LUKU 1 JOHDANTO TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMIIN

Johdanto tietoliikennejärjestelmiin Johdanto & alan historiaa Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Tiedonsiirtokanavan ominaisuudet Kohinalähteet Siirtokanavien tyypit & taajuusalueet Digitaalisen siirtojärjestelmän lohkokaavio Monikäyttömenetelmät FDMA, TDMA ja CDMA Radion historiaa (Marconi)

Johdanto Modernin yhteiskunnan toiminta perustuu pitkälle 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. Tiedonsiirron ominaispiirre on epävarmuuden läsnäolo siirrossa (kohina, kanavan vääristymät, informaatio sinällään satunnaista). Järjestelmäanalyysissä tarvitaan siksi todennäköisyysteoreettista lähestymistapaa, joka ottaa huomioon kanavan stokastiikan. 1940-luvulla ryhdyttiin käyttämään todennäköisyysteoreettisia menetelmiä järjestelmien analysoimiseksi ja optimoimiseksi. Tiedonsiirron teorian ensimmäisiä “kovia patuja”: Claude Shannon (1948), N. Wiener, S.O. Rice. Seuraavaksi tarkastellaan sähkö- ja tietoliikennetekniikan kehitystä historiallisessa valossa.

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa Tärkeimmät sähkötekniset keksinnöt tietoliikennetekniikan näkökulmasta katsottuna: Seuraavassa taulukossa tarkastellaan historiallista kehitystä tarkemmin.

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa (S)

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa (S) 1948 tärkeä vuosi

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa (S)

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan historiaa (S)

Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Sanomasignaali voi olla joko analoginen tai digitaalinen. Tulosovitin (input transducer) muuttaa siirrettävän signaalin järjestelmään sopivaksi (esim. ääniaallot mikrofonin jännitteksi). Lohkokaaviota voidaan soveltaa myös tutka- ja sonar-järjestelmille. Lähetin kytkee sanoman kanavaan (moduloi kantoaaltoa). Modulointi on kosinikantoaallon amplitudin, vaiheen tai taajuuden muuttamista sanomasignaalin ohjaamana. Sovelletaan SM-teoriaa

Tietoliikennejärjestelmän lohkokaavio Modulaation hyödyt: Säteilytyksen helppous (SM-kenttä lähtee etenemään antennista). Kohinan ja interferenssin (häirintä, naapurikanavat) sietokyky paranee. Mahdollistaa kanavoinnin taajuusalueen täyttämiseksi koordinoidusti. Mahdollistaa useiden toisistaan riippumattomien sanomien koordinoidun yhdistelyn ns. multipleksoinnin (FDM, TDM, CDM, QM). Vastaanotin vahvistaa, suodattaa ja demoduloi. Lähtösovitin palautta signaalin alkuperäiseksi (kovaääninen tms.). Lisäksi tarvitaan suodatusta ja vahvistamista siirtoketjun eri vaiheissa. Kanava on kriittisin osa. Siellä syntyy tai summautuu kohinaa, monitie-etenemistä, häipymistä, vääristymiä, suodattumista, jne.. Kanavan ominaisuudet (stokastinen pros.) ohjaavat käytännössä hyvin pitkälle lähetettävän signaaliaaltomuodon ja järjestelmän rakenteen suunnittelua. Kanava voi olla esim. radiotie, parikaapeli, koaksiaalikaapeli, aaltoputki tai valokuitu.

Tiedonsiirron taajuusalueet

Tiedonsiirron taajuusalueet

Tiedonsiirtokanavan kohinaominaisuudet 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) ja 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/f-tyyppinen käyttäytyminen). Siksi alemmat RF-taajuudet ovat kohinan vuoksi huonompia (vrt. AM-radio: 540 kHz…1,6 MHz vs. FM-radio: 88…108 MHz). Ihmisen aikaansaamia: sähkönsiirron koronat, sytytyskohina, sähkömoottorit. Impulssikohina on puheensiirrossa lähinnä ärsytystekijä mutta digitaalisessa siirrossa se aiheuttaa bittivirheryöppyjä. Myös muut tiedonsiirtojärjestelmät aiheuttavat tahattomia ja tahallisia häiriöitä (esim. radio-frequency interference, RFI tiheässä matkapuhelinympäristössä). Monitieheijastumat aiheuttavat myös kanavan stokastisuutta. Ne ovat joko diffuusia sirontaa, peilimäisiä (specular) heijastusta tai diffraktiota (aiheuttaa varjostumista). Suora näköyhteys = line-of-sight (LOS) Hyötysignaalin kannalta kohinat ovat summautuvia prosesseja, ja häipymiset kertovia prosesseja.

Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava SM-aallon vapaaseen etenemiseen perustuvat kanavat: Maxwellin yhtälöt 1864, Herz todisti kipinälähettimellä 1886…1888. Tarvitaan antenni, joka on usein suuntava. Vapaan tilan (free space) eteneminen teoriassa mahdollinen avaruudessa jolloin kohina ainoa häiriölähde. Radioastronomialle ja SETI:lle kohina on hyötysignaali! Vapaan tilan etenemisvaimennus  1/r2, kaupunkiympäristössä  1/r2–6. Fysikaalisista ilmiöistä taajuusriippuvaiset etenemismallit: suora näköyhteys, hyppyaalto, pinta-aalto (seuraa maan kaareutumista)

Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava Hyppyaallot lähinnä HF-alueella (alle 100 MHz). Kanava/yhteys riippuu vuorokauden ajasta, erityisesti auringosta ja sen aktiivisuudesta. Yhteydessä ilmenee katvealueita hypyistä johtuen. Pinta-aalto 100 MHz…300 MHz. LOS-eteneminen 300 MHz jälkeen. Spektri äärellinen luonnonvara ja joskus kallista (taajuushuutokaupat). ITU koordinoi ja WARC jakaa maittain. Maiden viranomaiset jakavat tarvitsijoille (Suomessa liikenneministeriö, USA:ssa FCC, jne.). USA:n aiemmat huutokaupat pitkittivät järjestelmien käyttöikää esim. GSM:ään verrattuna  järjestelmägeneraatioiden käyttöönotto eri msntrteillas hiemna eri tahdissa, koska operaattorit halusivat hyödyntää täysimääräisesti vanhat toimiluvat.

Friisin kaava – Vastaanotetun tehon suhde lähetettyyn Tarkastelee vapaan tilan etenemisvaimennusta olettaen, että kahden etäisyydellä r olevan antennin (vahvistukset Gt ja Gr) välissä on  1/r2 -tyyppinen line-of-sigth (LOS) yhteys. Ei ota huomioon monitie-etenemistä. Ilmaisee vastaanotetun tehon parametrien r, , GT, GR ja PT avulla. Lähde: http://transition.fcc.gov/pshs/techtopics/techtopics17.html Taajuusalue vaikuttaa vaimenemiseen

Sähkömagneettisen aallon vapaan etenemisen kanava GHz-alueella 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 kustannuksia suuremman tukiasematiheyden vuoksi (vrt. 2G/GSM vs. 2.1 GHz 3G/UMTS). Matkapuhelinjärjestelmät: 1G/NMT 450 ja 900 MHz alueilla 2G/GSM 900 MHz alueella 3G/UMTS 2.1 GHz ja 900 MHz

Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet (S) Antennin koko on verrannollinen aallonpituuteen (tyyp. koko /2, /4,...), 1 GHz  30 cm. Antennin fyysistä kokoa voidaan teknisesti pienentää. Siksi antenni voidaan kätkeä matkapuhelimen sisään. UHF-alueella eniten tungosta. Sukellus-veneet käyttävät VLF-taajuuksia. EHF-alueella eniten kaistaa käytettävissä. EHF toimii lähinnä avaruudessa, koska siellä Ilmakehä ei rajoita.

Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet (S)

Sähkömagneettisen säteilyn radiotaajuusalueet (S) ISM-kaistalla voi toimia ilman lisenssiä Esim. WLAN IEEE 802.11 standardit

Johteisiin perustuvat SM-aallon kanavat Puheensiirto laadultaan huono, jos ei käytetä modulaatiota pitkän matkan yhteydellä. 1950-luvulla ryhdyttiin käyttämään DSB- ja SSB-modulaatioita puheen siirtoon. Atlantin alittava puhelinkaapeli toteutettiin 1956. Puheensiirrossa perinteisesti käytetty monipari- ja koaksiaalikaapeleita. Koaksiaalikaapeleiden kaistanleveydet muutamia megahertsejä. Koaksiaalikaapeliin mahtuu noin 13000 puhelinkanavaa. Suurempia kaistanleveyksiä tarvittaessa siirryttävä valokaapeleihin. Pienihäviöiset valokaapelit ovat yleistyneet 1990-luvulta lähtien. Tarvitaan LED tai puolijohdelaser, välivahvistimia ja ilmaisuun valodiodi. Runkoyhteydet toteutetaan valokaapeleilla. Valokaapelin kapasiteetti hyvin suuri. Voidaan esimerkiksi siirtää suuria määriä TV-kanavia. Ongelmana ollut kuidusta jakelu käyttäjille, siksi tähän saakka käytetty lähinnä suurten keskusten välisessä siirrossa. Kuituverkko internet -yhteyksien toteuttamiseksi kuitenkin yleistyy. Valtakunnallisessa laajakaista kaikille 2015 –hankkeessa pyritään toteuttamaan 100 Mbit/s kuitukaista haja-asutusalueille. Mannerten välisillä tiedonsiirtoyhteyksillä toteutuksen hinta käytännössä ratkaisee käytetäänkö satelliittia vai merenpohjaan laskettua valokaapelia.

Valokaapelit (S)

Valokaapelit (S)

Digitaalisen siirtojärjestelmän lohkokaavio

Monikäyttömenetelmät FDMA  Frequency Division Multiple Access Kukin lähetin käyttää omaa kapeaa kanavaa koko ajan. Esim. 1. generaation järjestelmät (NMT 450, NMT 900, AMPS) TDMA  Time Division Multiple Access Kukin lähetin lähettää sille allokoidussa aikavälissä leveällä kaistalla. Esim. 2. generaation järjestelmät (GSM, DAMPS) CDMA  Code Division Multiple Access Jokainen lähetin käyttää samaa keskitaajuutta ja samaa leveää kaistaa koko ajan. Käyttäjien erotus suoritetaan ortogonaalisten (ts. pienen ristikorrelaation omaavien) valesatunnaisten hajotuskoodien avulla. Esim. 2. generaation IS-95 järjestelmä USA:ssa, 3. generaation WCDMA/UMTS-järjestelmät Euroopassa ja Japanissa. Tietoliikennetekn. os. on tehty hajaspektri- ja CDMA-tekniikkaan liittyvää tutkimusta jo 1980-luvun puolesta välistä lähtien. 4G-tekniikat 3G-evoluutioita (HSPA, LTE, MIMO-tekniikat)

Monikäyttömenetelmät f 3 1 2 4 t TDMA 3 1 2 4 f t FDMA 3 1 2 4 f t CDMA

Radion historiaa: Marconi (S)