S-38.116 Teletietotekniikka

Monica

Telen radioverkkojen suunnittelumenetelmä   

—

Ilkka Peräläinen
72495M 
iperalasnakemail.hut.fi

Sisällysluettelo

Sisällysluettelo

Lyhenne- ja termiluettelo

1.  Johdanto

2.  Historia

3. Monican toiminnot

	3.1 Suunnittelun hallinta

	3.2 Peitteisyys ja interferenssi
 
	3.3 Kapasiteetti- ja taajuussuunnittelu

4. Tietokannat

	4.1 Verkkotietokanta

	4.2  Karttatietokanta

5. Kentän voimakkuuden ennustemallit

	5.1 Maaston peitteisyyden korjausfunktio

	5.2 Mikrosolumallit

	5.3 Radioaaltojen eteneminen sisätiloissa

	5.4 Mallien tarkkuus

6. Tekninen toteutus

7.  Yhteenveto

Lähdeluettelo

Lyhenne- ja termiluettelo

interferenssi	lähinnä saman kanavan häiriö, vähemmässä määrin myös naapurikanava-		häiriö
esteettömyys-	
kulmamenet.	yksinkertaista difraktiokorjausta käyttävä menetelmä

estokanava		lähinnä taajuushallinnollisin syin varattu kanava, esim. rajanpinnassa

kanavanjakoalgoritmi	yhden tukiaseman alueella suoritettu radiokanavien jako, perustuu satun-		naislukujen käyttöön 

kapasiteetti		liikennemäärä erlangeissa

Monica		Mobile network implementation and calculation

1. Johdanto

Nykyisin vauhdilla kehittyviä matkapuhelinverkkoja ei suunnitella käsityönä, eikä se olisi mahdollista-kaan. Telecom Finland on käyttänyt jo kymmenkunta vuotta talossa suunniteltua Monica radioverkon suunnittelu-järjestelmää matkapuhelinverkkojen rakentamiseen ja ylläpitoon. Viime vuonna Tele kilpailutti Monicaa viittä ulkopuolisten tekemää järjestelmää vastaan valitessaan tulevaisuuden suunnitteluohjelmistoa. Mukana vertailussa olivat mm. englantilainen Planet ja amerikkalainen LCC. Monican tasosta kertoo parhaiten voitto tässä vertailussa. Erityisesti valmiit yhteydet talon tietokantoihin ja räätälöinti talon tarpeisiin painoivat vaa’assa valintaa tehtäessä. 

Nykyisessä tiukassa operaattorien välisessä kilvassa matkapuhelinverkkojen suunnitelujärjestelmät luetaan strategisiin tuotteisiin, joten niiden tarkempia teknisiä yksityiskohtia ei voida julkistaa. Yleispiirteet näin keskeisestä teletekniikan tuotantovälineestä lienevät kuitenkin kiinnostavia. Monican historiakin kertoo mielenkiintoisia piirteitä alan lyhestä historiasta Suomessa.

Matkapuhelinten käytön kaikki ennusteet ylittänyt kasvu ja siitä seurannut kaistojen täyttyminen korostaa entisestään hyvän verkon suunnittelun merkitystä. Kypsän verkon ylläpito perustuu kuitenkin myös muun materiaalin käyttöön, joten Monican pääkäyttöalue on nykyään uusien verkkojen suunnittelu.

Esitelmässä käsitellään myös jonkin verran radioaaltojen etenemistä yleisesti, siihenhän koko Monica mallikin perustuu.

2. Historia

Monican syntyhistorian voidaan katsoa alkaneen vuonna -82 Telessä aloitetuista DI Timo Kajamaan tekemistä 900 Mhz:in taajuisten radioaaltojen etenemistutkimuksista. Tutkimukset keskittyivät pääasiassa Etelä-Suomeen. Kuvaavaa tuon ajan näkemyksille oli, että matkapuhelimia ajateltiin käytettävän tulevaisuudessa vain ruuhka Suomessa. Jos kaukonäköinen kenttätutkija olisi kertonut aikovansa lähteä Lappiin mittaamaan radioaaltojen etenemistä, hänen olisi päätelty lähtevän tuntureille lomailemaan hyvän syyn varjolla. 

Vuonna -83 käynnistettiin yhdessä Nokian kanssa koeverkkoprojekti, jonka yhteydessä mitattiin kolmen tukiaseman kentänvoimakkuus laajalla alueella sekä kesällä, että talvella. Tulosten perusteella laskettiin mediaanikentänvoimakkuus sekä topografia- ja pinnanlaatukorjauksia, jotka tiedot sisällytettiin Monicaan. 
Mallia laajennettiin myöhemmin 150 MHz:in ja 1,7 Ghz:in alueilla. 

Varsinaisen verkon suunnitteluohjelmiston kehittämisen aloittivat nykyinen Telen tietohallintojohtaja DI Jouko Kaarre ja Kajamaa vuonna -85. Mainittakoon, että Nokia aloitti oman radioverkon suunnittelu-järjestelmänsä NPS/X:n kehittämisen seuraavana vuonna. Kajamaa aloitti varsinaisen koodaamisen Fortanilla. Pohjana käytettiin Kaarteen kehittämää grafiikkaohjelmistoa digitaalikartoille HP3000- ympäristössä. Aiemmin tekemiensä kenttätutkimusten pohjalta Kajamaa laati analyysiohjelman, jolla hän tutki radioaaltojen etenemistä maastossa. Syötteenä annettiin mittaustulokset ja ohjelma tulosti kentän voimakkuuden muutokset maaston muotojen funktiona.
 
Vuonna -87 Tele otti kolmeksi viikoksi koekäyttöön Philipsin kehittämän GRAND matkapuhelinverkon suunnitteluohjelmiston. Vaikka ohjelmistossa oli erittäin hyviä ideoita esim. kanavanjakoalgoritmi, se osoittautui tuotantokäyttöön raakileeksi ja vaikeakäyttöiseksi, joten se hylättiin ja Monican kehittämistä päätettiin jatkaa. Erityisesti karttatietokannan integrointi olisi ollut hyvin hankalaa. GRAND olisi myös edellyttänyt MikroVaxin hankintaa, johon ei vielä tuolloin haluttu siirtyä. GRAND on nykyään käytössä mm. Norjassa.

Vuonna -87 aloitettiin NMT 900 verkon suunnittelu silloisella Monica 1:n versiolla.    

Vuosina 84 - 87 tehdyssä yleiseurooppalaisessa radiokanavatutkimuksessa COST 207, johon Telekin osallistui, esiteltiin ja tutkittiin 9 eri maissa laadittua etenemismallia GSM verkon rakentamisen pohjaksi. Yhteistä euromallia ei kuitenkaan saatu syntymään. Vaikutteita tästä yhteistyöstä on Monicassakin  mm. monitieviivemittaukset.

Kahdeksankymmenluvun lopun hurjat visiot kaiken kattavasta verkonsuunnittelun asiantuntijajärjestel-mästä on kuitenkin hylätty. Tietojärjestelmä on insinöörin työkalu, eikä päinvastoin. 

Yhden miehen koodaamisesta alkanut työ laajeni 80-luvun loppupuolella Monica 2 projektiksi, ja kehitys-työn jatkaminen annettiin monen suunnittelijan jaoston tehtäväksi. Monica 2:n pohjaksi Jouko Kaarre laati hyvin perusteellisen pohja-analyysin seinäkarttamäärityksineen, mikä onkin välttämätöntä järjestelmän kasvaessa ja työn muuttuessa parin pioneerin aherruksesta laajemman suunnittelijajoukon yhteistyöksi. 

3.  Monican toiminnot

Monican päätoiminnot ovat:

	1. Profiilit.  Suunnittelija voi laatia maastoprofiileja, jotka lasketaan suoraan digitaalisista 	kartoista. 

	2. Kentän voimakkuus.  Järjestelmä tulostaa haluttaessa ääriviivakartan kentän voimakkuuk-	sista. Mittakaava voidaan valita väliltä 1:20’000 - 1:400’000 ja kartan suurin koko on 100 	km x 100 km.

	3. Maaston korkeus.  Tämä toiminto laskee tukiasemaa ympäröivän maaston keskikor-	keuden.

	4. Koordinaattimuunnokset.  Suomessa käytetään kolmea koordinaattijärjestelmää, joten 	tällä toiminnolla voidaan siirtyä järjestelmästä toiseen. Pohjana käytetään yleistä grid-	järjestelmää.

	5. Tulostus.  Systeemin laskemat kentän voimakkuuskartat voidaan tulostaa usealle pääte- ja 	kirjoitin-tyypeille.

	6. Tausta-ajot.  Laskennat voidaan ajaa tausta-ajoina, jolloin suunnittelija voi jatkaa 	keskeytymättä vuorovaikutteista päätetyöskentelyään. 

3.1  Suunnittelun hallinta

Suunnittelun hallinnan peruskäsite on suunnittelualue, joka on tietty alue kartalla, jolla voidaan suunnitella puolikin vuotta. Suunnittelu sinänsä on solukohtaista. Sen ensimmäinen vaihe on suunnittelualueen luonti. Suunnittelija voi halutessaan keskeyttää työnsä ja jatkaa myöhemmin aktivoimalla alueensa. Suunnittelun hallinta antaa mahdollisuuden moneen yhtäaikaiseen alueen käyttöön, joten verkon rakentaja voi työsken-nellä itsenäisesti häiritsemättä muita ja muilta näkymättömissä, kunnes hän lopuksi tallettaa valmiin alueensa verkkotietokantaan. 

Kuva 1  Monican toimintakaavio

3.2  Peitteisyys ja interferenssi

Peitteisyys ja interferenssikäyttäjäliitäntä on graafinen. Se tarjoaa funktioita verkon luontiin ja muuttami-seen. Kentän voimakkuusennusteet lasketaan rinnakkaisprosesseina, joten niiden ajo ei aiheuta keskeytystä suunnittelutyöhön. Tulokset tallennetaan tietokantaan, josta peitteisyys- ja interferenssikäyrät voidaan ajon jälkeen tulostaa. Suunniteltavasta solusta voidaan laatia useampia versioita, joista asiantuntija valitsee parhaan lopullista suunnitelmaa varten.

3.3  Kapasiteetti- ja taajuussuunnittelu

Tämän toiminnon funktioilla määritellään haluttu kapasiteetti ja taajuuskaista. Käytettävät taajuudet valitaan peitteisyys- ja interferenssisuunnitteluvaiheessa laskettujen kanavaerojen avulla. Jos käytössä on esim n kanavaa, muodostetaan näistä n x n matriisi, johon merkitään häiritsevätkö kanavat toisiaan eli voidaanko jokin tietty kanava ottaa käyttöön vai estävätkö häiriöt sen (myös naapurikanavan häiriöt). Estokanavat ja jo käytössä olevat kanavat saadaan suoraan tietokannasta. Solulle voidaan suunnitteluvaiheessa laatia useita versioita eri kapasiteetti- ja kanavadatan pohjalta. 

4.  Tietokannat

4.1  Verkkotietokanta

Monicaan integroituun verkkotietokantaan kuuluvat seuraavat osat:

	- tukiasemakohtaiset verkkotiedot, kuten koordinaatit, solun tunnukset, antennitiedot ym.   
	- laskentaparametrit
	- peitteisyys- ja interferenssitiedot
	- kapasiteetti- ja kanavatiedot
	- suunnittelun hallinnan tiedot

Samassa tietokannassa voi olla eri verkkojen tiedot, jotka voivat sisältää yhteisiä elementtejä kuten mastot, antennit jne. Kannan kerrosrakenne tekee mahdolliseksi eri verkkoversiosuunnitelmien itsenäisen, toisistaan riippumattoman käsittelyn. Käytössä ovat seuraavat suunnitteluvaihetasot:

	- kokeellinen
	- hyväksytty
	- toteutettu
	- poistettu

Kuva 2  Radioverkkotietokannan elementit

4.2 Karttatietokanta

Monican eräs vahvuus on sen karttatietokanta, joka on Telen omaa tuotantoa ja sisältää mm. maaston peitteisyystiedot, joista radioaaltojen eteneminen luonnollisesti riippuu. Karttatietokanta on laadittu mm. Maan-mittaushallituksen satelliittikarttadatan, VTTK:n digitaalisen topografikartan (hilakoko 50m x 50m) ja Tilastokeskuksen rakennustietokartan pohjalta. Rakennuksethan vaikuttavat voimakkasti radioaaltojen etenemiseen taajamaympäristössä. Rakennustietokartta on filtteröity 3 x 3 matriisilla, toisin sanoen pistemäinen rakennus on korvattu 3 x 3 matriisilla. Tällä on pyritty vähentämään suurten rakennusten keskittymistä yhdelle karttaruudulle. Rakennuksen arvona on sen korkeus. Satelliittikartassa maasto on luokiteltu 44 luokkaan, jotka käsittävät mm. suot, aukeat, vesialueet ja erilaiset metsätyypit. Metsäalueet on edelleen jaoteltu puuston tiheyden (m3 / hehtaari) ja kasvillisuuden mukaan. Karttatietokannan kehityksessä on käytetty mm. diplomitöitä.  

5.  Kentän voimakkuuden ennustemallit

Kaikkiin ympäristöihin ja olosuhteisiin sopivaa radioaaltojen etenemismallia ei ole mielekästä yrittääkään laatia. Monica tarjoaa suunnittelijalle mahdollisuuden valita monesta eri mallista kulloiseenkin tehtävään parhaiten sopiva vaihtoehto. Pääasiassa käytetään kuitenkin Kajamaan Telelle kehittämää mallia. Laskenta on jaettu kolmeen vaiheeseen ja joka vaiheeseen sisältyy vaihekohtaiset mallit. 

5. 1 Maaston peitteisyyden korjausfunktio

Kentän voimakkuuden laskenta aloitetaan topografia- ja pinnanlaatukarttoihin pohjautuvalla maasto- ja peiteisyysprofiilien laskennalla. Profiilin yhden pisteen arvo saadaan interpoloimalla kahdesta lähimmästä kartan osasta. Telen kehittämä korjausfunktio huomioi profiilit 500 - 1000 m matkapuhelimen edestä ja 100 m sen takaa. Watanaben mallissa käytetään 500 sädettä. Tässä voidaan tukeutua useaan yleiseen mm. CCIR:n suosittamaan korjausfunktioon. Laskenta tapahtuu säteittäin yhden asteen välein tukiasemasta katsottuna. Etäisyyttä käsitellään yleensä 200 m askelin johtuen siitä, että välin on oltava suurempi kuin korkeus- ja pinnanlaatukarttojen 50 x 50 m resoluutio, jotta laskentavälille osuisi useampia pisteitä. Kentänvoimakkuuden laskentakaavio on kuvassa 3.

Kuva 3  Kentänvoimakkuuden laskentakaavio

Kuvassa 4 on esimerkki kentänvoimakkuuskartasta, jonka laskennassa on käytetty topografia- ja peitteisyyskarttoja. Monet pienet muutokset johtuvat peitteisyyden vaihteluista. Ääriviivojen mutkikkuus oli Monica 1:ssä joskus suunnittelijasta kovinkin hankala. Kentän voimakkuuden graafista esitystapaa onkin kehitetty Monica 2:ssa verhokäyräesitykseksi. Antennien säteilykuvioiden käyttö puolestaan vaikuttaa hyvin lupaavalta taajuuksien hallinnassa. 

Kuva 4  Kentänvoimakkuuskartta

5.2 Mikrosolumallit

Matkapuhelimien määrän voimakas kasvu on pakottanut tehostamaan verkkojen kapasiteettia. Tämä on tehty jakamalla verkko entistä pienempiin osiin eli soluihin. Tällöin yksi puhelu varaa maantieteellisesti pienemmän alueen ja samaa radiotaajuutta voidaan käyttää usean puhelun välittämiseen suhteellisen pienten etäisyyksien päässä toisistaan. Kehitys kohti pienempiä soluja on asettanut radioaaltojen etenemis-tutkimukselle uusia haasteita. Aikaisemmin tutkittiin kuinka kauas radioaseman signaali etenee. Nyt tutkitaan esim. sitä, miten signaali etenee suoraa katua tai läheiselle poikkikadulle. 

Etenemismalleja tutkitaan ja kehitetään nykyään vilkkaasti. Seuraavat asiat vaikuttavat voimakkaasti etenemiseen:

	- kaduilla voidaan käyttää vapaan tilan vaimennuksen kaavaa lyhyillä etäisyyksillä
	- kauempana tulee taitekohta, jonka jälkeen on käytettävä jyrkemmin kasvavaa 	  	  vaimennuksen lauseketta
	- poikittaiselle kadulle mentäessä lisävaimennus on yleensä 20 - 30 dB
	- eteneminen kadunkulman jälkeen poikittaisella kadulla voidaan laskea saman mallin 	   	  mukaan, jollei signaalilla ole oikotietä. 

5. 3 Radioaaltojen eteneminen sisätiloissa

Kivitalojen seinät estävät tuntuvasti VHF/UHF taajuuksien etenemistä. Rakennusmateriaalit vaikuttavat myös asiaan. Seinien sisältämä teräsbetoni heikentää etenemistä. Tiilikatto läpäisee hyvin, mutta peltikatto heijastaa tulevan aallon taivaalle. Puutalot ovat vähäisiä esteitä. Mitä suurempi ikkuna sitä parempi läpäisy.
Seinien vaimennus on yleensä luokkaa 10 - 20 dB, tosin kovin umpinaisella ja ja raskaasti raudoitetulla rakennuksella se voi olla jopa 30 dB. Korkeat taajuudet, joita tämän päivän matkapuhelimet käyttävät vaimenevat vähän sokkeloisissa kaupungeissa, kun taas LA-puhelinten matalat taajuudet vaimenevat vähemmän metsissä.

Mainittakoon, että Helsingissä mitattiin 100 kerrostalon pohjakerroksen vaimennusarvoksi 945 Mhz:illa 17 dB.

5.4 Mallien tarkkuus

Tyypillinen virheen keskiarvo etenemismalleilla on alle 10 dB. Hajonta voi olla 5 - 10 dB. Kuitenkin peittoalueista löytyy kohtia, joissa kentän voimakkuus poikkeaa jopa 20 dB ennustetusta arvosta. Vaiheen vaihtelusta johtuva paikallinen häipyminen voi tuoda tähän 10 - 20 dB:n lisävaimennuksen.

Mallien avulla ei siis voida varmasti ennustaa saadaanko matkapuhelimella yhteys tukiasemaan solun mielivaltaisesta pisteestä. Laajemmille alueille voidaan kuitenkin arvioida todennäköinen keskimääräinen kentän voimakkuus. 

Eräässä saksalaisessa tutkimuksessa vertailtiin 14 mallia vuoristo-olosuhteissa. Hajonta mallien välillä vaihteli 7 - 14.5 dB:in välillä. Keskivirhe vaihteli 1 - 13.5 dB:in välillä. Esteettömyyskulmaa käyttävä malli todettiin eräässä toisessa vertailussa tehokkaimmaksi.

6. Tekninen toteutus

Ohjelman käyttö vaatii tehokkaan työaseman. Tele käyttää Microvax 3600:a Vaxstation 2000:n ja 3200 työasemien sekä Tektronix 4224 grafiikkapäätteiden kanssa. Käyttöjärjestelmä on VAX/VMS ja tietokanta on tehty INGRES:illä. Monica on luonnollisesti monen käyttäjän ympäristö ja se tarjoaa mahdollisuuden eri vaihtoehtojen vapaaseen testaamiseen ja vertailuun. Lopullinen suunnitelma talletetaan tuotantotieto-kantaan. Ohjelmisto on siirrettävissä muihin ympäristöihin muuttamalla järjestelmän ulkoiset modulit. 

Monica laadittiin alunperin Fortranilla, mutta nyttemmin on alettu siirtyä koodaamisessa C-kieleen. Tyypillisen 50 km x 50 km kartan piirtäminen vie ajoaikaa n. 50 cpu sekunttia. UNIRAS-ohjelma hoitaa näyttötulostuksen hyvin nopeasti, eikä paperille tulostuskaan kestä muutamaa sekunttia kauempaa. A3 paperikoko on havaittu käytännöllisimmäksi. 

Joustava ikkunakoon vaihtelumahdollisuus on myös Monican vahvoja puolia. 

7. Yhteenveto

Monican tärkeimmät ansiot ovat

	- suunnittelufunktiot integroitu hyvin tietokantoihin
	- monen käyttäjän suunnitteluympäristö
	- mahdollisuus kokeiluun sotkematta tuotantotietoja
	- vaiheittaisen suunnittelun ja käytön mahdollisuus
	- useiden vaihtoehtoisten suunnitelmien laadinta tietylle alueelle
	- kehitetty ja testattu monen käyttäjän moniverkkoympäristössä
	- hajautettu laskenta merkitsee edullisempia installointivaihtoehtoja
	- mahdollisuus laajentaa yhden käyttäjän versio myöhemmin monen käyttäjän ympristöksi

Monican tärkeimpiä käyttöalueita tulevaisuudessa ovat mm.

	- rajoitetun luonnon varan radiotaajuusspektrin entistä tehokkaampi käyttö esim. suuntaavia 	  antenneja käyttämällä
	- TKK:n älykäsantenniprojekti antanee myös uusia haasteita Monican kehittäjille. Näillä 	  	  adaptiivisilla anteilla voidaan taajuusalue pilkkoa eri kaistoihin ja lisätä näin kapasiteettia.

Monica 2 on tuotteistettu ja hyvin dokumentoitu radioverkon suunnittelujärjestelmä, joka on periaatteessa myytävissä. Tällä hetkellä se on kuitenkin ainoastaan Telen ja sen tytäryhtiöiden käytössä.

Lähdeluettelo

Irpola, Kajamaa, Putkiranta: Esitelmä Monica 1:stä Pohjoismaisessa radio symposiumissa -89 

DI Timo Kajamaan haastattelut Telellä huhtikuussa -96

DI Timo Kajamaa: Esitelmä ‘Radioaaltojen eteneminen’ INSKOn Radiopuhelinjärjestelmät-päivillä -92

Monica 2 esite

Muuta Monica lähdemateriaalia Teleltä