Connectivity - laitteiden yhdistäminen verkkoon Jarmo Pyykkönen TKK Jarmo.Pyykkonen@hut.fi Tiivistelmä Tässä seminaarityössä käydään läpi perusteita erilaisista tekniikoista joilla erityyppisiä digitaalisia laitteita yhdistetään loogisesti toisiinsa, sekä analysoidaan niitä lyhyesti. Käsiteltävänä on kolmen eri kokoluokan alueille tarkoitettuja digitaalisia tekniikoita. Näitä ovat langattomat laajan alueen verkot, lyhyen kantamat langattomat tekniikat ja kotiverkkotekniikat. 1 JOHDANTO Tarkoituksena on käydä lävitse kohtalaisen lyhyesti erilaisia tekniikoita joilla on mahdollista yhdistää erityyppisiä laitteita verkkoihin ja sitä kautta toisiinsa. Vaikka tekniikoita on olemassa sekä analogisia että digitaalisia, tässä työssä keskitytään vain digitaalisiin tekniikoihin. Tämä tarkoittaa sitä että kaikki laitteista eteenpäin lähtevä liikenne on jo valmiiksi digitaalisessa muodossa. Se kuinka tämä tehdään ei kuulu tämän työn alueeseen. Työn pohjana käytetään Uwe Hansmannin kirjan Pervasive Computing Handbook lukua 12 (Connectivity). Tarkoituksena ei ole vain luetella erilaisia käytettyjä tekniikoita, vaan myös analysoida niitä; niissä käytettyjä teknisiä ominaisuuksia kuten kaistanleveyttä, tiedonsiirtonopeutta, taajuuksia ja protokollia. Lähdemateriaaleina käytetään myös kahta muuta kirjaa, yhtä opetusmonistetta sekä lähinnä standardeihin liittyviä Internet-lähteitä. Jotta digitaalisten laitteiden kaikkia ominaisuuksia voidaan hyödyntää täysimääräisesti, niihin liittyy usein mahdollisuus liittyä verkkoon; lähettää ja vastaanottaa tietoa muilta laitteilta. Verkkoon liittymiseen tarvittavat tekniikat voidaan jakaa monella eri tavalla, esimerkiksi: analoginen/digitaalinen, langaton/kiinteä tai laaja alue/pieni alue. Seuraavaksi käsitellään digitaalisia tekniikoita jotka ovat joko langattomia tai kiinteitä ja laajan tai pienen alueen tekniikoita. Tarkasteltavat tekniikat on lueteltu taulukossa 1. Vähemmälle käsittelylle jätetään niihin liittyvät protokollat ja niiden toteutus, sillä tarkoituksena on tarkastella asioita yleisluontoisesti sillä tasolla, että eri tekniikoita voidaan verrata toisiinsa. 1
Taulukko 1: Tarkasteltavat verkkoliitäntätekniikat Laajan alueen langattomat tekniikat - GSM - CDMA - TDMA - PDC - HSCSD - GPRS - EDGE Lyhyen kantaman tekniikat - DECT - Bluetooth - IrDA Kotiverkot - Sähköverkkotekniikka - Puhelinverkkotekniikka Osa tekniikoista on vasta kokeiluasteella, osa taas on ollut käytössä jo jonkin aikaa. Tutkittavia tekniikoita käytetään monenlaisissa laitteissa. Näitä ovat mm. matkapuhelimet, ns. kämmentietokoneet, kannettavat tietokoneet, viihde-elektroniikka ja monet muut laitteet. Periaatteessa on jopa mahdollista tehdä verkkoyhteyteen tarvittavat ominaisuudet vaikka kahvinkeittimeen, jolle välitetään tietoa sähköverkon kautta. Siirtoteinä käytetään kaapelia ja ilmaa, ilmassa sekä radiotaajuuksia että valon taajuuksia. 2 ERI LIITYNTÄTEKNIIKAT Kaikki nyt käsiteltävät laajan alueen verkkotekniikat ovat pohjimmiltaan soluverkkotekniikoita, joten aluksi on syytä käydä läpi joitakin soluverkkojen perusteita. Matkapuhelimet ovat yleisimpiä soluverkkoja käyttäviä laitteita, matkapuhelinverkkojen toimintaperiaatteet toimivat samalla lailla myös pienemmässä mittäkaavassa esim. lyhyen kantaman verkkotekniikoissa. Pienen alueen verkoissa käytössä on sekä soluverkkoja että laitteesta-laitteeseen yhteyksiä. Kotiverkoissa keskitytään lankaverkkoihin, sillä pienen alueen langattomat tekniikat sopivat myös kotikäyttöön. 2.1 Soluverkkotekniikoiden toimintaperiaatteita Kaikki seuraavaksi käsiteltävät tekniikat ovat soluverkkotekniikoita, joissa kaikki siirrettävä tieto on digitaalisessa muodossa. Periaatteena on se, että tekniikoiden maantieteellinen toiminta-alue on jaettu soluihin, joissa kussakin on yksi tukiasema. Solu on siis yhden tukiaseman kantama. Vierekkäiset solut muodostavat yhdessä kuuluvuusalueen. Tukiaseman ja sitä käyttävän laitteen välillä voi olla useita eri kanavia (esim. äänikanava ja kontrollikanava) eri tarkoituksiin. Kun jotain soluverkkotekniikkaa käyttävää laitetta käytetään solun alueella, se kommunikoi tukiaseman kanssa monella eri tavalla. Laite voi vaihtaa tukiasemaa mikäli toisen 2
aseman signaali on vahvempi, tukiasema voi pyytää laitetta vahvistamaan signaaliaan jotta yhteys säilyy tai sitten laite ja tukiasema vaihtavat dataa keskenään yhteystilanteessa. Analogisen datan muuntaminen digitaaliseen muotoon tapahtuu aina itse laitteessa, ei tukiasemassa. Soluverkon rakenne on hierarkkinen. Tukiasemat on kytketty kytkentäkeskukseen, joka taas on kytketty normaaliin puhelinverkkoon. Esimerkiksi matkapuhelinnumeroon soitettaessa puhelu saapuu ensin puhelinverkkoa pitkin kytkentäkeskukseen, josta nähdään missä solussa vastaanottava matkapuhelin on viimeksi havaittu. Se kulkee edelleen tukiasemalle, josta se lähetetään langattomasti vastaanottajalle. Myös tukiaseman vaihto kulkee kytkentäkeskuksen kautta. Samaan tukiasemaan voi olla yhteydessä monta laitetta yhtä aikaa. Jotta tämä on mahdollista, tarvitaan tekniikoita joilla useista laitteista tuleva data saadaan pakattua käytettävissä olevaan taajuuskaistaan. Tekniikoita ovat mm. FMDA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) ja CDMA (Code Division Multiple Access). Ensimmäisessä eri taajuuksia jaetaan eri laitteille, toisessa samalla taajuudella kulkee useita datavirtoja mutta eri aikaan (yhdelle kanavalle mahtuu useita aikavälejä) ja viimeisessä jokainen datapaketti voi kulkea millä tahansa käytettävissä olevalla taajuudella. (Hansmann, 2001, Ericsson, 1998) Yhteydet laitteen ja tukiaseman välillä ovat nykyään kaksisuuntaisia (esim. matkapuhelimella voi puhua ja kuunnella yhtä aikaa). Tämä voi olla toteutettuna joko käyttämällä eri taajuuksia lähetettävään ja vastaanottavaan tietoon tai sitten käytetään samaa taajuutta mutta eri aikavälejä lähetettävälle ja vastaanotettavalle tiedolle. Soluverkkoyhteydet voivat olla kytkentätekniikaltaan kahdenlaisia: joko piirikytkentäisiä tai pakettikytkentäisiä. Edellisessä muodostetaan valmis reitti eri solmukohtien välillä jota pitkin yhteyden datapaketit kulkevat, jälkimmäisessä lähetetään paketit verkkoon osoitteella varustettuna ja ne voivat tulla perille eri reittejä pitkin (vrt. Internet). Suurin osa nykyisistä soluverkoista on piirikytkentäisiä. Piirikytkentäisen verkon etuna on se, että se takaa tietyn päästäpäähän reitin, joten pitkin paketit tulevat perille järjestyksessä Samoin yhteydelle on mahdollisuus varata tietty kapasiteetti eikä informaatiohukkaa juurikaan esiinny. Huonona puolena on se että kanavan aukaisuun kuluu aikaa, verkon vikaantuessa uuden reitin etsimiseen kuluu aikaa ja verkon kapasiteettia ei täysin hyödynnetä (kanava varattu koko ajan vaikka tietoa ei siirretäkään). Pakettikytkentäisyyden etuna on verkon joustavuus (vian sattuessa uusi reitti löytyy nopeasti) ja resurssien parempi hyödyntäminen sekä viiveetön yhteyden pystyttäminen. Haitapuolia ovat taas viiveet, koska mahdollisesti väärässä järjestyksessä tulevat paketit on ensin kerättävä puskuriin. (Luoma, 2000) Mobiilin laitteen, tukiaseman ja kytkentäkeskuksen lisäksi soluverkoissa on myös muita laitteistoa. Tämä on tarpeen mm. laskutuksen kannalta. Jokainen verkossa oleva laite on tunnistettava, on tarkastettava että sillä on oikeus olla verkossa ja on kerättävä laskutustiedot talteen. Tunnistukseen on käytettävissä erilaisia koodeja (SIM, Subscriber Identity Module) ja listoja joissa esiintyvät mm. varastetut laitteet, joilla ei ole siis lupaa liikennöidä verkossa. 3
2.2 Soluverkkotekniikat Soluverkot sopivat ennenkaikkea mobiileille laitteille, jotka liikkuvat paljon alueelta toiselle ja tarvitsevat mahdollisimman katkeamattoman yhteyden. Ne sopivat myös kaupallisiin tarkoituksiin erittäin hyvin, sillä käyttäjä- ja laskutustietojen keruu on kohtuullisen helppoa. Soluverkoissa tieto välitetään paketteina (joista koostetaan purske) joten voidaan seurata joko lähetetyn tiedon määrää tai katsoa yhteyden kestoaikaa ja laskuttaa käyttäjää sen mukaan. Seuraavaksi esiteltävissä tekniikoissa neljä ensimmäistä ovat ns. toisen sukupolven tekniijoita ja kolme viimeistä 2,5 - sukupolven tekniikoita (väliaskelia kohti kehittyneempiä tekniikoita). 2.2.1 GSM (Global System for Mobile Communications) GSM-standardi kuvaa ne komponentit ja rajapinnat, jotka systeemissä on oltava jotta se on GSM-järjestelmä. Samalla taataan että järjestelmä on valmistajasta riippumaton. Itse järjestelmässä on seuraavat komponentit: puhelin (tai oikeastaan SIM-kortti), tukiasema, tukiaseman kontrolloija, laitteen tunnistava rekisteri (EIR, Equipment Identification Register), autentikaatiokeskus, kytkentäkeskus (MSC, Mobile services Switching Center), kotirekisteri (HLR, Home Location Register) ja vierasrekisteri (VLR, Visitor Location Center). Toiminta on yksinkertaisimmillaan seuraavanlainen: SIM-kortin sisältävä puhelin kommunikoi tukiaseman kanssa. Tukiasemaa ohjaa kontrolloija, joka on yhteydessä kytkentäkeskukseen. Ennenkuin puhelu välitetään eteenpäin, kytkentäkeskus tarkastaa rekisteristä (EIR) että puhelimella on oikeus ottaa yhteyttä ja tunnistaa käyttäjän autentikaatiokeskuksesta. Kotirekisterissä on tiedot mm. tilaajan profiilista ja puhelimen viimeisestä sijaintipaikasta. Vierasrekisteriä käytetään silloin kun puhelin liikkuu toisen verkon alueelle. Signalointiin GSM käyttää SS7:a (Signaling System Number 7), joka on sama kuin käytettäessä ISDN:a. Tämä mahdollistaa myös faxin, puheluiden uudelleen ohjaamisen ja soittajan numeron näytön. Monen käyttäjän mahdollistamiseksi GSM käyttää FDMA:a ja TDMA:a. Käytettävissä oleva taajuuskaista (Euroopassa 900 ja 1800 MHz, Amerikassa 1900 MHz) jaetaan 200 khz kaistoihin, jotka jaetaan edelleen aikaväleihin. Taajuuskaistoja on käytösssä yhtä aikaa 124, lähtevä ja vastaanotettava data kulkevat eri taajuuksia pitkin. Tiedonsiirtonopeus on 9.6 kbps. Datan perusyksikkö on purske ja laittamalla kahdeksan pursketta yhteen saadaan kehys. Ottaen huomioon siirtonopeuden saadaan yhdelle kantotaajuudelle mahtumaan kahdeksan yhteyttä. Kehyksiä voidaan laittaa edelleen peräkkäin kunnes päästään muutaman välivaiheen kautta suurimpaan mahdollisimpaan yksikköön; hyperkehykseen. 2.2.2 CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA:ssa taajuuskaista on jaettu 1.25 MHz:n leveisiin kanaviin, joihin kuhunkin mahtuu 64 eri yhteyttä. Laitteelta tukiasemalle ja tukiasemalta laitteelle käytetään eri kanavia. Jokaisella kanavalla on siirtokapasiteettia 192 kbps, joten täydellä kapasiteetilla yhteyttä kaistaa/laite jää vain 3 kbps. Koodattaessa ääntä digitaaliseen muotoon voidaan datan vaatimaa tilaa kuitenkin pudottaa, jolloin kaistalle jää enemmän tilaa. Tämä tapahtuu kuitenkin puheen laadun kustannuksella. Todellinen nopeus/laite 4
vaihtelee välillä 9600-1200 bps, jolloin kanavalla voi olla yhtä aikaa 20-60 laitetta. 2.2.3 TDMA (Time Division Multiple Access) TDMA käyttää tekniikkaa, jossa ovat yhdistettynä TDMA ja FDMA. Siinä taajuuskaista jaetaan 30 khz:n kanaviin, joista jokaisella voi olla kuusi aikaväliyksikköä eli kanavalla voi olla yhtä aikaa kuusi laitetta. Perusnopeus/kanava on 48.6 kbps, josta vähennettynä signalointiin tarvittava tila saadaan nopeudeksi/kaksisuuntainen yhtey noin 8 kbps. 2.2.4 PDC (Personal Digital Cellular) Japanissä käytössä oleva PDC käyttää yhdistettynä FDMA:a ja TDMA:a. Siinä käytettävissä oleva taajuuskaista jaetaan 25 khz:n levyisiin kaistoihin, joista jokaisella voi olla kolme aikaväliä. Tämä tarkoittaa että yhdellä kanavalla voi toimia kolme yhteyttä. Perusnopeus on 42 kbps. Synkronointi, virheenilmaisu ja kontrollointisignaalit vievät tilaa niin, että nopeudeksi/kaksisuuntainen yhteys jää noin 8 kbps. (Hansmann, 2001) 2.2.5 HSCSD (High-Speed Circuid Switched Data) Tässä tekniikassa yhden datakanavan nopeus on 14.4 kbps. Varsinainen idea on se, että yksi yhteys voi varata käyttöönsä kerrallaan jopa neljä kanavaa, jolloin nopeus saadaan kasvatettua aina arvoon 57.6 kbps saakka. Tämä tapahtuu vain silloin kun liikennettä ei ole liikaa eli vapaita kanavia löytyy. 2.2.6 GPRS (General Packet Radio Service) Tämän tekniikan ydinajatuksena on se, että laite on koko ajan kiinni verkossa. Ei siis tarvitse ensin ottaa yhteyttä (soittaa tms.) johinkin toiseen tahoon saadakseen yhteyden perustettua. GPRS on lisäksi yhteensopiva sekä internetiin (TCP/IP) että X.25- pakettiverkkoon erityisten solmujen (SGSN/GGSN) kautta. Koska kyseessä on siirrettäviin paketteihin perustuva tekniikka, voidaan myös laskutusperusteita muuttaa. Käyttäjä maksaa pelkästään siirtämästään datasta, ei koko yhteyteen kuluneesta ajasta. GPRS käyttää samoja GSM-liikennekanavia kuten HSCSD:kin tekee, eli sen nopeus on 14.4 kbps/kanava. Se pystyy kuitenkin käyttämään jopa kahdeksaa kanavaa (aikaväliä) yhtä aikaa, jolloin datanopeudeksi saadaan 115 kbps. 2.2.7 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) EDGE:n perusajatuksena on vaihtaa datan koodaamiseen käytettävää modulointimenetelmää jotta saadaan käyttöön enemmän kapasiteettia. Vaihtamalla nykyisin käytössä oleva GMSK-modulointi 8 PSK-modulointiin saadaan datan määrä kasvatettua arvosta 13 kbps/liikennekanava arvoon 48 kbps/liikennekanava. Käyttämällä EDGE:a joudutaan systeemin ilmarajapinta vaihtamaan (erilainen 5
modulointi). Loppuosa systeemistä pysyy kuitenkin samana, joten tätä tekniikkaa voidaan soveltaa yhdistettynä muihin tekniikoihin. Esimerkiksi käyttämällä tätä HSCSD:n kanssa saadaan se nopeus kasvatettua arvosta 57.6 kbps arvoon 192 kbps. Siitä on myös laadittu jo versio joka toimii yhteen TDMA-verkkojen kanssa. 2.3 Lyhyen kantaman tekniikat Lyhyen kantaman tekniikoilla tarkoitetaan tekniikoita joilla laitteita saa yhdistettyä verkkoon esimerkiksi rakennuksen sisällä. Kantomatkat ovat alle metristä muutamiin satoihin metreihin. 2.3.1 DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) ETSI:n kehittämä standardi toimii langattomien puhelinten ja muiden toimistolaitteiden välillä. Järjestelmään kuuluu tukiasema ja ainakin yksi puhelin. Puhelimet voivat kommunikoida keskenään sisäisesti tukiaseman kautta. Ulkopuolelle menevissä puheluissa tukiasema toimii välittäjänä puhelimen ja PSTN-verkon välillä. Sen perusnopeus on 32 kbps, useiden kanavien käyttö yhtäaikaa mahdollistaa suuremman nopeuden. Euroopassa käytössä on 10 radiokanavaa ja modulointitekniikkana on GMSK, Yhdysvalloissa 8 kanavaa ja modulointi tapahtuu myös GMSK:n avulla mutta hieman eri tavalla. Sen ansiosta US-DECT:n (myös tunnettu nimellä PWT, Personal Wireless Telecommunications) käyttämä kanavanleveys on vain 864 khz ja silti sen nopeus on sama kuin Eurooppalaisen version. Erona soluradiotekniikkaan on se, että DECT:issa samassa kanavassa tapahtuu yhteyden liikenne molempiin suuntiin. Yksi kanava jaetaan 12 aikaväliin joten kanavalle mahtuu 12 laitetta kerrallaan. (Hansmann, 2001) 2.3.2 Bluetooth Ericssonin alunperin kehittämä tekniikka on yksi nopeimmin leviävistä uusista tekniikoista. Halpakustannuksinen, yhdelle sirulle sopiva ratkaisu voidaan liittää moniin eri laitteisiin; puhelimiin, printtereihin, fakseihin, kämmentietokoneisiin, skannereihin, näppäimistöihin jne. Sen perusnopeus on 1 Mbps. Bluetoothin varaan on rakennettu useita eri visiota, esimerkkinä puhelunvälitys joka etsii mahdollisimman halvan reitin. Jos toinenkin puhelin on Bluetoothin kantamalla, puhelun ei tarvitse mennä julkisen puhelinverkon kautta lainkaan. Taajuuskaista on väliltä 2.4000-2.4835 GHz, I Mhz levyisiä kanavia on 78 kpl. Jokainen kanava on jaettu aikaväleihin ja käytössä on taajuushyppely eli laite voi vaihtaa kanavalta toiselle yhteyden aikana. Hyppelytaajuus on 1600 hyppyä/s ja taajuus on erilainen jokaisessa pikoverkossa (Bluetooth, 2001). TDD-yhteys (Time Domain Duplex) tarkoittaa että data kulkee molempiin suuntiin samaa kanavaa pitkin. Välitettäviä pakettityyppejä voi olla 16 erilaista, sisältödata voi olla kahdenlaista: synkronista tai asynkronista. 6
Keskenään kommunikoivat laitteet muodostavat yksikön joka tunnetaan nimellä pikoverkko (piconet). Kommunikointia haluava laite muodostaa ensin identifioidun yhteyden, jossa se saa kolmebittisen identifiointikoodin. Tämä tarkoittaa että yhdessä pikoverkossa voi olla 8 laitetta joista yksi toimii isäntänä ja muut sen alaisina. Pikoverkon ensimmäinen laite on isäntä, alaiset synkrovoivat sisäiset kellonsa ja taajuushyppelynsä isännän kanssa. Useampi yhteen liitetty pikoverkko muodostaa hajautetun verkon (scatternet). Isäntä voi tukea yhtä aikaa kolmea kohdistettua isännän ja alaisen välistä yhteyttä (sopivia reaaliaikaisille yhteksille) nopeudeltaan 64 kbps. Asynkroniset yhteydet puolestaan käyttävät sen kapasiteetin joka jää yli synkronisilta yhteyksiltä, koko kapasiteetin ollessa käytössä nopeus on 723.2 kbps toiseen ja 57.6 kbps toiseen suuntaan tai sitten symmetrisesti 433.9 kbps/suuntaan. 2.3.3 IrDA (The Infrared Data Association) Infrapunatekniikka erooa Bluetoothista siinä, että laitteesta toiseen pitää olla suora näköyhteys. Se voi operoida kolmessa eri toimintatilassa: asynkroninen, synkroninen ja synkroninen jossa käytössä PPM (Pulse Position Modulation). Nopeudet ovat vastaavasti 9600 bps-115.2 kbps, 1.152 Mbps ja 4 Mbps (Hansmann, 2001, IrDA). IrDA:n liittyy myös useita erilaisia protokollia, joista on kolme pakollista ja seitsemän vapaaehtoista. (IrDA) 2.4 Kotiverkkotekniikat Kodeissa on nykypäivänä yhä enemmän digitaalisia laitteita. Monessa asunnossa hallitaan jo monia eri toimintoja digitaalisesti; lämmitys, ilmastointi, valaistus, murtohälyttimet jne. Monesti näitä laitteita halutaan verkottaa keskenään että niitä pystytään esimerkiksi hallinnoimaan keskitetysti yhdestä paikasta. Yhdistämiseen voidaan käyttää joko langattomia tai lankaverkkotekniikoita. Langattomat tekniikat ovat samoja kuin luvuissa 2.3.2 ja 2.3.3, lankaverkkotekniikoita ovat sähkö- ja puhelinverkkojen välityksellä tapahtuva tiedonsiirto. 2.4.1 Sähköverkot Datan kuljettaminen sähköverkoissa on periaatteessa yksinkertaista: normaalin 50/60 Hz sähkön sekaan syötetään korkeataajuista signaalia, joka pystytään vastaanottopäässä erottelemaan sähköenergiasta. Euroopassa Cenelecin säädösten mukaan käytössä ovat taajuusalueet 10-150 khz, Yhdysvalloissa ja Japanissa taajuusalue jatkuu aina 525 khz saakka. Datan siirtoon on olemassa kolmenlaisia menetelmiä: kapeakaistainen (esim. X10), leveäkaistainen (esim. CEBus) ja montaa kapeaa kaistaa (esim. Echelon Corporationin tuotteet) hyödyntävä menetelmä. Yksinkertaisessa kapeakaistaisessa menetelmässä kantotaajuutena käytetään yhtä kapeaa taajuutta, ongelmana tässä tulee se että kohinaa esiintyy paljon monen laitteen käyttäessä kapeaa taajuutta yhtä aikaa. Leveäkaistaisessa menetelmässä käytetään leveämpää kaistaa kantotaajuutena. Kohinaa esiintyy vähemmän, mutta muutenkin rajoitettua kaistaa kuluu paljon enemmän saman tiedon välittämiseen. Kolmannessa tapauksessa käytetään useampaa kapeaa taajuuskaistaa kantotaajuutena. Mikäli yhdellä taajuudella esiintyy ruuhkaa, laite voi 7
vaihtaa toiselle taajuudelle. Näistä kolmesta ensimmäinen menetelmä on tällä hetkellä kaikkein suosituin. X10 mahdollistaa 256 laitteen liittämiseen samaan verkkoon (8-bittinen osoite). Vastaanottimet ovat plug-in tyyppisiä yksiköitä, jotka kytketään itse laitteen ja sähköverkon välille. Siirtonopeus on 300 bps kantotaajuudella 120 khz, joten tämä protokolla on liian hidas yleisiin datansiirtotarkoituksiin. Sopiva käyttöalue on mm. asunnon valojen kontrollointi ym. yksinkertaiset asiat. Echelonin vastaanottimet toimivat taajuudella 132 ja 115 khz. Taajuudet on valittu siten että mahdollinen häiriö verkossa ei vaikuta kumpaankin taajuuteen samaan aikaan. Laite osaa automaattisesti vaihtaa toiselle taajuudelle jos toisella on häiriöitä. Siirtonopeus on 5.4 kbps. CEBus käyttää Euroopassa taajuuksia 20-80 khz siirtonopeudella 2 kbps, Yhdysvalloissa 100-400 khz nopeudella 10 kbps. Tämä standardi määrittelee siirtoa varten erilaisia protokollia: paketin siirtoprotokollan, pakettimuodon ja CAL-kielen (Common Application Language) sovellukselta sovellukselle tapahtuvaa yhteyttä varten. Pakettien törmäystä varten käytössä on samankaltainen protokolla kuin Ethernetissä: CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Collision Recovery). Osoitteistus mahdollistaa neljän miljardin osoitteen käytön. 2.4.2 Puhelinverkot Puhelinverkkotekniikka hyödyntää olemassa olevia puhelinkaapelointeja. Mikäli talossa on tarpeeksi puhelinpistokkeita, voidaan tätä ratkaisua hyödyntää. Normaali puhelutaajuus on väliltä 20 Hz-3.4 khz, xdsl-modeemit käyttävät taajuutta 25 khz-1.1 khz ja LAN-toteutukset (Local Area Network, muodostetaan talon sisälle oma pienverkko) käyttävät taajuuksia 5.5-9.5 MHz. Käytössä on maasta riippuen hieman erilaisia toteutuksia Tyypillinen siirtonopeus on 1 Mbps, kehitteillä on versio jossa siirtonopeus on 10 Mbps. Verkkoon liitettävien laitteiden on hallittava pakettien törmäysten käsittely koska kaikki laitteet jakavat yhden ja saman median. (Hansmann, 2001) 3 ONGELMIA Liityntätekniikoiden ongelmat voidaan jakaa muutamaan eri kategoriaan: kapasiteetti, häiriöt, hinta, yhteensopimattomuus, taajuuksien vähyys jne. Esimerkiksi GSM:ssa taajuusalueita on rajoitetusti joten kapasiteetti on siltä puolen rajoitettu. Lisäksi vierekkäiset tukiasemat joutuvat käyttämään eri taajuuksia ylikuulumisongelmien vuoksi. Kovin suuriin taajuuksiin ei voida siirtyä sillä ilmakehän vaimeneminen kasvaa merkittävästi jo gigahertsin taajuudella. Ratkaisuna mm. solukoon pienentäminen. (Uusitupa, 1998) Taajuuksien varaaminen muuhun käyttöön aiheuttaa ongelmia, varsinkin kun eri maissa taajuudet on varattu eri asioille. Kotiverkoissa sähkökaapeleiden käyttäminen datan siirtoon aiheuttaa joidenkin asiantuntijoiden mielestä ongelmia. Kun sähköverkkoihin 8
laitetaan suuritaajuista signaalia (dataa), sähköjohdot saattavat ruveta toimimaan suurina antenneina, jotka säteilevät voimakkaasti ympäristöönsä ja aiheuttavat näin ollen häiriöitä muulle radioliikenteelle. (Viestintävirasto, 2001) Samoin verkossa esiintyy paljon muiden laitteiden aiheuttamia häiriöitä jotka häiritsevät kulkevia signaaleita. Myös standardointi viipyy monesti sen vuoksi että jäsenmaat eivät onnistu saamaan nopeasti kaikille maille sopivaa vapaata taajuusaluetta kuten esim. 3Gverkkojen tapauksessa. Parhaillaan markkinoille tuleva Bluetooth operoi myös taajuusalueella, jolla on jo paljon laitteita. Yhteistyön ja standardien puute aiheuttaa sen että valmistajat kehittelevät omia ratkaisuitaan. Joskus joukko valmistajia ryhtyy tukemaan jotain tiettyä tekniikkaa jolloin sen mahdollisuudet ovat kohtuullisen hyvät (Bluetooth). Jotkin valmistajat taas eivät halua kertoa muille tekniikkaansa, jolloin sille on vaikea kuvitella suurta menestymistä (CDMA). (Uusitupa, 1998) 4 TULEVAISUUS Tämän hetken tilanteessa laajimmalle levinnyt verkko on GSM-verkko. Sen kapasiteetti puheen välittämiseen on riittävä, mutta koko ajan kasvavaan dataliikenteeseen se on huonosti sopiva. Tulevissa tekniikoissa on tarkoitus hyödyntää jo valmiiksi rakennettua GSM-verkkoa jotta kustannukset eivät kasvaisi liian suuriksi. Niinsanottu kolmannen sukupolven (nyt ollaan menossa sukupolvessa 2.5) verkkotekniikka on parhaillaan kehitysvaiheessa. Käytännössä tämän ITU:n standardoiman tekniikan pitäisi täyttää seuraavat vaatimukset: yksi standardi (IMT-2000) kaikille mobiililaiteille eli sama laite toimii kaikkialla maapallolla joka maanpäällisten tai satelliittitukiasemien kautta (myös laivoilla, lentokoneilla jne.) Nopeudet tulevat olemaan paikasta riippuen 144 kbps-2 Mbps. Tähän liittyy kuitenkin vielä monenlaisia ongelmia, kuten se että monet maat ovat antaneet tähän tarkoitukseen varatut radiotaajuudet käyttöön jo muihin tarkoituksiin. Samoin on päädytty yhden tekniikan sijasta käyttämään kolmea eri tekniikkaa: CDMA2000 (Wide-band CDMA), UTRA (UMTS Terrestial Radio Access) ja TD-SCDMA (Time-Division Synchronous CDMA). Lisenssejä kolmannen sukupolven verkkotaajuuksiin on jo myyty/jaettu useissa eri maissa (mm.iso-britannia). Suunnitelmien mukaan tekniikka otettaisiin käyttöön Euroopassa vuoden 2002 aikana. Tulevaisuudessa on havaittavissa selkeästi eri tekniikoiden yhdistymistä. Jotkin valmistajat ovat vihdoin tajunneet sen että lukuiset eri tekniikat aiheuttavat yhteensopivuusongelmia. Niinpä ne ovat yhdessä ruvenneet ajamaan jotain tekniikkaa läpi (esim. Bluetooth), jolloin siitä hyötyvät kaikki valmistajat. Bluetooth-tuotteet ovat parhaillaan tulossa kauppoihin, osa valmistajista on jo julkistanut tuotteitaan. Toinen suunta on selkeästi langattomuus. Internetiä ollaan siirtämässä koko ajan enemmän ja enemmän mobiiliin muotoon, jolloin langalliset yhteydet eivät olekaan enää paras mahdollinen valinta. Jo nyt on tarjolla kotiin operaattoreiden tarjoamia langattomia yhteyksiä (esim. Jippii). Samoin otetaan käyttöön enemmän tekniikoita jotka vapauttavat puhelinlinjoja ja hyödyntävät enemmän jo taloissa valmiiksi olevaa kaapelointia: sähköverkkoa. Tällöin sähköverkon ja laitteen väliin laitetaan erityinen sovitin, jonka jälkeen laite vain kytketään verkkoon. Suomessa tekniikan koekäyttö on 9
meneillään. Tämä tekniikka on kuitenkin vielä niin uutta ja loppuun asti testaamatonta, että ei tiedetä aiheuttaako se liikaa häiriöitä nykyisille radiotaajuuksille. 5 YHTEENVETO Koska erilaisten digitaalisten laitteiden tarve liikennöidä muiden laitteiden kanssa on erilainen, on sitä varten kehitetty myös useita eri tekniikoita. Niitä on luokiteltu sen mukaan kuinka laajalla alueella kunkin laitteen on toimittava. Kun kutakin tekniikkaa kehitetään eteenpäin, sen kapasiteettia kasvatetaan ja virheiden määrää pienennetään, on tuloksena aina vain suurempi määrä erilaisia tekniikoita. Yritykset ovat huomanneet asian ja siten keskittyneet tukemaan joitain tekniikoita enemmän kuin toisia. Tilannetta parantaisi standardoinnin eteneminen, mutta se on niin hidas prosessi että sen varaan ei pelkästään kannata panostaa. Monesti standardit tulevat vasta sen jälkeen kun tekniikka on ollut käytössä jo mahdollisesti pitkän aikaa. Tulevaisuudessa on kuitenkin havaittavissa selkeää tekniikoiden yhdentymistä; kapasiteetit kasvavat, kattavuus lisääntyy ja tekniikoiden hinnat halpenevat. Lopuksi taulukkoon 2 on koottu eri tekniikoiden tärkeimpiä ominaisuuksia. Taulukko 2: Yhteenveto eri tekniikoiden tärkeimmistä ominaisuuksista. Tekniikka Max. nopeus Perusnopeus (käytäntö) Kaistanleveys Radiokanavia Laitteita /radiokanava Taajuusalue GSM 9.6 kbps 9.6 kbps 200 khz 124 8 900, 1800, 1900 MHz CDMA 1.2 kbps 9.6 kbps 1.25 MHz 1 20-60 - TDMA 8 kbps 8 kbps 30 khz 1 6 - PDC 8 kbps 8 kbps 25 khz 1 3 - HSCSD 14.4 kbps 57.6 kbps 200 khz 124 2-8 900, 1800, 1900 MHz GPRS 14.4 kps 115 kbps EDGE 48 kbps 384 kbps 200 khz 124 1-8 900, 1800, 1900 MHz 200 khz 124 1-8 900, 1800, 1900 MHz DECT 32 kbps - Eurooppa: 1728 khz, US: 864 khz Eurooppa: 10, US: 8 12 Eurooppa: 1880-1900 MHz, US: 1920-1930 MHz 10
Bluetooth 1 Mbps - 1 MHz 78-2.4000-2.4835 GHz IrDA 9.6 kbps -4 Mbps 4 Mbps - - - - Sähköverkkotekniikat 300 bps- 10 kbps 10 kbps - - 256-4 mrd 10-120 MHz Puhelinverkko -tekniikat 1 Mbps 1 Mbps 4 MHz - - 5.5-9.5 MHz VIITTEET Bluetooth, The Official Bluetooth Info Site. 2001. Saatavilla www-muodossa <URL: http://www.bluetooth.com/files/bluetooth_11_spesifications_book.pdf>. Viitattu 25.11.2001. Ericsson, Telia. 1998. Understanding telecommunications 1. Sweden, Lund, Studentlitteratur. Sivut 271-272. Hansmann, Uwe. 2001. Pervasive Computing Handbook. Berlin, Springer-Verlag New York. Sivut 200-300. IrDA. Technical Summary of IrDA DATA and IrDA CONTROL. Saatavilla wwwmuodossa <URL: http://www.irda.org/standards/standards.asp>. Viitattu 25.11.2001. Luoma, Marko. 2000. L1, L2 ja L3 toiminteet. S-38.188 Tietoliikenneverkot S-2000, Luento 2, Teknillinen korkeakoulu. Kalvot 27-33. Tietoliikenneaapinen: Uusitupa, S., Voipio, K. 1998. Tietoliikenneaapinen. Tampere, Yliopistokustannus/Otatieto. Sivut 159, 173. Viestintävirasto, 2001. Yhteenveto keskustelutilaisuudesta PLC-teknologian käyttöönotosta 16.5.2001. Päivitetty 5.10.2001. Saatavilla www-muodossa <URL: http://www.ficora.fi/suomi/radio/plcyhteenveto.htm>. Viitattu 26.11.2001. 11