ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet

Transkriptio

1 ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Radiotekniikkaa ja matkaviestintää & Kurssin ohjelma» Kalevi Kilkki Luennot ja kurssin sisältö Prof. Ville Pulkki» Prof. Tom Bäckström» Juho Kaivosoja: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset 1. Johdanto ma 9.1. & ke Liiketoiminta ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kiinteät verkot ma & ke Kommunikaatioakustiikka ma 6.2. & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma & ke Puheteknologia ma & ke Internet ma 6.3. & ke

2 Tämän viikon aiheet» Maanantain oppimistavoitteita 1. Solukkoverkon rakenne ja toimintaperiaate 2. Matkapuhelinverkkojen sukupolvet» Keskiviikon oppimistavoitteita 1. Radiotekniikan perusteita tietoliikenteen kannalta 2. Radioyhteyden mitoituksen perusteet» Laskuharjoitus 1. Solukkoverkon mitoitus 2. Radioyhteyden mitoitus Kysymyksiä» Mitä tapahtuu kun mobiiliverkkoa kuormitetaan raskaasti?» Miksi julkiset mobiilipalvelut yleistyivät vasta 1990-luvulla vaikka radiotekniikkaa alettiin käyttää mm. merenkulun tarpeisiin jo 1900-luvun alussa?» Mitkä ovat olleet tai oletetaan olevan matkapuhelinverkkojen eri sukupolvien keskeisimmät uudet ominaisuudet edelliseen sukupolveen verrattuna 1G:stä 5G:hen?» Mitkä ovat solukkoverkon tärkeimmät tavoitteet ja suunnitteluperiaatteet?» Miten lähiverkot eroavat matkapuhelinverkoista, sekä teknologioiden että palveluiden osalta?» Miksi suurilla taajuuksilla (> 5 GHz) on vaikea toteuttaa pitkiä maanpäällisiä yhteyksiä kun taas suhteellisen matalilla taajuuksilla (< 500 MHz) on mahdollista rakentaa maantieteellisesti kattavia verkkopalveluja? ELEC-C

3 Termeistä» Mobiili (mobile) vrt. kiinteä (fixed) Käyttäjien liikkuvuus, matka-» Solukko (cellular) (vrt. yksisoluinen?) Verkon tekninen rakenne» Sähkömagneettinen vrt. mekaaninen (aalto)liike Fyysinen taso» Radio (osa edellistä) vrt. optinen (optical) Siirtotekniikka» Langaton (wireless) vrt. langallinen (wireline) Siirtomedia ELEC-C Taustaa 1862: Maxwellin yhtälöt 1887: H. Hertz: osoitti kokeellisesti että radioaaltoja voidaan lähettää ja vastaanottaa radioaallot etenevät valon nopeudella. Hertz did not realize the practical importance of his experiments. He stated that, "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." ELEC-C

4 Kehityskulkuja» G. Marconi Radioyhteys Atlantin yli 1902 (epäselvä tulos v. 1901) Radion keksijä ainakin patentoija ja Nobel-voittaja» Radioyhteys laivoihin 1904» Ensimmäiset kaupalliset radiolähetykset 1919 Suomessa Yleisradio aloitti 1926» Television tekninen demonstraatio 1926 Suomessa säännölliset TV-lähetykset 1956» Ensimmäinen matkapuhelinverkko 1960 (Ruotsi) Suomessa (ARP) ELEC-C The world s poorest households are more likely to have a mobile phone than a toilet ELEC-C

5 Nettitutka (Netradar) Prof. Jukka Manner & the Team Aalto-yliopisto Nettitutka tavoitteet Joukkoistamiseen perustuva mobiiliverkkojen mittauspalvelu Käyttäjät mittaavat yhteyksiään Käyttäjä = kuluttaja, tutkija, viranomainen, konsultti, tms. Kertoo, mikä on käyttäjien näkökulmasta eri Mobiiliverkkojen todellinen peitto ja tiedonsiirron laatu Mobiililaitteiden todelliset suorituskyvyt Kuluttajat saavat omat tietonsa ja erilaisia analyysejä Yhteenvetoja netissä nettitutka.fi/netradar.org sivustoilla Peittokarttoja Tulevaisuudessa myös laitevertailuja, palvelutaso omalla alueella, tyytyväisyysanalyysejä (nopeus, operaattori, laite), missä lähin hyvä peitto, jne. 10/13 5

6 Taustaa Vuosien kehitystyö Aalto-yliopistossa Alustavat ideat 2010 Ensimmäiset prototyypit 2011 Julkistus Suomessa 2012, globaali 2013 Mittauspisteet Netradar: hajautettu globaali palvelu, EU, US, Aasia Nettitutka: suomalainen mittauspiste Aallon kampuksella, FUNET-verkossa Kaikki tärkeät alustat tuettu Android puhelimet/tabletit ios puhelimet/tabletit Windows Phone puhelimet Symbian puhelimet Meego/Maemo puhelimet Jolla/Sailfish 11/13 Tilastot sovelluslatausta eri laitemallia mittausta Yhdessä mittauksessa n datapistettä sovelluslatausta eri laitemallia mittausta 12/13 6

7 Nettitutkan mittaukset 1. Signal quality and strength 2. Download/upload speed (sustainable and peak TCP) 3. Detailed TCP metrics throughout the connection (50ms interval) 4. Latency (UDP) 5. Location (GPS, cellular, IP address and WIFI positioning) 6. Packet inter-arrival times 7. Base station information 8. Cellular technology 9. Operator name, country 10. Device information (hardware, operating system) 11. Customer experience (Q3/2014) 13/13 Tiedonsiirtonopeuden mittaus Käynnistysvaihe Kestävä nopeus 14/13 7

8 Mikä on nopeus? Yli 10 Mbps vai 5.3 Mbps? 15/13 Esimerkki: LTE ( 4G) etelässä (2014) DNA 16/13 8

9 Esimerkki: LTE etelässä (2014) Elisa 17/13 Esimerkki: LTE etelässä (2014) Sonera 18/13 9

10 LTE-peitto Silti, verkkoinvestointien osuus operaattorin kuluista 12% ELEC-C Bittinopeuden kehitys Mbit/s G keskiarvo 3G Q2/13 Q4/13 Q2/14 Q4/14 Q2/15 Q4/15 Q2/16 Kasvu Q2/2013 Q4/2015 = 6 Mbit/s/vuosi ELEC-C

11 Kurssilla aiemmin mitatut bittinopeudet kbit/s Latausnopeus (ka = 22,4 Mbit/s) Lähetysnopeus (ka = 8,6 Mbit/s) Mittaustulokset järjestyksessä (erikseen ylös ja alas) ELEC-C Koe: Yhtäaikainen mittaus» Raportoi mittauksen tulokset seuraavasti (MyCourses): ˑ Latausnopeus ˑ Lähetysnopeus ˑ Verkon viive ˑ Laite ˑ Operaattori ˑ Verkkoteknologia Huom: kolme viimeistä löytyy "suurennuslasi" -painikkeen takaa» Vaihtoehtoinen tehtävä (vain jos et voinut tehdä mittausta) Mitkä ovat mielestäsi riittävän hyvän mobiilipalvelun Latausnopeus Lähetysnopeus Verkon viive Koskee vuotta 2017 perustele vastauksesi lyhyesti ELEC-C

12 (Aiempi) Luentotehtävä 2016 Paras Elisa DNA Sonera Huonoin 2017 ELEC-C Edellisen vaihdoksen syy (3 vuoden aikana) en ole vaihtanut liittymää 59 hinta 12 kuuluvuus 2 laskutusepäselvyydet (Elisalla) 2 sopimusehdot 2 asiakaspalvelu 2 roaming 2 alennus laitteesta 1 hinta-laatusuhde 1 datanopeus 1 nettiliittymä 1 palvelus kaverille 1 Hinta 50% 30% vaihtanut 3 vuodessa ELEC-C

13 ELEC-C Radiotietoliikenne» Radiotietoliikenteen järjestelmän elementit Lähetin joka muuttaa lähetettävän informaation radiosignaaliksi Väliaine jossa radiosignaali etenee (esim. sähkömagneettisina aaltoina ilmassa) Vastaanotin missä radiosignaalin välittämä informaatio ilmaistaan vastaanottajalle» Radiotietoliikenteen järjestelmiä Mobiilitietoverkot kuten GSM, 3G ja sen evoluutio (WCDMA, HSDPA, LTE) Langattomat lähiverkot (WLAN) Digitaalinen televisio ja radio 13

14 » Aiheuttaako radiotekniikkaan perustuva tietoliikenne jotain uhkia käyttäjille ja/tai yhteiskunnalle? Jos kyllä, niin mitä? 3 minuutin keskustelu: Mikä on merkittävin uhka? ELEC-C Langallinen viestintä Hyvää Suojaus Laatu, luotettavuus Optisen kuidun tapauksessa erittäin suuri kapasiteetti Huonoa Paikkaan sidottu Verkon korjaaminen Verkon laajentaminen Kapasiteetin lisäys 14

15 Langaton viestintä Keskeisiä haasteita Kuuluvuus (myös sen rajaus) Voi olla asynkronista (tarvetta vaikea ennustaa) Häiriöaltis (interferenssin hallinta) Miten löytää vastaanottaja? Miten ylläpitää yhteyttä liikkeessä? Päätelaitteen akun kesto ja lämmön tuotto (!) Tukiasemien energiatehokkuus Tukiasemien suuri määrä (kustannus) Radiolinkit» Vapaa tila, ilmatie, langaton siirtotie» Edut "halpa" - ei johdonvetokustannuksia (tosin tukiaseman perustaminenkin on kallista) liikkuvat päätelaitteet, yhteys mahdollinen lähes missä vain» Rajoitukset viestin salakuuntelu ja häirintä helppoa turvallisuusongelmat ratkaistava käyttökelpoisia radiotaajuuksia rajatusti käytöstä sovittava kansainvälisesti siirto-olosuhteet vaihtelevat sääilmiöt, magneettiset myrskyt 15

16 Radiotietoliikenne» Radiotietoliikenteessä langattoman siirtotien fysiikka teknisten järjestelmien toteutus» OSI-mallissa (7 tasoa muistattehan) Erityisesti kerrokset 1 (fyysinen) ja 2 (siirto)» Tiedonsiirtonopeutta rajoittavat käytännössä luonnonlait teknisen toteutuksen rajoitukset kustannusten asettamat rajoitteet» Radiotietoliikenteen tutkimus sekä käytännön järjestelmät että teoreettiset perusteet Netradar mittaus Kolme operaattoria: Elisa, Sonera, DNA kbit/s 4000 Latausnopeuden jakauma: ELEC-C

17 Nettitutkamittaukset iphone 5s Elisa 3G iphone 4S Elisa 3G Lumia 630 Elisa 3G HTC One V Elisa 3G Jolla Elisa 3G Samsung Galaxy S2 Elisa 3G (256 k) Lumia 1020 Elisa 4G Galaxy S5 Elisa 4G Sony Xperia Z3+ Elisa 4G LG Nexus 5x Elisa 4G Lumia 920 Elisa HSPA OnePlus One Elisa HSPA Samsung Galaxy S5 Elisa HSPA Samsung Galaxy S5 Elisa HSPA Samsung Galaxy S4 Elisa HSPA Sony Xperia Z1 Elisa HSPA iphone 5s Elisa LTE Lumia 930 Elisa LTE samsung GT-I9195 Elisa LTE Sony E2303 Elisa LTE HTC One Elisa LTE Samsung Galaxy S3 Elisa Lumia Elisa Samsung Galaxy S2 Elisa HTC One M9 DNA 4G Sony xperia e3 DNA 4G iphone 6s DNA HSDPA iphone 6s DNA HSDPA HTC One M7 DNA HSPA Huawei H60-L04 DNA HSPA Huawei Honor 7 DNA LTE Samsung S2 plus DNA Apple iphone 6 DNA wlan Sony Z2 DNA Samsung Galaxy S4 Sonera 3G ipad Sonera 4G Sony Xperia Go Sonera HSPA Samsung Galaxy A5 Sonera HSPA Sony xperia z2 Sonera HSPA LG-D855 Sonera HSPA LG G3 Sonera LTE Lumia 950 Sonera LTE ELEC-C Tuloksia G Mediaanit 2015: 1,3 Mbit/s 2016: 3,4 Mbit/s 2017: 8,7 Mbit/s mutta osallistujamäärät laskussa - UMTS (3G) ELEC-C

18 Operaattorivertailu (vain LTE) IPhone Motorola (!) ELEC-C Operaattori 1 ELEC-C

19 Operaattori 2 ELEC-C Netradar ELEC-C

20 Mikä on kysymys?» Solukkoverkko on vastaus - mutta mikä on kysymys? ELEC-C Solukkoverkon periaate Värit kuvaavat taajuuskaistoja! ELEC-C

21 Suuntaavien antennien käyttö Uuden tukiaseman rakentaminen, ylläpito ja/tai paikan vuokraus on usein kallista! ELEC-C Liikkuvuuden hallinta Operaattori O Operaattori O3 2 Operaattori O1 1 2 Operaattorin vaihto (roaming, verkkovierailu) Tukiaseman (solun) vaihto Taajuusalueen vaihto ELEC-C

22 Eri kokoisia soluja Miksi? ELEC-C G : ARP» ARP = Autoradiopuhelin Vain Suomessa, vuodesta 1971 Käsivälitteinen Päätelaitteen lähetysteho 1 15 W soveltui vain ajoneuvoihin, korkeintaan kannettava Puhelimet eivät osanneet vaihtaa taajuutta kesken puhelun ei tukiaseman vaihtoa 150 MHz:n alueella kantomatka laaja, peitto hyvä myös Lapissa vähän tukiasemia pieni kapasiteetti Puhelimet kalliita Käyttäjiä enimmillään v Poistui käytöstä v ELEC-C

23 1G: NMT» NMT = Nordic Mobile Telephone» Analoginen» Taajuuskaistat 450 MHz (v ): Hyvä peitto 900 MHz (v ): Enemmän kapasiteettia» Solunvaihdot (handover)» Verkkovierailu (roaming) maiden välillä Ensimmäisenä maailmassa (?)» Ei salausta Suhteellisen helposti kuunneltavissa (salaus periaatteessa mahdollista, Suomessa ei käytetty) ELEC-C G Yhteenveto ELEC-C

24 2G: GSM» Groupe Speciale Mobile Global System for Mobile communications Eurooppalainen standardi (USA:ssa ja Japanissa eri standardit) Laaja verkkovierailumahdollisuus Toiminta alkoi 1992, korvasi analogiset muutamassa vuodessa» Teknisiä ominaisuuksia Digitaalinen Huomattavasti aikaisempia parempi salaus SIM-korttiin perustuva tunnistus Taajuusalueet 900 MHz & 1800 MHz Tukiaseman lähetysteho: 2,5 320 W Päätelaitteen lähetysteho: 0,8 2 W ELEC-C GSM verkon rakenne (modulaarinen) Home Security System ELEC-C

25 2G:stä eteenpäin ELEC-C G: UMTS / WCDMA Alkuvaiheen ominaisuudet ELEC-C

26 4G LTE (advanced)» LTE = Long Term Evolution Teknisellä tasolla LTE = 3G:n kehitysvaihe markkinoinnissa käytetty termiä 4G ja on käyty myös oikeutta; edelleen aika epäselvää mikä on 4G ja mikä ei.» Erityisesti mobiili-internet Huippunopeudet (teoriassa) 150 Mbit/s Mitattuja yli 100 Mbit/s Korkeimmat nopeudet tyypillisesti mokkula/läppäri Continuous speed: 23 kbit/s Or video: 17 min/day Continuous speed: 1 kbit/s Or video: 45 s/day ELEC-C G» Tavoitteet Kapasiteetti 1000 haastava tavoite, ehkä mahdollinen (mutta kustannukset =?)» Keinot Tehokkaampi taajuuksien käyttö ( 2?) jossain määrin edelleen mahdollista Taajuusalueita lisää on tulossa Tukiasemia lisää Aina mahdollista, mutta kustannuskysymys Halvimmat tukiasemat: hintataso kymmeniä Euroja ELEC-C

27 Yhteenveto 3G:stä eteenpäin UMTS / WCDMA HSPA HSPA+ LTE LTE-A 5G tavoite 3GPP release vuosi Max bittinopeus alaspäin (Mbit/s) Max bittinopeus ylöspäin Edestakainen viive ,384 14, ,128 5, ms 60 ms 35 ms 10 ms 10 ms 1 ms Kanavakoodaus CDMA CDMA CDMA OFDMA SC-FDMA OFDMA SC-FDMA 3G 4G HSPA = High Speed Packet Access ELEC-C Lähiverkkoteknologioita» Bluetooth Harald Blaatand II [jäänee paremmin mieleen kuin UMTS, GPRS, tai WiMAX?] Edullinen, vähän energiaa kuluttava, pienehkö siirtonopeus» Wi-Fi [WLAN, IEEE ] Yleisin langaton lähiverkkotekniikka Vapaalla taajuuskaistalla, ei tarvitse erillistä lupaa b: max 11 Mbit/s, käytännössä vähemmän» WiMAX [IEEE ] Oikeastaan kaupunkiverkko [MAN] erityiskäyttöön Mahdollisesti integroituu osaksi LTE-ratkaisuja ELEC-C

28 Lähiverkkojen standardit Tyyppi Tuotenimi IEEE standardi Vuosi Taajuusalue Max nopeus Etäisyys sisätila Tekniikka* PAN Bluetooth Bluetooth v3.0+hs Bluetooth Smart a GHz 2..4 GHz 2..4 GHz 721 kbit/s 24 Mbit/s 270 kbit/s 10 m 10 m GFSK LAN Wi-Fi a b g n GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 / 5 GHz 54 Mbit/s 11 Mbit/s 54 Mbit/s 150 Mbit/s 35 m 35 m 38 m 70 m OFDM PSK, DSSS OFDM, DSSS OFDM MAN WiMAX WiMAX rel e m GHz GHz 70 Mbit/s 1 Gbit/s OFDMA Tarpeita on erilaisia (nopeus, tehonkulutus, kattavuus, hinta, ) Yksi ratkaisu ei sovi kaikkeen. ELEC-C Linkin suorituskyky ei koko kuva kehityksestä» Huippunopeudet tiedonsiirrossa kasvavat mutta Tiedonsiirron nopeus solujen reuna-alueilla on kasvanut vain hitaasti. Kuitenkin merkittävä osa yhteyksistä on solujen reuna-alueilla.» Suurimmat tiedonsiirtonopeudet ovat yksittäisten käyttäjien saatavilla vain kun liikennettä on solussa vähän» Liikkuvan tietoliikenteen tukiasemaverkko on pyritty kustannussyistä rakentamaan harvaksi» Usein tukiasemaverkko on alunperin suunniteltu puhepalveluita varten Muutos käynnissä => jatkossa verkko on ensisijaisesti mobiili Internet Meillä on vielä paljon tekemistä! ELEC-C

29 Solukkoverkon suorituskyky» Ilman pieniä soluja 5G tavoitteet eivät ole mahdollisia Olennaisesti kustannuskysymys» Huippunopeuksia (> 1Gbit/s) tarvitaan joskus Olennaisempaa on mikä on keskimääräinen käyttö» Mitoituksessa huomioitava Verkko mitoitetaan (perinteisesti) kiiretunnille, jonka osuus kokonaisliikenteestä on 10 % luokkaa» Verkkoa ei voi mitoittaa täyteen (= 100% kiiretunnin aikana) Jos suuri osa liikenteestä on puheluita (vrt. Erlangin kaava!)» Kun suuri osa liikenteestä on joustavaa dataliikennettä, suuri kuormitus on hyväksyttävissä, jos samalla taataan puheluille estoton kulku ELEC-C Taajuusalueet (enemmän keskiviikkona) khz MHz GHz THz PHz Hz Sähköverkko AM-radio TV ULA = MHz Marconin koe 1902 (272 khz) FM-radio Satelliitti GSM, 3G, 4G Mikroaaltolinkit Optinen kuitu ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Radioaallot Infrapuna Ultravioletti 10 3 km 1 km 1 m 1mm 1 m ELEC-C

30 ELEC-C Osia UHF-alueesta (700 MHz 3 GHz) Ilmailu TV MVV = Matkaviestinverkko ELEC-C

31 Taajuusalueet khz MHz GHz THz PHz Hz Sähköverkko AM-radio TV FM-radio Satelliitti GSM, 3G, LTE Mikroaaltolinkit Optinen kuitu ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Radioaallot Infrapuna 10 3 km 1 km 1 m 1mm 1 m ELEC-C MHz: LTE kaistat (eri maissa!) Ultravioletti Taajuusjakoinen (FDD) Aikajakoinen (TD) ELEC-C

32 Taajuusalueet khz MHz GHz THz PHz Hz Sähköverkko AM-radio TV FM-radio Satelliitti NMT, GSM, 3G Mikroaaltolinkit Optinen kuitu Ionosfääriheijastus Sironta Maanpinta-aalto Radioaallot Infrapuna Ultravioletti 10 3 km 1 km 1 m 1mm 1 m ELEC-C Radioaaltojen eteneminen» Suora näköyhteys Korkeatkin taajuudet Muita luotettavampi, pääasiallinen etenemistapa tietoliikenteessä» Maanpinta-aalto < 10 MHz Optimiolosuhteissa tuhansia kilometrejä» Sironta 300 MHz 10 GHz Jopa 2000 km» Heijastuminen ionosfääristä < 30 MHz Jopa maapallon ympäri, mikäli aalto heijastuu uudelleen maanpinnasta 32

33 Eksosfääri Kansainvälinen avaruusasema 400 km Ionosfääri Termosfääri 80 km 50 km Mesosfääri Stratosfääri Troposfääri 75 km Elektronitiheys (1/cm 3 ) 12 km 100 km ELEC-C Heijastuminen ionosfääristä 400 km Elektronitiheys (logaritminen)» < 30 MHz» km / hyppy Jopa maapallon ympäri, mikäli aalto heijastuu uudelleen maanpinnasta 1000 km» Suora näköyhteys 300 m masto: 70 km ELEC-C

34 Suora näköyhteys Lähettimen korkeus (m) m 1.7m 10m Vastaanottajan korkeus Espoon radiomasto (326 m) Etäisyys (km) ELEC-C Vapaan tilan vaimennus» Peruskaava P R P T = G T G R 4πr 2» Vaimennus voidaan esittää db-asteikolla: L = 32, log 10 f MHz + 20 log 10 r km [db]» 3G: 2,4 GHz, 1 km L = 100 db 10 W:n lähetysteho Vastaanottoteho 1 nw (10-9 W)» Marconi: 272 khz, 6000 km L = 96 db, vastaanottimen teho = kertaa lähetysteho Mutta: väärä laskelma koska kyseessä on ionosfääriheijastus! heijastus riippuu mm. ajankohdasta, yöllä parempi kuin päivällä ELEC-C