1 JOHDANTO TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMIIN Mitä keinoja on siirron toteuttamiseksi? Miten tähän on päädytty ja mikä on tulevaisuus?
JOHDANTO 2 Modernin yhteiskunnan toiminta perustuu informaation tuottamiseen, välittämiseen ja jakeluun ( information age ). Kurssissa tarkastellaan informaation välittämiseen tarvittavien järjestelmien teoriaa. Erityisesti keskitytään analogiseen siirtotekniikkaan ja analogisen signaalin käsittelyyn. Tietoliikennetekniikka II -kurssissa keskitytään digitaaliseen siirtotekniikkaan. Analogisen ja digitaalisen siirron signaaliperusta on täsmälleen samanlainen: Käytetään kantoaallon amplitudia, vaihetta ja taajuutta informaation siirtoon signaali on siirtotiellä analoginen molemmissa tapauksissa Toisessa sanoma on jatkuva-arvoinen ja toisessa vain diskreetti. Toki digitaalisessa siirrossa on käytössä enemmän apukeinoja luotettavuuden parantamiseksi (koodaus, kanavakorjaimet, jne.)
JOHDANTO 3 Ominaispiirteenä on epävarmuuden läsnäolo siirrossa Kohina Kanavan vääristymät ja siirtoteiden stokastisuus (monitiekanava) Informaatio sinällään satunnaisprosessi Järjestelmäanalyysissä tarvitaan todennäköisyysteoreettista lähestymistapaa kanavan stokastiikan huomioonottamiseksi. 1940-luvulla ryhdyttiin käyttämään todennäköisyysteoreettisia menetelmiä järjestelmien analysoimiseksi ja optimoimiseksi. Tiedonsiirron teorian ensimmäisiä kovia patuja : C. Shannon (1948), N. Wiener, S.O. Rice. Seuraavaksi tarkastellaan sähkö- ja tietoliikennetekniikan kehitystä historiallisessa valossa.
TIETOLIIKENNETEKNIIKAN HISTORIAA 4 Tärkeimmät sähkötekniset keksinnöt tietoliikennetekniikan näkökulmasta katsottuna: Seuraavaksi tarkastellaan sähkötekniikan kehitystä tarkemmin.
SÄHKÖTEKNIIKAN HISTORIAA (S) 5
SÄHKÖTEKNIIKAN HISTORIAA (S) 6 1948 tärkeä vuosi
SÄHKÖTEKNIIKAN HISTORIAA (S) 7
ANALOGINEN VS. DIGITAALINEN (S) 8
9 TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMÄN LOHKOKAAVIO Mistä osista järjestelmä koostuu? Miten analoginen siirto poikkeaa digitaalisesta?
TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMÄN LOHKOKAAVIO 10 Sanoma voi olla analoginen tai digitaalinen. Tulosovitin muuttaa siirrettävän sanoman järjestelmään sopivaksi kantataajuiseksi signaaliksi (esim. ääniaallot mikrofonin jännitteksi). Lähetin kytkee sanoman kanavaan (moduloi kantoaaltoa). Modulointi on kosinikantoaallon amplitudin, vaiheen tai taajuuden muuttamista sanomasignaalin ohjaamana. Sovelletaan SM-teoriaa Lohkokaaviota voidaan soveltaa myös tutka- ja sonar-järjestelmille.
TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMÄN LOHKOKAAVIO 11 Vastaanotin vahvistaa, suodattaa ja demoduloi. Lähtösovitin palautta signaalin alkuperäiseksi (kovaääninen). Lisäksi tarvitaan suodatusta ja vahvistamista siirtoketjun eri vaiheissa sekä lähetyksssä että vastaanotossa. Modulaation hyödyt: Säteilytyksen helppous (SM-kenttä lähtee etenemään antennista). Kohinan ja interferenssin (häirintä, naapurikanavat) sietokyky paranee. Mahdollistaa kanavoinnin taajuusalueen täyttämiseksi koordinoidusti (eri käyttäjäryhmillä erilaiset taajuusalueet). Mahdollistaa useiden toisistaan riippumattomien sanomien koordinoidun yhdistelyn ns. Multipleksoinnin FDM = taajuusjakomultipleksointi TDM = aikajakomultipleksointi QM = kvadratuurimultipleksointi CDM = koodijakomultipleksointi
TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMÄN LOHKOKAAVIO 12 Kanava on kriittisin osa järjestelmää. Siellä syntyy vääristymiä, suodattumista, monitie-etenemistä, häipymistä tai summautuu kohinaa, muita RF-taajuisia häiriöitä, jne.. Kanavan ominaisuudet (stokastinen pros.) ohjaavat lähetettävän signaaliaaltomuodon ja järjestelmän rakenteen suunnittelua. Kanava voi olla: Radiotie Parikaapeli Koaksiaalikaapeli Aaltoputki Valokuitu
ANALOGINEN VS. DIGITAALINEN SIIRTO (S) 13 Analoginen aaltomuoto
14 SM-SPEKTRIN TAAJUUSALUEET Mitkä siirtomediat soveltuvat eri taajuusalueille? Miten tunnetut järjestelmät sijoittuvat SM-spektriin?
TIEDONSIIRRON TAAJUUSALUEET 15 Valokuitu Radiolinkit Tutkat Kaapeli-TV Lankapuhelin
TIEDONSIIRRON TAAJUUSALUEET 16 UHF-alueella eniten tungosta (matkapuhelimet, muut yhteiskunnan radiojärjestelmät, TV-kanavat, WLAN, radiolinkit, GPS, satelliitit, jne.) Sukellusveneet käyttävät VLF-taajuuksia. EHF-alueella eniten kaistaa käytettävissä. EHF toimii lähinnä avaruudessa, koska siellä Ilmakehä ei rajoita. Antennin koko on verrannollinen aallonpituuteen (tyyp. koko λ/2, λ/4,...), 1 GHz 30 cm. Antennin fyysistä kokoa voidaan teknisesti pienentää. Siksi antenni voidaan kätkeä puhelimen sisään. http://fi.wikipedia.org/wiki/radioaallot
TIEDONSIIRRON TAAJUUSALUEET (S) 17
TIEDONSIIRRON TAAJUUSALUEET (S) 18 ISM-kaistalla voi toimia ilman taajuuslisenssiä Esim. WLAN/Wi-Fi IEEE 802.11 standardit
TIEDONSIIRRON TAAJUUSALUEET (S) 19
20 TIEDONSIIRTOKANAVAT Millaisia kanavan kohinalajeja on? Millaisia radiosignaalin etenemismalleja on?
SIIRTOKANAVAN KOHINAOMINAISUUDET 21 Kohinalähteet: Sisäinen kohina (passiiviset komponentit, puolijohteet, sekoittajat) Ulkoinen kohina (ilmakehän salamointi, avaruus, kosminen 3K säteily, ihmisen aikaansaama tekninen kohina). Komponenttien kohinat: Terminen Rae (shot noise) 1/f-kohina Auringon ja kosmisen kohinan spektri pääosin alueella MHz GHz. Ilmakehän kohina impulsiivista. 100 MHz:n alapuolella kohinan SM-kentän voimakkuus pienenee taajuuden kasvaessa kääntäen verrannollisesti taajuuteen (ts. 1/ftyyppinen käyttäytyminen). Siksi alemmat RF-taajuudet ovat kohinan vuoksi huonompia: AM-radio: 540 khz 1,6 MHz FM-radio: 88 108 MHz.
SIIRTOKANAVAN KOHINAOMINAISUUDET 22 Ihmisen aikaansaamia: Sähkönsiirron koronat Sytytyskohina Sähkömoottorit Impulssikohina on puheensiirrossa ärsytystekijä mutta digitaalisessa siirrossa se aiheuttaa bittivirheryöppyjä. Muut järjestelmät aiheuttavat tahattomia ja tahallisia häiriöitä: Radio-frequency interference (RFI) matkapuhelinympäristössä Sotilasjärjestelmien häirintä Monitieheijastumat aiheuttavat myös signaaliin stokastisuutta: Peilimäisiä (specular) heijastusta Diffuusia sirontaa (aallonpituuden kokoluokassa olevista esteistä) Diffraktiota (aiheuttaa varjostumista) Suora näköyhteys = line-of-sight (LOS) Hyötysignaalin kannalta kohinat ovat summautuvia prosesseja, ja häipymiset kertovia prosesseja.
SM-AALLON VAPAAN ETENEMISEN KANAVA 23 Maxwellin teoria (1864), Herz todisti kipinälähettimellä 1886 1888. Tarvitaan antenni, joka on usein suuntava. Vapaan tilan vaimennus 1/r 2, kaupunkiympäristössä ja rakennuksien sisällä 1/r 2 6. Vapaan tilan eteneminen mahdollinen vain avaruudessa Geofysikaalisista ilmiöistä riippuvat etenemismallit: suora näköyhteys (Line of Sight), hyppyaalto, pinta-aalto. Johtava maa ja ionosfääri muodostavat aaltoputken heijastusperiaatteella. UHF- ja SHF-taajuuksia ionosfääri ei enää pidättele.
SM-AALLON VAPAAN ETENEMISEN KANAVA 24 Hyppyaallot lähinnä HF-alueella alle 100 MHz (AM-yleisradioläh., radioamatööritoiminta, AM-lentokoneradiot). HF-kanava/-yhteys riippuu vuorokauden ajasta, erityisesti auringosta ja sen aktiivisuudesta. Yhteydessä katvealueita hypyistä johtuen. Pinta-aalto 100 MHz 300 MHz VHF-alueella (ULA-radio, alemmat TVkanavat, lennonvarmistustaajuudet). LOS 300 MHz jälkeen UHF-alueella (ylemmät TV-kan., matkapuh., satelliittiyhteydet, GPS, WLAN). ITU:n WARC koordinoi globaalia taajuusjakoa maittain. Liikenneministeriö, FCC, tms. jakaa maan sisällä.
25 FRIISIN KAAVA: VASTAANOTETUN TEHON SUHDE LÄHETETTYYN Miten taajuusalue vaikuttaa vaimennukseen LOS-kanavassa? Mikä muita vaimennuksen lähteitä on?
FRIISIN KAAVA 26 Tarkastelee vapaan tilan etenemisvaimennusta olettaen, että kahden etäisyydellä r olevan antennin (vahvistukset G t ja G r ) välissä on 1/r 2 -tyyppinen line-of-sigth (LOS) yhteys. Ei monitie-etenemistä. Ilmaistaan vastaanotettu teho parametrien r, λ, G T, G R ja P T avulla. P P R T = G T G R 2 λ 4π r, P R, db = G T, db + G R, db + 20 log 10 λ + 4π r P T, db Taajuusalue vaikuttaa vaimenemiseen http://en.wikipedia.org/wiki/friis_transmission_equation http://transition.fcc.gov/pshs/techtopics/techtopics17.html
FRIISIN KAAVA 27 Matkapuhelingeneraatiot: 1G/NMT 450 MHz alueella iso solun koko 1G/NMT 900 MHz alueella 2G/GSM 900 MHz alueella 3G/UMTS 2.1 GHz alueella 3G/UMTS 800/900 MHz alueella suurempi solun koko kuin 2.1 GHz 3G GHz-alueella myös ilmakehän kaasut ja vesihöyry vaimentavat yhteyttä (vrt. mikroaaltouuni, jossa vesimolekyylit resonoivat ja absorboivat energiaa). GHz-aallot läpäisevät ionosfäärin. Spektrin uudelleenkäyttö tehostuu, kun solukoko pienenee. Tosin se kasvattaa verkon rakentamiskustannuksia suuremman tukiasematiheyden vuoksi (vrt. 2G/GSM vs. 2.1 GHz 3G/UMTS).
ILMAKEHÄN VAIKUTUS (S) 28
29 JOHTEISIIN PERUSTUVAT KANAVAT Mitkä siirtokaistan tarve vaikuttaa johteen valintaan?
JOHTEISIIN PERUSTUVAT SM-AALLON KANAVAT Puheensiirto laadultaan huono, jos ei käytetä kantoaaltomodulaatiota pitkän matkan yhteydellä. Talojohtona parikaapeli lähimpään keskukseen. 1950-luvulla ryhdyttiin käyttämään DSB- ja SSB-modulaatioita puheen siirtoon. Puheensiirrossa perinteisesti käytetty pari-, monipari- ja koaksiaalikaapeleita kanavien lukumäärästä riippuen. Atlantin alittava puhelinkaapeli toteutettiin 1956. Koaksiaalikaapeleiden kaistanleveydet muutamia megahertsejä. Koaksiaalikaapeliin mahtuu noin 13000 puhelinkanavaa. Aaltoputket mikroaalloilla (satelliittisiirto, radiolinkit, tutkat, yleisradiomastotekniikkaa ) Suurempia kaistanleveyksiä tarvittaessa siirryttävä valokaapeleihin. 30
VALOKAAPELIT 31 Valokaapelit ovat yleistyneet 1990-luvulta lähtien. Tarvitaan LED tai puolijohdelaser, kuitu, välivahvistimia ja ilmaisuun valodiodi. Runkoyhteydet toteutetaan valokaapeleilla, koska valokaapelin kapasiteetti hyvin suuri. Voidaan esimerkiksi siirtää suuria määriä TV-kanavia ja muuta liikennettä (lankapuhelut, matkapuhelut, jne.) yhdessä kuidussa. Ongelmana kuidusta jakelu käyttäjille. Kuituverkko internet -yhteyksien toteuttamiseksi kuitenkin yleistyy. Valtakunnallisessa laajakaista kaikille 2015 hankkeessa pyritään toteuttamaan 100 Mbit/s kuitukaista haja-asutusalueille. Hintaesimerkki: http://www.savonkuitu.fi/fi/palvelut+ja+hinnasto/laajakaistapalvelut.html Mannerten välisillä tiedonsiirtoyhteyksillä toteutuksen hinta käytännössä ratkaisee käytetäänkö satelliittia vai merivalokaapelia.
VALOKAAPELIT (S) 32
RADION HISTORIAA: MARCONI (S) 33