Langaton tiedonsiirto Sisältö: 1. Matkaviestinjärjestelmät 2. Radio- ja TV-tekniikka 3. Satelliittitiedonsiirto 4. Langattomat tietoverkot 30.8.2005 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
30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 2 2
1. Matkaviestinjärjestelmät 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 3 -Matkaviestintekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä. Yleensäkin langattomat sovellukset valtaavat alaa joka puolella. -Suomi on matkapuhelintekniikassa edelläkävijä 3
Peruskäsitteitä Perusidea on päätelaitteiden liikkuvuus 30.8.2005 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
Solukkoverkko 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 5 Solukkoverkkojen rakenne: -solukkoverkko koostuu soluista -solu on tukiaseman muodostama radiopeittoalue -solujen koot ja muodot vaihtelevat ympäristön ja liikennetarpeiden mukaan 5
Solukkoperiaate samaa taajuutta toistetaan mahdollisimman usein, mutta häiriöitä välttäen tukiasemapaikalla voi olla useita soluja 30.8.2005 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
Matkapuhelinverkoissa käyttökelpoisia taajuuksia on vain pieni osa sähkömagneettisen spektrin koko kaistasta Käytössä ovat lähinnä VHF- ja UHF-alueet 30.8.2005 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
Monitie-eteneminen 30.8.2005 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
Handover 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
Monikäyttötekniikat Monikäyttötekniikoita tarvitaan, jotta saadaan suuri joukko käyttäjiä mahtumaan samalle rajalliselle taajuuskaistalle (vrt. siirtotekniikassa kanavointi). Kolme käytetyintä tekniikkaa ovat FDMA, TDMA ja CDMA. 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
Matkapuhelinverkkojen sukupolvet ja kehitys 0. ARP (käsivälitteinen) 1. NMT ja muut analogiset järjestelmät 2. GSM ja muut digitaaliset järjestelmät 3. UMTS (laajakaistainen järjestelmä) 30.8.2005 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
Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1970-luku Ensimmäinen yleinen matkapuhelinverkko Suomessa oli ARP 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
Matkapuhelinverkkojen kehitys Suomessa: 1990-luku Tällä vuosikymmenellä maailmanlaajuinen mobiili vallankumous käynnistyi todella. Suomi oli tässä kehityksessä edelläkävijä yhdessä muiden pohjoismaiden kanssa. 30.8.2005 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
Verkkojen levinneisyys ja liittymämäärät 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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 2004. Myös suomalainen tietoliikenneteollisuus on kärsinyt 3G:n maailmanlaajuisesta viivästyksestä. Puhelinvalmistajat ovat selviytyneet paremmin kuin verkkolaitevalmistajat, koska ne voivat kehittää uusia päätelaitteita oleviin verkkoihin. 19
Matkapuhelin omassa käytössä marraskuussa 2001 sukupuolen ja iän (15-74 v.) mukaan (Suomi) 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 20 20
Palveluiden käyttö Suomessa Käytettyjen palveluiden (muut kuin puhelut) kokonaisarvo Suomessa oli vuonna 2003 226 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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 21 Käytetyimmät palvelut: hyötypalvelut: numerotiedustelu ja saldokyselyt viihdepalvelut: soittoäänet ja logot esim. suomalainen Idols-äänestys keräsi yhteensä yli 700 000 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 700 000 tilaajaa oli vaihtanut operaattoria Vanhimmat ja suurimmat eli TeliaSonera ja Radiolinja menettivät eniten asiakkaita Uusimmat ja pienimmät operaattorit hyötyivät eniten tilaajien vaihtohalukkuudesta 21
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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. 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
NMT 450 -järjestelmän taajuuskaistan käyttö 30.8.2005 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
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. 2002 käyttöön tullut 850 MHz) 30.8.2005 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 1989-2000 Nykyään kaikki GM:n spesifikaatiot tehdään 3GPP:ssä, joka käsittelee GSM:ää yhtenä UMTS-verkon radiopääsyrajapintana 28
Verkkoarkkitehtuuri koostuu osajärjestelmistä 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 29 29
BSS sisältää kolme erilaista verkkoelementtiä ja sen päätehtävänä on radioverkon ohjaus 30.8.2005 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
keskustoiminnot (NSS) on jaettu kahdelle (tai useammalle) verkkoelementille 30.8.2005 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
Puhelun reititysesimerkki matkapuhelimeen GSM-verkossa 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 32 32
GSM-järjestelmän numerot ja tunnukset 30.8.2005 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
radiorajapinnassa käytetään FDMA:n (taajuusjakomonikäyttö) ja TDMA:n (aikajakomonikäyttö) yhdistelmää 200 khz kanava jaettu 8 aikaväliin uplink- ja downlink-suuntiin käytetään eri taajuuksia 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 34 34
Radiorajapinnassa käytetyn aikajakoisesti kanavoidun lähetteen jakautuminen aikaväleihin 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 35 Aikavälejä käytetään monella tapaa yleensä 7 aikaväliä/trx puheen- tai datansiirtoon 0...2 aikaväliä/trx merkinantoon TRX = tukiaseman lähetin/vastaanotinpari Kantoaallon modulointiin käytetään GMSK-menetelmää (eräs FSK-modulaation alalaji) 35
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. 30.8.2005 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
GSM-verkon datapalvelut 30.8.2005 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
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. 30.8.2005 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
Matkapuhelinverkkojen evoluutio (2g => 3g) 30.8.2005 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
UMTS-verkko UMTS-verkko on kolmannen sukupolven verkko eli laajakaistainen, multimediapalveluiden välitykseen suunniteltu monipalveluverkko. UMTS = Universal Mobile Telecommunications System) 30.8.2005 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
Evoluutio GSM:stä UMTS:iin UMTS:in 1. vaihe eli R99: uusi radioverkko 30.8.2005 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
UMTS:n tavoiteverkkoarkkitehtuuri 30.8.2005 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
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. 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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. 30.8.2005 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
Muita matkaviestinverkkoja Autonet Mobitex Meriradiopalvelut Hakuverkot VIRVE 30.8.2005 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.100000 käyttäjää Suomessa 47
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 30.8.2005 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 1.1.2003 alkaen 48
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. 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 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
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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 52 52
Lähetysten vastaanotto Kaapelitelevisioverkon välityksellä Yleisradioasemien välityksellä (terrestriaali) Televisiosatelliitin välityksellä 30.8.2005 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 0,25...1000 kw ja mastojen korkeudet 72...325 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: http://personal.inet.fi/yritys/kkov.eduserver/ajankohtaista/radio-tv-digiradio-digitv.html 53
Yleisradioverkkojen taajuuskaistat 30.8.2005 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
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 30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / RR 55 Kaapeli-TV verkkoa varten on otettu käyttöön ns. S-kaista (105,25...463,25 MHz), jolle mahtuu 41 kanavaa Satelliittilähetyksille on myös varattu maailmanlaajuisesti omat kaistansa. Katso esim. www.ficora.fi 55
Analoginen radiotekniikka Yleensä analogisissa radiolähetteissä käytetään FM-moduloitua signaalia Ao. kuvassa näkyy radiovastaanottimen lohkokaavio 30.8.2005 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
Stereolähetyksen muodostus 30.8.2005 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 (23...53 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
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 30.8.2005 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