UMTS
Tekniikka
WCDMA
Kolmannen sukupolven UMTS-järjestelmä käyttää laajakaistaista CDMA-tekniikkaa (WCDMA). Laajakaistaisuus tarkoittaa tässä tapauksessa 5 MHz. CDMA (Code Division Multiple Access) on hajaspektritekniikkaa käyttävä moniliityntäjärjestelmä, jossa eri käyttäjien signaalit kerrotaan hajotuskoodilla, jonka nopeus (chip rate) on moninkertainen verrattuna datanopeuteen. Signaalit koodataan joka käyttökerralla jokaisen omalla hajotuskoodilla. Eri käyttäjien hajotuskoodit ovat keskenään ortogonaalisia eli niillä ei ole keskinäisvaikutusta. Lähetykset lähetetään samalla kaistalla samaan aikaan ja dekoodataan vastaanottopäässä.
Hajaspektritekniikassa lähetettävä informaatio hajotetaan koko taajuuskaistalle. Yleisimmät hajaspekritekniikat ovat taajuushyppely (FH) ja suorahajotusmenetelmä (DS). Taajuushyppelyssä lähetystaajuutta vaihdellaan hajotuskoodin mukaan. Taajuushyppelyä ei yleisesti käytetä soluverkoissa vaan lähinnä sotilaskäytössa, johon CDMA alunperin kehitettiin. Suorahajotusmenetelmässä informaatio koodataan suoraan käytettävälle kaistalle hajotuskoodilla. Soluverkot, UMTS mukaanlukien, käyttävät yleensä tätä tekniikkaa.
Hajaspektritekniikalla saavutetaan useita etuja perinteisiin aika- ja taajuusjakoisiin tekniikoihin nähden. Koska tieto on jaettu laajalle kaistalle, hajaspektritekniikka kestää hyvin kapeakaistaisia häiriöitä. Myös teho on jaettu laajalle kaistalle, minkä takia lähetystehot ovat pieniä. WCDMA-laitteet eivät juuri häiritse ympäristössä toimivia laitteita, toisin kuin GSM-laitteet. Paljon puhutuista matkapuhelinten terveysvaikutuksista ei WCDMA:n lähetystehoilla tarvitsisi huolehtia. Tosin nykyisilläkään kännyköillä ei toistaiseksi ole todistettu olevan haittaa terveydelle.
WCDMA:lla on hyvä aika- ja etäisyysresoluutio, joka helpottaa paikannus- ja navigointipalvelujen kehittämistä. Aikajakoisessa GSM-järjestelmässä pitää viereisissä soluissa käyttää eri taajuuksia, jotta signaalit eivät häiritsisi toisiaan. GSM-järjestelmässä taajuuden toistokuvio on käytännossä 7-16. Toistokuvio on selvitetty kuvissa 1 ja 2. WCDMA:ssa toistokuvio on 1. Koska kaikki tieto lähetetään samalla kaistalla ja on identifioitu omalla hajotuskoodilla, ei lähetettävä tieto häiritse naapuritukiasemia. Tästä on hyötynä huomattava verkon kapasiteetin kasvu. Jokaisella tukiasemalla voidaan käyttää koko 5 MHz:n kaistaa, joka olisi GSM-järjestelmässä pitänyt jakaa toistokuvion solujen määrällä.
GSM:n toistokuvio
Kuva 1
UMTS:n toistokuvio
Kuva 2
Käytännössä verkon kapasiteettiin liittyy monia muitakin tekijöitä ja se kasvaa huomattavasti edellä mainittua vähemmän. UMTS-verkossa mobiiliasema voi olla yhteydessä kahteen tukiasemaan yhtä aikaa. Yhteys kahteen tukiasemaan mahdollistaa soft handoverin, jossa mobiiliasema siirtyy tukiasemalta toiselle katkaisematta yhteyttä välillä. Tästä on hyötyä kuuluvuuden raja-alueilla, koska signaali vahvistuu 0-3dB, kun mobiiliaseman lähetys kuuluu kahdessa tukiasemassa ja kaksi tukiasemaa lähettää mobiiliasemaan. Toinen uutuus WCDMA:ssa on RAKE-vastaanotin, joka pystyy vastaanottamaan useita eri reittejä pitkin tulevia signaaleja ja summaamaan ne yhdeksi signaaliksi.
Vaikka WCDMA-tekniikka tuntuu tarjoavan paljon etuja GSM-tekniikkaan nähden, sillä on myös omat vaikeutensa. Kolmannen sukupolven vastaanottimet ovat paljon monimutkaisempia kuin toisen sukupolven vastaanottimet. WCDMA:ssa täytyy myös olla jatkuva tehon tarkkailu, joka säätää tehon etäisyyden mukaan juuri oikeaksi. Lähetystehojen vaihtelut aiheuttavat WCDMA-järjestelmässä paljon suurempia ongelmia GSM:ssä. Tehon tarkkailu on teknisesti vaikea ja kallis toteuttaa, kuten myös RAKE-vastaanotin. UMTS-järjestelmästä näyttää tulevan paljon GSM:ää kalliimpi.
Kilpailevat tekniikat
Kilpailijoita UMTS:lla tulee olemaan monia. Yhdysvalloissa tehdään omaa CDMA2000-järjestelmää, joka on periaatteiltaan samanlainen kuin UMTS, mutta ei yhteensopiva. Tällä hetkellä CDMA2000:ssa näuttää olevan paljon enemmän ongelmia kuin WCDMA:lla
Kehitteillä on myös langaton lähialueverkko (WLAN), jolla pitäisi lyhyillä etäisyyksillä päästä UMTSia suurempiin tiedonsiirtonopeuksiin. WLANin heikkous ovat pienet solukoot, joiden takia sillä ei koskaan pystytä tekemään esimerkiksi koko maan kattavia verkkoja.
GSM-tekniikassa on vielä kehitysvaraa, johon perustuvat systeemit tulevat vielä varmasti olemaan kova UMTS:n kilpailija. GSM on aikajakoinen moniliityntäjärjestelmä, jossa yhdellä radiokanavalla voi olla yhtä aikaa 8 yhteyttä. Ensimmäiseksi GSM-tekniikan päälle rakennetaan GPRS-verkko, jossa (puheen lisäksi) pystytään siirtämään myös datapaketteja. GPRS toimii samalla tavalla kuin GSM, mutta osa käytettävissä olevista aikaväleistä (1-4 aikaväliä) voidaan käyttää datan siirtoon. GPRS:ssä on neljä erinopeuksista lähetysluokkaa, joista operaattorit aikovat ottaa käyttöön aluksi vain kaksi ensimmäistä. Ensimmäisen lähetysluokan nopeus on 9,05 kbit/s, toisen 13,4 kbits/s, kolmannen 15,6 kbit/s ja neljännen 21,4 kbit/s.
GPRS ei pysty kilpailemaan suorituskyvyllään UMTS:n kanssa. Se on kuitenkin valmis järjestelmä, joka otetaan käyttöön Suomessa vuoden 2000 joulukuussa. Se luo pohjaa EDGE:lle, joka pystyy kilpailemaan UMTS:n kanssa haja-asutusalueilla. Pakettikytkentäinen EDGE (EGPRS) toimii muuten samalla tavalla kuin GPRS, mutta siinä käytetään tehokkaampaa modulaatiota. GSM:ssä käytettävän kaksitilaisen GMSK-modulaation sijasta EDGE:ssä käytetään kahdeksantilaista 8-PSK-modulaatiota (Phase Shift Keying). Vaikka symbolinopeudet pysyvät samoina, bittinopeus kolminkertaistuu.
Useampitilainen modulaatio tekee EDGE:stä GPRS:ää herkemmän häiriöille, mutta EDGE:ssä käytettävät virheenkorjausmenetelmät ovat huomattavasti GPRS:ssä käytettäviä kehittyneempiä ja tekevät EDGE:stä huomattavasti GPRS:ää luotettavamman. EDGE:ssä on yhdeksän erinopeuksista lähetysluokkaa, jotka kaikki aiotaan ottaa käyttöön. Neljä ensimmäistä lähetysluokkaa ovat GMSK-moduloituja, ja viisi viimeistä 8-PSK. Kaikissa 8-PSK-moduloiduissa lähetysluokissa on korkealaatuinen virheenkorjaus. Ensimmäisen 8-PSK-moduloidun lähetysluokan eli luokan viisi nopeus on 22,4 kbit/s, luokan kuusi 29,6 kbit/s, luokan seitsemän 44,8 kbit/s, luokan kahdeksan 54,4 kbit/s ja luokan yhdeksän 59,2 kbit/s.
Siirtonopeudet
Käyttäjän kannalta mielenkiintoisimmat tiedot ovat varmastikin siirtonopeudet, joihin nämä edellä mainitut tulevaisuuden verkot pystyvät. Kuten jo edellä mainitsin, GPRS ja EDGE käyttävät 1-4 aikaväliä datan siirtoon, joten niiden keskimääräinen siirtonopeus voidaan laskea kertomalla lähetysluokkanopeudet kolmella. GPRS pystyy keskimääräisesti 27,15 kbit/s tai 40,2 kbit/s siirtonopeuksiin, mikä on reippaasti hitaampi kuin nykyiset modeemit. EDGE:n siirtonopeus vaihtelee välillä 67,2-177,6 kbit/s, mutta ei suinkaan portaattomasti vaan edellä mainittujen lähetysluokkien mukaan. UMTS:n on suunniteltu toimivan siirtonopeuksilla 64 kbit/s, 144 kbit/s, 384 kbit/s ja 2 Mbit/s. Kaksi ensimmäistä siirtonopeutta toimivat myös haja-asutusalueilla ja kaksi viimeistä ainoastaan kaupungeissa. 2 Mbit/s:n nopeus vaatii melkein näköyhteyden tukiasemaan eikä samassa solussa saa olla kuin muutama käyttäjä.
Tekijät: Juha Kokko, Ville-Matti Kyöstilä, Mikael Ylijoki
Johdanto Tekniikka Taloudelliset näkymät Lähteet Työnjako