Lähteet: /1/ Kaaranen, H., Ahtiainen, A., Laitinen, L., Naghian, S. & Niemi, V UMTS Networks, Architecture,Mobility and Services.

Transkriptio

1 Lähteet: /1/ Kaaranen, H., Ahtiainen, A., Laitinen, L., Naghian, S. & Niemi, V UMTS Networks, Architecture,Mobility and Services. John Wiley & Sons, Ltd. Chichester, England. /2/ Holma, H & Toskala, A WCDMA for UMTS. John Wiley & Sons, Ltd. Chichester, England. (/3/ Penttinen, J GSM-tekniikka, Järjestelmän toiminta ja kehitys kohti UMTS-aikakautta. WSOY. Vantaa.) 1

2 1G (alkaen n. 1980): analogiset (tai puolianalogiset) verkot, joissa pääpaino oli puheen ja siihen liittyvien palveluiden välityksessä. Verkot olivat kansallisia ja standardeja oli lukuisa määrä (esim. NMT ja AMPS). Standardien kansallisesta luonteesta johtuen verkot eivät olleet yhteensopivia. Matkaviestintä oli vain langallisen viestinnän sivutuote. 2G (alkaen n.1990): haluttiin globaali verkko, joka olisi joka paikassa yhteensopiva. Poliittisista syistä tämä ei täysin toteutunut vaan syntyi useita digitaalisia verkkostandardeja (esim. TDMA ja GSM). Näistä on GSM laajimmalle levinnyt ja suuri kaupallinen menestys. 2G-verkot sisältävät jo kehittyneitä datapalveluita ja monipuolisia lisäpalveluita perinteisen puhepalvelun lisäksi. 3G (alkaen n. 2001): kolmannen sukupolven odotettiin täydentävän verkkojen globalisaation, tämä ei kuitenkaan täysin onnistunut. Näillä näkymin 3G-verkot perustuvat suurimmaksi osaksi 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. 2

3 IMT-2000 (International Mobile Telephony -2000) on ITU-T:n antama nimi kolmannen n sukupolven solukkoverkolle. k ll ITU haaveili yhden yhteisen radiorajapinnan n standardoinnista. Työtä tehtiin nimen FPLMTS (Future public land mobile telephony system) alla. Myöhemmin nimi muutettiin IMT-2000:ksi (International mobile telephony 2000). Koska standardointia tehtiin monessa paikassa rinnakkain samanaikaisesti, tämä hanke kanavoitui lopulta yleisiksi verkkoarkkitehtuurin perusteiksi, joita 3. sukupolven verkot noudattavat. IMT-perhe sisältää seuraavat teknologiat: IMT-DS (Direct Spread): UTRA FDD IMT-MC (Multicarrier): CDMA2000 IMT-TC (Time Code): TD-SCDMA ja UTRA TDD IMT-FT (Frequency Time): DECT IMT-SC (Single Carrier): EDGE IP-OFDMA TDD WMAN : Mobiili Wimax 3

4 Järjestelmän täytyy olla vähintään yhtä tehokas tehokas radiospektrin käytön kannalta kuin 2. sukupolven järjestelmät Järjestelmän täytyy olla täysin standardisoitu ja standardien täytyy olla globaalisti voimassa Järjestelmän täytyy toimia maailmanlaajuisesti kaikkien käyttäjien kesken ajasta ja paikasta riippumatta. Vaikeuksia tämän toteuttamiseksi näyttää ilmaantuvan poliittisista syistä. Radiorajapinnan tulee olla riittävän laajakaistainen. Tulee tarjota tuki ulkopuolisille palveluille. Radiorajapinta ja verkon rakenne eivät saa rajoittaa kehitettäviä palveluita. Peittoaluetta täytyy olla sekä sisä- että ulkotiloissa Laadun tulee olla vähintään nykyisten kiinteiden verkkojen luokkaa. Puhelinten tulee olla pienikokoisia ja edullisia Tietoliikenteen turvallisuuden tulee olla hyvä. Multimedia ja sen osa-alueet tulee olla tuettuja tt 4

5 Verkko toteutetaan seuraavasti: samanlainen radiorajapinta on saatavilla kaikkialla kk maailmassa myös muita teknologioita tuetaan paikallisesti eli käytössä tulee olemaan puhelimia, jotka pystyvät toimimaan useissa eri teknologioissa 5

6 1990-luvun alussa ETSI:n piirissä käynnistettiin useita EU:n rahoittamia tutkimushankkeita. Vuosina tutkittiin lähinnä toiminteiden jakoa radio- ja runkoverkon välillä sekä ATM:n ja ISDN-konseptin käyttöä mobiiliverkoissa tutkittiin erilaisia radiorajapintoja (lähinnä TDMA:ta ja CDMA:ta). Eurooppalaiset tukivat TDMA:ta ja amerikkalaiset CDMA:ta, molemmat pohjautuen omiin kokemuksiinsa. Samanaikaisesti myös ITU teki omaa IMT-2000-työtään. Japanin ja Euroopan tarpeet olivat erilaisia: Euroopassa haluttiin keskittyä laajakaistaisempien palveluiden kehittämiseen (esim. mobiili videokuva) kun taas Japanissa oli tarve uusista taajuusalueista. t Molempien tarpeisiin ii sopivat taajuusalueet 3G-verkoille varattiin ITU:n toimesta jo vuonna suuri edistysaskel oli ETSI:n tekemä päätös valita WCDMA UMTS:n radiorajapinnan tekniikaksi. Tätä tuki myös Japanin suurin operaattori NTT Docomo. Samanaikaisesti runkoverkko sovittiin kehitettäväksi GSM-runkoverkon pohjalta ETSI ja japanilaiset TTC ja ARIB pääsivät sopimukseen yhteisten UMTSstandardien tekemisestä yhteisen projektin sisällä. Projektin nimeksi tuli 3GPP (Third generation partnership project). Tämän jälkeen voitiin käynnistää varsinainen UMTS-standardointi keväällä Kaikki UMTS-standardisointityö siirtyi ETSI:stä 3GPP:hen luvulla 3GPP:n työ jatkuu edelleen. Siellä tehdään myös 4G.n spesifiointityötä. 6

7 3GPP on eräänlainen sateenvarjo, jonka alla pyritään saamaan aikaan kompromissit standardeista ottamalla huomioon poliittiset, teolliset ja kaupalliset paineet, jotka kanavoituvat seuraavien alueellisten elimien kautta: ETSI(Eurooppa), ARIB(Japani), CWTS (Kiina), T1 (USA), TTA (Korea) ja TTC (Japani). Rinnalle perustettiin harmonisointiorganisaatio OHG (Operator harmonisation group). 3GPP:n tehtävä on määritellä ja ylläpitää UMTS-spesifikaatioita ja OHG etsii kompromisseja sellaisille asioille, joita 3GPP ei ole pystynyt ratkaisemaan. Näin 3GPP:n työ pääsee etenemään. Tämä ratkaisu ei tyydyttänyt kaikkia. Amerikkalaiset perustivat rinnalle oman ryhmänsä, 3GPP-2:n, jonka tehtävänä on kehittää 3G-standardia, joka rakentuu amerikkalaisen IS-95 radioteknologian (kapeakaistainen CDMA) päälle. Yhdessä 3GPP, OHG ja 3GPP-2 pyrkivät saamaan aikaan speksejä, joiden mukaan laajakaistainen radiorajapinta voidaan tarjota. UMTS Forum toimii vuodesta 1996 lähtien keskusteluareenana operaattoreiden, laitevalmistajien ja regulaattoreiden kesken. 3GPP päätyi julkaisemaan standardeja vuosittaisella periaatteella. Ensimmäinen versio sai nimekseen Release 99 (3GPP 99). Se perustuu vielä pääosin GSM-verkkoon. Seuraava versio oli Release 00, joka jaettiin kahteen osaan: Release 4 ja Release 5. Release 5 sisältää jo All IP-pohjaisen verkon eli runkoverkko toimii IP-protokollan mukaan. Releaset on tarkemmin esitelty evoluutio-kappaleessa. 7

8 3GPP:n työryhmät: SA: systeemiarkkitehtuuri CN: Runkoverkko T: päätelaitteet RAN: Radioverkko GERAN: GSM- ja EDGE-radioverkot 8

9 Kaikki UMTS:lle allokoidut taajuudet kaistoilla MHz, ja MHz vapautuivat t Suomessa UMTS:n käyttöön vuoden 2002 alussa. Vuonna 2000 järjestetyssä WRC-konferenssissa päätettiin laajentaa taajuuskaistaa seuraaville alueille: MHz MHz (GSM ) MHz (GSM1800) 9

10 1998: Verkkostandardeja valmistui 1999: ITU:n IMT-2000 periaatteet valmistuivat. Laitevalmistajat rakentavat koeverkkoja. Ensimmäiset lisenssit myönnetään (Suomessa ja Espanjassa) ilman huutokauppaa. 2000: 3GPP Release -99 (ensimmäinen täydellinen spesifikaatio) joulukuussa 99. Suuria ja riitaisia huutokauppoja verkkolisensseistä useissa Euroopan maissa. 2001: Uusia standardijulkaisuja, ensimmäiset kaupalliset verkot Japanissa (FDD). Euroopassa heräävät epäilyt UMTS:n kannattavuudesta. Ensimmäiset operaattorit rahavaikeuksissa kalliiden lisenssien vuoksi. 2002: Kaupallisia verkkoja (FDD) muualla Aasiassa ja Euroopassa. Yhä useampi operaattori vaikeuksissa. Käynnistyksiä viivästetään. 2003: Muutamia kaupallisia verkkoja käynnistyy. Puhelimia tulee markkinoille hitaasti. 2004: Lisää kaupallisia käynnistyksiä. Puhelimia tulee markkinoille 2005: 11/2005 käyttäjien määrä ylitti 40 milj. 2006: Vuoden alussa kaupallisessa käytössä 100 UMTS-verkkoa 42 maassa. Tämän vuoden aikana jo puolet Nokian uusista puhelinmalleista toimii UMTS-verkossa 2007: Tilaajamäärä 11/2007 n. 174 milj., verkkoja käytössä 200 kpl 80 eri maassa. Näistä 135:ssä toimii myös HSDPA. 2008: Tilaajamäärät kasvavat, verkkoja rakennetaan laajalti 2009: Maaliskuussa tilaajamäärä 352 milj., verkkoja käytössä 260 kpl 105 maassa : LTE (Long Term Evolution) eli OFDMA-tekniikkaan perustuvan kehitysversion odotetaan tulevan kaupalliseen käyttöön 10

11 11

12 Verkon kehitys vaihtelee eri tapauksissa huomattavasti. Lähtökohta voi olla erilainen, in n eri laitevalmistajien lmist toteutukset t t t vaihtelevat, t myös taloudelliset llis t seikat asettavat rajoituksia. Myös palveluiden kehitys on usein ennalta-arvaamatonta. Kuluttajat eivät ehkä olekaan samaa mieltä palveluiden käyttökelpoisuudesta kuin niiden kehittäjät. Myös palveluoperaattorit voivat luoda palveluita, jotka verkossa synnyttävät yllättäviä ongelmia, pullonkauloja tai muutostarpeita. Tässä luvussa keskitytään verkon evoluutioon polulla, joka johtaa GSM-verkosta täydelliseen UMTS-verkkoon. Kuvat ovat peräisin lähteestä /1/ s

13 GSM-verkossa äly on hajautettu kaikkiin verkkoelementteihin Avoimet rajapinnat verkossa ovat Um (radiorajapinta) ja A-rajapinta. Palveluvalikoima on kopioitu ISDN-liittymästä ja sovellettu mobiiliin käyttöön 13

14 GSM-verkon palveluita haluttiin lisää. Kaikkia ei ollut mahdollista toteuttaa verkon sisällä, joten verkkoon lisättiin lisäarvopalveluita l l it varten palvelukeskuksia l ksi ja solmuja. Näitä olivat esim. lyhytsanomakeskus ja ääniviestikeskus (Voice mail). Tämä oli palveluevoluution ensimmäinen askel. 14

15 Perusverkko ja VAS-palvelut tuottivat erilaisia massapalveluita. Tarpeet personoidumpiin palveluihin kasvoivat ja kehitettiin älyverkkokonsepti tuottamaan henkilökohtaisia palveluita. IN-verkko synnytti muutoksia NSS:ään ja on itsessäänkin monimutkainen elementti. Sillä pystytään kuitenkin huomattavasti monipuolisempien palveluiden tarjontaan kuin pelkällä GSM-verkolla. 15

16 Ajan mittaan paineet nopeampaan datansiirtoon kasvoivat, 9,6 kb/s jäi liian hitaaksi Internetin n tin ja sähköpostin stin käytön laajentumisen n myötä. Kevennetyllä kanavakoodauksella nostettiin aikavälin nopeus 14,4 kb/s. Multislot-tekniikan avulla voidaan datanopeus nostaa n. 50 kb/s ihanteellisissa olosuhteissa. HSCSD on piirikytkentäinen palvelu. Palvelu toi HW- ja SW-muutoksia lähes kaikkiin verkkoelementteihin. 16

17 Paineet tehokkaampaan pakettidataan kasvoivat. GPRS-palvelu aiheutti verkkoon suuria muutoksia. Radioverkon elementteihin tehtiin HW- ja SW-muutoksia. Lisäksi tarvittiin kokonaan uusi pakettirunkoverkko sekä SGSN- ja GGSN-solmut. GPRS oli askel kohti mobiilia IP-verkkoa. 17

18 Nopeampaan datansiirtoon pystytään muuttamalla modulointitapaa tehokkaammaksi. GMSK-modulointi vaihdetaan 8-PSK:ksi. Myös kanavakoodausta muutetaan. EDGEllä saavutettava suurin nopeus on korkeintaan 384 kb/s. EDGEstä käytetään myös nimitystä E-GSM ja E-GPRS 18

19 UMTS-verkon radiorajapinta on WCDMA-tekniikan mukainen. Tämän vuoksi joudutaan rakentamaan n uusi radioverkko UTRAN. Uudet elementit ovat RNC ja BTS. Yhteensopivuutta GSM:n ja UMTS:N välillä tarvitaan. Tämä tarkoittaa sitä, että handover verkon sisällä järjestelmästä toiseen onnistuu. Verkon täytyy pystyä välittämään tietoa toisen puolen tilasta puhelun aikana. IN-verkon laajennuksena UMTS:ään tullaan rakentamaan CAMEL-toiminteita (Customised Applications for Mobile Network Enhanced Logic). Tämä tarkoittaa palveluihin liittyvien tietojen siirtoa verkkojen välillä. Tällöin voidaan räätälöityjä palveluita tarjota myös verkkovierailun aikana. Siirtoyhteyksillä käytetään fyysisen kerroksen päällä ATM-protokollaa. Verkkokerroksen protokollana käytetään IP-protokollaa. Piirikytkentäiset elementit kehittyvät myös. GSM:n MSC:tä voidaan käyttää, mutta siihen joudutaan tekemään muutoksia ja lisäyksiä. Myös GPRS-verkon solmuihin tulee suuria muutoksia. Tässä vaiheessa tarjotaan GSM:n vaihe 2+:n palvelut ja lisäksi joitain 3G-palveluita, esim. videokuvaa. Palveluiden toteutus siirretään pakettikytkentäiselle puolelle jos se on järkevää. 19

20 Tässä vaiheessa suurin muutos on piirikytkentäisellä puolella tehty puhelun kytkennän, hallinnan n ja palveluiden l eriyttäminen. n Tähän asti nämä toiminnot t ovat tapahtuneet MSC/VLR-keskuksessa, joka on kehittynyt GSM:n MSC:stä. R4:ssä käyttäjän data kytketään MGW:ssä (Media Gateway), jota ohjataan uudella hallintayksiköllä, MSC Serverillä. Ajoitus riippuu teknologian ja spesifikaatioiden etenemisestä. Mitä enemmän painoarvoa IPv6 verkoissa saa, sitä enemmän sitä käytetään myös UMTS-verkossa. Paketti- ja piirikytkentäisen datan käytön suhde muuttuu ja liikenne painottuu enemmän pakettikytkentäiselle puolelle. Vähitelleen myös puheen siirto tapahtuu IP-protokollan avulla (VoIP eli Voice over IP). IMS (IP Multimedia Subsystem) hoitaa VoIP-puhelut sekä IP-pohjaiset multimediapalvelut. Myös CAMEL:in tarjoamat palvelut muuttuvat pakettipohjaisiksi. 20

21 R5-vaiheessa evoluutio jatkuu. Oletettavasti tässä vaiheessa kaikki liikenne on IP- pohjaista. Tavallinen puhelu, joka tulee UTRAN-radioverkosta, siirretään paketteina GGSN:n ja IMS:n kautta PSTN:ään. Piirikytkentäistä runkoverkkoa ei enää tarvita. GSM-radiorajapinta on edelleen mukana (GERAN). Siirtoyhteyksien muutos on suuri. ATM-tekniikasta on mahdollista siirtyä kokonaan IPteknologiaan. Kun QoS-ominaisuudet IP:ssä ovat ATM:n tasolla, siirtymä tapahtunee laajassa mittakaavassa. Verkon tässä vaiheessa palvelut ovat tärkein peruste radiorajapinnan valinnalle. Radiorajapinnalta toivotaan riittävää kaistanleveyttä käytettäville palveluille. 3G-runkoverkolla on radiorajapintana erilaisia teknologioita, kuten GSM, EDGE, cdma2000, WCDMA ja WLAN. Päätelaitteet monipuolistuvat ja ne sisältävät joitakin em. rajapinnoista markkinoiden määräämällä tavalla. 3G:stä tulee kiinteä osa elämää ja sen avulla käytetään palveluita, joita ennen ollaan käytetty jollain muulla tavalla. Voi olla vaikea sanoa, missä puhelin loppuu ja tietokone alkaa. Mukana myös HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): 10 Mbit/s dl-suunnassa 21

22 IMS vaihe 2: mahdollistaa multimediasovellukset käyttäen SIP-protokollaa Radioverkon muutokset: FDD ja TDD 850 MHz, 1,7/2,1 GHz USA:ssa 800 MHz Japanissa MHz HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) yhdessä HSDPA:n kanssa mahdollistaa nopeat interaktiviset yhteydet, y esim. multimedia High Speed Packet Access (HSPA): A nomenclature for developments encompassing both directions of information transmission -- the downlink (HSDPA) and the uplink (HSUPA) directions. HSPA is an enhancement to UMTS and offers a successful combination of spectral efficiency (4-5 times that of UMTS) and high speed data throughput thus enabling true mass market mobile broadband. HSDPA users today experience throughput rates in excess of 1 Mbps with favorable conditions and this will increase with planned improvements to HSPDA. HSUPA users will experience peak user achievable rates close to 1 Mbps in the uplink under favorable conditions, and low latency (less than 100 ms). HSPA also lowers an operators' cost per bit, enabling cost-effective, rich multimedia services. 22

23 HSPA Evolution (HSPA+): HSPA+ is a study item of 3GPP with a goal of creating a highly optimized version of HSPA that employs Release 7 features and other incremental features such as interference cancelization and optimization to reduce latency. HSPA+ would enable operators to capitalize on existing RAN infrastructure investments, as well as possibly leverage the use of the SAE core with the current radio interface in 2 x 5 MHz spectrum. Depending on the features implemented, HSPA+ could match, and possibly exceed, the potential performance and capability of IEEE e (mobile WiMAX) in the same amount of spectrum, and could match LTE performance in 5 MHz. Evolved EDGE: The EDGE evolution is expected to enable operators the opportunity to upgrade their EDGE networks to improve service coverage and more than double spectral efficiency for EDGE, reduce latency to less than 80 ms, and increase data rates to a peak theoretical rate per user of 1 Mbps for the downlink and 500 Kbps for the uplink. 23

24 System Architecture Evolution (SAE): The 3GPP work item for SAE or Evolved Packet System (EPS) develops a framework for a higher-data-rate, lower-latency, packet-optimized system that supports multiple radio access technologies with a focus on the packet-switched domain to support voice services. The main drivers for the network evolution are: to be able to meet the targets for the evolution of the radio-interface (LTE), to enable the evolution towards an all-ip network, and to support mobility and service continuity between heterogeneous access networks. Long Term Evolution (LTE): The 3GPP work item on the Long Term Evolution (LTE) or EUTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) or the Air-Interface Evolution will develop a framework for a high-data-rate, low-latency and packet-optimized OFDMA radio-access technology. While the standards work continues on the evolution of HSPA in Release 8, another area of focus in Release 8 is the introduction of a new OFDM-based technology through the Long Term Evolution (LTE) work item, often referred to as the Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN). In parallel, 3GPP has progressed on the standards development and definition of a new flatter-ip core network to support the EUTRAN through the System Architecture t Evolution (SAE) work item, which h has recently been renamed the Evolved Packet System (EPS) Architecture. The combination of LTE and SAE/EPS provides the long term vision for 3GPP to an all-ip, packet-only OFDM-based system expected to further improve performance by providing higher data rates, improved spectral efficiency and reduced latency. 3GPP recently reported LTE's peak theoretical downlink throughput rates of up to 326 Mbps in 2X20 MHz with 4X4 MIMO. Based upon some vendors' UMTS/HSPA infrastructure being deployed in 2007, operators may be able to migrate to LTE through a straightforward upgrade. The first field trials for LTE are planned for 2008, with commercial availability in

25 UMTS-järjestelmän radioverkko koostuu kahdesta komponentista: FDD eli taajuusjakoinen tekniikka (Frequency Division Duplexing). FDD toteutetaan laajakaistaisella koodijakotekniikalla (WCDMA). FDD:ssä käytetään useita 5 MHz:n kaistoja pareittain UL- ja DL-suunnissa. FDD toteutetaan ensin. Taajuusalue on DLsuunnassa MHz ja UL-suunnassa MHz. Duplex-vli on siis 190 MHz. TDD eli aikajakoinen tekniikka (time division duplexing). TDD toteutetaan TDMA- ja CDMA-tekniikoiden yhdistelmällä, jota kutsutaan nimellä TD-CDMA (kts. Monikäyttötekniikat). TDD lisättiin konseptiin myöhemmin jotta saataisiin myös ITU:n määrittelemät parittomat taajuuskaistat käyttöön. TDD käyttää aikajakoisesti yhtä 5 MHz:n kaistaa. TDD:lle varatut taajuusalueet sijaitsevat molemmin puolin FDD:n UL:ää ( MHz). Molemmissa toteutuksissa kanavan keskitaajuus voidaan valita 200 khz:n rasterilla. 25

26 WCDMA:ssa käytetään DS-CDMA-tekniikkaa (Direct Sequence Code Division Multiple Access): käyttäjän informaatiobitit levitetään tään laajalle ll kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal). Suuria bittinopeuksia tuetaan käyttämällä muuttuvaa levityskerrointa ja useaa koodia/yhteys. (vrt. multislot GSM:ssä). Vierekkäisissä soluissa voidaan käyttää samaa taajuutta. Radiotiellä oleva häiriö (kts. kuva) levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi. WCDMA:n etuja: hyvä häiriönkesto salakuuntelun vaikeus käyttäjien välinen häiriö pieni tehokas monikäyttötekniikka tukee hyvin etäisyyden mittausta tehokkaat diversiteettimahdollisuudet 26

27 Käsitteitä: Yksi bitti kantataajuista signaalia on symboli Yksi bitti koodisignaalista on chip (lastu) Levityskerroin (spreading factor): esim. jos levityskerroin on 128, yksi symboli sisältää 128 chippiä. Levityskerroin K = 2 k, k=0,1,2, Kuva 3.2.: Data kerrotaan 8 bitin koodisekvenssillä. Chippinopeus nousee 8- kertaiseksi alkuperäiseen dataan verrattuna ja kaista levenee samassa suhteessa. Levityskerroin on siis 8. Kuva 3.3.: Korrelaatiovastaanottimen toiminta: Oma signaali saadaan täydellisesti vastaanotettua ja sen jälkeen tulos integroidaan. Muut signaalit näkyvät integroinnin jälkeen epämääräisinä nollan ympärillä tapahtuvina vaihteluina. 27

28 28

29 Maksimi chip-nopeus 3,84 Mcps johtaa kantoaallon kaistanleveyteen 5 MHz. Tämä laaja kaista tukee korkeita k käyttäjädatanopeuksia, t ksi lisäksi se synnyttää monitiediversiteettiä. Lisenssistä riippuen operaattori voi käyttää useita 5 MHz:n kaistoja, mahdollisesti monikerrosverkon muodossa. Levittämällä signaali laajalle kaistalle, saavutetaan ns. prosessointivahvistusta (Processing Gain), joka on yhtä suuri kuin levityskerroin. Mitä suurempi on levityskerroin, sitä pienempi energia tarvitaan bittiä kohti. Suurin chipnopeus on 3,84 Mcps. Kun alkuperäisen datan nopeus on pieni, käytetään suurta levityskerrointa (ja pientä tehoa). Suurilla datanopeuksilla toimitaan pienillä levityskertoimilla. 29

30 30

31 Käyttäjän lähete saadaan selvitettyä muiden lähetteiden joukosta oman koodin avulla. Mitä enemmän käyttäjiä on, sitä korkeammaksi nousee pohjakohinan taso. Haluttua lähetettä on vaikeampi erottaa kohinan joukosta kuin pienemmän käyttäjämäärän tapauksessa. Järjestelmällä on tietty häiriötaso, jonka saavuttamisen jälkeen uusien käyttäjien pääsy on estettävä, jotta käyttäjien laatuvaatimukset voidaan täyttää. 31

32 Bandwidth on Demand (BoD): WCDMA tukee muuttuvia datanopeuksia. Jokaiselle käyttäjälle annetaan n 10 ms:n pituinen in n kehys, jonka kuluessa datanopeus säilyy muuttumattomana. Käyttäjäkohtainen nopeus voi vaihdella kehyksestä toiseen. Verkko valvoo tätä radiokapasiteetin jakoa, jotta pakettidata saadaan siirrettyä optimaalisesti. Jokainen kehys on jaettu 15 aikaväliin. Tämä aikavälijako palvelee lähinnä synkronointia. 32

33 Koodien on oltava mahdollisimman hyvin erotettavissa toisistaan eli niiden tulee olla ortogonaalisia. Ortogonaalisuus s merkitsee sitä, että niiden n ristikorrelaatio on nolla tai mahdollisimman lähellä nollaa. Ortogonaaliset koodit: (esimerkki) 33

34 34

35 UTRAN-verkon tärkein tehtävä on luoda ja ylläpitää radioyhteys päätelaitteen ja runkoverkon k n välillä. UTRAN huolehtii htii kaikesta radiorajapintaan n liittyvästä toiminnallisuudesta. UTRAN koostuu kahdesta elementistä: Node B (tukiasema) muuttaa datan radiotielle sopivaksi signaaliksi ja päinvastoin. Käytetään myös lyhennettä BS. RNC (Radio Network Controller) hallitsee ja valvoo radioresursseja omalla alueellaan eli siihen liitetyissä tukiasemissa. RNC tarjoaa runkoverkolle kaikki radiorajapintaan liittyvät palvelut. Tukiasemat koostuvat yhdestä tai useammasta solusta. Jokaisella solulla on oma sotkemiskoodi ja Cell ID, joiden perusteella se tunnistetaan. Solussa on vähintään yksi lähetin-vastaanotinyksikkö eli TRX. 35

36 UMTS:ssä on kolmenlaisia kanavia: loogisia, fyysisiä ja kuljetuskanavia. Usealla eri tyyppisellä fyysisellä kanavalla voidaan kuljettaa yhtä tai useampaa siirtokanavaa. Edellisten lisäksi käytetään myös osoittimia. Loogiset kanavat vastaavat siitä mitä siirretään Kuljetuskanavat vastaavat siitä, miten data siirretään Fyysiset kanavat vastaavat siitä, minne data siirretään 36

37 Kanavien tehtäviä: Loogiset kanavat downlink-suunnassa BCCH (Broadcast Control Channel): tiedonvälitys verkosta PCCH (Paging Control Channel): kutsujen lähetys CCCH (Common Control Channel): yhteinen merkinanto DCCH (Dedicated Control Channel): yhteyskohtainen merkinanto DTCH (Dedicated Control Channel): yhteyskohtainen liikenne CTCH (Common Traffic Channel): yksisuuntainen (DL) välittää yhteistä informaatiota Kuljetuskanavat downlink-suunnassa BCH (Broadcast Channel) PCH (Paging Channel) FACH (Forward Access Channel) DCH (Dedicated Channel) DSCH (Downlink Shared Channel) 37

38 Loogiset kanavat uplink-suunnassa CCCH, DTCH ja DCCH (merkitys ja tehtävät ät samat kuin DL:ssa) Kuljetuskanavat uplink-suunnassa RACH (Random Access Channel) merkinantoa UE:ltä verkkoon DCH CPCH (Common Transport Channel) kuljettaa pakettidataa verkkoon päin 38

39 Fyysiset kanavat: P-CCPCH: Primary common control physical channel S-CCPCH: Secondary common control physical channel DPDCH: Dedicated Physical Data Channel DPCCH: Dedicated Physical Control Channel PCPCH: Physical Common Packet Channel PRACH: Physical Random Access Channel Osoittimet AICH: Acquisition Indication Channel P-SCH: Primary Synchronisation Channel S-SCH: Secondary Synchronisation Channel CSICH: CPCH Status Indicator Channel CPICH: Common Pilot Channel PICH: Page Indicator Channel CD/CA-ICH: Collision Detection Channel Assignment Indicator channel 39

40 DL: Käytetään QPSK-modulointia (Quadrature Phase Shift Keying). Dataa käsitellään bittipareina in I- ja Q-haarojen avulla. QPSK vaatii koherentin ilmaisun. is Signaalin kaista on leveä. Signaalissa esiintyy amplitudivaihteluita, joten se vaatii erityisen lineaarisia vahvistimia. UL: Em. amplitudinvaihteluiden vuoksi on valittu muunnos QPSK:sta eli OQPSK (Offset QPSK). Tästä on etua terminaalin tehonkulutukselle ja laitteen hinnalle. 40

41 Pehmeä puhelunsiirto (soft handover): Pehmeässä handoverissa puhelin on kahden solun päällekkäispeittoalueella. Koska kaikissa soluissa on käytössä sama taajuus, puhelin voi olla yhteydessä verkkoon kahden solun kautta. Data välittyy varmemmin. Siirtymätilassa ollaan kunnes on siirrytty riittävän syvälle toisen solun alueelle. Pehmeä puhelunsiirto torjuu myös near-far -ongelmaa. Toinen vaihtoehto olisi hyvin nopeasti toistuvat normaalit solunvaihdot. Pehmeä puhelunsiirto kasvattaa tukiaseman laitetarpeita: yhteyksiä tukiasemaohjaimelle, vastaanottimia ja RAKE-haaroja vastaanottimiin tarvitaan lisää. 41

42 Handover-tyypit: Kova handover samalle taajuudelle (Intra-frequency hard ho) tehdään siinä tapauksessa, että naapuri-rnc:iden välillä ei ole toimivaa Iur-rajapintaa (eli pehmeää HO:ta ei voida suorittaa) Kova handover eri taajuudelle (Inter-frequency hard ho): verkossa voi olla eri 5 MHz:n kanavia käytössä eri syistä, esim. mikro- ja makrosolukerroksien aikaansaamiseksi, jolloin tarvitaan kyky siirtyä taajuudelta toiselle. Kova handover eri järjestelmään (Inter-system hard ho) tehdään siirryttäessä esim. UTRAN:sta GERAN:iin. Pehmeä handover samalle taajuudelle (Intra-frequency soft ho) Pehmeämpi handover samalle taajuudelle (Intra-frequency softer ho) Soft-softer handover: pehmeä ja pehmeämpi handover tehdään yhtäaikaa. 42

43 Makrodiversiteetti tarkoittaa pehmeän handoverin synnyttämää diversiteettiä. Signaali summataan RNC:ssä. Diversiteetti tti syntyy, kun signaali kulkee kahteen tai useampaan eri tukiasemaan täysin eri teitä. On mahdollista summata myös toisen RNC:n alueelta tullutta signaalia. Mikrodiversiteettiä syntyy solun sisällä monitie-etenemisen kautta. Sen hyödyntämisen mahdollistaa RAKE-vastaanotin, joka kerää viivästyneet signaalikomponentit. Uplink-suunnan vastaanottodiversiteetti voidaan toteuttaa samaan tapaan kuin GSM:ssä eli antennidiversiteetillä. Tukiaseman vastaanottimeen kytketään kaksi antennia. Signaalit summataan. Myös tässä käytetään RAKE-vastaanotinta. Puhelimen vastaanottimeen on vaikeaa järkevästi lisätä toista antennia. Sen vuoksi UMTS:iin on speksattu downlink-suunnan lähetysdiversiteetti. Tukiasema lähettää kahdella antennilla. UL- ja DL-suunnan antennidiversiteetti tuo kahdenlaista etua: Koherentin summauksen vaikutus: signaali summataan koherentisti mutta kohina epäkoherentisti. Tähän tarvitaan ohjausta puhelimesta tukiasemalle, jotta tukiasema voi tahdistaa diversiteettisignaalin oikein. Ohjaus (feedback) siirretään ul-suunnassa DPCCH-kanavalla. Häipymien vaikutusten torjuminen: Tämä vaikutus näkyy lähinnä tehonsäädön pienentyneenä tarpeena. Tehoa ei tarvitse nostaa niin ylös kuin ilman diversiteettiä ja tämä säästää akkua ja laskee verkon häiriötasoa. Kokonaisvaikutus antennidiversiteetistä on UL-suunnassa n. 3-6 db:n luokkaa ja DL-suunnassa 0-5 db. 43

44 Tukiaseman vastaanottama teho tulisi olla sama kaikilla puhelimilla vaikka niiden etäisyys s asemasta st vaihtelee. Jos lähellä llä olevan puhelimen tehoa ei pienennetä, nn se voi tukkia koko tukiaseman vastaanottimen muiden puhelimien signaaleilta. Tätä kutsutaan near-far -ongelmaksi. (Kts.kuva) Nopeasta häipymästä johtuva signaalin menetys pakottaa säätämään tehoa usein. WCDMA:ssa on spesifioitu 1500 kertaa sekunnissa tapahtuva SIR-mittaus (Signal to Interference). Tukiasema mittaa signaalin SIR-suhteen ja vertaa sitä tavoite- SIR:iin. Jos tavoite ylittyy, puhelimen tehoa voidaan laskea. Näin nopea säätö pystyy eliminoimaan Rayleigh-häipymänkin häipymänkin vaikutusta. (kts.kuva 3.9). 44

45 Tehonsäätöä käytetään sekä UL- että DL-suunnassa. DL-suunnassa tehonsäätö on pääasiassa ss tarkoitettu tt torjumaan solun reunoilla olevien puhelinten n toisista soluista vastaanottamaa häiriötä. UMTS:ssä toteutetaan kaksi erilaista tehonsäätömekanismia: Open Loop Power Control: Idle-tilassa puhelin mittaa tukiaseman CPICHkanavalla lähetettävän pilottisignaalin suuruutta ja säätää oman tehonsa sen mukaan. Closed Loop Power Control: tehokkaampaa säätöä tarvitaan puhelutilassa. Inner Loop: Tukiasema lähettää päätelaitteelle (SIR-mittauksen perusteella) 1-bittisen käskyn joko nostaa tai laskea tehoa. Toisessa siirtosuunnassa puhelin antaa tukiasemalle käskyjä. Outer Loop: RNC tarkkailee yhteyden laatua. Se asettaa tavoitetason, johon SIR-mittauksessa pyritään. Laatua tarkkaillaan FER-suhteen perusteella. 45

46 46

47 RAKE (=harava) -vastaanotin pystyy tunnistamaan viivästyneet signaalikomponentit ja summaamaan m ne yhteen. Vastaanottimen haarat (fingers) erottavat signaalista omat komponenttinsa. Kussakin haarassa on tieto komponentin oletetusta reitistä eli radiokanavan estimaatti. Tämän estimaatin mukaan haara poistaa komponentista radiokanavan vaikutuksen signaalin vaiheeseen ja amplitudiin. Estimaatti saadaan aikaan tarkastelemalla vastaanotettuja pilottisignaaleja. Eri haarojen signaalit summataan yhteen ja saadaan suurin osa signaalin energiasta talteen. 47

48 Aina kun uusi käyttäjä on liittymässä soluun, pääsynhallinnan (Admission Control) tulee tehdä päätös siitä, nostaako käyttäjän liittyminen n häiriötasoa iöt yli sallitun rajan. Jos nostaa, käyttäjää ei oteta vastaan. Arviointi tehdään erikseen UL- ja DLsuunnille. Jos kuorma kuitenkin pääsee kasvamaan liian suureksi, voi kuormanhallinta (Load Control) tehdä jotain seuraavista toimenpiteistä: Hylätä puhelimesta tulevia tehonnostokäskyjä Laskea käyttäjien datanopeuksia Käskeä käyttäjiä siirtymään toiseen soluun tai GSM-järjestelmään Katkaista puheluita hallitusti Reaaliaikaisia palveluita voidaan priorisoida Kuormanhallinnan hoitaa RNC 48

49 Alkuvaiheessa toteutetaan FDD-komponentti. TDD on helppo lisätä verkkoon sitä mukaa kun sille allokoidaan uusia (todennäköisesti sti parittomia) taajuuskaistoja. j TDD voi periaatteessa hyödyntää mitä hyvänsä vähintään 3,84 MHz:n levyistä kaistaa. TDD käyttää TDMA:n ja CDMA:n yhdistelmää eli TD/CDMA:ta. Käyttäjien signaalit erotellaan sekä aikatasossa että koodin avulla. Allaolevassa taulukossa vertaillaan FDD:n ja TDD:n radiorajapintojen toteutuksia Monikäyttötapa TDD TDMA+CDMA (FDMA) FDD CDMA (FDMA) Levityskerroin Kanavaväli 5 MHz 5MHz Maksimichippinopeus 3,84 Mcps 3,84 Mcps Kehyksen pituus/rakenne 10ms, 15 aikaväliä/kehys 10ms, 15 aikaväliä/kehys Modulointitapa QPSK QPSK Ilmaisu Koherentti, perustuu Koherentti, perustuu opetusjaksoon pilottisignaaleihin Tehonsäätö Hidas: UL 200Hz, DL 800Hz Nopea 1500 Hz Taajuuskaistan sisäinen handover Kova handover Pehmeä handover 49

50 Uudet kanavat: HS-DSCH kuljetuskanava, k aikajakoinen k i HS-PDSCH fyysinen kanava, datansiirto HS-SCCH fyysinen kanava, ohjauskanava HS-DPCCH UL-suunnan signalointikanava AMC: Adaptive Modulation and Coding Mukautuva radioyhteys, nopeat muutokset useita yhdistlmiä modulaatiotavoista ja kanavakoodauksesta modulaatiotavat QPSK, 16QAM ja 64QAM, SF=16 HYBRID ARQ (Automatic Retransmission Query) Virheenilmaisumenetelmä Uudelleenlähetyspyyntö lohkokohtaisesti (ARQ) ja FEC yhdistetään: esim. virheelliset lohkot säilytetään käytetään yhdistettynä uudelleenlähetetyn lohkon tarkasteluun. MIMO (Multiple Input Multiple Output) käytetään useampia antenneja yhteyden molemmissa päissä kussakin antennissa eri signaali (omalla koodilla) tarvitaan kehittyneempää vastaanotintekniikkaa HSDPA Suomessa Ensimmäinen Nokian HSDPA:ta tukeva puhelin on N95, jota on alkanut saada Suomesta huhtikuussa 2007 (enintään 3,6 Mbit/s). Elisa päivitti oman 3G-verkkonsa tukemaan HSDPA:ta huhtikuussa 2006maksiminopeudella 1,8 Mbit/s ja alkaen nopeudella 3,6 Mbit/s. DNA Finland avasi oman HSDPA-verkkonsa maksiminopeudella 3,6 Mbit/s. TeliaSonera Finland avasi oman HSDPA-verkkonsa huhtikuussa 2007 ja toimii nykyään maksiminopeudella 3,6 Mbit/s. 50

51 HSUPA High Speed Uplink Packet Access, esitetty 3GPP Release 6:ssa Datansiirtonopeus yli 2 Mbps UL-suunnassa, ideaaliolo-suhteissa maksiminopeus 5,8 Mbps Hybrid ARQ tukiasemaan perustuva aikataulutus paketeille 51

52 LTE (Long Term Evolution) on 3G-tekniikka, jonka tarkoitus on kasvattaa datan siirtonopeuksia, parantaa palveluita ja vähentää kuluja. Data kulkee tukiasemasta päätelaitteeseen useita radioteitä pitkin eli niin sanotulla MIMO-tekniikalla. Datansiirron tavoitteiksi on laitettu tukiasemasta päätelaitteeseen 100 Mb/s ja päätelaitteesta tukiasemaan 50 Mb/s. Käytännössä nopeudet eivät tule olemaan näin suuria, varsinkin tukiaseman ollessa kaukana. Vaikka kaupalliseen käyttöön tulevien sovellusten datansiirtonopeudet eivät vielä pitkään aikaan yllä Nokian ja Ericssonin demoissa saavutettuihin nopeuksiin (n.150 Mb/s) niin silti datansiirto tulee olemaan huomattavasti nykyisiä 3G-tekniikoita nopeampaa. 3GPP viimeistelee edelleen UMTS:n seuraajan eli 3G LTE -tekniikan (long term evolution) määrityksiä. Operaattorit ja laitevalmistajat ovat kuitenkin jo saaneet päätökseen tekniikan ensimmäiset vaiheen kenttätestit. LTE:ssä datanopeus alavirtaan eli tukiasemasta kännykkään nousee yli sataan megabittiin sekunnissa. Toiseen suuntaan (uplink) data siirtyy 50 megabitin sekuntinopeudella. LTE on ensimmäinen 3G-tekniikka, jossa downlink- ja uplink-osat on toteutettu erilaisilla radiotekniikoilla. Tukiasemasta päätelaitteeseen data tulee OFDM-modulaatiolla ja toiseen suuntaan data siirtyy SC-FDMA-linkillä. 52

53 UMTS:n filosofiaan sisältyy ajatus yhteisen runkoverkon tuottamisesta. Tämä runkoverkko kk kykenee k hallitsemaan laajan valikoiman im erilaisia isi radiopääsytapoja. p Alkuvaiheessa verkko rakentuu GSM:n ja GPRS:n runkoverkon ympärille. Lopullisessa visiossa kaikki liikenne on IP-muotoista, myös puhe. Core Network sisältää seuraavat komponentit: HLR (Home Location Register) eli kotirekisteri on tietovarasto, joka sisältää asiakkaan palveluprofiilin ja sijaintitiedot MSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register) on keskus ja tietovarasto, joka palvelee päätelaitetta sen sijainti-alueella. MSC:n tehtävä on kytkeä piirikytkentäisiä palveluita. VLR sisältää kopion tilaajan palveluprofiilista. Sitä verkon osaa, jota käytetään MSC/VLR:n kautta kutsutaan CS-domainiksi (Circuit Switched). 3G:ssä VLR on kiinteästi integroitu osaksi MSC:tä. GMSC (Gateway MSC) on kytkentäpaikka ulkopuolisille CS-verkoille. Kaikki sisääntulevat ja ulosmenevät piirikytkentäiset yhteydet kulkevat GMSC:n kautta. SGSN (Serving GPRS Support Node) toiminnallisuus on sama kuin MSC:n, mutta sitä käytetään pakettikytkentäisten palveluiden kytkemiseen. Pakettikytkentäistä verkon osaa kutsutaan PS-domainiksi (Packet Switched Domain) GGSN (Gateway GPRS Support Node) toiminnallisuus on sama kuin GMSC:n, mutta sitä käytetään pakettikytkentäisten palveluiden kytkemiseen. PS Domainin yhteydet kulkevat IP Backbone:ssa, joka on sisäinen IP-protokollan mukaan toimiva runkoverkko. Se on eristetty muista IP-verkoista palomuureilla. Perusidea on käyttää mahdollisimman tehokkaasti GSM:n komponentteja runkoverkossa. Uutta on UTRAN-radioverkko ja sen tuomat palvelut 53

54 R4:ssä radioverkolle ei tapahdu paljoa muutoksia, mutta runkoverkossa muuttuu koko ajatustapa. Muutoksia tulee erityisesti is sti CS Domainiin. MSC jakautuu kahteen osaan: MGW:hen ja MSC Serveriin. Tämä tarkoittaa sitä, että yhteyksien kytkentä ja ohjaus eriytetään. MGW (Media Gateway) sisältää varsinaiseen kytkentään ja verkkojen yhteistoimintaan (Connection Management) tarvittavat toiminnallisuudet, kuten esim. transkooderit, kaiunpoistolaitteet ja modeemit. MSC Server vastaa loogisesta yhteydenhallinnasta (Communication Management) ja siihen liittyvistä toiminnoista. Se vastaa myös liikkuvuuden hallinnasta (Mobility Management) ja sisältää VLR:n. Yksi MSC Server voi ohjata useampia MGW:itä. IP-protokolla tulee R4:ssä yhä tärkeämpään asemaan. Tämän vuoksi verkkoon lisätään IP Multimedia Subsystem (IMS) jonka tehtävänä on huolehtia VoIPpuheluista ja erilaisista multimedia-palveluista. Se sisältää seuraavat toiminnallisuudet: MGCF (Media Gateway Control Function) CSCF (Call State Control Function) MRF (Media Resource Function) Nämä toiminnallisuudet mahdollistavat laajan uusien palveluiden tarjonnan. Yhteyksiä voidaan kytkeä joustavasti sekä paketti- että piirikytkentäisessä muodossa. 54

55 Release 5 :ssa tärkein muutos on IP-muotoinen liikenne sekä runkoverkossa että erilaisissa isiss radiopääsyverkoissa. iss Kaikki liikenne R5:ssa on pakettimuotoista, t ist kysymys s on vain siitä, onko se reaaliaikaista vai ei. Myös GERAN-radioverkosta tuleva liikenne saa saman kohtelun kuin UTRANliikenne eli sitä käsitellään pakettimuotoisena. Piirikytkentäistä osaa verkosta ei enää välttämättä tarvita. Tämä riippuu tietenkin siitä, miten VoIP-liikenne on kehittynyt. Kuvassa ed. sivulla näkyvät kaikki verkon rajapinnat. Katkoviivalla merkityt ovat pelkkiä signalointiyhteyksiä ja jatkuvalla viivalla merkityt yhteydet kuljettavat myös liikennettä. 55

56 Mobility Management sisältää mm. seuraavat toiminnallisuudet: Identiteettien ja osoitteiden hallinnan. Näitä tarvitaan tilaajan yksilöintiin, palveluiden määrittämiseen, yhteyksien reitittämiseen ja turvallisuuden takaamiseksi. UMTS-verkossa käytetään identiteettejä samaan tapaan kuin GSM:ssä eli käytössä ovat IMSI, MSISDN, MSRN, TMSI ja IMEI. Loogisten rakenteiden ja niiden identiteettien hallinnan. Tällä tarkoitetaan verkon sisäisiä hierarkkisia rakenteita, kuten esim. sijaintialueita, reititysalueita yms. Communication Management sisältää mm. seuraavat toiminnallisuudet: Connection Management piirikytkentäisille yhteyksille, sisältää mm. numeroanalyysin, reitityksen ja laskutuksen. Tämä osa toteuttaa myös eri verkkojen yhteensovituksen (Network Interworking). Session Management pakettikytkentäisille yhteyksille, huolehtii pakettidatan siirtotapahtumasta (session). 56

57 Spesifikaatioiden näkökulmasta päätelaitteelle asetetaan vaatimuksia koskien verkon ja päätelaitteen yhteensopivuutta. Tietyt toiminteet ovat pakollisia ja loput jäävät laitevalmistajien harkinnan varaan. Pakollisia kaikille päätelaitteille ovat: Suojattu rajapinta terminaalin ja USIM:n välillä Verkkoon rekisteröityminen ja poistuminen verkosta Sijainnin päivitys Yhteydellisten ja yhteydettömien palveluiden aloitus ja vastaanotto Pysyvä laitetunnus IMEI Laitteen perustoimintojen ilmoittaminen Hätäpuhelun soittomahdollisuus ilman USIM:iä Tunnistus- ja salausalgoritmien tuki sekä salausindikaattori PLMN:n valintamahdollisuus Näiden lisäksi tulevaisuutta varten terminaalin täytyy tukea seuraavia lisätoiminteita: API-rajapinta (Application Programming Interface) mahdollistamaan tiedonsiirto ME:n ja sovellusten välillä. Mekanismi, jolla ladataan verkosta palveluihin liittyviä tietoja. VHE:n (Virtual Home Environment) ylläpito. Optio useamman IC-kortin asennukseen. Lisäksi on spesifioitu suuri valikoima valinnaisia ominaisuuksia. 57

58 USIM (UMTS Subscriber Identity Module) on päätelaitteen tilaajasuhdeosa. USIM sisältyy UICC-kortille, jonka toimittaa operaattori. TE (Terminal Equipment) tarjoaa loppukäyttäjän sovellukset (vrt. ISDN) ja on R- rajapinnan kautta yhteydessä MT:hen. MT (Mobile Termination) on päätelaitteen se osa, joka päättää yhteyden verkkoon ja sovittaa päätelaitteen toiminnot yhteydelle. Koko verkon kannalta katsottuna MT on varsinainen päätelaite. NT (Network Termination) on riippuvainen Core Networkista eli toiminnallisesti yhteydessä CN:ään. CN:n kannalta katsottuna NT on varsinainen päätelaite. RT (Radio Termination) on yhteydessä radioverkkoon (UTRAN). Radioverkon kannalta RT on varsinainen päätelaite. 58

59 PS/CS moodi: päätelaite voi samanaikaisesti olla yhteydessä molempiin domaineihin ja käyttää sekä paketti- että piirikytkentäisiä ik palveluita. l PS moodi: laite pystyy kytkeytymään vain pakettikytkentäisiin palveluihin. Piirikytkentäiset palvelut (esim. puhe) voidaan kuitenkin tuottaa pakettikytkentäisinä (esim. VoIP). CS moodi: päätelaite pystyy käyttämään vain piirikytkentäisiä palveluita. PSpalveluita voidaan kuitenkin tuottaa myös piirikytkentäisinä, joihinkin sovelluksiin CS sopii jopa paremmin. Päätelaitteet voidaan luokitella myös sen mukaan, miten ne kykenevät käyttämään eri verkkoteknologioita: Single Network MT: pystyy käyttämään vain yhtä CN-tyyppiä (esim. GSM NSS tai UMTS PS) Selectable Multinetwork MT: pystyy käyttämään erilaisia CN:iä mutta vain yhtä kerrallaan.(esim. UMTS PS tai CS) Simultaneous Multinetwork MT: pystyy käyttämään useampia CN:iä yhtä aikaa (esim. UMTS PS ja CS yhtä aikaa) Single Radiomode MT: pystyy käyttämään vain yhtä radioverkkoteknologiaa. (esim. WCDMA-FDD) Selectable Multiradiomode MT: pystyy käyttämään useampia radioverkkotyyppejä muttei yhtä aikaa. (esim. UMTS R4-vaiheessa GERAN- ja UTRAN-verkkoja) Simultaneous Multiradiomode MT: pystyy käyttämään useampia erilaisia radioverkkoja yhtä aikaa. (esim. GSM ja UMTS) 59

60 Päätelaitteet voidaan segmentoida karkeasti myös niiden mahdollistaman palveluvalikoiman l lik im mukaan: Klassinen päätelaite: nykyisten mobiilipuhelimien kaltainen, edullinen ja palveluiltaan rajoitettu. Toimintatapa voisi olla GSM:n ja UMTS:N yhdistelmä. Dual mode päätelaite: sisältää sekä GSM:n että UMTS:n ja kykenee automaattisesti valitsemaan järjestelmän halutun palvelun mukaan. Todennäköinen massatuote. Multimedia päätelaite: käyttää UTRAN:in palveluita älykkäämmin kuin edellinen. Eräänlainen mobiilipuhelimen ja kämmenmikron yhdistelmä. Laaja sovellusvalikoima, hankinta hinnaltaan ja kustannuksiltaan lähinnä bisneskäyttäjien ulottuvilla. Erikoispäätelaitteet: erikoistarkoituksiin kehitettyjä laitteita, ei välttämättä puhelimenomainen. Voivat olla integroituja erilaisiin laitteisiin, esim. autoon. Lähinnä PS-moodissa toimivia. 60

61 Yksi USIM voi sisältää useita profiileja, joita käytetään eri tarkoituksiin. Esim. tilaajalla ll on kaksi ksi laitetta: tt klassinen n puhelin ja multimediapäätelaite. l it Kun USIM asennetaan laitteeseen, profiili määrittelee mitä tietoja käyttöliittymässä näytetään, mitä palveluita terminaalissa käytetään yms. Tilaajasuhde on sama, mutta profiili vaihtuu. USIM sisältää seuraavanlaisia tietoja: Hallinnolliset: IMSI, salausavaimet yms. Tilapäisiä: TMSI, sijaintialueen tunnus yms. Palveluihin liittyviä: onko kyky ja oikeus käyttää palvelua Sovelluksia: palveluihin liittyviä tiedostoja Henkilökohtaisia: käyttäjän tallentamia tietoja 61

62 3GPP on antanut laitevalmistajille vapaat kädet käyttöliittymän suunnittelussa. Tällä pyritään kustannustehokkaisiin kk ja luoviin ratkaisuihin ihin tiukan standardisoinnin dis innin sijasta. st Jotta palveluita voidaan käyttää erilaisilla terminaaleilla, on määritelty seuraavat toiminnot pakollisiksi: accept, select, send, indication ja end. Toimintojen syöttö voidaan päätelaitteessa toteuttaa eri tavoin, esim. näppäimistöllä, puheohjauksella, kosketusnäytöllä yms. 62

63 2G-verkoissa tuli ensimmäisen kerran esille palveluntuottajan rooli: kaupallisia palveluita l verkossa tuotti tti joku muu osapuoli kuin verkko-operaattori. Palveluiden kerrosmalli UMTS:ssä mahdollistaa erilaisten toimijoiden eriyttämisen. Myös kustannukset ja tulot jakautuvat eri kerroksissa eri tavoin. Mitä alemmalla kerroksella toimitaan, sitä suurempi osa kustannuksista koostuu laitteista. 63

64 Esim. paikannuspalvelu joka käyttää digitaalista karttapohjaa: Sisällöntuottaja tuottaa digitaalisen kartan Palveluntuottaja tuottaa ohjelmistoa, joka paikannustiedon avulla etsii oikean karttatiedon Verkko-operaattori tuottaa verkon palvelut Bittinopeudet (ilman HSDPA:ta): Piirikytkentäinen bittinopeus Pakettikytkentäinen bittinopeus Peittoaluetyyppi 144 kb/s 144 kb/s (huippu) Peruspeitto, maaseutu/lähiö, nopeasti liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto 384 kb/s 384 kb/s (huippu) Kaupunki, liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto 2 Mb/s 2 Mb/s (huippu) Hot spotit, kaupunkien keskustat, kävelynopeus, sisätilapeitto 64

65 Loppukäyttäjän näkökulmasta UMTS on palveluverkko. Silloin verkon teknologia itsessään ssään ei ole pääosassa ss vaan palvelun l laatu jota se voi tuottaa. tt Verkon sisällä asetetaan tietyt rajat palvelutasolle ja niitä pyritään noudattamaan. UMTS voi kuitenkin vastata vain omasta palvelutasostaan; kun liitytään ulkopuolisiin verkkoihin, niiden palvelutaso vaikuttaa loppukäyttäjän kokemaan palvelun laatuun. Päästä-päähän palvelut (end-to-end services) tuotetaan verkkopalveluiden avulla (bearer services). ) Verkkopalvelu vastaa QoS:stä kahden määritellyn pisteen välillä. Verkon sisällä QoS on määritelty kussakin arkkitehtuurin osa-alueessa erikseen ja sitä tarkastellaan ja valvotaan niissä kussakin eri kriteerien mukaan. 65

66 Ominaisuuksien määrittelyä helpottaa mahdollisuus valita yhteyden aikainen palvelun laatuluokka. l Siihen sisältyy esim. siirtoviive, datanopeus ja datan virhesuhde. hd Verkon täytyy t tukea erilaisia QoS-settejä koska vielä ei pystytä sanomaan mitkä tulevat olemaan käytetyimpiä. Palvelutason luokitus: Conversational (reaaliaikainen, vaativin luokka): Pieni viive, jonka vaihtelu myös on pientä. Symmetrinen liikenne, jonka vähimmäisbittinopeus äisbitti s taataan, t ei datan puskurointia Esim. puhe, videokuvan siirto ja videopelit Streaming class: Myös tässä viiveen vaihtelun pysyttävä pienenä. Puskurointi sallitaan, asymmetrinen liikenne, taattu bittinopeus. esim. streaming multimedia, musiikin kuuntelu verkosta Interactive class: Käyttäjä odottaa dataa tietyn ajan kuluessa, esim. Internet-käyttö. Datan oikeellisuus on tärkeää. Kohtuullinen viiveen vaihtelu sallittu, asymmetrinen liikenne, ei taattua bittinopeutta. Datan puskurointi sallittua. esim. web-sivujen selailu, erityisesti paikantamiseen perustuvat palvelut Background: Käyttäjä tai sovellus ei odota dataa tietyn ajan kuluessa. Datan oikeellisuus tärkeää. Viiveen vaihtelu suurta, asymmetrinen liikenne, ei taattua bittinopeutta, datan puskurointi sallittua. Esim. taustalla tapahtuva sähköpostien lataus 66

67 3GPP R99:ssä tämä on toteutettu verkkokomponenteilla, joita nimitetään Service Capabilities - tai Service Platform nimillä. Tämä verkon osa muuttuu ajan kuluessa kaikkein eniten. R99:ssä tuetaan omilla palvelualustoilla mm. seuraavia palveluita: WAP: Verkossa on WAP Server ja WAP Gateway. Käyttäjälle tarjotaan mobiilikäyttöön soveltuva selain. Paikannuspalvelut: palvelualusta tarjoaa paikannukseen perustuvia palveluita (positioning). MExE: (Mobile Station Application Execution Environment), palvelee muita palvelualustoja tarjoamalla tietoa päätelaitteiden ominaisuuksista ja kyvyistä käsitellä informaatiota USAT: (UMTS SIM Application Toolkit) tarjoaa työkalut SIM-kortin käsittelyyn CAMEL: (Customised Applications for Mobile Network Enhanced Logic) on yleinen palvelualusta kaikenlaisille palveluille joita tilaajat voivat käyttää. Verkon kehittyessä CAMEL:n rooli kasvaa ja se tulee toimimaan palveluiden yhdistymispisteenä. 67

68 R4/R5:ssa palveluiden tuottaminen on yhdenmukaisempaa: palveluntuottajien käytössä on yleinen n rajapinta OSA (Open Service Architecture). t OSA mahdollistaa yhden keskitetyn pisteen, jonka välityksellä palveluita voidaan kehittää. 68

69 Paikannuspalveluihin perustuvista palveluista on ennustettu tulevan todennäköinen Killer Application eli suosituin, sit in massoihin vetoava palvelumuoto. l Näissä palveluissa l on tärkeää ää nopea datan lajittelu l ja valintamahdollisuus. Dataa tarjotaan sijainnin perusteella. Paikannuksessa on UMTS:n käyttöön spesifioitu kolme metodia: 1. Cell ID eli solunnumeroon perustuva paikannus. Kun tiedetään solua palvelevan tukiaseman koordinaatit, voidaan solussa sijaitsevat päätelaitteet paikantaa karkeasti. Kaupungissa tarkkuus on n. 100 m:n ja maaseudulla jopa kymmenien kilometrien luokkaa. Tarkkuus riippuu solukoosta. 2. OTDOA: puhelin mittaa etenemisviiveen tukiasemalta puhelimeen. Kun puhelin saa suoritettua mittauksen vähintään kolmesta tukiasemasta, voidaan kolmiomittaustekniikalla laskea puhelimen sijainti. Monitie-etenemisen aiheuttama virhe täytyy ottaa laskelmissa huomioon. OTDOA on huomattavasti tarkempi kuin Cell ID:hen perustuva mittausmenetelmä. 3. Assisted GPS: käytetään avuksi GPS-verkosta saatavaa paikkatietoinformaatiota. UE-based: päätelaitteessa on täydellinen GPS-vastaanotin ja sijainti lasketaan päätelaitteessa. Verkolle lähetetään laskennan tulos. UE-assisted: päätelaitteessa on huonompi GPS-vastaanotin. Päätelaite mittaa vain tietyt parametrit ja lähettää tiedot verkkoon. Verkossa on tarkemmat tiedot ja sijainnin tarkka laskenta suoritetaan siellä. 69

70 Informaatiosovelluksia: Internet-selaus, interaktiivinen ostaminen, reaaliaikainen kirjapaino in online-tyyppisesti, sti paikkasidonnaiset is informaatiopalvelut, l t älykkäät tiedonhaku- ja suodatuspalvelut Koulutussovellukset: virtuaalikoulu, On line tiedelaboratoriot, On line kirjastopalvelut, On line kielilaboratoriot, verkkoharjoittelu Viihdesovellukset: reaaliaikainen audiopalvelu (radio), reaaliaikaiset pelit, videokoosteet, virtuaalinen matkustaminen Kunnallispalvelut: hälytyspalvelut, äänestäminen Liikesovellutukset: liikkuva toimisto, kapeakaistainen liike-tv, virtuaaliset työryhmät Tietoliikennesovellukset: videopuhelu, videokonferenssi, äänitunniste Kaupalliset ja rahoitussovellukset: virtuaalipankki, reaaliaikainen laskutus, maailmanlaajuinen SIM- ja luottokortti Liikenne- ja telematiikkasovellukset: tietullit, ajoreittien hallinta, ajoneuvon turvallisuussovellukset Keksi itse lisää: 70