5. Matkaviestinjärjestelmät, mobiiliverkot ja langaton tiedonsiirto

Transkriptio

1 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet Matkaviestinjärjestelmät, mobiiliverkot ja langaton tiedonsiirto Johdanto Sanastokeskuksen 160 määritelmän mukaan matkaviestintä on langatonta viestintää, jossa radioyhteyttä käytetään laajalla maantieteellisellä alueella liikkuvien telepäätelaitteiden ja televerkon välillä. Tämä määritelmä (vuodelta 2001) on sangen tekninen ja loppuosaltaan jo hieman vanhahtava. Langaton viestintä (wireless communication) tarkoittaa sitä, että päätelaitteen ja kiinteän verkon välillä tiedonsiirtoon käytetään vapaasti eteneviä sähkömagneettisia aaltoja. Tällöin voidaan käyttää myös termiä mobiili (mobile). Kielitoimiston sanakirjan 161 mukaan mobiili on liikkuva, liikuteltava, siirrettävä. Tämän mukaan sanaa mobiili voi suomen kielessä käyttää adjektiivina; toisaalta sanastokeskus suosittelee sanan mobiili käyttöä (vain) yhdyssanojen alkuosana, esimerkiksi mobiililaite (mieluummin kuin mobiili laite). Näyttää siltä, että mobiili on enenevässä määrin käytetty ja hyväksytty termi jopa niin, että sitä voidaan suosia sanojen matkaviestin tai matkaviestintä sijasta. Tässä materiaalissa mobiilia käytetään sekä yhdyssanoissa että erikseen määreenä. Mobiilisuutta pidetään nykyisin jo niin itsestään selvänä, että sitä ei välttämättä erikseen tarvitse korostaa. Olisi vaikeaa kuvitella älypuhelinta, joka ei olisi liikuteltava eli mobiili. Lisäksi termi puhelin saattaa jäädä vähitellen pois käytöstä, kun päätelaitteella tehdään enimmäkseen muuta kuin puhutaan; puheyhteys on laitteessa vain yksi, joskin merkittävä, sovellus. Uudissanoja syntyy jatkuvasti tekniikan kehittyessä. Taulutietokone tai tabletti (tablet) on mobiilikäyttöön tarkoitettu pienikokoinen ja litteä kannettava tietokone, jossa on sormin käytettävä kosketusnäyttö, kun taas taulupuhelin (phablet) on älypuhelin, jossa on erityisen suurikokoinen kosketusnäyttö. Missä näiden laitetyyppien välinen raja menee, on hyvin vaikea sanoa. Termit ja määritelmät luultavasti muuttuvat edelleen jo lähivuosien aikana. Verkkoon mobiiliyhteydellä jatkuvasti tai ajoittain liittyvien päätelaitteiden määrä tulee lähivuosina ja vuosikymmeninä kasvamaan räjähdysmäisesti. Verkossa voivat jo nyt olla kellosi ja autosi ja kohta myös anturit, jotka tarkkailevat veresi ominaisuuksia ja siellä liikkuvia viruksia. Anturi voi siis kohta ilmoittaa sykemittarille että nyt kannattaisi hieman hiljentää vauhtia, koska veressä on havaittu influenssavirus, samalla tarkemmat hoito-ohjeet tulevat taulutietokoneelle ja auton navigaattori saa tiedon lähimmästä terveysasemasta, siltä varalta, että tauti pahenee (ja autohan luultavasti osaa tässä vaiheessa jo ajaa itsestään). Paljon mielenkiintoista kehitystä siis varmasti tapahtuu lähivuosikymmenien aikana ja tätä kehitystyötä 160 TEPA Sanastokeskus TSK:n termipankki,

2 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 128 varten tarvitaan asiantuntijoita, jotka hallitsevat sekä sähkömagnetismin hienoudet että järjestelmätason säännönmukaisuudet ja kaoottisuuden. Tässä luvussa kuvataan joitakin matkaviestinnän ja radiotekniikan perusteita. Tarkastelu on jaettu kahteen osaan: 1) matkaviestintään käytetyt järjestelmät, joissa olennaista on käyttäjän liikkuvuus, ja 2) radiotekniikka informaation siirtovälineenä vapaassa tilassa. Matkaviestintä edellyttää käytännössä aina vapaan tilan radiotekniikan käyttöä. Toisaalta radiotekniikkaa voidaan käyttää matkaviestinnän lisäksi mm. kiinteissä tiedonsiirtoyhteyksissä ja yleisradiotoiminnassa. Lyhenteistä Kuten useimmat lukijat ovat jo varmaan havainneet, tietoliikennetekniikka on täynnä lyhenteitä 162, mobiiliverkot on tästä ehkä paras tai pikemminkin pahin esimerkki. Yhdessä mobiiliverkkojen tekniikkaa käsittelevässä kirjassa 163 lyhenneluettelo sisältää 492 lyhennettä. Yhdellä sivulla 164 on käytetty 21 eri lyhennettä yhteensä 56 kertaa. Ovatko ne kaikki todella tarpeen? Jotkut lyhenteet ovat varmasti tarpeellisia, kuten GSM, joten asiantuntijan on syytä tietää mitä ne käytännössä merkitsevät. Muistaako sitten täsmälleen mistä sanoista lyhenne on muodostettu, on jossain määrin sivuasia. Lisäksi on lukemattomia lyhenteitä, joita vain asiaan vihkiytynyt insinööri tarvitsee. 165 Tarpeellisetkin lyhenteet vaihtuvat ajan kuluessa. Ammatillisen pätevyyden osoittamiseen lyhenteet ovat joskus hyödyllisiä, tai ainakin täydellinen osaamattomuus on epäilyttävää. 166 Lyhenteillä voidaan ajatella olevan samantapainen tarkoitus kuin kasvien ja eläinten latinankielisillä nimillä. Lyhenteiden avulla voidaan viitata johonkin asiaan, joka on (ainakin suhteellisen) yksiselitteisesti määritelty jossain standardissa. Jos käyttää lyhennettä GPRS, viittaa väistämättä kyseisen lyhenteen mukaiseen standardoituun verkkopalveluun. Sen sijaan jos asian ilmaisee sanoilla general packet radio service lukija ei voi olla varma viitataanko nimenomaan GPRS:ään vain yleisesti pakettipohjaisiin radioteitse toteutettavaan palveluun. 167 Joka tapauksessa kannattaa 162 Suosittelen luettavaksi: IANA Considerations for Three Letter Acronyms, Sauter, M. (2010). From GSM to LTE: An introduction to mobile networks and mobile broadband. John Wiley & Sons. Oma arvioni on, että 492 lyhenteestä tunnistan noin Sauter määrittelee mm. lyhenteen AUTN = authentication token, jota käytetään ainoastaan sivulla 174. Miksi? 165 Esimerkkinä CAMEL, joka on lyhenne sanoista Customized Applications for Mobile-Enhanced Logic. 166 Lyhenteitä ja niiden merkityksiä on osattava sen verran, että tietää mitä lyhenteitä ammattilaisen tulee tietää ja mitkä taas ovat sellaisia lyhenteitä, joiden merkitys on perusteltua tarvittaessa kysyä (ilman että osoittaa täydellistä asiantuntemattomuutta pikemminkin päinvastoin sillä vain oikea asiantuntija tietää mitä ei tarvitse tietää). 167 Englannin kielellä usein tällaiset termit kirjoitetaan isoilla alkukirjaimilla. Käytäntö kuitenkin vaihtelee: CRC on kirjoitetaan yleensä pienillä alkukirjaimilla, cyclic redundancy check, sen sijaan LTE lähes aina isoilla alkukirjaimilla, Long Term Evolution ilmeisesti koska long term evolution voisi viitata mihin tahansa aiheeseen.

3 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 129 varoa ylenmääräistä lyhenteiden käyttöä varsinkin tilanteissa, jossa kuulijat tai lukijat eivät ole alan insinöörejä. Historiaa James Clerk Maxwell kehitti Vuonna 1862 Maxwellin yhtälöt, jotka kuvaavat sähkö- ja magneettikenttien käyttäytymistä ja niiden vuorovaikutusta. Myöhemmin erinomaisen päteväksi osoittautunut teoria ei saanut alkuvaiheessa mitenkään yksimielistä hyväksyntää. Vasta kun Heinrich Hertz (oheisessa kuvassa) vuonna 1887 osoitti kokeellisesti, että radioaaltoja voidaan lähettää ja vastaanottaa ja että radioaallot etenevät valon nopeudella, teoria sai vahvistusta. Siitä huolimatta Hertz ei ymmärtänyt kokeidensa tärkeyttä, vaan viitaten sähkön ominaisuuksia ratkaisevasti valottaneisiin kokeisiinsa hän totesi: 168 "It's of no use whatsoever[...] this is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. But they are there." Asked about the ramifications of his discoveries, Hertz replied, "Nothing, I guess." Nyt tietysti tiedämme, että seuraamukset ovat olleet hyvinkin kauaskantoiset. Ilman sähkömagneettisten aaltojen teknistä hallintaa meillä ei olisi juuri mitään mitä nykyisin kutsumme informaatioteknologiaksi; lähes kaikki perustuu sähköön ja sähkömagneettisiin ilmiöihin. Toisaalta on hyvä huomata, että puhelin oli toiminnassa ja kaupallisessa käytössä jo ennen Hertzin kokeita, vaikka ymmärrys sähköstä oli rajallista. Sen sijaan radioteknisiä laitteita tuskin olisi pystytty kehittämään ilman riittävää teoreettista ja kokeellista pohjaa. Käytännön radiotekniikan isänä pidetään usein italialaista sähköalan insinööriä Guglielmo Marconia. Marconi oli insinööritaitojen lisäksi erinomainen suhdetoiminta- ja liikemies, joka avitti huomattavasti historiankirjoihin jäämistä. Mutta Marconi oli myös huomattava tekninen lahjakkuus, joka jo 20-vuotiaana teki kokeita langattomalla lennättimellä. Kuuluisaksi Marconi tuli kokeistaan, joissa hän pyrki välittämään sähkötystä Atlantin ylitse. Vuoden 1901 kokeiden tulokset jäivät epäselviksi, vaikka Marconi väittikin pystyneensä vastaanottamaan meren yli kulkeneen signaalin. Nyt kuitenkin tiedetään (mutta Marconi ei tiennyt) että tällainen pitkä matalataajuuksinen radioyhteys toimii yöllä huomattavasti paremmin kuin päivällä. Niinpä pidetäänkin melko epätodennäköisenä että päiväsaikaan tehdyt kokeet olisivat voineet oikeasti toimia. Sen sijaan joulukuussa 1902 tehdyissä uusissa kokeissa radiosignaali saatiin varmistetusti siirrettyä Atlantin yli. Säännöllinen kaupallinen sähkötyspalvelu Atlantin yli alkoi vuonna ramification = seurannaisvaikutus.

4 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet , joskin yhteyksien luotettavuudessa oli useiden vuosien ajan ongelmia. Erityisen merkittävää langaton tiedonsiirto oli laivojen kannalta. Kaupallinen radioliikenne laivoihin alkoikin jo vuonna Sähkötyksen jälkeen seuraava radiotekninen merkkipaalu oli yleisradiotoiminnan alkaminen. Tekniikan kehittyessä pystyttiin radioteitse välittämään myös ääntä. Olennainen tekijä oli tyhjiöputken kehitys: Sir John Ambrose Fleming kehitti vuonna 1904 tyhjiöputkeen perustuvan diodin. Eräs tyhjiöputken kehittäjistä oli suomalainen Eric Tigerstedt, jonka vuonna 1914 kehittämä triodi oli keskeinen osa elektronisia laitteita transistorin keksimiseen saakka. Ensimmäisenä kaupallisena radioasemana pidetään Hollannin Haagissa marraskuussa 1919 aloittanutta asemaa. Seuraavan vuoden aikana radioasemia perustettiin ympäri maailmaa. Suomessa ensimmäiset radiolähetykset alkoivat Julkinen yleisradiotoiminta alkoi vuonna 1926, jolloin perustettiin valtion omistama O.Y. Suomen Yleisradio A.B. Finlands Rundradio. Samoin kuin tietoliikennealalla, yleisradiotoiminta oli pitkään useimmissa maissa valtion monopoli. Tärkein poikkeus oli Yhdysvallat, jossa radiolähetykset ovat perustuneet kaupalliseen kilpailuun alusta saakka. Yleisradiolla oli monopoli yleisradiotoimintaan vuoteen 1985 saakka, jolloin osa radiotaajuuksista jaettiin kaupallisille radioasemille. Ensimmäisenä televisioesityksenä pidetään tilaisuutta, jossa John Baird demonstroi liikkuvaa kuvaa Lontoossa, tammikuussa Laite oli kuitenkin osittain mekaaninen ja kuvan laatu hyvin huono. Televisiotekniikkaa kehitettiin ympäri maapalloa, Wikipedian artikkeli 169 mainitsee yhdysvaltalaisten keksijöiden lisäksi mm. venäläisen, saksalaisen, britin, japanilaisen, unkarilaisen ja meksikolaisen, jotka kaikki vaikuttivat television kehitykseen. Teknologia vakiintui vasta 1940-luvulla kun USA:ssa päädyttiin 525-juovan järjestelmään ja Euroopassa 625-juovan järjestelmään (perustuen venäläisten kehittämään standardiin). Säännölliset televisiolähetykset alkoivat Suomessa vuonna 1957, ei kuitenkaan Yleisradion lähetyksinä vaan Tekniikan Edistämissäätiön tukemana nimellä TES-TV. Yleisradio aloitti lähetyksensä vuoden seuraavan vuoden alussa. Tesvisio ja Tamvisio säilyivät itsenäisinä televisiokanavina vuoteen 1965 saakka, jolloin Yleisradio osti ja perusti itselleen toisen televisiokanavan. MTV toimi mainosrahoitteisena kanavana Yleisradion vuokralaisena alusta vuoteen 1993 saakka, jolloin se siirtyi kokonaan omalle kanavalle

5 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 131 Television perusteknologia analogisena signaaleineen ja kuvaputkineen säilyi periaatteessa muuttumattomana 2000-luvun puolelle saakka. Kuvaputkitelevision ovat käytännössä poistuneet viimeisten kymmenen vuoden aikana. Digitaalisiin televisiolähetyksiin siirryttiin Suomessa syyskuussa Nyt käynnissä oleva seuraava merkittävä muutos on se että televisio-ohjelmia ei enää katsotaan silloin kuin televisioyhtiöt päättävät niitä lähettää, vaan kukin oman halunsa mukaan milloin ja missä haluaa. Ilmakehä siirtotienä Vaikka melko harva tietoliikennealan insinööri joutuu suoranaisesti tekemisiin radioteknisten ilmiöiden kanssa, tietyt perusasiat on syytä kaikkien tuntea, kuten minkälaisia radioaaltoja ilmassa (ja muissa väliaineissa) jatkuvasti etenee eri suuntiin ja miten niitä voidaan hyödyntää eri tarkoituksiin. Radiotaajuudet Kansainvälisen sopimuksen perusteella radiotaajuudet on jaettu alueisiin kuvan 5.1 mukaisesti. Käytännössä radiotaajuuksien katsotaan yleensä alkavan kolmesta kilohertsistä ja ulottuvan noin kolmeen terahertsiin. Tämän rajan yläpuolella alkaa infrapuna-alue. Kolmen kilohertsin rajan alapuolellakin on radioaaltoja, mutta niiden hyödyntäminen on käytännössä hankalaa. Huomattakoon että sähköverkot säteilevät voimakkaasti taajuudella 50 (tai 60) hertsiä, joka on havaittavissa kaukana avaruudessa. Kuva 5.1. Sähkömagneettisen säteilyn taajuusalueet. Radiotaajuudet on tarkkaan jaettu erilaisten käyttäjäryhmien kesken. Suomessa niiden hyödyntämistä valvoo Viestintävirasto. Tiedonsiirtotarpeiden kasvaessa radioaallot ovat osoittautuneet rajalliseksi luonnonvaraksi, sillä käyttökelpoisia taajuuksia ei loputtomasti saada lisää yksinkertaisesti siirtymällä taajuusasteikolla ylemmäs. Radiotaajuuksien jaossa noudatetaan muutamaa perussääntöä. Laajakaistainen (paljon informaatiota sisältävä) lähetys kannattaa siirtää mahdollisimman korkealle taajuusalueelle. Vastaanotin on helpompi Lyhenteet: F: Frequency L: Low M: Medium H: High V: Very U: Ultra S: Super E: Extreme

6 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 132 rakentaa laajakaistaiseksi, jos vastaanotettava kaistanleveys on pieni kantoaallon taajuuteen verrattuna. Toisin sanoen on helpompi vastaanottaa 100 khz:n levyistä lähetettä 10 megahertsin taajuusalueella kuin 1 megahertsin taajuusalueella. Kuva 5.2. Taajuusalueet ja niiden käyttö tiedon siirtoon. Samasta syystä TV-lähetykset on sijoitettu korkeammille taajuuksille kuin ääniradiolähetykset. TV-kuvan siirto vaatii 6 MHz:n kaistan, kun esimerkiksi AM-radiolähetys mahtuu 9 khz:n kaistaan. Käytetty taajuusalue vaikuttaa myös signaalin etenemiseen. ULA-radiolähetyksessä 170 käytettävät aallot (taajuus on noin 100 MHz, eli se sijaitsee siis VHF alueella) vaativat lähes näköyhteyden, minkä vuoksi nykyisin käytettävillä metrin korkuisilla mastoilla päästään noin 70 kilometrin yhteysetäisyyksiin. Matkapuhelimien käyttämät taajuudet ovat tyypillisesti 900 MHz ja 1800 MHz. Näillä taajuuksilla luotettavien viestiyhteyksien takaamiseksi antenneja täytyy olla muutamien kilometrien välein. Radioaaltojen heijastuminen ilmakehästä Eritaajuiset radioaallot käyttäytyvät ilmakehässä eri tavoin. Radioaallot suunnilleen 10 MHz:n alapuolella heijastuvat ilmakehästä takaisin maanpinnalle, jos säteilyn kulma maan pintaan nähden on riittävän pieni. Tähän rajataajuuteen vaikuttavat kuitenkin ilmakehän ominaisuudet, sääilmiöt, maaston muodot jopa auringonpilkkujen vaikutus yläilmakehän ominaisuuksiin. Ilmakehän alin kerros, troposfääri, ulottuu vain noin kymmenen kilometrin korkeuteen. Troposfääri sisältää suurimman osa ilmakehän massasta, ja lähes kaikki sääilmiöt tapahtuvat juuri troposfäärissä. 170 ULA = Ultralyhyet aallot, eli tämä on vain suomen kielessä käytetty lyhenne.

7 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 133 Kuva 5.3. Maan ilmakehän rakenne. Mesosfäärissä vallitsee jo lähes täydellinen tyhjiö. Ainetta riittää kuitenkin sen verran, että meteorit höyrystyvät mesosfääriin tullessaan. Ionosfääri on rinnakkainen termi ilmatieteellisille kerroksille (troposfääri, stratosfääri, jne.) kuvaten sähköisiä ominaisuuksia. Ionosfääri ulottuu suunnilleen 75 kilometristä jopa 1000 kilometriin. Ionosfääri sisältää auringon säteilyn ionisoimia atomeja, jotka pystyvät heijastamaan radioaaltoja. Heijastusominaisuudet riippuvat ionosfäärin elektronitiheydestä, joka kasvaa ylöspäin mentäessä suunnilleen 300 kilometriin saakka. Ionosfäärin rakenne vaihtelee auringon säteilyn mukaan; yöllä säteilyn hiipuessa ionosfääri ohenee ja kohoaa ylemmäs. Matalalla lentävät satelliitit liikkuvat ionosfäärissä. Esimerkiksi kansainvälinen avaruusaseman etäisyys maan pinnasta on noin 360 km ja Hubble-avaruusteleskoopin etäisyys noin 560 km. Sen sijaan GPS-satelliitit sijaitsevat huomattavasti etäämmällä, noin km korkeudessa. Tietoliikenteen ja television kannalta tärkein on geostationäärinen rata, joka sijaitsee kilometrin korkeudella suoraan päiväntasaajan yläpuolella. Maasta katsottuna geostationäärisella radalla sijaitseva satelliitti näyttää pysyvän paikallaan, koska satelliitti kiertää maata samalla kiertonopeudella kuin maa pyörii akselinsa ympäri. Puheyhteyteen tällainen etäisyys aiheuttaa havaittavan viiveen, sillä edestakainen matka satelliittiin ja takaisin maan pinnalle vie valon nopeudella noin 0,25 sekuntia. Sen sijaan TV-kuvan jakelussa viiveellä ei ole juurikaan merkitystä.

8 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 134 Sironta Ilmakehän epähomogeenisuudet aiheuttavat sirontaa. Sironta vaimentaa aina jonkin verran signaalia, mutta toisaalta sen avulla voidaan päästä radiohorisontin taakse. Sirontaa tapahtuu sekä troposfäärissä että ionosfäärissä. Koska jälkimmäisessä tapauksessa sironta syntyy huomattavasti korkeammalla, ionosfäärisironnalla saadaan pidempiä yhteyksiä kuin troposfäärisironnalla. Käytännössä troposfäärisironnalla päästään noin 500 kilometrin ja ionosfäärisironnalla noin 2000 kilometrin yhteyksiin. Troposfäärisirontaa on käytetty hyväksi silloin, kun normaalien linkkiketjujen rakentaminen on hankalaa, esimerkiksi Pohjanmerellä rannikon ja öljynporauslauttojen välisessä viestinnässä. Troposfäärisirontaa tapahtuu pääasiassa 0,3-10 GHz taajuusalueella. Ionosfäärissä sirontaa aiheuttavat ionosfäärin epätasaisuudet ja ilmakehään syöksyvien meteorien synnyttämät ionivanat. Käyttökelpoiset taajuudet osuvat välille MHz. Alle 30 MHz:n taajuiset aallot voivat (radiokelistä eli ilmakehän olosuhteista riippuen) heijastua ionosfääristä. Heijastuksen hyvyyteen vaikuttaa ionosfäärin tila, joka riippuu auringon aktiivisuudesta, vuorokauden- ja vuodenajasta ja maantieteellisestä sijainnista. Yöllä ionosfäärin alimmat kerrokset häviävät ja radioaallot pääsevät esteettä heijastumaan ionosfäärin ylimmistä kerroksista, joissa ionisaatio on voimakkainta. Tästä syystä esimerkiksi kaukaisten radioasemien kuuluvuus on parhaimmillaan yöaikaan. Kuva 5.4. Radioaaltojen heijastuminen Ionosfääristä. Suurtaajuisilla radioaalloilla (gigahertsejä) ilmakehän absorptio ja sironta vaimentavat signaalia merkittävästi. Niin sanottu kirkkaan ilmakehän vaimennus aiheutuu hapen ja vesihöyryn molekyylien resonanssitaajuuksista. Hapella nämä taajuudet ovat 60 ja 119 GHz, vesihöyryllä 22, 183 ja 325 GHz. Radioaalto vaimenee, sillä sen energia hupenee molekyylien virittämiseen. Sade ja sumu aiheuttavat pääasiassa sirontaa. Radioaallot polarisoivat sadepisaran molekyylejä, jolloin pisara käyttäytyy kuin pieni dipoliantenni ja säteilee kaikkiin suuntiin. Voimakas sade estää pitkät yhteydet yli 10 GHz:n taajuuksilla.

9 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 135 Näköyhteydet Maan pinnalla suoraa näköyhteysreittiä pitkin eteneminen on tärkein mekanismi yli 400 MHz:n taajuuksilla. Näköyhteysreitillä vastaanottavan aseman täytyy olla radiohorisontin yläpuolella. Aallon kaartumisen takia radiohorisontti on kauempana kuin geometrinen horisontti, eli näköyhteysreitti voi nimestään huolimatta ulottua suoraa näköyhteyttä kauemmas. Kuvassa 5.5 on esitetty teoreettinen laskelma suorasta näköyhteydestä olettamalla tasainen pinta ja täysin suora eteneminen. Jos vastaanottaja on maanpinnalla, 320 metrin korkeudella oleva radiolähetys ulottuu noin 65 kilometrin päähän. Kuva 5.5. Maan kaarevuuden mukaan laskettu suora näköyhteys. Näköyhteys on muita etenemistapoja luotettavampi ja ennustettavampi, ja sen vuoksi teletekniikassa käytetään etupäässä näköyhteyteen perustuvia järjestelmiä. Esimerkiksi ja satelliittilinkkiyhteydet ja matkapuhelinverkot (lukuun ottamatta alhaisimpia taajuusalueita) toimivat näköyhteydellä. Matkaviestinverkon perusominaisuuksia Matkaviestimien perusajatuksena on päästä eroon päätelaitteen sidonnaisuudesta yhteen fyysiseen tilaan. Tämä tapahtuu radioyhteyden avulla eli päätelaitteena on radiopuhelin kiinteästi verkkoon kytketyn puhelimen sijasta. Lisäksi verkossa tarvitaan tukiasemia, joihin puhelimet ovat yhteydessä. Tukiasemista eteenpäin puhelujen ja muun informaation välittäminen tapahtuu periaatteessa samalla tavalla kuin kiinteässä verkossa niin kauan kun päätelaite ei siirry tukiaseman alueelta toiselle.

10 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 136 Solukkoverkko (cellular network) koostuu siten soluista, joissa radiotien tiedonsiirtokapasiteetti jaetaan solun alueella sijaitsevien käyttäjien kesken. Käyttäjän näkökulmasta solukkoverkkoa kuvaavia ominaisuuksia ovat: kaksisuuntainen tiedonsiirto verkon ja käyttäjän välillä, laaja maantieteellinen peittoalue, jatkuva mahdollisuus tiedonsiirtopalveluihin ja sujuva palvelu myös silloin kun käyttäjä siirtyy solusta toiseen. Solukkoverkot ovat siis luonteeltaan laajan alueen verkkoja (Wide Area Network, WAN), paikallisverkot (Local Area Network, LAN) sen sijaan tarjoavat yhteyksiä rajallisella alueella. Termi solukkoverkko on luonteeltaan tekninen, kun taas matkaviestinverkko viittaa enemmän käyttäjän näkökulmaan. Solukkoverkon periaatteellinen rakenne on esitetty kuvassa 5.6. Kuvassa on esitetty verkko jossa kolmea eri taajuusaluetta (merkitty eri värein). Usein käytetään myös suurempaa määrää taajuusalueita (esimerkiksi 7), jolloin eri tukiasemien aiheuttamat häiriöt pienentyvät. Kuva 5.6. Solukkoverkon rakenne. Kuuluvuuden varmistamiseksi solut menevät osittain päällekkäin, minkä vuoksi vierekkäiset tukiasemat eivät voi käyttää samoja taajuuksia, värit kuvaavat eri taajuuskaistoja (tässä oletetaan että tukiasemat ovat ympärisäteileviä). Tukiaseman vaihto merkitty punaisilla ympyröillä, kun käyttäjä liikkuu punaista viivaa pitkin. Solukkoverkkojen tapauksessa olennaisia vaatimuksia ovat: Maailmanlaajuiset yhteydet ja palvelut. Periaatteessa käyttäjän tulee pystyä ottamaan yhteys mihin tahansa paikkaan maailmanlaajuista verkkoa missä tahansa ja saamaan haluamansa palvelu ilman merkittäviä katkoksia. Tämä toimii nykyisin varsin hyvin puhelujen osalta, sen sijaan datayhteys saattaa katketa, jos yhteyden aikana joudutaan vaihtamaan verkkotekniikkaa.

11 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 137 Maailmanlaajuinen verkkovierailu (roaming 171 ). Uusimmalla teknologialla ei välttämättä saa yhteyttä läheskään joka paikassa, sen sijaan hieman vanhemman GSM-verkon kattavuus on hyvin laaja. Palvelun saatavuus ulkopuolisille käyttäjille (siis niille, joilla ei ole suoraan palvelusopimusta verkko-operaattorin kanssa) riippuu verkkovierailusopimuksista verkko-operaattoreiden välillä. Luotettava käyttäjien tunnistus ja salattu tiedonsiirtoyhteys. Myös lähiverkko (LAN) tarjoaa nykyisin suojatun yhteyden, mutta keskitetty ja luotettava käyttäjien tunnistus on kattavasti käytössä vain julkisia palveluita tarjoavissa matkaviestinverkoissa. Maailmanlaajuiset standardit. Avoimet standardit, joita kaikki merkittävimmät alan toimijat ovat olleet kehittämässä, ovat johtaneet maailmanlaajuisiin markkinoihin toisaalta päätelaitteissa ja toisaalta verkkolaiteissa. Laajat markkinat ja suuret tuotantomäärät ovat puolestaan johtaneet toisaalta hyvin halpoihin perustuotteisiin ja toisaalta uusia ominaisuuksia painottaviin korkeamman hintatason tuotteisiin. Huomattakoon että pääte- ja verkkolaitteiden markkinat ovat luonteeltaan hyvin erilaisia: päätelaitteet ovat kuluttajatuotteita kun taas verkkoteknologiaa myydään pääasiassa suurina kokonaisuuksina suuryrityksille. 172 Verkkoja ja päätelaitteita koskevat standardit eivät kuitenkaan voi olla erillisiä, koska niissä on suurelta osin kysymys siitä miten pääteja verkkolaitteet toimivat keskenään yhteen. Kuva 5.7. Tukiaseman antenneja. 173 Lopputuloksena kaikesta tästä on, että matkaviestinverkon täytyy toisaalta olla hajautettuna ympäri koko sitä aluetta, jolla palvelua halutaan tarjota (tai jopa toimiluvan ehtojen vuoksi vaaditaan tarjottavaksi) ja toisaalta tarvitaan keskitetty osa, joka hoitaa käyttäjien 171 Suomenkielisessä tekstissäkin käytetään termiä roaming, mutta verkkovierailu on kielellisesti parempi ilmaus. 172 Nokia Oyj oli viimeisin valmistaja, jolla oli vahva asema molemmissa, lopulta Nokiakin joutui valitsemaan puolensa, eli lopulta verkot. 173 Kuva: GSM_base_station_4.JPG

12 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 138 tietojen hallinnan. Tukiasemia voidaan tarvita tuhansittain 174, kun taas keskitetyn järjestelmän tulee pystyä hallitsemaan jopa kymmeniä miljoonia yhtäaikaisia käyttäjiä. Lisäksi koska tärkein käytettävä resurssi, taajuuskaista, on luonnostaan rajallinen, sen jako eri käyttäjien, käyttötapojen ja tukiasemien välillä on kriittinen ja vaativa tehtävä. Kaiken tämän lisäksi täytyy ottaa huomioon se, että matkaviestintä on (useimmiten) kaupallista toimintaa, jolloin tarvitaan erilaisia toimijoiden välisiä sopimuksia sekä teknisiä keinoja valvoa sopimusten toimeenpanoa, mm. käyttäjien todentamiseen (authentication), tiedonsiirtopalveluiden käyttöön ja laskutukseen liittyen. Laskutus on perinteisesti ollut hyvin merkittävä kustannustekijä teleyrityksille, mutta samalla myös niiden vahvuus. Vapaat ja luvanvaraiset taajuuskaistat Radiokaistoja on kolmen tyyppisiä: Kaistat, jotka on varattu radiotähtitieteen käyttöön eikä niillä sallita minkäänlaista lähetystoimintaa. Kaistat, jotka ovat vapaasti käytettävissä eräin rajoituksin (jotka koskevat erityisesti lähetystehoa). Näihin kuuluvat mm. ISM-taajuusalueet 175 ja jossain määrin tarkemmin säädellyt radioamatöörikaistat. Esimerkiksi lähiverkoissa käytetty IEEE:n käyttää ISM-kaistaa. 176 Luvanvaraiset kaistat, joiden käyttöä hallinnoivat kansalliset viranomaiset (esim. Suomessa Viestintävirasto 177 ja USA:ssa FCC 178 ). Tietoliikenteen tapauksessa käytettävissä olevat taajuuskaistat jaetaan verkko-operaattorien kesken. Kaistojen jaon periaatteista sovitaan alueellisesti tai jopa globaalisti, siten että samoja radiolaitteita voidaan käyttää eri maissa ja jopa maailmanlaajuisesti. 174 Suomessa on reilusti yli tukiasemapaikkaa, Lausunto , FiCom,Tietoliikenteen ja tietotekniikan keskusliitto. 175 ISM = Industrial, Scientific, and Medicine. Taajuusalueita on määritelty hyvin matalista (6.8 MHz) hyvin korkeisiin (244 GHz). 176 Taajuusalueet 2.45 GHz ja 5.8 GHz. 177 Viestintävirasto valvoo viestintämarkkinoiden ja palveluiden tilaa, FCC = Federal Communications Commission, Yhdysvaltain telehallintovirasto, perustettu vuonna 1934.

13 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 139 Kuva 5.8. Radiotaajuuksien varauksia USA:ssa välillä MHz. 179 Radioteknisestä näkökulmasta merkittävän ero luvanvaraisen (lisensoidun) ja vapaan kaistan välillä on se, että luvanvarainen kaista on lähes vapaa ulkoisista häiriöistä. Kun kaista on yhden toimijan hallinnassa, kriittinen resurssi (eli siis taajuuskaista) voidaan jakaa hallitusti eri käyttäjien ja eri tarpeiden välillä. Tämä mahdollistaa esimerkiksi taatun palvelun laadun (QoS, Quality of Service) käynnissä oleville puheluille samalla kun datayhteyksien nopeudet voivat vaihdella verkon kuormituksen mukaan. Lisäksi keskitetyllä resurssien hallinnalla voidaan, ainakin periaatteessa, tehostaa kaistan käyttöä verrattuna hajautettuun hallintaan (vertaa Ethernetin toimintaperiaate, jota selostettiin luvussa 5). Luvanvaraisella kaistalla lähetystehot voivat olla suuria, joka mahdollistaa suuren peittoalueen eli solun koon. Toisaalta suuret lähetystehot aiheuttavat enemmän häiriöitä viereisille taajuuskaistoille, jos signaalin suodatusta ei tehdä riittävän hyvin. Sen sijaan vapaalla kaistalla muiden käyttäjien signaalit voivat vaikuttaa olennaisesti taajuuskaistan käyttökelpoisuuteen. Tästä johtuen vapailla kaistoilla lähetystehoja rajoitetaan, mikä myös väistämättä pienentää solujen kokoa. Vapaa kaistan käyttö merkitsee myös sitä että mitään vastaavaa laatutakuita kuin luvanvaraisilla kaistoilla ei voida antaa. Saavutettava tiedonsiirtonopeus voi kuitenkin paikallisesti olla hyvin suuri. Solukkoverkkojen toiminta Yhtä tukiasemaa voi samanaikaisesti käyttää useita päätelaitteita ja toisaalta yksi päätelaite saattaa sijaita useamman tukiaseman peittoalueen sisällä. Resurssin jako-ongelma voidaan siten jakaa kahteen osaan: 1. Yhden tukiaseman tapauksessa: miten tukiaseman tarjoama kapasiteetti voidaan jakaa mahdollisimman tehokkaasti useamman päätelaitteen välillä? 179

14 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet Useamman tukiaseman tapauksessa: Miten taajuuskaista voidaan jakaa siten että käyttäjien kokonaismäärä ja käyttäjien samaa tiedonsiirtokapasiteetti voidaan maksimoida? Ensimmäinen kysymys ratkaistaan käyttämällä erilaisia pääsynhallintamenetelmiä, joko eri taajuuksilla, eri aikoina tai eri koodeilla tai näiden yhdistelmällä. Toisen kysymyksen ratkaisu perustuu solukkoverkkoon. Tukiasemat toimintaympäristöineen muodostavat solukkoa muistuttavan rakenteen. Tukiasema peittoalueineen on solu (cell). Solu on samaa maantieteellistä aluetta palvelevan, tiettyyn tukiasemaan kuuluvan lähetin-vastaanottimen peittoalue. 180 Olennaista on muistaa, että tietoa täytyy siirtää molempiin suuntiin myös silloin kun pääosa tiedosta siirtyy verkosta päätelaitteeseen. Kuten kuvassa 5.9 on esitetty, taajuuksien käyttöä voidaan (jossain mielessä) tehostaa käyttämällä suuntaavia antenneja. Kuvassa on esitetty tilanne, jossa kukin tukiasema lähettää kolmeen eri suuntaan eri taajuuskaistoilla, siten että missä tahansa solujen raja-alueella, viereisissä verkoissa käytetään aina eri taajuuskaistoja. Vaikka edelleenkin kukin taajuuskaista peittää vain yhden kolmasosan koko alueesta (vertaa kuvaan 5.6), niin tukiasemien määrä voi joko olla pienempi tai verkon kokonaiskapasiteetti voi olla suurempi (jos tukiasemien määrä pidetään vakiona). Kuva 5.9. Solukkoverkko jossa kukin tukiasema lähettää kolmeen eri suuntaan kolmella eri taajuuskaistalla, siten että viereiset solut voivat käyttää samoja taajuuskaistoja. Tukiasemat ovat yhteydessä matkapuhelinkeskukseen, joita voi suuressa verkossa olla useita. Tukiasemista eteenpäin puhelujen välittäminen tapahtuu periaatteessa samalla tavalla kuin kiinteässä verkossa niin kauan kuin puhelin ei siirry tukiaseman alueelta toiselle. Jotta verkko hyödyntäisi sille varatun rajallisen taajuusalueen mahdollisimman tehokkaasti, samaa taajuutta käytetään uudestaan verkon eri puolilla. Koska yhtäaikaiset puhelut eivät kuitenkaan saa häiritä toisiaan, vierekkäisissä soluissa ei voida käyttää samoja 180 Sanastokeskuksen termipankki,

15 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 141 taajuuksia, ellei käytetä suuntaavia antenneja. Kuvassa 5.6 esitettiin tapaus, jossa tukiasemat ovat ympärisäteileviä, jolloin tarvitaan ainakin kolme eri taajuuskaistaa, jotta eri solut eivät häiritsisi merkittävästi toisiaan. Kuvassa 5.9 on esitetty verkko, jossa tukiasema lähettää suuntaavilla antenneilla kolmeen eri sektoriin. Tässä tapauksessa kaikki solut saattavat käyttää samoja taajuuskaistoja. Kun puhelin siirtyy puhelun kestäessä tukiaseman kuuluvuusalueen ulkopuolelle, sen on kyettävä vaihtamaan toisen tukiaseman käyttämälle liikennekanavalle tai puhelu katkeaa. Tätä siirtymistä solusta toiseen kutsutaan solunvaihdoksi tai yhteysvastuun vaihdoksi (handover). Matkapuhelimia, jotka suoriutuvat tällaisesta puhelua katkaisemattomasta solunvaihdosta, voidaan kutsua solukkopuhelimiksi 181 (cellular phone). Solunvaihto tapahtuu matkapuhelinkeskuksen ohjauksessa (kuva 5.10). Kun puhelimen ja tukiaseman välinen signaali alkaa heiketä, keskus selvittää, kuuleeko jokin toinen tukiasema puhelimen paremmin. Kun paremmin kuuleva tukiasema löytyy, keskus käynnistää uudella tukiasemalla vapaan liikennekanavan ja käskee puhelinta vaihtamaan uudelle kanavalle. Puhelu jatkuu tämän jälkeen uudessa solussa. Kuvassa 5.10 on esitetty kolmen tyyppisiä vaihtoja. Ensiksikin käyttäjä voi siirtyä kokonaan uuden verkko-operaattorin alueelle. Puhelu tai muu tiedonsiirto ei tällöin yleensä jatku katkoksetta, varsinkaan jos siirrytään maksullisesta palvelusta toiseen. 182 Toiseksi siirryttäessä solun alueelta toiselle tarvitaan tukiasemien välistä koordinointia, jotta siirto sujuisi ilman havaittavaa katkosta palvelussa. Kolmanneksi päätelaite voi siirtyä yhden tukiasema sisällä yhden suunta-antennin alueelta toiselle. Huomattakoon, että kaikissa näissä tapauksissa on mahdollista, että uudella alueella ei ole riittävästi vapaata kapasiteettia esimerkiksi puhelun jatkamiseen. Katkoksen todennäköisyys voidaan kuitenkin pitää pienenä tehokkaan liikenteen hallinnan avulla. Kuva Tukiaseman vaihto: operaattorin vaihto (violetti), tukiaseman vaihto (punainen) ja suunta-antennin vaihto (oranssi). 181 Solukkopuhelin ei tosin terminä ole yleisessä käytössä toisin kuin englanninkielinen cellular phone. 182 Mutta katkokseton tiedonsiirtokin on mahdollista päätelaitteen ohjaamana, jos se pystyy pitämään samanaikaisesti yhteyttä kahden tai useamman operaattorin verkkoon. Tämä koskee lähinnä datasiirtoa, joka ei vaadi taattua kaistaa.

16 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 142 Jotta puhelut osataan välittää oikealle puhelinkeskukselle ja siitä eteenpäin oikealle tukiasemalle, verkko pitää kirjaa siitä, missä päätelaitteet sijaitsevat. Tätä kutsutaan sijainnin seurannaksi. Nykyaikaisessa matkaviestinverkossa jokaisella puhelimella on niin sanottu kotikeskus, johon välitetään tieto siitä, minkä tukiaseman alueella puhelin on. Puhelua muodostettaessa puhelu kulkee kotikeskuksen kautta, josta yhteys jatkuu oikealle tukiasemalle. GSM:n suunnitteluvaiheessa ajateltiin (ilmeisesti yhteispohjoismaisen NMT:n menestyksen pohjalta) kehittää maasta toiseen matkustaville asiakkaille, lähinnä siis liikemiehille, mahdollisuus käyttää omaa puhelintaan sellaisenaan toisessa maassa. Liikemies puhelimineen pystyi siten vierailemaan toisen operaattorin verkon käyttäjänä. Järjestely vaati sopimustekniikkaa, mm. laskutuksen järjestelyssä sekä suhteellisen monimutkaista tekniikkaa palvelun toimivuuden varmistamiseksi. Tekniset edellytykset matkapuhelinten yleistymiselle ovat olleet vasta muutamien vuosikymmenten ajan. Radiotietä käyttävässä puhelimessa tarvittava tekniikka on huomattavasti vaativampaa kuin lankapuhelimessa ainakin, jos puhelinta halutaan käyttää yleisen puhelinverkon osana. Nykyisiä matkapuhelinverkon keskuksia olisi ollut lähes mahdotonta toteuttaa esimerkiksi 1970-luvulla käytössä olleella tekniikalla. Mikropiiriteknologian kehittyminen on mahdollistanut pienet ja suhteellisen halvat laitteet. Ensimmäiset NMT-verkon puhelimet 1980-luvun alkupuolella soveltuivat painonsa ja tehontarpeensa vuoksi lähinnä autopuhelimiksi. Oheinen Nokia Mobira Talkman vuodelta 1985 painoi akkuineen kunnioitettavat 5,5 kg. 183 Nykyiset älypuhelimet painavat yleensä sadasta kahteen sataan grammaan. Erilaiset turvallisuuskysymykset ovat hyvin oleellisia matkapuhelinten yhteydessä. Näitä ovat mm. mahdollisuus salakuunnella puheluja, puhelinten väärinkäyttö ja sähkömagneettisen säteilyn aiheuttamat terveysriskit. Palveluntarjoajan kannalta ensisijainen ongelma on luvattoman käyttäjän tekeytyminen maksavaksi tilaajaksi. Terveysriskistä on varmuudella vaikea sanoa kuin, että riski ei ole suuri mutta toisaalta pienehkön terveysriskin mahdollisuutta ei voida täysin sulkea poiskaan. 184 Erityisen ongelmallisia ovat käsipuhelimet, koska niissä puhelimen antenni on hankalassa paikassa eli 183 Tiedot ja kuva Koska käyttäjiä on ollut vähintään kymmeniä miljoonia jo parin vuosikymmenen ajan, niin merkittävät riskit näkyisivät jo varmasti sairastuvuustilastoissa. Katso esimerkiksi Säteilyturvakeskuksen julkaisu:

17 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 143 aivan pään vieressä. Käsipuhelimissa antennitehot ovat korkeintaan muutamia watteja, joka ei sinänsä riitä juurikaan lämmittämään kudoksia ellei vaikutus kohdistu paikallisesti hyvin pienelle alueelle. 185 Tietoliikenteessä käytettävät taajuudet ovat sen verran alhaisia, ettei säteily aiheuta ionisaatiota (toisin kuin esimerkiksi röntgensäteily). Mahdolliset säteilyn terveydelle haitalliset ilmiöt perustuvat siten paikalliseen lämpövaikutukseen. Näitä vaikutuksia rajoittamaan on säädetty asetus, joka määrittelee mm. että paikallinen ominaisabsorptionopeus ei saa kehossa ylittää arvoa 2 W/kg. 186 Suurimpana riskinä voitaneen pitää hyvin paikallista lämpötilan nousua esimerkiksi aivoissa tai silmän linssissä. Puhelinten lähetystehot ovat kuitenkin niin pieniä, että riskit ovat hyvin pieniä. Matkapuhelinverkon tukiaseman tehot ovat suurempia, joten aivan tukiaseman antennin viereen ei kannata päätään laittaa. Solukkoverkon kapasiteetti Digitaalitekniikka helpottaa myös puhesignaalin käsittelyä ja sitä kautta radiotaajuuksien tehokkaampaa hyödyntämistä. Puhelimessa käytetään tehokkaita koodausmenetelmiä ja tiedon pakkaamista jotta puhelu saadaan puristettua pienempään bittimäärään. Verkon kapasiteettia voidaan lisätä myös hankkimalla käyttöön uusia taajuusalueita. Korkeammilla taajuusalueilla onkin enemmän vapaata tilaa, sillä vanha tekniikka ei ole pystynyt tähän mennessä niitä juuri hyödyntämään. Loputtoman korkeille taajuuksille ei kuitenkaan voida mennä, sillä useamman gigahertsin taajuuksilla ilmakehän aiheuttama vaimennus kasvaa merkittävästi. Apua taajuusongelmaan antaa myös vanhemman tekniikan väistyminen, jolloin uudemmat ja tehokkaammat tekniikan ottavat käyttöön jo ennestään käytössä olleita taajuusalueita. Yksi keino tehostaa verkon käyttöä on pienentää verkon solukokoa, eli pienentää yhden tukiaseman hallitsemaa aluetta. Tällöin tukiasemia voidaan rakentaa tiheämpään, jolloin verkon kapasiteetti pinta-alayksikköä kohden kasvaa. Solukkoperiaate mahdollistaa erikokoiset solut. Tiheästi liikennöidyillä alueilla kuten kaupunkien keskustoissa käytetään pienempää solukokoa (piensoluverkko), maaseudulla ja taajamissa suuria soluja (suursoluverkko). Sosiaali- ja terveysministeriön asetus ionisoimattoman säteilyn väestölle aiheuttaman altistumisen rajoittamisesta 185 Esimerkiksi GSM-puhelimen keskimääräinen säteilyteho on korkeintaan 0,25W. 186 Sosiaali- ja terveysministeriön asetus ionisoimattoman säteilyn väestölle aiheuttaman altistumisen rajoittamisesta, 294/2002, liite 5,

18 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 144 Korkeille taajuuksille siirryttäessä solukoko kutistuu väistämättä, sillä suurempitaajuinen säteily vaimenee nopeammin kuin matalataajuinen. Eli jos halutaan verkolle hyvä kattavuus, on käytettävä mahdollisimman alhaista taajuusaluetta, alimpana käytettynä alueena 450 MHz. Suuremmilla taajuuksilla (uusimman verkkotekniikan eli LTE:n tapauksessa käytössä on taajuuskaistoja 3,8 GHz asti) verkon kapasiteetti on suurempi, mutta täysin kattavaa verkkoa on hyvin vaikea rakentaa. Lisäksi kun käytettävä taajuus on korkea, kuuluvuus rakennusten sisällä on heikompi kuin ulkona, joka vaikeuttaa verkon suunnittelua erityisesti kaupunkialueilla. Esimerkki: solukkoverkon mitoitus Tehtävä 5.1 Solukkoverkon mitoitus Pääkaupunkiseudulla asuu noin 1,2 miljoonaa henkilöä 1000 km 2 alueella. Yksinkertainen kysymys: Miten paljon tukiasemia tarvitaan täyttämään mobiilin internetin tiedonsiirtotarpeet? Periaatteessa yksinkertaista, kunhan tunnetaan käyttäjien tarpeet ja tukiasemien kapasiteetit. Käytännössä verkon suunnittelu ja mitoitus on monimutkaisempaa kuin tässä esitetään, mutta varsin yksinkertaisella laskulla saadaan tarve arvioitua melko hyvin. Ensiksikin pitää olettaa jotain käyttäjien tarpeista. Voisimme lähteä olettamalla tiedonsiirron kokonaismäärä asukasta kohti kuukaudessa, esimerkiksi 1 GB. Sen sijaan voimme tehdä myös oletuksen siitä minkälaisia nopeuksia keskimääräinen käyttäjä tarvitsee ja kuinka suuri osa asiakkaista on aktiivisia kiiretunnin aikana. Seuraavat laskelmat on tehty oletuksilla: 1. Bittinopeus R = 1 Mbit/s (eli varsin pieni). 2. Bittinopeus on R = 25 Mbit/s (eli varsin suuri nopeus). Lisäksi oletetaan kaksi vaihtoehto aktiivisuudelle kiiretunnin aikana: a. Aktiivisuus p = 1 % eli yllä esitettyjä bittinopeuksia käytetään keskimäärin 36 sekuntia kiiretunnin aikana. b. Aktiivisuus p = 5 % eli keskimäärin 3 minuuttia kiiretunnin aikana. Näistä voidaan laskea keskimääräiset datamäärät kuukaudessa, kun tehdään joku oletus siitä mikä on kiiretunnin osuus kokonaisliikenteestä, esimerkiksi q = 7 %. Näiden perusteella voimme laskea datasiirron kokonaismäärän eri vaihtoehdoille seuraavasti: [ = ] [ ] 8192 Datamäärät (gigatavuissa) kuukaudessa asukasta kohti ovat tällöin: 1a. 1,9 GB 1b. 9,4 GB 2a. 47 GB

19 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 145 2b. 235 GB Nämä voivat vaikuttaa hyvin suurilta luvuilta ja viimeinen on oikeasti suuri datamäärä siirrettäväksi verkon yli. Toisaalta jos ennusteisiin on uskomista, niin on vain ajan kysymys milloin datamäärät saavuttavat nämä tasot. NSN:n Australian ja Uuden-Seelannin johtaja Stephen McFeeley sanoo yrityksen tiedotteessa: Tämä on tärkeä askel, koska meidän näkemyksemme mukaan verkot pitää valmistella jakamaan tuottavasti jokaiselle käyttäjälle keskimäärin gigatavu dataa päivässä vuonna Entä sitten tarvittavien tukiasemien määrä? Tätä varten tarvitsemme tietoa tukiasemien kapasiteetista ja siitä miten korkeaksi tukiaseman kuormitus voidaan keskimäärin nostaa, jotta palvelun laatu ja saatavuus pysyisivät riittävällä tasolla. Kapasiteetti riippuu mm. käytettävästä teknologiasta ja taajuuskaistan leveydestä. Voimme tehdä tässä melko karkean arvion että jokaisella tukiasemalla on kuvan 5.4 mukaisesti kolme sektoria, joissa kullakin on kapasiteettia C = 100 Mbit/s. Sallittu keskimääräinen kuormitus kysymys, johon ei ole aivan yksinkertaista (esimerkiksi Erlangin kaavan tyyppistä) vastausta. Keskimääräinen kuormitus vaihtelee sekä solujen välillä että ajan funktiona kiiretunnin aikana. Toisaalta, koska suurin osa verkon kuormituksesta tulee dataliikenteestä, joka sopeutuu varsin hyvin muuttuviin olosuhteisiin, tässä tapauksessa ei tarvita aivan yhtä paljon pelivaraa kuin perinteisissä puhelinverkoissa. Tehdään oletus että keskimääräisen kiiretunnin aikainen kuormitus täytyy pitää korkeintaan r = 20 prosentissa (johtuen lähinnä solujen kuormitusten eroista). Tukiasemien kokonaismääräksi (M) tulee tällöin: = (5.1) 3 Jossa N on asukasmäärä, tässä esimerkissä siis 1,2 miljoonaa. Tukiasemien määräksi saadaan eri vaihtoehdoilla: 1a. M = 200 1b. M = a. M = b. M = Kaksi ensimmäistä ovat vielä täysin mahdollisia sekä teknisesti että kaupallisesti, kun ottaa huomioon, että käytännössä tukiasemat jakautuvat useamman operaattorin kesken (tyypillisesti kolmen). Ensimmäisessä kohdassa (1a) tarvittaisiin siis 1 tukiasema viittä neliökilometriä kohden, kun taas viimeisessä (2b) tarvitaan 25 tukiasemaa neliökilometrillä. Kuusiokulmaisella solurakenteella (kuten kuvassa 5.4) tämä tarkoittaisi, että vierekkäisten tukiasemien väli olisi noin 250 metriä. 187 Digitoday, NSN:n tukiasema välitti mobiilidataa 1,7 gigabittiä sekunnissa, ( Tämä viittaa siihen että NSN:n tukiasema välitti mobiilidataa 1,7 Gbit/s yhteensä 6:lla eri taajuudella.

20 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 146 Epätasaisesta kuormituksesta johtuen tiheimmin asutuilla alueilla tukiasemia pitäisi olla alle 100 metrin välein. Toki tämäkin voi vielä olla mahdollista, jos tukiaseman hinta laskee hyvin alhaiseksi. Toisaalta on syytä olettaa, että tukiasemien kapasiteettia saadaan tekniikan kehittyessä ja uusien taajuusalueiden myötä kasvatettua. Sukupolvesta toiseen Ensimmäinen sukupolvi: ARP ja NMT Ensimmäinen matkapuhelinverkko Suomessa oli ARP (autoradiopuhelin), joka otettiin käyttöön 1971 (sitä voisi kutsua myös sukupolveksi 0, eli 0G). Sen toiminta oli nykyisiin verkkoihin verrattuna sangen alkeellista. Matkapuhelimesta soitettaessa puhelun alussa otettiin yhteys käsivälitteiseen keskukseen, josta puhelu yhdistettiin haluttuun lankaverkon numeroon tai toiseen matkapuhelimeen. Puhelimet eivät osanneet vaihtaa taajuutta kesken puhelun, joten puhelimen siirtyessä tukiaseman kantaman ulkopuolelle puhelu katkesi. ARP-verkko toimi 150 MHz:n taajuusalueella, jolla signaalin kantomatka on useita kymmeniä kilometrejä. Häiriöiden estämiseksi samaa kanavaa käyttävien tukiasemien väliin täytyy tällöin jäädä kilometrin suojavyöhyke. Tämä rajoitti verkon tilaajamäärän varsin pieneksi. Enimmillään verkossa oli runsaat tilaajaa. Tilaajamäärästä huolehtivat myös taloudelliset realiteetit, sillä niin puhelimet kuin puhelutkin olivat kalliita. Koska ARP-verkko suuren solukoon ansiosta saattoi kattaa lähes koko Suomen, sitä käytettiin paljon varsinkin syrjäseuduilla. ARP-verkko suljettiin kokonaan vuoden 2000 loppuun mennessä. Astetta kehittyneempi NMT-verkko avattiin Suomessa NMT (Nordic Mobile Telephone) -järjestelmä oli pohjoismaiden telehallintojen yhdessä kehittämä ylläpitämä palvelu. 188 Pohjoismaat kattanut NMT-verkko oli aikanaan maailman laajin yhtenäinen matkapuhelinjärjestelmä. Suomessa NMT-verkkoa operoi Posti- ja lennätinlaitos seuraajineen. NMT-järjestelmä käynnistyi kaikissa pohjoismaissa samalla 450 MHz taajuusalueella. NMT 450:n suosio kasvoi nopeasti, ja pian kävi ilmeiseksi, ettei kaikkia halukkaita saada mahtumaan samaan verkkoon. Sen vuoksi 1980-luvun puolivälissä ruvettiin rakentamaan 900 MHz:n taajuusalueella toimivaa NMT 900 verkkoa. Suomessa NMT verkko suljettiin vuoden 2000 lopussa, jolloin sen varaamat taajuudet vapautuivat GSMverkon käyttöön. NMT 450 jatkoi toimintaansa vuoden 2002 loppuun. 188 NMT lähti alun perin käyntiin vuonna 1968, kun pohjoismaiset telelaitokset perustivat yhteistyöryhmä Nordiska Mobil Telefongruppen.

21 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 147 NMT-verkko perustui analogiseen tekniikkaan radiotien osalta, sen sijaan kiinteän verkon osuus ja keskukset olivat digitaalisia. NMT hallitsi sekä puhelinten sijainnin seurannan että solunvaihdon. Yksi NMT:n perusongelmista oli puhelujen salakuuntelun helppous. Tämä ongelma ratkesi vasta digitaalitekniikan avulla. Toinen sukupolvi: GSM GSM-lyhenne tuli alun perin sanoista Groupe Speciale Mobile, joka oli eurooppalaisen standardointijärjestön ETSIn 189 alatyöryhmä. Myöhemmin GSM liitettiin markkinoinnin kannalta paremmin sopivaan nimitykseen Global System for Mobile communications. GSM:n kehitystyön tavoitteena oli päästä vähintään Euroopan kattavan matkapuhelinverkkoon siirryttäessä digitaalitekniikkaan - analogiset matkapuhelinverkon olivat lähes joka maassa erilaisia, jolloin yhtä päätelaitetta saattoi käyttää vain yhdessä maassa. Oleellisimmat parannukset NMT-verkkoon verkkoon verrattuna olivat: Puhelimen ja tukiaseman välillä yhteys on digitaalinen, jolloin yhteys voidaan salata tehokkaasti ja dataliikenne on helpommin hoidettavissa. GSM:ssä tilaajan identifiointi perustuu älykorttiin (SIM, subscriber identity module) eikä varsinaiseen puhelinlaitteeseen. SIM-kortti sisältää tilaajan kaikki oleelliset tiedot, joten käyttäjä ei ole sidottu yhteen puhelinlaitteeseen. Tavoitteena oli saada GSM palvelu toimintaan heinäkuussa Käytännössä GSMpalvelut käynnistyivät vasta vuoden 1992 lopulla, ensin 900 MHz:n taajuusalueella. Vuodesta 1998 alkaen otettiin käyttöön 1800 MHz:n alue, kun alempi taajuusalue alkoi täyttyä. GSM-puhelimien määrä kasvoi erittäin nopeasti: vuoden 1993 alussa Suomessa niitä oli vain pari tuhatta, vuotta myöhemmin kymmenkertaa enemmän, vuoden 1995 alussa noin , keväällä 1996 niiden määrä lähestyi puolta miljoonaa ja vuoden 1998 alussa ylitettiin jo puolentoista miljoonan raja. GSM-puhelinliittymien määrä ylitti kiinteän verkon liittymien määrän kesällä Vuonna 2004 matkapuhelimien määrä pohjoismaissa ja eräissä muissa maissa ylitti jo asukasluvun. Kannettavien tietokoneiden käyttäjille GSM tarjosi 9600 bittiä sekunnissa, joka nykylaitteisiin ja sovelluksiin tottuneena kuulostaa kovin vaatimattomalta kuvia saati videoita tuolla nopeudella ei juuri voinut välittää. Seuraava askel oli GPRS (General Packet Radio Service), jolla pyrittiin suurempiin nopeuksiin ja verkon tehokkaampaan käyttöön pakettimuotoisen datasiirron avulla. GPRS:n nopeus nousi EDGE-tekniikan (Enhanced Data rates for GSM Evolution) avulla 384 kilobittiin sekunnissa. 189 ETSI = European Telecommunications Standards Institute, on riippumaton, eurooppalainen telealan standardisoimisjärjestö (

22 K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 148 GSM-puhelimen käyttäjä on suojattu verkkoliittymän väärinkäyttöä vastaan. Yksi puhelinsoitto estää hävinneen SIM-kortin 190 väärinkäytön. Lisäksi GSM-verkossa on laiterekisteri-ominaisuus eli jokaisessa puhelimessa on 15 numeroa pitkä tunnus, IMEI-koodi. 191 Koodi tarkistetaan puhelua muodostettaessa, joten varastetun puhelimen käyttö voidaan estää. Valitettavasti samoja IMEI-koodeja voi verkossa olla useita eri syistä johtuen, joten koodi ei täydellisellä varmuudella identifioi yhtä laitetta. Puhelun salauksen kannalta GSMtekniikka on oleellisesti parempi kuin edeltävät analogiset järjestelmät, sillä GSM:n radioyhteydellä käytetään suhteellisen tehokasta salausmenetelmää. GSM:n salakuuntelua varten löytyy laitteita, mutta salakuuntelu vaatii esivalmisteluja ja tietoa GSM-verkon teknisestä toteutuksesta. Yksittäisen GSM-verkkoja käyttävän henkilön joutuminen tämän tyyppisen hyökkäyksen kohteeksi on hyvin epätodennäköistä. 192 Kolmas sukupolvi: UMTS / 3G Hyppäys toisesta sukupolvesta (2G) kolmatta sukupolvea (3G) edustavaan UMTS:iin (Universal Mobile Telecommunications System) oli suuri niin verkkoja ylläpitäville operaattoreille kuin asiakkaillekin. Kysymys kuului: Mitä asiakkaat lopulta haluavat? Tarvitseeko käyttäjä todellakin videokuvan siirtoa tai kahta megabittiä sekunnissa taskuunsa? Nyt tietysti tiedämme, että tarvetta on löytynyt ja aina vain suuremmille nopeuksille, mutta 20 vuotta sitten tämä ei ollut lainkaan ilmeistä. Yhteisen tekniikan valinta osoittautui kuitenkin hankalaksi. Kinaa syntyi niin teknisistä ratkaisuista kuin patenteistakin, ja riita uudesta standardista jakoi suuret teleoperaattorit kahteen leiriin: eurooppalaisen UMTSin ja amerikkalaisen CDMA-2000:n kannattajiin. ITUn hyväksymä kansainvälinen standardi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000) onnistui lopulta mahduttamaan itseensä molemmat ratkaisut. Eri tekniikalla toteutetut verkot eivät ole suoraan yhteensopivia, mutta sama puhelin voi silti toimia useissa erilaisissa verkoissa. Maailman ensimmäiset IMT-toimiluvat myönnettiin Suomessa maaliskuussa 1999 neljälle operaattorille. Britannia järjesti keväällä 2000 huutokaupan, jossa viisi toimilupaa myytiin yhteensä lähes 38 miljardin euron hintaan. Saksan valtio keräsi saman vuoden elokuussa omasta huutokaupastaan yli 50 miljardia euroa. Hintoja voidaan pitää korkeina 190 SIM = Subscriber Identity Module, älykortti, jota käytetään matkapuhelinliittymän tilaajan yksilölliseen ja tietoturvalliseen tunnistamiseen. 191 IMEI = International Mobile station Equipment Identity, 15 merkkiä pitkä matkapuhelimen laitetunnus. IMEIkoodia käytetään myös 3G ja LTE-puhelimissa. 192 Viestintävirasto (2011), GSM-matkapuhelinverkon viestintää on mahdollista salakuunnella 3G- ja 4G-verkot ovat turvallisia, Viranomaisten kannalta optimaalinen tilanne lienee se, että salakuuntelu on yksityisille tahoille hyvin vaikeaa, mutta viranomaisille mahdollista.