaalista tietoliikennejärjestelmää t j lmää ja sen toimintalohkoja t 16

17 Lohkojen toiminta: Lähteen koodaus ja dekoodaus (source encoder ja decoder): Salaus ja salauksen purku (encryption ja decryption): Kanavakoodaus ja koodauksen purku (channel encoder ja decoder): Monikäyttö ja sen purku (multiplex ja demultiplex): Pulssin muotoilu ja ilmaisu (pulse forming ja detection): Modulointi ja demodulointi (modulator ja demodulator): Taajuuden levitys ja levityksen purku (frequency spreading ja despreading): Kanava (channel): 17

18 Modernien matkapuhelinverkkojen (esim. GSM ja UMTS) rakenne on huomattavasti monimutkaisempi is m i kuin kuvassa esitetty tt perusrakenne. Verkossa on näiden peruskomponenttien lisäksi paljon erilaisia komponentteja, kuten tukiasemaohjaimia, erilaisia palvelualustoja, tietorekistereitä yms. Yleisten matkaviestinverkkojen (Public Land Mobile Network, PLMN) palvelut ovat kaikkien saatavilla. Tunnetuimpia PLMN-verkkoja Euroopassa ovat NMT- ja GSMverkot. Kiinteässä puhelinverkossa (PSTN) päätelaitteiden hallinta ja puheluiden muodostus on helppoa, koska päätelaitteet on yhdistetty kiinteillä johdoilla verkkoon. Matkaviestinverkossa yhteyksien muodostaminen on huomattavasti mutkikkaampi tapahtuma, koska päätelaitteet voivat liikkua vapaasti koko verkon alueella. Alueeseen kuuluvat myös muiden operaattoreiden verkot, joihin on mahdollista vaeltaa tilaajaksi. Tätä kutsutaan roamingiksi. Tämän vuoksi on tilaajan liikkuvuuden hallinta eräs tärkeimmistä matkapuhelinverkon tehtävistä. Yhteyden muodostamisessa tarvitaan tietoa tilaajan sijainnista. Tietoa vaihdetaan kotiverkon ja palvelevan verkon välillä yhteiskanavamerkinantoa käyttäen. Mieti millaisia päätelaitteita matkaviestinverkoissa voi olla? 18

19 Verkkotopologiat: Yksinkertaisimmassa tapauksessa joukko laitteita, joissa on esim. WLAN-adapteri ja jotka ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, muodostavat itsenäisen verkon (ad-hoc verkko). Jos asemien välinen etäisyys kasvaa liian suureksi, verkkoyhteys katkeaa. Kun asemat palaavat kantaman sisälle, muodostuu yhteys uudelleen muutamassa sekunnissa. Käyttämällä tukiasemaa toistimena, voidaan itsenäisen verkon kantamaa kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi. Infrastruktuuri-verkot: Infrastruktuurimuodossa yksi asemista toimii tukiasemana, jonka kanssa muut asemat keskustelevat. Tukiasemana voi toimia tavallinen tietokone tai erillinen tukiasemalaite. Useista tukiasemista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa, muodostuu langaton lähiverkko. Verkko ei yleensä kuitenkaan ole täysin langaton, vaan tukiasemat ovat kiinni perinteisessä lähiverkossa ja niiden välinen liikenne siis kulkee kaapelissa (yo. kuva) On olemassa myös ratkaisu, joka on yleisessä käytössä ja usein teleoperaattorin operoima. Verkko voi peittää laajojakin alueita, mutta silloin tarvitaan paljon tukiasemia. Langattomien lähiverkkojen käyttämillä korkeilla taajuusalueilla ei voida muodostaa suuria peittoalueita, n. 1 km tukiasemasta laitteeseen on lähellä maksimia. 19

20 Vaihtoehtoja lyhyen kantaman radiojärjestelmien verkkorakenteille: Point-to-point: Point-to multipoint: Mesh: 20

21 21

22 Langattomissa järjestelmissä yleisimmin käytetty siirtotie on radiotaajuinen signaali. Sen vuoksi tässä luvussa keskitytään tää radioaaltojen ominaisuuksiin. is Muita langattomia tekniikoita ovat : Infrapunasäteily Valosignaalin käyttö 22

23 Radioaalto on sähkömagneettista säteilyä. Sähkömagneettinen säteily on poikittaista aaltoliikettä, joka etenee suoraviivaisesti tyhjiössä valon nopeudella Sähkömagneettisen tasoaallon edetessä sähkö- ja magneettikenttä sykkivät samanvaiheisina kohtisuorassa sekä toisiaan että etenemissuuntaa vastaan Sykkimisen taajuus on f ja aallonpituus on λ=c/f Laskutehtäviä: Muuta taajuudet aallonpituuksiksi: 947 MHz 2,4 GHz 10 Hz Muuta aallonpituudet taajuuksiksi: 997 mm 4,7 μm 3 m 23

24 Aallonpituuden tai taajuuden perusteella sähkömagneettisen säteilyn spektri jaetaan osa- alueisiin yo. kuvan perusteella Ultraviolettisäteily ja sitä lyhytaaltoisempi säteily pystyvät molekyylien ionisoimiseen eli ne ovat ionisoivaa säteilyä. Radioaallot vain lämmittävät biologisia materiaaleja. Vain pieni osa sähkömagneettisesta spektristä on käyttökelpoista langattomiin järjestelmiin. Niissä käytetään radiotaajuista säteilyä ja osaa mikroaaltotaajuisesta säteilystä. 24

25 Maan sisäinen taajuusjako on kunkin maan sisäinen asia. Esim. Suomessa Viestintävirasto (entinen Telehallintokeskus) jakaa radiotaajuudet Liikenneministeriön päätösten mukaisesti. Voimassaoleva taajuusjako Suomessa löytyy -sivuilta. Kotitehtävä: Etsi Ficoran sivuilta voimassaolevat 1800 MHz:n taajuusluvat 25

26 Lisensoimatonta taajuuskaista käyttävän järjestelmän täytyy olla sellainen, ettei se häiritse its kaistan muita käyttäjiä. Sen vuoksi lähetystehot h t näillä kaistoilla ill pidetään yleensä pieninä. Järjestelmien toiminnan täytyy olla hyvin virhesietoista, koska aina on mahdollisuus häiriöön muista kaistan käyttäjistä johtuen. Tämän vuoksi on kehitetty paljon erilaisia virheenkorjaus- ja virheenilmaisumenetelmiä. Myös uudelleenlähetyspyyntöjä ja taajuushyppelyä käytetään häiriöiden vaikutusten poistamiseksi. The ISM bands defined by the ITU-R are (bands in italics are subject to local acceptance): MHz (centre frequency MHz) MHz (centre frequency MHz) MHz (centre frequency MHz) MHz (centre frequency MHz) MHz (centre frequency MHz) in Region MHz (centre frequency 915 MHz) in Region GHz (centre frequency GHz) GHz (centre frequency GHz) GHz (centre frequency GHz) GHz (centre frequency GHz) GHz (centre frequency GHz) GHz (centre frequency 245 GHz) 26

27 VLF (Very Low Frequencies 3 30 khz) ja LF (Low Frequencies khz) : pitkiin radioyhteyksiin. VLF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona aaltona tuhansia kilometrejä. LF-alueella radioaallot etenevät pintaaaltona kilometriä. Antennit ovat kohtuullisen kokoisia (aallonpituus 10 1 km), mutta tunkeutuminen veteen on erittäin pientä. MF (Medium Frequency 0,3 3 MHz) MF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona lyhyehkön matkan (400 km), mutta tiedonsiirtokapasiteetti on edelleen pieni. Tästä syystä tämän alueen sotilaallinen merkitys on pieni. Alueelta löytyy suuritehoinen LORAN-suunnistusjärjestelmä ja paljon yleisradioasemia. HF (High Frequencies, 3-30 MHz) : yleisradioasemien AM-lähetteet ja FM-lähetteet VHF (Very High Frequencies MHz) VHF-alueella radioaallot etenevät pääosin suoran säteilyn perusteella enintään ntään 8 30 km. Alue mahdollistaa suuren tiedonsiirtokapasiteetin teet n ja antenni on kohtuullisen kokoinen liikkuvaankin käyttöön. Metsän lisävaimennus alkaa myös VHF-alueen alapäästä. Käyttösovelluksia TV-lähetykset, kaupalliset radiolähetteet. UHF (Ultra High Frequencies, 0,3 3 GHz) : TV-lähetykset, digitaalinen yleisradiolähetys, useat analogiset matkapuhelinverkot, GSM ja muut digitaaliset matkapuhelinverkot. UHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mukaan. Maasto vaikuttaa voimakkaasti esteenä. Yhteyden on oltava lähes näköyhteys antennista toiseen. Aluetta käytetään myös satelliittiyhteyksiin. Suuri kapasiteetti tekee alueesta hyvän monikanavaisten linkkijärjestelmien alueen. Antennit voidaan rakentaa voimakkaasti suuntaaviksi, mutta kohtuullisen kokoisiksi. SHF (Super High Frequencies, 3 30 GHz) : mikroaaltolinkit ja kiinteät satelliittipalvelut. SHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mallin mukaan. Antennien välillä on oltava näköyhteys. Aallonpituus on 10 1 cm, eli antennit saadaan erittäin pieniksi. Sää alkaa vaikuttaa ensimmäisen kerran tällä alueella, lähinnä sateen muodossa. Voimakas sade vaimentaa sähkömagneettista säteilyä niin paljon, että yhteys saattaa katketa. EHF (Extremely High Frequencies, GHz): laskeutumistutkajärjestelmät, avaruuden radiomittaukset. Voimakkaasti suuntaava antenni on mahdollista saada erittäin pieneen tilaan. Alueen radioaaltojen etenemistä vaikeuttavat merkittävästi sääilmiöt, lähinnä sade. Myös perusvaimennus ilmakehässä on niin suuri, että lähinnä vain tietyt ikkuna-alueet soveltuvat esimerkiksi viestinsiirtoon. Alimillimetrialue illi t i l ( GHz), ei ole käyttöä ilmakehässä ä mm. sen suuren ilmakehästä johtuvan lisävaimennuksen takia. Taajuusalueita, joilla on suuri vaimennus ilmakehässä käytetään kuitenkin satelliittien välisiin yhteyksiin. Etuna on silloin siis se, että kyseisten satelliittien kuuntelu, paikantaminen, ei ole juuri mahdollista maan pinnalta 27

28 Antennien välinen radioyhteys voidaan laskea seuraavalla tavalla: Isotrooppisen antennin synnyttämä tehotiheys etäisyydellä r on S ISOT =P T / 4πr 2, missä P T = lähetysteho 4πr 2 = pallon pinta-ala etäisyydellä r Jos käytetään antennia, jolla on vahvistus G T, saadaan lähetinantennin aiheuttamaksi tehotiheydeksi S = G T P T / 4πr 2, missä G T = lähetysantennin vahvistus = 4πA T / λ 2,jossa A T on lähetysantennin tehollinen pinta-ala (ns. sieppauspinta) Lähetinantennin synnyttämä kentänvoimakkuus on E = 2ηS, missä η = 120πΩ (tyhjiössä) (tyhjiön permittiivisyys) ii i Vastaanottoantenni, jonka efektiivinen pinta-ala on A R, sieppaa tasoaallosta tehon P R = A R S = λ 2 G R S / 4π = G T G R (λ/4πr) 2 P T, missä G R = vastaanotinantennin vahvistus Antennien nn n efektiivisten pinta-alojen a n avulla a lausuttuna siiss P R = A R A T (1/λr) 2 P T 28

29 Laskutehtäviä: 29

30 Tärkeimmät etenemismekanismit: 1. Eteneminen näköyhteysreittiä (LOS=Line Li of sight) pitkin 2. Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla 3. Eteneminen ionosfäärin kautta 4. Maanpinta-aaltona eteneminen Tehtävä: mieti mitä etenemismekanismia Marconin lähettämä signaali Atlantin yli todennäköisesti käytti? Perustele! Muita etenemistapoja: Troposfääriheijastukset ( MHz): sääilmiöistä johtuvia, esim. sadepilvistä syntyviä voimakkaita heijastuksia. Nämä ovat epäluotettavia, sääoloista riippuvia ilmiöitä. Ne aiheuttavat lähinnä häiriöitä. Näiden varaan ei voi suunnitella radioyhteyksiä. Meteoriittiheijastukset: Radioaalto heijastuu ilmakehään tulleen meteoriitin synnyttämästä ionisoituneesta jälkivanasta Myös revontulet heijastavat radioaaltoja Lisätietoa i esim. Räisänen-Lehto, Radiotekniikka iikk (luku 10) 30

31 Ilmakehä: Troposfääri on ilmakehän alin kerros, missä sääilmiöt tapahtuvat Ulottuu navoilla n. 9 kilometrin ja päiväntasaajalla n. 17 km korkeuteen Radioaaltojen etenemiseen troposfäärissä vaikuttavat lämpötila, paine, kosteus, sade yms. Ionosfääri on ilmakehän ylin kerros, ulottuu n. 60 kilometristä 100 kilometriin Ionosfäärissä on auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneja ja ioneja Radioaalto ei läpäise ionosfääriä n. 30 MHz:n alapuolella vaan signaali heijastuu ionosfäärin rajapinnasta 31

32 Eteneminen näköyhteysreittiä (LOS=Line of sight) pitkin: Aalto etenee ilmakehän alimmassa kerroksessa eli troposfäärissä. likimain vapaan tilan etenemistä tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF-alueilla eli 300MHz-300GHz Yli 30 MHz taajuudet eivät heijastu ionosfääristä, joten niillä voidaan kommunikoida satelliittien kanssa Optinen horisontti ja radiohorisontti: Maan kaarevuus asettaa maksimin näköyhteydelle maan pinnalla kommunikoitaessa (horisontti) Radioaaltojen taipumisen vuoksi näköyhteys radiolle on hieman pidempi. Ilmakehässä maata lähestyttäessä ilman taitekerroin pienenee ja radioaallot taipuvat maata kohti. Ottamalla taipuminen huomioon voidaan radioaallot lähettää korkeammalla kulmalla. 32

33 Linkkireittiä suunniteltaessa täytyy tuntea reitillä olevat esteet ja varmistua siitä, että ellipsoidin muotoinen vyöhyke jää vapaaksi. Sama sääntö pätee myös esim. matkapuhelimen ja tukiaseman välisellä yhteydellä. Esim. Suunnitellaan linkkireittiä, jossa välimatka on 50 km ja taajuus 10 GHz. Antennien korkeudet molemmissa päissä oletetaan samoiksi. Ellipsoidi on laajimmillaan Lasketaan vapaaksi jätettävä tila : Jos tällä samalla yhteydellä käytettäisiin ttäi ii 100 MHz:n taajuutta, tt vapaaksi jätettävä ttä ä tila olisi: i Tämä on käytännössä mahdoton toteuttaa. Pienillä taajuuksilla joudutaan usein tinkimään Fresnelin vaatimuksesta, jolloin välille syntyy vaimennusta. 33

34 Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla. Tapahtuu taajuusalueella n. 0,3 10 GHz Tätä kutsutaan myös troposfäärietenemiseksi. Ilmakehän olosuhteet eli lämpötila, paine, kosteus, sade, yms. vaikuttavat etenemiseen Troposfäärissä aalto vaimenee, siroaa ja kaartuu sekä voi myös heijastua. Sironta tarkoittaa, että osa tasoaallon koherentista tehosta muuttuu epäkoherenttiin muotoon ja säteilee laajaan avaruuskulmaan. Kanavoitumista aiheuttavat sääolosuhteet. Esimerkiksi muutaman sadan metrin korkeudella maanpinnasta olevat huomattavat lämpötila- ja kosteuserot voivat muodostaa "kanavan" jossa radioaalto voi edetä jopa tuhannen kilometrin etäisyydelle. Radioaalto etenee ilmakerrosten välissä heijastelemalla kuin aaltoputkessa. Troposfääristä etenemistä havaitaan pääasiassa kesä- ja talvikuukausina iltaisin auringonlaskun aikoihin ja aamuisin auringon noustessa. Eräissä tilanteissa tällainen kaukokuuluminen saattaa kestää useita päiviä. 34

35 Eteneminen ionosfäärin kautta (sky wave propagation): Ionosfääri sijaitsee km korkeudella maanpinnasta Alle 30 MHz:n taajuuksilla aalto voi heijastua ionosfäärin alarajapinnasta. Heijastumalla uudelleen maanpinnasta aalto voi edetä jopa maapallon ympäri Ionosfäärissä on auringon säteilyn ionisoimaa plasmaa. Radioaalto ei läpäise ionosfääriä alle 10 MHz:n taajuuksilla. Heijastuminen johtuu aaltojen taittumisesta (refraction) 35

36 4. Maanpinta-aaltona eteneminen: Lähetys- ja vastaanottoantennit ovat lähellä maanpintaa. Radioaalto seuraa maanpintaa. Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden funktiona, joten eteneminen rajoittuu alle 10 MHz:n taajuuksille. Eteneminen riippuu maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista. Maata pitkin aalto voi edetä jopa tuhansien kilometrien päähän. Mieti, millainen maaperä johtaa hyvin radioaaltoa 36

37 Langattomissa maanpäällisissä järjestelmissä radioaallon etenemiseen vaikuttavat seuraavat ilmiöt: Vaimeneminen Heijastuminen Taipuminen Polarisaatiotason kiertyminen Sironta Häipyminen Näiden ilmiöiden yhteisvaikutus synnyttää monitie-etenemistä, josta tarkemmin sivulla

38 Ilmakehän vaimennus (Atmospheric absorption): Vesihöyry vaikutus vahvimmillaan 22 GHz:n alueella alle 15 GHz:n alueella vaikutus on pienempi Happi huippu 60 GHz:n alueella alle 30 GHz:n alueella vaikutus pienempi Vaihtuvat tekijät (vesisade, lumisade, sumu) aiheuttavat signaalien vaimennusta ja sirontaa matalilla taajuuksilla vaikutus pieni Tyypillisiä vaimennusarvoja erilaisille seinille: betoni 25 cm (isot ikkunat) 4 db betoni 25 cm (ei ikkunoita) 11 db betoni 10 cm (väliseinä) 6 db lasi 2 db lasi (metallivahvisteinen) 8 db puu- ja levyrakenteiset väliseinät 2-6 db 38

39 Heijastuminen: Radioaallot heijastuvat maastoesteistä ja rakennuksista, myös vedenpinnasta. Heijastava pinta on tasainen ja suurempi kuin radioaallon aallonpituus. Radioaallon tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret Heijastuneilla aalloilla on myös sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloilla Radioaallon heijastuessa osa aallon tehosta uppoaa heijastavaan materiaaliin, eli heijastuneen aallon teho on pienempi kuin tulevan aallon. Heijastuksessa pintaan imeytyvä teho riippuu radioaallon taajuudesta, heijastavan pinnan tiheydestä, muodosta ja karkeudesta sekä aallon tulokulmasta pintaan. Heijastuspintaan imeytyvä osa aallosta taittuu kohti pinnan keskinormaalia (ylemmässä kuvassa refracted ray). Esim. järven tai meren rannalla oleva kesämökki on usein kuolleessa pisteessä tukiasemaan nähden. Mökin takaa puuttuu heijastava pinta, joka voisi parantaa signaalin tasoa (alempi kuva). Näin ollen heijastumisesta on sekä haittaa että hyötyä tapauksesta riippuen. 39

40 Polarisaatiotason kiertyminen: Antennista lähtiessään kenttä on vertikaalisesti i polarisoitua. i Teoreettisesti i paras signaali saadaan siis silloin kun matkapuhelimen antenni on pystyssä. Heijastuessaan maastoesteistä ja rakennuksista aallon polarisaatiotaso muuttuu eli kiertyy. Polarisaatiotason muutos riippuu tulokulmasta ja heijastavan pinnan ominaisuuksista. Kun signaali saapuu päätelaitteeseen, sen polarisaatiotaso on saattanut muuttua huomattavasti. Paras signaali saavutetaan kun antenni on polarisaation kanssa saman suuntainen. 40

41 Diffraktio: Sädeteorian mukaan yhteydellä oleva este estää säteen etenemisen Paremmin todellisuutta kuvaa Huygensin periaate: jokainen esteen yläpuolella oleva aaltorintaman piste toimii uuden aallon lähtökohtana Tästä seuraa diffraktio eli aallon taipuminen. Aalto siis taipuu ja leviää osuessaan esteeseen. Diffraktion avulla aalto voi edetä myös näköesteen taakse. Maaston pyöreäreunaisten esteiden vaikutus on suurempi kuin teoreettisten teräväreunaisten esteiden vaimennus. Pienin vaimennus on teräväreunaisella ja pinnaltaan tasaisella esteellä. Usean peräkkäisen esteen synnyttämä diffraktiovaimennus voidaan laskea jokaiselle esteelle kerrallaan ja sitten yhdistämällä ällä lasketut t vaimennukset Taipuminen voi synnyttää myös ongelmia, esim. interferenssi: kts kuva 41

42 Kun ympäristössä on epäsäännöllisiä pienikokoisia esteitä, joiden koko on aallonpituuden luokkaa tai sitä pienempi, i radioaalto siroaa esteistä satunnaisiin suuntiin. Tämä siis tarkoittaa sitä, että osa radioaallon energiasta synnyttää uusia radioaaltoja eri suuntiin. Siroamisessa häviää suuri osa aallon tehosta, joten sironnut signaali ei useinkaan pääse vastaanottimeen saakka. 42

43 Häipyminen johtuu lähettimen tai vastaanottimen liikkumisesta ja monitie- etenemisestä. stä Se aiheuttaa signaalitason s heikentymistä. Häipymislajit: Hidas häipyminen on signaalitason laskua joka syntyy radiotien muutoksista mentäessä poispäin lähettimestä Nopea häipyminen (Rayleigh tai Rician fading) syntyy monitie-etenemisen seurauksena Vastaanottimessa nopea ja hidas häipyminen summautuvat eli häipyminen vaihtelee hetkittäin suuresti, jopa useita kymmeniä desibelejä 43

44 Vastaanottimeen saapuva signaali on summa suoraan edenneistä aalloista heijastuneista aalloista diffraktoituneista aalloista Kukin aallon komponentti on antenniin saapuessaan kulkenut eripituisen matkan. Tätä kutsutaan monitieetenemiseksi. Saapuvat monitie-edenneet signaalit sisältävät eri amplitudeja ja vaiheita. Erivaiheiset signaalikomponentit voivat vahvistaa tai kumota toisiaan. Näin vastaanotetussa signaalissa on tietyin välimatkoin hyvin kapeita mutta syviä häipymiä (vastaanottimen liikkuessa maastossa) Häipymät toistuvat puolen aallonpituuden välein eli esim. GSM900:lla ja GSM1800:lla välein. Nopeaa häipymistä kutsutaan Rayleigh-häipymäksi. (Hidasta häipymistä on maaston aiheuttama stabiili vaimennus.) Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä. Monitie-eteneminen aiheuttaa myös symbolien välistä häiriötä eli ISI:ä (Intersymbol Interference). Heijastuneet signaalit saapuvat viivästyneinä ja vääristävät seuraavan symbolin tulkintaa. Esim. GSM:ssä ISI:n vaikutusta torjutaan ekvalisaattorilla. UMTS:ssa taas RAKE-vastaanotin kerää myös viivästyneet komponentit. 44

45 Nopeaa häipymää nimitetään Rayleigh-häipymäksi, jos signaali saapuu vastaanottimeen useita eri reittejä signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (normaalisti näköyhteys) soveltuu hyvin ulkotiloihin Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä. Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta. Mikäli signaalilla on olemassa yksi dominoiva polku eli näköyhteys, nimitetään nopeaa häipymää Rician-häipymäksi. Myös tässä tapauksessa signaali saapuu vastaanottimeen myös eri reittejä pitkin. Tämä eteneminen esiintyy usein sisätiloissa. 45

46 Sisätiloissa etenemismekanismeista tärkein on heijastuminen Sisätiloissa etenemiseen vaikuttavat seinien paksuudet, sijainnit, materiaalit ja pinnoitteet Ulkotiloissa etenemismekanismeista tärkein on yleensä diffraktio (urbaanissa ympäristössä) ja näköyhteysreitti (maaseudulla). Mikrosoluympäristössä tärkeä mekanismi on heijastuminen, koska antennit sijaitsevat kattotason alapuolella. 46

47 Käytännössä jokaiseen pisteeseen saapuvaa kentänvoimakkuutta ei voida laskea tarkasti erikseen ottaen huomioon kaikkia edellä mainittuja radiotien ominaisuuksia. Tämän vuoksi on kehitetty empiirisiä eli mittauksiin perustuvia kentänvoimakkuuden laskentamalleja. (Empiirinen= kokemusperäinen, mittauksiin perustuva). Radiokanavan arvioimiseksi ja mallintamiseksi täytyy tehdä paljon erilaisia käytännön mittauksia ja laajentaa niitä simuloinnilla. Mittaukset tehdään asettamalla eri kohteisiin radiolähettimiä ja mittaamalla ympäristössä vastaanotettuja tehoja. Mittaustuloksia verrataan simuloinneilla saatuihin arvoihin ja korjataan malleja erilaisten parametrien avulla vastaamaan paremmin todellisuutta. Kaikki nykyaikaiset radioverkkojen suunnitteluohjelmistot käyttävät näitä empiirisiä etenemismalleja. Käytetyimpiä i malleja ovat Okumura-Hata maaseudulle ja COST231 mikrosolualueille. Ne on parametrisoitu erilaisille ympäristöille ja eri taajuusalueille. Digitaalisen karttapohjan avulla pystytään ennustamaan kentänvoimakkuus halutun rasterikoon mukaisille alueille. Maaseudulla käytetään ennustamiseen suurta rasterikokoa, kaupungeissa jopa muutamien neliömetrien kokoisia paloja (<100m 2 ). Kaupungeissa rakennusten mallintaminen on vaikeaa, myös monitie-eteneminen vaikeuttaa ennustamista. Kaupunkeihin on kehitetty erityisiä mikrosolu- ja jopa sisätilamalleja. 47

48 Kuvassa näkyy erään laskentaohjelman laskema kentänvoimakkuus etäisyyden funktiona. Alhaalla ll valikossa näkyvät ät kentänvoimakkuuteen kk t vaikuttavat t parametrit: tukiaseman antennikorkeus (efektiivinen korkeus, kts. kuva alla) puhelimen antennikorkeus (efektiivinen korkeus) taajuus ympäristö (parametrisoitu) lähetysteho haluttu aika- ja sijaintitodennäköisyys 48

49 Tästä linkistä löytyy scripti, jolla voi laskea kentänvoimakkuutta erilaisilla parametreille Okumura-Hata mallilla: Okumura-Hata malli soveltuu makrosolujen kentänvoimakkuuden laskentaan esim. GSMverkolle. Se onkin eniten käytetyimpiä malleja matkapuhelinverkoissa. 49

50 Tämä malli soveltuu parhaiten mikrosolujen peiton laskemiseen. Mallissa oletetaan, että tukiasema-antenni t i on keskimääräisen äis rakennuskorkeuden k yläpuolella l ll mutta maksimirakennuskorkeuden alapuolella. LOS-kaava antaa vaimennuksen katukanjonissa. Mallia nimitetään myös Walfish-Ikegamiksi kehittäjiensä mukaan 50

51 Vuodenajat aiheuttavat jonkin verran vaihtelua radiosignaalin etenemiseen. Kosteus, esim. kovat sateet t aiheuttavat t lisävaimennusta. im st Suomen pinta-alasta suuri osa on metsää, joka varsinkin märkänä on merkittävä vaimennuksen aiheuttaja. CCIR:n raportissa on metsän aiheuttamaa lisävaimennusta arvioitu seuraavalla kaavalla: L(dB) = 0,187 (f 0,284 ) (d 0,588 ), missä f on taajuus megahertseissä ja d metsäalueen syvyys metreinä. Yo. Kuvassa on laskettu vaimennusta ko. kaavalla neljällä eri taajuudella. Kuvasta havaitaan, että vaimennus kasvaa suhteellisesti enemmän korkeilla taajuuksilla metsän syvyyden funktiona. Talvella vaimennus on 0-2 db pienempi johtuen puuston solurakenteen jäätymisen aiheuttamista muutoksista. 51

52 52

53 Tässä luvussa keskitytään radiorajapinnan ominaisuuksiin OSI-mallin 1-kerroksella eli fyysisellä kerroksella ks ja 2-kerroksella ks eli siirtokerroksella ks On myös poikkeuksia radiotaajuuden käytöstä: IrDa käyttää tiedonsiirtoon infrapunasäteilyä Osa langattomien järjestelmien käyttämistä korkeammista taajuuksista luetaan kuuluvaksi mikroaaltotaajuuksiin Myös langatonta optista yhteyttä voidaan käyttää, mutta sen käyttö on jäänyt vähäiseksi i huonon häiriönsiedon iö i ja esteiden vuoksi 53

54 Analogisissa järjestelmissä (esim. NMT) käytetään yleensä modulointimenetelmänä FM-modulointia, jolloin häiriöt iöt vaikuttavat t 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. 54

55 Varsinainen monikäyttö: Yleisimmät monikäyttötekniikat ovat FDMA, TDMA ja CDMA. Viime vuosien aikana on yhä enemmän kehitetty myös OFDMA:han perustuvia järjestelmiä. Ne voidaan edelleen luokitella kapea- ja laajakaistaisiin järjestelmiin riippuen siitä, miten käytetty kaista on jaettu käyttäjille: kapeakaistainen järjestelmä: saatavilla oleva kaista on jaettu suureen määrään kapeakaistaisia k i i kanavia laajakaistainen järjestelmä: kanavan kaistanleveys on huomattavasti suurempi kuin sen lähettämiseen vaadittava kaista Järjestelmien suunnittelussa pyritään mahdollisimman suureen kaistankäytön tehokkuuteen. Yleensä sitä mitataan käyttäjien määrällä/mhz. Myös muita mittaustapoja on käytössä. Tehokkuutta on vaikea arvioida teoreettisesti riittävän luotettavasti, usein vasta käytössä oleva järjestelmä näyttää oikean kaistatehokkuuden. 55

56 FDD (Frequency Division Duplexing): Oma taajuus lähetykseen ja vastaanottoon Duplex-väli on aina sama Yleensä lähetin ja vastaanotin erotetaan toisistaan duplex-suodattimella TDD (Time Division Duplexing): Oma aikaväli lähetykseen ja vastaanottoon Yksi taajuus riittää, duplex-suodatinta ei tarvita 56

57 FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin. Laitekustannuksiltaan se on kuitenkin ki yleensä kalliimpi, i koska jokaiselle käyttäjälle tarvitaan oma kanavayksikkö. Useimmiten käytetään FDMA:n yhteydessä analogista taajuusmodulointia eli FM:aa. Kullakin kanavalla voi olla vain yksi puhelu kerrallaan käynnissä. Yleensä käytetään n. 30 khz kaistaa käyttäjää kohti. FDMA:ta käyttäviä järjestelmiä ovat esim. AMPS (30 khz/käyttäjä) ja NMT (25 khz/käyttäjä). FDMA/FDD: yksi kanava käytössä tukiasemalta puhelimeen ja toinen kanava puhelimesta tukiasemalle. FDMA:ssa saattaa syntyä keskeismodulaation aiheuttamaa häiriötä: epälineaarisissa komponenteissa syntyy epätoivottuja harmonisia taajuuksia, jotka häiritsevät muita kanavia tai muita järjestelmiä. Kanavien määrä FDMA-järjestelmässä: N = (B t 2B guard ) / B c, missä Bt = koko käytettävissä oleva kaista Bguard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä Bc = yhden kanavan kaistanleveys 57

58 TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä. TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Aikavälien määrä radiokanavalla riippuu modulaatiotekniikasta ja saatavilla olevasta kaistasta. TDMA/TDD: puolet aikaväleistä toiseen suuntaan ja puolet toiseen suuntaan samalla radiokanavalla. TDMA/FDD: kantoaallot erikseen molemmille suunnille. Esim Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä on käytössä useita taajuuksia, joita käytetään aikajakoisesti vuorotellen. Etuja: datan siirto tapahtuu purskeina, mikä säästää varsinkin puhelimen paristoja käytetään eri aikavälejä lähetykseen ja vastaanottoon, joten duplex-suodatin ei ole välttämätön laitetekniikka hinnaltaan edullisempaa kuin FDMA:ssa TDMA:n yhteydessä vaaditaan hyvää synkronisointia, etteivät purskeet mene vääriin aikaväleihin. Tehokkuutta laskee myös kehysrakenteissa tarvittavien ylimääräisten bittien käyttö. Kanavien määrä TDMA-järjestelmässä: N = m(b tot 2B guard ) / B c, missä B tot = koko käytettävissä oleva kaista B guard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä B c = yhden kanavan kaistanleveys m= aikavälien määrä radiokanavaa kohti 58

59 SSMA: Näennäiskohinasekvenssin (pseudo-noise) avulla kapeakaistainen signaali muutetaan kohinaa muistuttavaksi ennen lähetystä. Signaali siis levitetään laajemmalle kaistalle. SSMA-tekniikoiden kaistankäyttö ei ole kovin tehokasta, jos tarkastellaan vain yhtä käyttäjää. Samaa kaistaa voi kuitenkin käyttää yhtäaikaisesti suuri joukko käyttäjiä häiritsemättä toisiaan. Näin ajatellen tehokkuus on suuri. Ensimmäisenä hajaspektritekniikoita on käytetty militäärisovelluksissa korkean turvallisuustasonsa vuoksi. 59

60 FHMA: Data on pätkitty tietyn pituisiin purskeisiin, jotka lähetetään eri taajuuksilla. Hetkellinen kaistanleveys yhdelle yhteydelle on pieni. Hetkellisesti FHMA muistuttaa FDMA:ta. FHMA eroaa FDMA:sta siinä, että lähetystaajuus vaihtuu nopeasti. Turvallinen menetelmä, koska käyttäjän yhteys siirtyy eri taajuuksille valesatunnaisen sekvenssin mukaan. Jotta yhteyttä voisi salakuunnella, täytyisi tietää tämä sekvenssi. Taajuushyppely vaatii tarkkaa synkronointia, jota lähetin ja vastaanotin käyttävät joka hetki samaa taajuuskanavaa. FHMA on epäherkempi häipymiselle kuin TDMA ja FDMA, koska taajuus vaihtuu nopeasti. Taajuushyppelyä käytetäänkin diversiteettitekniikkana radioyhteyden laadun parantamiseksi. Käytössä esim. Bluetooth-yhteyksillä. Myös GSM:ssä on optiona taajuushyppely, jossa sitä käytetään lähinnä häiriönkeston parantamiseen. 60

61 Levityssignaali sisältää näennäiskohinaa muistuttavan sekvenssin, jonka symbolinopeus on hyvin paljon suurempi kuin alkuperäisen signaalin nopeus. Tätä sekvenssiä ssiä kutsutaan t levityskoodiksi. Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella. Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi, jolla signaali on koodattu. Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana. CDMA:n yhteydessä käytetään sekä FDD:tä että TDD:tä. Pehmeä kapasiteetti: käyttäjien määrän noustessa kapasiteetti ei lopu yhtäkkiä, vaan järjestelmän häiriötaso nousee ja palvelun laatu huononee vähitellen. Kun tietty häiriökynnys ylitetään, ei enää oteta lisää käyttäjiä. Monitie-eteneminen vähenee, koska käytetään laajaa kaistaa. Myös häiriönkesto paranee, koska laajakaistainen lähete on tunteeton kapeakaistaiselle häiriölle. CDMA-järjestelmissä käytetään usein RAKE-vastaanotinta (harava), joka parantaa signaalin laatua keräämällä viivästyneitä signaalikomponentteja. Kaikilla soluilla voi olla sama taajuus. Tätä voidaan hyödyntää ns. pehmeässä puhelunsiirrossa (soft handover). Siinä puhelin on yhteydessä verkkoon yhtäaikaa kahden solun kautta. Tässä tilassa pysytään kunnes ollaan siirrytty riittävän syvälle toisen solun alueelle. 61

62 Kuvassa esitetään CDMA-lähettimessä suoritettava koodaus ja vastaanottimessa tehtävä dekoodaus. d Alempi osa kuvasta esittää muiden signaalien kuin halutun signaalin vaikutuksen ks vastaanottimessa. Tehonsäätö on CDMA-järjestelmissä tärkeää. Käyttäjien tehot säädetään sopivalle tasolle, muuten lähellä tukiasemaa olevat käyttäjät dominoivat ja häiritsevät muiden käyttäjien liikennöintiä. Tätä kutsutaan lähi-kauko ongelmaksi (near-far-problem). 62

63 63

64 OFDM:ää nimitetään diskreetiksi monikantoaaltomodulaatioksi (Discrete Multi-tone Modulation), koska yhden kantoaallon moduloinnin i sijasta st siinä käytetään tää suurta määrää tasaisin kanavavälein sijoiteltuja alikantoaaltoja. Kapeakaistaisia alikantoaaltoja moduloidaan esim. jollakin monitilaisella QAM-modulointitavalla. OFDM on laajakaistainen tekniikka, joka kasvattaa datansiirron tehokkuutta lisäämällä siirrettävää datanopeutta kantoaaltojen suuren määrän avulla. Lisäksi menetelmässä monitie-etenemisen aiheuttamat ongelmat voidaan minimoida valitsemalla käytettävät alikantoaallot niiden joukosta, joilla syntyy vähiten bittivirheitä. Huonot alikantoaallot eli ne joilla syntyy virheitä, voidaan jättää käyttämättä. OFDM-tekniikkaa käytetään monissa laajasti käytetyissä sovelluksissa, esim. digitaalisen TV-jakelun standardeissa (DVB-T, ja DVB-H), digitaalisessa yleisradiotekniikassa, useissa WLAN-standardeissa ja langallisissa verkoissa esim. ADSLlaajakaistaliittymissä. OFDM sallii vain yhden käyttäjän yhdelle kanavalle yhtäaikaisesti. Jotta saadaan useita käyttäjiä samalle kaistalle samanaikaisesti, joudutaan yhdistämään OFDM-tekniikka joko TDMA:han tai FDMA:han. TDMA:n tapauksessa käytetään kullekin käyttäjälle omia aikavälejä ja FDMA:n tapauksessa kullekin käyttäjälle omia alikantoaaltoja. 64

65 OFDMA on useamman käyttäjän OFDM, joka sallii monikäytön samalla kaistalla (kaistalla tarkoitetaan tässä alikantoaaltojen ryhmää). OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää ja vastaanottaa samaan aikaan kantoaaltojen ryhmässä. Lisäksi alikantoaaltoja voidaan sovittaa kullekin käyttäjälle siten, että käyttäjä käyttää niitä kanavia jotka tarjoavat hänelle parhaan laadun (yo. kuva). Kukin käyttäjä siis käyttää niitä kantoaaltoja, jotka sillä ajanhetkellä tarjoavat hänelle parhaat etenemisolosuhteet ja pienimmän bittivirhesuhteen. Nämä riippuvat tietenkin käyttäjän sijainnista ja muista olosuhteista. Kanavien tilaa seurataan pilottialikantoaaltojen avulla (kuva ed. sivulla) OFDM:ää käytetään esim. Wimax-tekniikassa kiinteän palvelun toteuttamisessa ja OFDMA:ta mobiilin Wimaxpalvelun monikäyttötekniikkana. OFDMA on standardoitu myös 3G-verkon LTE-kehitysversioon (Long Term Evolution, suuremmat siirtonopeudet). Ortogonaalisuus alikantoaaltojen valinnassa tarkoittaa kantoaaltojen keskinäistä riippumattomuutta. Kantoaaltojen parametrit on valittu siten, että kantoaallon teho on nolla viereisen kantoaallon keskitaajuudella, jolloin vierekkäiset kanavat häiritsevät toisiaan mahdollisimman vähän. 65

66 Hybridi FDMA/CDMA kaista on jaettu pienempiin osiin, joista kukin k toimii omana kapeakaistaisena k systeeminään esim. Cdmaone käyttää tätä Hybridi DS/FHMA DS-järjestelmä, jonka keskitaajuus vaihtuu tietyn satunnaisen kaavan mukaan Time Division CDMA jokaisella solulla on oma levityskoodi vain yksi käyttäjä/aikaväli/solu Time Division Frequency Hopping TDMA-kehyksen alussa käyttäjä voi hypätä eri taajuudelle (häiriöllisissä tai häipyvissä olosuhteissa) GSM käyttää tätä solussa useampia taajuuksia, joilla hypitään tietyssä järjestyksessä 66

67 SDMA (tilajakoinen monikäyttö) Kutakin käyttäjää palvellaan omalla antennikeilallaan (kts. kuva) Menetelmässä tarvitaan hyvin kehittyneitä, adaptiivisia antenneja Ideaalisessa järjestelmässä kukin käyttäjä toimisi omassa antennikeilassaan samalla kanavalla samanaikaisesti kuin muut käyttäjät mutta ilman häiriöitä muista antennikeiloista PR (pakettiradio) Useat käyttäjät yrittävät käyttää yhtä kanavaa ennalta määräämättömällä tavalla (kilpavaraus) Data lähetetään lyhyinä purskeina Mobiilille lähetetään joko kuittaus- tai hylkäys viesti riippuen siitä onko törmäystä tapahtunut vai ei. Tehoton systeemi kaistankäytön kannalta, ei sovi suurikapasiteettisiin järjestelmiin Ensimmäinen sovellus oli ALOHA-protokolla, josta sittemmin kehittyi Ethernet-verkon kilpavarausperiaate 67

68 1. Taajuuskaistojen vähyys pakottaa suunnittelemaan verkot tiukan taajuussuunnitelman mukaan. Käytettävät tehot määritellään tarkasti. Jos tehot kasvavat liian suuriksi, syntyy samakanavahäiriöitä päätelaitteelta tukiasemille ja tukiasemilta päätelaitteille. Myöskään järjestelmän ulkopuolisille ei haluta aiheuttaa liikaa häiriötä. 2. Langattomien järjestelmien päätelaitteet toimivat akkujen varassa. Jotta akku kestäisi mahdollisimman kauan, kannattaa laitteen lähetysteho säätää mahdollisimman pieneksi. Suurimman osan tehosta kuluttaa juuri signaalin lähetystapahtuma, ei niinkään vastaanotto tai standby-tila. 3. Radiorajapinnan muuttujia seurataan koko ajan. Niitä ovat radiokanavien määrä, etäisyys, vastaanotettu teho, handovereihin liittyvät asiat yms. Teho on näistä yksi tärkeimmistä. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat toisiinsa ja ovat osa RRM-prosessia (Radio Resource Management). RRMprosessin toiminta vaikuttaa kaikkiin päätelaitteisiin ja niiden toimintaan verkossa. Tehonsäätö on siis yksi osa verkon monimutkaisessa toiminnassa. Esim. handovereiden toiminnassa ja solun valinnassa on tehonsäädöllä suuri rooli. 68

69 Tehonsäätöön sisältyy useita eri osa-alueita: -Radioyhteyden tehonsäätö sisältää algoritmit, protokollat ja tekniikat, joita käytetään langattomissa järjestelmissä dynaamisesti muuttamaan lähetystehoa, jotta saadaan vähennettyä samakanavahäiriötä, lähi-kauko-ongelmaa (CDMA:ssa) tai muita järjestelmän sisäisiä ongelmia -Paristonsäästötoiminteet tähtäävät päätelaitteen pariston säästämiseen kuitenkin niin ettei kommunikaatio verkon kanssa häiriinny. Paristonsäästöä voidaan ohjata myös verkon toimesta. -Tehoa säästävä laitesuunnittelu tähtää myös akun säästöön käyttämällä sellaisia komponentteja, protokollia ja modulaatio- ja koodaustekniikoita jotka käyttävät tehoa mahdollisimman taloudellisesti. -Tehoa säästävä ohjelmistosuunnittelu hyödyntää ohjelmistoja tehonsäästön kannalta 69

70 Avoimen silmukan tehonsäätö (Open Loop Power Control) : -Päätelaite mittaa tukiaseman lähettämää signaalia ja säätää omaa tehoaan vastaanotetun tehon mukaan. Päätelaite voi mitata esim. RSS:ää (vastaanotetun signaalin voimakkuus, Received Signal Strength), BER:iä (bittivirhesuhde, Bit Error Rate) tai kehysvirhesuhdetta. Jos mitattu suure on asetetun kynnyksen yläpuolella, päätelaite laskee omaa lähetystehoaan. Jos suure on huonompi kuin kynnysarvo, tehoa nostetaan. -Haittapuolena on DL- ja UL-suuntien erilaisuus; radiosignaalin eteneminen ei ole samanlaista eri taajuuksilla olevilla siirtosuunnilla. Vaikka tehoa nostetaankin, päätelaite ei saa informaatiota siitä miten nosto vaikutti. Myöskään tehonsäädön nopeus ei tässä menetelmässä ole kovin suuri Suljetun silmukan tehonsäätö (Closed Loop Power Control) : -Tukiasema mittaa päätelaitteen lähettämän signaalin laatua ja tekee sen perusteella johtopäätöksen toimenpiteestä. Tukiasema antaa tehonsäätökomentoja päätelaitteelle DL-suunnan ohjausyhteyden kautta. Myös tukiaseman tehoa voidaan säätää päätelaitteen tekemien mittausten perusteella. -Tämä menetelmä on tehokkaampi koska siinä saadaan palautetta oikeasta siirtosuunnasta. Keskitetty ja hajautettu tehonsäätö: -Keskitetyssä tehonsäätöjärjestelmässä tukiasemassa tai keskuksessa on tieto kaikista järjestelmässä toimivista radioyhteyksistä eli niiden SIR-, RSS- ja BER-arvoista. Järjestelmässä voidaan hyödyntää tehokkaita optimointialgoritmeja saavuttamaan mahdollisimman hyvä optimiratkaisu käytetyille tehoille. Tämä vaatii raskasta prosessointia järjestelmän keskuksissa. -Hajautetussa tehonsäädössä päätelaitteet muuttavat tehoaan diskreettien askelten mukaan. Tällöin ei tarvita monimutkaisia algoritmejä vaan suhteellisen yksinkertaisella toimintamallilla päästään toimivaan tehonsäätöön. 70

71 Epäjatkuva lähetys (DTX, Discontinuous Transmission) -Normaalissa yhteydessä on usein tilanteita, jolloin jompikumpi pää ei muodosta informaatiota, esim. puheyhteydessä toinen on hiljaa. Tällaisessa tilanteessa olisi tehonsäästön kannalta järkevää olla lähettämättä mitään signaalia. Koska suurin osa tehosta kuluu juuri lähettämiseen, on tähän kehitetty erilaisia menetelmiä. -Hiljaisuuden tutkimiseen on kehitetty VAD-menetelmiä (Voice Activity Detection), jotka seuraavat puhesignaalin voimakkuutta ja yrittävät erottaa puhetta taustamelusta. -Kuulijat kokevat hankalana sen, jos ääni loppuu yhtäkkiä kokonaan. Silloin yleensä luullaan että yhteys katkesi. Tämän vuoksi järjestelmässä generoidaan ns. mukavuuskohinaa, joka matkii taustamelua. Mukavuuskohina lähetetään parametreina, jotka kuormittavat lähetintä huomattavasti vähemmän kuin jatkuva lähetys. -Toinen mahdollisuus on toistaa edellisiä näytteitä vaimennettuina, jolloin ei myöskään synny häiritsevää hiljaisuutta. -Datansiirrossa on helpompi sulkea lähetin silloin kun dataa ei ole lähetettävänä. Varsinkin pakettimuotoisessa datansiirrossa tämä on helppo toteuttaa. Nukkumistila (Sleep Mode) -Nukkumistilaa käytetään standby-tilassa eli silloin kun yhteys ei ole aktiivinen. Päätelaite liikkuu verkossa ja herää vain silloin tällöin kuuntelemaan tuleeko sille osoitettuja kutsuja. Verkko lähettää tulevat kutsut tiettyinä ajanhetkinä ja päätelaite vastaanottaa signalointia ajastuneena näihin ajanhetkiin. Muulloin se on joutotilassa, jolloin virrankulutus on vähäistä. Tämä toiminne on ollut käytössä jo NMT-verkoissa. 71

72 Tehoa säästävä laitesuunnittelu: -Digitaaliset CMOS-piirit ja mobiileja laitteita varten suunnitellut prosessorit kuluttavat vähän tehoa. -Käytettävän protokollan valinnassa otetaan huomioon tehonkulutus. Myöskin tässä valinnassa täytyy kiinnittää huomiota siihen aikaan, jonka päätelaite on lähetystilassa. Jos protokollassa on käytössä ARQ (Automaattinen uudelleenlähetyspyyntö), se lisää tehonkulutusta. Paketteja lähetetään radiotielle useaan kertaan. Myös törmäykset mahdollistavassa protokollassa kulutetaan paljon tehoa varsinkin kuormitustilanteissa, jolloin sattuu paljon törmäyksiä ja sen seurauksena uudelleenlähetyksiä. Joissakin protokollissa otetaan vastaan kaikki tulevat paketit, vaikkei niitä ole osoitettu ko. laitteelle. Tämäkin syö turhaan tehoa, on edullisempaa vastaanottaa vain ne paketit jotka on otsikon mukaan osoitettu itselle. -Myös modulaatio- ja koodausmenetelmien valinnassa täytyy ottaa tehonkulutus huomioon. Erilaiset modulaatiomenetelmät vaihtelevat häiriönsieto-ominaisuuksiltaan ja sitä kautta myös tehonkäytöltään. Myös siirrettävä datanopeus vaikuttaa tehonkulutukseen. Mitä suurempi siirtonopeus, sitä monitilaisempi modulaatiomenetelmä ja suurempi tehonkulutus. Tehokkaat virheenkorjaavat koodit osaltaan säästävät tehoa, koska silloin ei tarvitse käyttää tehoa tuhlaavia uudelleenlähetyksiä. l Ohjelmistolla on myös paljon mahdollisuuksia vaikuttaa tehonkulutukseen: -Käyttöjärjestelmässä otettava huomioon paristonsäästö: miten toteutetaan muistien käyttö, näytön ja käyttöliittymän toiminta, mitä kellotaajuutta käytetään jne. -On tärkeää suunnitella huolellisesti siirtyminen virransäästötilasta aktiivitilaan ja päinvastoin. Jos tämä ei toimi kunnolla, sillä on suuria vaikutuksia käyttömukavuuteen. 72

73 Esimerkkejä langattomiin järjestelmiin valituista modulointimenetelmistä: GSM: GMSK EDGE: 8-PSK UMTS: QPSK ja OQPSK WLAN: BPSK, QPSK ja 8PSK DVB-standardit: DVB-T: QPSK, 16-QAM ja 64-QAM DVB-H: QPSK, 16-QAM tai 64-QAM DVB-C: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM tai 256-QAM DVB-S: QPSK, 8PSK or 16-QAM (HUOM! Pohdi miten DVB-standardeissa on päädytty ko. menetelmien valintaan?) 73

74 GSM käyttää puheensiirtoon GMSK-modulointia GMSK on valittu GSM:n modulointimenetelmäksi, koska sen spektri vaimenee nopeasti viereisten kanavien alueella (kuva ylh.). Näin ollen GSM:n radiokanavat voidaan sijoittaa 200 khz:n välein. GMSK on periaatteessa kaksitilainen modulaatiomenetelmä, mutta käyttäytyy kuin nelitilainen menetelmä koska siinä käsitellään dataa kvadratuurihaarojen avulla bittipareittain. Kaksitilaisena menetelmänä GMSK:lla on hyvä häiriönsietokyky. EDGE (GSM:n nopea datansiirto) käyttää myös 8PSK:ta EDGE:ssä käytetään 8PSK:ta jotta saavutetaan suurempi bittinopeus. 8PSK:lla siirretään yhtäaikaisesti kolme bittiä. Kääntöpuolena on huonontunut häiriönsietokyky. EDGE:ssä käytetään adaptiivisesti erilaisia yhdistelmiä modulaatiotavasta ja kanavakoodauksesta. Mitä parempi radioyhteys on, sitä kevyempää kanavakoodausta ja tehokkaampaa modulointia voidaan käyttää. Tällöin bittinopeus kasvaa. Taulukossa näkyvät EDGE:n käyttämät yhdistelmät. 74