TKK | Tietoverkkolaboratorio | Opetus
"Everything goes mobile" ja "The future is mobile" luukuttavat tänään sekä teleoperaattorit että sisällöntuottajat laitevalmistajista puhumattakaan. Mutta mitä tällä tarkalleen ottaen tarkoitetaan? Mitä on se jokin, josta ollaan näin yhtä mieltä? Mitä on mobiliteetti?
Sana 'mobiili' ensinäkin lienee adjektiivi ja tarkoittaa 'liikkuva'. Jos kerran auto on lyhenne automobiilista, pelkkä mobiili ei liiku itsestään. Voidaanko sitten vaikkapa stereoyhdistelmää kaiuttimineen pitää mobiilina - voihan niitä kanniskella paikasta toiseen? Empiiristen havaintojen perusteella tiedämme, että moisen laitteiston liikuttelu on viisasta ainoastaan muuton tms. yhteydessä. Joten ilmeisesti tavallinen stereoyhdistelmä ei ole mobiili. Päinvastaiseen tulokseen voisi sen sijaan päätyä korvalappusoittimen kohdalla. 'Mobiili' viitannee siis kykyyn liikkua paikasta A paikaan B tarkoituksenmukaisesti.
Äskeisessä esimerkissä mobiliteetti oli yhtä kannettavuuden kanssa. Teletekniikassa käsite saa lisäulottuvuuden. Laitteet joko vastaanottavat (radio, televisio) tai vastaanottavat ja lähettävät informaatiota (puhelin) eli ovat joko yksi- tai kaksisuuntaisia. Tarkastellaan tavallisen lankapuhelimen mobiliteettia. Se on ainakin pieni ja kevyt. Mutta koska on myös varsinaisia matkapuhelimia olisi määritelmän järkevää palauttaa arvo epätosi. Määritelmä, joka ei osaa erottaa matkapuhelinta tavallisesta ei olisi kovin hyödyllinen.
Koska lankapuhelinliittymä on sidottu yhteen fyysiseen pistokkeeseen, ei vieraaseen pistokkeeseen kytketty puhelinkone voi ottaa vastaan kotiliittymäänsä soitettuja puheluita. Jotta määritelmämme toimisi toivotusti, olisi vallittava yksimielisyys siitä, että em. toimintaperiaate on liikkumisen mielessä epätarkoituksenmukainen. Täsmennetään määritelmäämme:
Kohde k on mobiili jos ja vain jos on olemassa maantieteelliset paikat A ja B siten, että k:n käyttö on paikoissa identtistä ilman siirron yhteydessä tehtävää konfiguraatiota. Lisäksi k:n fyysisten ominaisuuksien on oltava siirtämistä tukevia. Mikäli k:n käyttöön paikassa A kuuluu informaation saaminen toiselta kohteelta kA, on kB:n oltava eri kuin kA.
Määritelmän viimeisen lauseen tehtävänä on erottaa toisistaan langattomuus ja mobiliteetti siten, että yhden tukiaseman langattomat järjestelmät eivät ole mobiileja. Tämä siksi, että yhden tukiaseman langaton järjestelmä on mobilitettiin liittyvien keskeisten kysymysten kannalta triviaali. Lisäksi jos tällainen järjestelmä tulkittaisiin mobiiliksi, olisi mobiiliksi tulkittava myös vastaava langallinen järjestelmä. Langan pituutta lyhentäen saataisiin, että kaikki on mobiilia.
Määritelmästämme seuraa, että mikäli jokin laite ottaa vastaan informaatiota toiselta laitteelta, liittyy mobiliteettiin informaatioverkko. Mitä tahansa mobiliteetti oikeasti onkin, tämä raportti tarkastelee sitä em. määritelmän pohjalta. Määritelmän abstraktiuden on tarkoitus osoittaa, että mobiliteetti käsitteenä ei ole millään tavalla sidottu teletekniikkaan. Käytännön verkkojen suunnittelu nojaa matematiikan graafiteoriaan ja joukko-oppiin. Määritelmässämme voisi käyttää joukko-opin notaatioita.
Mobiliteettiin liittyy läheisesti joukko käsitteitä. Ne myös edustavat peruskysymyksiä mitätahansa mobiliteettia suunniteltaessa. Näitä esittelee seuraava esimerkki.
Pankkitili on henkilökohtainen palvelu jossa kullakin tilillä on tilinumero. Tilit voidaan tunnistaa ja niiden sijainti jäljittää tilinumerosta yksikäsitteisesti. Liittymiä eli tilejä tarjoavat pankkiyhtiöt ja palveluita pankkikonttorien verkko. Pankkipalvelu on kaksisuuntainen: voit lainata rahaa sekä pankilta että pankille. Entisajan tilit oli sidottu yhteen fyysiseen konttoriin ja palvelu siten hyvin epämobiili eli kiinteä. Sittemmin pankkipalvelu on mobilisoitunut. Sen käyttö on identtistä riippumatta siitä, missä kyseisen pankin haarakonttoreista ollaan. Aivan viime päiviin saakka pankkipalvelu ei ole ollut langatonta. Sitä on voinut käyttää vain äärellisen monessa pisteessä. Tänään voit jo maksaa laskusi kännykällä.
Pankkiverkko on kaupallinen verkko, jossa palvelun tarjoajia (service provider, SP) ovat pankkiyhtiöt. Verkossa on rajoitetusti käytössä roaming -toiminto. Roaming on kaupallisiin verkkoihin liittyvä käsite, joka tarkoittaa mahdollisuutta käyttää liittymää toisen SP:n verkosta. Rahaa voi nimittäin nostaa myös muiden kuin oman pankin automaateista. Toisen pankin automaatti toimii ns. access -verkkona omaan liittymään. Peruskysymys kaupallisten verkkojen yhteydessä on laskutuksen järjestäminen. Pankit perivät tilinhaltijoilta kuukausimaksua.
Edellisen esimerkin tarkoitus oli myös osoittaa, että mobiliteetista ja verkoista voidaan kuten sanottua muodostaa teoriaa, joka pätee hyvin yleisille joukoille. Esimerkin mobiili kohde oli pankkitili, joka ei edes ole esine vaan palvelu. Esim. käsitteen 'langattomuus' täsmällinen määritteleminen olisi helpointa tehdä ylinumeroituvien joukkojen avulla.
Tunnetuin ja menestynein mobiili kohde on eittämättä matkapuhelin. Matkapuhelinverkot ovat langattomasti mobiileita kaksisuuntaisia kaupallisia verkkoja, joissa langattomuus saadaan aikaan käyttämällä radiotietä johtimena. Langattomasti mobiilin verkon suunnittelussa nousee välittömästi esiin joukko hyvin epätriviaaleja, koko ongelmakenttää karakterisoivia kysymyksiä. Tarkastellaan aluksi piirikytkentäistä verkkoa.
Usean samanaikaisen käyttäjän palvelemiseksi on radiotie kanavoitava. Kaksisuuntaisuus edellyttää vielä kanavan kahtiajakoa. Kuinka kauas on mentävä, jotta samaa kanavaa voidaan jälleen käyttää? Montako samanaikaista käyttäjää on oletettava ja paljonko verkolla on kaistaa käytössään?
Siirtotieltä vaadittava kapasiteetti on suoraan verrannollinen yhden käyttäjän vaatimaan kapasiteettiin ja samanaikaisten käyttäjien määrään. Yhden käyttäjän kapasiteettia voidaan kasvattaa joko laskemalla samanaikaisten käyttäjien määrää tai nostamalla verkon kapasiteettia. Verkon kapasiteettia voidaan nostaa kolmella tavalla. Käyttäjien lähettämän informaation lisäksi verkossa liikkuu sen toiminnalle välttämätöntä ohjausdataa. Verkon sisäistä toimintaa optimoimalla voidaan ohjausdatan määrää yrittää vähentää eli verkon hyötysuhdetta parantaa. Toinen keino on käyttää tiedon pakkaamista. Pakkaamisen kanssa analoginen toiminto on modulointimenetelmän kehittäminen. Modulointihan tarkoittaa hyötysignaalin muuntamista radiosignaaliksi. Tehokkain keino kapasiteetin lisäämiseksi on kantataajuuden nostaminen. Taajuutta nostettaessa kasvavat merkittävästi sekä ilmakehän vaimennus että alttius rakennuksille ja sääilmiöille. Tämä joudutaan kompensoimaan tukiasematiheydellä ja lähetystehon nostolla. Tehon nosto taas lisää virrankulutusta, mikä on ongelma akkukäyttöisille päätelaitteille. Lisäksi maisemaseikat rajoittavat antennimastojen lukumäärää.
Mobiliteetti edellyttää, että päätelaitteeseen eli terminaaliin voidaan ottaa yhteys aina samalla tavalla riippumatta sijainnista. Lankapuhelimessa puhelinnumero sisältää sijainti-informaation. Mobiilissa verkossa näin ei voi olla. Jotta yhteys voidaan luoda ja informaatio välittää oikealle terminaalille, täytyy se ensin paikantaa. Terminaali voi myös poistua verkosta ja ilmestyä verkkoon missä tahansa. Paikannus voitaisiin tehdä käymällä verkko jokaisella soitolla solmu solmulta läpi. Jos solmuja on tuhansia ja tilaajia satoja tuhansia kuten matkapuhelinverkolla, muodostuisi odotusajasta täysin irrationaalinen. Terminaalin sijainti tulisi siis tietää ennakolta. Sehän onnistuu vain pitämällä kirjaa kunkin terminaalin sijainnista. Tarvitaan reaaliaikainen tietovarasto, josta saadaan oikea sijaintitieto kullekin terminaalille jokaisella hetkellä. Tietovaraston jatkuva päivittäminen aiheuttaa verkkoon ohjausliikennettä, jonka vaatima kapasiteetti on tietysti pois käyttäjiltä. Ajatellaan usean miljoonan tilaajan matkapuhelinverkkoa. Esimerkiksi työmatka-aikana tälläisen tilaajamäärän tarkka seuraaminen muodostaisi luultavasti melkoisen ohjausliikenteen. Lisäksi tilaajilla olisi varmasti taipumus käyttää verkon palveluita työmatkan aikana. Toisaalta mitä tarkemmin liikkumista seurataan sitä suurempi osa ohjausliikenteestä menee tavallaan hukkaan. Jatkossa käy ilmi, että käytännön sovelluksissa liikkuvuuden hallinta on kompromissi odotusajan ja ohjausliikenteen määrän välillä.
Tiedämme, että matkapuhelin toimii myös autolla tai junalla liikuttaessa. Verkolta edellytetään tällöin handover -toimintoa, joka tarkoittaa tukiaseman vaihtamista lennossa. Tämä tarkoittaa aina myös kanavan vaihtumista, koska vierekkäisillä tukiasemilla ei voi käyttää samoja kanavia.
Mobiiliverkon käytännöllisyys jäisi puolitiehen ilman saumatonta liityntää johonkin kiinteään verkkoon. Kun yhteyden molemmat päät voivat olla toisistaan riippumatta kahta tyyppiä, saadan neljä eri kombinaatiota. Samalla saadaan neljä eri näkökulmaa pohtia esim. laskutusta.
Palvelun laatu on muuttuja, jolla verkko-operaattori pyrkii optimoimaan taloudellisen tuloksensa. Palvelun laatu on funktio sen ominaisuuksista, luotettavuudesta ja saatavuudesta. Tässä yhteydessä ominaisuuksia edustaa nopeus/kapasiteetti, luotettavuutta häiriöttömyys eri tilanteissa peittoalueen sisällä ja saatavuutta peittoalueen koko. Laatua voidaan optimoida kustannuksella, kun muuttujina ovat näiden painotukset. Käytännössä ongelmaa lähestytään tilastollisin menetelmin keräämällä riittävästi riittävän yksityiskohtaista tietoa olosuhteista, joissa palvelua käytetään. Toteutus tehdään jotenkin niin, että palvelun laatu on useimmiten hyvä ja keskimäärin erinomainen.