Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Teletekniikan laboratorio Saila Heijola

Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Teletekniikan laboratorio Saila Heijola UMTS perehdytysopas - Teletekniikan erikoistyö S-38.128, 2 ov

1999-04-09 Ohjaaja Petri Karttunen Tekijä Saila Heijola 42383R, TUN Saila.Heijola@hut.fi puh. 040-741 2168 Tiivistelmä Tämän raportin tutkimusongelma on: Mikä on UMTS? Raportin pohjalta tulisi voida ymmärtää UMTS-aiheisia artikkeleita lehdistössä. Tutkimusongelma on jaettu osaongelmiin: Mitä oli ennen UMTS:ia? Miten UMTS:iin päästään? Mitä vaihtoehtoja UMTS:lle on? Mikä on UMTS:n rooli maailmassa? Mikä teknologia mahdollistaa UMTS:n? Mihin UMTS:ia käytetään? UMTS:a kutsutaan kolmannen sukupolven matkapuhelinteknologiaksi. Ensimmäiset matkapuhelinpalvelut aloitettiin maailmassa 1970-luvun lopussa ja 1980-luvun alussa. Ensimmäisen sukupolven matkapuhelinverkot käyttävät analoogista langatonta teknologiaa, ja niiden tilaajamäärät ovat tasaisessa laskussa digitaalisten matkapuhelinverkkojen viedessä niiltä käyttäjiä. Ensimmäisen sukupolven verkkoja ovat NMT, AMPS ja TACS. Toinen sukupolvi matkapuhelinteknologiassa on digitaaliset matkapuhelinverkot. Digitaalinen teknologia tarjoaa paremman äänenlaadun, turvallisuuspalvelut sekä pohjan arvoalisääville palveluille. Maailmassa on kolme digitaalista langatonta päästandardia: GSM, D-AMPS ja PDC. UMTS rakennetaan jo olemassaolevan digitaalisen verkon päälle. Nykyistä digitaalista GSM-verkkoa kehitetään askeleittain UMTS:ia kohden. Eri tekniikat nostavat GSM:n datansiirtonopeutta sekä lisäävät pakettikytkentäisen siirron mahdollisuuden. Eri valmistajien ratkaisujen tulisi olla yhteensopivia, jotta asiakas voisi kilpailuttaa eri osat eri valmistajien välillä, eikä olisi sidottu pitkäksi ajaksi yhteen toimittajaan.

Standardin muotoutumisvaihe on tärkeä laitevalmistajille. Panostukset tuotekehitykseen ovat suuria ja standardeja täytyy kuunnella. ITU pyrkii tekemään globaalinen standardin kolmannelle sukupolvelle nimeltään IMT-2000. UMTS on ETSI:n ehdotus IMT-2000 perheeseen. Japani kannattaa UMTS:ia, Aasian kantaa ei tiedetä ja Yhdysvalloissa tilanne on sekava. Keväällä 2000 standardin pitäisi olla valmis. Siitä todennäköisesti tulee useampia ehdotuksia yhdistävä. UMTS:n teknologia perustuu liityntäverkon ilmarajapinnan parantamiseen. WCDMA on valittu teknologiaksi. Sen avulla datansiirtonopeus voidaan nostaa 384 kbit/s laajoilla alueilla ja 2Mbit/s rajatuilla alueilla. Ongelmana on kaistan täyttyminen suurilla nopeuksilla. Tähän asti mobiilikommunikaatio on ollut äänikeskeistä. UMTS tarjoaa multimediapalvelut. Sen käyttömahdollisuudet ovat valtavat. Vuoden 2003 lopussa maailmassa on oletettu olevan noin 830 miljoonaa langattomien verkkojen käyttäjää, ja yli 700 miljoonaa Internet-tilaajaa. Tämä antaa osviittaa siihen, että myös langaton Internetin käyttö olisi kasvussa. Trendit ihmisten elintavoissa, kuten liikkuvuuden lisääntyminen ja ajankäytön tehostaminen lupaavat hyvää UMTS:n käytölle. SISÄLLYSLUETTELO 1 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 1 2 JOHDANTO 3 2.1 TAUSTA 3 2.2 TUTKIMUSONGELMA 3 2.3 TAVOITTEET 3 2.4 RAJAUKSET 4 2.5 RAPORTIN RAKENNE 4 3 AIHEEN KÄSITTELY 5 3.1 HISTORIA 5

3.1.1 Ensimmäinen sukupolvi 5 3.1.2 Toinen sukupolvi 6 3.2 KEHITYSPOLKU 8 3.2.1 HSCSD 9 3.2.2 GPRS 10 3.2.3 EDGE 10 3.2.4 Muiden teknologioiden kehityspolut 12 3.3 ERI LEIRIT JA STANDARDOINTI 13 3.3.1 Euroopan standardi 14 3.3.2 Pohjois-Amerikan standardi 15 3.3.3 Aasian ja Japanin standardit 16 3.3.4 ITU:n IMT-2000 standardi 17 3.4 TEKNOLOGIA 19 3.4.1 FDD ja TDD 20 3.4.2 Taajuuskaistat 20 3.4.3 WCDMA-teknologia 22 3.5 PALVELUT JA KÄYTTÖ 24 3.5.1 Käytön aloitus 27 3.5.2 Palveluiden hinta 27 3.6 TULEVAISUUS 28 3.6.1 Käyttäjämäärä ja alueellinen jakauma 28 3.6.2 Käytön laatu 30 3.6.3 Muuta UMTS:n tulevaisuudesta 31 4 JOHTOPÄÄTÖKSET 32 5 VIITTEET 33 1 1 Symboli- ja lyhenneluettelo AAL2 Asynchronous Transfer Mode Adaption Layer 2 AMPS Advanced Mobile Phone System ATM Asynchronous Transfer Mode CAMEL Customised Application for Mobile Enhanced Logic CDMA Code Division Multiple Access

cdma2000 IS-95 standardiin perustuva kolmannen sukupolven ehdotus CEPT D-AMPS The European Conference of Postal and Telecommunications Administration Digital Advanced Mobile Phone System (IS-136) DECT Digital European Cordless Telephone EDGE Evolved Data Rates for GSM Evolution ERC European Radio Committee ETACS Extended Total Access Communications System ETSI European Telecommunications Standards institute FDD Frequency Division Duplex FMA Frames Multiple Access GPRS General Packet Radio Services GSM Global System for Mobile Communications HCS Hierarchical Cell Structure HSCSD High-Speed circui-switched Data IFHO Inter-Frequency Handoff IMT-2000 International Mobile Telecommunications System IP Internet Protocol IS-136 D-AMPS IS-95 yhdysvaltalainen digitaalinen standardi ISDN Integrated Services Digital Network

ITU International Telecommunication union LAN Local Area Network NMT Nordic Mobile Telephone OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor PDC Personal Digital Cellular TACS Total Access Communications System TD-CDMA Time Division - Code Division Multiple Access TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access UMTS Universal Mobile Telecommunications System UWC-136 Universal Wireless Communications Consortium WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WTDMA Wideband Time Division Multiple Access YK Yhdistyneet Kansakunnat 2 Johdanto 2.1 Tausta Suomi on telekommunikaatiomarkkinana maailman edistyksellisimpiä. Ensimmäisenä maana maailmassa matkapuhelinpenetraatio ylitti 60%. Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), näkyy paljon lehdistössä

Suomessa. Ensimmäisenä maana maailmassa kolmannen sukupolven lisenssit matkapuhelinoperaattoreille on jaettu, ja UMTS-verkkojen rakentaminen voidaan aloittaa. Tämä raportti on Teknillisen korkeakoulun kurssiin Teletekniikan erikoistyö. 2.2 Tutkimusongelma Tämän raportin tutkimusongelma on: Mikä on UMTS? Tutkimusongelma on valittu laajaksi mutta ei syväksi tarkasteluksi. Raportin pohjalta tulisi voida ymmärtää UMTS-aiheisia artikkeleita lehdistössä. Tutkimusongelma on jaettu osaongelmiin: Mitä oli ennen UMTS:ia? Miten UMTS:iin päästään? Mitä vaihtoehtoja UMTS:lle on? Mikä on UMTS:n rooli maailmassa? Mikä teknologia mahdollistaa UMTS:n? Mihin UMTS:ia käytetään? 2.3 Tavoitteet Tämän raportin päätavoite on antaa asiaan perehtymättömälle mielikuva siitä, mitä kaikkea UMTS:iin liittyy, jotta vastaisuudessa olisi helppoa ymmärtää aiheen ympärillä käytyä keskustelua. Päätavoite voidaan jakaa alatavoitteisiin, jotka ovat: Selittää tämänhetkinen tilanne maailman matkapuhelinverkoissa ennen siirtymistä UMTS:iin. Selostaa kehityspolku UMTS:iin.

Käydä läpi UMTS:n vaihtoehtoja. Tutkia UMTS:n merkitystä maailmanlaajuisesti. Käydä pinnallisesti läpi UMTS:a mahdollistavaa teknologiaa. Pohtia UMTS:n mahdollistamia palveluja. 2.4 Rajaukset Raportti on rajattu laajan aihepiirin kattavaksi, mutta ei ole tarkoitus mennä mihinkään aihepiiriin syvällisesti sisään. Tämä tarkoittaa, että raportissa on tarkoitus antaa aiheeseen perehtymättömälle kuva siitä, mitä UMTS:iin liittyy. Näitä eri asioita, jotka siihen liittyvät, ei ole käyty syvälti läpi. Tämä raportti ei esimerkiksi pureudu UMTS:n tai kilpailevien ratkaisujen teknologioihin. Raportti on tarkoitettu pohjaksi ymmärtämiselle, ei kaiken hallitsemiseen. Myös kokonaisia aihepiirejä on rajattu ulos. Lisenssien jako on rajattu kokonaan työn ulkopuolelle. Suomessa ei ole käyty lisenssihuutokauppaa, vaan hallitus jakoi lisenssit ilmaiseksi. Raportissa ei myöskään ole paneuduttu satelliittiosaan UMTS:sta. Se on tärkeä osa UMTS:ia, mutta aihepiirinä se on oma laaja kokonaisuutensa. Sen rooliin ei ole keskitytty tässä työssä. Teknologiakäsittelyssä on pyritty mainitsemaan ne konseptit, joita saatetaan mainita UMTS-lehdistökeskustelussa. Tämän raportin teknologiakäsittely ei riitä UMTS-teknologian ymmärtämiseen. 2.5 Raportin rakenne Kappaleessa 3.1 käydään läpi matkapuhelinhistoria UMTS:n kannalta, eli mitä on ollut ennen UMTS:ia. Kappaleessa 3.2 jatketaan tästä hetkestä tulevaisuuteen eli miten päästään UMTS:iin. Kappale 3.3 kuvaa eri pelureiden roolia mennessä kohti standardoituja kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoja. UMTS:n mahdollistavaa teknologiaa on nimetty kappaleessa 3.4. Kappaleessa 3.5 kuvataan UMTS-maailmassa mahdollisesti tarjollaolevia palveluita. Lopuksi kappaleessa 3.6 kuvataan

UMTS:n tulevaisuuden näkymiä. Kappale 4 vetää yhteen tämän erikoistyön. 3 Aiheen käsittely 3.1 Historia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) pohjautuu matkapuhelinteknologiaan. UMTS:a kutsutaan kolmannen sukupolven matkapuhelinteknologiaksi. Tässä kappalessa esitellään lyhyesti ensimmäisen ja toisen sukupolven matkapuhelinteknologiat. Vuoden 1997 lopussa maailmassa oli 210 miljoonaa matkapuhelinkäyttäjää. Nämä kaikki käyttävät ensimmäisen tai toisen sukupolven teknologioita, sillä kolmannen sukupolven teknologiat eivät ole vielä tällä hetkellä kaupallisessa käytössä. 3.1.1 Ensimmäinen sukupolvi Ensimmäiset matkapuhelinpalvelut aloitettiin maailmassa 1970-luvun lopussa ja 1980-luvun alussa. Ensimmäisen sukupolven matkapuhelinverkot käyttävät analoogista langatonta teknologiaa. Ensimmäisen sukupolven matkapuhelinverkoista suosituimmat ovat kaikki yhä toiminnassa jollain tasolla, mutta niiden tilaajamäärät ovat tasaisessa laskussa digitaalisten matkapuhelinverkkojen viedessä niiltä käyttäjiä. Ensimmäisen sukupolven verkoille on tyypillistä laajat kattavuusalueet ja verrattaen heikko äänenlaatu. 3.1.1.1 NMT NMT (Nordic Mobile Telephone) on ensimmäinen kaupallisessa käytössä ollut analooginen systeemi. Se lanseerattiin vuonna 1979. Se oli alunperin käytössä Ruotsissa, Norjassa, Tanskassa ja Suomessa. Pohjoismaista NMT levisi myös muille alueille, mutta tällä hetkellä NMT:tä ollaan ajamassa alas. Soneralla esimerkiksi on verkkovierailu enää vain Alankomaiden, Norja, Ruotsin ja Tanskan kanssa, koska muissa maissa verkko on jo lopetettu. 3.1.1.2 AMPS

Pohjois-Amerikasta liikkeellelähtenyt AMPS (Advanced Mobile Phone Service) lanseerattiin vuonna 1982. AMPS:sta tuli parhaiten menestynyt analoginen standardi. AMPS verkkoja löytyy nykyään jokaisesta maanosasta. 3.1.1.3 TACS TACS (Total Access Communications System) suunniteltiin Englannissa, ja se perustuu AMPS:iin. Alkuperäistä TACS-spesifikaatiota parannettiin, ja sen nimeksi tuli ETACS (Extended TACS). TACS/ETACS verkot ovat laajentuneet Englannista muihin maihin, erityisesti Aasian-Tyynenmeren alueelle. 3.1.2 Toinen sukupolvi Toinen sukupolvi matkapuhelinteknologiassa on digitaaliset matkapuhelinverkot. Toista sukupolvea ruvettiin kehittämään, kun tuli tarve parantaa ensimmäisen sukupolven matkapuhelinverkkojen äänenlaatua, kattavuutta ja kapasiteettia. Digitaaliset matkapuhelinverkot otettiin käyttöön 1990 -luvun alussa. Digitaalinen teknologia tarjoaa paremman äänenlaadun, turvallisuuspalvelut sekä pohjan arvoalisääville palveluille. Digitaalisessa verkossa voidaan palvella suurempi määrä tilaajia/taajuusmäärä kuin analogisessa verkossa. Maailmassa on kolme digitaalista langatonta päästandardia: GSM (Global System for Mobile Communications) D-AMPS IS-136 (Digital Advanced Mobile Phone Service) PDC (Personal Digital communications) Ne kaikki hyödyntävät TDMA (Time Division Multiple Access) -teknologiaa, jossa taajuuskaista on jaettu aikaväleihin. Tämä tarkoittaa että monet yhtäaikaiset puhelut voivat jakaa saman taajuuskaistan. Alla on esitelty maailman neljä digitaalista standardia. 3.1.2.1 GSM Suurimmassa osassa Eurooppaa toisen sukupolven teknologia on GSM. Ensimmäisen kaupallisen GSM-palvelun Euroopassa aloitti

Radiolinja Oy vuonna 1992. GSM on maailman eniten käytetty digitaalinen standardi. Sillä oli kesäkuussa 1998 97,6 miljoonaa tilaajaa. 3.1.2.2 D-AMPS IS-136 Yhdysvalloissa on useita digitaalimatkapuhelinverkkostandardeja. Tärkein niistä on IS-136 D-AMPS, jota kutsutaan nykyään Pohjois-Amerikan TDMA:ksi. D-AMPS:ia käytetään Amerikoissa ja Aasian-Tyynenmeren alueella sekä joissain Itä-Euroopan maissa. D-AMPS:illä oli 13 miljoonaa tilaajaa kesäkuussa 1998. 3.1.2.3 PDC Japanissa käytetään digitaalisena matkapuheliverkkoteknologiana PDC:tä. Japani kehitti PDC-standardin itse, eikä sitä käytetä muualla maailmassa. PDC:llä oli 33 miljoonaa tilaajaa kesäkuussa 1998. 3.1.2.4 IS-95 IS-95 on neljäs digitaalinen standardi, joka perustuu kapeakaistaiseen CDMA:han (Code Division Multiple Access). Kesäkuussa 1998 sillä oli 13 miljoonaa tilaajaa, joista noin 9 miljoonaa oli etelä-korealaisia. Kuvaan 3.1 on kerätty toisen sukupolven matkapuhelinverkkojen tilaajamäärät. Kuva 3.1 Toisen sukupolven matkapuhelinverkkojen tilaajamäärät Kuvasta 3.1 nähdään, että D-AMPS ei tällä hetkellä vaikuta kovin merkittävältä. Toisaalta sen edeltäjä AMPS on maailman suosituin analoginen standardi, joten yhdessä niillä on suuri volyymi. AMPS:n käytön vaihto D-AMPS:n ei ole vielä niin pitkällä kuin NMT:n vaihto GSM:ään, joten D-AMPS:n käyttäjien määrän odotetaan nousevan voimakkaasti. UMTS rakentuu GSM:n päälle, kuten myöhemmin selostetaan, joten suuri nykyinen GSM-tilaajamäärä antaa voimaa UMTS:ia kannattaville osapuolille neuvotellessa globaalista standardista. Asiaan palataan kappaleessa 3.3. 3.2 Kehityspolku

UMTS ei ole uusi matkapuhelinverkko, joka rakennetaan alusta asti, vaan se rakennetaan useimmissa tapauksissa nykyisen jo olemassaolevan digitaalisen verkon päälle. Mikäli UMTS-operaattorilla ei ole aikaisemmin ollut matkapuhelinverkkoa, rakentaa se sen alusta asti. UMTS:ia ei rakenneta kerralla, vaan nykyistä digitaalista GSM-verkkoa kehitetään askeleittain UMTS:ia kohden. Tässä kappaleessa kuvataan GSM:n evoluutiota UMTS:iksi. Nykyisellään GSM-verkko käyttää piirikytkentäistä datansiirtoa ja saavuttaa bittinopeuden 9.6 kbit/s. Ensimmäinen kehitysaskel tähän on HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), joka on siis suurempinopeuksinen mutta yhä piirikytkentäinen datansiirtotekniikka. Seuraava kehitysaskel GPRS (General Packet Radio Service) on pakettikytkentäinen. HSCSD ja GPRS -tekniikat ovat toisiaan täydentävät. Niillä voidaan GSM-verkkojen datanopeudet nostaa noin 100 kbit/s saakka, mikä on kymmenkertainen verrattuna alkuperäiseen nopeuteen. Tämä vastaa lähes ISDN:n (Integrated Services Digital Network) nopeutta. Siirtyminen pakettidataan GPRS:ssä on merkittävä askel mennessä kolmenteen sukupolveen. Kun modernisoidaan verkot käsittelemään ATM:ää (Asynchronous Transfer Mode) ja pakettidataa se tarkoittaa että ydinverkot ovat jo kykeneviä kolmanteen sukupolveen. Sen jälkeen myös liityntäilmarajapinta tulee parantaa tukemaan kolmatta sukupolvea. Ilmarajapinnan parantamiseen palataan kappaleessa 3.4. Pakettidatapalveluiden lanseeraus GPRS:ssä saa aikaan saumattoman siirtymisen toisesta sukupolvesta kolmanteen. Viimeinen kehitysaskel mentäessä GSM:stä UMTS:iin on EDGE (Evolved Data Rates for GSM Evolution). EDGE voidaan asentaa sekä GSM:ään että D-AMPS:iin. Sen avulla voidaan saavuttaa parhaimmillaan 384 kbit/s:n datanopeus. EDGE:ssä käytetään korkean luokan modulaatiomenetelmää ja tuetaan molempia pakettija piirikytkentäistä dataa. Kuvaan 3.2 on koottu GSM:n evoluutio UMTS:iin. Kuvassa 3.2 esiintyy kaksi uutta termiä, CAMEL (Customised Application for Mobile Enhanced Logic) ja IMT-2000 (International Mobile Telecommunications System). CAMEL tarkoittaa sitä, että GSM:ssä on kotiverkon älyverkkopalvelut myös vieraissa verkoissa. IMT-2000 on globaaliksi tarkoitettu kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkostandardi, jossa UMTS on yksi ehdokas. IMT-2000:tta käsitellään kappaleessa 3.3.4.

Kuva 3.2 GSM:n evoluutio UMTS/IMT-2000:een Näistä kehitysaskelista digitaaliseen verkkoon on pysyvää hyötyä. Alkuvaiheessa kun kolmannen sukupolven matkapuhelinverkot lanseerataan, niin ne kattavat vain saarekkeita suurimmissa kaupungeissa. Mikäli operaattori on tarjonnut GPRS:ää toisen sukupolven GSM-verkon päällä, niin kolmannen sukupolven teknologian käyttäjä on kykenevä dualmoodipäätelaitteella verkkovierailuun kolmannen sukupolven matkapuhelinverkon kantoalueen ulkopuolella, ja saa käyttöönsä silti kolmannen sukupolven palvelut ja aplikaatiot, tosin pienemmällä datansiirtonopeudella. Todennäköisesti kolmas sukupolvi ei tule kattamaan samoja alueita kuin nykyiset digitaaliset verkot, joten verkkovierailulle tulee tarvetta myöhemminkin. EDGE puolestaan kykenee välittämään dataa niin nopeasti, että on jopa heitetty ilmaan ajatus, että EDGE olisi UMTS:n vaihtoehtona rakentaa kolmannen sukupolven matkaviestinverkko. 3.2.1 HSCSD HSCSD on multi slot tekniikka, jossa piirikytkentäiseen datansiirtoon saadaan käyttöön useita aikavälejä samanaikaisesti nykyisen yhden asemasta. Teoriassa on mahdollista käyttää kahdeksaa aikaväliä, eli silloin voidaan päästä 8 * 9.6 kbit/s:n eli yhteensä 76.8 kbit/s:n siirtonopeuteen. Tämä tekniikka tulee käyttöön vielä tämän vuoden puolella. Lähitulevaisuudessa käyttöön tulee vielä 14.4 kbit:n koodekki, joka mahdollistaaa teoriassa kahdeksassa aikavälissä 8 * 14.4 kbit/s = 115.2 kbit/s:n siirtonopeuden piirikytkentäiselle datalle. Käyttäjän kokema nopeus on paljon teoreettista arvoa pienempi. HSCSD:n siirtonopeus on riittävä joillekin visuaalisille kommunikaatioapplikaatioille. Täten HSCSD sopii esimerkikisi on-line kuvan lähettämiseen. 3.2.2 GPRS

GPRS on tiedonsiirtotekniikka joka ei luo virtuaalista kiinteää kanavaa matkapuhelinpäätelaitteesta tiedon siirtoon ja vastaanottoon, vaan siirtää ja vastaanottaa dataa paketteina. GPRS on suunniteltu toimimaan nykyisen jo olemassaolevan GSM infrastruktuurin kanssa lisäämällä pakettikytkentäsolmuja, joten GPRS peitto saadaan aikaiseksi nopeasti. GPRS-puhelin käyttää alkuvaiheessa standardoitua CS-2 koodekkia, joka mahdollistaa 14.4 kbit/s yhdessä aikavälissä. Kun käyttöön otetaan useita aikavälejä, tiedonsiirtonopeus nousee samassa suhteessa. Teoriassa on mahdollista käyttää kahdeksaa aikaväliä, jolloin päästään jopa 115 kbit/s:n siirtonopeuteen. Ensivaiheessa joudutaan tyytymään ehkä 2-4 aikaväliin, riippuen käytettävän laitteen ominaisuuksista. GPRS tukee tärkeimpiä datakommunikaatioprotokollia, kuten esimerkiksi X.25 ja IP (Internet Protocol). Pakettien siirtäminen tapahtuu samoin kuin langallisessa dataverkossa niin sanotulla best effort -menetelmällä. Pakettidata tarjoaa kehittyneen spektrumitehokkuuden, sillä GPRS:n radioresurssit voidaan jakaa samanaikaisesti usean käyttäjän kesken. Lisäksi GPRS-puhelin pystyy esimerkiksi ottamaan samanaikaisesti vastaan sähköpostia kuin sillä puhutaan. GPRS:ssä käyttäjät voivat olla kytkettyinä liityntäverkkoon niin kauan kuin haluavat. Käyttäjiltä veloitetaan vain siirretyn datan määrän perusteella. GPRS soveltuu esimerkiksi web-suffailuun, joka ei ole aikariippuvaista. GPRS lanseerataan kaupalliseen käyttöön vielä vuoden 1999 kuluessa. Sekä Ericsson että Nokia ovat ilmoittaneet, että GPRS-laitteita tulee myyntiin ensi vuoden aikana. GPRS on standardoitu ETSI:ssä (European Telecommunications Standards institute). ETSI:ä on käsitelty enemmän kappalessa 3.3.1. 3.2.3 EDGE EDGE:n käyttöönotto on viimeinen askel matkalla kolmannen sukupolven matkapuhelinmaailmaan. EDGE tekee mahdolliseksi hyödyntää GPRS:n kaikki mahdollisuudet. Tämä on saavutettu nopealla yhteyksien luomisella, suuremmalla bittinopeudella aikajaksoa kohden ja sillä, että monet käyttäjät voivat jakaa saman kanavan. EDGE on mahdollista ottaa käyttöön suhteellisen pienillä lisäyksillä kovatavaraan ja ohjelmistoihin. EDGE-teknologia, samoin kuin GSM, pohjautuu TDMA:han. TDMA kehysrakenne ja looginen kanavarakenne ovat samoja EDGE:ssä ja GSM:ssä. 200 khz:n kantoaallon kaistanleveys, joka pysyy samana kuin GSM:ssä, saa aikaan sen, että EDGE on sopiva GSM-verkkoihin. Suurin ero GSM:llä ja EDGE:llä on EDGE:n korkeampilaatuinen modulointi. Tämä uusi korkeantason modulointi sallii bittinopeuden 64 kbit/s aikajaksoa kohden, ja siitä seurauksena onnistuu 384 kbit/s:n datansiirtonopeus. Tämä 384 kbit/s voidaan siis saavuttaa nykyisissä GSM-verkoissa, kun EDGE yhdistetään GPRS- ja multi slot- tekniikkaan. EDGE:n uusi modulaatiotekniikka

on kuvattu taulukossa 3.1. Taulukko 3.1 GSM-modulaatio verrattuna EDGE-modulaatioon GSM EDGE: GSM korkean tason moduloinnin kanssa modulaatio GMSK 16 QAM kantajakaistanleveys 200 khz 200 khz modulaatiotehokkuus 1.35 3.2 modulaatiobittinopeus 270 kbit/s 640 kbps käyttäjädatanopeus aikajaksossa 14.4 kbit/s 64 kbit/s teoreettinen käyttäjädatanopeus 115 kbit/s (GPRS) 384 kbit/s EDGE vaatii maksimitoimivuuteensa korkeamman radiosignaalilaadun kuin GSM. Systeemi kuitenkin adaptoituu automaattisesti radio-oloihin. Tätä kutsutaan linkkiadaptoinniksi. GSM:llä ja sen kehitysversioilla GPRS:llä ja EDGE:llä saadaan 115 kbits/s laajoilla alueilla 384 kbit/s paikallisilla alueilla Vertailun vuoksi jo tässä annetaan WCDMA:n (Wideband Code Division Multiple Access) nopeudet. WCDMA on UMTS:n ilmarajapintateknologia. 384 kbit/s laajoilla alueilla 2 Mbit/s paikallisilla alueilla

EDGE tulee markkinoille vuonna 2001. Kolmannen sukupolven kehitysaskeleeksi GSM-EDGE:stä UMTS:iin muodostuu verkkojen ilmarajapinnan tehokkuuden paraneminen, mikä on nopeiden datasovellusten vaatimus. Erityisesti purskeisten palvelujen tehokkuus langattomassa käytössä paranee voimakkaasti. 3.2.4 Muiden teknologioiden kehityspolut Muilla toisen sukupolven digitaalisilla matkapuhelinverkoilla on GSM:n evoluutiopolkua vastaava polku kolmanteen sukupolveen. Tosin asia ei ole tällä hetkellä täysin yksikäsitteinen. Amerikkalaisessa D-AMPS:ssa toisen sukupolven verkon kehittäminen on samankaltaista kuin GSM:ssä. GSM ja D-AMPS eivät ole nykyään yhteensopivia. Kuitenkin, tulevaisuudessa D-AMPS IS-136-verkkoa ja GSM-verkkoa voitaneen käyttää yhdellä dualmoodipäätelaitteella. D-AMPS IS-136 kehitetetään ensin IS-136+:ksi. Kaupallisesti tämän IS-136+:n pitäisi tulla markkinnoille vuonna 2000. IS-136+ tarjoaa korkean toistotarkkuuden äänipalveluissa ja korkeamman pakettidatapalvelun; jopa 43.2 kbit/s nykyisessä 30 khz:n kaistassa. D-AMPS:n ja GSM:n EDGE-teknologia on sama. D-AMPS:n siirtyminen kolmanteen sukupolveen on monimutkaista. UMTS ei sellaisenaan sovellu D-AMPS:n päälle, koska osa UTMS:n taajuuksista on jo käytössä D-AMPS:ssa. Japanilainen PDC sen sijaan voi siirtyä UMTS:iin, koska taajuuskaistat PDC:ssä ja GSM:ssä ovat olleet samat. PDC:llä ei todennäköisesti tule olemaan GSM-verkkojen tapaista evoluutiopolkua, vaan japanilaiset siirtynevät suoraan UMTS:iin. IS-95:llä on oma kehityspolku, koska IS-95 ajaa omaa kolmannen sukupolven standardia. Standardeihin palataan kappaleessa 3.3. Kuvassa 3.3 on kuvattu eri teknologioiden kehityspolkuja. GSM+ on HSCSD ja GPRS yhdessä ja GSM++ on EDGE.

Kuva 3.3 Evoluutio UMTS:iin 3.3 Eri leirit ja standardointi Nopeasti kehittyvällä teknologian alueella, kuten telekommunikaatioteollisuudessa, standardoinnilla on suuri merkitys. Eri valmistajien ratkaisujen tulisi olla yhteensopivia, jotta asiakas voisi kilpailuttaa eri osat eri valmistajien välillä, eikä olisi sidottu pitkäksi ajaksi yhteen toimittajaan. Standardit pyrkivät avoimiin alustoihin ja yhteensopivuuteen. Standardin muotoutumisvaihe on tärkeä laitevalmistajille. Panostukset tuotekehitykseen ovat suuria ja se valmistaja, joka on arvannut mahdollisimman aikaisessa vaiheessa oikein tulevan standardin, on kyennyt sijoittamaan tuotekehitysinvestointinsa oikeisiin asioihin. Se valmistaja, joka on arvannut väärin, pahimmassa tapauksessa sekä on menettänyt kaikki tuotekehitysinvestointinsa että on useita vuosia jäljessä kilpailijoidensa teknologiakehitystä. Standardien muotoutumiseen vaikuttavat monet asiat, ei vähiten laitevalmistajien koko ja politikointi. ITU (International Telecommunication Union) on globaali myös telekommunikaatioalaa standardoiva kattojärjestö. ETSI on sen Eurooppalainen tytärjärjestö, jossa standardoidaan Euroopan telekommunikaatioalan teknologiat. UMTS on Eurooppalaiseen GSM:ään pohjaava teknologia, eli UMTS standardoidaan ETSI:ssä. WCDMA:lla, joka on UMTS:n teknologian perusta eli ilmarajapintateknologia, on kilpailevia teknologioita. Merkittävimpiä vaihtoehtoja lienee amerikkalainen TDMA:n jatkokehitelmä sekä IS-95-tekniikkaan pohjautuva cdma2000. Alla kolme pääasiallista maantieteellistä aluetta on käyty läpi sen suhteen, että mitä standardia ne ajavat kolmanteen sukupolveen. Lopuksi IMT-2000, eli ITU:n globaali kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmästandardi on esitelty. Kuva 3.4 selvittää tilannetta.

Kuva 3.4 Prosessi IMT-2000 standardiin 3.3.1 Euroopan standardi Kun standardoidaan kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoa Euroopassa, niin mukana suunnittelu-ja kehitystyössä on ainakin viisi järjestöä: ETSI tekee uuden järjestelmän teknisiä standardeja. CEPT:in (The European Conference of Postal and Telecommunications Administration) ERC (European Radio Committee) valmistelee radiotaajuuksiin ja niiden käyttöönottoon liittyviä asioita. UMTS Forum edustaa teollisuuden ja operaattorien mielipidettä erilaisissa UMTS:in käyttöönottoon liittyvissä asioissa. GSM Association (GSM MoU Association) on kansainvälinen järjestö, johon kuuluu GSM-matkaviestinverkkojen operaattoreita. Euroopan Komissio harmonisoi 15 jäsenvaltionsa toimenpiteitä UMTS:in käyttöönoton suhteen. UMTS:n tutkiminen aloitettiin 1980-luvulla ja standardointiprosessi alkoi ETSI:ssä vuonna 1991. Alunperin erilaisia ehdotuksia ilmarajapinnaksi oli toistakymmentä

kappaletta. Lopulta Nokian ja Ericssonin kannattama WCDMA oli vastassa Siemensin ja Alcatelin kehittämää TDMA:ata. TDMA hyödyntää laajakaistaista TD-CDMA (Time Division - Code Division Multiple Access) -yhdistelmäratkaisua. TD-CDMA -leiriin kuuluvat Siemens, Alcatel, Bosch, Italtel, Motorola, Nortel ja Sony. WCDMA -leiriin kuuluvat Nokia, Ericsson ja japanilaiset valmistajat. ETSI päätti Pariisissa 1998-01-29 oman ratkaisunsa näiden kahden leirin välillä. ETSI ei kyennyt teknisin perustein tekemään selvää eroa ratkaisuehdotusten välillä. Vaa'assa painoivat enemmän massamarkkinat, teknologian kypsyys ja potentiaalisuus globaaliksi standardiksi. Siemensin delta-konsepti oli 1-1,5 vuotta jäljessä Nokian ja Ericssonin WCDMA:ata. ETSI:n päätös oli jonkin asteen sopuratkaisu, sillä se sisältää komponentteja molempien pääleirien ehdotuksista. Kuitenkin tuleva standardi pohjautuu pitkälti Nokian ja Ericssonin ehdotukseen. ETSI päätti, että WCDMA on UMTS:n ilmarajapinta. 3.3.2 Pohjois-Amerikan standardi Yhdysvalloissa on sekä WTDMA:han (Wide Band Time Division Multiple Access) että WCDMA:han perustuvia ehdotuksia kolmannen polven mobiiliverkoiksi. Kaiken kaikkiaan siellä on kehitteillä noin 5 kolmannen sukupolven matkapuhelinverkko-konseptia, jotka kaikki ovat yhteensopimattomia. Kun Euroopassa GSM on standardi, AMPS/D-AMPS:n voidaan sanoa saavuttaneen standardin aseman U.S.A:ssa. Sen kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoratkaisun nimi on UWC-136 (Universal Wireless Communications), joka on annettu ITU:un jäsenehdokkaaksi IMT-2000 perheeseen. UWC-136, samoin kuin UMTS, antaa käyttäjälle jopa 384 kbit/s laajoilla alueilla ja 2 Mbit/s rakennuksien sisällä. Toinen tärkeä toisen sukupolven verkkoteknologia Yhdysvalloissa on IS-95. Sen kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkoratkaisun nimi on cdma2000. Se perustuu siis samoin kuin UMTS CDMA-teknologiaan. On vaikea arvata minkä kolmannen sukupolven teknologian tällä hetkellä eri teknologioita käyttävät operaattorit valitsevat Yhdysvalloissa. UMTS:n käyttö on D-AMPS ja IS-95 verkoissa hankalaa, koska osa UMTS:n taajuuksista on jo nykyisten verkkojen käytössä. Tämä vaatisi taajuuksien tyhjentämistä, mikä on käytännössä vaikeaa. Yhdysvallat eivät ole ennenkään onnistuneet saamaan aikaan yhtä yhtäsopivaa teknologiaa. Sillä oli monia eri ehdotuksia kolmanteen sukupolveen, ja siellä on jopa kaksi eri standardointijärjestöä. Yhdysvaltojen osapuolien riidellessä keskenään on mahdollista, että UMTS saa kannatusta siellä, koskei kerran niin sanottua kotimaista standardia löydy.

3.3.3 Aasian ja Japanin standardit PDC:tä käytetään ainoastaan Japanissa. Japanin korkean väestöntiheyden takia matkapuhelinoperaattorit tarvitsevat verkkoihinsa lisäkapasiteettia pian. Japani onkin todennäköisesti ensimmäinen maa, jossa lanseerataan kaupallinen kolmannen sukupolven matkapuhelinverkko. Japanissa on monia vahvoja matkapuhelinlaitevalmistajia. PDC-verkon ainutlaatuisuuden takia japanilaiset valmistajat ovat tehneet korkealaatuisia tuotteita PDC-verkkoon, mutta niiden markkinaosuudet muiden verkkoteknologioiden eri tuotesegmenteissä ovat jääneet pieniksi. Japanilaiset laitevalmistajat ovat ikäänkuin johtavia maailmassa, mutta ainoastaan PDC-teknologiassa, jolle on suuret mutta rajalliset markkinat. Japanilaiset haluavatkin osaksi globaalia valtavirtaa mobiilikehityksessä. Tämän takia japanilaiset liittoutuivat ETSI:in ja valitsivat UMTS:n standardikseen. Japanin suurin teleoperaattori NTT DoCoMo on ilmoittanut käyttävänsä GSM-infrastruktuuria seuraavan polven verkoissaan. Muualla Aasiassa on paljon GSM-verkkoja, minkä on luultu aiheuttavan luonnollisen UMTS:n ja WCDMA:n valinnan. Paikoitellen näin varmasti onkin, mutta asia ei ole näin yksiselitteinen. Esimerkiksi Kiinassa vahvan GSM-pohjan on uskottu vaikuttavan päätöksentekoon. Tuoreimman tiedon mukaan on alettu arvailla että Kiina valitsee johtavan yhdysvaltalaisen järjestelmän. Tällaisen ratkaisun uskotaan koituvan Kiinan telekommunikaatiosektorin hyödyksi. Tämä olisi takaisku eurooppalaisille valmistajille ja hyvä uutinen yhdysvaltalaisyhtiöille kuten Motorolalle ja Lucent Technologiesille, koska Kiina on valtava markkinamaa. Tällä hetkellä Aasiassa matkapuhelinpenetraatio ei ole kovin korkea Japania lukuunottamatta. Kunhan tämänhetkinen talouskriisi Aasiassa loppuu, niin sen ihmismäärän suuruuden vuoksi siellä on todella paljon potentiaalisia matkapuhelinkäyttäjiä. Tämän vuoksi Aasian standardilla on suuri merkitys globaaliin kolmannen sukupolven standardiin. 3.3.4 ITU:n IMT-2000 standardi Genevessä sijaitseva YK:n (Yhdistyneet Kansankunnat) alainen kansainvälinen telejärjestö ITU on määritellyt IMT-2000:n avoimeksi kansainväliseksi standardiksi korkean kapasiteetin ja datanopeuden mobiilikommunikaatiosysteemiksi. Se sisältää sekä maanpäällisiä että satelliittikomponentteja. IMT-2000 ratkaisua varten ehdotukset oli oltava ITU:ssa 1998-06-30 mennessä. ITU sai 15 ehdotusta. Näistä viidestätoista kymmenen oli maanpäällisiä systeemejä, ja viisi liittyi satelliittisysteemeihin. Kuusi kymmenestä maanpäällisten systeemien ehdotuksista rakentuu WCDMA konseptiin, ja sitä

kannattivat Europpaa, U.S.A., Kiina, Japani ja Etelä-Korea. Selvästikin tälle teknologialle ilmarajapinnaksi kolmannen sukupolven mobiilisysteemeihin on maailmanlaajuinen tuki. WCDMA:n kilpaileva tekniikka on TD-CDMA. Alkuperäiset ehdotukset on koottu taulukkoon 3.2. Taulukko 3.2 IMT-2000 -teknologiaehdotukset ehdottava organisaatio maa teknologia ARIB Japani WCDMA CATT Kiina TD-SCDMA ETSI Eurooppa WCDMA UTRA ETSI DECT-projekti Eurooppa DECT European Space Agency Eurooppa SWCDMA SW-CTDMA ICO N/A ICO RTT Inmarsat N/A Horizons T1P1 USA WCDMA TIA USA UWC-136 cdma2000

WINS WCDMA TTA Korea Global CDMA I & II Satellite RTT ITU päätti oman suosituksensa maailmanpuhelimeksi syyskuussa 1998. ITU:ssa tehtiin sopimus siitä, että käyttöön tulee yksi CDMA-tekniikka, johon voidaan valita kolme erilaista sovellusta. Tämä on niin kutsuttu sateenvarjomalli, jonka päämääränä on maksimoida eri tekniikoiden yhteiset elementit. Valtaosa verkkovalmistajista ryhmittyy sateenvarjostandardin alle. Siihen aiotaan ottaa ominaisuuksia sekä amerikkalaisesta cdma2000-pohjasta että eurooppalaisesta WCDMA-pohjasta. Ericssonin ostettua amerikkalaisen Qualcommin verkkoyksikön päästin irti tehokännyköitä koskevasta patenttiriidasta, joka johti juurensa standarditaistelusta. Todennäköiseltä näyttää tällä hetkellä, että tulee olemaan useita kolmannen sukupolven matkapuhelinstandardeja. Tulevan CDMA-sateenvarjon rinnalle tulee myös kolmannen sukupolven versio amerikkalaisesta TDMA-standardista. ITU yritti sovitella riitaa, jotta oltaisiin saatu yksi yhteinen maailmanlaajuinen standardi. Riidassa olivat ja ovat yhä vastakkain Euroopan standardointijärjestö ETSI, joka on ajanut UMTS:ia, sekä Yhdysvallat, joka vaatii mukaan omaa cdma2000-standardiaan. Tämä ITU:n myönnytys olla valitsematta yhtä yhteistä standardia on takaisku kolmannen sukupolven matkapuhelinteknologialle. Yksi sen ydinajatuksista oli olla maailmanpuhelin, eli käytettävissä kaikkialla maailmassa. Nyt yhteensopimattomien ratkaisujen vallitessa laitevalmistajien täytyy keksiä kiertoteitä maailmanpuhelimen luomiseksi. Multimoodipuhelimet ovat yksi vaihtoehto, jolloin puhelin toimisi kaikissa verkoissa. Toinen vaihtoehto on sateelliittien käyttö, mikä on ainoastaan rajallisesti mahdollista, sillä niiden kapasiteetti ei riitä palvelemaan monia käyttäjiä ja niiden käyttö on kallista. IMT-2000 konseptin aikataulu on seuraava. ITU:n konsensustapaamiset olivat Britanniassa marraskuussa 1998 ja Brasiliassa maaliskuussa 1999. Marraskuussa 1999 tarkastetaan tekniset tiedot. Päätös lopullisista suosituksista tehdään keväällä 2000. 3.4 Teknologia Puhelinverkko muodostuu kahdesta osasta: liityntä- eli access-verkosta ja runkoverkosta. UMTS-verkoissa liityntäverkon

kautta voidaan liittyä kaikkiin mahdollisiin runkoverkkoihin, kuten GSM, ISDN ja Internet-protokollaan perustuviin verkkoihin. Matkapuhelinverkot ovat käytännössä samanlaisia kuin tavallinen kiinteä puhelinverkko. Ainoastaan viimeinen liityntälinkki verkosta käyttäjälle on langaton eikä kiinteä. Matkapuhelinverkossa on radiotukiasemia, jotka käsittelevät radiokytkennät kaikkiin matkapuhelimiin, kun ne lähettävät tai saavat puhelun. Jokainen tukiasema palvelee suurinpiirtein pyöreää aluetta, joka voi olla muutamista sadoista metreistä kilometreihin. Koska UMTS tulee rakentumaan jo olemassaolevan verkkoinfrastruktuurin päälle, riittää kun teknologiakappaleessa tarkastellaan liityntää, eli ilmarajapintateknologiaa. Ilmarajapinta on päätelaitteen ja tukiaseman välinen yhteys. UMTS:ssa se on valittu WCDMA:ksi. On erittäin tärkeää, että UMTS rakennetaan jo olemassaolevan verkon päälle, sillä jo näinkin investoinnit tulevat niin isoiksi, että operaattorin varat saattavat kulua loppuun. Tämä aiheuttaisi sen, että operaattorilla ei olisi enää varaa kehittää verkkoa ja sen palveluita. Nyt GSM-verkkoja voidaan hyväksikäyttää vain lisäämällä WCDMA kovatavaraa, sekä lisäämällä joitain mastoja erityisesti kaupunkialueilla. Koska matkapuhelinverkot tullaan rakentamaan UMTS-toiminnallisiksi ainoastaan paikoittain, täytyy asiakkaiden saada käyttöönsä 2-3 toimintaisia päätelaitteita, jotka toimivat molemmissa UMTS- ja GSM-verkoissa. Nämä terminaalit valitsisivat automaattisesti palvelu-optimaalisen verkon. Haja-asutusalueilla laite toimisi normaalina GSM-matkapuhelimena ja isoisssa taajamissa UMTS-puhelimena. UMTS-verkko rakennetaan vain sinne, missä käyttömaksut kattavat investoinnit. Kolmannen sukupolven verkot antavat loppukäyttäjälle datanopeudet, jotka ovat yli 100 kertaa nopeammat kuin nykyisissä langattomissa verkoissa. UMTS tarjoaa 384 kbit/s:n maksimitiedonsiirtonopeuden liikkuviin sovelluksiin laajoilla alueilla. Tällöin päätelaite voi liikua jopa 500 km/h nopeudella. Siirtonopeus kannettavan puhelinosan ja tukiaseman välillä on parhammillaan jopa 2Mbit/s, jonka voi saavuttaa paikallaollessa rajoitetuilla alueilla. UMTS:n kehittyessä jopa yli 2Mbit/s:n nopeudet ovat mahdollisia, mikäli spektrumia on käytettävissä. Langattomissa mikroaalto tai infrapuna LAN-verkoissa (Local Area Network) voidaan saada datanopeuksiksi esimerkiksi 155Mbit/s rakennuksien sisällä. ETSI:ssä tutkitaan UMTS:n integroitumista näihin LAN-tekniikoihin. 3.4.1 FDD ja TDD Koska ETSI:n UMTS-suosituksessa päädyttiin yhdistämään molempien Nokia-Ericsson sekä Siemens-Alcatel leirien ratkaisujen piirteitä, ilmarajapinnalla toimii FMA-ratkaisu (Frames Multiple Access), joka tukee sekä TDMA -aikajako että CDMA -hajaspektritekniikoiden käyttöä.

UMTS:n taajuusalue jakautuu kahteen osaan: 2 * 60 MHz:n FDD (Frequency Division Duplex)-alue, jossa on omat kaistat lähettämistä ja vastaanottamista varten. Maksimissaan 35 MHz:n TDD (Time Division Duplex) -alueessa lähettäminen ja vastaanottaminen tapahtuu samalla taajuudella vuorotellen. FDD-alue hyödyntää WCDMA-teknologiaa ja sillä katetaan suuret alueet. TDD-alue hyödyntää TD-CDMA-teknologiaa ja sillä katetaan lyhyen kantaman alueet eli keskustat ja toimistot. 3.4.2 Taajuuskaistat Se kuinka paljon taajuuskaistaa tarvitaan UMTS-palveluille riippuu suoraan käyttäjien määrästä sekä liikenteen määrästä ja tyypistä. Tällä hetkellä kaistat on jo jaettu, mutta takeita niiden riittävyydestä ei ole. Mm. Teknillisen korkeakoulun professori Arto Karila sanoi Helsingin Sanomien haastattelussa, että neljä multimediasurffaajaa Aleksanterinkadulla varaa koko kaistan. Siinä missä yksi solu palvelee esimerkiksi 80 puhekäyttäjää, yksi nopeaa tiedonsiirtoa käyttävä yhteys varaa koko solun kapasiteetin. Yleisten arvioiden mukaan taajuusalueen laajennusta tarvitaan viimeistään vuonna 2010. Riittävätkö taajuudet tällöin Suomessa ja muissa maissa? Kolmas sukupolvi tarjoaa ääni ja data telekommunikaatiota 2 GHz:n taajuudessa. Vuonna 1992 the World Radio Conference päätti IMT-2000 systeemeille taajuuskaistoiksi 1886-2025 MHz ja 2110-2200 MHz. 1980-2010 MHz ja 2170-2200 MHz ovat satelliittiosa. Kesällä 1997 ERC eli euroopan radiotaajuuksien käytön suunittelusta vastaava toimielin sai lähes kaikki jäsenmaat hyväksymään ehdotuksen varata 155 MHz taajuuskaistaa UMTS-järjestelmälle. Eurooppa ja Japani ovat valinneet maanpäälliselle UMTS:ille parilliset kaistat 1920-1980 MHz ja 2110-2170 MHz. Euroopassa on myöskin parittamattomat kaistat 1900-1920 MHz ja 2010-2025 MHz. WCDMA käyttää neljä kertaa leveämpää kanavaa kuin kapeakaistainen CDMA, joten saadaan nelinkertainen kapasiteetti. Nopeaa tiedonsiirtoa vaativien palveluiden toteuttamiseen tarvitaan vähintään kolmikerrosradioverkko. Tästä syystä UMTS:n 5 MHz:n kanavajaolla tarvittava minimitaajuuskaista aloitusvaiheessa on 2*15 MHz parillista FDD-kaistaa. Joustavan UMTS-palvelun toteuttamiseksi tarvitaan tämän lisäksi 5 MHz paritonta TDD-kaistaa. UMTS:n taajuuusalueet tulevat siis toteutumaan hieman erilaisina, kuin mitä ITU on suosittanut. Kuva 3.5 selvittää tilannetta. Kuvassa MSS tarkoittaa UMTS:n satellittiyhteyttä. ITU:n suositus taajuuskaistoihin on kuvassa ylimpänä. Eurooppa ja Japani ovat pyrkineet noudattamaan ITU:n IMT-2000 suositusta. Euroopassa ei vielä tiedetä tuleeko UMTS:n kaistan alapäässä oleva pieni alue DECT:n (Digital European Cordless Telephone) vai UMTS:n käyttöön.

On arveltu sen jäävän DECT:n käyttöön. Yhdysvalloissa kaistat tulevat todennäköisesti olemaan eri, mikä aiheutta aiemminmainitun yhteensopimattomuusongelman. Kuva 3.5 UMTS:n käyttöön tulevat taajuudet 3.4.3 WCDMA-teknologia Uusi WCDMA, joka käyttää 5 MHz:n radiokanavia, on kehitetty, jotta voidaan hyödyntää CDMA:ta mahdollisimman hyvin. WCDMA:ssa voidaan saavuttaa kahdeksankertainen määrä liikennettä kantoaaltoa kohden verrattuna CDMA:han. Tämä tehokkuusparannus tarjoaa merkittävän laskun kustannus/käyttäjä hintaan, koska radiotaajuuslähettimen kustannus on jaettu usean käyttäjän kesken. WCDMA:n avulla voidaan tarjota molemmat paketti- ja piirikytkentäiset palvelut. Lisäksi jokaisessa langattomassa päätelaitteessa voidaan käyttää useita eri samanaikaisia palveluita. Jokainen WCDMA terminaalikytkentä tarjoaa jopa kuusi erilaista yhtäaikaista palvelua, kuten ääni, fax, sähköposti ja video. WCDMA käyttää uutta random-access proseduuria nopean

synkronoinnin kanssa käsittelemään 384 kbit/s pakettidatapalveluja. Tämä lyhentää yhteydenmuodostusaikaa mobiilikäyttäjän ja tukiasemien välillä muutamaan kymmenensosamillisekuntiin. WCDMA -teknologia on myöskin poistanut tarpeen tukiasemien väliseen synkronointiin. WCDMA systeemi käyttää ATM minisolusiirtoprotokollaa, joka tunnetaan ATM Adaption Layer 2:na (AAL2). AAL2 sallii suuremman määrän datapaketteja siirrossa kuin aikaisemmin. Se sallii noin 300 puhelua siirrossa yli standardi T1/E1 linjan, kun ennen pystyttiin vain 30:een puheluun. WCDMA kantoaaltojen välinen handoff-metodi on Inter-Frequency handoff, IFHO. Se helpottaa pienitehoisten mikrosolujen käyttöä. IFHO myöskin sallii mikrosolujen pinoamisen hierarkiseksi solurakenteeksi, HCS (Hierarchical Cell Structure). UMTS tukee eri solukokoja mikrosoluista rakennusten sisällä päätyen aina satelliittiyhteyksiin asti. Eri solukokoja on näytetty kuvassa 3.6. Käytettävissä-oleva tiedonsiirtonopeus riippuu solukoosta sekä päätelaitteen nopeudesta. Hierarkinen solurakenne mahdollistaa sen, että mikrosolut ovat käytössä rakennuksien sisällä ja samanaikaisesti makrosolut on sijoitettu katoille. [OBJECT] Kuva 3.6 Eri solukokoja UMTS-verkossa WCDMA tukee täysin adaptiivisia antenneja eli tekniikkaa, jossa antennisäde suunnataan jokaiseen käyttäjään. Tämä on hyödyllistä paikoissa, joissa on rajattu radiospektrumi. WCDMA käyttää multipath propagation:ia, monipolkuetenemistä, tehokkaammin kuin kapeakaistasysteemit. Tämä eliminoi vaimenemisen ongelman. Vielä yksi piirre WCDMA-teknologiaassa on voimakas Total Interference Cancellation -metodi, joka poistaa häiriön toisilta käyttäjiltä ja myös parantaa kapasiteettia. Jotta saataisiin eliminoitua häiriö käyttäjien välillä jotka operoivat eri nopeuksissa samassa kantoaallossa, WCDMA systeemi käyttää erikoista jakokoodia, jota kutsutaan Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) -koodiksi. 3.5 Palvelut ja käyttö

Tähän asti mobiilikommunikaatio on ollut äänikeskeistä, ja tarjonnut etunaan henkilökohtaisen puheviestinnän ajasta ja paikasta riippumatta. UMTS:n käyttöönoton aikoihin kilpailu mobiilipalvelujen tarjoajien välillä on kovaa, joten UTMS:n tulee tarjota jotain uutta erottuakseen jo olemassaolevista verkoista. Tästä syystä multimediaa on ajettu UMTS:n yhteyteen. UMTS mahdollistaa nopeat data- ja multimediapalvelut jopa 2Mbit/s:n nopeudella. Näillä nopeuksilla voidaan kehittää kokonaan uusia palveluja. Myös kiinteiden verkkojen laajakaistaiset palvelut voidaan ulottaa matkapuhelimien käyttäjille. UMTS:ssa on nykyistä GSM:ää parempi puheenlaatu ja se mahdollistaa laadukkaan kuvansiirron ja nopeat internet- ja datayhteydet. GSM:stä poiketen UMTS:n palveluja ei ole standardoitu. UMTS:n tavoitteena ei olekaan standardoida itse palveluja, vaan eri palveluja mahdollistavia rajapintoja. Ei ole ollut mahdollista tietää, mitkä palvelut toteutetaan, ja mitkä niistä menestyvät. Palvelut kehittyvät tulevina vuosikymmeninä kysynnän mukaan. UMTS:iin liittyviä avainasioita ovat eri verkkojen - kiinteä, liikkuva, satelliitti - helppo käyttö, integroitu viestintä ja joustava eri verkkojen välinen palvelun tarjonta, monipuoliset palvelut sekä kapea- ja laajakaistaisuus. Palveluihin liittyviä avainasioita ovat valinnaisuus ja joustavuus, henkilökohtaistetut palvelutarjonnat, innovatiiviset ja vuorovaikutteiset palvelut sekä käyttäjäystävällinen ja yksinkertainen pääsy palveluihin. UMTS:ssa korostuu tavoitettavuus. Voidaan pitää sama kiinteän verkon numero erilaisissa päätelaitteissa. Lisäksi UMTS-verkkoon myös mahdollisesti integroidaan satellittiosa, jolla harvaan asutut alueet katetaan. UMTS:ssa ulkomailla oleva tilaaja voi käyttää niita palveluita, jotka on tilannut omalta operaattoriltaan riippumatta siitä, tarjoaako ulkomaalainen operaattori näitä palveluita. Kolmannen sukupolven matkapuhelinpalvelun yksi tavoite on se, että eri mantereilla pärjäisi samalla päätelaitteella ja puhelinnumerolla. UMTS palveluille ja verkoille on luonteenomaista: rakennetaan kehittyvän GSM-verkon päälle yhteensopivia Internet protokollien kanssa tukee kiinteä-langaton konvergenssia liityntä sekä kiinteään- että mobiiliverkkoon ja sekä julkiseen- että yksityiseen verkkoon

Kuva 3.7 Kaistavaatimukset Kuvassa 3.7 on kuvattu erilaisten palveluiden kaistavaatimuksia. GPRS:n 115 kbit/s:lla kohtuullisen tasoiset videopuhelut ovat mahdollisia, mutta UMTS:in 2 Mbit/s:kin tarvitaan. UMTS:n palvelutarjonta tulee olemaan todella laaja. Nykyään kyetään vain arvailemaan, mitä kaikkia palveluja liikkuva käyttäjä voi saada ja haluta päätelaitteeseensa. Yksi UMTS:n tärkeimmistä ominaisuuksista on se, että se mahdollistaa joustavan uusien palvelujen lisäämiseen verkkoon. UMTS-päätelaite ei ole enää pelkkä puhelin, vaan yhdistelmä kämmenmikroa, faksia, Internet-liittymiä, muistikirjaa ja digitaalista kameraa. Taulukkoon 3.3 on koottu palveluita, joiden oletetaan olevan toteutettavissa UMTS:in avulla. Taulukko 3.3 Nykyään ennakoituja palveluita julkiset tietopalvelut Web interaktiivinen ostostenteko on-line lehdet on-line kieltenkääntöpalvelut koulutus- ja viihdepalvelut virtuaalikoulu on-line tiedelaboratorio on-line kirjasto koulutus audio-on-demand (vaihtoehtona CD:lle, kaseteille ja radiolle) pelit-on-demand business tieto

liikkuva toimisto kapeakaistainen business televisio kommunikaatiopalvelut henkilökohtaiset web-sivut videopuhelin videokonferenssi äänivastaus ja äänentunnistus business ja rahoitus sähköinen kaupankäynti virtuaalipankit, virtuaali SIM- ja luottokortti on-line laskutus älykkäät hakukoneet agentit ja assistentit erikoispalvelutiedot lääkäripalvelut hätäpalvelut turvallisuusmonitorointipalvelut Käyttäjäaplikaatiot on kuvattu taulukossa 3.4. Taulukko 3.4 Käyttäjäaplikaatiot applikaatio käyttö LAN tiedostonsiirto ryhmäohjelmistot sähköposti yritystiedot Internet aplikaatiot WWW videopuhelin sähköposti uutiset pelit videokonferenssi korkean laadun modulaarinen palvelu standardi ISDN paketti langaton postikortti ja sähköinen käyntikortti ääni 8 kbit/s koodekki korkealaatuinen koodekki

Multimedia-arvoketjussa ovat mukana: multimedian sisältö, multimediapalvelut, palveluisännät, jakelusysteemit, loppukäyttäjäterminaalit ja loppukäyttäjät. Multimediapalvelut muuttavat siis perinteistä telekomarvoketjua pidemmäksi. Tarvitaan multimedia service providereita, jotka ostavat sisällön esimerkiksi tv-tuottajilta ja sitten myyvät sitä asiakkaille. Nykyään viestintä tapahtuu kasvokkain, puhelimen, matkapuhelimen, television, radion, lehtien ja Internetin kautta. Tällä hetkellä ainoastaan osaa näistä voidaan kuljettaa mukana ja ainoastaan osa on interaktiivisen kommunikaation mahdollistavia. Kolmannen sukupolven myötä kaikki edelläluetut tavat voivat muuttua sekä mobiiliksi että kaksisuuntaisiksi. Ne, jotka puhuvat suurimmasta vallankumouksesta sitten puhelimen, voivat hyvinkin olla oikeassa. 3.5.1 Käytön aloitus Japani lienee ensimmäinen maa maailmassa, jossa tarjotaan kaupallisia kolmannen sukupolven matkapuhelinpalveluja. Japani avaa verkon vuonna 2000 tai 2001, koska nykyiset verkot alkavat olla täynnä. Euroopassa UMTS testiverkot on ETSI:n mukaan määrä avata vuoden 2001 alussa ja kaupalliseen käyttöön UMTS-verkot tulevat 2002-01-01. Täydessä laajuudessaan UMTS tulee toimimaan noin kolmen vuoden kuluttua siitä, kun sen toiminta on aloitettu. Investoinnit UMTS-verkkoihin ovat suuria ja prosessi aikaavievä. Esimerkiksi Suomen kokoisessa maassa koko maan kattavan UMTS -verkon rakentamisen on arvioitu maksavan 3-5 miljardia markkaa, ja se tulisi olemaan käytössä täydessä laajuudessaan vuonna 2005. 3.5.2 Palveluiden hinta Palveluiden hinta rippuu monesta tekijästä. Se riippuu mm. kilpailun määrästä ja tasosta, sekä verkkoliitännän hinnasta. Terminaalien hinta riippuu ainakin komponenttien hinnasta sekä tuotantomääristä. 3.6 Tulevaisuus 3.6.1 Käyttäjämäärä ja alueellinen jakauma Vuonna 2001 kun kolmannen sukupolven mobiiliteknologia tulee markkinoille, maailmassa arvellaan olevan noin 600 miljoonaa mobiilikäyttäjää. Näistä 300 miljoonan oletetaan olevan GSM-käyttäjiä. Vuonna 2001 suurin osa mobiilikäyttäjistä käyttää

GSM- ja D-AMPS-teknologioita, sillä tälläkin hetkellä GSM- ja AMPS/D-AMPS-verkkojen markkinaosuus maailman langattomista markkinoista on yli 80%. Maailman markkinat maanpäällisille langattomille palveluille tullee olemaan noin 426 miljoonaa käyttäjää vuonna 2000, ja noussee 940 miljoonaan vuonna 2005 ja yli 1.7 miljardiin vuonna 2010. Tämä on esitetty taulukossa 3.5. Taulukko 3.5. Maailmanlaajuinen ennuste mobiilikäyttäjistä Fyysisiä käyttäjiä, miljoona kpl 2000 2005 2010 Länsi-Europpa, EU Pohjois-Amerikka Asia-Pacific Loppumaailma Yhteensä 113 200 260 127 190 220 149 400 850 37 150 400 426 940 1730 Kuva 3.8 selventää taulukkoa 3.5.

Kuva 3.8 Maailmanlaajuinen ennuste mobiilikäyttäjistä Kuvasta 3.8 nähdään Länsi-Euroopan ja Pohjois-Amerikan saavuttavan markkinasaturaation vuoteen 2010 mennessä. On myös ennustettu näin käyvän Japanissa. Fyysisten käyttäjien määrä ei enää merkittävästi nouse. EU:n ulkopuoliset markkinat dominoivat selvästi markkinaa vuoteen 2005 mennessä. Tällä hetkellä Länsi-Eurooppa, Pohjois-Amerikka ja Aasia ovat käyttäjämääriltään suunnilleen yhtä vahvoja. Tulevaisuudessa on toisin - Aasia dominoi, ja muut kehittyvät alueet: Itä-Eurooppa, Etelä-Amerikka ja Afrikka ovat vasta nousussa. IMT-2000 päätöksellä on suuri vaikutus valtastandardin syntyyn Aasiaan. Laitevalmistajat varmasti seuraavat tilannetta tarkasti, sillä Aasiassa tullaan tekemään paljon rahaa. On selvää, että langaton teknologia tulee saamaan tulevaisuudessa paljon nykyistä enemmän käyttäjiä. Kysymys UMTS:n kannalta onkin, kuinka paljon näistä käyttäjistä siirtyy kolmannen sukupolven teknologioihin? Aluksi langaton multimedia todennäköisesti kasvaa hitaasti, koska tariffit ensimmäisille palveluille ovat korkeita, koska on jouduttu investoimaan paljon rahaa verkkoihin. Kilpailu infrastruktuurissa ja palveluidentarjonnassa sekä globaalin markkinan luonti infrastruktuurissa ja terminaaleissa laskee hintoja jatkuvasti. 3.6.1.1 Syitä UMTS:n kasvuun Vuoden 2003 lopussa maailmassa on oletettu olevan noin 830 miljoonaa langattomien verkkojen käyttäjää, ja yli 700 miljoonaa Internet-tilaajaa. Tämä antaa osviittaa siihen, että myös langaton Internetin käyttö olisi kasvussa. Tällä hetkellä markkinat kiinteisiin verkottuneisiin multimediapalveluihin maailmassa kasvaa nopeasti, yli 60% vuodessa. Kun ihmiset tottuvat kiinteän verkon multimediapalveluihin, ja kun liikkuvuus maailmassa lisääntyy, niin UMTS:n tarve lisääntyy. Tarvitaan nopeaa ja etäpääsyä informaatioon. Tuottavuuden käsite työpaikoilla kasvaa, ihmiset haluavat henkilökohtaisempia ja personoidumpia palveluita. Maapallo globalisoituu joten liikkuminen kasvaa. Ajanpaine kasvaa koko ajan, tarvitaan