S-38.127 Teletekniikan erikostyö II

Jussi Koski, 41707c

jhkoskicc.hut.fi

Ohjaaja: Timo Laakso

28.5.1997

Sisällysluettelo

Lyhenteet 31. Johdanto 42. Satelliittijärjestelmistä 4 2.1 Satelliittien ratatyypit ja niiden ominaisuudet 42.1.1 GEO - Geostationääriset satelliitit 42.1.2 LEO - matalaratasatelliitit 52.1.3 MEO - satelliittijärjestelmät 52.1.4 HEO - Elliptiset satelliittiratkaisut 6 2.2 Tietoliikennesatelliittijärjestelmien kehitys 6 2.3 Olemassaolevat mobiilisatelliittijärjestelmät 73. Satelliittimatkapuhelimet 7 3.1 Tarpeista ja markkinatilanteesta 7 3.2 Tärkeimmät kehitteillä olevat hankkeet 83.2.1 ICO 83.2.2 Globalstar 93.2.3 Iridium 93.2.4 Odyssey 10 3.3 Lainsäädäntö 113.3.1 Poliittiset kysymykset 113.3.2 Taajuushallinta 113.3.3 Patenttikiistat 12 3.4 Tekniset ratkaisut 133.4.1 Järjestelmäarkkitehtuuri 133.4.2 Puheluiden välitys 143.4.3 Radiorajapinta 153.4.4 Päätelaite 16 3.5 Ominaisuudet 173.5.1 Kapasiteetit 173.5.2 Siirtonopeudet 173.5.3 Palvelut 17 3.6 Liityntä muihin järjestelmiin 183.6.1 Matkapuhelinjärjestelmät 183.6.2 Yleinen televerkko ja dataverkot 194. Järjestelmien tulevaisuudesta 19 4.1 MSS-järjestelmien rooli tietoliikennekentässä 19 4.2 Rahoitusmallit 21 4.3 Teledesic ja muut laajakaistajärjestelmät 225. Yhteenveto 236. Lähdeviitteet 24Lyhenteet

AMPS American Mobile Phone System,amerikkalainen analoginen 900 MHzin matkapuhelinjärjestelmä

ATM Asynchronous Transfer Mode, pienten informaatiosolujen välitykseen perustuva laajakaistainen

datasiirtomuoto

CDMA Code Division Multiple Access, koodijakoinen monipääsymenetelmä

DCS Digital Cellular System, ETSI:n standardoima GSM:ään perustuva 1800 MHzin taajuudella toimiva matkapuhelinjärjestelmä

ES Earth Station, satelliittijärjestelmän maa-asema

FCC Federal Communications Comission, Yhdysvaltojen taajuushallinnasta vastaava organisaatio

FDMA Frequency Division Multiple Access, taajuusjakoinen monipääsymenetelmä

FLMPTS Future Land Mobile Public Telecommunication System, ITU:n standardoima kolmannen sukupolven maanpällinen matkapuhelinjärjestelmä

GEO Geostationary Orbit, 35 786 km:n korkeudessa maata kiertävä rata, jolla satelliiti pysyy maahan nähden paikallaan

GSM Global System for Mobile Communication, ETSI:n standardoima 900 MHzin taajuudella toimiva matkapuhelinjärjestelmä

HEO Highly Elliptical Orbit, voimakkaasti elliptinen satelliittirata

HLR Home Location Register, GSM-verkon kotirekisteri

ICO Intermediate Circular Orbit, MEO-radasta aiemmin käytetty nimitys.

IS-41/95/96 TIA:n standardeja amerikkalaiselle CDMA-matkapuhelinjärjestelmälle

ITU International Telecommunications Union, kansainvälinen telealan standardointi- ja hallinto-organisaatio

JDC Japan Digital Cellular, japanilainen matkapuhelinjärjestelmä

LEO Low Earth Orbit, Alle 2 000 km:n korkeudella toimiva satelliittirata

MEO Medium Earth Orbit, Noin 10 000 km:n korkeudella toimiva satelliittirata

MSC Mobile Switching Center, Matkapuhelinkeskus

MSS Mobile Satellite System, Satelliittimatkapuhelinjärjestelmä

PSTN Public Switched Telecommunicatons Network, julkinen kytkentäinen televerkko

SAN Satellite Access Node, ICO-järjestelmän maa-asema ja yhdyskäytävä

SMS Short Message Service, GSM-järjestelmän lyhytsanomapalvelu

TDMA Time Division Multiple Access, aikajakoinen monipääsymenetelmä

UMTS Universal Mobile Telecommunications System, ETSI:n standardoima kolmannen sukupolven maanpäällinen matkapuhelinjärjestelmä

VLR Visitor Location Register, GSM-verkon vierailijarekisteri

1. Johdanto

Vuosituhannen vaihteessa ovat markkinoille tulossa suoraan satelliittijärjestelmien kautta toimivat pienet käsipuhelimet. Näitä satelliittimatkapuhelinkonsepteja kutsutaan usein nimellä MSS (Mobile Satellite System), ja niiden päämääränä on tarjota globaali peittoalue ilman suuria alueellisia investointeja. Suunnitelmissa ja kehitteillä on useita erilaisia ratkaisuja. Tässä dokumentissa esitellään näistä selvimmin nykyisille matkapuhelinmarkkinoille tähtäävät ja myös tällä hetkellä todennäköisimmin toteutuvat järjestelmät; ICO, Iridium, Globalstar ja Odyssey.

Dokumentissa käydään ensin yleisesti läpi satelliittitietoliikenteen taustaa ja menetelmiä sekä MSS-järjestelmiin liittyviä teknisiä, kaupallisia ja poliittisiakin ratkaisuja. Järjestelmiä ei pyritä esittämään tiukan teknisestä näkökulmasta, eikä tarkkoja teknisiä yksityiskohtia kilpailutilanteen ja kriittisen kehitysvaiheen takia olekaan paljoa tarjolla. Sen sijaan tavoitteena on vertailla hankkeiden toteutusta keskenään järjestelmätasolla ja löytää tiettyjä ominaispiirteitä, jotka vaikuttavat järjestelmien tarjoamaan palveluun ja näkyvät myös loppuasiakkaalle.

Dokumentissa on myös pyritty tarkastelemaan miten satelliittimatkapuhelinjärjestelmät liitetään osaksi nykyistä ja tulevaa televiestinnän kokonaiskenttää. Erityisesti sitä, miten toteutetaan yhteistoiminta maanpäällisten matkapuhelinjärjestelmien - eurooppalaisittain lähinnä GSM:n - kanssa. Lopuksi hahmotellaan mikä rooli satelliiteilla voi olla tulevaisuuden matkaviestin-järjestelmissä, ja esitellään lyhyesti esimerkki seuraavan sukupolven mobiilisatelliittiratkaisusta; Teledesic.

2. Satelliittijärjestelmistä

2.1 Satelliittien ratatyypit ja niiden ominaisuudet

2.1.1 GEO - Geostationääriset satelliitit

Kuva 1. Satelliitien ratavaihtoehdot

Oheissa kuvassa on esitetty erilaiset satel-liittien ratatyypit oikeissa mittasuhteissaan. Sisäkkäin ympyränmuotoiset LEO-, MEO- ja GEO-radat, sekä muutama esimerkki ellip-tistä HEO-ratatyyppiä käyttävistä satellii-teista.

GEO (Geostationary Orbit) -satelliitit kiertävät maata ympyränmuotoisella radalla päiväntasaajan kohdalla. Satelliittien rata-korkeuden ollessa 35 786 km, on niiden kiertoaika sama kuin maan, ja näin GEO-satelliitit pysyvät maahan nähden paikallaan. Käytännössä satelliittien radoissa esiintyy pieniä epäsäännöllisyyksiä ja satelliitit piirtävät taivaalle pientä kahdeksikkoa. GEO-satelliitin peittoalue ulottuu pohjois-eteläsuunnassa noin 75:lle leveyspiireille, joiden välinen alue voidaan peittää maailman-laajuisesti minimissään kolmella GEO-satelliitilla.

GEO-satelliittijärjestelmien tärkeimmät edut ovat ratkaisun yksinkertaisuus ja modulaarisuus, sekä satelliitin erittäin suuri paikallaan pysyvä peittoalue, jolloin puhelun aikana ei tarvitse vaihtaa yhteyttä satelliitista toiseen. Kun satelliitti pysyy maahan nähden paikoillaan, ovat maan ja satelliitin väliset viiveet vakioita ja lisäksi avaruusosan kontrollijärjestelmä on suhteellisen yksinkertainen. GEO-satelliittien heikkouksia ovat suuret siirtoviiveet ja lähetystehot. Edestakainen 520 ms:n viive haittaa puheen ja kuittausta vaativan datan siirtoa, ja ylittää moninkertaisesti ITU-T:n maksimiviivesuosituksen 100 ms [3]. Suuret etäisyydet ja rajoitettu taajuuskaista vaativat puolestaan suuria lähetystehoja, jolloin päätelaitteet ovat pienimmilläänkin kannettavan PC:n kokoisia. Lisäksi GEO-satelliiteilla ei voida rakentaa peittoaluetta napa-alueille, 75. leveyspiiriä pidemmälle [1], [2].

2.1.2 LEO - matalaratasatelliitit

LEO (Low Earth Orbit) -satelliiteiksi luokitellaan järjestelmät, jotka käyttävät alle 2000 kilometrin korkeudessa olevia kiertoratoja, haitallisten Van Allenin vyöhykkeiden alapuolella. Tällöin satelliitin kiertoaika maan ympäri vaihtelee puolestatoista kahteen tuntiin ja yksi satelliitti on kerrallaan näkyvissä kymmenestä kahteenkymmeneen minuuttiin. Globaalit LEO- järjestelmät vaativatkin suuren määrän satelliitteja, matkapuhelinkäytössä noin 50-70 kappaletta. Käytössä on myös pienempiä, esimerkiksi vain ajoittaista peittoa tarjoavia LEO-matalarata-satelliittijärjestelmiä, jotka usein käyttävät molempien napojen yli kulkevia polar-ratoja.

LEO-ratkaisujen etuja GEO:oon verrattuna ovat tehokkaampi siirtokanavan käyttö ja pienemmät tehovaatimukset, huomattavasti pienemmät siirtoviiveet (n. 10-20 ms) ja mahdollisuus käyttää pieniä, nykyisiä matkapuhelimia vastaavia päätelaitteita. Vastaavasti ratkaisu vaatii huomattavasti kehittyneemmän ohjaus- ja kontrollijärjestelmän, sillä yhteyksien hallinta monimutkaistuu ja satelliittien välillä joudutaan suorittamaan useammin handover-toimintoja. Lisäksi satelliitin liikkuessa huomattavasti käyttäjään nähden, ongelmaksi muodostuvat merkittävästi GEO-satelliitteja suuremmat Doppler-siirtymät [2], [3]. Kooltaan LEO-satelliitit ovat GEO-satelliitteja pienempiä ja helpommin laukaistavia, mutta toisaalta myös lyhytikäisempiä [1].

2.1.3 MEO - satelliittijärjestelmät

MEO (Medium Earth Orbit) tai toiselta nimeltään ICO (Intermediate Circular Orbit) -satelliittijärjestelmä on eräänlainen edellisten välimuoto. Satelliitit kiertävät ympyränmuotoisia ratoja noin 10 000 km korkeudessa. Satelliitin kiertoaika on noin kuusi tuntia, ja ratkaisulla voidaan rakentaa maailmanlaajuinen peittoalue kohtuullisella määrällä satelliitteja, jotka käyttävät kahta tai kolmea eri kiertorataa. Myös ominaisuuksiltaan MEO on eräänlainen kompromissi GEO- ja LEO-ratkaisujen hyvien ja huonojen puolien välillä. Toiminnaltaan ja järjestelmä-arkkitehtuuriltaan se muistuttaa paljon LEO-järjestelmää. LEO:oon verrattuna järjestelmä on yksinkertaisempi ja vaatii harvemmin kanavanvaihtoa satelliitista toiseen (handover), mutta siirtoviiveet ja -häviöt ovat puolestaan suurempia [1] .

2.1.4 HEO - Elliptiset satelliittiratkaisut

HEO (Highly Elliptical Orbit) satelliitit kiertävät voimakkaasti elliptisellä radalla siten, että etäisyys maasta on minimissään (perigee) 500 ja maksimissaan (apogee) 50 000 kilometriä. Radan muodosta johtuen satelliitti on suurimman osan ajasta maasta katsottuna samassa apogeen suunnassa, ja näin voidaan rakentaa alueellista peittoa esim. pohjoisille alueille. HEO-satelliitin kiertoaika vaihtelee kahdeksasta tunnista vuorokauteen, ja niiden siirtoviiveet ja -häviöt ovat verrannollisia GEO-satelliitteihin. Koska nopeus maahan nähden on kuitenkin suuri, kärsivät HEO-ratkaisut voimakkaista Doppler-siirtymistä [1].

2.2 Tietoliikennesatelliittijärjestelmien kehitys

Ensimmäiset kokeilut satelliittien käytöstä teletoiminnassa perustuivat radioaaltojen passiivisen välittämiseen, ja käyttivät alunperin kuuta heijastuspintana. Vuonna 1959 onnistuttiin näin muodostamaan ensimmäinen satelliittiyhteys Atlantin yli. Ensimmäinen varsinainen teleliikennesatelliitti oli AT&T-Bellin ja NASAn vuonna 1962 laukaisema Telstar 1. Se oli LEO-radalla toimiva prototyyppi, jonka tarkoituksena oli testata suunnitellun laajan LEO-satelliittijärjestelmän periaatteita ja toimivuutta. Se pystyi välittämään - vajaan kahden tunnin ajan päivässä - Atlantin yli 600 puhekanavaa tai vaihtoehtoisesti yhden TV-kanavan.

1960-luvun alussa todistettiin myös GEO-satelliittikonseptin toimivuus, ja sen pohjalta syntyi päätös globaalin tietoliikennesatelliittijärjestelmän rakentamisesta. Kaupallisia riskejä pidettiin kuitenkin niin suurina, että 1964 päätettiin perustaa kansainvälinen, voittoa tavoittelematon yhteisö Intelsat operoimaan satelliittijärjestelmää. Sen 1965 geostationaariselle radalle laukaistu Early Bird oli ensimmäinen kaupallinen tietoliikennesatelliitti, ja pystyi välittämään Atlantin yli 240 puhekanavaa tai yhden TV-kanavan. (Vertailun vuoksi uuden sukupolven Intelsat VII -satelliitit välittävät yli 200 000 puhekanavaa ja useita TV-kanavia.)

Ensimmäisillä tietoliikennesatelliiteilla oli kaksi selkeää päätehtävää: Tarjota kiinteitä puhelinlinkkiyhteyksiä kaapeleiden ulottumattomiin ja vaikeiden kulkuyhteyksien yli sekä mahdollistaa televisio-ohjelmien vaihto kansallisten TV-yhtiöiden välillä. Näiden kiinteiden satelliittipalveluiden pohjalta ryhdyttiin 1970-luvulla kehittämään liikkuvia ratkaisuja merenkulun käyttöön. Ensimmäisen kaupallisen merisatelliittijärjestelmän rakensivat amerikkalaisten tietoliikenneyhtiöiden muodostama Marisat ja avaruuslaitevalmistaja Hughes vuonna 1976. Kukin kolmesta Marisat-satelliitista tarjosi vain noin kymmenen puhekanavaa, mutta ne olivat erittäin luotettavia ja toimivat vielä 90-luvulla uudempien järjestelmien varasatelliitteina. Samanaikaisesti Euroopassa ESA (European Space Association) suunnitteli CEPT:n (The Conference of European Post and Telecommunications Administrations) kanssa kokeellista satelliittiohjelmaa, Marotsia, kansainvälisen merenkulun käyttöön. Marots oli hyvin edistyksellinen suunnitelma, joka hyödynsi mm. 11/14 GHZ:n taajuuksia, TDMA-tekniikkaa ja hajautettua kontrollointijärjestelmää.

Ensimmäinen todella globaali merisatelliittijärjestelmä syntyi kuitenkin vasta perustettaessa Intelsatin tavoin kansainvälinen organisaatio Inmarsat (International Maritime Satellite Organisation) vuonna 1976. Inmarsatilla oli tuolloin mahdollisuus valita edistyksellisen ESA/CEPT-systeemin ja jo kokeillun Marisat-järjestelmän välillä, joista se valitsi jälkimmäisen ensimmäisen Inmarsat-A-ratkaisunsa pohjaksi. [4], [5]

2.3 Olemassaolevat mobiilisatelliittijärjestelmät

Inmarsat on laajentanut toimintaansa merialueilta myös maa- ja ilmailusovelluksiin, ja onkin vaihtanut virallisen nimensä International Mobile Satellite Organisationiksi. Tällä hetkellä Inmarsat tarjoaa GEO-satelliittijärjestelmiensä kautta lähes globaalia puhe- ja datapalvelua yli 50 000 tilaajalle [4]. Matkalaukkukokoisen analogisen Inmarsat-A päätelaitteen, ja sen digitaalisen version Inmarsat-B:n lisäksi tarjolla on pitkään ollut huomattavasti pienempikokoinen ja edullisempi, vain datakäyttöön soveltuva Inmarsat-C päätelaite. Inmarsatin päätuote tällä hetkellä on kuitenkin M-järjestelmä, joka tarjoaa digitaalisia puhe-, fax- ja 2.4 kbit/s datapalveluita 14,34 markan minuuttihintaan. Pienimmät, vuonna 1996 markkinoille noin 20 000 markan hintaisina tulleet Mini-M-päätelaitteet ovat kannettavan PC:n kokoisia, mutta vaativat kuitenkin edelleen mm. antennin suuntaamisen satelliittia kohti. Tällä hetkellä Inmarsatin tilaajat koostuvat lähinnä erilaisten erikoisalojen edustajista: merenkäynnistä, ilmailusta, liikenteestä, reporttereista, tutkimusasemista ja -matkailijoista sekä tiedemiehistä.

Maailmalla on käytössä myös muita mobiilipalveluita tarjoavia satelliittijärjestelmiä. Qualcommin 12/14 Ghz taajuusalueella toimiva Omnitracs-järjestelmä on tarjonnut vuodesta 1988 kaksisuuntaisia sanoma- ja paikannuspalveluita USA:ssa ja myöhemmin Eutelsatin kautta myös Euroopassa. Tilaajia Qualcommilla on yli 10 000. Toinen yhdysvaltalainen yritys Geostar tarjoaa ajoneuvojen paikannusta ja hitaita liikkuvia datayhteyksiä satelliittien kautta noin 10 000:lle asiakkaalle [6]. Myös AMSC (The American Mobile Satellite Consortium) tarjoaa sanomapalvelua vuokraten tällä hetkellä siirtokapasiteettia Inmarsatilta, mutta on päättänyt myös oman satelliitin laukaisusta ja on vuoden 1997 aikana lähdössä kilpailemaan Inmarsatin kanssa alueellisesti myös mobiilipuhepalveluilla [4].

3. Satelliittimatkapuhelimet

3.1 Tarpeista ja markkinatilanteesta

Maanpäällisten matkapuhelinverkkojen ja -palveluiden kasvu on luonut uusia tarpeita, kun käyttäjät, etenkin Länsi-Euroopassa ja Yhdysvalloissa ovat tottuneet monipuolisiin liikkuviin palveluihin ja vaativat niitä paikasta riippumatta. Toisaalta satelliittivälitteinen tekniikka on osoittautunut toimivaksi, luotettavaksi ja kustannustehokkaaksi vaihtoehdoksi kiinteän tietoliikenteen sovelluksissa, etenkin laajaa kapasiteettia vaativassa televisio-ohjelmien jakelussa. Vasta nyt satelliitti- ja antennitekniikka ovat kuitenkin tarpeeksi kehittyneitä toimivien LEO- ja MEO-järjestelmien rakentamiseen ja hallintaan, ja näin mahdollistavat käsipuhelinkokoisten päätelaitteiden käytön satelliitin kautta.

Satelliittimatkapuhelinjärjestelmät onkin nähty ratkaisuna moniin telealan ongelmiin: Ne voivat tarjota yhteyksiä televerkkojen ulkopuolisille syrjäalueille ja kiinteän puhelininfrastruktuurin osalta kehittymättömiin maihin. Kiinnostavin mahdollisuus on kuitenkin maailmanlaajuisen matkapuhelinroamingin mahdollisuus, maanpäällisten matkapuhelinjärjestelmien markkinoiden ollessa jakaantunut alueittain, keskenään yhteensopimattomien järjestelmien kesken. Tärkeimpänä käyttäjäsegmenttinä nähdäänkin yleisesti maksukykyiset, laajasti liikkuvat liikemiehet ja ammattikäyttäjät. Tämän markkinasegmentin kokoarviot vaihtelevat lähteestä riippuen suuresti noin 2-5 miljoonan käyttäjän välillä, ja markkinatilanne muutaman vuoden päästä tulee riippumaan suuresti myös maanpäällisten matkapuhelinverkkojen kehityksestä.

Kehitysmaissa harvan kiinteän puhelinverkon korvaaminen satelliittijärjestelmällä on nopea tapa kehittää maan perusinfrastruktuuria, kun valmis järjestelmä on jo olemassa, ja lisäkustannukset muodostuvat pelkistä päätelaitteista. Markkinasegmentti on arvioitu noin 2.6-2.7 miljoonan liittymän suuruiseksi vuoteen 2006 mennessä [15]. Rohkeimpien arvioiden mukaan käyttäjiä taas olisi vuonna 2010 jo n. 35 miljoonaa 10. Imagon kannalta käyttäjäryhmä on jokatapauksessa merkittävä. Taloudellisesti se ei kuitenkaan ole suhteessa muihin käyttäjäryhmiin yhtä merkittävä, sillä oletettavasti sekä puheluhinnat että käyttövoluumit ovat huomattavasti pienempiä kuin muilla asiakassegmenteillä.

Täysin muiden televerkkojen tavoittamattomissa sijaitsevien alueiden käyttäjät, lähinnä erilaisten erikoisalojen edustajat ja retkeilijät, muodostavat järjestelmille todennäköisesti vain melko pienen oheissegmentin. Ainoa merkittävä yksittäinen kohderyhmä on ehkä merenkulku. Suuren koti- ja pientoimistoasiakkaiden segmentin osuutta on varmasti alkuperäisistä ennusteista laskenut matkapuhelinjärjestelmien - etenkin GSM:n - valtava suosion kasvu ja peittoalueen kattavuus. Paikkansa vakiinnuttaneiden maanpäällisten järjestelmien kanssa on tällä alueella vaikea lähteä enää kilpailemaan.

3.2 Tärkeimmät kehitteillä olevat hankkeet

3.2.1 ICO

ICO on Inmarsatin johtaman Project 21:n perustalta perustettu kaupallinen yritys, joka keskittyy nimenomaan uuden käsipuhelinjärjestelmän kehittämiseen, erillään Inmarsatin perinteisemmistä toiminnoista. ICO:lla on vanhojen Inmarsat-suhteidensa ansiosta laaja yli 80 maahan ylettyvä omistuspohja ja Inmarsat on noin kymmenen prosentin osuudellaan suurin yksittäinen omistaja. ICO:ssa on myös mukana useita valtiollisia teleyhtiöitä etenkin Aasiasta ja Euroopasta, joukossa myös Telecom Finland. Tärkeitä omistajia ja yhteistyökumppaneita ovat mm. Beijing Marine & Navigations Co, Intian VSNL, Satellite Phone Japan, Korea Telecom, Saksan DeTeMobil sekä Comsat USA:sta [7]. ICO:n jakelun hoitavat paikalliset osakkaat ja yhteistyöoperaattorit, jotka saavat yleensä yksinoikeuden tietyllä alueella. Tällä hetkellä on tehty sopimus reilun kolmenkymmenen operaattorin kanssa.

ICO on MEO-radalla toimiva 12 satelliitin ja 12 maa-aseman (SAN, Satellite Access Node) järjestelmä, joka voidaan nähdä loogisena jatkona ja evoluution tuloksena Inmarsatin A/B-, C- ja M-järjestelmille. ICO onkin tässä esitetyistä, kehitteillä olevista hankkeista ehkä selkeimmin asiakastarpeista syntynyt - ei teknologialähtöinen - projekti. Sen tekniset ratkaisut ovat suhteellisen konservatiivisia, kokeiltuihin ja luotettaviin teknologioihin perustuvia. ICO:n periaatteena on hyödyntää mahdollisimman paljon olemassaolevaa GSM-teknologiaa, ja ICO onkin jäsenenä GSM MoU:ssa (Memorandum of Understanding). Avaruustekniikkaan liittyvissä kysymyksissä ICO:n yhteistyökumppanina on Hughes Space and Communications, joka suunnittelee ja valmistaa ICO:n satelliitit ja niihin liittyvän ohjausjärjestelmän. Hughes on maailman johtava, myös satelliitti-TV-palveluoperaattorina toimiva tietoliikennesatelliittiyritys, jolla on 30 vuoden kokemus GEO-satelliiteista. ICO:n maa-asemia yhdistävän runkoverkon ICONET:n suunnittelevat ja toteuttavat yhteistyönä NEC, Hughes ja Ericsson [8].

Ensimmäinen ICO-satellitti on suunniteltu laukaistavaksi vuoden 1998 lopulla, ja kaupallinen toiminta aloitettaisiin vuonna 2000 [9]. Järjestelmän kustannuksiksi on arvioitu noin 2.6 miljardia dollaria, josta laajan rahoituspohjan ansiosta on tällä hetkellä koossa reilut 1.5 miljardia [10]. ICO arvioi tärkeimmiksi käyttäjäsegmenteikseen ja kohderyhmikseen [8]:

1. Kansainväliset liikemiehet ja ammatimatkustajat
2. Kansallinen roaming maanpäällisten verkkojen ulkopuolella ja katvealueilla
3. Erikoisalat (Lehdistö, viranomaiset, YK)
4. Kuljetusala, merenkulku ja ilmailu

3.2.2 Globalstar

Globalstar on Loral Space & Communicationsin ja Qualcommin käynnistämä satelliitti-matkapuhelinjärjestelmähanke. Qualcommilla on vastuualueenaan matkapuhelinosaaminen, yhdyskäytävien, päätelaitteiden ja maanpäällisten ohjausjärjestelmien suunnittelu ja toteutus. Loral on päävastuussa avaruustekniikasta, ja sen yhteistyökumppaneina hankkeessa toimivat Alcatel, Alenia Spazio, Daimler-Benz Aerospace sekä Hyundai. Globalstar on tehnyt sopimukset muutaman suuren palveluntarjoajan kanssa, jotka saavat yksinoikeuden Globalstarin jakeluun tietyillä alueilla. Sopimusoperaattoreita ovat amerikkalainen Air Touch, eteläkorealainen Dacom, France Telecom, englantilainen Vodafone ja italialainen Elsag Bailey. Koska esimerkiksi Air Touchin lisenssi kattaa USA:n Japanin, Malesian, Portugalin, Australian, Alankomaat, Sveitsin ja Belgian (sekä yhteistyöyritysten kautta myös Kanadan ja Meksikon), hoidetaan Globalstarin jakelu käytännössä lisensoimalla oikeudet eteenpäin paikallisille markkinoille. Suomessa palvelua tulee - Dacomin lisenssillä - tarjoamaan Radiolinjan ja Hyundain muodostama Globalstar Finland Oy [11].

Globalstar-järjestelmä koostuu 48 LEO-satelliitista ja 100-210 eri puolilla maapalloa sijaitsevasta yhdyskäytävästä. Globalstarin strategiana on hyödyntää olemassaolevia maanpäällisiä siirtoverkkoja mahdollisimman paljon, ja reitittää kaikki liikenne niiden kautta. Tällöin kaikki palveluntarjoajat rakentavat järjestelmään omat yhdyskäytävänsä. Satelliittiradat takaavat maailmanlaajuisen peittoalueen 70. leveyspiirien välillä ja ovat optimoituja tarjoamaan parhaan kapasiteetin ja diversiteetti-ominaisuudet tiheimmin asutetuilla alueilla; 25.-50. leveyspiirien välillä molemmilla pallonpuoliskoilla.

Jos aikataulu pitää, ensimmäinen Globalstar satelliitti ammutaan radalleen syksyllä 1997, ja koko avaruusosan on suunniteltu olevan käytössä vuonna 1999. Koko järjestelmän maailmanlaajuinen toiminta riippuu kuitenkin myös maa-asemien (ES, Earth Station) ja yhdyskäytävien valmistumisaikataulusta. Globalstarin kustannusarviot liikkuvat noin 2.2-2.5 miljardin dollarin ympärillä, johon ei ole kuitenkaan laskettu mukaan maanpäällisten yhdyskäytävien osuutta. Pääomaa ja sijoituksia järjestelmään on tällä hetkellä 800 miljoonaa dollaria, mutta Globalstarin omien tietojen mukaan se on hankkinut noin 75 % tarvittavasta rahoituksesta[10]. Globalstar näkee pääkohderyhminään muiden hankkeiden tapaan kansainväliset matkustajat, kuljetusalan ja merenkulun sekä liikkuvat erityskohderyhmät. Erityisen merkittävänä segmenttinä on nähty myös hinnaltaan kohtuulliset yhteydet telepalveluiden ulkopuolisille alueille kehitysmaissa 10. Globalstarin puheluhinnoista on esitetty jonkin verran kilpailijoita pienempiä arvioita, mutta niissä ei yleensä ole otettu huomioon paikallisen operaattorin kustannuksia, vaan arvioitu pelkän satelliittiyhteyden hintaa. Kuitenkin verrattuna toiseen LEO-hankkeeseen, Iridiumiin, tähdännee Globalstar enemmän tavallisten, hintatietoisten kuluttajien markkinoille [12].

3.2.3 Iridium

Iridium on Motorolan vuonna 1990 perustama tytäryhtiö, jonka nimi tulee alunperin suunnitellusta 77 satelliitin LEO-järjestelmästä. 77 on myös iridium-alkuaineen järjestysluku, mutta myöhemmin satelliittien lukumäärä on kehittyneempien GaAs-mikroaaltokomponenttien avulla pudonnut 66:een. Vaikka Iridium-hanke onkin voimakkaasti Motorola-vetoinen, on mukana lisäksi mm. Japanin toiseksi suurimman puhelinyhtiön DDI:n, Sonyn ja Mitshubishin muodostama yhteenliittymä, China Great Wall Industry corp. sekä saksalainen Vebacom [12]. Myös Iridiumin strategiana on antaa jakeluoikeudet 15 alueelliselle sijoittajalle, jotka ovat lisensoineet palvelua eteenpäin jo yli sadalle palveluntarjoajalle [10].

Iridium on tässä esitellyistä hankkeista modernein, teknisesti mielenkiintoisin ja kunnianhimoisin. Sen toiminta ilman maanpäällistä runkoverkkoa ja puheluiden välitys satelliittien kesken on tekniikkaa, jota ei ole koskaan testattu kaupallisissa järjestelmissä, vaan ainoastaan sotilassovelluksissa. Toisaalta Iridium hyödyntää myös monia olemassaolevia GSM-verkon ratkaisuja. Järjestelmän kustannusarviot ovat noin 3.4 miljardia dollaria, ja rahoitusta tällä hetkellä on hankittuna 2.65 miljardia [10]. Alunperin oli tarkoitus lähettää ensimmäiset Iridium-satelliitit radalleen tämän vuoden tammikuussa, ja 40 satelliittia lisää vielä tämän vuoden puolella. Aikataulu on nyt kuitenkin viivästynyt mm. lentokonevalmistaja McDonnel-Douglasin Delta II-laukaisurakettien ongelmien takia ja Iridium etsii uusia yhteistyökumppaneita mm. Kiinasta ja Venäjältä [13]. Viisi ensimmäistä Iridium-satelliittia laukaistiin lopulta onnistuneesti 5 toukokuuta [32].

Iridium voidaan tässä esitetyistä hankkeista nähdä ehkä eniten jonkinlaisena high-end -tuotteena, jonka tärkeimpänä kohdesegmenttinä ovat esimerkiksi paljon matkustavat ja yhteyksiä tarvitsevat maksukykyiset liikemiehet. Sekä päätelaitteiden että puheluhintojen on arvioitu olevan noin kolme kertaa kilpailevia järjestelmiä kalliimpia, mutta arvioissa on suuria eroja. Lopullisen hinnan ratkaisevat kuitenkin markkinat ja kilpailutilanne.

3.2.4 Odyssey

Odyssey Telecommunications International Inc. (OTI) on yhdysvaltalaisen TRW:n ja kanadalaisen Telegloben muodostama yhtiö, joka kehittää globaalia satelliittimatkapuhelin-järjestelmää. Yrityksistä TRW on perinteikäs avaruus- ja puolustustekniikan osaaja, ja Teleglobe puolestaan kansainvälinen teleoperaattori. Odyssey-järjestelmä koostuu 12 MEO-satelliitista ja seitsemästä palveluntarjoajien omistamasta ja ylläpitämästä maa-asemasta. Myös Odyssey tähtää yhteensopivuuteen ja joustavaan toimintaan GSM-järjestelmän kanssa.

Odysseyn kunnianhimoisena tavoitteena on olla puheluhinnoiltaan edullisin globaaleista satelliittimatkapuhelinjärjestelmistä. Se on optimoitu nimenomaan kustannustehokkaaksi ratkaisuksi, mutta lopulliset kuluttajahinnat ratkeavat pitkälti markkinatilanteen ja jakelukanavien perusteella. Odyssey tähtää kansainvälisten matkustajien ja liikenteen lisäksi erityisesti kehitysmaiden uusille telemarkkinoille. Odyssey-suunnitelmaan kuuluu mm. Wireless Village Network -konsepti, jolla voidaan rakentaa satelliittijärjestelmän kautta toimivia ja ylläpidettäviä edullisia paikallispuhelinverkkoja [21].

Kustannusarvio järjestelmälle on n. 3.2 miljardia dollaria, josta rahoitusta on löytynyt vasta 150 miljoonaa [10]. Odysseyn kustannusarviot vaihtelevat kuitenkin hyvin paljon, jotkut lähteet arviovat sen jopa kehitteillä olevista järjestelmistä halvimmaksi (n. 1.8 mrd) [18]. Odyssey suunnittelee tarjoavansa osakkuuksia järjestelmään varsin avoimelta pohjalta, ei siis alueellisina yksinoikeuksina. Tällä hetkellä sen rahoitus ja toteutumismahdollisuudet ovat tässä esitetyistä ratkaisuista kuitenkin kaikkein epävarmimmalla pohjalla.

3.3 Lainsäädäntö

3.3.1 Poliittiset kysymykset

Satelliittimatkapuhelinjärjestelmät ovat ensimmäisiä todella globaaleja tietoliikennejärjestelmiä, joissa yksi julkinen verkko kattaa koko maapallon. Tällöin niiden on verkkojen välistä yhdysliikennettä ja sijainninseurantaa (roaming) varten, kansainvälisten määrittelyjen ja yhteensopivuuden lisäksi, hankittava kansallisen suvereniteetin perusteella myös erilliset toimiluvat joka maassa. Tämä tulee olemaan mielenkiintoinen prosessi, sillä monesta maasta, etenkin Afrikassa, mm. puuttuu lähes täysin alan lainsäädäntö, viranomaiset ja toimilupajärjestelmä. Ainoa tähän mennessä vastaavia palveluita tarjonnut järjestelmä on ollut kansallisten teleoperaattorien omistama Inmarsat. Nyt kun mukaan on tulossa myös yksityisiä yrittäjiä, ovat joidenkin maiden hallitukset huolissaan kilpailusta valtionoperaattorien verkkojen kanssa - vaikka ovatkin toisaalta hyvin kiinnostuneita satelliittijärjestelmien tarjoamista mahdollisuuksista infrastruktuurin kehittämisessä. Erityisesti pelätään tuottoisan ulkomaanpuheluliikenteen menetystä [14].

Ongelmia saattaa syntyä mm. sotaa käyvissä maissa, joissa tietoliikenne muodostaa strategisesti tärkeän osa-alueen, ja globaalit satelliittijärjestelmät nähdään turvallisuusuhkana. Joissain suljetummissa maissa, kuten Kiinassa, kontrolloimaton ulkomainen liikennejärjestelmä voi olla myös poliittisesti arka kysymys 15. Myös kauppapoliittiset tekijät vaikuttavat, ja protektionistisia asenteita on esiintynyt erityisesti amerikkalaisten järjestelmien hyväksynnästä Euroopan markkinoille, koska useilla Euroopan mailla on omat intressinsä sidottuna ICO-järjestelmään. Toisaalta amerikkalaiset pelkäävät ICO:n hyötyvän puolivaltiollisesta omistuspohjastaan ja eurooppalaiset puolestaan syyttävätkin USA:ta ICO:n lisenssoinnin tahallisesta viivytyksestä 10, [12].

Lainsäädäntökysymyksiä ja mielipiteidenvaihtoa varten ITU (International Telecommunications Union) järjesti lokakuussa 1996 World Telecommunications Policy Forum -kokouksen, jossa luonnosteltiin alustava MoU ja sovittiin alan toimintaperiaatteista. Sopimukseen päästiin mm. päätelaitteiden vapaasta liikkumisesta, mutta avoimia kysymyksiä on vielä useita mm. tyyppihyväksyntään sekä operaattorien ja taajuuksien lisensointiin liittyen. Työ kuitenkin jatkuu, ja MoU:n pitäisi olla valmiina allekirjoitettavaksi vuoden 1997 aikana. Kokouksessa ITU vaati myös, että järjestelmien täytyy tulevaisuudessa pystyä sulkemaan yhteydet maihin, jotka eivät ole palvelua hyväksyneet [16].

3.3.2 Taajuushallinta

Kaikkien radiotietä käyttävien järjestelmien kriittisimpiä kysymyksiä on rajallisen taajuuskapasiteetin käyttö ja radioresurssien kansainvälinen allokointi. Globaalien satelliittijärjestelmien tapauksessa maapalloa ei voida enää jakaa ITU-R:n normaalin periaatteen mukaan kolmeen osaan, Aasiaan, Amerikkaan ja Eurooppa-Afrikkaan, vaan maailmanlaajuinen yhteistyö ja hyväksyntäkäytäntö ovat välttämättömiä. Vuonna 1992 ITU:n järjestämä kansainvälinen WARC-92 (World Administrative Radio Conference) varasi satelliittimatkapuhelinjärjestelmien käyttöön taajuuksia 1.6 / 2.4 GHzin alueelta. Tällä taajuusalueella toimivat edellä esitetyistä järjestelmistä Globalstar, Iridium ja Odyssey. Päätöksen jälkeen FCC (Federal Communications Comission), joka vastaa taajuushallintaa koskevista määräyksistä USA:ssa, on tukenut voimakkaasti lähinnä amerikkalaisten hankkeiden lisensointia. Se onkin periaatteessa hyväksynyt kolme em. järjestelmää, joista kuitenkin Odyssey tarvitsee vielä lisänäyttöjä taloudellisesta tilanteestaan [14], [16].

Koodijakotekniikkaa käyttävät Globalstar ja Odyssey jakavat FCC:n päätöksellä Amerikassa keskenään osan taajuuskaistasta ja aikajakoiselle Iridiumille on varattu omat taajuutensa. Vuoden 1996 lopulla nämä kolme sopivat ajavansa yhteisesti vastaavaa taajuusjakoa myös muualla maailmassa. Ongelmia vastaavien taajuuksien vapauttamisessa tulee olemaan ainakin Venäjällä 10.

Yhdysvalloilla ja Euroopalla on ollut taajuushallintakysymyksissä selkeitä näkemyseroja. 1992 USA:n ajaessa voimakkaasti LEO-satelliittijärjestelmien kehitystä, tiheään asutun Euroopan kiinnostus painottui selkeästi kolmannen sukupolven maanpäällisten matkapuhelinverkkojen kehitykseen. FLMPTS:lle (Future Land Mobile Public Telecommunication System) varattiinkin kompromissina vuoteen 2005 asti 2 GHz:n alueelta 300 MHz:n taajuuskaista, jota voidaan myöhemmin jakaa myös muuhun käyttöön. Vuonna 1995 ITU:n jäsenet päättivät kuitenkin WRC-95 -kokouksessa vapauttaa osan taajuusalueesta satelliittimatkapuhelinjärjestelmien käyttöön jo vuodesta 2000 alkaen [17]. Suunnitteilla olevista merkittävistä järjestelmistä ICO toimii tällä 2 GHz:n taajuusalueella.

Mobiililinkkien lisäksi radioresursseja vaativat satelliittien ja maa-asemien väliset syöttölinkit toimivat ICO:ssa ja Globalstarissa WRC-95:n satelliittijärjestelmille varaamalla C-kaistalla. Iridium ja Odyssey käyttävät syöttölinkeillään puolestaan Ka-kaistoja, jonka lisäksi Iridium tarvitsee taajuuksia myös satelliittien välisiä linkkejä varten. Seuraavaan taulukkoon on koottu järjestelmien eri linkeillä käyttämät taajuudet [2].

	ICO	Odyssey	Globalstar	Iridium
Mobiili uplink (MHz)	2170-2200	1610 -	1621,0	1621-1626
Mobiili downlink (MHz)	1980-2010	2483 -	2500,0
Maa-asema uplink (GHz)	5,1-5,3	29,1-29,4	5,1-5,3	29,1-29,3
Maa-asema downlink (GHz)	7,0-7,1	19,3-19,6	6,9-7,1	19,4-19,7
Satelliittien väliset linkit (GHz)	-	-	-	23,1-23,8

3.3.3 Patenttikiistat

Kiinnostavan tilanteen kilpailevien järjestelmien kesken aiheuttaa se, että TRW:lle on myönnetty eräitä erittäin laajoja patentteja satelliittijärjestelmien alueella. Vuonna 1995 TRW onnistui patentoimaan USA:ssa - oman tulkintansa mukaan - mm. koko MEO-satelliitteja käyttävän matkapuhelinkonseptin omiin nimiinsä, ja se on saanut Odyssey-järjestelmälleen eräitä oikeussuojauksia myös Euroopassa, esim. Saksassa. Alunperin TRW kehitti 90-luvun alussa satelliittipuhelinjärjestelmää yhteistyö-sopimuksella Inmarsatille, mutta Odysseyn edustajien mukaan tekijänoikeuksista ei sovittu, ja ne kuuluvat TRW:lle [19]. Lopulta toukokuussa 1996 TRW Inc. aloitti USA:ssa oikeusjutun ICO Global Communicationsia vastaan. ICO puolestaan uskoo, ettei esimerkiksi MEO-rata voi olla patentoitavissa, ja että se voi jatkaa järjestelmänsä kehittämistä loukkaamatta TRW:n patentteja. Lakiasiantuntijoiden mielestä on melko epätodennäköistä, että patenttioikeudet tulkittaisiin oikeudessa riittävän laajoiksi. Jos näin kuitenkin kävisi ja, TRW voittaisi oikeusjutun, olisi sillä vakavia seurauksia, ei vain ICO:n, vaan koko satelliittialan tulevaisuuden kannalta [20].

3.4 Tekniset ratkaisut

3.4.1 Järjestelmäarkkitehtuuri

Kuva 2. ICO:n satelliittijärjestelmä

Järjestelmistä ICO ja Odyssey perustuvat MEO-satelliittiratkaisuun. ICO:n kahdella radalla kiertää molemmilla 5 satelliittia ja yksi varasatelliitti, 45º kulmassa päiväntasaajaan nähden. Ratkaisu on suunniteltu optimoimaan satelliittidiversiteetti siten, että mahdollisimman monta satelliittia kerrallaan on käyttäjän näkyvissä, ja esteiden sattuessa voidaan aina valita paras yhteys 8. Odyssey puolestaan käyttää kolmea 50º kulmassa olevaa kiertorataa, joilla kullakin neljä satelliittia ja yksi varasatelliitti 23. Myös Odysseyssa useampia satelliitteja on käyttäjän näkyvissä, mutta varsinaista diversiteettiä ei käytetä, vaan käyttäjä kommunikoi vain yhden satelliitin kanssa kerrallaan ja tarkkailee muita. Eräs MEO-ratkaisun eduista on sen modulaarisuus, jolloin kapasiteettia voidaan kasvattaa lisäämällä satelliitteja alkuperäisten ratojen lähelle 18.

Kuva 3. Globalstarin satelliittijärjestelmä

Globalstar ja Iridium ovat satelliittiratkaisuissaan päätyneet LEO-konfiguraatioon. Globalstarissa peittoalue on rakennettu leveyksille 70º ja ratoja on 8, joilla kullakin kuusi toimivaa ja yksi varasatelliitti. Iridiumin kiertorata on huomattavasti matalampi, jolloin globaalin peittoalueen rakentamiseksi satelliittejakin tarvitaan enemmän. Iridium käyttää kuutta napojen yli kulkevaa rataa, joilla jokaisella 11 toimivaa ja yksi varasatelliitti. Näistä kahdesta Globalstar hyödyntää useamman satelliitin diversiteettiä, joka on maksimoitu tiheimmin asutetuilla alueilla 25-50º 18.

Kuva 4. Iridiumin satelliittijärjestelmä

ICO:n 12 maa-asemaa SAN:ia (Satellite Access Node) muodostavat oman verkkonsa ICONET:n. Suomea lähin SAN tulee ilmeisesti sijaitsemaan Saksassa. SAN:it liittyvät muihin televerkkoihin kolmansien osapuolten omistamien ja operoimien yhdyskäytävien kautta. Odysseyn maa-segmentti on rakenteeltaan hyvin samankaltainen ja koostuu seitsemän maa-aseman muodostamasta verkosta 22. ICO pyrkii hyödyntämään ja käyttämään uudelleen mahdollisimman paljon GSM-tekniikkaa ja -arkkitehtuuria. Jokainen SAN sisältää GSM:n vierailijarekisterin VLR:n (Visitor Location Register) tavoin tiedot siihen rekisteröityneistä tilaajista, ja järjestelmä sisältää myös keskitetyn tilaajatietorekisterin HLR (Home Location Register) 8.

Globalstar eroaa edellisistä selkeästi maanpäällisen järjestelmän laajuudessa, osittain satelliittien matalamman radan ja pienemmän peittoalueen vaatimuksesta - sekä toisaalta hyvin erilaisen strategian johdosta. Järjestelmä tulee koostumaan noin 100-210 maa-asemasta, jotka muista järjestelmistä poiketen kuuluvat paikallisille palveluntarjoajille. 210 maa-aseman on laskettu kattavan maan asutut alueet joitain napa- ja valtamerialueita lukuunottamatta, mutta aluksi lähdetään varmasti liikkeelle pienemmällä määrällä. Globalstarin peittoalue onkin siis kiinni myös siitä, onko kannattavaa rakentaa maa-asemia vastaanottamaan satelliittien peilaamaa liikennettä. Maa-asemat liittyvät suoraan kiinteästi matkapuhelinverkon keskukseen MSC (Mobile Switching Center), ja järjestelmä käyttää pitkälti hyväksi mobiilioperaattorin verkon ominaisuuksia 11, 18.

Iridium ei LEO-konfiguraatiostaan huolimatta vaadi yhtä suurta maanpäällistä infrastruktuuria, sillä muista poiketen se käyttää satelliittien välisiä linkkejä ja reitittää sekä puhelunsa että signalointinsa itsenäisesti satelliitista toiseen. Jokainen satelliitti on jatkuvasti yhteydessä neljään naapurisatelliittiin, muodostaen näin joustavan verkon. Kolmessa em. järjestelmässä satelliitit toimivat perinteisesti yksinkertaisina peileinä, jotka välittävät liikenteen läpinäkyvästi suoraan takaisin maahan. Yhteydet muihin televerkkoihin järjestetään kuitenkin maa-asemien avulla, joita voidaan melko vapaasti sijoitella noin 15 kappaletta ympäri maapalloa. Iridium on muuten omaksunut verkkoarkkitehtuurinsa pitkälti GSM:stä, ja maa-asemat sisältävät käytännössä GSM-MSC:n ja siihen liittyvät tietokannat (EIR, AUC, HLR ja VLR) 18, 24.

3.4.2 Puheluiden välitys

ICO:ssa, Odysseyssa ja Globalstarissa satelliitit toimivat pelkkänä peittoalueen tarjoavana tukiasemajärjestelmänä ja kaikki reititys hoidetaan maanpäällisessä runkoverkossa. Näiden järjestelmien välillä on kuitenkin selkeä strateginen ero siinä, että Globalstarin lähtökohtana on tarjota vain viimeinen satelliittitilaajayhteys ja reitittää puhelu välittömästi yleiseen verkkoon. Näin yhteys annetaan mahdollisimman aikaisessa vaiheessa paikallisen osapuolen vastuulle, eli taataan paikalliselle operaattorille lisäarvoa ja viranomaisille toiminnan kontrollointimahdollisuus. ICO:n ja Odysseyn huomattavasti harvemmat maa-asemat muodostavat puolestaan varsinaisen verkon, jonka sisällä puhelut voidaan reitittää mahdollisimman lähelle maanpäällistä vastaanottajaa. Näin minimoidaan ulkopuolisten osapuolten perimiä kaukopuhelukustannuksia pitkillä ulkomaanyhteyksillä, mutta joissain tapauksissa puhelua puolestaan joudutaan turhaan kierrättämään toisessa maassa sijaitsevan maa-aseman kautta. Esimerkiksi soitettaessa Suomessa kiinteästä verkosta viereisen seinän takana sijaitsevaan ICO-puhelimeen kiertää puhelu Saksassa sijaitsevan SAN:n kautta. Iridiumissa puhelu reititetään samoin mahdollisimman lähellä kiinteän verkon tilaajaa sijaitsevaan maa-asemaan - tai suoraan toiseen Iridium-puhelimeen - satelliittien välisten linkkien avulla. Suurin osa prosessoinnista ja kytkennästä on siis siirretty satelliitteihin, ja maa-asema valitaan optimaalisesti yhteyttä muodostettaessa [18].

Kuten kaikissa muissakin liikkuvan tietoliikenteen sovelluksissa, on liikkuvuuden hallinnalla satelliittimatkapuhelinjärjestelmissä keskeinen rooli. Perinteisemmistä matkapuhelinverkoista poiketen nyt liikkuvat käyttäjien lisäksi myös tukiasemina toimivat satelliitit, jolloin kuvio monimutkaistuu hieman. ITU-T on varannut kullekin esitellyistä järjestelmistä kaksi globaalisti toimivaa "maatunnusta" (+8810, ...+8819) [28]. Voidaan siis lähteä siitä, että satelliitti-puhelimeen voidaan soittaa yhdellä ja samalla numerolla paikasta riippumatta. Jatkossa kun järjestelmät integroidaan olemassaoleviin matkapuhelinverkkoihin voidaan todennäköisesti molemmissa verkoissa toimivaan dual mode -puhelimeen soittaa sijainnista ja aktiivisesta verkosta riippumatta esim. GSM-numerolla.

Jotta puhelu voidaan yhdistää oikeaan paikkaan, tulee tilaajien sijaintitietojen löytyä yhdestä keskitetystä rekisteristä. Globalstar käyttää täysin olemassaolevan verkon rekistereitä, ja esim. Globalstar/GSM-tilaajan tiedot löytyvät koti-GSM-operaattorin HLR:stä, ja ovat saatavilla GSM-MAP-signalointiverkon kautta. Muut järjestelmät sisältävät omat GSM-arkkitehtuurista omaksutut kotirekisterinsä, joista löytyvät tiedot tilaajasta ja vierailijarekisteristä (VLR), jonka alueella tilaaja parhaillaan liikkuu [27]. Koska teknisiä yksityiskohtia on julkaistu melko varovasti, on osittain epäselvää miten sijaintialueet muodostuvat. Todennäköisin ratkaisu lienee kuitenkin, että VLR-alueen muodostavat yhteen tiettyyn maa-asemaan kulloinkin yhteydessä olevat satelliitit, jolloin VLR-tietoa ei tarvitse päivittää HLR:ään jatkuvasti pelkän satelliittien liikkeen mukaan [18]. Tarkasti ei ole myöskään määritelty, miten päätelaitteet kuuntelevat järjestelmän lähettämää yleisinformaatiota, tehdäänkö sijainninpäivitykset maa-asemalle satelliittikohtaisesti ja miten laajasti päätelaitteen haku (paging) suoritetaan.

Puhelu ei saa katketa satelliitin peittoalueen liikkuessa pois käyttäjän päältä, vaan yhteys on siirrettävä handover-toiminnolla kulkemaan toisen satelliitin kautta. MEO-ratoja käyttävissä ICO:ssa ja Odysseyssa tarve on pienehkö, mutta matalamman LEO-radan Iridiumissa ja Globalstarissa satelliitti on näkyvissä vain kymmenisen minuuttia kerrallaan ja handoverin todennäköisyys on suurempi. ICO ja Globalstar -päätelaitteet käyttävät jatkuvasti hyväkseen useamman satelliitin diversiteettiä, jolloin myös handoverin toteutus on selkeää. Maa-asemien tulee vain saada tieto kulloinkin yhteydellä käytety(i)stä satelliit(e)ista, ja ohjata liikenne sitä kautta. Iridiumissa satelliitit hoitavat handoverin keskenään siirtämällä yhteyden toiselle, saman tai viereisen radan satelliitille [18].

3.4.3 Radiorajapinta

Matkapuhelinjärjestelmissä yhteinen radiotie joudutaan jakamaan useamman käyttäjän kesken. Analogisissa järjestelmissä, kuten esimerkiksi NMT ja AMPS, tämä on perinteisesti hoidettu jakamalla käyttäjät eri taajuuksille FDMA (Frequency Division Multiple Access) -tekniikalla. Toisen sukupolven järjestelmien digitaalitekniikka on mahdollistanut tehokkaammat pääsymenetelmät TDMA:n (Time Division Multiple Access) ja CDMA:n (Code Division Multiple Access). TDMA-järjestelmässä siirtotie on jaettu aikaväleihin, joilla käyttäjät kukin vuorollaan lähettävät. Suurin osa tämänhetkisistä merkittävistä matkapuhelinjärjestelmistä - kuten GSM, japanilainen JDC sekä amerikkalaiset PCS ja D-AMPS - käyttää yhdistettyä TDMA/FDMA -monipääsytekniikkaa. Näihin järjestelmiin paljon sekä verkkoja, että päätelaitteita valmistava Motorola käyttää Iridiumissakin yhdistettyä TDMA/FDMA:ta. Myös ICO käyttää GSM:stä tuttua ratkaisua. Iridiumissa molemmissa siirtosuunnissa - sekä päätelaitteesta satelliittiin (uplink) että satelliitista päätelaitteeseen (downlink) - käytetään GSM:stä poiketen samaa taajuutta, ja siirtosuunnat erotetaan toisistaan aikajakoisesti.

CDMA-tekniikka on alunperin sotilassovelluksiin kehitetty hajaspektrimenetelmä, jossa kaikki lähetteet koodataan ja lähetetään samalla laajalla taajuuskaistalla. Vastaanottaja erottaa sille tarkoitetun lähetyksen tietyn sovitun koodiavaimen perusteella, ja muiden käyttäjien lähetykset jakaantuvat ja suummautuvat keskenään taajuuskaistan levyiseksi satunnaiskohinaksi. CDMA-tekniikan on kaupalliseksi ratkaisuksi kehittänyt juuri Globalstarinkin takana oleva Qualcomm, ja järjestelmä tunnetaan USA:ssa nimellä IS-95, josta Globalstaria varten on muokattu satelliittiversio IS-41. Myös Odyssey käyttää järjestelmässään CDMA-tekniikkaa. CDMA:sta annettiin kokeiluvaiheessa huimia arvioita, joiden mukaan se tarjoaisi parhaimillaan jopa 20-kertaisen hyötysuhteen ja kapasiteetin TDMA:n verrattuna. Käytännön tilanteissa arviot ovat osoittautuneet ylioptimistisiksi, ja CDMA:n kaupallinen läpimurto on myöhästynyt - paljolti tietenkin myös GSM:n nopean leviämisen takia.

CDMA-tekniikan etuja nimenomaan satelliittikäytössä ovat sen laajan spektrin mahdollistamat pienemmät lähetystehot ja useiden järjestelmien toiminta päällekkäin samassa ympäristössä. Myös siirtonopeutta voidaan CDMA:ssa säätää joustavasti yhteyden laadun muuttuessa. TDMA toisaalta on hyvin testattua ja käytännössä koeteltua tekniikkaa, joka toimii varmasti myös satelliittikäytössä. CDMA:n suurin ongelma ja hyötysuhdetta laskenut tekijä on ns. near-far -efekti, eli lähellä oleva häiritsevä lähetin peittää alleen heikomman halutun signaalin. Järjestelmä vaatiikin jatkuvaa aktiivista tehonsäätöä, etenkin maan päällisissä osissa.

Tässä esitellyistä järjestelmistä kaikki käyttävät QPSK-vaihemodulaatiota (Quadrature Phase Shift Keying).

3.4.4 Päätelaite

Kaikki tässä esitellyt järjestelmät tähtäävät nykyisten matkapuhelinten kokoluokkaa oleviin dual mode -puhelimiin, jotka toimisivat sekä jossain nykyisessä maanpäällisessä matkapuhelin-verkossa, että uudessa satelliittijärjestelmässä. Päätelaitteet vaihtavat tilaa ja toimintamuotoa automaattisesti, käytännössä siten, että maanpäällinen verkko on ensisijainen, ja sen peiton loppuessa siirrytään satelliittijärjestelmään. Tämä lähtökohta selkeyttää satelliittijärjestelmien roolia nimenomaan nykyisten järjestelmien laajennuksena ja lisäarvon tuojana, ei suorana kilpailijana. Dual mode -päätelaitteissa tärkeää on myös eri järjestelmien tarjoamien palveluiden läpinäkyvyys käyttäjälle

Pärjätäkseen nykyisessä kilpailutilanteessa tulee päätelaitteiden olla pieniä, kevyitä sekä ominaisuuksien ja käytettävyyden osalta nykyisiin matkapuhelimiin verrattavia. Satelliittipäätelaitteiden käyttöä rajoittavat kaikenlaiset esteet ja vaimennukset, ja ne onkin suunniteltu toimimaan pääosin ulkotiloissa. Eräs erityisen kriittinen kohta satelliittipuhelimissa on niiden tehonkulutus, ja sitä kautta akkujen koko ja kesto. Tämänhetkisellä akkuteknologialla aktiivisen puheajan arvioidaan putoavan esimerkiksi ensimmäisissä Globalstar/GSM:ssä 48 minuuttiin - tyypillisen GSM-puhelimen 275 minuutista 29.

Globalstarin suunnitelmissa ovat sekä Globalstar/GSM, että luonnollisesti Qualcommin CDMA-järjestelmän kanssa yhteensopiva Globalstar/IS-95/AMPS. AMPS (American Mobile Phone System) on amerikkalainen analoginen matkapuhelinstandardi. Globalstar-järjestelmän päätelaitteet tulee valmistamaan Iso-Britannialainen Orbitel 11. Kilpailutilanteen ja eri järjestelmiin sitoutumisen kannalta on mielenkiintoista, että heinäkuussa 1996 LM Ericsson osti kokonaisuudessaan Orbitel Mobile Communications Ltd:n 25. Lisäksi Qualcomm on tehnyt sopimuksen jonkun toisen, vielä julkistamattoman päätelaitevalmistajan kanssa 10.

ICO on eurooppalaisittain vahvalla ja laajalla pohjalla päätelaitteiden osalta. Se neuvottelee ainakin ICO/GSM(/DCS) -laitetoimituksista usean laitetoimittajan kanssa (Ericsson, Nokia, NEC, Panasonic, Mitsubishi ja Samsung), joista neljän kanssa on jo valmiit sopimukset 8. Iridiumin päätelaitteista vastaa luonnollisesti pääasiassa Motorola, joka onkin julkaissut jo melko selkeitä näkemyksiä ja kuvia tulevista satelliittipuhelimistaan. Lisäksi Kyosera tulee valmistamaan Iridium-päätelaitteita 10. Odyssey on sopinut prototyyppien valmistamisesta järjestelmäänsä jo viiden laitetoimittajan kanssa (Mitsubishi, Magellan, JRC, Panasonic ja Nortel) 26.

Ainakin ICO ja Iridium suunnittelevat suurille markkinoille tarkoitettujen dual mode -pääte-laitteiden lisäksi myös eri erikoissegmenteille räätälöityjä puhtaita satelliittipuhelimia. Esimerkkeinä mainitaan yleensä liikenteen, merenkulun ja ilmailun tarpeet sekä kehitysmaiden kiinteät kyläpuhelimet.

3.5 Ominaisuudet

3.5.1 Kapasiteetit

MEO-ratoja käyttävät satelliitit ovat kooltaan LEO-satelliitteja noin 3-4 kertaa suurempia ja niiden käyttökelpoisen elin-iän arvioidaan olevan noin kaksinkertainen LEO:hin verrattuna. Myös yksittäisen MEO-satelliitin välityskapasiteetti on jonkun verran LEO:a suurempi. ICO-järjestelmän kapasiteetiksi arvioidaan 4500 puhekanavaa satelliittia kohti. Odysseyn vastaavat arviot vaihtelevat 3000 ja 9500 puhekanavan välillä riippuen siitä, ovatko tilaajat liikkuvia vai kiinteitä. Kiinteitä tilaajia, kuten esimerkiksi kehitysmaiden kyläpuhelinjärjestelmiä saadaan satelliitin kautta välitettyä mobiilikäyttäjiä enemmän. LEO-järjestelmistä Globalstar-satelliitin kapasiteetiksi arvioidaan 2000-3000 yhtäaikaista puhekanavaa ja Iridiumille 3840 kanavaa [10]. Iridiumin kapasiteetista on esitetty kuitenkin myös paljon varovaisempia arvioita, joiden mukaan satelliitin käytettävissä oleva teho rajoittaa kapasiteetin noin 1100 kanavaan [18].

Yksinkertaisella kertolaskulla järjestelmien kokonaiskapasiteeteiksi saataisiin:

• ICO 45 000
• Odyssey 36 000 - 108 000 (kiinteitä liittymiä)
• Globalstar 96 000 - 144 000
• Iridium 253 440

Luonnollisesti luvut antavat vain jonkinlaista suuntaa järjestelmien koosta, ja käytännössä oleellista on kapasiteetin kohdistaminen oikealle alueelle. Lisäksi järjestelmien kokonaiskapasiteetteja arvioitaessa tulee muistaa, että etenkin MEO-järjestelmät on suunniteltu modulaarisiksi ja niiden satelliittien määrää voidaan lisätä.

3.5.2 Siirtonopeudet

Puheensiirtoon ICO ja Odyssey tarjoavat 4.8 kbit/s siirtonopeutta, Iridium yleensä 2.4 kbit/s nopeutta. Globalstar käyttää CDMA-tekniikkaan joustavasti sopivaa dynaamista kapasiteetin varausta, eli se säätää siirtonopeutta lähettäjän informaatio-sisällön ja siirtokanavan ominaisuuksien mukaan 2.4-9.6 kbit/s välillä. Kun mitään lähetettä ei havaita, putoaa siirtonopeus 1.2 kbit/s asti.

Datasiirrossa ICO, Iridium ja Odyssey tyytyvät mobiilikäyttäjien kohdalla 2.4 kbit/s perusnopeuksiin, mikä on esimerkiksi vain neljäsosa nykyisestä GSM-datan perusnopeudesta [18]. Kiinteille päätelaitteille Odyssey tarjoaa 9.6 kbit/s siirtonopeutta. Myös ICO on luvannut järjestelmälleen 9.6 kbit/s datasiirtonopeutta, määrittelemättä sovelluksia tarkemmin. Globalstar varaa kapasiteettia liukuvasti ja sen tarjoama jatkuva datanopeus on 7.2 kbit/s.

3.5.3 Palvelut

MSS-järjestelmien palveluista voidaan yleistäen sanoa, että kaikki järjestelmät tähtäävät maanpäällisiä matkapuhelinverkkoja vastaavaan palvelutasoon, ja pyrkivät tarjoamaan suurimman osan esim. GSM-vaiheen 2 palveluista. Esimerkiksi pakettikytkentäistä dataa ja joitain vaiheen 2 lisäarvopalveluja ei tulla kuitenkaan missään vaiheessa toteuttamaan 29. Kaikki järjestelmät tarjoavat peruspalveluinaan puhetta, ryhmän 3 faxia ja piirikytkentäistä datasiirtoa edellä kuvattujen siirtonopeuksien puitteissa. Huomattava näiden peruspalvelujen käyttöä rajoittava tekijä on, että peittoaluetta ei ole suunniteltu sisäkäyttöön, vaan päätelaitteet vaativat normaalisti suoran yhteyden satelliittiin. Palvelun tasoa arvioitaessa LEO-järjestelmien etuna ovat huomattavasti ICO:a ja Odysseyta pienemmät, alle 20 millisekunnin edestakaiset kulkuaikaviiveet.

Tämän perustiedonsiirron ulkopuoliset lisäarvopalvelut voidaan jakaa matkapuhelinpalveluihin ja satelliittispesifisiin palveluihin. Satelliittijärjestelmät tulevat esim. tarjoamaan GSM-yhteensopivaa SMS (Short Message Service) - lyhytsanomapalvelua, tosin luonnollisesti vain point-to-point -yhteyksillä. Ilmeisesti ainakin matkapuhelimista tutut kutsunsiirto, puhelunesto, koputus, a-tilaajan näyttö -palvelut tullaan myös implementoimaan. Satelliittispesifiset palvelut hyödyntävät järjestelmän globaalia perusrakennetta, ja niistä tyypillisinä esimerkkeinä voidaan antaa kaukohaku ja paikanmäärityspalvelut 29.

Satelliittimatkapuhelinjärjestelmien tulevaisuuden kannalta oleelliset tekijät ovat nimenomaan tarjotut palvelut sekä niiden käytettävyys ja hinta. Nykyisille matkapuhelinasiakkaille MSS:llä ei ole tarjottavanaan - globaalin peittoalueen lisäksi - juurikaan palvelullista lisäarvoa. Tällöin niiden on esimerkiksi matkustavia liikemiehiä houkutellakseen tarjottava palvelunsa asiakkaalle mahdollisimman läpinäkyvästi, eli dual mode -käyttäjän tulee voida hyödyntää samoja palveluita molempien järjestelmien kautta huomaamatta eroa. Peruspalvelujen hinnoista on esitetty melko vaihtelevia arvioita, ja lopulta kilpailutilanne määrää kuitenkin markkina-asetelman ja hinnoittelun. Tällä tietoa ensimmäisenä markkinoille tulevan Iridiumin minuuttihinnaksi on loppukäyttäjälle arvioitu noin 3 USD. Odysseylle hinta-arvio on alle dollarin minuutti, ja ICO:n arviot vaihtelevat reilusti 1-2 USD/min ympärillä. Globalstarin kohdalla tilanne on erilainen, sillä 0.4-0.5 USD/min hinta-arviot sisältävät vain satelliittisegmentin hinnan, johon tulee lisätä mm. maa-asemista vastaavien paikallisten operaattorien kulut 10, 18.

3.6 Liityntä muihin järjestelmiin

3.6.1 Matkapuhelinjärjestelmät

Koska MSS-järjestelmien liittymämyynti ja jakelu tulee suurelta osin perustumaan dual mode -puhelimiin ja yhteistyöhön maanpäällisten matkapuhelinoperaattoreiden kanssa, on järjestelmien toimittava saumattomasti yhdessä. GSM MoU on tehnyt jo paljon työtä satelliitti-GSM-integraation edistämiseksi, ja perustanut erillisen Satellite Steering -komitean, johon kuuluvat mm. kaikki tässä esitellyt järjestelmät sekä merkittävimpiä GSM operaattoreita. MoU:n tärkeimpänä lähtökohtana on liittää satelliitit kiinteäksi osaksi GSM-maailmaa ja kehittää GSM:n ja satelliittijärjestelmien välinen roaming vastaamaan täysin normaalia GSM-verkkojen välistä roamingia. Esim. handovereita järjestelmien välillä ei kuitenkaan tulla toteuttamaan [28].

Tuloksia on saavutettu mm. IMSI-numeroiden varaamisessa järjestelmien käyttöön, niille on myönnetty esim. yksi yhteinen maakoodi MCC "901". Monia kysymyksiä tälläkin alueella on kuitenkin vielä ratkaisematta. Tärkeimpiä tulevaisuuden työaiheita ovat mm. tarvittavat uudet sijaintitiedot ja liittymätyypit, sekä niiden vaikutus signalointiin, SIM-korttiin ja rekistereihin. Työtä teettävät myös järjestelmien lisensointikysymykset, dual mode -puhelimien toiminta ja tyyppihyväksyntäkysymykset sekä laskutus [28].

Järjestelmistä satelliittien välisine linkkeineen sinänsä itsenäisimmin toimivan Iridiumin maa-asemat sisältävät Siemensin GSM-matkapuhelin-keskuksen normaaleine rekistereineen, ja näin se toimii loogisesti yhtenä GSM-verkkona muiden joukossa [24]. Liityntä ja roaming GSM:n kanssa on melko selkeää, mutta yhteistoiminnasta muiden matkapuhelinjärjestelmien kanssa ei ole löytynyt mitään tarkempaa tietoa.

ICO tähtää yhteistoimintaan ja dual mode -laitteisiin useampien alueellisten matkapuhelin-järjestelmien (GSM:n, D-AMPS:n ja Japanin JDC:n) kanssa. Sekin hyödyntää maa-asemissaan hyvin GSM-tyyppistä keskustekniikkaa, ja jokainen asema mm. sisältää oman vierailijarekisterinsä (VLR) [18]. Ilmeisesti ainakin GSM-operaattoreiden kanssa integrointi viedään yhteisiin liittymiin asti, jolloin satelliittipeittoalue toimii maanpäällisen verkon mahdollisimman saumattomana jatkeena. Muiden järjestelmien kanssa vastaavista liitynnöistä ei ole saatu selkeitä tietoja.

Globalstarin lähtökohta on toisenlainen, sillä sen kaikki asiakkaat tulevat rekisteröitymään nimenomaan paikallisen operaattorin asiakkaiksi, ja satelliittijärjestelmä tarjoaa ainoastaan siirtotien. Globalstar toimii yhdessä GSM:n ja Qualcommin CDMA-järjestelmän satelliittiversion kanssa, joka tunnetaan IS-41 -standardina. Näin Globalstarin gateway voi sijaita joko GSM- tai IS-41-ympäristössä, ja molempien asiakkaille tulee tarjota palvelua molemmissa ympäristöissä.

Esimerkiksi GSM-ympäristössä gateway liittyy suoraan GSM-MCS:n, joka sisältää tiedot GSM-tilaajista. IS-41-tilaajien roaming-palvelut on järjestetty sovelletun SS7-signaloinnin avulla IS-41 -verkosta. IS-41 -ympäristöön täytyy puolestaan rakentaa erillinen GSM-MSC tukemaan GSM-tilaajien roamingia, tai yhteys on vastaavasti järjestettävä SS7-signaloinnin yli toisesta verkosta [27]. Avoin kysymys on erilaisten lisäarvopalveluiden läpinäkyvä siirrettävyys toisen järjestelmän ympäristössä roamattaessa.

3.6.2 Yleinen televerkko ja dataverkot

ICOn, Iridiumin ja Odysseyn maa-asemat sisältävät nykyaikaisen matkapuhelinkeskuksen, josta on normaalit liitynnät sekä julkiseen televerkkoon (PSTN, Public Switched Telecommunicatons Network) että dataverkkoihin. Iridium minimoi maanpäällisiä siirtokustannuksia ja liittyy PSTN:ään aina mahdollisimman lähellä lopputilaajaa sijaitsevassa maa-asemassa.

Vaikka Globalstarissa liityntä pääasiassa tapahtuukin GSM- tai IS-41 -matkapuhelinverkon kautta, voidaan alueilla, joista kyseinen infrastruktuuri puuttuu, liittyä suoraan julkiseen televerkkoon. Yhdyskäytävä sisältää tällöin sisäänrakennetun puhelinkeskuksen, joka voidaan sovittaa esim. ISDN-järjestelmäliittymällä tai maakohtaisella liityntäratkaisulla.

4. Järjestelmien tulevaisuudesta

4.1 MSS-järjestelmien rooli tietoliikennekentässä

Satelliittimatkapuhelinprojektien tavoitteet ja koko konseptien luonne on muuttunut jonkin verran kehitystyön aikana. Alunperin 80-90-lukujen vaihteessa ne nähtiin etenkin Yhdysvalloissa selkeästi vaihtoehtona maanpäällisille matkapuhelinjärjestelmille, ja toisaalta ainoana mahdollisuutena tarjota käyttäjälle globaalia liikkuvuutta. Nyt maanpäällisten solukkoverkkojen yleistyttyä vauhdilla, ja etenkin GSM:n levittyä menestyksekkäästi myös Euroopan ulkopuolelle, ovat satelliittipalvelujen kehittäjät joutuneet sopeutumaan uuteen rooliin. Varsinkin kun myös maanpäällisten matkapuhelinverkkojen palvelutason kehittyy jatkuvasti, on vaikea houkutella asiakkaita vaihtamaan uuteen satelliittijärjestelmään. Tällä hetkellä satelliittijärjestelmät nähdäänkin lähinnä olemassaolevan infrastruktuurin laajennuksena, nykyisten järjestelmien ulkopuolella toimivana toisena vaihtoehtona.

Etenkin Euroopan markkinoilla, jossa asukastiheydet tukevat hyvin maanpäällisten järjestelmien rakentamista, ja GSM on saanut erittäin vahvan aseman, MSS:ien markkinoilletuonti tulee olemaan vaikeaa. Toisaalta korkeamalla taajuudella toimivia DCS-verkkoja rakennetaan kattamaan kaupunkien kapasiteettitarvetta, ja liityntöjä erilaisiin järjestelmiin sisältävät dual mode -puhelimet tulevat joka tapauksessa yleistymään. Jos satelliitti/GSM-päätelaitteet ovat edullisia ja ominaisuuksiltaan muuten kilpailukykyisiä, voivat järjestelmät houkutella matkustavia ja paljon puhelinta käyttäviä maksukykyisiä asiakkaita. Toinen kysymys on kuinka usein asiakkaille voidaan yleensä tarjota uutuuksia, kun kaikki uudet accessit ja esim. nopeat piiri- ja pakettikytkentäiset dataratkaisut vaativat aina uusia päätelaitteita. Markkinoille ovat esimerkiksi lähiaikoina tulossa roamingin USA:ssa mahdollistavat GSM/PCS-1900 -yhdistelmä-puhelimet, jotka tähtäävät satelliittijärjestelmien kanssa samalle matkustavien yritysasiakkaiden segmentille.

Yhdysvaltalainen Ovum. Ltd on tehnyt markkinatutkimusta MSS-järjestelmien tulevaisuudesta [14], [29]. Sen ennusteiden mukaan vuonna 2002 Länsi-Euroopassa olisi noin 1.3 miljoonaa, ja koko maailmassa noin 8 miljoonaa MSS-asiakasta. Eurooppalaisista noin 80 % laskettaisiin nk. IBT (International Business Travelers) -asiakkaisiin. Kuitenkin nämä ovat kaikki myös GSM-asiakkaita, ja lähes koko Euroopan kuuluessa GSM-peittoalueeseen olisi satelliittipuheluiden osuus kaikista ulkomaan mobiilipuheluistakin alle 20 %. Muualla maailmassa satelliitti-järjestelmien kilpailuasema on huomattavasti helpompi, ja niiden saamat markkinaosuudet suurempia. Ovumin arvioiden mukaan markkinoita löytyy kahdelle LEO-järjestelmälle, ja olosuhteista riippuen yhdelle tai kahdelle MEO-ratkaisulle.

On myös laskettu, ettei maanpäällistä solukkoverkkoa yleensä kannata rakentaa alueille, joissa asukastiheys on alle 100 asukasta neliökilometrillä - Suomi lienee sääntöä vahvistava poikkeus. Näin esim. Kanadasta ja Australian pinta-alasta vain 5-10 % voitaisiin kattaa solukkoverkoilla, ja myös suuria alueita mm. USA:sta jäisi niiden ulkopuolelle [29]. Myös näillä alueilla satelliittiyhteyksiä voidaan käyttää solukkoverkon varavaihtoehtona tai pääasiallisena kanavana lähinnä ammattikäytössä. Yhteyksien rakentaminen kolmansiin maihin on merkittävä ja imagollisesti MSS-operaattoreille tärkeä hanke. Arviot sen onnistumisesta ja kannattavuudesta vaihtelevat runsaasti, sillä kysymykset ovat monimutkaisia. Joidenkin markkinaennusteiden mukaan kyseessä on jopa selkeästi suurin markkinasegmentti. Kyse ei ole kuitenkaan vain teknisistä ja taloudellisista ratkaisuista - suuria muutoksia tarvitaan niin politiikassa kuin koko viestintäkulttuurissakin. Välineillä ei sinänsä ole välttämättä arvoa, jos kommunikaatio-tottumukset eivät muutu, mikä voikin puolestaan olla pitkä prosessi.

MSS-järjestelmien tulevaisuuteen vaikuttaa ratkaisevasti myös kolmannen sukupolven maanpäällisten mobiilijärjestelmien kehitys. ETSI standardoi parhaillaan UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) -järjestelmää, ja ITU:n piirissä vastaava hanke kulki alunperin nimellä FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System) mutta tunnetaan nykyisin helpompana IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) -järjestelmänä. Jos nämä järjestelmät tulevat tarjoamaan vuosituhannen alussa globaalia toimivuutta maanpäällisissä solukkoverkoissa, karsinee se satelliittijärjestelmiltä huomattavasti kansainvälisen roamingin houkuttelemia asiakkaita. Palvelutasoltaan ja siirtonopeuksiltaan UMTS tulee olemaan olemaan tämänhetkisiä matkapuhelinjärjestelmiä selvästi kehittyneempi ja ilmeisesti nykyisen GSM-evoluution tulos. Järjestelmä tulee todennäköisesti myös sisältämään useita erilaisia accesseja erilaisia käyttöympäristöjä varten, ja kehitteillä olevat satelliittijärjestelmät voivat olla yksi mahdollinen pääsy järjestelmään - eräänlainen sateenvarjosolu muiden accessien lisänä.

UMTS-järjestelmään tässä esitellyt satelliitivaihtoehdot eivät tuo peittoalueen lisäksi muuta lisäarvoa ja tulevat olemaan tässä yhteydessä monilta osin kömpelöjä ratkaisuja. Satelliittijärjestelmien mahdollistamat siirtonopeudet rajoittavat paljon tarjottuja palveluja, mutta jälleen tärkeää tulee olemaan muutamien tarjottujen peruspalveluiden mahdollisimman joustava käyttö myös satelliittijärjestelmän kautta. Nythän suurin osa asiakkaille tarjotuista palveluista toteutetaan käytännössä GSM-keskustekniikalla, ja UMTS:ään mahdollisesti liityttäessä vastaavasti tarjottujen UMTS-palveluiden tulisi toimia asiakkaalle läpinäkyvästi. Satelliittisiirtotietä puheluihin UMTS:ssä käyttävien asiakkaiden taloudellinen merkitys voi kuitenkin jäädä melko pieneksi, riippuen tosin paljon maanpäällisten järjestelmien kehityksestä esim. Aasiassa. Mielenkiintoista on nähdä minkälainen rooli UMTS:n suhteen on puolestaan esim. myöhemmässä kappaleessa esiteltävällä Teledesic:llä, kun ruvetaan puhumaan laajakaistaisen datan jakelusta mobiilipäätelaitteisiin. Kilpailevatko järjestelmät samoista asiakkaista, tähtäävätkö täysin eri kohderyhmiin vai täydentävät toisiaan joustavasti ?

4.2 Rahoitusmallit

Ovum Ltd:n ennusteen mukaan vuonna 2002 matkapuhelinjärjestelmien yhteenlasketut tuotot ovat noin 8.5 miljardia dollaria. Summasta ennustetaan noin 3.7 mrd MSS-operaattoreille, 3.3 mrd laitevalmistajille ja 1.5 mrd jää paikallisille palveluntarjoajille [14]. Operaattorit arvioivat yleisesti, että tarvitaan noin miljoona tilaajaa toiminnan kannattamiseksi, ja tällöinkin pohjalla ovat vielä raskaat alkuinvestoinnit.

Satelliittimatkapuhelinjärjestelmän rakentajan ja operaattorin tulot koostuvat liikenteen välityksestä satelliittien kautta sekä yhteistyökumppaneiden maksamista järjestelmämaksuista ja lisensseistä. Tähän mennessä yhteistyökumppanit ovat yleensä saaneet operaattorille maksettua järjestelmämaksua vastaan yksinoikeuden järjestelmän käyttöön ja edelleenlisenssointiin tietyllä alueella.

Iridium luottaa saavansa hyvän kilpailuaseman ollessaan todennäköisesti ensimmäisenä markkinoilla, ja yrittää hetkellisen monopoliasemansa avulla kuoria kermat päältä. Muut yrittävät myöhemmin kilpailla hinnalla. Globalstar pyrkii tyypillisesti antamaan paikallisille palveluntarjoajille mahdollisimman suuren osuuden välitetystä liikenteestä myyden niille vain satelliittisiirtotien. Samalla se saa paikallisen edustuksen ja suoran kontaktin loppuasiakkaisiin. Globalstarin strategia onkin toiminut kohtuullisesti kolmansissa maissa, joissa on haluttu suojella oman teleoperaattorin etuja. Globalstarin ongelmana on kuitenkin maailmanlaajuisen peittoalueen turvaaminen, kun maa-asemien rakentaminen on kiinni paikallisista operaattoreista. Onkin mahdollista, että se tulee ainakin aloittamaan vain osittaisella, saarekkeista koostuvalla peittoalueella. Myös ICO:n ja Odysseyn malli pohjautuu paikallisiin yhteistyökumppaneihin, joita ICO:lla on tällä hetkellä tosin huomattavasti enemmän. Yhteistyökumppaneiden rooli järjestelmän operoinnissa on kuitenkin pienempi kuin Globalstarissa, ja keskittyy lähinnä jakeluun ja kokonaispalvelukonseptin tarjoamiseen. ICO on varmalla pohjalla niin teknisesti, kuin yhteistyökumppaneiden ja jakelukanavienkin suhteen, mutta ratkaisevaa on, tuleeko se liian myöhään markkinoille. MSS-järjestelmät tuskin tekevät kaupallista läpimurtoa ensimmäisen vuoden aikana, mutta ICO:lla ei ole myöskään paljon uutta tarjottavaa, kun se tulee markkinoille reilun vuoden muita myöhemmin.

4.3 Teledesic ja muut laajakaistajärjestelmät

Tulevaisuuden liikkuvan tietoliikenteen tarpeisiin on suunnitelmissa ja kehitteillä muutamia huomattavasti kunnianhimoisempiakin satelliittiratkaisuja. Niiden tavoitteena on tarjota globaalisti laajakaistaisia datayhteyksiä satelliitin kautta suoraan päätelaitteeseen. Suunnitelmien perusratkaisut vaihtelevat huomattavasti. Useat hankkeista lähtevät TV-satelliittitoiminnan pohjalta ja perustuvat näin luonnollisesti perinteiseen GEO-satelliittitekniikkaan. Näistä voidaan mainita esimerkkinä Hughes Communicationsin Spaceway, jonka tavoitteena on ATM-tekniikkaa (Asynchronous Transfer Mode) hyödyntäen tarjota maksimissaan 6 Mbit/s yhteyksiä suoraan satelliitin kautta. Pieniin ja edullisiin kuluttajaelektroniikkapäätelaitteisiin (<1000 USD) datanopeudet ovat pienempiä ja asymmetrisia; esim. 384 kbit/s uplink-suuntaan [30]. Nämäkään laitteet eivät ole kuitenkaan matkapuhelimiin tai kannettaviin PC:hin verrattuna helposti liikkuvia, ja järjestelmät tähtäävätkin lähinnä interaktiivisen kotitelevision ja Internetin yhdistämiseen.

Mielenkiintoisempi ja lähempänä tässä esiteltyjä MSS-järjestelmiä niin liikkuvuudeltaan kuin perusarkkitehtuuriltaankin on ohjelmistotalo Microsoftin Bill Gatesin ja matkapuhelinjätti McCaw Cellularin johtajan Graig McCaw:n yhdessä perustama Teledesic. Monilta perusratkaisuiltaan se muistuttaa Iridium-järjestelmää, mutta on paljon kunnianhimoisempi ja pidemmälle viety hanke. Teledesic koostuu 840 LEO-satelliitista, jotka kiertävät 21:tä rataa 700 km korkeudessa. Kytkentä perustuu ATM:ään ja yhteyksien välitys hoidetaan satelliittien välisillä 155 Mbit/s linkeillä siten, että jokainen satelliitti toimii verkon yhtenä kytkimenä [31]. Koska kukin satelliitti on käyttäjän näkyvissä vain muutaman minuutin, joudutaan yhteys reitittämään usein uuden satelliitin kautta. Asia on kuitenkin tehty päätelaitteelle helpoksi hoitamalla reititys järjestelmän puolella siten, ettei päätelaitteen tarvitse vaihtaa kanavaa kuin poikkeustapauksissa. Menetelmä perustuu ohjattaviin antenneihin ja järjestelmän alueellisesti (solukohtaisesti) varaamiin kanavaresursseihin. Päätelaite on jatkuvasti yhteydessä kahteen satelliittiin jotka voivat vaihtua, mutta käyttävät edelleen samaa liikennöintikanavaa. Näin maanpäälle on luotu virtuaalinen paikallaanpysyvä tukiasemaverkko [18].

Teledesic toimii matkapuhelinjärjestelmiä korkeamalla, 19-30 GHzin taajuusalueella. Radio-rajapinnassaan Teledesic käyttää eräällä tavalla sekä paikka-, aika- että taajuusmultipleksoinnin yhdistelmää. Maanpinta on jaettu paikkajakoisesti (SDMA, Space Division Multiple Access) nk. supersoluihin, joiden sisällä ovat varsinaiset solut käydään läpi aikajakoisesti (TDMA, Time Division Multiple Access). Jokaisen solun sisällä päätelaitteet on erotettu uplink-suuntaan taajuusjakoisesti (FDMA, Frequency Division Multiple Access) ja downlink-suuntaan asynkronisella aikajaolla (ATDMA, Asynchronous Time Division Multiple Access). Teledesicin päämääränä on tukea monia erilaisia päätelaitteita ja siirtonopeuksia lähtien 16 Kbit/s nopeudesta aina 2 Mbit/s asti. Näillä siirtonopeuksilla päätelaitteen antennin koko vaihtelisi arvioiden mukaan noin kahdeksasta senttimetristä puoleentoista metriin, riippuen olosuhteista ja lähetystehoista [18].

Teledesicin kustannusarvio on tällä hetkellä noin 9 miljardia dollaria ja aikataulutavoite erittäin tiukka; jo vuoteen 2001 mennessä on tarkoitus saada 840 satelliittia taivaalle. Vaikka satelliittien laukaisut aloitettaisiin välittömästi, pitäisi niitä lähettää keskimäärin jopa 4-5 kappaletta viikossa. Luonnollisesti hankkeella on runsaasti epäilijöitä, etenkin kun suunnittelijat lupaavat 16 kbit/s perussiirtokanavan hinnaksi alle kaksikymmentä penniä minuutilta. Vuonna 1995 Graig McCaw lupasi lisäksi G7 maille, että Teledesic tulee tarjoamaan infrastruktuuriaan kehitysmaille omakustannusperiaatteella. Teledesic ei varsinaisesti tulekaan kilpailemaan tässä dokumentissa esitettyjen MSS-järjestelmien kanssa, vaan pyrkii olemaan globaali vaihtoehto koteihin asti tuoduille laajakaistayhteyksille. Teledesicin rakentajat korostavatkin, että kustannusarvio on pieni verrattuna esimerkiksi pelkän Kalifornian kotitalouksien varustamiseen optisilla kuituyhteyksillä. Teledesic laskee pystyvänsä palvelemaan maksimissaan 20 miljoonaa tilaajaa ympäri maailmaa [31].

5. Yhteenveto

Satelliittimatkapuhelinjärjestelmät tuovat niin teknisesti kuin kaupallisestikin mielenkiintoisen lisän maailman telemarkkinoille. Maailmanlaajuisesta peittoaluetta tarjoavat, modernia avaruustekniikkaa hyödyntävät uutuudet kiinnostavat ihmisiä uudella tavalla saaden osakseen paljon ylimääräistäkin julkisuutta ja ylisuuria odotuksia. Monia teknisiä ja taloudellisia haasteita on kuitenkin vielä edessä, ennen kuin palveluita voidaan todella alkaa lanseeraamaan asiakkaille. Jo pelkästään kymmenien satelliittien laukaisu radoilleen on aiheuttanut ongelmia ja viivytyksiä aikatauluihin. Teknisiä haasteita ovat myös Iridiumin ensimmäistä kertaa kaupallisissa järjestelmissä käyttämät satelliittien väliset linkit sekä Globalstarin ja Odysseyn käyttämän CDMA-järjestelmän toteutus. Oheiseen taulukkoon on koottu tässä dokumentissa esiteltyjen MSS-järjestelmien, ja vertailun vuoksi myös mielenkiintoisen Teledesic-konseptin tietoja 2, 10, 18.

	ICO	Odyssey	Globalstar	Iridium	Teledesic
Ratatyyppi	MEO	MEO	LEO	LEO	LEO
Korkeus (km)	10355	10350	1410	780	695-705
Satelliitteja	10 (+2)	12 (+3)	48 (+8)	66 (+6)	840 (+84)
Ratojen lukumäärä	2	3	8	6	21
Satelliitti näkyvissä (min.)	115,6	94,5	16,4	11,1	3,5
Diversiteetti	Kyllä	Ei	Kyllä	Ei	Ei
Maa-asemia	12	7	100-210	15-20	?
Mobiili uplink (GHz)	2,2	1,6	1,6	1,6	30,0
Mobiili downlink (GHz)	2,0	2,4	2,4	1,6	20,0
Mobiilin access	TDMA	CDMA	CDMA	TDMA	FDMA / ATDMA
Puhe (Kbit/s)	4,8	4,8	1,2 - 9,6	2,4 / 4,8	16
Data (Kbit/s)	2,4 (->9.6?)	2,4 (kiinteä->9,6)	7,2	2,4	16-2048
Puhekanavia / satelliitti	4500	3000-9500	2000-3000	1100	100000 (*16kbit/s)
Viive yhteen suuntaan (ms)	35-48	35-44	4,6-11,5	2,6-8,2	2,3-3,4
Puheluhinta (US$/min)	0.5 - 3	< 1	0.47 (vain sat.)	3	0.04
Päätelaitteen hinta (US$)	"Useita satoja"	500-700	750	2500-3000	?
Palvelun aloitus	1999	1999	1998	1998	2001

MSS-järjestelmät tulevat tarjoamaan ainutlaatuisen kattavan ja laajan peittoaluetta - ominai-suuksia, joita ei ole mahdollista toteuttaa millään muulla tietoliikennejärjestelmällä. Hyvin maanpäällisiin matkaviestinverkkoihin integroituna ne tuovat lisäarvoa myös olemassaoleville järjestelmille. Suurten asiakasmassojen saaminen matkapuhelinsegmentiltä voi olla kuitenkin vaikeaa, ja satelliittipuhelimet tulevatkin todennäköisesti jäämään ainakin Euroopassa hieman kuriositeetin asemaan. ITU:n pääsihteeri Pekka Tarjanne esimerkiksi kertoi helmikuussa 1997 Enterprice Forum -seminaarissa näkevänsä satelliittimatkapuhelinjärjestelmät lähinnä pienempien erikoismarkkinoiden palveluna.

6. Lähdeviitteet

[1] Alex da Silva Curiel: Orbit Types. 1996. Surrey, UK

http://dspace.dial.pipex.com/town/plaza/he13/orbtypes.htm - 21.1.1997

[2] Abrishamkar, Siveski: PCS Global Mobile Satellite

IEEE Communications Magazine, vol. 34, No. 9, September 1996. s. 132-136.

[3] COST 227: Integrated Space/Terrestrial Mobile Networks, Final Report. 1995

[4] Alex da Silva Curiel: A Brief History of (Mobile) Satellite Communications. 1996. Surrey, UK.

http://dspace.dial.pipex.com/town/plaza/he13/orbhist1.htm - 13.3.1997

[5] John Williamson: New Horizons for Satellite Communications

http://www.hcooke.co.uk/glc1/pubtel/publisat.htm - 21.1.1997

[6] Betsy Tillman Kulick: Mobile Satellite Services for the next Decade

1990. Warren Publishing, Inc., Washington. 126 s.

[7] ICO Global Communications

International Space Business, Winter 1997. s. 29-31.

[8] ICO

http://www.i-co.co.uk - 28.5.1997

[9] ICO Highlights, No. 2, February 1997. s.2

[10] Susie Helme: Eighteen more months before GMPCS takes to the skies, Market survey

Mobile Communications International, No. 37, December 96/January 97. s 47-51.

[11] Globalstar

http://www.globalstar.com - 28.5.1997

[12] Jeff Cole: Star Wars - Commercial use of low earth orbit satellites

The Wall Street Journal, 10 October 1995.

http://baby.indstate.edu/msattler/sci-tech/comp/misc/low-earth-orbit-satellites.html - 7.4.1997

[13] Iridium delayed again

Mobile Europe, Vol. 7, No. 3, March 1997. s. 12

[14] A.Nourouzi, Ovum Ltd.: LEOs, MEOs and GEOs: The market opportunity for mobile satellite services

International Space Business, Winter 1997. s. 6-8.

[15] Pat Blake: The Space Race

Telephony, vol. 229, No. 21, 20 November 1995. s 26-54.

[16] Pekka Tarjanne, ITU: GMPCS: The ITU helps make it happen

International Space Business, Winter 1997. s. 38-40.

[17] K.Pahlavan & A.Levesque: Wireless Information Networks

1995. John Wiley & Sons Inc., US.

[18] Tor E. Wisløff's Overview of Big LEOs

http://www.idt.unit.no/~torwi - 29.1.1997

[19] Satellites of Regulation

Network Europe, November/December 1995. s. 7.

[20] PATNEWS: TRW - should the PTO allow orbits to be patented ?

http://www.knowledgeexpress.com/techno-l_mail/september-95/msg00100.html - 21.4.1997

[21] John Fenley, OTI Inc.: Licensin Global Mobile Satellite Services: The Odyssey Perspective

International Space Business, Winter 1997. s. 32-35.

22 TRW - Odyssey Telecommunications International

http://www.trw.com/seg/sats/ODY.html - 28.5.1997

23 Mike's spacecraft library: Odyssey, Nasa

http://leonardo.jpl.nasa.gov/msl/QuickLooks/odysseyQL.htmlAA - 23.4.1997

24 Iridium Inc.

http://www.iridium.com - 28.5.1997

25 Ericsson swings its global weight behind Orbitel - lehdistötiedote 16. 7. 1996

26 Odyssey Telecommunications Sign Mitsubishi to Develop Prototype Terminals -lehdistötiedote 20. 3. 1996

http://www.trw.com/news/releases/960320_SEGMelco.html - 2.5.1997

27 Globalstar: Description of the Globalstar System

10 August 1995, Globalstar. 84 s.

[28] U.Bellmann, T-Mobil: GSM and Satellite Mobile Services

GSM World Congress, Cannes 18.-21.3.1997 -seminaariesitys

[29] A.Nourouzi, Ovum Ltd.: Satellites provide business as usual

Mobile Europe, Vol. 7, No. 3, March 1997. s. 35-38.

[30] L.P.Seidman, Hughes Telecom. & Space: Satellites for Wideband Access

IEEE Communications Magazine, Vol. 34, No. 10, October 1996. s. 108-111.

[31] B.Shankar: From Narrowband Niche to 'Bandwith Bull'

Telecommunications, Vol. 29, No. 12, December 1995. s. 44-48.

[32] Lloyd Woodin jatkuvasti ajankohtainen satelliittisivu runsaine linkkeineen

http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations - 9.5.1997