View page as slide show

Langaton Tietoliikenne

Kolmas sukupolvi (3G)

  • ITU-T on luonut yleisimmin tunnetun 3G-määritelmän, jonka mukaan 3G-matkapuhelinjärjestelmän tulee tukea
    1. Suuria bittinopeuksia
      • 144 kbps laajoissa ulkotiloissa (kulkuneuvot)
      • 384 kbps laajoissa ulkotiloissa (jalankulkijat)
      • 2 Mbps tai enemmän sisätiloissa
    2. Liikkuvuutta eri operaattoreiden verkkojen ja eri maiden välillä (vakioiduilla käyttäjätiedoilla, jolloin tietojen siirto operaattorien välillä helpottuu)
    3. Päätelaitteiden maantieteellisen sijainnin määrittelyä
    4. Multimediapalveluita (kiinteänopeuksisia/ vaihtelevanopeuksisia)
  • 3G mahdollistaa uudentyyppisiä palveluita, esim. datan (esim. tiedoston lataus) ja äänen (esim. puhelu) yhtäaikainen siirto
    • Mikä on seuraava killer application? Videopuhelut?
    • Ei välttämättä, esim. Japanissa ja Koreassa, jotka ottivat 3G:n nopeasti käyttöön, suosituimmaksi palveluksi on noussut musiikin lataus
  • Monet 3G-palvelut toimivat myös vanhoissa GPRS- ja EDGE-verkoissa (jos nopeus riittää)
  • Yleisesti kolmannen sukupolven järjestelmistä käytetään nimitystä IMT-2000 (International Mobile Telephony 2000)
    • Maailmanlaajuisesti eri tekniikoita radio-osalle
    • Maailmanlaajuisesti varattu 3G-käyttöön eri taajuusalueita
  • Euroopassa UMTS (Universal Mobile Telecommunication Services) -tekniikka käyttää radio-osassaan hyväkseen 3GPP:n kehittelemää WCDMA-tekniikkaa
    • Wideband CDMA (Code Division Multiple Access)

3G: lisenssit

  • 3G-järjestelmien käyttöönotto on viivästynyt useissa maissa
    • Käytetään eri taajuuksia kuin 2G-verkoissa à tarvitaan uudet lisenssit
  • Lisenssien määrää rajoittaa radiotaajuuksien riittävyys
    • Suomeen on mahdollista rakentaa enintään neljä rinnakkaista 3G-verkkoa
    • Lisenssit jaettiin Suomessa ilmaiseksi 1999
      • Taloustieteen professorit pitävät 3G-lisenssien ilmaisjakoa yhtenä Suomen suurimmista talouspoliittisista virheistä → 3,7 miljardin euron menetys valtiolle
    • Esim. Saksan valtio kuittasi lisenssihuutokaupassa n. 50 miljardia euroa (Soneran osuus n. 3,7 mrd €) )
      • Toisaalta 3G-huutokauppoja pidetään suurimpana yksittäisenä IT- laman aiheuttajana
        • Useat operaattori ajautuivat konkurssin partaalle, kun tekniikka ei ottanutkaan tuulta siipiensä alle odotusten mukaisessa aikataulussa

3G: käyttöönotto

  • Nykyisten datapalvelujen käyttäjät kaipaavat selvästi nopeampaa tiedonsiirtoa
    • Erityisesti yritysmaailmassa, jossa toimistosovelluksia on jo mobilisoitu
    • Myös kuluttajat odottavat nopeampia tiedonsiirtoyhteyksiä
  • Läpimurto massamarkkinoilla edellyttää kuitenkin
    • Kattavaa kuuluvuusaluetta (tukiasemia tarvitaan tiheään –mikä on kannattavaa ja mikä ei?)
    • Edullisten päätelaitteiden yleistymistä (kytkykauppa auttaa)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

  • Euroopassa käytössä oleva 3G järjestelmä
  • Perustuu avoimeen standardointiin
    • 3GPP vastuussa
  • Painopiste multimediassa, pakettidatassa ja uusissa palveluissa, esim
    • Paikkaan liittyvät palvelut
    • Yhtäaikaiset puhelut ja datayhteydet
    • Muokattavat palvelut
  • Tukee eri solukokoja
    • Satelliitti: maat/maanosat
    • Macro: < 30 km
    • Mini: < 3 km
    • Micro: muutama katu
    • Pico: huone, juna, lentokone jne.

UMTS: laatuluokat

  1. Conversational Class (Keskusteluluokka)
    • Vaativat usein interaktiivisuutta ja reaaliaikaisuutta: Ääni, videoneuvottelu, …
  2. Streaming Class (” Datavirta” -luokka)
    • Kaistavaatimus on tasainen, ei salli viivevaihtelua: Multimedia, tilausvideot, …
  3. Interactive Class (Interaktiivinen luokka)
    • Tietoa siirretään ”pyynnöstä”: Internet-selailu, verkkopelit, …
  4. Backround Class (Taustaluokka)
    • Taustalla tapahtuvaa tiedonsiirtoa, Ei reaaliaikaisuusvaatimusta
  • Yhdellä käyttäjällä voi olla samanaikaisesti monta erityyppistä yhteyttä auki, kuten ääni, video ja datayhteydet

UMTS: erot 2G-järjestelmiin

  • Suurempi nopeus (jopa 1920 kbps, lisätekniikoilla enemmän)
  • Tarpeen mukaan vaihteleva siirtonopeus
  • QoS-ominaisuudet
  • Eri laatutasoisten palveluiden yhdistäminen yhdeksi yhteydeksi
  • Eri tasoiset viivetakuut
  • Yhteensopivuus 2G-laitteiden kanssa kattavuuden takaamiseksi
  • Asymmetrinen Up/Downlink
  • Joko TDD tai FDD (tai MC-CDMA (Multi-Carrier Code Division Multiple Access (MC-CDMA))

UMTS-verkko

  • GERAN GSM, EDGE, Radio Access network
  • HSS = Home subscriber server
  • CSCF = Call state control function
  • MGCF = Media gateway control function
  • SGSN = Serving GPRS support node
  • GGSN = Gateway GPRS support node
  • MGW = Media gateway

UMTS-verkon pääkomponentit

  • User and Services Identity Module (USIM)
    • GSM:n SIM-korttia vastaava
    • Sisältää UMTS-turvatoimet, tilaajamerkinnät, sähkörahan, luottokorttitiedot, GSM:n SIM-sisältö, jne…
  • Mobile Equipment (ME)
    • Aluksi valmistunee puhelimia, joita voidaan käyttää sekä GSM että UMTS - verkoissa
  • UMTS Radio Access Network (UTRAN)
    • Tukiasemat (BS / Node-B)
      • RNC:t (Radio Network Controller)
        • Huolehtivat päätelaitteiden ja tukiasemien välisen radiorajapinnan toiminnasta
        • Yhdistää tukiasemat UMTS-CN:ään (UMTS-runkoverkkoon)
    • RNS (Radio Network Sub-System)
      • Yhden RNC:n ja siihen liittyneiden tukiasemien muodostama aliverkkokokonaisuus

UMTS Core Network (CN)

  • Interworking Unit (IWU)
    • Muuntaa pakettikytkentäisestä piirikytkentäiseksi tai päinvastoin
    • Muodostaa liitynnän URANin ja erityyppisten puhelinverkkojen välillä
  • MSC/VLR (Mobile Switching Center / Visitor Location Register)
    • Runkoverkon keskus joka kytkee yhteydet sijaintien mukaan
    • GMSC = Gateway-MSC, yhdyskäytävä puhelinverkkoihin
  • SGSN (Serving GPRS Support Node)
    • Yhdistää UMTS-verkon muihin verkkoihin GPRS-pohjaisella ratkaisulla
  • GGSN (Gateway GPRS Support Node)
    • Yhdyskäytävänä UMTS:n ja IP-verkkojen välillä
  • HLR (Home Location Register)
    • Säilyttää tilaajatietoja
  • SCP (Service Controlling Point)
    • Huolehtii asiakkaiden lisäarvopalveluista

UMTS: WCDMA

  • Käyttää pääsymenetelmänä suorasekvensoitua WCDMA-tekniikkaa (DS-CDMA, Direct-Sequence CDMA)
    • Kerrotaan käyttäjän data näennäissatunnaisella PN-koodilla (chip) à saadaan koodattu signaali
    • Chip rate on 3.84 Mcps
  • Mitä lyhyempi PN-koodi, sitä
    • nopeampi siirtonopeus
    • huonompi virhe-/häiriösietoisuus
  • PN-koodien tavoitteena on saada lähetettävä signaali sellaiseen muotoon, että muut signaalit ovat mahdollisimman paljon taustakohinan kaltaisia
  • Tarkka tehonsäätö tekee lähettimistä monimutkaisia
    • SIR/FER (Signal-to-Interference Ratio/Frame Error Rate) -mittaukset 1500 kertaa sekunnissa (1.5kHz)

UMTS: tietoturva

  • Rakennettu käytännön syistä GSM-verkon turvamallin päälle, mutta tunnettuja heikkouksia korjaten
  • Ratkaistu useimmat GSM-verkon tietoturvaongelmat
    • Salausalgoritmeilla pidemmät avaimet
    • Myös verkko todennetaan
    • Liikenteen salaus myös muualla kuin radiotiellä
    • Signalointidata todennetaan ja eheys taataan
    • SIM on päivitetty USIM:ksi, jossa on turvallisemmat algoritmit
    • Sisäänrakennettu mekanismi tietoturvatekniikoiden päivittämiseksi
  • Toisaalta UMTS on GSM-yhteensopiva, joten GSM- käyttäjillä on UMTS-verkossa myös käytännössä GSM- tietoturva

Matkapuhelinverkkojen kuuluvuus

  • GSM-verkko toimii käytännössä koko Suomessa (pieniä katvealueita syrjäseuduilla)
  • GPRS-verkko toimii käytännössä koko GSM-verkon peittoalueella
  • EDGE toimii useilla kaupunkialueilla, ei kuitenkaan täysin kattavasti
  • UMTS-verkon peittoalue on vielä erittäin rajallinen
    • Toimii lähinnä suurimmissa kaupungeissa ja niissäkin rajatulla alueella
  • Ks. esim. Soneran ja Elisan kuuluvuuskartat:

UMTS: nykyisiä ongelmia

  • Suhteellisen suurikokoiset päätelaitteet, heikompi akun kesto kuin

GSM-puhelimissa

  • Ongelmia handoverissa UMTS-verkosta GSM-verkkoon
  • Heikko kattavuusalue
    • Rakentaminen vie oman aikansa, eikä kattavuutta tulla saamaan joka paikkaan
  • Suurempia nopeuksia varten tukiaseman täytyy olla hyvin lähellä
    • Onko kannattavaa rakentaa tukiasemia joka kortteliin?
  • Yhteisen maailmanlaajuisen taajuuskaistan puute
    • Esim. Pohjois-Amerikassa taajuusalue on erilainen à Eurooppalaiset puhelimet

eivät toimi siellä (ja päinvastoin)

  • Vastaava ongelma kuin GSM:llä, jossa edullisten kolmitaajuuspuhelimien

markkinoille tulo vei vuosia

UMTS-päivitykset: HSPA

  • HSPA-tekniikoiden avulla nostetaan UMTS-verkkojen datanopeuksia
  • HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) (3.5G?)
    • Nykyiset maksiminopeudet päätelaitteen suuntaan 1,8 Mbps tai 3,6 Mbps
    • Periaatteellinen maksiminopeus 14,4 Mbps
    • Uplink-nopeus 384 kbps
    • Käytössä esim. Suomessa (esim. Elisan tarjoamat 1024 kbps-yhteydet)
  • HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) (3.75G ?)
    • Nostaa myös uplink-tiedonsiirron maksimissaan 5,76 Mbps:n nopeuteen
    • Ei vielä käytössä Suomessa
  • HSOPA (High Speed OFDM Packet Access, Super 3G)
    • Mahdollistaa ehkä tulevaisuudessa 100 Mbps:n downlink- ja 50 Mbps:n uplink- nopeudet

Matkapuhelinverkkojen tehot

  • Matkapuhelinverkot käyttävät radiotaajuuksia
    • Ionisoimatonta säteilyä, jonka fotonienergia ei ole riittävä poistamaan elektroneja elävän kudoksen atomeista (kuten esim. röntgensäteily)
  • Maksimitehot määritelty kansallisesti
    • Puhelin säätää jatkuvasti tehoaan ja pyrkii toimimaan minimiteholla
Matkapuhelin (uplink) Tukiasema (downlink)
Matkapuhelin-verkko Taajuusalue (MHz) Suurin keskim. teho (W)Taajuusalue (MHz) Tyypillinen antenniin menevä teho (W)
GSM900 880–915 0,25 925–960 20
GSM1800 1710-1785 0,125 1805–1880 15
UMTS/WCDMA 1920-1980 0,125 2110–2170 10
  • Radiosäteily lämmittää kuitenkin kudoksia
    • Vrt. mikroaaltouuni (2,4 GHz)
  • Tukiasemien käyttämät korkeammat tehot suunnataan pois lähialueelta

Matkapuhelimien säteily

  • Suomessa säteilyturvakeskus (STUK) valvoo

matkapuhelinten säteilyturvallisuutta

  • Puhelimet testataan mittaamalla puhelimen

SAR-arvo (Specific Absorption Rate).

  • Mitataan pään alueelle imeytyvää lämpöenergiaa
  • Sallittuna raja-arvona 2 W/kg
  • Käytännössä kaikki markkinoilla olevat puhelimet alittavat

raja-arvon

http://www.stuk.fi/julkaisut/katsaukset/pdf/katsaus_matkapuhelimet_ja_tukiasemat.pdf

Matkapuhelinverkkojen tulevaisuus?

  • Erilaisten verkkotekniikoiden yhdistyminen
  • 4. sukupolvi (?)
    • Yhdistelmä erilaisia verkkoja, ”virtuaalinen verkko”
    • Täysin IP-pohjainen? Vai tuleeko uusi tekniikka joka korvaa IP:n?
    • Nopeudet 100 Mbps ulkotiloissa ja 1 Gbps sisätiloissa
    • Helppo, turvallinen, edullinen, aina läsnä
    • Ihmiset kytkeytyvät tietoverkkoihin samalla tavalla sen suuremmin miettimättä kuin nyt kytkeydytään esim. sähköverkkoon
Last modified: 2013/07/01 14:42