Mobiiliverkkotekniikka

Tässä artikkelissa on koottu mobiiliverkkotekniikasta.

Perustietoa

Mobiilitekniikka ja nopeudet

Teoreettiset nopeudet tarkoittaa Suomessa käytettyä tekniikkaa. Nopeuden vaihteluväli on keskimääräisiä nopeuksia tällä tekniikalla. Nopeuteen vaikuttaa signaalin voimakkuus, sijainti tukiasemaan nähden, maasto, mahdolliset esteet sekä signaalin laatu.

Tekniikka	Lyhenne	Band	Taajuusalue (Mhz)	Taajuuskaistanleveys (Mhz)	Teoreettinen maksiminopeus	Nopeuden vaihteluväli	Muuta
2G GPRS	G	8 / 3	900 / 1800		114Kbps	30-40Kbps
2G EDGE	E	8 / 3	900 / 1800		236,8Kbps	80–160Kbps
3G UMTS	3G	8	900		384	100-250Kbps
3G HSDPA	3.5G/H	8 / 1	900 / 2100		14,4 Mbps	0,4Mbps - 5Mbps
3G HSPA+	H+	8 / 1	900 / 2100	5	21Mbps	0,4Mbps-10Mbps
3G DC-HSPA+	H+ / DC	1	2100	5+5	42Mbps	0,4Mbps - 24Mbps
4G LTE	4G/LTE	20	800	10	75Mbps	5-50Mbps
4G LTE	4G/LTE	3 / 7	1800 / 2600	20	CAT3 100Mbps/CAT4 150Mbps	5Mbps - 80Mbps / 5Mbps - 125Mbps
4G LTE-A	4G+/LTE	20 + 3 / 20 + 7	800 + 1800 / 800 +2600	10+20	220Mbps	5-180Mbps
4G LTE-A	4G+/LTE	3 + 7	1800 + 2600	20+20	300Mbps	5Mbps - 220Mbps

Taajuusjakotaulukko

Operaattorien käyttämät taajuuksienjako:

https://www.viestintavirasto.fi/ohjausjavalvonta/laitmaarayksetpaatokset/lupapaatokset/radiolupapaatokset.html

Antennien valinta ja asennus

Tarve ulkoiselle lisäantennille

Yleensä tarve lisäantennille tulee mieleen kun mobiililaajakaistan nopeudet eivät ole halutun kaltaiset. Tässä kohtaa kannattaakin selvittää johtuuko huonot siirtonopeudet huonoista signaaliarvoista päätelaitteessa vai onko verkko vain ruuhkautunut alueella. Useimmat päätelaitteet antavat jonkinlaista numeerista tietoa RF signaalitasoista. Mitkään palkit, pampulat tai muut kuin numeraaliset signaaliarvot ovat täysin epäluotettavia. Yleensä laitteesta löytyy seuraavat arvot:

A)RSRP joka ilmaisee siis vastaanotettavan referenssisignaalin tasoa. Käytössä yleensä dBm asteikko ja huomiona että lukema on(pitäisi olla) negatiivinen eli suurempi miinus arvo on huonompi. näppituntuma asteikko yli -90dBm hyvä. -90dBm - -100dBm kohtalainen alle -100dBm houno.

B)RSRQ joka ilmaisee yllämainitun referenssisignaalin laatua. Asteikko dB. yli -5dB hyvä. -6dB - -10dB kohtalainen. alle -16dB huono. Mitä lähempänä 0 sen parempi.,

c)SINR joka ilmaisee ns Signal to interference and noise arvoa. asteikko taas dB ja tavoiteltava arvo hyvä arvo mielellään yli 13. Mitä lähemmäksi 0 mennään sen huonmpi.

Tärkeimpinä arvoina nuo SINR ja RSRQ arvot jotka vaikuttavat eniten datanopeuteen eli signaalin laatu on voimakkuutta tärkeämpi ominaisuus. Lisäksi vastaan tulee yleensä vain 3G ja GSM puolella olevana on RSSI joka siis mittaa koko kaistanleveyden signaalitasoa. Tämä ei siis suoraan ole sama kuin RSRP.

Mikäli signaalin arvoissa on ongelmaa ja varsinkin jos ongelma on signaalin laadussa voi ulkoantenni korjata asiaa. Mikäli signaaliarvot ovat kunnossa ei ulkoantennilla välttämättä saavuteta haluttua hyötyä. Mikäli tilanne on näin kannattaa kokeilla mahdollisuuksien mukaan toisella päätelaitteella tai sitten esim puhelimella alueen yleistä mobiiliverkkojen toimivuuttaa. Kannattaa kuitenkin pitää mielessä että parhainkaan ulkoantenni ei ole ihmeiden tekijä. Jos satut asumaan alueella jossa signaalitaso on olematon ei parhainkaan ulkoantenni auta asiaa. Myös apu saattaa silloin jäädä rajalliseksi kun käyttäjää palveleva solu on pahasti ruuhkautunut.

Ulkoantennin paikan valinta

Tähän kannattaa nähdä hieman vaivaa sillä optimaalliseen paikkaan harvoin päästään ja huonossa paikassa antennista voi olla enemmän haittaa kuin hyötyä. Paikkaa etsiessa kannattaa käyttää apuna cellmapperia tai monista puhelimesta löytyviä huoltotiloja jotka näyttävät signaalitasoa/laatua. Optimaallisin paikka teoriassa olisi se josta on suora esteetön näköyhteys tukiasemaan mutta koska yleensä tämä ei ole mahdollista joudutaan tyytymään realistisempiin vaihtoehtoihin. Näppisääntönä yleensä kuitenkin on että korkeat paikat kuten TV-antenniputki tai kaksikerroksisen talon pääty ovat parhaita paikkoja. Talon pääty jossa antenni on asennettu seinälle voi olla jopa optimaallisempi paikka kuin antenniputki katolla koska talon rakenne tällöin hieman vaimentaa talon takaa antennin tulevia signaaleja ja näinollen parantaa antennin etu-takasuhdetta (ja vähentää siis häiriöiden määrää).

Jos antenni on tarkoitus asentaa pitkään TV-antenniputkeen korkealle, tulee myös varmista antenniputken kestävyys lisääntyneelle kuormalle. Varsinkin suuren tuulikuorman (eli iso tuulipinta-ala) ja painon omaavia antenneja pitkän putken päähän suunnitellessa on todellakin tarpeellista varmistaa putken kestävyys sekä sen riittävä kiinnitys rakenteisiin. Tällöin vältytään syysmyrskyillä alas tulleesta antennimastosta.

Tavoitteena kuitenkin olisi ettei antennin edessä välittömästi olisi isoja esteitä tukiaseman suunnassa. Kannattaa tarkistaa puhelimen näyttämistä arvoista minkälainen signaalitaso/laatu paikassa on ja tehdä lopullinen valinta sen perusteella. Lisäksi cellmapperin kaltaisista sovelluksista näet myös mihin tukiasemaan puhelin on kytkeytynyt ja tällöin voi myös antennin suuntaa asennuspaiksta tarkastella. Lähin tukiasema ei aina ole se joka tarjoaa suurimman nopeudet ja siitä syystä voi joutua joskus kääntämään antennin kohti toista tukiasemaa jos edellisen solun alue on tullut liian ruuhkaiseksi. Antennin paikaa pohtiessa kannattaa myös pitää mielessä tarvittavan kaapelien veto ja pituus sekä päätelaitteen sijoittaminen näistä enemmän kohdassa 4.

Antennin valinta

Antenneja on monentyyppisiä ja niissä on jokaisessa omat hyvät ja huonot puolensa. Se mikä antenni parhaiten sopii käyttöpaikkaan on yleensä harkittava tapauskohtaisesti.

Antenneissa yleensä ensimmäisenä myyntiteksteissä vastaantuleva tieto on antennin vahvistus. Antennin vahvistus tarkoitta sitä kuinka paljon antenni vahvistaa signaalia (passiivisesti). Tämä kyseinen vahvistus tapahtuu aina antennin säteilykeilan kapenemisen kustannuksella ts. suuremman vahvistuksen omaavan antennin keila on kapeampi kuin pienemmän vahvistuksen omaavalla. Tästä syystä vahvistusta ei voida kasvattaa loputtomiin. Käytännössä säteilykeila siis kertoo kuinka kapealla alueella antennin ilmoittama pääkeilan vahvistus on. Suurin vahvistus siis saavutetaan suoraan antennin edessä ja vahvistus pienenee tästä sitten antennia sivulle päin kiertäessä. Yleensä suuntaavuus on toivottu ominaisuus koska näin saadaan myös vähennettyä sivusuunnista tulevia häiriöitä. Kuitenkin kapeakeilainen antenni voi olla tuskastuttavan tarkka suunnata. Jos haluaa nippelitietoa antennikeiloista lukea ja englanti taipuu niin ciscon sivuilla on kattava tietopläjäys asiasta englanniksi -> http://www.cisco.com/c/en/us/produc...ssories/prod_white_paper0900aecd806a1a3e.html Vaikka sivustolla käsitellään WLAN antenneja periaate on täysin sama myös mobiiliverkoissa. Mitä tulee tarvittavaan vahvistukseen riippuu paljon suunnitellun paikan signaalivoimakkuudesta. Mikäli signaalinvoimakkuus suunnitellussa paikassa on hyvä ja käyttöpaikka sijaitsee lähellä tukiasemaa voi ihan pelkällä ympärisäteilevällä antennilla saavuuttaa hyviä lopputuloksia. Toisaalta taas huonossa kentässä tai alueella jossa ollaan monen solun rajamailla kannattaa yleensä käyttää hyvin suuntaavaa antennia koska tämä rajoittaa häiriöiden määrää. Joskus taas asennuspaikkakin sanelee hieman antennin valintaa. Esim talon seinälle saadaan asennettua todella huomaamattomasti paneeliantenni kun se maalataan vielä seinän väriseksi. Tälläinen antenni ja asennustapa voi olla mieleen jos antenni tulee kovin näkösällä olevaan paikkaan.

Antennia valitessa tulee myös pitää mielessä tarvittava taajuusalue. Yleensä monet nykyiset ulkoiset mobiiliverkon antennit ovat aika laajoilla taajuuskaistoilla ja kattavat yleisimmät mobiiliverkkojen taajuudet. Kannattaa kuitenkin olla tarkkana varsinkin jos on tarkoitus käyttää uudempia LTE 800 (tai lähivuosina tulevaa LTE 700) verkkoa koska kaikki antennit eivät näitä taajuuksia tue. Joskus kuulee puhuttavan kuinka ollaan onnistuneeti käytetty GSM 900 verkolle tehtyä antennia LTE 800 verkolla ja tämä voikin toimia. Se riippuukin siitä kuinka jyrkkäreunainen on antennin taajuusvaste mutta olettavasti antennin vahvistus ei ole enää ilmoitettu kyseisen taajuusalueen ulkopuolella. Tästä syystä kannattaa siis valita antennisi sellainen joka tukee tarvittavaa taajuutta. Myöskin kaikkein halvimpien antennien lupamiin järjettömän suuriin vahvistuksiin kannattaa suhtautua varauksella. Käytännössä yli 20dB vahvistukset eivät ole mahdollisia.

Jos LTE verkossa halutaan käyttä MIMO ominaisuutta (kuten lähes poikkeuksetta halutaan) niin tarvitaan silloin kaksi antennia. Jos MIMO ei käytetä putoavat datanopeudet huomattavasti.

Antennin polarisaatio; LTE verkoissa on käytössä niin sanottu X-polarisaatio (voidaan myös kutsua slant polarisation) -45/+45. Tämä tarkoittaa sitä että tukiasemassa (MIMOn vaatimat) kaksi antennia ovat X muotoisessa asetelmassa eli 90 asteen kulmassa toisiinsa. Polarisaatio ei siis ole pysty/vaaka mitä jostain syystä näkee monissa ulkoisissa antenneissa käytettävän. tämä 45 asteen ero aiheuttaa kuitenkin 3dB vaimentuman joka voi olla merkittävä joissain tilanteissa. käytettäessä kahta ulkoantennia (MIMOa varten) antennien polarisaatio ei saa olla sama koska näin ollen ne häiritsevät toisiaan ja tämä näkyy radikaalina huononemisena datanopeuksissa. eli kahta antennia käyttäessä antennien polarisaation ero on oltava aina 90 astetta.

HUOM! 3G verkoissa joissa käytetään päätelaitteessa yleensä vain yhtä antennia kannattaa se laittaa joko vaaka tai pystypolarisaatioon. Näin vältytään mahdollisilta dual-carrier toimimattomuusongelmista sillä 3G verkoissa tukiasemissa on käytössä useammanlaista kytkentää antenneissa. ELi jos tarkoituksena on käyttää vain 3G verkkoa niin polarisaatio joko pysty tai vaaka.

HUOM! Monet ovat rakentaneet omia kiinnikkeitä ja modauksia että ovat saaneet korjattua antennien pysty/vaaka polarisaation -45/+45 tyyliin mutta tätä tehdessä pitää huomioida varsinkin paneeliantennien kohdalla ettei antennin pääse kertymään vettä. Koteloiduissa antenneissa on yleensä pohjassa pieni reikä josta mahdollinen sisälle päässyt vesi valuu pois kun antenni on asennettu suunniteltuun suuntaan mutta käännettäessä antennia toiseen polarisaation on varmistettava että uudessa asennossakin vesi valuu pois. näin pidennetään antennin käyttöikää ja varmistetaan ettei vedestä johtuvia ongelmia tule.

Nyt kun perusteet on selvillä käymmekin läpi kolme yleisint antennityyppiä:

A) Yagi antenni. eli ns tv-antennin näköinen "harava". Yagi antennit tarjoavat suurimmat vahvistukset ja kapeimman keilan. Joitain valmiiksi X- polarisaatiossa olevia Yageja olen nähnyt mutta ovat kuitenkin harvinaisempia. Niinpä LTE käyttöä varten tarvitset siis 2kpl näitä antenneja. Osa kaupoista myy erillisiä asennuspaketteja joilla antennin saa muutettua polarisaatiota 45 astetta. Tämän tyyppisiä antenneja kannattaa käyttää siis silloin kun tarvitaa n suurta vahvistusta ja/tai kapeaa keilaa. Jotkut yagi-antennit ovat myös koteloitua eli tällöin muistuttavat hieman ankannokkaa tai jäätelotuuttia. Yagi antenneja on yleensä myös helpommin saatavilla vain tietyille taajuusalueille.

B) paneeliantenni. Nimensä mukaan litteä paneeli. Tälläisiä antenneja on saatavilla valmiiksi X polarisaatiossa eli sisältävät kaksi antennia yksissä kuorissa. Löytyy toki myös yksittäisenä antennina yhdellä polarisaatiolla. X pol antennin ostaessasi tarvitset siis vain yhden antennin mutta yhden polarisaation antenneita tarvitaan kaksi (joista toinen laitettava eri polarisaatioon jos ei valmiiksi ole!) Paneeliantennit ovat oiva valinta seinä asennukseen koska eivät tule kovin kauas ulos seinästä. Sopivat myös käytettäväksi kohtuullisissa ja hyvissäkin signaalikentissä kun tarvitaan suuntaavuutta. Suuntaus ei ole niin tarkka kuin yagi antenneilla.

C) ympärisäteilevä antenni. Sopii paikkoihin missä ulkona on valmiiksi voimakas signaali. Vahvistus vähäinen mutta ei käytännässä vaadi suuntaamita. Hankala soveltaa LTE MIMOon koska antenni pitäisi asentaa saada käännettyä 45 asteen kulmaan ja tämä ei yleensä ole mukana tulevilla osilla mahdollista. Yleensä suositeltava antenni onkin joko Yagi tai paneeli.

Antennikaapelointi

Hyvänkään antennin suuresta vahvistuksesta ei ole paljoa iloa jos tämä saatu teho hukataan huonoon kaapeliin. Siitä syystä antennikaapeloinnin toteutuksessa tuleekin ottaa huomioon pari tekijää.

Jotta antennikaapeloinnissa vältytään turhilta vaimennuksilta ja sitä kautta ongelmista on kaapelointi syytä pitää mahdollisimman lyhyenä. Tästä syystä päätelaite kannattaa mahdollisuuksien puitteissa sijoittaa mahdollisimman lähelle antennia. Modeemilta voi sitten pitkiäkin ethernet kaapeleita vetää eteenpäin niiden vaikuttamatta nopeuksiin. Yleensä modeemin sijoitta antennin läheisyyteen ei ole mahdollista mutta pitkätkään vedot eivät ole ongelma jos käytetään laadukasta kaapelia.

Kaapelien vaimennus on riippuvainen kaapelin ominaisuuksista ja käytetystä taajuudesta. Kaapelin teknisistä tiedoista pitäisi yleensä löytyä taulukko jossa vaimennus on kerrottu eri taajuuksille. Kannattaa siis vertailla eri kaapeleita ja valita laadukasta pienivaimenteista kaapelia varsinkin jos tarkoitus on käyttää LTE1800 tai 3g2100 verkkoja. Yleensä tavallisen kuluttajan on varminta turvautua kaapeleihin joissa on liittimet valmiiksi päissä. Tarvittava kaapelinpituus kannattaa selvittää hyvin sillä varmuudeksi otetun liian pitkän kaapelin ylimääräinen pituus ei tee muuta kuin vaimentaa signaalia. Myöskin yksi 15 metrinen kaapeli on parempi kuin kolme peräkkäin laitettua 5 metristä kaapelia sillä jokainen liitoskin aiheuttaa pientä lisävaimenusta. Jotkut RF kaapeleita ja liittimiä myyvät liikkeet tekevät myös tilauksesta halutun pituisia kaapeleita halutuilla liittimillä. Mobiililaajaikaista hommissa käytettyjen kaapeleiden impedanssin on oltava 50 Ohm joten esimerkiksi tv-puolen 75 Ohm kaapelit eivät sovi siihen käyttöön.

Ulkona kannattaa ehdottomasti käyttää kaapelia joka soveltuu ulkoasennuksiin. Lähinnä kyse on siitä kestääkö kaapelin vaippa auringon UV säteilyn. Sisäkäyttöön tarkoitetut kaapelit eivät välttämättä sitä tee ja näin ollen kuori haprastuu ja murenee nopeasti mitä kautta taas vesi pääsee kaapeliin.

Lyhyt esimerkki antennien ja kaapeloinnin vaikutuksesta signaalinvoimakkuuksiin. Oletetaanpa että minulla on vaikka kaksikerroksinen omakotilalo. Tarkoitus olisi saada LTE1800 mobiililaajakaista toimimaan alakerran työhuoneeseen tulevaan päätelaitteeseen johon matkaa katolta jonne antenni on suunniteltu on 10m. Päätelaitetta kokeiltu sen omilla antenneilla mutta LTE verkkoa ei löytynyt laitteen omilla antenneilla. Mittaan katolta antennin kohdalta signaalinvoimakkuuden ja saan RSRP arvoksi -96dBm. Asun siis kuuluvuusalueen laitamilla mutta signaalin laatu on kohtuullinen. Ei muuta kuin kilkkeitä siis tilaamaan. Tilaan vaikka tämän antennin http://www.satshop.fi/antennas/3g-4g-gsm-antennas/pro1000.html ja löydän radioamatööri setäni jäämistöstä riittävän pitkän pätkän RG58C kaapelia sekä liittimet ja pihdit.

Vermeiden saavuttua kötöstän kaiken paikalleen ja isken vehkeet tulille. Päätelaite löytää verkon mutta bitti kulkee tuskastuttavan hitaasti. Päätelaite näyttää signaalitasoksi -101dBm. Miten tässä näin kävi? Noh, tässä esimerkissä on tehty kolme eri virhettä. On käytetty liian pienellä vahvistuksella olevaa antennia jonka pieni vahvihtus on hukattu käyttämällä pitkä pätkä liian suurivaimenteista kaapelia. Jos alamme laskemaan signaalivoimakkuuksia niin kun antennin kohdalla kentävoimakkuus on ollut -96dBm niin ottaen huomioon antennin vahvistus (6dB) niin antennista lähtevä signaalinvoimakkuus antennin vahvistuksesta johtuen onkin jo -90dBm. RG58 kaapeli on aivan väärä kaapeli yleensäkin tälläisiin systeemeihin sillä sen vaimennukset 1800 alueella ovat todella suuret. luokkaa 1,1dB per metri. Eli tällä kymmenen metrin matkalla katolta sisälle syntyy siis 11dB vaimennus. Vähennetään siis antennilta lähtevästä -90dBm 11dB niin signaalintaso onkin enää tuo -101dBm eli surkea.

Jos nyt sitten rakennettaisiin se optimaallinen systeemi niin aloitetaampa siitä että siirrän ton modeemin tuolta alakerrasta yläkerran huoneeseen. näin rf kaapelin matka lyhenee 4m. Nyt vaimennusta onkin enää 4,4dB kaapelissa eli päätelaitteen signaalitaso onkin jo 96,6dBm. Bitti kulkee paremmin mutta vauhtiin päästyäni en tyydykkään tähän vaan vaihdan kaapelin pienemmällä vaimennuksella olevaan ECOFLEX 10 PLUS kaapeliin jolla on vaimennus 1800Mhz taajuudella n. 0,19db per metri. Nyt vaimennusta onkin siis enää 0,76dB ja näin ollen päätelaite näyttää -90,76dBm. Nyt siis ollaan päästy jo hyvän signaalin puolelle. Jos vielä vaihtaisin antenin suurempi vahvisteiseen esim tähän: http://www.satshop.fi/3g-4g-lte-gsm-wifi-panel-antenna-16dbi-2-outputs.html niin signaalitasoksi voitaisiin saada niinkin hyvä kuin -80,76dBm. Kuitenkin tässä pitää sitten vielä pitää se mielessä ettei se pelkkä signaalin taso kerro kaikkea vaan siihen datan nopeuteen vaikuttaa ennen kaikeea se signaalin laatu joka on riippuvainen myös siitä ympäristön häiriöistä.

Asentaminen

Tähän ei oikeastaan ole maalaisjärjen käytön lisäksi muuta kuin jokunen huomio.

Kiristä RF liittimet kunnolla. Löysä liitos aiheuttaa ongelmia. Pieniin liittimiin (SMA ja sitä pienemmät) ei kannata käyttää liikaa voimaa. Yleensä sormikiristys + aavustus pihdeillä riittää sillä vaikka näille kaikille on valmistaja määrittänyt oikeat momentit niin monella ei varmaankaan ole momenttiavainta käytettävissä.

Kaikki ulkotiloissa olevat RF-liitokset pitää tiivistää huolella kosteudelta. Näin vältetään ongelmia jotka aiheutuvat veden pääsystä liittimeen. Itse parhaaksi havainnoima tapa on kiristämisen jälkeen vulkanoituvalla sähköteipillä teippaaminen ja koska vulkkis ei kestä auringon UV säteilyssä niin päälle kannattaa vetää vielä tavallinen sähköteippi. Jos haluaa hifistellä niin teippauksen tekee malliin "joutsenen selkä" eli alhaalta ylöspäin. Yleensä pienet RF-liittimet eivät olet speksattuja suoraan ulkotiloihin kuten ammattikäytön 7-16 liittimet.

Kaapeloidessa on pidettä huolta ettei RF kaapelia käsittele liian kovakouraisesti. Kaapeliin ei saa tulla minkäänlaisia painaumia tai muita jotka muuttavat kaapelin muotoa(älä litistä minkääväliin yms.) koska nämä aiheuttavat ylimääräistä vaimennusta. Myöskin paksumpia kaapeleita asentaessa tulee huomioida valmistajan määrittelemä pienin taivutusdäde.

Jos olet pystyttämässä kokonaan omaa putkea katolle antennille niin on hyvä muista että määräykset sanovat että antenniputki on maadoitettava (ukkosturvallisuus).

Jos asennat ulkoisen lisäantennin samaan putkeen tv-antenin kanssa voi tv lähetyksissä tämän jälkeen esiintyä häiriötä varsinkin jos kyseessä on LTE800 toimiva systeemi(ja todennäköisesti ongelma tulee entistä useammin eteen kun 700Mhz laajakaistaverkko otetaan käyttöön.) tämän yleensä aiheuttaa vanhaa tv-kaistaa käyttävä LTE800 jonka päätelaitteen antennin läheisyys joko yliohjaan talon laajakaistaisen antennivahvistimen tai tv:n vastaanottimen. Tätä estämiseksi clas ohlsonit, motonetit ja muut myyvät tv antennin ja vahvistimen/tv:n väliin tulevia suodattimia jotka suodattavat mobiililaajakaistojen taajuudet pois.