Langaton tiedonsiirto

Transkriptio

1 Langaton tiedonsiirto Sisältö: 1. Matkaviestinjärjestelmät 2. Radio- ja TV-tekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto 4. Langattomat tietoverkot Tietoliikennejärjestelmät / RR 1 Sisältö: 1. Matkaviestinjärjestelmät: Peruskäsitteitä Matkapuhelinverkkojen sukupolvet ja kehitys Verkkojen levinneisyys ja liittymämäärät Matkapuhelinverkon osat ja niiden tehtävät NMT-verkko GSM-verkko UMTS-verkko Muita matkaviestinverkkoja Verkkojen turvallisuuskysymyksiä Verkkojen tulevaisuuden näkymiä 2. Radio- ja TV-tekniikka Analoginen radiotekniikka Digitaalinen radiotekniikka Analoginen televisiotekniikka Digitaalinen televisiotekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto 4. Langattomat tietoverkot WLAN Bluetooth UWB IrDa Tulevaisuudennäkymät 1

2 Tietoliikennejärjestelmät / RR 2 2

3 1. Matkaviestinjärjestelmät Tietoliikennejärjestelmät / RR 3 -Matkaviestintekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä. Yleensäkin langattomat sovellukset valtaavat alaa joka puolella. -Suomi on matkapuhelintekniikassa edelläkävijä 3

4 Peruskäsitteitä Perusidea on päätelaitteiden liikkuvuus Tietoliikennejärjestelmät / RR 4 Matkaviestinjärjestelmä tarkoittaa matkaviestinverkon ja matkaviestinten muodostamaa tietoliikennejärjestelmää. Matkaviestintä (mobile communication) tarkoittaa langatonta viestintää, jonka radioyhteyttä käyttävinä päätelaitteina toimivat matkaviestimet MS (mobile station). Matkaviestin on yleisimmin matkapuhelin. Mitä muita laitteita matkaviestimet voivat olla? Päätelaitteiden liikkuvuus eli mobiliteetti perustuu radioyhteyteen puhelimen ja tukiaseman välillä. Yleensä verkon muut osat eivät ole liikkuvia. Verkko koostuu (vähintään) keskuksista, tukiasemista ja niiden välisistä yhteyksista. Yhteydet matkapuhelinverkosta ulospäin kulkevat aina matkapuhelinkeskuksen kautta. Yleisten matkaviestinverkkojen (Public Land Mobile Network, PLMN) palvelut ovat kaikkien saatavilla. Tunnetuimpia PLMN-verkkoja ovat GSM-verkot. Kiinteässä puhelinverkossa (PSTN) päätelaitteiden hallinta ja puheluiden muodostus on helppoa, koska päätelaitteet on yhdistetty kiinteillä johdoilla verkkoon. Matkapuhelinverkossa yhteyksien muodostaminen on huomattavasti monimutkaisempaa. 4

5 Solukkoverkko Tietoliikennejärjestelmät / RR 5 Solukkoverkkojen rakenne: -solukkoverkko koostuu soluista -solu on tukiaseman muodostama radiopeittoalue -solujen koot ja muodot vaihtelevat ympäristön ja liikennetarpeiden mukaan 5

6 Solukkoperiaate samaa taajuutta toistetaan mahdollisimman usein, mutta häiriöitä välttäen tukiasemapaikalla voi olla useita soluja Tietoliikennejärjestelmät / RR 6 Matkapuhelinverkoissa on yleensä aina taajuusalueista pulaa. Taajuuksia on pakko säästää ja siksi niitä käytetään useaan kertaan. Solukokoa pienentämällä voidaan kasvattaa kapasiteettia => tukiasemaverkko tihenee ja saadaan enemmän kanavia käyttöön samalle alueelle. Tukiasemaverkon tihentäminen nostaa verkon rakentamiskustannuksia. Tämän vuoksi verkon suunnittelussa joudutaan optimoimaan ja tekemään päätöksiä tukiasematiheydestä ja solujen koosta. 6

7 Matkapuhelinverkoissa käyttökelpoisia taajuuksia on vain pieni osa sähkömagneettisen spektrin koko kaistasta Käytössä ovat lähinnä VHF- ja UHF-alueet Tietoliikennejärjestelmät / RR 7 Matalilla taajuuksilla signaali etenee hyvin kauas, joten solujen kokoa on vaikea hallita. Lisäksi matalilla taajuuksilla vaikuttavat monet hyvin epävarmat ja oikulliset etenemisilmiöt kuten ionosfääriheijastukset yms. Myös käytössä olevat kaistat ovat kapeita. Korkeilla taajuuksilla vaimennus kasvaa. Mitä ylemmäksi taajuuksissa siirrytään, sitä pienempiä soluista tulee. Mieti, mitä tämä vaikuttaa esim. Suomen kaltaisessa laajassa maassa, kun siirrytään GSM-verkosta (900 MHz) UMTS-verkkoon (2,5 GHz) Paras peittoalue voidaan saavuttaa alemmilla taajuuksilla, esim. NMT450:llä on laaja peittoalue 7

8 Monitie-eteneminen Tietoliikennejärjestelmät / RR 8 Puhelimen liikkuessa maastossa tukiasemalta tuleva signaali tulee puhelimeen yhtä aikaa montaa eri reittiä. Vastaanottimen saama signaali on summa eri reittejä käyttävistä signaalin osista. Signaali on summa suoraan edenneestä osasta (LOS) heijastuneista ja diffraktoituneista osista (NLOS), jotka kulkevat määränpäähän pidempiä reittejä ja siten viivästyvät verrattuna suoraan edenneeseen signaalikomponenttiin Tämä aiheuttaa ongelmia varsinkin kaupunkiympäristössä, jossa on paljon heijastavia pintoja. Signaalin voimakkuus vaihtelee paikoittain erittäin voimakkaasti. Tämä täytyy ottaa huomioon kaikkien matkapuhelinjärjestelmien suunnittelussa ja rakentamisessa. 8

9 Handover Tietoliikennejärjestelmät / RR 9 Puhelu jatkuu, vaikka puhelin siirtyy puhelun aikana toisen tukiaseman peittoalueelle. Tätä toiminnetta kutsutaan nimellä handover. Verkko ja puhelin ovat koko ajan yhteydessä toisiinsa ja yhteyden laatua tarkkaillaan. Verkko komentaa puhelimen siirtymään parempaan soluun jos yhteys huononee liikaa. 9

10 Sijainnin seuranta: Automaattisessa matkapuhelinverkossa puhelimella on ns. kotikeskus tai kotirekisteri (HLR) joka tietää missä puhelin liikkuu Puhelut matkapuhelimeen välittyvät kotiverkon kautta Muiden operaattorien verkossa toimimista kutsutaan nimellä roaming Tietoliikennejärjestelmät / RR 10 Matkaviestinverkossa yhteyksien muodostaminen on mutkikas tapahtuma, koska päätelaitteet voivat liikkua vapaasti koko verkon alueella. Alueeseen kuuluvat myös muiden operaattoreiden verkot, joihin on mahdollista vaeltaa tilaajaksi. Tätä kutsutaan roamingiksi. Tämän vuoksi on tilaajan liikkuvuuden hallinta eräs tärkeimmistä matkapuhelinverkon tehtävistä. Yhteyden muodostamisessa tarvitaan tietoa tilaajan sijainnista. Tietoa vaihdetaan kotiverkon ja palvelevan verkon välillä yhteiskanavamerkinantoa käyttäen. Jotta tilaaja voisi toimia normaalisti vieraassa verkossa, täytyy kotiverkon operaattorin ja vierailtavan verkon operaattorin välillä olla solmittuna ns. Roaming-sopimus. Sopimuksessa sovitaan hinnoista ja laskutuskäytännöistä sekä tarjottavista palveluista. 10

11 Analogiset ja digitaaliset matkapuhelinverkot Analogisissa järjestelmissä puheen laatu huononee tasaisesti liikuttaessa poispäin tukiasemasta Digitaalisissa puheen laatu säilyy pitkään hyvänä, kunnes tietyn kynnyksen jälkeen se huononee äkillisesti Tietoliikennejärjestelmät / RR 11 Analogisissa järjestelmissä (esim. NMT) käytetään yleensä modulointimenetelmänä FMmodulointia, jolloin häiriöt vaikuttavat suoraan signaaliin. Signaalin laatu heikkenee vähitellen. Digitaalisissa järjestelmissä (esim. GSM) käytetään signaalin siirrossa radiotiellä digitaalisia modulointimenetelmiä, kuten esim. GMSK ja PSK. Silloin signaalin laatu pysyy hyvänä niin kauan kun loogiset 0 ja 1 pystytään erottamaan toisistaan. Kun tämä raja ylittyy, laatu romahtaa huomattavasti. 11

12 Monikäyttötekniikat Monikäyttötekniikoita tarvitaan, jotta saadaan suuri joukko käyttäjiä mahtumaan samalle rajalliselle taajuuskaistalle (vrt. siirtotekniikassa kanavointi). Kolme käytetyintä tekniikkaa ovat FDMA, TDMA ja CDMA Tietoliikennejärjestelmät / RR 12 FDMA eli taajuusjakoinen monikäyttö tarkoittaa sitä, että kullekin käyttäjälle annetaan oma kanava tarvittavaksi ajaksi kokonaan käyttöön. FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin. Laitekustannuksiltaan se on kuitenkin yleensä kalliimpi, koska jokaiselle käyttäjälle tarvitaan oma kanavayksikkö. Useimmiten käytetään FDMA:n yhteydessä analogista taajuusmodulointia eli FM:aa. Kullakin kanavalla voi olla vain yksi puhelu kerrallaan käynnissä. TDMA eli aikajakoinen monikäyttö tarkoittaa sitä, että radiospektri jaetaan aikaväleihin. Jokaisessa aikavälissä voi yleensä lähettää tai vastaanottaa vain yksi käyttäjä. TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä. TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä taajuuskaista jaetaan kanaviin, joita sitten käytetään aikajakoisesti vuorotellen. SSMA eli hajaspektrimonikäyttö käyttää signaaleja, joiden kaistanleveys on monta kertaa suurempi kuin tarvittava minimi radiokaistanleveys. SSMA:ta on kahta tyyppiä: FHMA eli taajuushyppelytekniikka ja CDMA eli koodijakoinen monikäyttö. Lisäksi käytetään eri menetelmien yhdistelmiä eli hybriditekniikoita FHMA eli taajuushyppelymonikäyttö on digitaalinen menetelmä, jossa käyttäjien taajuuksia vaihdellaan nopeassa tahdissa laajalla radiokaistalla. Esim. Bluetooth käyttää FHMA:ta. CDMA:ssa eli koodijakoisessa monikäytössä signaali kerrotaan hyvin laajakaistaisella signaalilla, jota kutsutaan levityssignaaliksi. Tekniikasta käytetään myös nimeä Direct Sequence (DS). Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella. Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi. Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana. Esim. UMTS-järjestelmässä käytetään CDMA:ta. 12

13 Laskutus Yleensä sekuntiperustainen, noudattelee kiinteän verkon laskutusperiaatteita: yleensä A-tilaaja maksaa Teksti- ja kuvaviestit kertaveloituksena Vastaanottomaksu poikkeaa kiinteän verkon periaatteista Verkkovierailusta syntyvät laskut tulevat kotioperaattorin kautta Tietoliikennejärjestelmät / RR 13 Vastaanottomaksu on määrätty, koska matkapuhelimeen soittaja ei voi tietää, missä puhelin on liikkeellä. Tällöin ei myöskään voida velvoittaa häntä maksamaan esim. ulkomaanpuhelun korkeampaa taksaa. Soittajan maksu siis määräytyy aina samalla perusteella. Liittymän omistaja maksaa esim. matkapuhelun ja ulkomaanpuhelun välisen hinnan erotuksen vastaanottaessaan puhelun vieraassa verkossa. Eri operaattorien hinnoitteluperiaatteet ja liittymien maksut poikkeavat toisistaan erittäin paljon. Liittymää otettaessa kannattaa miettiä kenelle soittaa ja mihin aikaan. Erilaisia liittymätyyppejä (miettikää yhdessä lisää): tasataksat halvemmat puhelut kotiverkon tilaajien kesken pre-paid liittymät 13

14 Matkapuhelinverkkojen sukupolvet ja kehitys 0. ARP (käsivälitteinen) 1. NMT ja muut analogiset järjestelmät 2. GSM ja muut digitaaliset järjestelmät 3. UMTS (laajakaistainen järjestelmä) Tietoliikennejärjestelmät / RR 14 Esimerkkejä matkapuhelinverkkojen eri sukupolvia edustavista järjestelmistä: 1G: NMT: (Pohjoismaat, Puola, Hollanti, Sveitsi, monet Aasian maat) TACS (Englanti, Irlanti, Itävalta, Italia yms.) AMPS (Pohj.-Amerikka, Australia, Aasiassa) C-450 (Saksa, Portugali) RC2000 (Ranska) 2G: GSM (joka puolella maailmaa) D-AMPS eli TDMA(Amerikka, Hong Kong, Israel, Malesia, yms.) CDMA (USA) PDC (Japani, Aasia) 3G: UMTS (joka puolella maailmaa) CDMA2000 (USA) TD-SCDMA (Kiina) 14

15 Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1970-luku Ensimmäinen yleinen matkapuhelinverkko Suomessa oli ARP Tietoliikennejärjestelmät / RR 15 Ennen ARP-verkkoja oli käytössä vain yksityisiä, alueellisesti rajoittuneita PMR(Private Mobile Radio) verkkoja. Niitä oli lähinnä kuljetusyrityksillä, sähkölaitoksilla yms. ARP-verkko (Autoradiopuhelin) käsivälitteinen, automatisoitiin myöhemmin käynnistyi 1972, lakkautettiin 1999 taajuusalue 150 MHz kieppeillä, joten solujen peittoalueet olivat suuria, Lapissa jopa 100 km. puhelu katkeaa aina toisen tukiaseman alueelle siirryttäessä kohinarajoitteinen verkko (solukkoverkot häiriörajoitteisia) Telen/Soneran operoima Ruuhkainen ja kallis käyttää 15

16 Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1980-luku Euroopassa oli käytössä monia kilpailevia standardeja, joista laajimmalle levinnyt oli pohjoismainen NMT Myös Suomessa käytettiin NMT:tä, josta tulikin hyvin suosittu. NMT oli valtion omistaman Telen monopoli. NMT:n nykyinen peittoalue Euroopassa Tietoliikennejärjestelmät / RR 16 Useimmissa Euroopan maissa oli oma, täysin itsenäinen matkapuhelinverkkostandardi. Standardit eivät olleet yhteensopivia. Lisäksi lähes kaikki verkon olivat valtioiden omistamien operaattoreiden omistamia ja operoimia. Kilpailua ei ollut. Laajimmalle levinnyt oli pohjoismaisten telehallintojen kehittämä NMT-standardi (Nordic Mobile Telephone). Suomen PTL oli vahvasti mukana kehittämässä NMT-standardia. Se oli myös ainoa tekniikka, jossa oli käytössä kansainvälinen roaming. Suomen teletoiminta oli voimakkaasti kahtiajakautunut: valtion omistama Tele (Sonera) operoi harvaan asutuilla alueilla paikallisverkkoa ja koko maassa matkapuhelinliikennettä, kaukoliikennettä ja ulkomaanliikennettä alueelliset yksityiset puhelinlaitokset operoivat omilla alueillaan paikallispuhelinliikennettä Asiakkaat alkoivat vaatia enemmän kilpailua, koska kilpailun puutteessa hinnat olivat kalliita ja verkkojen laatua ei kehitetty riittävän nopeasti. Ensimmäisenä vapautettiin dataliikenne 1988 Puhelinten myynnissä oli Suomessa heti alusta lähtien vapaat kädet, myös esim. alueelliset puhelinlaitokset myivät puhelimia NMT-verkkoon. Kaikissa maissa tämä ei ollut mahdollista vaan valtiolliset monopolit pidättivät usein myös oikeuden myydä puhelimia omiin verkkoihinsa. 16

17 Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1990-luku Tällä vuosikymmenellä maailmanlaajuinen mobiili vallankumous käynnistyi todella. Suomi oli tässä kehityksessä edelläkävijä yhdessä muiden pohjoismaiden kanssa Tietoliikennejärjestelmät / RR 17 Matkapuhelinliikenteen liberalisointi alkoi Suomessa vuonna 1991, jolloin Radiolinja sai luvan rakentaa ja operoida GSM-verkkoa. Radiolinja oli yksityisten puhelinlaitosten omistama. Suomalaisilla ja muilla pohjoismailla oli hyvät kokemukset NMT:stä, joten niiden pohjalta tehtiin aloite yleiseurooppalaisen matkapuhelinverkon kehittämiseksi (jo 1980-luvulla). Verkko saatiin käyttöön 1991 Suomessa ensimmäisenä maailmassa. Ensimmäinen operaattori oli Radiolinja, toisena tuli Tele muutamaa kuukautta myöhemmin. Vallankumous oli nopea: tilaajamäärien kasvu oli erittäin nopeaa ja hyvin vaikeaa ennustaa. Verkkoja rakennettiin nopeasti ja peittoalueet olivat 90-luvun lopussa jo hyvin kattavat. Myös suomalaisella tietoliikenneteollisuudella oli vahva rooli mobiilien verkkojen ja palveluiden kehittämisessä. Nokia etunenässä suomalaiset yritykset ovat valloittaneet tärkeitä alueita sekä verkkotekniikassa että päätelaitteiden kehityksessä. Esim. Nokia on maailman suurin matkapuhelinten valmistaja. Vuonna 1997 ja 1999 suomalainen operaattori Sonera sai palkinnon maailman nopeimmin kasvavasta penetraatiosta. Vuonna 1999 matkapuhelintiheys Suomessa ylitti 50% ja samana vuonna myös matkapuhelinten määrä Suomessa ylitti kiinteiden liittymien määrän. 17

18 Verkkojen levinneisyys ja liittymämäärät Tietoliikennejärjestelmät / RR 18 GSM-verkko on levinnyt lähes koko maailmaan, käytössä on yli 500 verkkoa. Vapaa kilpailu on auttanut GSM:n leviämistä. Ennen GSM:ää lähes kaikki verkot olivat valtiollisten teleoperaattoreiden monopoleja. Käyttäjiä oli vuoden 2004 alkupuolella jo yli miljardi. Amerikassa on omien TDMA- ja CDMA-standardien mukaisia järjestelmiä. Myös Japanissa on oma standardi (PDC). Monissa kehitysmaissa on matkapuhelinverkko käynnistynyt vaikka kiinteääkään puhelinverkkoa ei olla rakennettu kattavaksi. Matkapuhelinverkko onkin nopeampi rakentaa kuin kiinteä kaapeleihin perustuva verkko. 18

19 Nykytilanne Suomessa Kokonaistilaajamäärä matkapuhelinverkoissa on n. 4,8 milj. (5/2004). Penetraatio on n. 88% ja nousee hitaasti. Nuorten keskuudessa (15-24v) penetraatio on 98%! Suomessa on toiminnassa kolme itsenäistä GSM-verkkoa Toiminnassa on myös lisäksi palveluoperaattoreita, jotka myyvät puheaikaa ja omia palveluitaan Tietoliikennejärjestelmät / RR 19 Suomessa toimii kolme GSM-verkkoa. Ne toimivat sekä 900 että 1800 MHz:n taajuusalueilla: TeliaSonera (51% tilaajista 12/2003) Radiolinja (28 %) DNA (16%) Lisäksi toimivat ainakin seuraavat palveluoperaattorit, jotka toimivat em. verkoissa: Saunalahti (3 %) ACN (2,5 %) Cubio, Globetel and PGFree aloittivat toimintansa 2003 (< 1 % tilaajista kullakin) Maailmanlaajuinen telealan taantuma on viime vuosina koskettanut myös Suomea. Kaikki laitevalmistajat, operaattorit ja monet muut yhtiöt ovat ilmoittaneet pienentyneistä tuloksista. Yleinen epävarmuus on lisääntynyt tietoliikennealalla. Myös työvoimaa on vähennetty viime vuosina. Operaattorien välinen koventunut kilpailu on alentanut hintoja ja siten myös pienentänyt alan kannattavuutta. UMTS:n kaupallinen käynnistys on viivästynyt kuten muissakin Euroopan maissa. Suomessa on rakennettu kolme esikaupallista koeverkkoa, jotka ovat olevien GSM-operaattorien operoimia. Niiden peittoalue rajoittuu 20 suurimpaan kaupunkiin. Kaupallista käynnistystä odotellaan vuodelle Myös suomalainen tietoliikenneteollisuus on kärsinyt 3G:n maailmanlaajuisesta viivästyksestä. Puhelinvalmistajat ovat selviytyneet paremmin kuin verkkolaitevalmistajat, koska ne voivat kehittää uusia päätelaitteita oleviin verkkoihin. 19

20 Matkapuhelin omassa käytössä marraskuussa 2001 sukupuolen ja iän (15-74 v.) mukaan (Suomi) Tietoliikennejärjestelmät / RR 20 20

21 Palveluiden käyttö Suomessa Käytettyjen palveluiden (muut kuin puhelut) kokonaisarvo Suomessa oli vuonna milj. euroa. SMS:ien osuus kasvaa koko ajan. MMS:ien käyttö lisää myös SMS:ien käyttöä. Jokainen suomalainen lähetti vuonna 2003 keskimäärin yhden SMS:n päivässä Tietoliikennejärjestelmät / RR 21 Käytetyimmät palvelut: hyötypalvelut: numerotiedustelu ja saldokyselyt viihdepalvelut: soittoäänet ja logot esim. suomalainen Idols-äänestys keräsi yhteensä yli ääntä, mikä oli puhelinäänestysten tähänastinen ennätys Kamerapuhelinten osuus maailmanlaajuisesti oli 14% vuonna 2003 myydyistä puhelimista. Suomessa osuuden arvioidaan olevan hieman korkeampi. Kuvien lähetys verkossa ei vielä ole yleistynyt, ihmiset lähinnä ottavat kuvia ja näyttävät niitä toisilleen. Matkapuhelinnumeron siirrettävyys: Heinäkuussa 2003 tuli mahdolliseksi säilyttää vanha matkapuhelinliittymänumero operaattoria vaihdettaessa. Tämä aiheutti valtavaa liikehdintää tilaajien keskuudessa: Huhtikuussa 2004 lähes tilaajaa oli vaihtanut operaattoria Vanhimmat ja suurimmat eli TeliaSonera ja Radiolinja menettivät eniten asiakkaita Uusimmat ja pienimmät operaattorit hyötyivät eniten tilaajien vaihtohalukkuudesta 21

22 Matkapuhelinverkon osat ja niiden tehtävät Matkapuhelin MS (Mobile Station) Matkapuhelin on verkon ainoa liikkuva osa On radioteitse yhteydessä verkon tukiasemaan Nykyaikaisissa verkoissa puhelin koostuu matkapuhelinlaitteesta ja SIM-kortista, joka sisältää tilaajaliittymän Tietoliikennejärjestelmät / RR 22 Puhelimella voi verkossa olla kolme tilaa: off-tila (virraton), idle-tila (valmiustila) ja call (puhelutila) Koko on kymmenessä vuodessa pienentynyt n. kymmenesosaan. Tämä johtuu mikropiiritekniikan kehittymisestä ja myös akkujen kehityksestä. Puhelimen tekniikka on erittäin vaativaa. Puhelimen lähetin ja vastaanotin käyttävät samaa antennia NMT-järjestelmässä puhelimeen oli ohjelmoitu pysyvä tilaajanumero. GSM-puhelimen muodostavat päätelaite ja SIM-kortti, joka sisältää tilaajatiedot eli itse liittymä on SIMkortissa. SIM-kortti on älykortti, joka sisältää matkapuhelintilaajan tilaajasuhteen. Se sisältää tilaajan tunnistetietoja sekä salausalgoritmit Yhdistelmäpäätelaitteet: dual-band: multi-band: multi-mode: eri järjestelmiä yhdistetty samaan puhelimeen, esim. : muita yhdistelmiä: GSM+GPS, GSM+DECT, GSM+satelliittipuhelin, GSM+UMTS 22

23 Matkapuhelinkeskus MSC (Mobile Switching Center) Keskuksessa on verkon älykkyys ja se muodostaakin verkon ytimen MSC:n tekniikka perustuu kiinteän verkon keskustekniikkaan. Lisätoiminteita ovat liikkuvuuteen liittyvät toiminnot. Yhden MSC:n hoitama alue on keskusalue Matkapuhelu kulkee aina vähintään yhden keskuksen kautta Tietoliikennejärjestelmät / RR 23 Matkapuhelinkeskuksen tehtäviä: Reitittää puhelut muihin matkapuhelinverkon keskuksiin ja muihin verkkoihin (esim. kiinteään puhelinverkkoon) Muodostaa, ylläpitää ja purkaa järjestelmän sisäiset puhelut Hallinnoi tilaajiin liittyvät tiedostot ja tilaajan liikkuvuuden hallinta (nämä voidaan hoitaa myös erillisillä keskuksen yhteydessä olevilla rekistereillä kuten GSM:ssä) Huolehtii laskutustietojen keräämisestä Huolehtii omaan toimintaansa liittyvästä tiedonkeruusta, esim. liikennemittaukset 23

24 Tukiasema BS (Base Station) Tukiasema sovittaa langattoman radiotien ja digitaalisen siirtotien toisiinsa. Tukiaseman kautta puhelin saa yhteyden keskukseen Tukiasemalla voi olla useita soluja Esim. GSM-verkossa on keskuksen ja tukiaseman välissä tukiasemaohjain, joka hoitaa kaiken radioyhteyteen liittyvän hallinnoinnin silloin kun ei vaihdeta keskusaluetta puhelun aikana Kolmannen sukupolven verkoissa on huomattavasti enemmän erilaisia verkkoelementtejä liittyen mm. pakettidatan välitykseen yms. Verkon peruselementit keskus ja tukiasema löytyvät kyllä niistäkin Tietoliikennejärjestelmät / RR 24 Tukiasemia on verkossa lukumääräisesti satoja tai tuhansia kappaleita. Tukiasemaverkko on siis kustannuksiltaan verkon kallein osa. Yksittäinen tukiasema tarvitsee seuraavat osat: Maston tai muun vastaavan rakenteen Antennit ja antennikaapelit yms. siihen liittyvät osat Laitetilan (tontin, tien aidan yms.), sähköliittymän, varavoimalaitteet sekä siirtojärjestelmän keskukseen liittämistä varten Varsinaisen tukiasemalaitteiston 24

25 Radiorajapinta sijaitsee tukiaseman ja puhelimen välillä ja on avoin rajapinta nykyisissä verkoissa full-duplex eli täysin kaksisuuntainen radiorajapinnan yhteyden laatua valvotaan koko puhelun ajan. jos puhelun laatu heikkenee, tapahtuu solunvaihto (handover). valmiustilassa puhelin kuuntelee kutsukanavaa ja tunnistaa itselleen tulevat kutsut tx duplex-väli rx f Tietoliikennejärjestelmät / RR 25 Avoin rajapinta tarkoittaa erittäin tarkasti spesifioitua rajapintaa. Laitevalmistajille on jätetty tällaisessa tapauksessa hyvin vähän tulkinnanvaraa. Esim. GSM-verkossa kaikki verkon sisäiset rajapinnat eivät ole avoimia. Mitä tämä merkitsee matkapuhelinverkon tapauksessa? 25

26 NMT-verkko Pohjoismaissa aloitettiin yhteisen NMT-verkon suunnittelu 1971 NMT on pohjoismainen järjestelmä, joka oli ennen GSM:ää maailman laajin yhtenäinen matkapuhelinjärjestelmä. Se on analoginen ja edustaa ns. ensimmäistä sukupolvea Tietoliikennejärjestelmät / RR 26 Vaikka NMT yleensä mainitaan analogisena verkkona, sen keskukset ja siirtotiet ovat digitaalisia, vain puheen siirto radiotiellä tapahtuu käyttäen analogista taajuusmodulaatiota (FM). Radiotien signalointiin eli merkinantoon käytetään digitaalista FFSK-modulaatiota ( 1 = 1200 Hz ja 0 =1800 Hz). NMT450 käynnistyi 1982 ja siitä tuli niin suosittu, että se ruuhkautui nopeasti taajuusalue 450 MHz, 180 kanavaa lakkautettiin vuoden 2002 lopussa sopiva verkko harvaanasutuille seuduille NMT900-verkko rakennettiin ruuhkan purkamiseksi 1980-luvun lopulla tekniikka oli samanlaista kuin NMT450:n, muutamia parannuksia tehtiin (parempi äänen laatu, tilaajanumeron salaus, yms.) käyttänyt GSM:n kaistaa ja kaistaa kavennettiin matkan varrella lakkautettiin 2000, käytössä ollut taajuuskaista annettiin DNA:n GSM900-verkolle 26

27 NMT 450 -järjestelmän taajuuskaistan käyttö Tietoliikennejärjestelmät / RR 27 NMT:n tekniikka oli aikanaan edistyksellisintä. Siinä on monia toiminteita, jotka ovat lähes sellaisinaan tai vähän paranneltuina siirtyneet GSM-verkkoon ja edelleen UMTSverkkoon. Näitä olivat mm. lähetystehon ja paristonsäästön ohjaus, puheen laadun valvonta ja NMT900-verkossa käytetty tilaajanumeron salaus. Puhetta ei NMT-verkossa oltu salattu mitenkään. NMT käyttää FDMA-tekniikkaa (Frequency Division Multiple Access), jossa taajuuskaista on jaettu kapeisiin 25 khz kanaviin. Kutakin kanavaa käyttää yksi käyttäjä kerrallaan. Keskus tietää valmiustilassa olevan puhelimen sijainnin liikennealueen tarkkuudella. Liikennealue muodostuu soluista. Puhelukutsu lähetetään liikennealueen kaikkien solujen kautta. Yhdessä NMT-solussa on ainakin yksi kutsukanava, jota puhelimet kuuntelevat. Puhelun alussa puhelin siirtyy kutsukanavalta puhekanavalle 27

28 GSM-verkko GSM = Global System for Mobile Communications GSM:n kehitystyö tähtäsi yhteiseurooppalaisen verkon rakentamiseen, mutta se levisi kaikkiin muihinkin maanosiin GSM on täysin digitaalinen verkko käynnistyi 1990-luvun alkupuolella ja toimi aluksi 900 MHz:n alueella 1998 otettiin käyttöön GSM:n laajennus 1800 MHz:n alueella (USA:ssa aluksi 1900 MHz ja v käyttöön tullut 850 MHz) Tietoliikennejärjestelmät / RR 28 Teknisesti standardi havaittiin hyväksi ja kehityskelpoiseksi. Tämä vaikutti menestykseen. Toinen tekijä oli alusta lähtien mahdollisuus kansainväliseen roamingiin eli verkkovierailuun. Mitä laajemmalla verkko levisi, sitä laajempi käyttöalue oli tilaajalla. Yksi suuri tekijä standardin menestykselle on avoimen kilpailun periaate. GSM:ssä otettiin kilpailun mahdollistavat näkökohdat huomioon heti alusta lähtien. Kun GSM:ää lähdettiin kehittämään, oli useissa Euroopan maissa valtiollisen monopolin hoitama, usein kansallisia standardeja noudattava verkko. Tämä oli havaittu huonoksi järjestelyksi. Suurin osa GSM:n spesifiointityöstä on tehty ETSI:ssä (European Standardisation Institute) vuosina Nykyään kaikki GM:n spesifikaatiot tehdään 3GPP:ssä, joka käsittelee GSM:ää yhtenä UMTS-verkon radiopääsyrajapintana 28

29 Verkkoarkkitehtuuri koostuu osajärjestelmistä Tietoliikennejärjestelmät / RR 29 29

30 BSS sisältää kolme erilaista verkkoelementtiä ja sen päätehtävänä on radioverkon ohjaus Tietoliikennejärjestelmät / RR 30 BTS = tukiasema kaksisuuntainen radioyhteys päätelaitteiden kanssa yksi tai useampia TRX:iä (lähetin-vastaanotinlaitteisto) sisältää kahdeksan radiokanavaa sisältää myös tehojakajan (kombainer), salauslaitteiston sekä antennit BSC = tukiasemaohjain päätehtävänä huolehtia oman alueensa radioresurssien hallinnasta (esim. kanavien allokoinnit ja kanavanvaihdot) sekä radiorajapinnan parametrien hallinnasta (esim. tehonsäätö) TC = transkooderi muuntaa GSM-signaalin PCM-muotoon (16kbit/s => 64 kbit/s) 30

31 keskustoiminnot (NSS) on jaettu kahdelle (tai useammalle) verkkoelementille Tietoliikennejärjestelmät / RR 31 MSC/VLR MSC:n tärkeimpänä tehtävänä on kytkeä verkkoon tulevat puhelut oikealle BSS:lle tukiasemaohjaimen ja ja tukiaseman kautta sekä BSS:ltä tulevat puhelut muihin verkkoihin jokainen puhelu kulkee keskuksen kautta (vaikka puhelimet olisivat samassa tukiasemasolussakin) IWF (Interworking funcion) hoitaa datayhteyksien sovittamisen MSC:n ja ulkoisten verkkojen välillä VLR (vierailijarekisteri) sisältää tiedot kaikista verkkoon rekisteröityneistä vierailevista tilaajista HLR/AC/EIR HLR (kotirekisteri) sisältää perustiedot (esim. tilaajanumerot ja sallitut palvelut) verkon omista tilaajista sekä omien tilaajien sijaintitiedon AC (tunnistuskeskus) sisältää tilaajan tunnistukseen, käyttöoikeuksien tarkastamiseen ja tiedon suojaukseen liittyvät parametrit EIR (laitetunnusrekisteri) sisältää laitetunnukset (IMEI-koodit) valkoinen lista (hyväksytyt ja luvalliset) harmaa lista (seurannassa olevat, esim. väliaikaisen tyyppihyväksynnän saaneet) musta lista (luvattomat laitteet) 31

32 Puhelun reititysesimerkki matkapuhelimeen GSM-verkossa Tietoliikennejärjestelmät / RR 32 32

33 GSM-järjestelmän numerot ja tunnukset Tietoliikennejärjestelmät / RR 33 GSM-järjestelmässä on paljon erilaisia numeroita ja tunnuksia, mutta käyttäjälle näkyviä on hyvin vähän. Muutamia yleisimpiä IMSI = kansainvälinen tilaajatunnus IMEI = kansainvälinen laitetunnus PIN = SIM:n tunnusluku PUK = SIM:n purkukoodi (jos SIM on mennyt lukkoon) 33

34 radiorajapinnassa käytetään FDMA:n (taajuusjakomonikäyttö) ja TDMA:n (aikajakomonikäyttö) yhdistelmää 200 khz kanava jaettu 8 aikaväliin uplink- ja downlink-suuntiin käytetään eri taajuuksia Tietoliikennejärjestelmät / RR 34 34

35 Radiorajapinnassa käytetyn aikajakoisesti kanavoidun lähetteen jakautuminen aikaväleihin Tietoliikennejärjestelmät / RR 35 Aikavälejä käytetään monella tapaa yleensä 7 aikaväliä/trx puheen- tai datansiirtoon aikaväliä/trx merkinantoon TRX = tukiaseman lähetin/vastaanotinpari Kantoaallon modulointiin käytetään GMSK-menetelmää (eräs FSK-modulaation alalaji) 35

36 GSM-järjestelmän palvelut GSM-järjestelmän palvelut jaetaan verkkopalveluihin (Bearer Services) ja telepalveluihin (Tele Services). Näitä kutsutaan peruspalveluiksi. Lisäksi on määritelty suuri joukko spesifioituja lisäpalveluita (Supplementary Services). On myös kehitetty koko ajan kasvava määrä ns. lisäarvopalveluita (VAS, Value Added Services), joita ei ole virallisissa spekseissä mainittu. Yleensä ne ovat operaattorin tai erillisten palveluntuottajien itse kehittämiä. Nykyään yhä suurempi osa verkon tuotoista tulee erilaisista lisä- ja lisäarvopalveluista. Kolmannen sukupolven verkoissa tämä kehitys kiihtyy edelleen Tietoliikennejärjestelmät / RR 36 Esimerkkejä eri palveluista: Verkkopalvelut: (Verkkopalveluita käytetään datansiirron yhteydessä.): yleinen synkroninen verkkopalvelu (sisältää HSCSD:n) asynkroninen (300 b/s 9600 b/s) yleinen synkroninen verkkopalvelu GBS (General Bearer Service) yleinen synkroninen pakettipääsy GBS (sisältää GPRS:n) synkroninen pakettipääsy (2400 b/s 9600 b/s) Telepalvelut puhe puhe, hätäpuhelu lyhytsanomapalvelu (SMS, Short Message Service) Multimedia Messaging Service (MMS eli multimediasanoma) Lisäpalvelut puhelun hinnan näyttö erilaiset estot: kaikkien tulevien, kaikkien lähtevien puheluiden yms. estot puheluiden ennakkosiirrot eri tapauksissa: puhelin varattu, ei vastaa, ei kuuluvuusalueella yms. puhelinnumeron näyttö kutsutulle puhelimelle ja sen esto Lisäarvopalvelut (Lisäarvopalvelut käyttävät tele-, verkko- ja lisäpalveluita alustanaan. Näitä palveluita kehitetään nykyisin eniten lyhytsanomapalvelun ja GPRS:n päälle): pankkipalvelut uutis- ja tulospalvelut logot ja soittoäänet 36

37 GSM-verkon datapalvelut Tietoliikennejärjestelmät / RR 37 Datapalveluiden kehityspolku: Piirikytkentäinen hidas data, max. 9,6 kbit/s HSCSD: piirikytkentäinen nopea data, kevennetty kanavakoodaus ja multislot, max. 57,6 kbit/s GPRS: pakettikytkentäinen, max. n. 170 kbit/s EDGE: modulaatiotavan muutos, max. 384 kbit/s (=> EGPRS ja EHSCSD) UMTS: max. 2 Mbit/s WAP mahdollistaa Internetia muistuttavien palveluiden käytön (rakentuu datapalveluiden päälle) 37

38 GPRS = General Packet Radio service Pakettikytkentäinen datapalvelu, tarkoitettu erityisesti purskeisen datan siirtoon. Ulkopuolisille verkoille GPRS-verkko näyttää tavanomaiselta pakettiverkolta GPRS:n lisääminen GSM-verkkoon vaatii useita uusia verkkoelementtejä ja suuria muutoksia entisiin verkkoelementteihin. Lisäksi tarvitaan IP-pohjainen runkoverkko Tietoliikennejärjestelmät / RR 38 Radiorajapinnan resurssit jaetaan usean eri käyttäjän kesken tarpeen mukaan. Vapaita aikavälejä käytetään nopean purskeen siirtoon ja aikavälit vapautetaan heti kun siirtotapahtuma on ohi. Aikavälejä voidaan ottaa hetkellisesti käyttöön jopa 8 kpl. Näin saavutettava teoreettinen maksimisiirtonopeus on n. 170 kbit/s. Maksimisiirtonopeus vaatii myös hyvän radioyhteyden. Operaattorin on mahdollista laskuttaa välitetyn datan perusteella (eikä yhteysajan pituuden mukaan). Liikennöinti tapahtuu IP-protokollan mukaisesti. Yhteys verkkoon on periaatteessa aina auki ja paketit siirtyvät nopeasti GPRS-arkkitehtuuri (kuva ) operointisolmu SGSN toimii samalla hierarkiatasolla kuin MSC yhdyskäytäväsolmu GGSN mahdollistaa datan siirron ulkopuolisten dataverkkojen ja GPRS-verkon välillä GPRS-rekisteri GR sisältää GPRS-tilaajan tilaaja- ja reititystiedot (käytännössä yhdistetty HLR:ään) GPRS-runkoverkko (Backbone) on IP-pohjainen paketinohjausyksikkö PCU sijaitsee BSC:n yhteydessä GPRS:n avulla toteutetaan hyvin monenlaisia palveluita, joista yksi esim. on Push To Talk (PoC), joka tarkoittaa radiopuhelintyyppistä palvelua VoIP-muotoisena GPRS:n avulla. 38

39 Matkapuhelinverkkojen evoluutio (2g => 3g) Tietoliikennejärjestelmät / RR 39 EDGE: Enhanced Data Rates for Global Evolution Käytetään usein termiä 2,75G eli on viimeinen väliporras matkalla kolmanteen sukupolveen Voi toimia myös korvikkeena 3G:lle, koska EDGE:llä voidaan tarjota suurempia datanopeuksia kun pelkällä GPRS:llä 39

40 UMTS-verkko UMTS-verkko on kolmannen sukupolven verkko eli laajakaistainen, multimediapalveluiden välitykseen suunniteltu monipalveluverkko. UMTS = Universal Mobile Telecommunications System) Tietoliikennejärjestelmät / RR 40 Kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoja on syntymässä usean eri standardin pohjalle. UMTS-standardi on näistä tärkein ja se perustuu eurooppalaislähtöisen GSMverkon hyödyntämiseen. UMTS:n standardointi tehdään 3GPP (3G Partnership Project) nimisessä standardointielinten yhteenlittymässä. Vaatimuksena kolmannen sukupolven järjestelmälle on se, että järjestelmän täytyy antaa selvästi lisäarvoa kun sitä verrataan GSM-järjestelmään tai muihin 2G-järjestelmiin kaikissa suhteissa. Alussa vaaditaan myös yhteensopivuutta Nämä vaatimukset ovat niin raskaita, että ne voidaan toteuttaa vain moniympäristöjärjestelmällä (kts. kuva). Erityyppisiä palveluita tarjotaan erilaisilla osajärjestelmillä ympäristöstä riippuen. Todennäköisesti verkko tullaan toteuttamaan seuraavasti: samanlainen radiorajapinta on saatavilla kaikkialla maailmassa myös muita teknologioita tuetaan paikallisesti eli käytössä tulee olemaan puhelimia, jotka pystyvät toimimaan useissa eri teknologioissa 40

41 Evoluutio GSM:stä UMTS:iin UMTS:in 1. vaihe eli R99: uusi radioverkko Tietoliikennejärjestelmät / RR 41 3GPP päätyi julkaisemaan standardeja vuosittaisella periaatteella. Ensimmäinen versio sai nimekseen Release 99 (3GPP 99). Se perustuu vielä pääosin GSM-verkkoon. UMTSverkon radiorajapinta on WCDMA-tekniikan mukainen. Tämän vuoksi joudutaan rakentamaan uusi radioverkko UTRAN. Uudet elementit ovat RNC ja BTS. Yhteensopivuutta GSM:n ja UMTS:N välillä tarvitaan. Tämä tarkoittaa sitä, että handover verkon sisällä järjestelmästä toiseen onnistuu. Verkon täytyy pystyä välittämään tietoa toisen puolen tilasta puhelun aikana. Piirikytkentäiset elementit kehittyvät myös. GSM:n MSC:tä voidaan käyttää, mutta siihen joudutaan tekemään muutoksia ja lisäyksiä. Myös GPRS-verkon solmuihin tulee suuria muutoksia. 41

42 UMTS:n tavoiteverkkoarkkitehtuuri Tietoliikennejärjestelmät / RR 42 Seuraava versio oli Release 00, joka jaettiin kahteen osaan: Release 4 ja Release 5. Release 5 sisältää jo All IP-pohjaisen verkon eli runkoverkko toimii IP-protokollan mukaan. Myös Release 6 on jo julkaistu. Kun siirrytään kokonaan IP-pohjaiseen liikenteeseen, perinteisiä piirikytkentäisiä verkkoelementtejä ei enää tarvita. GSM-radiorajapinta on edelleen mukana (GERAN). Verkon tässä vaiheessa palvelut ovat tärkein peruste radiorajapinnan valinnalle. Radiorajapinnalta toivotaan riittävää kaistanleveyttä käytettäville palveluille. 42

43 UMTS:n radiorajapinta UMTS-järjestelmän radioverkko koostuu kahdesta komponentista: FDD ja TDD. FDD toteutetaan ensin ja se sisältää 5 MHz:n levyisiä kaistoja, joita käytetään WCDMAtekniikan avulla Käyttäjän lähete saadaan selvitettyä muiden lähetteiden joukosta oman koodin avulla Tietoliikennejärjestelmät / RR 43 WCDMA:ssa käytetään DS-CDMA-tekniikkaa (Direct Sequence Code Division Multiple Access): käyttäjän informaatiobitit levitetään laajalle kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal). Suuria bittinopeuksia tuetaan käyttämällä muuttuvaa levityskerrointa ja useaa koodia/yhteys. Vierekkäisissä soluissa voidaan käyttää samaa taajuutta. Radiotiellä oleva häiriö (kts. kuva) levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi. RAKE (=harava) -vastaanotin pystyy tunnistamaan viivästyneet signaalikomponentit ja summaamaan ne yhteen. 43

44 UMTS:n palvelut UMTS on nimenomaan palveluverkko: sen menestys tulee riippumaan siitä, millaisia palveluita sen avulla tarjotaan. Verkonhallinta Sisällöntuottajakerros Palveluntuottajakerros Verkkoelementtikerros Fyysinen siirtokerros Turvallisuustoiminteet UMTS:n palvelumalli Tietoliikennejärjestelmät / RR 44 2G-verkoissa tuli ensimmäisen kerran esille palveluntuottajan rooli: kaupallisia palveluita verkossa tuotti joku muu osapuoli kuin verkko-operaattori. Palveluiden kerrosmalli UMTS:ssä mahdollistaa erilaisten toimijoiden eriyttämisen. Myös kustannukset ja tulot jakautuvat eri kerroksissa eri tavoin. Mitä alemmalla kerroksella toimitaan, sitä suurempi osa kustannuksista koostuu laitteista. Palveluketjussa voi olla myös sama toimija usealla portaalla: esim. palveluntuottaja voi tuottaa myös sisällön ja verkko-operaattorit voivat kehittää palveluita. 44

45 Bittinopeudet Piirikytkentäinen bittinopeus 144 kb/s 384 kb/s 2 Mb/s Pakettikytkentäinen bittinopeus 144 kb/s (huippu) 384 kb/s (huippu) 2 Mb/s (huippu) Peittoaluetyyppi Peruspeitto, maaseutu/lähiö, nopeasti liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto Kaupunki, liikkuvat kulkuneuvot, ulkotilapeitto Hot spotit, kaupunkien keskustat, kävelynopeus, sisätilapeitto Tietoliikennejärjestelmät / RR 45 Huom. UMTS:n peruspeittona tarjoama 384 kbit/s voidaan tarjota myös EDGE:n avulla! UMTS sallii tilaajan tai sovelluksen neuvotella verkkopalvelulle ominaisuudet, jotka parhaiten soveltuvat ko. yhteyden käyttöön. Niitä voidaan myös vaihtaa yhteyden aikana. Verkkopalvelun ominaisuudet vaikuttavat suoraan hintaan, joka yhteydestä maksetaan. Ominaisuuksia ovat mm. bittinopeus, viiveet ja niiden vaihtelu, luotettavuus eli virheiden määrä yms. Paikannuspalveluihin perustuvista palveluista on ennustettu tulevan todennäköinen Killer Application eli suosituin, massoihin vetoava palvelumuoto. Näissä palveluissa on tärkeää nopea datan lajittelu ja valintamahdollisuus. Dataa tarjotaan sijainnin perusteella. 45

46 UMTS:n päätelaitteet UMTS-päätelaitteita ei ole speksattu kovinkaan tarkkaan. Laitevalmistajille on jätetty vapaat kädet toteuttaa uusia ideoita. Vain tietyt perustoiminteet täytyy löytyä kaikista puhelimista. Päätelaitteiden kirjo tulee kasvamaan valtavasti. Erilaistuminen jatkuu kohti eri palveluiden käyttöä varten räätälöityjä päätelaitteita. Alkuvaiheessa on tärkeää yhteensopivuus GSM-radiorajapinnan kanssa Tietoliikennejärjestelmät / RR 46 Yksi pääpiirteistä päätelaitteissa on se, miten se käyttää PS- ja CS-domaineja (paketti- ja piirikytkentäisiä verkon osia). Päätelaite voi toimia kolmessa eri toimintamoodissa: PS/CS, PS ja CS. Päätelaitteet voidaan luokitella myös sen mukaan, miten ne kykenevät käyttämään eri verkkoteknologioita (UMTS ja GSM) Tilaajasuhde sisältyy USIM-moduliin. Fyysinen sijaintipaikka on UICC-kortti. Jotta palveluita voidaan käyttää erilaisilla terminaaleilla, on määritelty seuraavat toiminnot pakollisiksi: accept, select, send, indication ja end. Toimintojen syöttö voidaan päätelaitteessa toteuttaa eri tavoin, esim. näppäimistöllä, puheohjauksella, kosketusnäytöllä yms. 46

47 Muita matkaviestinverkkoja Autonet Mobitex Meriradiopalvelut Hakuverkot VIRVE Tietoliikennejärjestelmät / RR 47 Autonet: toimi trunking-tekniikalla, mikä tarkoittaa automaattisesti tapahtuvaa radiokanavien kapasiteetin jakoa monien käyttäjien kesken. Noudattaa englantilaista MPT 1327 standardia. Toimii 440 MHz:n taajuusalueella. Suunniteltu etupäässä puheensiirtoon, vain toissijaisesti datansiirtoon. Mobitex Soneran operoima, 150 MHz:n taajuudella toimiva, ensisijaisesti datansiirtoon suunniteltu verkko. Otettiin käyttöön 1987 Meriradiopalvelut Viestintää laivoille, käytössä monia eri järjestelmiä. Uusinta tekniikka edustaa INMARSAT-järjestelmä, joka välittää maa-asemien ja laivojen välistä puhelin-, telex, telefax- ja dataliikennettä satelliittiteitse. Järjestelmä kattaa kaikki valtameret. Hakuverkot Soneran KAUHA (150MHz) koko maan kattava järjestelmä 1985, lakkautettiin vuoden 2001 lopussa. Yhteiseurooppalainen ERMES käynnistyi 1992 (169 MHz). Matkapuhelimien yleistyessä käyttö jäänyt vähäiseksi, tilaajamäärä oli lopussa muutamia kymmeniätuhansia. Viranomaisverkot Yleiset televerkot tai tavalliset erillisradioverkot eivät sovellu viranomaiskäyttöön, koska ne on yleensä suunniteltu kahden pisteen välisiä yhteyksiä varten. Suomalainen VIRVE perustuu TETRA-standardiin, joka toimii trunking-periaatteella. Käyttäjät näkevät verkon virtuaalisena erillisverkkona, joka tarpeen tullen voidaan ottaa kaikkien yhteiskäyttöön. Verkko on digitaalinen ja soveltuu myös datansiirtoon. VIRVE:n rakentaminen alkoi vuonna 1998 etelästä ja etenee vuoden 2003 loppuun mennessä koko Suomen kattavaksi. Taajuusalue on 400 MHz ja taajuuskaista 20 MHz. Verkolla tulee olemaan n käyttäjää Suomessa 47

48 Verkkojen turvallisuuskysymyksiä Matkapuhelinverkkojen päätelaitteiden irrallisen luonteen vuoksi niihin kohdistuu enemmän turvallisuusuhkia ja vaatimuksia kuin kiinteisiin päätelaitteisiin Radiosäteilyä lähettävään laitteeseen voi aina liittyä myös häiriö- ja säteilyturvallisuusongelmia Matkapuhelimen fyysinen varastaminen on helpompaa kuin langallisen puhelimen Autossa ajonaikainen käyttö on myös todettu turvallisuusriskiksi Tietoliikennejärjestelmät / RR 48 Säteilyturvallisuus ja terveysriskit: Tutkittu laajalti, ei näyttöä riskeistä. Toisaalta hyvin pitkäkestoisen käytön vaikutuksia ei olla vielä pystytty tutkimaan riittävästi Radiosäteily on ionisoimatonta säteilyä, joka ei aiheuta muutoksia kudoksiin Sallitulle säteilymäärälle on asetettu rajat Häiriöt: Matkapuhelin itse aiheuttaa häiriötä huonosti suojattuihin elektronisiin laitteisiin, esim. televisioon, radioon, lankapuhelimeen yms. Myös lähellä sijaitseva tukiasema voi häiritä muita laitteita. Sairaaloissa on usein kielletty matkapuhelimen käyttö em. häiriöiden vuoksi. Häiriötä aiheuttaa varsinkin GSM-lähetteen purskeinen muoto. Matkapuhelinten käyttö julkisilla paikoilla aiheuttaa salakuunteluriskin, jota käyttäjä voi itse kontrolloida Ajonaikainen käyttö ilman hands free varustusta kielletty Suomessa alkaen 48

49 Matkapuhelinjärjestelmiin kehitetyt turvallisuustoiminteet SIM-kortin PIN-kysely Tilaajan tunnistus (autentikointi) Radiotien salaus Varastetun laitteen sulkeminen verkosta UMTS-verkossa myös tilaaja tunnistaa verkon. UMTS:iin on lisätty myös muita turvallisuustoiminteita GSM:ään verrattuna Tietoliikennejärjestelmät / RR 49 SIM-kortin PIN-kysely: Kun puhelimessa on kortin PIN-kysely päällä, vain salasanan tietämällä voi käyttää puhelinta Tilaajan tunnistus (autentikointi, kuvassa): Ennen jokaisen puhelun tai muun palvelun aloitusta tehdään tilaajan tunnistusproseduuri, jossa verkko kommunikoi SIM-kortin kanssa ja varmistaa, että tilaaja on se, joksi esittäytyy Radiotien salaus: Salakuuntelun estämiseksi kaikki radiotiellä tapahtuva liikenne (puhe, data ja signalointi) on salattu tehokkaiden salausalgoritmien avulla. Vanhempia verkkoja (esim. NMT:tä) sen sijaan pystyttiin helposti salakuuntelemaan Varastetun laitteen sulkeminen verkosta: Esim. GSM-verkossa on laiterekisteri (EIR), jonne ilmoittamalla voidaan varastettu puhelin sulkea pois käytöstä. Tällöin varas ei voi soittaa puhelimella edes omalla SIM:llään. UMTS: UMTS:ssa tulevat kuvaan mukaan myös IP-maailmasta tutut uhat (spoofing, sniffing, denial of service yms.) joita voidaan ehkäistä IPSECturvallisuustoiminteiden avulla. 49

50 Verkkojen tulevaisuudennäkymiä On arvioitu, että UMTS:n todellinen läpimurto ei tapahdu vielä parin lähivuoden aikana UMTS tulee käynnistymään vähitellen, GSM:n lisäominaisuutena GSM tullee säilymään perusverkkona vielä pitkään. EDGE:n avulla toteutetaan monia palveluita lähes yhtä hyvin kuin UMTS:llä Matkapuhelinten ja WLAN:in integrointi saattaa tulla hyvin suosituksi 4G tulossa mahdollisesti vuoden 2010 jälkeen Tietoliikennejärjestelmät / RR 50 UMTS:n kaupallinen käynnistys laajemmassa mittakaavassa tapahtunee vuoden 2004 aikana. UMTS:n käynnistäminen GSM:n sivutuotteena on helppoa oleville GSMoperaattoreille, sen sijaan uusilla operattoreilla on vaikeampaa rakentaa verkkoa nopeasti. Suomen kokoisessa maassa on epätodennäköistä rakentaa koko maa UMTSpeittoalueeksi, koska UMTS:n korkea taajuus mahdollistaa vain pienet peittoalueet. Tämän vuoksi arvioidaan, että GSM säilyy pitkään peruspeittoa tuottavana verkkona. Huhtikuussa 2004 Suomen viranomaiset antoivat operaattoreille luvan rakentaa verkkoja yhteistyössä, mikä on taloudellisesti järkevää EDGE antaa mahdollisuuden lähes yhtä suuriin datanopeuksiin (384 Mbit/s) kuin UMTS, mikä helpottaa nopeiden datapalveluiden kehittämistä ilman UMTS:iakin. Näin palveluita voidaan tarjota myös GSM-verkon laajemmalla peittoalueella. Tietoliikenneteollisuudella on suuri kiusaus siirtää tuotantoa halvempiin maihin, ja näin onkin jo tapahtunut. Todennäköisesti Suomeen kuitenkin jäävät tuotekehitys-, tutkimusja vaativat tuotannonsuunnittelutehtävät. Myös uusien palveluiden kehitys tarjoaa uusia mielenkiintoisia työpaikkoja. 4G:n on tarkoitus integroida olemassolevat verkot yhteen ja tarjota lisäksi hyvin korkeita datansiirtonopeuksia, jopa 100 Mbit/s. 50

51 Killer application: Paikannukseen perustuvista palveluista on ennustettu tulevaisuuden suurta massojen suosion saavuttavaa sovellusta eli Killer Applicationia Pelkkä paikannus ei riitä, vaan siihen täytyy liittää paikkaan perustuvan tiedon nopeaa käsittelyä Tietoliikennejärjestelmät / RR 51 Uusia palveluita: korkealaatuiset kuvat matalalaatuinen videokuva matkapuhelimen avulla kauko-ohjatut laitteet mobiili kauppa, korvaa luottokortit laitteiden välinen kommunikaatio (M2M, machine to machine) 51

52 2. Radio- ja TV-tekniikka Radio- ja televisiotekniikkaa käytetään joukkoviestintään. Tällöin välitettävä informaatio saavuttaa suuren joukon vastaanottajia Informaatio on yleensä yksisuuntaista, tosin nykyään kaapelitelevisioverkossa on mahdollisuus myös kaksisuuntaiseen tiedonsiirtoon Tietoliikennejärjestelmät / RR 52 52

53 Lähetysten vastaanotto Kaapelitelevisioverkon välityksellä Yleisradioasemien välityksellä (terrestriaali) Televisiosatelliitin välityksellä Tietoliikennejärjestelmät / RR 53 Yleisradioasemien välityksellä: valtakunnalliset ohjelmat siirretään studioista tai ulkolähetysyksiköistä radiolinkkiketjujen välityksellä maan eri puolilla oleviin yleisradiolähettimiin Suomessa noin 500 ULA- ja noin 80 TV-lähetysasemaa ULA-lähettimien tehot vaihtelevat muutamasta kw:sta 50 kw:in TV-lähettimien tehot 0, kw ja mastojen korkeudet m Lähetysten vastaanotto tapahtuu joko vastaanotinkohtaisten antennien tai yhteisantennijärjestelmien avulla Yhteisantennijärjestelmä => SYJ => kaapeliverkko Kaapelitelevisioverkon välityksellä: Kaapelitelevisioverkko on yleensä puhelinyhtiön tai jonkun muun yrityksen rakentama ja ylläpitämä Verkossa välitetyt ohjelmat koostuvat yleensä yleisradioverkon avulla vastaanotetuista, satelliittitelevision avulla vastaanotetuista ja lisäksi paikallisradio- ja tv-ohjelmista Kaapelitelevision etuina ovat parempi kuvan laatu ja monipuolinen ohjelmatarjonta Televisiosatelliitin välityksellä: Satelliitit välittävät ohjelmia maa-asemilta avaruuden kautta yksittäisiin vastaanottimiin tai kaapelitelevisioverkkoihin Paljon aiheeseen liittyviä linkkejä esitetty esim. Taikaviitan sivulla: 53

54 Yleisradioverkkojen taajuuskaistat Tietoliikennejärjestelmät / RR 54 Matalia taajuusalueita (LF, MF ja HF) ei juurikaan enää käytetä yleisradiotarkoituksiin. Näillä taajuusalueilla voidaan lähinnä lähettää hyvin pitkiin yhteyksiin tarvittavia signaaleja ULA = ultralyhyet aallot 54

55 Esimerkki kaapelitelevisioverkon kanavajaosta (Oulutv) KAAPELIKANAVA KARTTA Analogiset Peruskanavat Eurosport VHF 1-alue kanava 2, 48,25 MHz Nelonen VHF III-alue kanava 5, 175,25 MHz Suomen TV 2 VHF III-alue kanava 6, 182,25 MHz MTV3 VHF III-alue kanava 8, 196,25 MHz Suomen TV1 VHF III-alue kanava 10, 210,25 MHz Urheilukanava VHF III-alue kanava 12, 224,25 MHz BBC world S-alue kanava S 4, 126,25 MHz SubTV S-alue kanava S 5, 133,25 MHz OuluTV S-alue kanava S 11, 231,25 MHz Deutsche Welle S-alue kanava S 12, 238,25 MHz Ruotsin TV 2 S-alue kanava S 13, 245,25 MHz TV 5 S-alue kanava S 14, 252,25 MHz MTV-europe S-alue kanava S 15, 259,25 MHz Euronews S-alue kanava S 16, 266,25 MHz Radiotaajuudet Oulun alueen ruots. ULA 87,6 MHz Suomi POP 88,6 MHz Yle Radio 1 89,1 MHz Radio Pooki 89,9 MHz Yle Radio Suomi 92,8 MHz Radio Dei 94,1 YleX 94,5 MHz Kiss-FM 95,1 MHz Iskelmä Oulu 95,5 Radio Mega 95,9 MHz Ruotsin ULA 3 96,4 MHz NRJ Oulu 96,9 Sävelradio 97,8 MHz Radio NOVA 98,3 MHz Classic-FM 98,8 MHz Ruotsin ULA 1 99,3 MHz Ruotsin ULA 2 100,7 MHz Suomen Urheilukanava 101,2 MHz Tietoliikennejärjestelmät / RR 55 Kaapeli-TV verkkoa varten on otettu käyttöön ns. S-kaista (105, ,25 MHz), jolle mahtuu 41 kanavaa Satelliittilähetyksille on myös varattu maailmanlaajuisesti omat kaistansa. Katso esim. 55

56 Analoginen radiotekniikka Yleensä analogisissa radiolähetteissä käytetään FM-moduloitua signaalia Ao. kuvassa näkyy radiovastaanottimen lohkokaavio Tietoliikennejärjestelmät / RR 56 FM-moduloitu ULA-lähete: vastaanotettu kantoaalto muutetaan ensin välitaajuudelle (IF=10,7 MHz) etuna parempi taajuusselektiivisyys ja yksinkertaisempi rakenne vastaanottimen loppuosassa 56

57 Stereolähetyksen muodostus Tietoliikennejärjestelmät / RR 57 stereolähete: äänitetään kaksi erillistä äänisignaalia (L ja R) lähetin muodostaa summa- ja erotussignaalit (M- ja S-signaalit) M (L+R) lähetetään kanavalla normaaliin tapaan (kaista 40 Hz...15 khz) S (L-R) amplitudimoduloidaan (DSB) 38 khz apukantoaaltoon => siirtyy kuuloalueen yläpuolelle ( khz) lähetteessä lisäksi 19 khz pilotti, jota tarvitaan vastaanottimessa S-signaalin ilmaisuun kokonaissignaali (M, S ja pilotti) taajuusmoduloidaan lähettimen kantoaaltoon stereolähetykset vaativat 300 khz kaistan (monolle riittää 150 khz) 57

58 RDS (Radio Data System) RDS on järjestelmä, jolla ohjataan RDS-toiminnolla varustetun radion toimintaa kuuntelijan haluamalla tavalla Radiosignaaliin liitetään digitaalinen lisäinformaatio, jonka RDSvastaanotin kykenee purkamaan RDS helpottaa ohjelmien kuuntelua. Kuuntelija voi mm. valita ohjelmatyypin jota haluaa seurata ja saada lisäinformaatiota ohjelmista. RDS-signaalia vastaanottavat radiot kehittyvät koko ajan ja uusia palveluita lisätään RDS-järjestelmään RDS:n kehityksestä vastaa nykyään pääasiassa RDS Forum Tietoliikennejärjestelmät / RR 58 Lähetettävä informaatio voi sisältää seuraavia elementtejä: palvelun nimen ohjelman tunnuksen ohjelman tyypin muut rinnakkaiset taajuudet kellonajan ja päivämäärän esimerkiksi liikenneilmoituksia tai mainoksia 58

59 Digitaalinen radiotekniikka DAB (Digital Audio Broadcasting) Etuja: äänenlaatu verrannollinen CD:hen (> 90 db:n dynamiikka). olennaisesti tehokkaampi taajuuksien käyttö tunteeton monitievastaanotolle pienempi lähetysteho joustava äänen, (still-) kuvan ja datan siirto Tietoliikennejärjestelmät / RR 59 etuja: äänenlaatu verrannollinen CD:hen (> 90 db:n dynamiikka). olennaisesti tehokkaampi taajuuksien käyttö : DAB-radiokanavassa voidaan lähettää jopa seitsemän digitaalista ohjelmaa. Kanavien määrä riippuu halutusta äänen laadusta tunteeton monitievastaanotolle (mm. heijastumille), josta seuraa mm. korkea taajuusalueiden hyväksikäyttö, samaa taajuutta voidaan käyttää yli maan jolloin mobiilivastaanotto paranee pienempi lähetysteho ULA FM:ään verrattuna (alle 1 kw lähetystehoilla on menestyksekkäästi voitu siirtää 6 HiFi stereokanavaa) joustava äänen, (still-) kuvan ja datan siirto erillisinä oheispalveluina samassa lähetteessä Äänen koodaus DAB tavoitteena oli saavuttaa CD tasoinen ääni vastaten vastaten 16 bittistä S/N suhdetta (96 db) ja 44.1 knäytettä/s kummallakin kanavalla MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing) koodausta, mikä sisältää bittinopeudet 32 kbit/s kbit/s. DAB mahdollistaa nopeuksien muuttamisen dynaamisesti. kiinteä 48 knäytettä/s olevaa näytteenottoa. Uusimmat versiot em. ISO/IEC standardista sallivat myös puolta pienemmät näytteenotot. sisältää virheenkorjauksen 59

60 DAB vastaanottimen lohkokaavio Tietoliikennejärjestelmät / RR 60 DAB-taajuuksien käytöstä on sovittava kansainvälisesti, koska radioaallot ja siten myös radiohäiriöt ylittävät valtiolliset rajat vaivatta. Suomelle on tähän mennessä sovittu DABtaajuuksia siten, että koko maassa on otettavissa käyttöön yksi valtakunnalliseen jakeluun ja yksi alueelliseen jakeluun tarkoitettu DAB-radiokanava, joissa siis kummassakin voidaan lähettää useita eri ohjelmia. Lisäksi pääkaupunkiseudulla on käytettävissä yksi alueellinen DAB-kanava. Käytetyt taajuudet sijoittuvat TV-kanaville 5 12 ( MHz), lisäksi paikoin on käytettävissä noiden taajuuksien yläpuolella oleva alue MHz. Yleisradio on jo aloittanut laajamittaiset DAB-lähetykset. Alueellisesti ne kattavat koko lounaisen Suomen ja väestöstä n. 40%. DAB-lähetysten vastaanottoon tarvitaan uusi vastaanotin, nykyisillä FM-radioilla ne eivät ole kuultavissa. Juuri kohtuuhintaisten vastaanotinten hidas markkinoille tulo onkin jarruttanut DAB-tekniikan laajempaa käyttöönottoa. 60

61 Kanavakoodaus ja modulaatio Kuva esittää signaalin saapumista vastaanottimeen useaa eri reittiä (multipath) Tietoliikennejärjestelmät / RR 61 Kanavakoodaus/-modulaatio DAB signaali on suhteellisen laajakaistainen (1.5 MHz) ja informaatio on jaettu useammalle osakanavalle (COFDM, Coded Orhogonal Frequency Division Multiplex). Käytössä on n osakanavaa, jolloin yhden tai useammankaan kantoaallon häiriintyminen ei vielä tuhoa signaalia Järjestelmä tunteeton heijastumille esimerkiksi rakennuksista. Heijastumia käytetään hyväksi alentamaan tarvittavaa lähetystehoa (hyötysignaali = suora + heijastumat). Kaikki samaa ohjelmaa lähettävät lähettimet käyttävät samaa lähetystaajuutta (nämä voivat siis peittää kuuluvuudeltaan toinen toisensa). Vastaanotin näkee nämä vain yhtenä lähettimenä + joukkona heijastumia tästä lähettimestä Perinteisessä FM/AM:ssä vierekkäiset lähettimet joutuvat käyttämään riittävän kaukana toisistaan olevia kantoaaltoja Näin DAB mahdollistaa taajuusalueen tehokkaamman käytön. 61

62 DAB-lähetteen rakenne Tietoliikennejärjestelmät / RR 62 Lähetteen rakenne: lähete muodostuu kolmesta kanavasta: synkronointikanava SC; ei sisällä mitään varsinaista hyötyinformaatiota toiminnan kannalta välttämätön nopeasta informaatiokanava FIC ( Fast Information Channel) sellainen informaatio, jonka vastaanotin voi nopeasti koodata ensisijaisesti tieto siitä, miten MSC:n kapasiteetti on jaettu eri palveluille varsinainen palvelukanava MSC (Main Service Channel) sisältää useita radio ohjelmia ja datakanavia lähetyksissä näyttää vakiintuvan MSC sisällöksi 5 HiFi stereokanavaa + 1 monokanava ja 1 datakanava. yhdessä MSC kanavassa voi siis olla useitakin palvelukomponentteja (esim. eri lähetyksiä). jokaisella komponentilla voi olla erilainen dynamiikka ja suojaus näitä voidaan vieläpä lähetyksen aikana muokata dynaamisesti. 62

63 Analoginen televisiotekniikka Perusperiaatteena on kaksiulotteisen kuvan muuttaminen yksiulotteiseksi ajasta riippuvaksi signaaliksi Kuvan lomittelu vaakajuoviin Tietoliikennejärjestelmät / RR 63 Televisiokuva jaetaan vaakajuoviin. Videosignaali koostuu kuvan valoisuuden vaihtelusta pitkin juovia. Vastaanottoa varten tarvitaan synkronointipulssit osoittamaan uuden kuvan ja uusien juovien alkua Ihmissilmä vaatii min 10 kuvaa/s, jotta tulkitaan liikkuvaksi kuvaksi, välkkymisen kannalta toistotaajuuden tulisi olla min 50 Hz. Kaistanleveyden pienentämiseksi käytetään lomittelua, missä kuva jaetaan kahteen kenttään, joissa kummassakin puolet koko kuvan juovamäärästä. Kentät esitetään peräkkäin niin, että niiden juovat sattuvat toistensä väliin. ihmissilmä tulkitsee hitautensa takia tilanteen kuitenkin yhdeksi kuvaksi 63

64 Videosignaalin muoto Mustavalkoinen videosignaali Värillinen videosignaali Tietoliikennejärjestelmät / RR 64 Useita järjestelmiä käytössä: Suomessa ja läntisessä Euroopassa PAL-järjestelmä Ranskassa, Venäjällä ja itäisessä Euroopassa SECAM-järjestelmä Yhdysvalloissa ja Japanissa NTSC PAL: analoginen lähete 625 juovaa/kuva kuva jaettu kahteen kenttään (juovat ja ) kenttätaajuus 25 Hz ja kuvataajuus 50 Hz juovataajuus Hz (= 25*625) Luminanssi= Krominanssi= 64

65 Aktiivinen kuva-ala Kentänvaihdon pulssimuodot Tietoliikennejärjestelmät / RR 65 Kentänvaihtoon on varattu kaikkiaan 25 juovaa, jolloin kuvasisältöä ei lähetetä (sisältää 2½ juovaa esitasauspulsseja ja 2½ juovaa jälkitasauspulsseja Teksti-TV hyödyntää kentänvaihdon jälkeisiä sammutettuja juovia. Ensisijaisesti käytössä juovat ja (tällöin nopeus 4 sivua/s), mutta myös muita juovia voidaan käyttää 65

66 Yhden TV-kanavan taajuusjakauma Tietoliikennejärjestelmät / RR 66 TV-kanavan RF-siirto: lähetysten kaistanleveys 7 MHz (VHF) tai 8 MHz (UHF) kuvasignaalin taajuus vaihtelee 0...5MHz välillä kuvakantoaaltoa amplitudimoduloidaan (VSB) videosignaalilla ääni lähetetään erillisellä taajuusmoduloidulla kantoaallolla, -10 db tasolla verrattuna kuvakantoaaltoon NICAM-ääni: digitaalinen äänen koodausmenetelmä 5,85 MHz apukantoaallolla kuvakantoaallon yläpuolella, -20 db verrattuna kuvakantoaaltoon modulaatiomenetelmänä DQPSK bittinopeus 728 kbit/s, joka voidaan jakaa yhdeksi stereosignaaliksi, kahdeksi monosignaaliksi, yhdeksi monosignaaliksi ja 352 kbit/s datakanavaksi tai yhdeksi 704 kbit/s datakanavaksi käytetään lähinnä stereoäänenä tai moniäänilähetyksissä 66

67 Yhden TV-kanavan taajuusjakauma tarkasteltuna spektrianalysaattorilla Tietoliikennejärjestelmät / RR 67 Värisignaalin siirto: käytetään värierosignaaleja U ja V, joilla moduloidaan (QAM) väriapukantoaaltoa (4,43 MHz kuvakantoaallon yläpuolella) Y = luminanssi eli mustavalkoinformaatio krominanssi = värikkyyssignaali U on värierosignaali, joka on riippuu B-Y:stä (B = sininen) V on värierosignaali, joka riippuu R-Y:stä (R = punainen) yhdessä luminanssisignaalin kanssa näistä voidaan laskea yksikäsitteisesti RGB-signaalit sekä U- että V-signaalien kaistanleveys on 1,3 MHz, jolloin väriapukantoaallon molemmille puolille syntyy 1,3 MHz levyinen sivukaista (ylempi sivukaista leikkaantuu osittain pois, koska videosignaalin taajuuskaista on 5 MHz) purstia käytetään demodulaattorin väriapukantoaalto-oskillaattorin synkronointiin (ks. kuva värillisestä videosignaalista aiemmin) 67

68 Digitaalinen televisiotekniikka Digitaalisen televisiotekniikan suurin etu verrattuna analogiseen on erittäin hyvä kuvan laatu. Myös taajuustehokkuus paranee. Ainakin toistaiseksi ovat varsinaista digitaalista televisiota yleisempiä ns. digi-boxit eli muuntimet, jotka muuntavat signaalin analogiselle tvvastaanottimelle sopivaksi Tietoliikennejärjestelmät / RR 68 Digi-tv mahdollistaa (ei vielä kaikkia tarjolla) Kanavien määrän ja ohjelmatarjonnan kasvun Monien kohderyhmien palvelun Kirkkaamman ja terävämmän kuvan Valinnanvapauden ohjelmien katseluajoissa Sähköisen ohjelmaoppaan Super-teksti-tv:n Internet-sivut tv:ssä Vuorovaikutteiset ohjelmat Alueelliset ohjelmat HDTV: pelkkä digitaalinen televisio ei vielä ole varsinainen teräväpiirtotelevisio (High Definition TV). HDTV tarkoittaa kaksinkertaisen juovaluvun omaavaa televisiota (2x625 juovaa). Niissä tarvitaan suurempi bittinopeus kanavaa kohden. 68

69 Digitaalisen television DVB-T:n aikataulu etenee seuraavasti: 94 prosentin väestöpeitto, lähes 100 prosentin peitto, 38 asemaa: vuonna 2005 kuvissa näkyvyysalue 2001 lopussa ja vuoden 2005 lopussa Tietoliikennejärjestelmät / RR 69 Maanpäällisessä jakelussa (DVB-T) hyödynnetään nykyistä asemaverkostoa, mastoja ja antenneja. Yhden nykyisen tv-kanavan tilalla digitaalitekniikalla siirtyy 4-6 kanavaa, joka vie tilaa taajuuskaistalta n. 8 MHz: Kanavanippu A: TV1-D, TV2-D, FST, YLE24, YLE Teema sekä radiokanavat Ylen Klassinen,YLE Radio Peili, YLEQ, Yle Radio Vega+ Kanavanippu B: MTV3, Subtv, Nelonen, MTV3+, Nelonen Plus Kanavanippu C: CANAL+, CANAL+ FILM1, CANAL+ FILM2, VIISI, Urheilukanava, Estradi, SEXTV.fi, radiokanavat KissFM ja Iskelmä sekä alue-tvkanavat Turku TV Turun näkyvyysalueella ja Etelä-Suomen Aluetelevisio Lahden alueella Kuva- ja äänisignaalit, tekstitieto ja ohjelmakohtaiset lisätiedot yhdistetään standardoiduksi bittivirraksi. Bittivirta kompressoidaan MPEG2-kompressoinnilla. DVB-standardi sisältää kolme erilaista formaattia: DVB-T: maanpäälliseen jakeluun DVB-S: satelliittijakeluun DVB-C: kaapelitelevisioverkkojakeluun Nämä kaikki tarvitsevat omanlaisensa purkulaitteen eli esim. terrestriaalikanavan katseluun hankittu digibox ei sovellu kaapelitelevisioverkkoon 69

70 3. Satelliittitiedonsiirto Lähde: Kun maailman ensimmäinen satelliitti Sputnik laukaistiin Maata kiertävälle radalle vuonna 1957, ei osattu arvata, että seuraavan 30 vuoden kuluessa vastaavanlaisia satelliittilaukaisuja tehtäisiin tuhansia. Vuosien mittaan osa näistä tekokuista, satelliiteista, on palannut syvemmälle Maan ilmakehään ja tuhoutunut. Tällä hetkellä Maata kiertää useita tuhansia satelliitteja ja avaruusromujen kappaleita Tietoliikennejärjestelmät / RR 70 Satelliittien ryntäys avaruuteen alkoi varsinaisesti 1960-luvullla pääosin Neuvostoliiton ja Yhdysvaltain avaruuskilpailun tuloksena. Avaruuteen ammuttiin mitä erilaisimpia tietoliikennesatelliitteja, sotilaallisia vakoilusatelliitteja, tutkimussatelliitteja ja luotaimia, jotka tämänpäivän mittakaavassa olivat vielä hyvin alkeellisia. Tänään satelliitit ovat ihmisen apulaisia. Niitä hyödynnetään paljolti tietoliikennetarkoituksiin, matkapuhelinliikenteen sekä TV- ja radiolähetysten välittämiseen, GPS-paikantamiseen, oman planeettamme ja lähiavaruuden tutkimiseen, maanpinnan kartoittamiseen ja sääilmiöiden tutkimiseen. Joukossa on hyvin paljon myös sotilaallisia satelliitteja, jotka tarkkailevat strategisesti tärkeitä maanpinnan kohteita tai ohjusten laukaisuja. Vuosituhannen vaihteessa satelliitteja on laskettu olevan Maata kiertävällä radalla noin 9000 kappaletta. Tähän lukumäärään kuuluu toimivia satelliitteja, satelliittien ja kantorakettien jäännöksiä, joiden minimikoko on 10 cm:n luokkaa. Kaikkiaan avaruusromua on Maata kiertävällä radalla yli kpl ellei vieläkin enemmän, kun huomioidaan pienimmätkin avaruusromujen palaset. Vuosittain laukaistaan noin 100 satelliittia lisää, joskin varsin moni radalla ollut kappale palaa tuona aikana myös Maahan. Jos sama kehitys jatkuu, ylitetään kappaleen raja joskus 2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä. 70

71 Erilaisia satelliitteja Satelliitti Spot 1 IRAS UARS Intelsat 6A Mir Kosmos 2196 Seasat Meteor 3-5 Tehtävä Kaukokartoitus Tähtitieteellinen infrapunatutkimus Ilmakehätutkimus Tietoliikenne Avaruusasema Varhaisvaroitus Merentutkimus Sääntutkimus Tietoliikennejärjestelmät / RR 71 Arviolta noin 60 % Maata kiertävistä satelliiteista on sotilaallisia. Näihin lukeutuvat tarkoin tutkin varustetut ns. vakoilusatelliitit ja varhaisvaroitussatelliitit sekä erilaiset muut vakoiluja suojajärjestelmät, joiden välityksellä strategisesti mielenkiintoisia maakohteita voidaan tarkkailla huomaamattomasti, minkään valtion ilmatilaa loukkaamatta. Loput noin 30 % satelliiteista on mm. tietoliikenne- ja tutkimussatelliitteja, kuten esimerkiksi sääsatelliitteja, kaukokartoitussatelliitteja, navigointisatelliitteja tai tähtitieteellisiä tutkimussatelliitteja. Tietoliikennesatelliitit välittävät mm. TV- ja radiopalveluja eri puolille maailmaa. Kaukokartoitussatelliitit kartoittavat mm. maanpintaa, tutkivat luonnonvaroja, tarkkailevat merien jäätilannetta tai vaikka ympäristötuhoalueita. Navigointisatelliitit antavat mm. sijaintitietoja laivoille ja auttavat erilaisia pelastusjärjestelmiä. Sääsatelliitit tarkkailevat maapallon säätilaa. Tähtitieteellisiä tutkimussatelliitteja käytetään avaruuden kohteiden tutkimiseen sekä myös oman planeettamme tutkimiseen. Kansainvälisten sopimusten myötä kaikki avaruuteen laukaistavat kappaleet, satelliitit, on jollain tavoin luokiteltava. Laukaisun yhteydessä satelliitille annetaan jokin nimi, jota käytetään kirjallisuudessa ja tiedotusvälineissä sen tunnistamiseksi. Samalla satelliitilla voi itse asiassa olla useita nimiä, riippuen paljolti siitä, missä yhteydessä nimi mainitaan. Kirjallisuudessa ja tiedotusvälineissä käytetään usein ns. kansainvälistä nimistöä, joka kuvaa jollain tavalla satelliitin käyttötarkoitusta tai on muuten helposti muistettavissa esim. Telstar, Landsat, Tele-X jne. 71

72 Nanosatelliiteista avaruusasemiin Satelliitti on verraten pieni kappale. Useimmat niistä ovat kooltaan vain 1-2 metrin luokkaa, suurimmat yli 10 metriä. Tavanomaisen satelliitin massa on henkilöauton luokkaa kg. Piensatelliitit eli mikrosatelliitit ovat alle metrin kokoisia ja painavat vain noin kg. Nanosatelliiteiksi kutsutaan vieläkin pienempiä ja kevyempiä satelliitteja. Avaruusasemat ovat yleensä hyvinkin kookkaita. Vertauksena mainittakoon venäläinen Mir (kuvassa), jonka pituus on yli 30 metriä ja kokonaismassa yli kg Tietoliikennejärjestelmät / RR 72 Satelliitti rakentuu rungosta, mittalaitteista ja aurinkopaneeleista. Ulkonäön kannalta olennaisimpia ovat juuri nuo aurinkopaneelit, jotka usein levittäytyvät satelliitin satelliitin sivuille. Toisinaan paneelit on sijoitettu runkoa vasten. Toinen satelliitin näkymiseen vaikuttava kohde on mittalaitteiden lämpösuojaukset. Niissä käytetään usein kullan- tai hopeanhohtoista foliota. Satelliittien mittalaitteet on sijoiteltu runkoon tai erityisten mittalaitepuomien päähän rungon aiheuttaman mahdollisen häiriön vähentämiseksi. Puomeihin saattaa olla sijoiteltuina myös levy- tai lautasmaisia tietoliikenneantenneita. 72

73 Matalat ja korkeat radat Satelliitit voivat kiertää maata matalilla (LEO) tai korkeilla kiertoradoilla (GEO, kuvassa) Tietoliikennejärjestelmät / RR 73 Satelliitit kiertävät Maata lähes ympyränmuotoisilla radoilla noin kilometrin korkeudessa. Valtaosa satelliiteista sijaitsee alle 1500 km korkeudessa ja vieläpä suurin osa näistäkin kilometrissä. Tällaista rataa kutsutaan matalaksi kiertoradaksi (LEO, Low Earth Orbit). Geostationaariset satelliitit ovat korkeammalla noin kilometrin korkeudessa päiväntasaajan yläpuolella. Tällaiset kohteet näkyvät Maasta katsoen paikallaan pysyviltä tähtimäisiltä kohteilta, sillä geostationaariradalla (GEO, Geostationary Earth Orbit) satelliitin nopeus Maahan nähden on sama kuin maapallon pyörimisnopeus. Matalien ja geostationaariratojen lisäksi joidenkin satelliittien kohdalla suositaan eräänlaista välimuotoa. Venäläiset Molnijat suosivat hyvin elliptistä rataa, jonka etäisin piste saattaa olla jopa kilometrin etäisyydellä ja Maata lähin piste vastaavasti vain muutamien satojen kilometrien etäisyydellä. 73

74 Esimerkki satelliittimatkapuhelinverkosta: Iridium Iridium-satelliittipuhelinverkko kattaa koko maapallon. Sillä saavutetaan kaukaisimmat erämaatkin. Kuitenkaan satelliittipuhelinverkolla ei voida koskaan täysin korvata maanpäällisiä matkapuhelinverkkoja. Miksi? Tietoliikennejärjestelmät / RR 74 Iridium: Iridium on henkilökohtaisiin satelliittipuhelimiin ja hakulaitteisiin palvelua tuottava järjestelmä. Sen välityksellä voidaan siirtää puhetta, hakuja, dataa ja telefax-liikennettä mihin tahansa mihin normaalit maanpäälliset verkot eivät ulotu. Sen pääasiallinen käyttäjäkunta koostuu kehitysalueiden asukkaista, matkailijoista, katastrofialueiden auttajista yms. Dual-mode puhelimet toimivat esim. GSM-verkossa siellä missä palvelua on tarjolla ja kuuluvuusalueen ulkopuolella satelliittien välityksellä. Verkko aloitti toimintansa Taloudellisten vaikeuksien vuoksi sen toiminta lopetettiin vuonna Palvelu saatiin kuitenkin uudelleen käynnistettyä vuonna Toimii LEO-satelliittien avulla. Satelliitteja on 66 kappaletta ja niitä maanpäällisiin verkkoihin yhdistäviä maa-asemia (gateway) 12 kpl. Nämä 66 kpl 780 km korkeudessa toimivaa satelliittia saavat aikaan 100% peiton maapallolla. 74

75 Esimerkki satelliittipaikannusjärjestelmästä: GPS Lähde: GPS eli Global Positioning System on amerikkalaisiin satelliitteihin perustuva paikannusjärjestelmä, joka antaa mahdollisuuden tarkkaan maailmanlaajuiseen paikanmääritykseen. GPSlaitteet käyttävät eri koordinaatteja kuin Suomen kartastot Tietoliikennejärjestelmät / RR 75 GPS -järjestelmä koostuu kolmesta osasta; avaruusjärjestelmä (space segment), tällä hetkellä 28 satelliitista, valvontajärjestelmästä (control segment), johon kuuluu viisi maaasemaa sekä käyttäjistä (user segment) GPS-vastaanottimineen. Lentoradan korkeus on keskimäärin km. Tekniikka kehittyy ja GPS-laitteiden tarkkuuden voi olettaa parantuvan tulevaisuudessa. Valvonta-asemien modernisointi on suunnitteilla vuosina L2-signaalilla siviilivastaanottimien tarkkuus olisi 5-10 metrin luokkaa. L5-signaalilla siviilivastaanottimien tarkkuus olisi yhden metrin luokkaa. EGNOS ja Galileo Euroopassa on tarkoituksena perustaa oma satelliittipaikannusjärjestelmä maa-, meri- ja ilmaliikenteen käyttöön. Järjestelmän olisi tarkoitus olla yhteensopiva nykyisten järjestelmien (amerikkalainen GPS ja venäläinen GLONASS) kanssa. Suunnitelmien mukaan eurooppalaisen EGNOS -järjestelmän pitäisi olla käytössä Siinä maa-asemien verkostolla tarkennetaan GPS- ja GLONASS-järjestelmien paikkatietoa Eurooppalaisten oman itsenäisen satelliittipaikannusjärjestelmän Galileon pitäisi olla toiminnallinen vuonna Järjestelmään kuuluisi 30 satelliittia. Ratakorkeus olisi km. Ensimmäinen satelliittilaukaisu pitäisi olla vuonna Hanke on kuitenkin viivästynyt, eikä sen lopullinen rakentaminen ole vieläkään varmaa. Hanke on Euroopan komission ja Euroopan avaruusjärjestön yhteishanke ja sen kustannusarvio on miljoonaa euroa. 75

76 4. Langattomat tietoverkot Langattomia tietoverkkoja käytetään korvaamaan ja täydentämään langallisia verkkoja eli kaapeleiden avulla rakennettuja. Koska langattomat tietoverkot toimivat radioyhteyden avulla, on turvallisuuskysymykset otettava paremmin huomioon kuin kaapeliverkoissa. Myös radiorajapinnan kapasiteetti voi olla langattomissa järjestelmissä käyttöä rajoittava tekijä. Langattomilla verkoilla on paljon potentiaalisia käyttökohteita. Yleisimpiä verkkoja ovat WLAN-standardeja noudattavat verkot Tietoliikennejärjestelmät / RR 76 Langattomien verkkojen käyttökohteita: operaattorit tarjoavat yleisiä verkkoja kaikkien käyttöön (WLAN) vanhojen kiinteistöjen verkkoratkaisut myös uusiin rivi- ja kerrostaloihin rakennetaan tietoverkkoja langattomalla tekniikalla muuttuvat ja tilapäiset tarpeet langallisen LAN:in varmennus lentoasemien odotustilat ja hotellihuoneet 76

77 WLAN WLAN käyttää sähkömagneettisia aaltoja tiedon välittämiseen, erillistä fyysistä siirtotietä ei tarvita. Tyypillisessä WLAN- konfiguraatiossa lähetin-/vastaanotinlaite eli tukiasema (access point, AP), on liitetty myös perinteiseen tietoverkkoon kaapelilla. Loppukäyttäjät pääsevät käsiksi verkkoon WLAN-adaptereilla, jotka ovat tietokoneeseen liitettäviä kortteja tai kiinteästi laitteistoon integroituja. Kortissa on lähetin ja vastaanotin, joiden avulla radioyhteys voidaan toteuttaa Tietoliikennejärjestelmät / RR 77 Turvallisuus: Turvallisuusnäkökohdat on otettava huomioon mitä tahansa verkoa pystytettäessä. Perinteisten ongelmien, kuten autentikoinnin ja palomuurien lisäksi WLAN tuo mukanaan uusia riskejä. Radioaallot etenevät seinien läpi, mahdollistaen langattomien lähiverkkojen käytön sisätiloissa. Mutta on myös muistettava, että sama signaali on kenen tahansa saavutettavissa peittoalueella ja vaimentuneena vielä huomattavasti kauempanakin. Hajaspektritekniikka sinällänsä vaikeuttaa salakuuntelua (eavesdropping), muttei tee sitä mahdottomaksi. Niinpä olisi syytä harkita verkossa lähetettävän tiedon salausta, ainakin luottamukselliselle informaatiolle. Tämä taas hidastaa yhteyksiä jonkin verran. Nykyisissä järjestelmissä on jo kehittyneitä turvallisuusominaisuuksia, joita kannattaa käyttää aina. 77

78 Standardit Standard Frequency Max. speed Description GHz 2 Mbps The root standard a 5 GHz 54 Mbps OFDM in the 5 GHz band b 2.4 GHz 11 Mbps High Rate DSSS in the 2.4 GHz band c - - Access Point Bridging d - - Global Harmonization e - - MAC enhancements for QoS f - - Inter Access Point Protocol g 2.4 GHz 54 Mbps Higher bit rate extensions in the 2.4 GHz band h 5 GHz 54 Mbps Spectrum management for 5 GHz region i - - MAC enhancements for enhanced security j 5 GHz 54 Mbps Spectrum management for 5 GHz region in Japan k - - Radio Resource Measurement improvements m - - Update and maintenance of the standards n? > 100 Mbps Higher bit rates Tietoliikennejärjestelmät / RR 78 Standardit: Aiemmin standardien puute aiheutti eri valmistajien laitteiden yhteensopimattomuuden. Standardissa yleisimmin käytetylle taajudelle, 2,4-2,483 GHz, ei tarvitse hankkia radiooperaattorin lupaa. Eli kuka tahansa voi ostaa ja asentaa tukiasemia ja pystyttää oman verkkonsa. Käytettyä taajuuskaistaa kutsutaan myös ISM-kaistaksi (band for the Industrial, Scientific and Medical use). Suorasekvenssi hajaspektri (Direct Sequence spread spectrum, DSSS); 2,4-2,4835 GHz Käyttää jatkuvasti suurta taajuuskaistaa, 22 MHz Kalliimpi kuin kaksi muuta. Nopeudet 1, 2 ja 11 Mbps, nopein. Nopeampi vasteaika kuin FHSS:llä Taajuushyppely hajaspektri (Frequency Hopping spread spectrum, FHSS); 2,4-2,4835 GHz Käyttää yhtä taajuutta kerallaan, hyppien satunnaisesti kaikkien taajuuksien välillä Helpompi ottaa käyttöön ja halvempi kuin DSSS Jos yhdellä taajuudella häiriöitä, voidaan jättää käyttämättä Nopeus 1-2 Mbps ja vasteaika hitaampi kuin DSSS:llä Suunnitteilla on myös MBS-verkko (Mobile Broadband System), joka tulee toimimaan 60 gigahertsin taajuudella ja sen tiedonsiirtonopeus voi olla monikymmenkertainen verrattuna esimerkiksi internet-yhteyksissä nyt käytettävään adsl-laajakaistayhteyteen. 78

79 WLAN-verkkotopologiat Independent Network (adhoc): kahden päätelaitteen välillä Extended Range Independent: liitäntäpisteenä erillinen toistin Infrastructure Network: palvelin + useita liitäntäpisteitä Microcells and roaming: mikrosoluja laajalla alueella, teleoperaattorin ylläpitämä Tietoliikennejärjestelmät / RR 79 Verkkotopologiat: Yksinkertaisimmassa tapauksessa joukko laitteita, joissa on WLAN adapteri ja jotka ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, muodostavat itsenäisen verkon. Katso kuvaa 1. Jos asemien välinen etäisyys kasvaa liian suureksi, verkkoyhteys katkeaa. Kun asemat palaavat kantaman sisälle, muodostuu yhteys uudelleen muutamassa sekunnissa. Käyttämällä tukiasemaa toistimena, voidaan itsenäisen verkon kantamaa kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi kuten kuvassa 2. Infrastruktuuri-verkot: Infrastruktuurimuodossa yksi asemista toimii tukiasemana, jonka kanssa muut asemat keskustelevat. Tukiasemana voi toimia tavallinen tietokone tai erillinen tukiasemalaite. Useista tukiasemista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa, muodostuu langaton lähiverkko. Verkko ei yleensä kuitenkaan ole täysin langaton, vaan tukiasemat ovat kiinni perinteisessä lähiverkossa ja niiden välinen liikenne siis kulkee kaapelissa. Tästäonkuva3. Viimeisessä kuvassa on esitetty ratkaisu, joka on yleisessä käytössä ja yleensä teleoperaattorin operoima. Verkko voi peittää laajojakin alueita, mutta silloin tarvitaan paljon tukiasemia. Näillä korkeilla taajuusalueilla ei voida muodostaa suuria peittoalueita, n. 1 km tukiasemasta laitteeseen on lähellä maksimia. 79

80 Bluetooth Bluetoothin loi Bluetooth Special Interest Group (alun perin Ericsson, IBM, Intel, Nokia ja Toshiba) eli SIG. Nyt mukana jo yli 1500 yritystä Tavoitteena oli vaivattomat langattomat liitännät matkapuhelimille ja muille laitteille Esiteltiin 5/98, ensimmäinen standardi 1.0 oli valmis kesällä 1999 Versio 2.0 keskittyy laitteiden liitettävyyteen Täydessä vauhdissa piti olla Tietoliikennejärjestelmät / RR 80 Standardi on avoin (liittymän osapuolille) ja luonteeltaan de facto -standardi Bluetooth-siru on edullinen ja pienikokoinen (9x9mm) Radioyhteys: taajuusalue 2,4 GHz, joka on kaikkialla maailmassa vapaasti käytössä (eli häiriöllinen) kaista USA:ssa ja Euroopassa 80 MHz. Japanissa, Ranskassa ja Espanjassa vähemmän häiriöitä torjutaan nopealla taajuushyppelyllä, lyhyillä paketeilla, nopealla kuittauksella sekä virheenkorjauksella taajuusalue parempi kuin esim. infrapuna: ei tarvitse näköyhteyttä, läpäisee materiaaleja suhteellisen suuri kantama, tämän hetkisillä konsepteilla n. 10m kantamaa voidaan kasvattaa lähetystehoa nostamalla n. 100 m aikajakoinen dupleksointi nimellinen maksiminopeus 1Mb/s yhdistetty piiri- ja pakettikytkentäisyyttä: SCO (Synchronous Connected Oriented) -linkki tukee symmetrisiä piirikytkentäisiä yhteyksiä, esim. puhetta. ALC (Asynchronous Connectionless) tukee symmetrisiä tai asymmetrisiä point-to-multipont -yhteyksiä (esim. purskeinen data) 80

81 Bluetooth-verkkoratkaisut Piconet Scatternet Tietoliikennejärjestelmät / RR 81 Piconet: radiosignaalin kantaman sisällä bluetooth-yksiköt muodostavat piconetin (enintään 8 jäsentä). Yksi toimii Master-yksikkönä joka säätelee liikennettä. Masteryksikkö voi olla mikä laite tahansa ja se voi vaihtua. Scatternet: ryhmä epäsynkronisia itsenäisiä piconettejä muodostaa scatternetin. Jokaiselle piconetille allokoidaan oma 1 MHz:n taajuushyppelykanava. Tällöin piconetillä on käytössä periaatteessa 1 Mb/s:n siirtonopeus. Törmäyksiä voi sattua jos valitaan sama kanava. 81

82 Sovellusesimerkkejä: Tietoliikennejärjestelmät / RR 82 Sovellusesimerkkejä: MS - tietokone MS - digitaalikamera MS - kannettava kovalevy MS - tulostin langattomat hiiret, kuulokkeet ja näppäimistöt bluetooth-skannerikynä MS = kotipuhelin + työpuhelin + matkapuhelin interaktiivinen konferenssi kotielektroniikka: musiikki, turvallisuus, auton lukko ym ym paikallinen informaationvälitys, esim. lentokentillä usean pelaajan yhteiset pelit Keksikää itse lisää! 82

83 UWB (Ultra Wideband) Vaikka markkinoilla on jo olemassa langattomia lähiverkkotekniikoita, jotka mahdollistavat kohtuullisen nopeat langattomat yhteydet, on vielä ollut tarve tekniikalle, jonka avulla pystytään siirtämään videokuvaa, ääntä ja dataa useiden eri kodin laitteiden välillä langattomasti. Mm. tätä tehtävää varten on kehitteillä Ultra Wideband (UWB) Tietoliikennejärjestelmät / RR 83 Erittäin laajakaistainen UWB-tekniikka (Ultra Wideband) on ääritapaus lisensoimattomista langattomista järjestelmistä. Mielenkiinnon kohteena on myös monikantoaaltotekniikalla tai perinteisellä hajaspektritekniikalla toteutettu UWB, joka käyttää yhtä tai useampaa ISM-kaistaa samanaikaisesti. Tutkittavina asioina ovat sekä ortogonaaliset että ei-ortogonaaliset monikantoaaltomodulointimenetelmät ja niihin liittyvät ilmaisumenetelmät, laajakaistaisten monikäyttömenetelmien vertailut sekä laajakaistaiset modulointitekniikat. 83

84 UWB:n kaistankäyttö Tietoliikennejärjestelmät / RR 84 UWB-tekniikka perustuu 1960-luvulla käytössä olleisiin sotateollisuuden teknologioihin. Tällainen oli esimerkiksi USA:ssa ja Neuvostoliitossa kehitetty impulssitutka, josta kehitettiin myös siviiliversio 1970-luvun puolivälissä. Sillä saavutettiin suuri etäisyyden ja paikan mittaustarkkuus sen korkean toimintataajuuden johdosta. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) on käynnistänyt standardointyön USA:ssa, mutta tällä hetkellä työ on jumissa laitevalmistajien eriävien mielipiteiden vuoksi. Euroopassa UWB:lle ei vielä ole olemassa valmista standardia, mutta standardointityö on aloitettu ITU:n (International Telecommunication Union) toimesta. Varsinaista standardia UWB:stä ei siis ole vielä olemassa, mutta Submission - dokumentin mukaan UWB tulee mahdollistamaan siirtonopeudet 55, 80, 110, 160, 200, 320, and 480 Mb/s, käyttäen toistaiseksi lisensioimatonta GHz UWB taajuusaluetta. Esitetty UWB-järjestelmä käyttää Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) tekniikkaa. UWB:ssä eri pikoverkkojen kanavointi on toteutettu käyttämällä erilaisia aika-taajuus koodeja eri pikoverkoille. Lisäksi jokaisella pikoverkolla on yksilöllinen alustusbittijono (preamble pattern). (IEEE, 2003) 84

85 IrDA Infrapuna-aaltoja käytetään lähinnä yhdistämään tietokoneita ja niiden oheislaitteita toisiinsa IrDA (Infrared Data Association) on standardi, jota käytetään em. tarkoitukseen IrDA:n etuja ovat halpa hinta ja epäherkkyys sähköisille häiriöille. Puutteita ovat pieni kantomatka ja näköyhteyden vaativa tekniikka Tietoliikennejärjestelmät / RR 85 Infrapunaratkaisun hyvänä puolena on myös se, että tieto pysyy taatusti seinien sisäpuolella. Nopeus 1 tai 2 Mbps Vaatii näköyhteyden tai heijastavan ympäristön. IrDA kilpaileekin lähinnä kaapelin kanssa. Peittoalue radiotaajuustekniikoita pienempi IR-spesifikaation mukaan sekä lähetin, että vastaanotin ovat ei-suuntaavia ja käyttävät LEDejä (tai laseria) synnyttämään aallonpituudeltaan noin 900 nm IR-valoa. Valo heijastuu hyvin tyypillisistä sisätilojen materiaaleista ja etenee useiden heijastuksien kautta ympäristöön. Juuri tästä syystä pulssit saapuvat vastaanottimeen erilaisen viiveen jälkeen, mutta tästä ei aiheudu merkittäviä ongelmia alle 10 Mbps:n nopeuksilla. Suuremman ongelman aiheuttavat lähettimen ja vastaanottimen välillä olevat kohteet, jotka voivat aiheuttaa merkittävää vaimennusta, jota kutsutaan varjostukseksi (shadowing). Vaimennusta ei voida kompensoida kasvattamalla lähetystehoa, sillä käyttäjät altistuvat säteilylle suoraan. Turvallisuussäädökset rajoittavat keskimääräisen välitetyn tehon muutamaan sataan milliwattiin. Esimerkiksi 1 Mbps nopeudella huipputeho on 2 W ja keskimäärin 125 mw. IrDA-standardi sisältää kaksi muotoa: hidas (115 kbit/s) ja nopea (1-4 Mbit/s) IrDA. Nopean IrDA:n avulla voidaan liittymiä myös verkottaa, lähinnä tätä käytetään tietokoneiden liittämiseksi langattomasti langallisen lähiverkon liittymäpisteeseen. 85

86 Tulevaisuudennäkymät Tulevaisuudessa langattomat lähiverkot tulevat lisääntymään voimakkaasti. Myös hintojen halpeneminen vauhdittaa langattomien lähiverkkojen yleistymistä. Tavoitteena on myös parantaa tietoturvaa ja suurentaa siirtonopeuksia. Tulevaisuudessa langattomia tekniikoita käytetään yhä erilaisempien laitteiden kommunikointiin sekä kotona, työpaikoilla että ulkoilmassa Tietoliikennejärjestelmät / RR 86 86