Langattomien laajakaistojen luvatut ja todelliset nopeudet

Transkriptio

1 Kosonen Taavi T073SN Langattomien laajakaistojen luvatut ja todelliset nopeudet WiMAX ja Mokkula Opinnäytetyö Tietotekniikan koulutusohjelma Kesäkuu 2009

2 KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä Tekijä Taavi Kosonen Koulutusohjelma ja suuntautuminen Tietotekniikan koulutusohjelma, Verkko- ja Mediatekniikan suuntautumisvaihtoehto Nimeke Langattomien laajakaistojen luvatut ja todelliset nopeudet, WiMAX ja Mokkula Tiivistelmä Työn tarkoituksena oli tutkia langattomien laajakaistojen ja USBmodeemin luvattuja ja todellisia tiedonsiirtonopeuksia Työssä tutkittiin langattomien laajakaistojen taustoja ja mitattiin tiedonsiirtonopeuksia haja-asutus alueella. Työssä käytin Nettimittari apuohjelmaa, jonka löysin Internetistä. Langaton laajakaista on vaihtoehto pyrittäessä saamaan kohtuullinen tiedonsiirtonopeus alueilla, joissa langallista laajakaistayhteyttä ei voida käyttää. Asiasanat (avainsanat) USB-modeemi, Langaton laajakaista, kb/s, 3G, IEEE , EDGE Sivumäärä Kieli URN 30 s. Suomi NRN:fi.mamk Huomautus (huomautukset liitteistä) 5 s. liitteitä Ohjaavan opettajan nimi Opinnäytetyön toimeksiantaja Reijo Vuohelainen

3 DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis Author(s) Taavi Kosonen Degree programme and option Information degree programme, Web- and Media technology Name of the bachelor's thesis Wireless broadband promised and real transfer rates, and USBmodem Abstract The purpose of this study was to examine wireless broadband a WiMAX, and the USB-modem a promised and a real data transfer rates. In this study it was due to examine the background of the wireless broadband connections and measure data transfer rates in a scattered settlement. For the study I used the Nettimittari utility program, which I found from Internet. A wireless broadband is an option aim at reasonable data transfers rate, in region that wired broadband connections are not available.. Subject headings, (keywords) USB-modem, Wireless Broadband, kb/s, 3G, IEEE , EDGE Pages Language URN 30 pages Finnish NRN:fi.mamk Remarks, notes on appendices 5 pages of appendices Tutor Reijo Vuohelainen Bachelor s thesis assigned by

4 Sisällysluettelo 1. Johdanto Tekniset tiedot GSM Tekniikka Taajuusalueet GSM-verkot GSM-verkot Suomessa GPRS EDGE ESCD Versio UMTS Historia UMTS-verkko G HSDPA WIMAX Käyttökohteet Tekniset ominaisuudet Tulevaisuus Mobiliteetti WiMAX-verkossa Historia Toiminta Aikataulu Standardeja IEEE Organisaatio IEEE Suomen osasto IEEE jäsenyys ja kohdealueet Standardit standardi Työssä käytettävä mittauskalusto Mokkula WiMAX laitteisto Laitteisto Mittaukset ja tulokset WiMAX tiedonsiirto mittaukset tiedonsiirto mittaukset USB-modeemi tiedonsiirto mittaukset Johtopäätökset Lähdeviitteet

5 1 1. Johdanto Insinöörityöni tein mielenkiinnosta langattomien laajakaista verkkojen tämän hetkisistä tiedonsiirtonopeuksista, tutkin niiden luvattuja ja todellisia nopeuksia. Puhelinlankojen poistuttua ei voida haja-asutus alueella käyttää langallisia laajakaista palveluja, minkä takia suoritin vähän kartoitusta kuinka mikäkin langaton laajakaista toimii haja-asutus alueella. Jo joitakin vuosia on ollut mahdollista käyttää langattomia laajakaista palveluja, johtuen laitteistojen monipuolisuudesta ja hintojen laskemisesta järkevämmälle tasolle. Mittasin parin päivän ajan Tiedonsiirtonopeuksia ilman internetin kuormitusta sekä kuormituksen kanssa ja USBmodeemilla haja-asutusalueella Punkaharjun Vuoriniemellä. Mittauksissa apuna käytin Ficora:n Internet sivulta löytämääni ladattavaa Nettimittari apuohjelmaa ja omaa tietokonetta. Kuvassa 1 on eri tekniikoiden rinnastusesimerkki Kuva 1. Eri tekniikoiden rinnastusesimerkki /1/. 2. Tekniset tiedot Tässä on teknisiä tietoja sekä historiaa eri tekniikoista.

6 2.1. GSM 2 GSM (lyhenne sanoista alun perin Groupe Spécial Mobile, nyttemmin Global System for Mobile Communications) on matkapuhelinjärjestelmä jota käytetään maailmanlaajuisesti /2.6/,/3/ Tekniikka GSM on täysin digitalisoitu toisen sukupolven matkapuhelinverkko. verkossa voi tavallisten puheluiden lisäksi tehdä datapuheluita sekä lähettää teksti- ja muita lyhytviestejä ja käyttää pakettidatapalveluja (WAP- tai Internetyhteyksiä) /2.6/,/3/ Taajuusalueet GSM-verkot toimivat alun perin 900 MHz:n radiotaajuusalueella, mutta käyttäjien lisääntyessä ja verkkojen kasvaessa, otettiin käyttöön myös 1800 MHz radiotaajuudet. Alkuperäinen nimi tälle järjestelmälle oli 'DCS1800' eli (Digital Cellular System 1800), se otettiin käyttöön Yhdistyneissä kuningaskunnissa Eri puolilla maailmaa on käytössä myös muita taajuusalueita. Pohjois-Amerikassa GSM-verkkoja käytetään myös 1900 MHz:n ja 850 MHz:n taajuuksilla. Kaikissa GSM-puhelimissa ei ole kumminkaan jokaiselle taajuusalueella toimintoa, mutta nykyään on puhelinmalleja, jotka toimivat neljällä eri taajuudella (850, 900, 1800 tai 1900 MHz). Kaksitoimipuhelimissa on sekä GSM että WCDMA-toiminnallisuus /2.6/,/3/ GSM-verkot Mobiilikeskuksesta (MSC), tukiasemasta (BS) ja näiden ohjausyksiköstä (BSC) koostuva GSM-verkko. Digitaaliseen ISDN-puhelinverkkoon perustuva GSM-verkko. WAP, matkapuhelinten hypertekstipalvelu HSCSD, piirikytkentäinen tiedonsiirto GPRS, pakettikytkentäinen tiedonsiirto EDGE, 2.5G, nopea tiedonsiirto UMTS, GSM:ää seuraava matkapuhelinstandardi 3G, GSM:ää seuraava matkapuhelinsukupolvi

7 HSDPA GSM-verkot Suomessa Lokakuun myönnettiin Radiolinjalle (nykyisin Elisa Matkapuhelimet) ensimmäisenä Suomessa GSM-toimilupa. Telecom Finland Oy (nyk. TeliaSonera) pystytti oman verkkonsa tiheämmin pienitehoisemmilla tukiasemilla kuin Radiolinja, joka käytti harvempaan sijoitettavia suurempi tehoisia tukiasemia. Suomen ensimmäisen puhelun kuluttajille avatussa GSM verkossa soitti valtioneuvos Harri Holkeri. Suuren suosion saaneena ja voimakas käyttäjämäärien lisääntyminen uhkasi tukkeuttaa koko järjestelmän. Tämän vuoksi perustettiin rinnalle toinen matkapuhelinjärjestelmä DCS 1800 MHz, jota myös GSM 1800:ksi kutsutaan. Sen kantavuus ei ollut lyhyemmän aallonpituuden vuoksi niin hyvä kuin GSM 900:lla, siksi rakennettiin GSM 1800 ensimmäisenä kaupunkialueille, sitä alettiin kutsua city-gsm:ksi. Kun Helsingin puhelinyhtiö (HPY) irtautui Finnet-ryhmästä, kaappasi se Radiolinjan pääosakkaana itselleen. Yhtiö valloitti myös muutaman entisen Finnet-yhtiön osakkaan, kuten Tampereen puhelin Oyj:n (TPO). Kaikkien muiden konserniin kuuluneiden yhtiöiden fuusioiduttua Elisa Oyj:ksi, alkoi Finnet-ryhmä rakentaa omaa verkkoaan. Tästä verkossa toimivien Finnet-ryhmän omien palvelujen, sekä nykyisin myös mobiiliverkon markkinoinnissa käytetään DNA-tuotenimeä. WAP- ja internet-palveluiden toimivuutta parannettiin vuoden 2001 aikana, GPRSpakettiradiopalvelun avulla. 900 megahertsin taajuudella toimivan UMTS:n tulon myötä kolmannen sukupolven matkapuhelimet saavuttavat saman kantaman kuin vanha GSM ja kahden kännykkäverkon ylläpitäminen on suuri rasite operaattoreille. Elisa aikoo sulkea GSM-verkot vaiheittain alkaen vuonna 2015 ja siirtyä käyttämään ainoastaan UMTSia /2.6/,/3/ GPRS GPRS (lyhenne sanoista General Packet Radio Service) on pakettikytkentäinen tiedonsiirtopalvelu, jota käytetään langattoman Internet-yhteyden tai WAP-yhteyden muodostamiseen matkapuhelimen tai GPRS sovittimen avulla.

8 4 GPRS käyttää GSM-yhteyden tapaan radioaaltoja tiedon siirtämiseen. GPRS yhteys voi olla jatkuvasti päällä tietyn kaistan varaavaan GSM:n verrattuna, mutta kuormittaa vasta silloin verkkoa kun dataa siirretään. GSM-datayhteyksien kiinteän nopeuden sijaan se käyttää siis pakettimuotoista spasmista tiedonsiirtotapaa. Siirretyn tiedon määrän perusteella laskutetaan GPRS-tiedonsiirto (poikkeuksena joidenkin operaattorien kiinteä kuukausihinta, jolloin dataa voi siirtää rajattomasti kohtuullisella hinnalla) toisin kuin puhelun tavoin aikaveloitteinen GSM-datayhteys. Hannu Kari on eräs suomalainen GPRS-standardin pääarkkitehdeista. Saksalaisten vaatimuksesta saada käyttöön datan pakettipohjainen siirtojärjestelmä tuli GPRS mukaan GSMstandardiin alun perin /2.5/,/3/ EDGE EDGE (engl. Enhanced Data rates for Global Evolution) on pakettipohjaiseen tiedonsiirtoon suunniteltu tekniikka, kuten GPRS johon EDGE perustuu. 3GPPjärjestö on kehittänyt EDGE-standardin. EDGE tunnetaan myös lyhenteellä EGPRS, joka tulee sanoista Enhanced GPRS. Siihen myös viitataan joskus markkinointitermillä 2.5G koska se on toisen sukupolven tekniikasta parannettu versio, mutta se ei ole vielä varsinaista kolmannen sukupolven tekniikkaa. Yhdysvalloissa vuonna 2003 otettiin ensimmäinen kaupallinen EDGE-järjestelmä käyttöön. Nykyään se on kaupallisessa käytössä ympäri maailmaa. EDGE-tilaajia on jo noin 300 miljoonaa. Teoriassa 473,8 kb/s vastaanotto- ja lähetysnopeudet mahdollistaa EDGE-standardi. Käytännössä loppukäyttäjän saavutetut nopeudet ovat GSM/EDGE-päätelaitteilla keskimäärin kb/s luokkaa ja parhaimmillaankin 296 kb/s vastaanottosuunnassa, lähetyssuunnassa saavutetaan keskimäärin kb/s nopeudet ja parhaimmillaankin 236,8 kb/s. Tämä on keskimäärin kolmin- tai nelinkertainen nopeus verrattuna olemassa oleviin GSM/GPRS laitteisiin nähden /2.2/,/3/ ESCD Piirikytkentäinen versio eli (Enhanced CSD eli ECSD) joka tulee sanoista Enhanced Circuit Switched Data sisältyy myös EDGE-standardiin, eli parannettu piirikytkentäinen dataratkaisu. ECSD ei ole kaupallisessa käytössä. Videopuhelu olisi ainoa mielekäs palvelu jota käyttäisi ECSDllä. Videopuhelu palvelu on käytössä myös

9 3G UMTS (WCDMA)-verkoissa. Videopalvelut käyttävät nykyisin pakettipohjaista tiedonsiirtoa /2.2/,/3/ Versio 7 Uuden 3GPP versio 7:n myötä EDGE-nopeudet kasvavat kaksinkertaisiksi ja samalla Vasteajan arvioidaan parhaimmillaan alittavan 100 ms. Nopeat multimediayhteydet mahdollistavat ominaisuudet sekä parantavat reaaliaikaisten palveluiden esimerkiksi IP-puheen (VoIP) ja pikapuhelun (PoC) laatua merkittävästi. Vastaanottosuunnassa version 7 teoreettinen huippunopeus on 1894,4 kb/s ja lähetyssuunnassa 947,2 kb/s. Nopeuden voidaan alkuvaiheessa odottaa saavuttavan keskimäärin kb/s vastaanottosuunnassa ja kb/s nopeuden lähetyssuunnassa. Ensimmäisten versio 7 -tuotteiden arvioitiin tulevan markkinoille vuoden 2008 aikana /2.2/,/3/ UMTS UMTS (lyhenne sanoista Universal Mobile Telecommunications System) on kolmannen sukupolven matkapuhelinteknologia, joka on 50 % nopeampi molempiin suuntiin kuin GPRS ja sallii paremman äänenlaadun sekä liikkuvan kuvan lähettämisen. UMTSissa on pienempi latenssi, eli viive kuin edeltäjillään. UMTS:ssä käytettävä radiotekniikka on W-CDMA. Pakettidatan siirtämiseen käytetään HSPAtekniikkaa. Internet pohjaisia multimediapalveluita tarjoaa IMS, kuten pikapuhe, IPpuhe, saatavuuspalvelu ja pikaviestit /2.4/,/3/ Historia ITU (International Telecommunication Union) joka toimii YK:n alaisuudessa, käynnisti 1990-luvun lopulla FPLMTS-projektin (Future Public Land Mobile Telephony System). Laatia 3G- puhelinjärjestelmää varten ratkaisumalleja oli projektin tavoitteena. Projektin nimeksi muutettiin myöhemmin IMT-2000 (International Mobile Telecommunication 2000). Aluksi oli useita ratkaisumalleja, mutta pääasiassa viimeaikoina on päädytty hyödyntämään CDMA ja W- CDMA-tekniikoita. Japanissa vuonna 2001 avattiin ensimmäinen kaupalliseen käyttöön lanseerattu 3Gverkko, perustuen FOMA-tekniikkaan (Ei ole yhteensopiva Suomessa käytössä

10 6 olevien W-CDMA verkkojen kanssa). Vuoden 2005 alussa tulivat yleiseen käyttöön UMTS-verkot. TeliaSoneralla, Elisalla ja DNAlla on toimiluvat UMTS-verkkojen rakentamiseen Suomessa. Noin 20 paikkakunnalla toimi vuoden 2005 lopulla TeliaSoneran verkko ja suurimmissa kaupungeissa Elisan. Tällä hetkellä toimii DNA:n 3G -verkko kaikissa Suomen suurimmissa kaupungeissa ja hiihtokeskuksissa, yli 20 paikkakunnalla. Huutokauppaamalla maansa UMTS-toimiluvat, monet valtiot esim. Saksa hankkivat isot rahat. Monet lupia ostaneet operaattorit ajautuivat konkurssin partaalle. Myös Suomen Sonera, kun tekniikka ei ollutkaan odotusten mukaisessa aikataulussa. Teleteollisuuden maailmanlaajuiseen lamaan vuosina nähtiin osasyynä 3G-huutokaupat /2.4/,/3/ UMTS-verkko Tavoitteena UMTS-verkon suunnitteluvaiheessa oli mm. saada äänen laatu ja palvelut samalle tasolle kuin ne ovat kiinteässä verkossa, lisäksi tuki sekä piiri- että pakettikytkentäiselle liikenteelle ja radiokaistan mahdollisimman tehokas käyttö olivat eräitä tavoitteita. Tavoitteena tiedonsiirtokapasiteetin suhteen oli, että paikallaan olevan UMTS-laitteen siirtonopeus voisi olla jopa 2 Mb/s. GSM-verkosta eroten UMTS-verkko ei ole yksitasoinen vaan hierarkkinen. Tasot ovat pienimmästä suurimpaan: Kotisolu Pikosolu Mikrosolu Makrosolu Globaali satelliittijärjestelmä Aktiivisten käyttäjien lukumäärän mukaan määräytyy UMTS-solun koko. Nopeus on signaalin laadusta, verkon ruuhkautumisesta ja muista tekijöistä riippuen korkeimmillaan 384 kb/s. Nopeudet jäävät käytännössä selvästi teoreettisen tiedonsiirtonopeuden alle, noin kb/s. Vasteaika on noin 100 ms, kun GPRSllä ja EDGEllä vasteaika vaihtelee 500 ms 3 s. Moninkertaisesti nopeampaa tiedonsiirtoa tukemaan, UMTS-verkkoa voidaan päivittää HSPDA-tekniikalla, tällä hetkellä maksiminopeus HSDPA.lla on noin 2

11 7 Mb/s, lähitulevaisuudessa jopa 7 14 Mb/s. HSUPA moninkertaistaa nopeuden päätelaitteelta verkkoon päin, sekä HSDPA että HSUPA myös pienentävät vasteaikaa merkittävästi. Tekniikka vaatii tuen päätelaitteelta, puhelimien uudet mallit tukevat HSDPA:ta ja PC-datakortit myös HSUPA:ta. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) on UMTS-verkon radio-osan nimi, UMTS-verkon päätelaitteen lyhenne on UE (User Equipment) ja Node B termiä käytetään tukiasemasta. UMTS-ympäristössä olevasta SIM-kortista puolestaan käytetään USIM-termiä (Universal Subscriber Identity Module). Tietoturvarakenteet muistuttavat paljon GSM-verkossa käytettäviä rakenteita. UMTSverkon päätelaite voi autentikoida myös verkon. Palveluntarjoajan ja puhelinoperaattorin välillä on selkeä ero, puhelinoperaattori keskittyy ainoastaan tiedonsiirron huolehtimiseen. Tiedonsiirtonopeus vaihtelee palvelujen tai sovellusten tarpeen mukaan. Palveluiden kattavuus vaihtelee Suomessa suuresti, koska maa on harvaanasuttu ja alun perin 2,1 GHz taajuudella toiminut radioliikenne olisi tarvinnut hyvin tiheän tukiasemaverkoston /2.4/,/3/ G Yleisimmin tunnetun 3G-määritelmän on luonut ITU-T. 3G-matkapuhelinjärjestelmän tulee tukea ITU-T:een mukaan: 1) Suuria bittinopeuksia 144 kb/s laajalla ulkopeittoalueella (kulkuneuvot) 384 kb/s laajalla ulkopeittoalueella (jalankulkijat) 2 Mb/s tai enemmän sisäpeittoratkaisuilla mahdollistaa videopuhelut 2) Sallia liikkuvuus eri operaattoreiden verkkojen ja eri maiden välillä, sekä mahdollistaa käyttö- ja laskutustietojen vaihtaminen eri operaattoreiden välillä 3) Päätelaitteiden maantieteellisen sijainnin määrittelyä ja tukea multimediapalveluita Kiinteänopeuksisia ja vaihtelevannopeuksisia palveluita

12 Epäsymmetristä lähetystä ja vastaanottoa Laajakaistayhteyksiä 2 Mb/s -bittinopeuksiin asti 8 3G tekniikkaa standardoivat 3GPP monen standardointijärjestön yhteistyöorganisaatio (3rd Generation Partnership Project). Pyrkii luomaan 3G-järjestelmille maailmanlaajuisia teknisiä määrittelyjä ja määritteli alkuperäisen 3G UMTS-tekniikan, tunnetaan nimellä WCDMA (UTRAN) ja on kehittänyt EDGE-tekniikkaa vuodesta 2001, sekä 3GPP2 joka kehittää CDMA2000-pohjaista tekniikkaa (mm. 1x, EVDO, EVDV) /2.1/,/3/ HSDPA HSDPA (lyhenne sanoista High-Speed Downlink Packet Access) on matkaviestinten yhteyskäytäntö joka nopeuttaa UMTS-pohjaista 3G-matkapuhelinverkkoa. Nopeutus koskee vain liikennettä verkosta päätelaitteelle. Nopeudet ovat yleensä 1.8 Mb/s, 3.6 Mb/s, 7.2 Mb/s tai 14.4 Mb/s tiedonsiirtonopeus jää käytännössä huomattavasti alle näiden lukujen. Päätelaitteet ja yhteyden laatu vaikuttavat yhteyden tiedonsiirtonopeuteen, päätelaitteen täytyy tukea HSDPAta. Standardia ollaan päivittämässä. HSPA Evolved standardiksi, joka tukee ainakin nopeutta 42 Mb/s /2.3/,/3/ WIMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) on langaton laajakaistatekniikka, joka perustuu IEEE 802-sarjan avoimeen standardiin. Valmistui syksyllä 2001 ja julkaistiin Standardin kehitys jatkuu koko ajan ja kesäkuussa 2004 sen viimeisin versio IEEE Standardi hyväksyttiin. WiMAX-tavaramerkin omistaa WiMAX-Forum joka myös valvoo käytettävien laitteiden yhteensopivuutta. Ympäri maailmaa siihen kuuluu tällä hetkellä yli 520 yritystä. Johtokunnassa olevat Alcatel-Lucent, AT&T, British Telecom, Fujitsu, Intel, Motorola, Nokia ja Samsung kuuluvat siihen. Mukana olevista yrityksistä suomalaisia ovat Elektrobit, NetHawk, Nokia Siemens Networks, TeliaSonera ja TietoEnator /2.7/,/3/.

13 Käyttökohteet 9 Tarkoituksena tarjota käyttäjille liikennöintinopeuksiltaan nykyisiä kaapelimodeemija DSL-yhteyksiä vastaava verkkoyhteys, mutta langattomasti ei ole sidoksissa rakennuskohtaisiin rajoihin. WiMAXia voidaan verrata WLAN-verkkoon, mutta toiminta-alue on huomattavasti suurempi. Kantama voi olla optimaalisissa olosuhteissa jopa 50 km mikä on hyvin epätodennäköistä, yli 20 km ylittävät etäisyydet vaativat jo suoran näköyhteyden tukiasemaan. Radioaaltojen etenemiseen vaikuttavat vallitsevat olosuhteet ja fyysiset esteet kuten maaston korkeus, erilaiset sateet ja tiheät metsät. Langattomuuden ja laajan kantoalueen ansiosta WiMAX on haja-asutus alueille sopiva, koska valokuidun vetäminen on kallista ja vanhojen puhelinlankojen poistuttua kuparikaapelien kautta ei ole mahdollista saada laajakaista palveluja. Samaa tekniikkaa hyödynnetään kokonaisia kaupunkialueita kattavien MAN-verkkojen (Metropolitan Area Network) toteuttamiseen. Käyttäjä voisi tällaisen verkon alueella liikkua solusta toiseen yhteyden katkeamatta. Suomen suurin ja ensimmäinen standardinmukainen WiMAX-verkko käynnistyi syyslokakuun vaihteessa 2005 Keuruun, Multian ja Petäjäveden yhteisenä hankkeena. Kolmen kunnan alue katettiin 95%:sti WiMAXilla. Verkko oli kokonaan valmis vuoden 2006 maaliskuussa - samaan aikaan kun ensimmäiset WiMAX-laitteet saivat sertifikaatin. Tällöin verkkoon oli liittynyt n. 300 käyttäjää pääasiassa seudun hajaasutusalueilta. Suuret laitevalmistajat olivat aloittaneet WiMAX-standardin mukaisten kannettavien päätelaitteiden suunnittelemisen ja kehitystyön. Sprint Nextel aikoi lanseerata verkkonsa kaupalliset palvelut vuoden 2008 lopussa. Nokia valmisti WiMAX yhteensopivia puhelimia vuonna 2008, mutta lopetti niiden tuotannon toistaiseksi tammikuussa 2009, Nokia saattaa kuitenkin myöhemmin aloittaa valmistuksen uudestaan /2.7/,/3/ Tekniset ominaisuudet standardi sisälsi alun perin taajuusalueet GHz. Tammikuussa 2003 julkaistussa standardissa a tulivat mukaan taajuusalueet 2-11 GHz, taajuudet toivat mukanaan toiminnallisuuden ilman esteetöntä yhteyttä. Dynaamista modulaatiota käyttävä standardi. Tarpeen mukaan voidaan vaihtaa käytettävää

14 10 modulointitekniikkaa (64 QAM, 16 QAM ja QPSK). Yhteydessä käytettyä taajuutta voidaan pudottaa paremman kantaman saavuttamiseksi. Taajuusalueita on tällä hetkellä käytössä kolme, joista 5.8 GHz ja 2.5 GHz käytetään Yhdysvalloissa ja Euroopassa on käytössä 3.5 GHz taajuus. Viimeksi mainittua käytetään myös suomessa toteutetuissa WiMAX-verkoissa. Solun käyttäjien kesken jaettava tukiasema voi tarjota noin 75 Mb/s nopeuden, on arvioitu riittävän nopeiden yhteyksien tarjoamiseksi kymmenille yrityksille sekä sadoille kotitalouksille. /2.7/,/3/ Tulevaisuus Vuoden 2010 loppuun mennessä Yhdysvalloissa teleoperaattori Sprint Nextelin WIMAX-investointien pitäisi nousta jo viiteen miljardiin dollariin. Operaattorin suunnitelmien mukaan verkko tulisi kattamaan 125 miljoonaa käyttäjää vuoden 2010 loppuun mennessä. Toisen sukupolven WiMax2-tekniikan kehittäjien tavoitteena on saavuttaa 350 megabitin nopeus. WiMax2-tekniikkaa työstetään parhaillaan Euroopan komission kolmivuotisessa WiMagic-projektissa /2.7/,/3/ Mobiliteetti WiMAX-verkossa Helmikuussa 2006 Mobiliteettistandardi IEEE P802.16e julkaistiin ja se mahdollistaa, että päätelaite liikkuu tukiasemasta toiseen. Vuosina ensimmäiset tämän standardin mukaiset päätelaitteet tulivat markkinoille /2.7/,/3/. Digitan rakentama langaton laajakaistaverkko, perustuu Flarionin kehittämään Flash- OFDM-tekniikkaan. Teknologia siirtyi Qualcommin haltuun vuonna 2005 kun Qualcomm osti Käyttää samaa taajuusaluetta kuin NMT-450-verkko, mikä on suhteellisen matala taajuusalue ja soveltuu sen myötä suuren alueen kattavan verkon rakentamiseen. Flash-OFDM-tekniikkaa ei ole toistaiseksi standardoitu /2.8/,/3/ Historia

15 11 Liikenneministeriö järjesti julkisen hakukilpailun vuoden 2005 keväällä 450 MHz alueelle tarjotuista 2 1,25 MHz taajuusalueista tavoitteena oli löytää operaattori, joka rakentaisi tätä taajuuslisenssiä hyödyntäen langattomat laajakaistapalvelut sinne mihin valtakunnalliset ADSL-palvelut eivät vielä yltäneet. Suomen laajakaista peitto oli tarkoitus saada mahdollisimman monelle maan asukkaista. Cubio, Digita, Elisa, Finnet, Lynxnet, Nordic Mobile Telephone ja Saunalahti ilmoittautuivat hakijoiksi lisenssille. Flash-OFDM-tekniikan käyttäjiksi ilmoittautuivat Saunalahti, Elisa ja Lynxnet. Qualcommin CDMA2000 EV-DO tekniikkaan sitoutuivat NMT ja Cubio. Finnet ja Digita olisivat jättäneet molemmat optiot avoimiksi, mutta joutuivat pakotettuina valitsemaan jommankumman vaihtoehdon. Ne valitsivat vaihtoehdokseen Flash-OFDM:n. Ministeriön mielestä Digita sopi parhaiten verkko-operaattoriksi toimintamallissa, jossa verkko-operaattori ei toimita palveluita suoraan loppuasiakkaille. Päätöksestä Korkeimpaan hallinto-oikeuteen valittivat NMT ja Cubio (sekä Suomen Sähköyliherkät ry), Korkein hallinto-oikeus kumosi valitukset ja vahvisti helmikuussa 2006 Digitan toimiluvan. Digita lanseerasi Huhtikuussa 2007 verkon Maamme laajakaista. Käytännössä Digitan verkkobrändi suppeni muotoon "@450" /2.8/,/3/ Toiminta Koko peittoalueella voi sen valmistumisen jälkeen. Kannettavan tietokoneen käyttäjä tarvitsee vain PCMCIA-kortin ja sen mukana tulevan PC:lle ladattavan ajurin. Toinen vaihtoehto käyttäjälle on Qualcommin ulkoinen Desktop-modeemi, joka liittyy tietokoneelle Ethernet-kaapelilla ilman tarvetta asentaa ajureita tai USB-kaapelilla (täytyy asentaa ajurit tietokoneeseen USBkaapelille). Vanhempiin kannettaviin tietokoneisiin on saatavilla PCMCIA-kortti ja sen mukana tuleva asennettava ajuri. Uudemmissa kannettavissa tietokoneissa tulee tarjolle Express-datakortti ja sen lisäksi USB-liitäntäinen korttimodeemi. Tukiaseman lähimaastossa käyttäjän pitäisi pystyä saavuttamaan 1 Mb/s sekunnissa vastanottonopeutena ja 512 kb/s lähetysnopeutena. Signaalia ja siirtonopeutta heikentävät Maastoesteet, rakennukset ja etäisyys. Kiinteillä suunta-antenneilla suurimmat saavutetut tukiasemaetäisyydet ovat noin 60 kilometrin luokkaa.

16 laajakaistan tiedonsiirto kaikilla palveluntarjoajilla (liikenne yhteensä sisään ja ulos) on rajoitettu 5Gt/kuukaudessa, mikäli kaista meinaa loppua nopeutta saatetaan pudottaa. Jos tiedonsiirto on kohtuutonta ja toistuvasti ylittää 5Gt/kk palveluntarjoaja voi sulkea laajakaistan. Rajoitusta nostetaan ylemmäksi jos valitsee nopeamman yhteyden. Käytännössä on samantekevää mihin asentoon (vaaka/pysty) esimerkiksi yagi-antennin asentaa, koska signaali on ristipolarisoitu /2.8/,/3/ Aikataulu Vuoden 2007 huhtikuussa valmistui verkon ensimmäinen vaihe. Verkko kattoi osan Lappia, etelärannikkoa sekä Tampereen ja Oulun seudut. Tehdyn Posio-liittymäsopimuksen mukaisesti Posion kunnan alueella on mahdollista käyttää langatonta laajakaistaa. Vuoden 2008 kesäkuussa valmistui verkon toinen vaihe. Verkko kattoi länsirannikon ja suurimman osan Itä-Suomea. Lähes koko Suomi on tarkoitus kattaa verkon kolmannessa ja viimeisessä vaiheessa. Vuoden 2009 joulukuussa on suunnitelmissa kolmas vaihe valmistua /2.8/,/3/. 3. Standardeja 3.1. IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) on kansainvälinen tekniikan alan järjestö. Yli jäsentä yli 160 maassa. Laaja julkaisutoiminta, tieteellisten konferenssien järjestäminen, koulutuksen edistäminen sekä monien alan keskeisten standardien määrittely kuuluu sen toiminnan piiriin. IEEE julkaisee yhteensä 132 alan tärkeimpiin kuuluvia tiedejulkaisuja. Sanotaankin että maailman suurin ja merkittävin teknillinen järjestö on IEEE /2.9/,/3/ Organisaatio IEEE on jakaantunut toimimaan osastoissa, jaostoissa ja opiskelijayhdistyksissä maailmanlaajuisesti. IEEEssä on: 319 osastoa, jakaantuneena kymmeneen alueeseen maailmassa.

17 jaostoa, jotka ovat järjestyneet teknisen aihealueen piiriin (mm. tietokonejaosto, tietoliikennejaosto, jne.) Yli 1526 opiskelijayhdistystä yli 80 maassa. 39 yhteisöä (mm. tietokoneyhteisö, tietoliikenneyhteisö) ja 5 teknistä valtuustoa. Suomessa toimii IEEE Suomen osasto. /2.9/,/3/ IEEE Suomen osasto IEEE Suomen osastoon (IEEE Finland Section) kuuluu noin tuhat jäsentä Suomen osaston toimintaa hallinnoivat virkailijat, jotka kaksivuotiselle toimikaudelle valitaan, heidän tehtävä on kehittää toimintaa osaston alueella. Suomen osasto kuuluu IEEEn maailmanlaajuisessa organisaatiossa Alue 8:saan (R8) /2.9/,/3/ IEEE jäsenyys ja kohdealueet Henkilöt joilla on laaja tekniikan alaan liittyvää koulutus tai työkokemusta IEEEn määrittelemillä kohdealueilla, voivat hakea IEEEn jäsenyyttä (IEEE designated field of interest). Näitä kohdealueita ovat: Insinööritiede (Engineering) Tietotekniikka ja informaatioteknologia (Computer Science and Information Technology) Fysiikka (Physical Sciences) Biologia ja lääketiede (Biological and Medical Sciences) Matematiikka (Mathematics) Tekninen viestintä ja koulutus (Technical Communications and related education) Johtaminen (Management) Lainsäädäntö (Law) Poliittinen päätöksenteko (Policy) Standardit IEEE standardeja ovat muiden muassa: IEEE 754, liukulukujen toteuttaminen tietokoneissa

18 IEEE 802, pakettipohjaisten lähiverkkojen standardit (mm. Ethernet (802.3), WLAN (802.11) ja Token Ring (802.5)) IEEE 1003, POSIX eli Unix-tyyppisten käyttöjärjestelmien standardi IEEE 1076, VHDL IEEE 1394, FireWire 14 IEEE standardeja on kaikkiaan yli 900 voimassa olevia /2.9/,/3/ standardi Langattomalle laajakaistajärjestelmälle IEEE standardi määrittelee MAC ja fyysisen (PHY) kerroksen, jotka toimivat 2-11 GHz:n ja GHz:n taajuusalueilla. Syksyllä 2001 standardin ensimmäinen versio valmistui. Helmikuussa 2006 julkistettiin viimeisin mobiliteetin mahdollistava standardiversio e. Laitteiden on oltava näköyhteydessä käytettäessä 10-66GHz:n taajuusaluetta. Näköyhteydellä vähennetään monitie-etenemisen vaikutuksia ja mahdollistaa suurten kaistojen tyypillisesti yli 10 MHz:n käyttämisen. Yhteys toimii myös silloin kun näköyhteyttä ei ole 2-11 GHz:n taajuusalueella, mutta heikompana. Suomessa on käytössä 3.5 GHz taajuusalue WiMAX-verkossa. Erilaisille fyysisen kerroksen ratkaisuille sekä palveluille on suunniteltu soveltumaan MAC-kerros. Joko TDD:tä (Time Division Duplex) tai FDD:tä (Frequency Division Duplex) voidaan käyttää MAC-kerroksella. Langatonta point-to-multipoint ympäristöä on MAC-kerros suunniteltu käyttämään. Kerroksella on ylemmän kerroksen protokollille ja tiedonsiirtoprotokollille tuki, kuten ATM, Ethernet ja IP. On sovellettavissa uusiin protokolliin helposti /4/. 4. Työssä käytettävä mittauskalusto 4.1. Mokkula USB-liitännäinen ulkoinen langaton 3G-verkkoon kytkeytyvä laajakaistaverkkosovitin (muistuttaa ulkonäöltään muistitikkua ja se kytketään tietokoneen USB-liitäntään muistitikun tavoin) eli Mokkula, nettitikku tai USB-modeemi, joka käyttää EDGEtekniikkaa UMTS-yhteyden puuttuessa. DNA:n kämmenenkokoisen modeemin

19 15 markkinointinimi on myös Mokkula. Nettitikku termiä muut teleyhtiöt käyttävät ja USB-modeemi termiä suosittaa Tietotekniikan termitalkoot projekti. Esimerkiksi Elisa käyttää markkinoinnissaan USB-modeemista nettitikku-sanaa, kun taas dna käyttää Mokkula-sanaa /2.10/,/3/. Asennus on helppoa, USB-modeemi vain USB-porttiin ja surfaamaan WiMAX laitteisto WiMAX laitteisto koostuu kolmesta osasta, antennista päätelaitteesta ja kaapelista niiden välillä. Antenneja olen tavoittanut kahta eri mallia on isompi neliön mallinen (kuva 2) ja pienempi salmiakin muotoinen (kuva 3) Kuva 2. vanhempi antenni /5.1/. Kuva 3. Uudempi antenni /6/. Kuva 4. Päätelaite /5.2/. Päätelaite kytketään antenniin rj-45 liittimellä varustetulla kaapelilla, päätelaitteesta (kuva 4) suora rj-45 liittimillä varustettu kaapeli liitetään tietokoneen verkkokorttiin. Radioteitse muodostettava WiMAX-yhteys käyttäjän kiinteistöön sijoitetun asiakaspäätelaitteen ja operaattorin tukiaseman välille. Matkapuhelinverkoista tuttuja radiomastoja muistuttava Tukiasema, voi olla yhteydessä operaattoriin

20 16 mikroaaltolinkillä toisen maston kautta tai suoraan nopean kaapeliyhteyden avulla. Asiakaspäätelaite liitetään joko tietokoneen korttipaikkaan tai Ethernet kaapelilla verkkokorttiin. Olemassa oleva lähiverkko voidaan kytkeä päätelaitteeseen suoraan; WiMAX ei korvaa WLAN-verkkoja, vaan langattomana laajakaistana täydentää niitä. Rakennuksen katolle voidaan tarvittaessa asentaa erillinen antenni yhteyden laadun takaamiseksi, joka päätelaitteeseen kytketään rj-45 kaapelilla /2.7/,/3/. Laitteisto Tietokoneeseen liitettävä päätelaite käyttämiseen, kiinteää puhelin yhteyttä verkko ei tarvitse. Päätelaitevaihtoehdot ovat: Pöytäkoneeseen tai kannettavaan tietokoneeseen liitettävä ulkoinen modeemi, joka kytketään USB-liittimen kautta Pöytäkoneeseen tai kannettavaan tietokoneeseen liitettävä ulkoinen pöytämodeemi, joka kytketään Ethernet- tai USB-liittimen kautta Kuva 5. Pöytämodeemi /7/. Kannettavaan tietokoneeseen liitettävä korttimodeemi (PCMCIA) /8/. Kuva 6. Korttimodeemi /9/. Eri käyttötarkoituksiin antenneja on periaatteessa kolmea lajia: kannettavan tietokoneen näyttöön kiinnittyvä malli, magneettijalalla varustetut piiska-antennit (kuva 8) ja yagi-tyyppiset TV-antenniputkeen kiinnitettävät suunta-antennit (kuva 7).

21 17 Kuva 7. Yagi-antenni /10/. Kuva 8. Magneetti antenni /11/. Suunta-antenneilla saavutetaan n.11 db antennivahvistus, mutta myös luokkaa 9 db antennivahvistus saavutetaan parhailla piiska-antenneilla (joilla etuna suuntausongelman puuttuminen). Myös vanhoja NMT450-antenneja voi käyttää mainiosti lisäantenneina 450 MHz:n alueella. Parhaimman signaalin löytää kun liikuttelee antennia lyhyitä etäisyyksiä, jolloin antenni voi poimia jonkin edullisen heijasteen, että voi käyttää hyväkseen heijasteita tehokkaasti on OFDM-tekniikan vahvuuksia /12/. 5. Mittaukset ja tulokset Mittauksissa käytettävä Ficora:n Nettimittari mittausohjelma tekee kolme mittausta vastaanotolle sekä lähetykselle vuorotellen 30 sekunnin välein vastaanotto1 (30000 tavua, tavua, tavua, tavua). lähetys1 (30000 tavua, tavua, tavua, tavua, tavua). Vastaanotto2 ( tavua), lähetys2 ( tavua). Vastaanotto3 ( tavua, tavua). Lähetys3 ( tavua, tavua). Tavumäärät vaihtelee jonkin verran eri mittausten aikana WiMAX tiedonsiirto mittaukset WiMAX laajakaistan mittaukset suoritin kotikoneeltani klo 12:00 00:00, kuten kuvassa 9 näkyy.

22 18 Kuva 9. WiMAX laajakaistan mittaukset ilman ylimääräistä verkon kuormitusta Siirtonopeuksissa on jonkun verran hajontaa, johtuen siitä että Internetiä ei saa täysin hiljaiseksi mittauksen aikana. Yhteysnopeus on 512/512 kb/s josta poiketaan vähän alaspäin. Tuloksena yllä olevasta mittauksesta voi päätellä että, keskiarvo 12 h mittaukselle on vastaanotto 488 kb/s ja lähetys 415 kb/s.

23 19 Kuva 10. WiMAX laajakaistan mittaukset verkon kuormituksen kanssa Tuloksena kuvasta 10 voi päätellä, että siirtonopeus putoaa aika paljon kun kuormittaa verkkoa, käytin Vuzen Azureuz torrent siirto-ohjelmaa (avoimen koodin ja vapaasti levitettävän median jaossa käytettävä ohjelma) /13/ verkon kuormittamiseen eli latasin ja lähetin tiedostoja. Tiedonsiirtonopeus tippuu noin viides osaan siitä mikä se on ilman kuormitusta. Tiedonsiirtonopeus vastaanotossa tippuu keskimäärin vähän alle 200 kb/s ja lähetyksessä reilusti alle 100 kb/s. tiedonsiirto mittaukset Seuraavaksi verkkoa, laitoin autoon päätelaitteen, magneettiantennin ja kannettavan tietokoneen ja annoin invertterillä virtaa

24 20 tupakansytyttimestä. Ajelin Punkaharjun Vuoriniemellä tekemässä mittauksia autosta käsin, päätelaitteen signaalin voimakkuus ledejä seuraamalla etsin missä olisi paras mahdollinen signaali. Kartassa (Kuva 11) /14/ näkyvät punaiset neliöt esittävät paikkoja joissa laajakaistan mittaukset, M tarkoittaa magneettiantennilla suoritettua mittausta siirtonopeudesta ja K Kiinteällä antennilla suoritettua mittausta siirtonopeudesta. Kuva laajakaistan saatavuus kartta, jossa on merkattuna mittaus pisteet /14/.

25 21 Kiinteällä antennilla laajakaistassa ei ole vastaanoton tiedonsiirtonopeudessa vaihtelua, keskiarvo vastaanotto nopeudessa on vähän korkeampi kuin on luvattu, lähetyksessä tiedonsiirtonopeus on karvan verran alle luvatun. Liittymä on Soneran 1024/512 kb/s. Kuvassa 12 on esitetty tiedonsiirtonopeudet kiinteällä antennilla laajakaistalla. Keskiarvo vastaanotto mittauksissa on 1060 kb/s ja lähetys mittauksissa 493 kb/s. Kuva 12. Kiinteällä antennilla laajakaistan mittaukset Tein mittauksia kolmella eri signaalin voimakkuudella, löytyi muutama paikka missä sain kolme lediä syttymään päätelaitteeseen. Signaalin voimakkuus suhteessa tiedonsiirtonopeuteen on 1 ledi noin kb/s, 2 ledillä kb/s ja 3 4 ledillä 1024 kb/s ja riippuen matkasta mastolle joka on Vuoriniemeltä noin km. Seuraavaksi suoritin mittauksia kolmella eri signaalin voimakkuudella (Kuva 13),

26 22 keltaisella merkitty tiedonsiirtonopeuden mittaus on suoritettu, kun on päätelaitteessa 1 ledi signaalin voimakkuudessa, punaisella kun 3 lediä ja violetilla kun on 2 lediä. Värjäämättömällä alueella näkyy kun signaalin voimakkuus vaihtelee 2 3 lediä. Vastaanoton maksimi tiedonsiirtonopeus on 1065 kb/s ja minimi 86.9 kb/s ja lähetyksen vastaavat luvut on 494 kb/s ja 53.9 kb/s. Kuva 13. Magneettiantennilla laajakaista mittaukset 5.3. USB-modeemi tiedonsiirto mittaukset Seuraavaksi suoritin muutaman mittauksen Mokkulalla eli nettitikulla. Nettitikku jolla mittaukset suoritin käyttää EDGE yhteyttä 256 kb/s maksimissaan. Mittauksissa siirtonopeus jää aika paljon alle luvatun, johtuen siitä että ei olla 3Gverkon kantama-alueella. Kuvassa 14 näkyy muutama suoritettu mittaus. Sain tiedonsiirron keskinopeudeksi lähetykselle 48.3 kb/s ja vastaanotolle 67.9 kb/s, mikä

27 jää aika paljon alle luvatun nopeuden, mutta kuitenkin on suunnilleen samalla tasolla kuin oli aiemmin puhelinverkon kautta modeemilla. 23 Kuva 14. Mokkula mittaukset 6. Johtopäätökset Jo muutamien vuosien ajan on käytetty laajakaistaa myös haja-asutus alueilla, kiitos siitä puhelinyhtiöiden ja testiryhmien, jotka ovat jaksaneet testata ja kehittää langatonta laajakaistapalvelua. Työn tarkoituksena oli mitata todellisia tiedonsiirtonopeuksia ja verrata niitä luvattuihin nopeuksiin, mielestäni suoritetut mittaukset antavat sen kuvan, että WiMAXilla laajakaistalla on hyvät edellytykset olla nyky-yhteiskunnassa jopa johtavassa asemassa, kun suunnitellaan haja-asutus alueille laajakaista palveluja.

28 24 Tällä hetkellä alkaa jo olla aika kattavasti mastoja joissa on WiMAXin laajakaistaan tarvittavat laitteet. WiMAXin laajakaistan tiedonsiirtonopeus on lähes sillä tasolla kuin esitteissä laajakaista on uudempi teknologia, mutta käyttää NMT-450 taajuutta, joka ei jää tiedonsiirtonopeuksissa paljonkaan jälkeen WiMAXille. Suunta-antennilla laajakaista on huomattavasti vähemmän herkkä ulkoisille häiriöille kuin laajakaistan tiedonsiirtonopeus vaihteli paikkakohtaisesti jonkin verran, kiinteällä antennilla saatu tiedonsiirtonopeus on mitä luvataankin. 3G tai EDGE yhteyttä käyttävän Mokkulan eli USB-modeemin tiedonsiirtonopeus haja-asutus alueella jää samalle tasolle kuin aiemmin puhelinverkon kautta modeemilla saatu Internet yhteys. Liitteeksi laitan vielä Nettimittarin Internet sivulta kopioidut vastaanotto- ja lähetyssiirtonopeuksien mittaukset (liitteet 1-5).

29 25 7. Lähdeviitteet 1 Sarjakivi, Pietari.Insinöörityö. Stadia. Langattomat tietoliikenneratkaisut mcastingin tarpeisiin. Pdf-dokumentti. Päivitetty Luettu Wikipedia.org. 2.1 WWW-dokumentti. 3G Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. EDGE Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. HSDPA Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. UMTS Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. GPRS Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. GSM Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. WiMAX Päivitetty Luettu Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. IEEE Päivitetty Luettu WWW-dokumentti. USB-modeemi. Päivitetty Luettu Netikka.net. WWW-dokumentti. päivitetty Luettu Savonia Ammattikorkeakoulu. Yrityksen WWW-sivut. IEEE > Tutkimuskohteet -> WiMAX -> IEEE Päivitetty Luettu Bizsyscon.com. 5.1 Kuva. Luettu

30 Kuva. Luettu Alvarion.com. Kuva. Luettu Ipmedia.fi. kuva. Luettu Digita laajakaista. WWW-dokumentti. Päivitetty Luettu Mobilus.fi. Kuva. Luettu Antennikauppa.fi. Kuva. Luettu Siptune.com. Kuva st.jpg. Luettu Wapedia.mobi. Päivitetty , luettu Vainikka.fi, WWW-dokumentti. päivitetty luettu Digita laajakaista karttapalvelu. WWW-dokumentti. päivitetty luettu

31 (Liite 1/5) Lähetys mittaukset WiMAXilla ilman verkon kuormitusta Vastaanotto mittaukset WiMAXilla ilman verkon kuormitusta

32 (Liite 2/5) Lähetys mittaukset WiMAXilla verkon kuormituksen kanssa Vastaanotto mittaukset WiMAXilla verkon kuormituksen kanssa

33 (Liite 3/5) Lähetys mittaus kiinteällä antennilla Vastaanotto mittaus kiinteällä antennilla

34 (Liite 4/5) Lähetys mittaukset magneettiantennilla Vastaanotto mittaukset magneettiantennilla

35 (Liite 5/5) Lähetys mittaukset USB-modeemilla Vastaanotto mittaukset USB-modeemilla