1. No category

Viestimies 3/2011
TEKSTI: JYRKI PENTTINEN, NOKIA SIEMENS NETWORKS INNOVATION CENTER, MADRID. PERTTI PENTTINEN, IFOLOR, IT-PÄÄLLIKKÖ.
KUVAT: NOKIA SIEMENS NETWORKS INNOVATION CENTER
Jyrki Penttinen.
Pertti Penttinen.
LTE eli Long Term Evolution
on uusin askel matkaviestinnän kehityspolulla. Se on
matkaviestintäjärjestelmien
kolmannen sukupolven kehittynyt versio, joka mahdollistaa aiempaa korkeammat
datanopeudet. Järjestelmä
on täysin IP-pohjainen.
Uudistetun suojausmenetelmän, radiorajapinnan
toiminnallisuuden ja pakettikytkentäisyyden ansiosta se
mahdollistaa samalla myös
kansalliselle turvallisuudelle
sopivan tiedonsiirron varmennusmenetelmän.
LTE osana
varmentavaa
viestintäjärjestelmää
koon ja sitä myöten piirikytkentäisenä
kiinteään puhelinverkkoon.
Ensimmäisen vaiheen 3GPP:n release 8 mukaisen LTE:n datanopeudet
ovat teoriassa maksimissaan 300 Mb/s
alalinkissä eli tukiaseman lähetyssuunnassa (downlink) ja 75 Mb/s ylälinkissä
eli matkaviestimen lähetyssuunnassa
(uplink). LTE:n käytännön datanopeus
riippuu muun muassa käytettävästä antenniratkaisusta (4x4 MIMO-antennien
mahdollistaessa korkeimmat nopeudet)
sekä kullakin hetkellä dynaamisesti
valittavasta koodausnopeudesta ja modulointimenetelmästä (QPSK, 16-QAM
tai 64-QAM).
3GPP:n jo jäädytetty standardijulkaisu 9 lisää hiukan LTE:n toimintoja, kuten hälytyspuhelut LTE:n kautta. Myös
LTE:n release 10 -määritykset ovat
jo valmistuneet ja niiden mukaisesta,
edelleen kehitetystä LTE:n versiosta
käytetään nimitystä LTE Advanced.
Se mahdollistaa markkinoille aikanaan
ilmestyessään ensimmäistä kertaa suorituskyvyn, joka täyttää myös ITU:n
Esi-4G-teknologia
avaa tietä uudelle
matkaviestinsukupolvelle
Suomeen sekä useisiin muihin maihin
on vähitellen tulossa matkaviestintäjärjestelmien variantti LTE eli kehittynyt
kolmannen sukupolven järjestelmä
(Long Term Evolution). Se voidaan tulkita esi-4G-teknologiaksi ja kehittyneenä versionaan varsinaiseksi neljännen
sukupolven edustajaksi. LTE-järjestelmä on määritetty GSM:n ja UMTS:n
tapaan 3GPP:n (3rd Generation Partnership Project) standardeissa. LTE on
tarkoitettu ainoastaan pakettimuotoisen
datan siirtoon, joten puheliikennöinti tapahtuu IP-pohjaisesti VoIP-menetelmänä tai ns. fall-back-toiminnolla siirtäen
puhepalvelu LTE-verkosta 2G/3G-verk-
3GPP:n mukaisen kolmannen sukupolven matkaviestintäjärjestelmän datansiirtonopeuden kehitys ala- ja ylälinkissä. MIMO (Multiple Input, Multiple Output) on
antennien moniporttitekniikka, HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) on
3G:n kehittynyt datansiirtomenetelmä alalinkissä ja HSUPA (High Speed Uplink
Packet Access) on 3G:n kehittynyt datansiirtomenetelmä ylälinkissä.
43
44
Viestimies 3/2011
(International Telecommunications Union) neljännen sukupolven vaatimukset
spektrin tehokkuudelle. LTE Advanced
tarjoaa teoreettisen huippudatanopeuden 1 Gb/s alalinkissä ja 500 Mb/s ylälinkissä käytettäessä 100 MHz:n skaalattavaa taajuuskaistaa laajimmillaan.
Edeltäjiään
yksinkertaisempi
arkkitehtuuri
Edistyksellisistä toiminnoistaan
huolimatta LTE:n arkkitehtuuri on
suunniteltu edeltäjiään yksinkertaisemmaksi. Verkosta puuttuu GSM:ään
ja UMTS:ään verrattuna radioverkon
ohjainelementti, sillä sen toiminnot
on sisällytetty tukiasemaan (kehittynyt 3G:n tukiasema, evolved NodeB
eli eNodeB). Erityisenä hyötynä tästä
ratkaisusta on aiempaa nopeampi merkinanto ja siten lyhyemmät viiveet
pakettien kuittauksessa, mikä parantaa
datansiirtonopeutta. Toinen ero aiempiin verkkoihin nähden on tukiasemien
välinen merkinanto, mikä mahdollistaa
nopean datansiirron myös kanavanvaihdon yhteydessä.
LTE määrittää nimenomaan kehittyneen radioverkon osuuden, joka siis sisältää ainoastaan tukiasemia. LTE:n virallinen termi 3GPP:n standardoinnissa
on Evolved UTRAN (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access Network) eli
kehittynyt UMTS-radioverkko. Toisaalta LTE:n merkittävästi kohonneet
datanopeudet vaativat parannuksia
myös matkaviestintäverkon kiinteään
osuuteen. Tätä kutsutaan 3GPP:n standardeissa nimellä Evolved Packet Core
(EPC). Käytännössä EPC:tä kutsutaan
usein myös nimellä SAE, System Architecture Evolution. LTE:n ja SAE:n
yhdistelmä on nimeltään EPS, Evolved
Packet System.
LTE:n ja SAE:n arkkitehtuuria esittävässä kuvassa näkyy SAE:n kolme pääelementtiä, jotka ovat palveleva portti
(S-GW, Serving Gateway), pakettidataverkon portti (Packet Data Network
GW) ja liikkuvuudenhallintaelementti
(MME, mobility management element).
S-GW huolehtii käyttäjän datayhteydestä ja välittää datavirran tukiasemien
ja P-GW-elementtien välillä. P-GW
välittää käyttäjän datavirran LTE/SAE-
LTE:n ja SAE:n arkkitehtuuri. Katkoviivat esittävät merkinantorajapintoja ja yhtenäiset viivat kuvaavat käyttäjän datansiirron rajapintoja. Laitevalmistajasta riippuen S-GW- ja P-GW-elementit voidaan integroida samaan fyysiseen laitteeseen,
mikä vähentää erillisten elementtien lukumäärää.
LTE käyttää 2G- ja 3G-verkoista poiketen laajakaistaista monikantoaaltotekniikkaa, OFDMA:ta (Orhogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA
perustuu 15 kHz:n alikantoaaltoihin, joita jaetaan käyttäjille nipuissa kapasiteettitarpeen mukaan.Tästä johtuen se on vastustuskykyinen radiorajapinnan nopeille
häipymille.
verkon ja ulkopuolisten pakettidataverkkojen välillä esimerkiksi Internetiin
tai operaattorin IP-multimediajärjestelmään (IMS, IP Multimedia Subsystem)
VoIP-puheluiden tapauksessa. MME
on tarkoitettu pelkästään merkinantoon
LTE/SAE-elementtien ja muiden verkon elementtien välillä, kuten tilaajan
kotirekisterin ja tunnistuskeskuksen
välillä. Jälkimmäiset ovat yhteisiä
operaattorin mahdollisten 2G- ja 3Gverkkojen kanssa.
Viestimies 3/2011
Käytössä laajakaistaiset
monikantoaaltotekniikat
LTE käyttää 2G- ja 3G-verkoista
poiketen OFDMA-pääsytekniikkaa (Orhogonal Frequency Division Multiple
Access) alalinkissä ja SC-FDMA-pääsytekniikkaa (Single Carrier Frequency
Division Multiple Access) ylälinkissä.
Ne ovat laajakaistaisia monikantoaaltotekniikoita, jotka ovat vastustuskykyisiä
radiorajapinnan nopeille häipymille.
UMTS:n koodijakoinen tekniikka
WCDMA (Wideband Code Division
Multiple Access) tarkoittaa sitä, että
kukin käyttäjä lisää energiatasoa koko 5
MHz:n kaistalla kapasiteettikäytöstään
riippuen, ja käyttäjät erotellaan toisistaan ei-korreloivien koodiensa avulla.
LTE:n OFDMA ja SC-FDMA sen
sijaan jakavat kullekin käyttäjälle kapasiteettitarpeen ja häiriöitten mukaan 15
kHz:n kokoisia, toistensa kanssa mahdollisimman lähekkäin olevia, mutta
korreloimattomia alikantoaaltoja. LTEtukiaseman skedulointiprosessi jakaa
resursseja kokonaistilanteen mukaisesti
ja voi myös priorisoida käyttäjiä tilaajapro¿ilien perusteella.
SC-FDMA on pääasiassa yhtenevä
OFDM:n kanssa, joten myös sen alikantoaaltojen periaate on sama. SC-FDMA on optimaalisempi ratkaisu LTEterminaalin lähetystekniikaksi, koska
sen tehonkulutus on vähäisempi ja tekniikan huipputehon ja keskimääräisen
tehon suhde (PAPR, Peak-to-Average
Power Rate) on helpommin hallittavissa
kuin OFDMA:ssa.
LTE-järjestelmälle on identi¿oitu
kansainvälisesti useita taajuusalueita
väliltä 700-2600 MHz. On oletettavaa,
että käytännön LTE-verkot toimisivat
Euroopassa tyypillisesti 900, 1800 ja
2100 MHz:n alueella, koska ne ovat yhteneviä GSM/UMTS-taajuuskaistojen
kanssa. Muita alueita ovat amerikkalaiset GSM-alueet 850 ja 1900 MHz,
analogisilta TV-asemilta vapautuva 700
MHz:n alue ja amerikkalainen yhdistelmä 1700 ja 2100 MHz:n alueista.
LTE:n myötä saadaan myös uusi 2600
MHz:n maailmanlaajuisesti monin paikoin käytettävissä oleva taajuusalue.
Kuten aiemmissakin järjestelmissä,
korkeampi taajuus tarkoittaa pienempiä
peittoalueita, joten alueet 900 MHz:iin
saakka ovat ideaalisia laajoilla alueilla
LTE-terminaalit ovat järjestelmää käyttöönotettaessa USB-portissa käytettäviä
”tikkumalleja”. Myöhemmissä käsipuhelinmalleissa LTE- ja 2G/3G-järjestelmien
radiotoiminnallisuudet on integroitu samaan laitteeseen.
muiden toimiessa parhaiten kaupunkiympäristöissä kapasiteettiverkkoina.
LTE on joustavampi taajuuskaistan
suhteen verrattuna UMTS:n kiinteään
5 MHz:n kaistaan (tai 4.2 MHz:n kaistaan, jos operaattorilla on naapurikaistat
käytössään). LTE:ssä voidaan kaista
valita arvoista 1.4, 3, 5, 10, 15 ja 20
MHz. Maksimi datanopeus vaihtelee
vastaavasti siten, että 20 MHz:n kaistassa mahdollistetaan suurimmat arvot.
Pienempiä taajuuskaistoja voidaan ottaa
käyttöön muiden järjestelmien oheen
samalle taajuusalueelle. Täten esimerkiksi GSM:n ja UMTS:n kapasiteettia
voidaan vähentää ja LTE:n kapasiteettia
lisätä sitä mukaan, kun LTE:n käyttöaste lisääntyy. UMTS:n tavoin LTE
tukee FDD- (taajuusjakoinen tekniikka,
Frequency Division Duplex) ja TDDmoodia (aikajakoinen tekniikka, Time
Division Duplex). FDD-moodissa ylälinkin ja alalinkin lähetteet tapahtuvat
erillisillä taajuuskaistoilla pareittain.
TDD-moodissa voidaan yhdistää ylä- ja
alalinkin parittomia lähetteitä samalle
kaistalle.
Kuvia, sosiaalista mediaa
ja videoneuvotteluja
LTE-yhteyden luominen tapahtuu
erityisesti verkkojen alkuvaiheessa
datatikkutyyppisellä LTE-terminaalilla.
Myöhemmin markkinoille ilmestyy käsipuhelinmalleja, joissa LTE- ja 2G/3Gjärjestelmien radiotoiminnallisuudet
on integroitu samaan laitteeseen. Tämä
liittyy yhteen tärkeistä LTE:n hyödyistä
3GPP:n kautta standardoituna, sillä
LTE-peittoalueen loppuessa data- ja
VoIP-puhelu siirtyvät 2G/3G-järjestelmien kautta välitettäväksi, datapuhelu
GPRS-verkon kautta ja puhepalvelu piirikytkentäisenä versiona GSM/UMTS:n
sisäisesti tai kiinteään puhelinverkkoon.
Mahdollisia, erityisen hyvin LTE:n
kautta toimivia sovelluksia ovat kuvien
ja videoiden jakopalvelut sekä reaaliaikaiset videoneuvottelut. Puhepalvelu
voidaan toteuttaa LTE/SAE-verkkoon
kytketyn IMS-verkon (IP Multimedia
Subsystem) kautta standardoidulla tavalla. Koska LTE/SAE välittää ainoastaan dataliikennettä, voidaan ulkopuolisten verkkojen, kuten Internetin välillä
käyttää IMS:n lisäksi periaatteessa
kaikkia VoIP-menetelmiä, joista esimerkkeinä Skype, Messenger ja Google
Talk.
Datasovelluksia poikkeusolosuhteisiin ovat esimerkiksi Facebookin
kaltaiset suuria joukkoja palvelevat
yhteisöpalvelut, joissa lukuisat eri
käyttäjät voivat samaan aikaan jakaa
45
46
Viestimies 3/2011
sekä teksti- että kuvamuotoista dataa.
Esimerkiksi Japanin maanjäristyksen
ja sitä seuranneen tsunamin aikana
Suomen Ulkoministeriön perustamaan
Facebook-sivustoon ilmestyi kriisin
edetessä tuhansia jäseniä, jotka jakoivat
tietoa tapahtumasta.
Datansiirtovaatimukset esimerkiksi
videopalveluissa ovat suuria, vaikka
vasteajalla ei tässä tapauksessa ole puskuroinnin ansiosta niin suurta merkitystä, kuin esimerkiksi pieniä vasteaikoja
(<10ms) tarvitsevilla reaaliaikaisilla
palveluilla. Jälkimmäisiin kuuluvat
reaaliaikaiset pelit ja korkeaa palvelun
tasoa vaativa reaaliaikainen videoneuvottelu.
Videonjakopalveluista eräs esimerkki
on Internetissä toimiva www.qik.com,
jonne käyttäjät voivat jakaa reaaliajassa
(tai myöhemmin) mobiilipäätelaitteella
tallennettua videokuvaa. Palvelu muuttaa vastaanotetun videotiedoston selaimilla katsottavaan formaattiin, kun tallenne on siirretty palveluun. Palvelussa
voidaan käyttää myös videoneuvottelumahdollisuutta. Palvelu on lisäksi
synkronoitu muun muassa Facebook- ja
YouTube-palvelujen kanssa.
Varajärjestelmäksi
poikkeusolosuhteisiin
LTE/SAE soveltuu rinnakkaisena
varajärjestelmänä poikkeusolosuhteiden
tiedonvälitysverkoksi Suomessa siksi,
että se on yhteensopiva 2G/3G-verkkojen kanssa ja tarjoaa siten verkkojen
välisine kanavanvaihtotoiminteineen
loogisen järjestelmäkokonaisuuden.
LTE mahdollistaa korkeat datanopeudet, joten verkon kautta voidaan välittää
multimediaan pohjautuvia käyttäjäkohtaisia tiedotteita yhtä hyvin kuin puheja perusdataviestejä. LTE-verkkoon on
standardoitu myös yleisjakelulähete,
jota voidaan käyttää alueellisiin tai
kansallisiin tiedotteisiin niille terminaaleille, jotka tukevat LTE-järjestelmää.
Toiminne on vastaava kuin DVB-H:n
yksitaajuusverkon lähete, jolla voidaan
välittää kaikille määritetyllä alueella
oleville päätelaitteille samaa datavirtaa
siten, että verkon kautta ei kulje kuittausviestejä ja verkko ei siten ylikuormitu käyttäjien lukumäärän vuoksi.
Yhdistettynä GSM:n ja UMTS:n omiin
LTE- ja 2G/3G -tukiasemat voidaan kytkeä verkkoon IP-pohjaisesti. Mikäli verkon
reititinelementtejä tuhoutuu, yhteys saadaan vielä toimimaan uudelleenreitityksen
avulla helpommin kuin dedikoitujen linjojen vauriotapauksessa.
palveluihin, mahdollistaa LTE:n yleisjakeluviestit käyttökelpoisen multimediaan pohjautuvan tiedonvälityskanavan
esimerkiksi poikkeusolosuhteiden tilannekatsauksiin.
Fyysisen radiorajapinnan OFDMA ja
SC-FDMA mahdollistavat paremman
suojan radiorajapinnan vaihteleville
olosuhteille verrattuna aiempiin matkaviestintäverkkojen menetelmiin. Mikäli
osa lähetteen kantoaalloista tuhoutuu,
viesti on vielä käyttökelpoinen automaattisen radiolinkkiadaptaation ja
turbo-koodauksen ansiosta. Siten LTE:n
radiototeutus antaa lisäarvoa erityisesti
moniedenneitten lähetteiden aiheuttaman nopean radiosignaalin häipymisen
haittavaikutusten minimoimiseksi.
Saman periaatteen mukaisesti LTE:n
monikantoaaltoaaltotekniikka on
vastustuskykyinen kapeakaistaisille,
tahattomille tai tahallisille häiriölähteille. GSM:n ja UMTS:n tapaan LTE on
haavoittuva tarpeeksi laajakaistaiselle
häirintälähetteelle, jolla voidaan estää
lyhyen kantaman päästä käyttäjien yhteyksiä päätelaitteiden tai yksittäisten
tukiasemien vastaanottimia häiriten,
soveltaen palvelun estohyökkäyksen
periaatteita (DoS, Denial of Service)
suoraan radiotiellä. Laajempien alueiden häirintä vaatii jo suuritehoisia, laajakaistaisia ja suunta-antenneilla varustettuja häirintäasemia. Asiaa helpottaa
tällaisissa tapauksissa eri taajuusalueille
rakennettujen 2G/3G/LTE-verkkojen
yhteistoiminta. Mielenkiintoisena
suojausmahdollisuutena on LTE:n kotitukiasemakonsepti. LTE-tukiasemia
voidaan sijoittaa operaattoreiden infrastruktuurin ulkopuolisiin tiloihin, ml.
paikat, jotka eivät ole alttiita ulkopuolisille häiriölähteille rakennusvaimennuksen vuoksi. Suojausvaikutusta voidaan lisätä rakentamalla tilan ympärille
Faradayn häkki, jolloin sisällä olevat
LTE-terminaalit toimivat ulkopuolisten
häiriöiden aikana.
LTE- ja SAE-verkkojen välinen siirtoverkko voidaan toteuttaa kapasiteetin
niin salliessa perinteisenä TDM/ATMyhteytenä dedikoiduilla linjoilla. Nykyaikaisemmista tekniikoista on esimerkkinä Carrier Ethernet Transport (CET),
jolla kytkentä tukiasemien ja SAEverkon välillä, samoin kuin 2G/3Gtukiasemien ja niiden ohjainelementtien
välillä, voidaan toteuttaa soveltaen nk.
pseudolinjaratkaisua. Pseudolinjalla
jäljitetään TDM-aikavälien periaatteita
IP-verkkojen yli pakettikytkentäisesti ja
Viestimies 3/2011
se mahdollistaa siirtoverkon joustavan
toiminnan suljetun IP-verkkoratkaisun
kautta. IP-pohjaisten siirtoverkkojen
vahvana hyötynä on se, että mikäli verkon reititinelementtejä tuhoutuu, yhteys
saadaan toimimaan uudelleenreitityksen
avulla helpommin kuin dedikoitujen
linjojen vauriotapauksessa.
Standardi ja
antenniratkaisut
parantavat
toimintavarmuutta
Standardoinnissa on LTE/SAEverkon tietoturvaan kiinnitetty erityistä
huomiota. LTE:n radiorajapinta on
suojattu nykyaikaisilla menetelmillä
verkon tietoteknisiä hyökkäyksiä vastaan. Suojaus perustuu 3G-järjestelmää
monimutkaisempiin proseduureihin ja
serti¿kaatteihin. LTE/SAE-ratkaisun
IP-pohjaisuus sekä toimintojen sijoittaminen yhä vahvemmin tukiasemaan
mutkistaa suojaustoimintoja. Toisaalta
LTE/SAE:n kotitukiasemakonsepti
(Home eNodeB) mahdollistaa tukiasemien sijoittamisen aiempaa vapaammin
paikkoihin, jotka voivat avata mahdollisuuden tietoturvahyökkäyksille.
LTE/SAE vaatii siten laajennettuja
autentisointiratkaisuja ja suojausavainten jakelumenetelmiä hyökkäysten
varalle. Tämä tarkoittaa parannettuja
avainhierarkioita ja lisättyjä tukiasemien turvallisuustoimintoja verrattuna
2G/3G-ratkaisuihin, mikä estää muun
muassa yritykset luoda valetukiasemia
LTE-verkkoon. LTE:n radiorajapinta on
siten modernisoitu myös poikkeusolojen tietoturvan kannalta.
LTE:n myötä myös adaptiiviset antennitekniikat (AAS, Adaptive Antenna System) kehittyvät. Adaptiivisilla
antenneilla saadaan antennikeiloja
muokattua ja suunnattua tilanteen mukaan elektronisesti antennielementtien
vaihetta varioimalla niin horisontaalikuin vertikaalitasoissa. Tällä voidaan
optimoida solujen peittoalueita käytön
ja häiriöiden mukaan. Kehittyneissä
AAS-versioissa on mahdollista luoda
monikerroksisia soluja vertikaalisuunnassa. Yhtenä AAS-konseptin
hyötynä on antennien syöttöjohdinten
tehohäviöllisten koaksiaalikaapeleiden
korvaaminen valokuiduilla, sillä AASantennien tehovahvistimet on integroitu
kunkin säteilijän
yhteyteen osaksi
antennielementtejä.
Adaptiiviset
antennit toimivat myös osana
LTE:n myötä
kehitettävää
itseoptimoitavien verkkojen
konseptia. Esimerkkinä tästä
on adaptiivisuus
siten, että yhden
tai useamman
antennisäteilijän vioittuessa
muiden suuntakuviota – sekä
vioittuneen
antennin että
naapuritukiasemien antennien
– voidaan säätää
automaattisesti
paikkaamaan
Adaptiivisella antennilla voidaan hallita suuntakuvioita sekä
puuttuvan peithorisontaali- että vertikaalitasoissa. Kehittyneet antennit
toalueen osa.
Automaattisen
toimivat osana LTE:n mahdollistavaa itseoptimoitavien verkitseoptimointikojen konseptia.
kykynsä ansiosta
dollistaen palvelun jatkuvuuden verkon
AAS soveltuu myös tilanteisiin, joissa
vaurioituessa esimerkiksi luonnonkatailmenee tahaton tai tahallinen, verkon
stro¿en tai onnettomuuksien vuoksi.
ulkopuolinen häiriölähde.
Kokonaisuutena LTE ja SAE mahdollistavat korkean datanopeuden
matkaviestintäverkon, joka varsinaisen
käyttötarkoituksensa lisäksi on laajetessaan käyttökelpoinen varmistavana
tiedonsiirtoverkkona poikkeusolosuhteisiin. Radioverkon robustisuuden
ja IP-verkkojen automaattisen uudelleenreitityksen ansiosta LTE/SAE on
toimiva häiriöllisissä olosuhteissa, mah-
Lisätietoja LTE:stä:
Jyrki T.J. Penttinen. The LTE/
SAE Deployment Handbook. Wiley.
Kirja julkaistaan marraskuussa 2011.
Harri Holma ja Antti Toskala.
LTE for UMTS; Evolution to LTEAdvanced. Toinen painos. Wiley, 2011.
www.tlt.¿, www.3gpp.org ja
www.itu.int
47