Lisäosa 1: Verkkojen yleiset perusteet•Radioaaltojen perusteoriaaRadioaaltojen perusteoriaa

•Eroja langattomien ja langallisten järjestelmien välillä•Radioaallot sähkömagneettisen spektrin osana•Radiotaajuuksien käytön säätely•Radiotaajuusalueiden käyttö•Radioaaltojen eteneminen•Tärkeimmät etenemismekanismit•Matkapuhelinverkoissa merkittävät ilmiöt•Monitie-eteneminen ja Rayleigh-häipymäM tk h li k i kä t t t di lt j ii i t t i llit•Matkapuhelinverkoissa käytetyt radioaaltojen empiiriset etenemismallit

•Matkapuhelinverkoissa käytettävät antennit•Matkapuhelimien antennit •Tukiasemissa käytettävät antennit

•Monikäyttötekniikat •Dupleksointi•FDMA•TDMA•Hajaspektritekniikat

1

•Häiriöt: radiolähetystä ei voida suojata häiriötä vastaan kuten kaapeleissa tapahtuvaa lähetystälähetystä

•Taajuuksien säätely: taajuudet toimivat rinnakkain ja vain pieni osa taajuuskaistasta on käyttökelpoista ja muuten käytettävissä

•Alhainen kaistanleveys ja siirtonopeus: langattomien järjestelmien suurimmat nopeudet ovat korkeintaan muutaman 10 Mb/s

•Suuret viiveet ja niiden vaihtelut: langattomien järjestelmien radiotiestä johtuvat viiveet ovat vielä suurempia kuin TCP/IP-protokollien aiheuttamat

•Radiorajapinnan turvallisuus: radiorajapinta on periaatteessa aina altis salakuuntelulle. Tämä aiheuttaa järjestelmille raskaita salaus-, autentikointi- ja muita turvallisuusmekanismivaatimuksia

•Jaettu siirtotie: siirtotie jaetaan aina useamman käyttäjän kesken, mikä rajoittaa yhden käyttäjän saamaa kapasiteettia

2

•Sähkömagneettinen säteily on poikittaista aaltoliikettä, joka etenee suoraviivaisesti tyhjiössä valon nopeudella tyhjiössä valon nopeudella

•Sähkömagneettisen tasoaallon edetessä sähkö- ja magneettikenttä sykkivät samanvaiheisina kohtisuorassa sekä toisiaan että etenemissuuntaa vastaan

•Sykkimisen taajuus on f ja aallonpituus on λ=c/f

•Aallonpituuden tai taajuuden perusteella sähkömagneettisen säteilyn spektri jaetaan osa-p j p g y p jalueisiin yo. kuvan perusteella

•Ultraviolettisäteily ja sitä lyhytaaltoisempi säteily pystyvät molekyylien ionisoimiseen eli ne ovat ionisoivaa säteilyä. Radioaallot vain lämmittävät biologisia materiaaleja.

3

•Maan sisäinen taajuusjako on kunkin maan sisäinen asia. Esim. Suomessa Viestintävirasto (entinen Telehallintokeskus) jakaa radiotaajuudet Liikenneministeriön päätösten mukaisesti (entinen Telehallintokeskus) jakaa radiotaajuudet Liikenneministeriön päätösten mukaisesti. Voimassaoleva taajuusjako Suomessa löytyy www.ficora.fi -sivuilta.

•Kotitehtävä: Etsi Ficoran sivuilta voimassaolevat 1800 MHz:n taajuusluvat

4

•VLF (Very Low Frequencies) ja LF (Low Frequencies) : pitkiin radioyhteyksiin

•MF (Medium Frequencies) ja HF (High Frequencies) : yleisradioasemien AM-lähetteet ja FM-lähetteet (n. 100MHz)

•VHF (Very High Frequencies) ja UHF (Ultra High Frequencies) : TV-lähetykset, digitaalinen yleisradiolähetys, useat analogiset matkapuhelinverkot, GSM ja muut digitaaliset matkapuhelinverkot

•SHF (Super High Frequencies) : mikroaaltolinkit ja kiinteät satelliittipalvelut

•EHF (Extremely High Frequencies): laskeutumistutkajärjestelmät, avaruuden radiomittaukset

5

6

7

8

1. Eteneminen näköyhteysreittiä (LOS=Line of sight) pitkin:•likimain vapaan tilan etenemistälikimain vapaan tilan etenemistä•tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF-alueilla eli 300MHz-300GHz

2. Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla.•Taajuusalue n. 0,3 –10 GHz•kutsutaan myös troposfäärietenemiseksi. Troposfääri on ilmakehän alin kerros, 0-17 km maanpinnasta•lämpötila, paine, kosteus, sade, yms. vaikuttavat etenemiseen•Troposfäärissä aalto vaimenee, siroaa ja kaartuu sekä voi myös heijastua•Sironta tarkoittaa, että osa tasoaallon koherentista tehosta muuttuu epäkoherenttiin muotoon ja säteilee laajaan avaruuskulmaan.

3. Eteneminen ionosfäärin kautta:•ionosfääri: 60 –1000 km maanpinnasta•Alle 30 MHz:n taajuuksilla aalto voi heijastua ionosfäärin ja troposfäärin rajapinnasta. Heijastumalla uudelleen maanpinnasta aalto voi edetä jopa maapallon ympäri•Ionosfäärissä on auringon säteilyn ionisoimaa plasmaa. Radioaalto ei läpäise ionosfääriä alle 10 MHz:n taajuuksilla.

4. Maanpinta-aaltona eteneminen:•Lähetys- ja vastaanottoantennit ovat lähellä maanpintaa.•Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden funktiona joten eteneminen rajoittuu alle 10 MHz:n taajuuksilleVaimennus kasvaa nopeasti taajuuden funktiona, joten eteneminen rajoittuu alle 10 MHz:n taajuuksille.•Eteneminen riippuu maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista.•Maata pitkin aalto voi edetä jopa tuhansien kilometrien päähän.

•Muita:•troposfääriheijastukset (30-1000 MHz)•kanavoituminen (yli 1 GHz)•Nämä ovat epäluotettavia, sääoloista riippuvia ilmiöitä. Ne aiheuttavat lähinnä häiriöitä. Näiden varaan ei voi suunnitella radioyhteyksiä.

9

•Lisätietoa esim. Räisänen-Lehto, Radiotekniikka (luku 10)

1. Heijastuminen:R di ll h ij i j k k i d i•Radioaallot heijastuvat maastoesteistä ja rakennuksista, myös vedenpinnasta

•Radioaallon heijastuessa osa aallon tehosta uppoaa heijastavaan materiaaliin, eli heijastuneen aallon teho on pienempi kuin tulevan aallon•Esim. järven tai meren rannalla oleva kesämökki on usein ”kuolleessa pisteessä” tukiasemaan nähden. Mökin takaa puuttuu heijastava pinta, joka voisi parantaa signaalin tasoa (alempi kuva). Näin ollen heijastumisesta on sekä haittaa että hyötyä tapauksesta riippuen.

2 P l i ti2. Polarisaatio:•Antennista lähtiessään kenttä on vertikaalisesti polarisoitua. Teoreettisesti paras signaali saadaan siis silloin kun matkapuhelimen antenni on pystyssä.•Heijastuessaan maastoesteistä ja rakennuksista aallon polarisaatiotaso muuttuu eli kiertyy.•Polarisaatiotason muutos riippuu tulokulmasta ja heijastavan pinnan ominaisuuksista.

10

3. Diffraktio:d i k h d ll l i•Sädeteorian mukaan yhteydellä oleva este estää säteen etenemisen

•Paremmin todellisuutta kuvaa Huygensin periaate: jokainen esteen yläpuolella oleva aaltorintaman piste toimii uuden aallon lähtökohtana•Tästä seuraa diffraktio eli aallon taipuminen. Sen avulla aalto voi edetä myös näköesteen taakse.•Maaston pyöreäreunaistenesteiden vaikutus on suurempi kuin teoreettisten teräväreunaisten esteiden vaimennus.•Usean peräkkäisen esteen synnyttämä diffraktiovaimennus voidaan laskea jokaiselle esteelle k ll j itt hdi tä ällä l k t t i k tkerrallaan ja sitten yhdistämällä lasketut vaimennukset

4. Vaimeneminen• Signaalin tehon vähenemistä kutsutaan vaimentumiseksi. Vaimentuminen riippuu taajuudesta ja käytetystä siirtotiestä. Siirtotien väliaineella on suuri merkitys. Vapaassa tilassa eli ilmassa vaimentuminen on pienimmillään, tiheässä väliaineessa suurimmillaan•Signaalin eri taajuuskomponentit vaimentuvat eri tavoin. Tätä kutsutaan vaimennusvääristymäksi. Korkeat taajuudet vaimentuvat enemmän kuin matalat.•Ilmakehän vaikutus vaimennukseen tuntuu tietyillä taajuuksilla.•Signaalin vaimenemista lähettimestä poispäin mentäessä kutsutaan hitaaksi häipymiseksi.•Tyypillisiä vaimennusarvoja erilaisille seinille:

•betoni 25 cm (isot ikkunat) 4 dB•betoni 25 cm (ei ikkunoita) 11 dB•betoni 10 cm (väliseinä) 6 dB•lasi 2 dBl si (m t lli h ist in n) 8 dB

11

•lasi (metallivahvisteinen) 8 dB•puu- ja levyrakenteiset väliseinät 2-6 dB

•Vastaanottimeen saapuva signaali on summa d i ll i•suoraan edenneistä aalloista

•heijastuneista aalloista•diffraktoituneista aalloista

•Kukin aallon komponentti on antenniin saapuessaan kulkenut eripituisen matkan. Tätä kutsutaan monitie-etenemiseksi. Saapuvat monitie-edenneet signaalit sisältävät eri amplitudeja ja vaiheita.•Erivaiheiset signaalikomponentit voivat vahvistaa tai kumota toisiaan. Näin vastaanotetussa signaalissa on tietyin välimatkoin hyvin kapeita mutta syviä häipymiä (vastaanottimen liikkuessa maastossa)y y p y py•Häipymät toistuvat puolen aallonpituuden välein eli esim. GSM900:lla ____________ ja GSM1800:lla _____________ välein. •Nopeaa häipymistä kutsutaan Rayleigh-häipymäksi. (Hidasta häipymistä on maaston aiheuttama stabiili vaimennus.)•Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä.

•Monitie-eteneminen aiheuttaa myös symbolien välistä häiriötä eli ISI:ä (Intersymbol Interference). Heijastuneet signaalit saapuvat viivästyneinä ja vääristävät seuraavan symbolin tulkintaa. Esim. GSM:ssä ISI:n vaikutusta torjutaan ekvalisaattorilla. UMTS:ssa taas RAKE-vastaanotin kerää myös viivästyneet komponentit.

12

Nopeaa häipymää nimitetään Rayleigh-häipymäksi, jos•signaali saapuu vastaanottimeen useita eri reittejä•signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (normaalisti näköyhteys)•soveltuu hyvin ulkotiloihin

Rayleigh-häipymää torjutaan diversiteetillä.

Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta.Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta.

Mikäli signaalilla on olemassa yksi dominoiva polku eli näköyhteys, nimitetään nopeaa häipymää Rician-häipymäksi. Myös tässä tapauksessa signaali saapuu vastaanottimeen myös eri reittejä pitkin. Tämä eteneminen esiintyy usein sisätiloissa.

13

Diversiteettitavat:•Aikadiversiteetti: signaalista lähetetään versioita eri aikoina. •Taajuusdiversiteetti: Signaali lähetetään eri taajuuksilla •Tiladiversiteetti: signaali lähetetään erilaisia etenemisteitä pitkin. Antennidiversiteetti on yksi sovellutus tästä.•Polarisaatiodiversiteetti: signaali lähetetään tai vastaanotetaan useilla antenneilla, joilla on erilaiset polarisaatiokulmat

Diversiteettihyödyt:•Diversiteetillä saadaan parempi kentänvoimakkuus vastaanottimeen•Diversiteetillä voidaan myös torjua häiriötä. Jos esim. taajuushyppelyssä jokin taajuus on häiriöllinen, taajuushyppely tasoittaa häiriön vaikutusta ja jakaa sitä kaikkien käyttäjien kesken. Näin häiriö ei vaikuta liian voimakkaasti yhdelle käyttäjälle.•Hyödyt ovat suurimmillaan paikallaan pysyvälle puhelimelle. Nopeasti liikkuva puhelin liikkuu muutenkin nopeasti pois huonosta kentänvoimakkuudesta.

14

Antennidiversiteetti: ll k h l •Käyttämällä kahta tai useampia antennia voidaan saavuttaa muutaman desibelin

diversiteettivahvistus. Rayleighin häipymäkohdat sijaitsevat puolen aallonpituuden monikertojen päässä toisistaan, joten antennit pitää sijoittaa riittävän etäälle toisistaan.•Antennidiversiteetissä käytetään yleensä tukiasemassa kahta vastaanotinantennia, joiden välimatka horisontaalitasossa on n. 1-2 m. Tukiaseman vastaanotin valitsee kahdesta antennisignaalista automaattisesti paremman. Tällä saavutetaan 3-5 dB:n luokkaa oleva parannus vastaanotetun signaalin tasoon lähinnä kaupunkiympäristössä.•Antennidiversiteettiä voidaan käyttää myös lähetyspuolella. Tällöin signaali lähetetään kahden erillisen antennin kautta radiotielle.•Antennidiversiteettiä kutsutaan myös mikrodiversiteetiksi

Makrodiversiteetti:•Esim. UMTS:ssä signaali voidaan lähettää puhelimelle kahden eri tukiaseman kautta. Tällöin signaalin radiotiet ovat täysin erilaiset ja signaalin perillemenon varmuus kasvaa. Tätä kutsutaan makrodiversiteetiksi.

15

Taajuusdiversiteetti: k k l E k ll •Taajuusdiversiteetissä käytetään eri taajuuksia signaalin etenemisteinä. Eri taajuuksilla

häipymäkohdat sijaitsevat hieman eri kohdissa, joten signaalin voimakkuus on erilainen eri taajuuksilla.•Taajuushyppely on eräs taajuusdiversiteetin muoto. Peräkkäiset purskeet siirretään eri taajuuksilla, jolloin on epätodennäköistä, että häipymäkohta on jatkuvasti puhelimen kohdalla, joten taajuushyppelyssä saadaan eri taajuuksilta samassa paikassa erivahvuisia signaaleja. Esim. GSM-järjestelmässä käytetty taajuushyppelyominaisuus lieventää Rayleigh-häipymän vaikutuksia ja tasoittaa myös verkon häiriötasoa•Kiinteissä mikroaaltoradiolinkeissä käytetään taajuusdiversiteettiä varmentamaan linkkiyhteyttä. Samoihin antenneihin voidaan syöttää kaksi eritaajuista signaalia.•CDMA:n käyttämä leveä kaista luo myös taajuusdiversiteettiä. Kaistan alaosassa on erilaiset etenemisominaisuudet kuin yläosassa, jolloin osa signaalista menee perille jos osassa kaistaa on etenemisongelmia.•Myös OFDMA:n käyttö tuo taajuusdiversiteettiä: jos jotkut alikantoaallot eivät mene perille, ainakin osa alikantoaalloista toimii.

16

Polarisaatiodiversiteetti:•Signaali lähetetään tai vastaanotetaan käyttäen useita eri antenneja, jotka ovat eri suuntiin polarisoituja. •Vastaanottodiversiteetti: Tukiasemalta lähtevä signaali on yleensä vertikaalisesti eli pystysuuntaisesti polarisoitua. Heijastellessaan maastoesteistä ja rakennuksista signaalin polarisaatiotaso kuitenkin kiertyy. Puhelimeen saapuva signaali voi olla jo hyvin voimakkaasti kiertynyttä. Sama ilmiö pätee toiseen siirtosuuntaan. Tukiasemalla voidaan käyttää kahta vastaanottoantennia, jotka ovat 90 asteen kulmassa toisiinsa nähden.•Polarisaatiodiversiteetti voidaan myös toteuttaa valmiilla ristipolarisoiduilla antenneilla, joissa jristipolarisoidut antennielementit on sijoitettu saman kuoren sisään. (X-pol. antennit) Polarisaatio voi tuolloin olla horisontaalinen ja vertikaalinen. Useimmiten kuitenkin käytetään antenneja, joissa dipolielementit on sijoitettu +45 ja -45 asteen kulmiin (kts. kuva ylh.).

17

•Käytännössä jokaiseen pisteeseen saapuvaa kentänvoimakkuutta ei voida laskea t k sti iks tt h mi k ikki d llä m i itt j di ti mi is ksi tarkasti erikseen ottaen huomioon kaikkia edellä mainittuja radiotien ominaisuuksia. Tämän vuoksi on kehitetty empiirisiä eli mittauksiin perustuvia kentänvoimakkuuden laskentamalleja. (Empiirinen= kokemusperäinen, mittauksiin perustuva)

•Kaikki nykyaikaiset radioverkkojen suunnitteluohjelmistot käyttävät näitä empiirisiä etenemismalleja. Käytetyimpiä malleja ovat Okumura-Hata maaseudulle ja COST231 –mikrosolualueille. Ne on parametrisoitu erilaisille ympäristöille ja eri taajuusalueille.

•Digitaalisen karttapohjan avulla pystytään ennustamaan kentänvoimakkuus halutun rasterikoon mukaisille alueille. Maaseudulla käytetään ennustamiseen suurta rasterikokoa, kaupungeissa jopa muutamien neliömetrien kokoisia paloja (<100m2). Kaupungeissa rakennusten mallintaminen on vaikeaa, myös monitie-eteneminen vaikeuttaa ennustamista. Kaupunkeihin on kehitetty erityisiä mikrosolu- ja jopa sisätilamalleja.

18

•Kuvassa näkyy erään laskentaohjelman laskema kentänvoimakkuus etäisyyden f kti Alh ll lik ss äk ät k tä im kk t ik tt t m t it:funktiona. Alhaalla valikossa näkyvät kentänvoimakkuuteen vaikuttavat parametrit:

•tukiaseman antennikorkeus•puhelimen antennikorkeus•taajuus•ympäristö (parametrisoitu)•lähetysteho•haluttu aika- ja sijaintitodennäköisyysj j yy

19

20

•Matkapuhelimissa käytettävät antennit ovat koko ajan pienentyneeti i d k i l i /4 li lj ll i•Antennin pituudeksi on yleistynyt λ/4 eli neljännesaallon mitta

•Mitä pidempi antenni, sitä parempi signaali•Vapaassa tilassa säteilykuvio on paras (tasainen)•Antenni viritetään halutun kaistan keskelle•Dual-band-puhelimissa käytetyt antennit ovat kompromisseja. Niissä voi olla myös erilaisia sähköisesti viritettäviä antenneja (ominaisuudet muuttuvat kun puhelin vaihtaa kaistaa)•Puhelimen antennin vahvistus on tyypillisesti hyvin pieni (0 dBi)•Auton katolle tarkoitetuilla antenneilla on yleensä parempi vahvistus (jopa 3-5-dBi) ja Auton katolle tarkoitetuilla antenneilla on yleensä parempi vahvistus (jopa 3 5 dBi) ja tasaisempi säteilykuvio. Auton katto luo hyvän maatason.•Ns. mökkiantenni on ulkoisesti käsipuhelimeen liitettävä antenni, joka suunnataan parhaaseen tukiasemaan.

21

•Isotrooppinen antenni säteilee teoriassa joka suuntaan yhtä voimakkaasti•Yleensä antennin vahvistus ilmaistaan verrattuna isotrooppiseen säteilijään eli x dBd = (x+2) dBi

•Antennin ominaisuudet määritetään seuraavien suureiden avulla:•3 dB kulma (asteina) = puolen tehon kulma•pääkeilan vahvistus (dBi)•etu-takasuhde (dB)( )

•Yleensä antennista ilmoitetaan sekä horisontaalinen että vertikaalinen säteilykuvio

•Paljonko on oikeanpuoleisessa kuvassa olevan antennin 3 dB:n keila?

Tilttaamalla eli suuntaamalla antennit alaspäin voidaan parantaa kentänvoimakkuutta halutulla alueella ja pienentää häiriöaluetta.

22

Antennien yhdistäminen: Samoihin antenneihin voidaan yhdistää:

•Useampia lähettimiä tai vastaanottimia. Lähettimet yhdistetään tukiasemassa kombainerilla. Vastaanottimet yhdistetään jakovahvistimella myös tukiasemassa.

•Lähettimiä ja vastaanottimia ns. duplex-suotimella. Tämä voidaan toteuttaa myös yhdistämällä lähettimet ja vastaanottimet samaan antenniin ja lisätä toinen antenni kytkettynä diversiteettivastaanottimeen. toinen antenni kytkettynä diversiteettivastaanottimeen.

•Eri järjestelmien tukiasemia. Esim. GSM:ää ja DCS1800:aa varten on tehty antenneja, jotka kattavat molemmat taajuusalueet.Myös 1800:a ja UMTS:aa varten on tehty antenneja

•Usein yhdistetään kaksi antennia samaan soluun, jolloin saavutetaan laajempi peittoalue. Tehonjakajan häviö tosin on 3 dB. Antenneja yhdistettäessä p j j j ytehonjakajalla syntyy sivuille ns. sormikuvioita riippuen antennien välisistä kulmista ja aaltojen vaihe-erosta

23

•Dipolimattoantennit:

•Yleisimmin käytettyjä matkapuhelinverkoissa•Koot vaihtelevat n. 20 x 20 cm:n koosta yli 3m:n pituuteen•Vahvistus saadaan aikaan kerrostamalla dipoliantenneja yhteen. Vahvistus vaihtelee 6-19 dBi.•Keilanleveydet vaihtelevat 60-130 asteeseen.

•Erilaisia dipolimattoantenneja:•Ristipolarisoitu: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361427f.pdf•Ristipolarisoitu 12 asteen tilttauksella: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361450f.pdf•Ristipolarisoitu säädettävällä tilttauksella: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9362201e.pdf•Kaksitaajuusantenni, ristipolarisoitu: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361642f.pdf

24

•Log-periodiset antennit:

–Muodostetaan dipoleista yhdistämällä niitä toisiinsa taajuuden suhteen logaritmisesti (kts. kuva alla)

–Pystytään muodostamaan kapeita keiloja

–Erikoissovelluksiin

25

•Kaksikeilaiset antennit:•Mikrosoluihin soveltuvat hyvin antennit, jotka muodostavat kaksi symmetristä keilaa 180 asteen välein.•Linkki: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361870d.pdf

•Ympärisäteilevät antennit:•Sauva-antenneja, pituus 10 cm - 6m•Vahvistus vaihtelee 2-11 dBi•Maaseudulla käytettäviä•Saman radomin sisään voidaan sijoittaa kaksi sauvaaLinkkejä:11 dBi:n sauva: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361062g.pdf2 dBi:n dual-band sauva:http://www kathrein de/de/mca/produkte/download/9361696c pdfhttp://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9361696c.pdf

26

•Sisätila-antennit:•Sekä ympärisäteileviä että suuntaavia, pienikokoisia•Vahvistus pieni•Sekä katto- että seinäasennusmalleja olemassa•Linkkejä:

•Ympärisäteilevä multiband, kattomalli: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9362506b.pdfp p p•Suuntaava seinämalli: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/936675c.pdf•Suuntaava dual-band seinämalli: http://www.kathrein.de/de/mca/produkte/download/9363036.pdf

•Vuotavat kaapelit:Vu p•Kaapeliin tehty reikiä joista signaali säteilee ulos•Käytetään tunneleissa ja luolissa, signaali vaimenee nopeasti•Suuri etenemisvaimennus ja säteilyvaimennus•Linkki Hitachin vuotavan kaapelin sivuille: http://www.hitachi-cable.co.jp/catalog/EW-204.pdf

27

Varsinainen monikäyttö:

•Yleisimmät monikäyttötekniikat ovat FDMA, TDMA ja CDMA

•Ne voidaan edelleen luokitella kapea- ja laajakaistaisiin järjestelmiin riippuen siitä, miten käytetty kaista on jaettu käyttäjille:

•kapeakaistainen järjestelmä: saatavilla oleva kaista on jaettu suureen määrään kapeakaistaisia kanavia•laajakaistainen järjestelmä: kanavan kaistanleveys on huomattavasti suurempi kuin sen lähettämiseen vaadittava kaista

•Järjestelmien suunnittelussa pyritään mahdollisimman suureen kaistankäytön tehokkuuteen. Yleensä sitä mitataan käyttäjien määrällä/MHz. Myös muita mittaustapoja on käytössä. Tehokkuutta on vaikea arvioida teoreettisesti riittävän luotettavasti, usein vasta käytössä oleva järjestelmä näyttää oikean kaistatehokkuudenkaistatehokkuuden.

28

FDD (Frequency Division Duplexing):•Oma taajuus lähetykseen ja vastaanottoon•Duplex-väli on aina sama•Yleensä lähetin ja vastaanotin erotetaan toisistaan duplex-suodattimella

TDD (Time Division Duplexing):•Oma aikaväli lähetykseen ja vastaanottoonOma aikaväli lähetykseen ja vastaanottoon•Yksi taajuus riittää, duplex-suodatinta ei tarvita

29

•FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin. Laitekustannuksiltaan se k it ki l sä k lliim i k sk j k is ll kä ttäjäll t it m 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. Yleensä käytetään n. 30 kHz kaistaa käyttäjää kohti. FDMA:ta käyttäviä järjestelmiä ovat esim. AMPS (30 kHz/käyttäjä) ja NMT (25 kHz/käyttäjä).

•FDMA/FDD: yksi kanava käytössä tukiasemalta puhelimeen ja toinen kanava puhelimesta tukiasemalle.

•FDMA:ssa saattaa syntyä keskeismodulaation aiheuttamaa häiriötä: epälineaarisissa komponenteissa syntyy epätoivottuja harmonisia taajuuksia, jotka häiritsevät muita kanavia tai muita järjestelmiä.

•Kanavien määrä FDMA-järjestelmässä:

N = (Bt – 2Bguard) / Bc, missäBt = koko käytettävissä oleva kaistaBguard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissäBc = yhden kanavan kaistanleveys

30

•TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä yhden radiokanavan aikaväleistä.

•TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Aikavälien määrä radiokanavalla riippuu modulaatiotekniikasta ja saatavilla olevasta kaistasta.

•TDMA/TDD: puolet aikaväleistä toiseen suuntaan ja puolet toiseen suuntaan samalla radiokanavalla.•TDMA/FDD: kantoaallot erikseen molemmille suunnille.

•Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä on käytössä useita taajuuksia, joita käytetään aikajakoisesti vuorotellen.

•Etuja:•datan siirto tapahtuu purskeina, mikä säästää varsinkin puhelimen paristoja•käytetään eri aikavälejä lähetykseen ja vastaanottoon, joten duplex-suodatin ei ole välttämätönl i k iikk hi l d lli k i FDMA•laitetekniikka hinnaltaan edullisempaa kuin FDMA:ssa

•TDMA:n yhteydessä vaaditaan hyvää synkronisointia, etteivät purskeet mene vääriin aikaväleihin. Tehokkuutta laskee myös kehysrakenteissa tarvittavien ylimääräisten bittien käyttö.

•Kanavien määrä TDMA-järjestelmässä:

N = m(B – 2B ) / B missä

31

N = m(Btot – 2Bguard) / Bc, missäBtot = koko käytettävissä oleva kaistaBguard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissäBc = yhden kanavan kaistanleveysm= aikavälien määrä radiokanavaa kohti

SSMA:

•Näennäiskohinasekvenssin (pseudo-noise) avulla kapeakaistainen signaali muutetaan kohinaa muistuttavaksi ennen lähetystä. Signaali siis levitetään laajemmalle kaistalle.

•SSMA-tekniikoiden kaistankäyttö ei ole kovin tehokasta, jos tarkastellaan vain yhtä käyttäjää. Samaa kaistaa voi kuitenkin käyttää yhtäaikaisesti suuri joukko käyttäjiä häiritsemättä toisiaan. Näin ajatellen tehokkuus on suuri.

•Ensimmäisenä hajaspektritekniikoita on käytetty miltäärisovelluksissa korkean turvallisuustasonsa vuoksi.

32

FHMA:

•Data on pätkitty tietyn pituisiin purskeisiin, jotka lähetetään eri taajuuksilla.

•Hetkellinen kaistanleveys yhdelle yhteydelle on pieni. Hetkellisesti FHMA muistuttaa FDMA:ta. FHMA eroaa FDMA:sta siinä, että lähetystaajuus vaihtuu nopeasti.

•Turvallinen menetelmä, koska käyttäjän yhteys siirtyy eri taajuuksille valesatunnaisen sekvenssin mukaan. Jotta yhteyttä voisi salakuunnella, täytyisi tietää tämä sekvenssi.

•FHMA on epäherkempi häipymiselle kuin TDMA ja FDMA, koska taajuus vaihtuu nopeasti.

•Käytössä esim. Bluetooth-yhteyksillä. Myös GSM:ssä on optiona taajuushyppely, jossa sitä käytetään lähinnä häiriönkeston parantamiseen.

33

•Levityssignaali sisältää näennäiskohinaa muistuttavan sekvenssin, jonka symbolinopeus on hyvin lj s m i k i lk äis si li s Tätä s k ssiä k ts t l it sk diksi paljon suurempi kuin alkuperäisen signaalin nopeus. Tätä sekvenssiä kutsutaan levityskoodiksi.

•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.

•CDMA:n yhteydessä käytetään sekä FDD:tä että TDD:tä.

•Tehonsäätö on CDMA-järjestelmissä tärkeää. Käyttäjien tehot säädetään sopivalle tasolle, muuten lähellä tukiasemaa olevat käyttäjät dominoivat ja häiritsevät muiden käyttäjien liikennöintiä.

•Pehmeä kapasiteetti: käyttäjien määrän noustessa kapasiteetti ei lopu yhtäkkiä, vaan järjestelmän häiriötaso nousee ja palvelun laatu huononee vähitellen. Kun tietty häiriökynnys ylitetään ei enää oteta lisää käyttäjiäylitetään, ei enää oteta lisää käyttäjiä.

•Monitie-eteneminen vähenee, koska käytetään laajaa kaistaa. Myös häiriönkesto paranee, koska laajakaistainen lähete on tunteeton kapeakaistaiselle häiriölle. CDMA-järjestelmissä käytetään usein RAKE-vastaanotinta (harava), joka parantaa signaalin laatua keräämällä viivästyneitä signaalikomponentteja.

•Kaikilla soluilla voi olla sama taajuus. Tätä voidaan hyödyntää ns. pehmeässä puhelunsiirrossa

34

j y y p p(soft handover). Siinä puhelin on yhteydessä verkkoon yhtäaikaa kahden solun kautta. Tässä tilassa pysytään kunnes ollaan siirrytty riittävän syvälle toisen solun alueelle.

OFDM:ää nimitetään diskreetiksi monikantoaaltomodulaatioksi (Discrete Multi-tone M d l ti ) k sk hd k t ll m d l i i sij st sii ä kä t tää s t mää ää Modulation), koska yhden kantoaallon moduloinnin sijasta siinä käytetään suurta määrää tasaisin kanavavälein sijoiteltuja alikantoaaltoja. Kapeakaistaisia alikantoaaltoja moduloidaan esim. jollakin monitilaisella QAM-modulointitavalla. OFDM on laajakaistainen tekniikka, joka kasvattaa datansiirron tehokkuutta lisäämällä siirrettävää datanopeutta kantoaaltojen suuren määrän avulla. Lisäksi menetelmässä monitie-etenemisen aiheuttamat ongelmat voidaan minimoida valitsemalla käytettävät alikantoaallot niiden joukosta, joilla syntyy vähiten bittivirheitä. Huonot alikantoaallot eli ne joilla syntyy virheitä, voidaan jättää käyttämättä.

OFDM-tekniikkaa käytetään monissa laajasti käytetyissä sovelluksissa, esim. digitaalisen TV-jakelun standardeissa (DVB-T, ja DVB-H), digitaalisessa yleisradiotekniikassa, useissa WLAN-standardeissa ja langallisissa verkoissa esim. ADSL-laajakaistaliittymissä.

OFDM sallii vain yhden käyttäjän yhdelle kanavalle yhtäaikaisesti. Jotta saadaan useita käyttäjiä samalle kaistalle samanaikaisesti, joudutaan yhdistämään OFDM-tekniikka joko y j , j y jTDMA:han tai FDMA:han. TDMA:n tapauksessa käytetään kullekin käyttäjälle omia aikavälejä ja FDMA:n tapauksessa kullekin käyttäjälle omia alikantoaaltoja.

35

OFDMA on useamman käyttäjän OFDM, joka sallii monikäytön samalla kaistalla (kaistalla tarkoitetaan tässä alikantoaaltojen ryhmää) OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää alikantoaaltojen ryhmää). OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää ja vastaanottaa samaan aikaan kantoaaltojen ryhmässä. Lisäksi alikantoaaltoja voidaan sovittaa kullekin käyttäjälle siten, että käyttäjä käyttää niitä kanavia jotka tarjoavat hänelle parhaan laadun (yo. kuva). Kukin käyttäjä siis käyttää niitä kantoaaltoja, jotka sillä ajanhetkellä tarjoavat hänelle parhaat etenemisolosuhteet ja pienimmän bittivirhesuhteen. Nämä riippuvat tietenkin käyttäjän sijainnista ja muista olosuhteista. Kanavien tilaa seurataan pilottialikantoaaltojen avulla (kuva ed. sivulla)

OFDM:ää käytetään esim. Wimax-tekniikassa kiinteän palvelun toteuttamisessa ja OFDMA:ta mobiilin Wimax-palvelun monikäyttötekniikkana. OFDMA on standardoitu myös 3G-verkon LTE-kehitysversioon (Long Term E l i ii d )Evolution, suuremmat siirtonopeudet).

Ortogonaalisuus alikantoaaltojen valinnassa tarkoittaa kantoaaltojen keskinäistä riippumattomuutta. Kantoaaltojen parametrit on valittu siten, että kantoaallon teho on nolla viereisen kantoaallon keskitaajuudella, jolloin vierekkäiset kanavat häiritsevät toisiaan mahdollisimman vähän.

36

Hybridi FDMA/CDMAk k k k k •kaista on jaettu pienempiin osiin, joista kukin toimii omana kapeakaistaisena

systeeminään •esim. Cdmaone käyttää tätä

Hybridi DS/FHMA•DS-järjestelmä, jonka keskitaajuus vaihtuu tietyn satunnaisen kaavan mukaan

Time Division CDMA•jokaisella solulla on oma levityskoodi•vain yksi käyttäjä/aikaväli/solu

Time Division Frequency Hopping•TDMA-kehyksen alussa käyttäjä voi hypätä eri taajuudelle (häiriöllisissä tai häipyvissä olosuhteissa)häipyvissä olosuhteissa)•GSM käyttää tätä•solussa useampia taajuuksia, joilla hypitään tietyssä järjestyksessä

37

SDMA (tilajakoinen monikäyttö)•Kutakin käyttäjää palvellaan omalla antennikeilallaan (kts. kuva)•Menetelmässä tarvitaan hyvin kehittyneitä, adaptiivisia antenneja•Ideaalisessa järjestelmässä kukin käyttäjä toimisi omassa antennikeilassaan samalla kanavalla samanaikaisesti kuin muut käyttäjät mutta ilman häiriöitä muista antennikeiloista

PR (pakettiradio)•Useat käyttäjät yrittävät käyttää yhtä kanavaa ennalta määräämättömällä tavalla (kilpavaraus)•Data lähetetään lyhyinä purskeina•Mobiilille lähetetään joko kuittaus- tai hylkäys –viesti riippuen siitä onko törmäystä tapahtunut vai ei.•Tehoton systeemi kaistankäytön kannalta, ei sovi suurikapasiteettisiin järjestelmiin•Ensimmäinen sovellus oli ALOHA-protokolla, josta sittemmin kehittyi Ethernet-verkon kilpavarausperiaate

38