T E K N I L L I N E N K O R K E A K O U L U

S - 38.116 Teletietotekniikka










DECT -

Digitaalinen Eurooppalainen Langaton Televiestintä








Antero Norkio, 42257b

antero.norkio@hut.fi


ESPOO 1997

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO 2
2. ENNEN DECT:IÄ KÄYTETYT STANDARDIT 3
2.1 CT0 3
2.2 CT1 42.3 CT2 5
3. DECT 6
3.1 DECT - standardi 6
3.2 DECT - tekniikka 7
3.3 DECT - liikenne käytännössä 9
3.4 DECT:in mahdollistamia piirteitä 10
3.5 TYYPILLINEN PUHELINJÄRJESTELMÄ 11
3.6 DECT SOVELLUKSET 11
4. DECT - tulevaisuus 12
LÄHDELUETTELO 13
LYHENTEET 14

1. JOHDANTO

DECT - standardia suunniteltaessa lähdettiin perusajatuksesta saada aikaan luotettava ja joustava lyhyen kantaman digitaalinen radiotie. Lisäksi vaadittiin suurta liikennetiheyttä ja siirtokapasiteettia.

Tälläinen standardi valmistui 1992. Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) on standardi johdottomaan puhe- ja dataviestintään. Lähteestä riippuen DECT voi tarkoittaa myös Digital European Cordless Telecommunicationia, sillä standardin levitessä Euroopan ulkopuolelle korvattiin sana European sanalla Enhanced (tätä voisi verrata UDP:n kehitykseen sanasta Unreliable sanaan User). Aikaan saatu standardi on kuitenkin jätetty hyvin avoimeksi, jolloin sen käyttömahdollisuudet ovat laajat. DECT:iä on sovellettu mm. langattomiin puhelinjärjestelmiin ja langattomiin lähiverkkoihin.

Tämä yleiskatsaus DECT:iin tapahtuu langattoman puhelinjärjestelmän näkökulmasta, joka on tällä hetkellä DECT:in eniten käytetty sovellus. Lisäksi langattomien puhelinjärjestelmien tulevaisuus on mielenkiintoinen, etenkin tällä hetkellä kasvavan matkapuhelin markkinoiden ansiosta; miksi siis hankkia langaton puhelin, jos matkapuhelin ei rajoitu paikalliseen tukiasemaan ?

Myyntiargumentti langattomalle puhelinjärjestelmälle on kuitenkin selvä; ilmaiset sisäpuhelut. Näin on tietenkin perinteiselläkin puhelinjärjestelmällä, joten toinen etu on langattoman puhelimen mukanaan tuoma liikkumisen vapaus kuitenkin siten, että pysytään hyödyntämään puhelinvaihteen lähes kaikkia ominaisuuksia. Matkapuhelimeen, NMT tai GSM, verrattuna DECT:in etuna ovat mm. matkapuhelimilla sisätiloissa usein esiintyvät katvealueet sekä matkapuhelimen kalleus väärässä käyttötarkoituksessa, esimerkiksi kahvin tilaamisessa neuvotteluhuoneeseen. Matkapuhelin on tietenkin ylivoimainen työkalu matkakäytössä.





2. ENNEN DECT:IÄ KÄYTETYT STANDARDIT

Johdottomiin puhelimiin liittyy useita nimityksiä ja kehityssuuntia. Suomessa virallisesti hyväksyttyjä johdottomia puhelimia on ollut kahden eri standardin mukaisia. Nämä standardit ovat CT1 (CT = Cordless Telephone) ja CT2. Piraattipuhelimia, eli tyyppihyväksymättömiä johdottomia puhelimia kutsutaan Suomessa CT0:ksi. Ulkomailla on olllut käytössä myös CT3 - standardi, jota on kutsuttu esi-DECT:ksi mutta joka on poistunut DECT:in myötä.

Johdoton puhelin voidaan määritellä laitteeksi, joka muodostuu käsipuhelimesta (luurista), joka liikennöi langattomasti tukiaseman kanssa. Tukiasema puolestaan on liitetty tavalliseen puhelinpistorasiaan. Johdottoman puhelimen toiminta- ja liikkuvuusalue on riippuvainen radioaaltojen etenemisestä ja rajoittuu useimmilla malleilla muutamasta kymmenestä metristä muutamaan sataan metriin.

Seuraavaksi esitellään aiemmat standardit yleisellä tasolla.

2.1 CT0

CT0 ei ole virallinen standardi vaan kyseessä on pikemminkin valmistuttajien oma 'standardi'. Markkinoilla onkin ollut jo vuodesta 1970 standardoimattomia puhelimia, joita on valmistettu lähinnä kaukoidässä. Niissä on kuitenkin puutteellisuuksia, jotka ovat estäneet tyyppihyväksynnän.

Tällaisia puutteellisuuksia on mm. puhelimen toiminta väärällä taajuudella. Tästä seuraa erilaisia häiriöitä. Esimerkiksi CT0:n käyttämä 46 MHz:n taajuus on sama kuin kaapelitelevision ja Ylen lähetyksissä käyttämä taajuus. Näin ollen CT0 - tyyppisten puhelimien kytkeminen suomalaiseen puhelinverkkoon on kielletty.

Muita ongelmia saattaa syntyä, sillä puhelinlaskujen oikeellisuutta ei voida taata ja salakuuntelu on helppoa analogisuudesta johtuen. Piraattipuhelimen ollessa kysessä on myös varaosien saatavuus mitätön eikä luonnollisesti huoltoakaan ole.

Radioliikenteen ominaisuudet on esitetty yhteenvedon omaisesti taulukossa 1.

RF-OMINAISUUDET

Taulukko 1. CT0 - puhelinten RF - ominaisuudet

2.2 CT1

CT1 eli ensimmäisen sukupolven langaton puhelin on CEPT:n suositukseen perustuva analoginen johdoton puhelin, jonka pohjalta on tehty ETSI:n standardi I-ETS 300 235. CT1:n tarkoituksena oli poistaa standardoimattomien puhelimien aiheuttamat epäkohdat. Laitteita tuli markkinoille 80 - luvun puolivälissä mutta niiden yleistymistä rajoitti korkea hinta, suuri koko ja pieni toimintaetäisyys.

Teknisiä parannuksia CT0:n verrattuna ovat vapaan kanavan haku, signaalitason valvonta ja aikavalvonta. Analogisen signalonnin vuoksi puhelinsalaisuutta on edelleen mahdoton taata.

CT1 - puhelimet tulevat kuitenkin poistumaan, sillä taajuusalue on sama kuin GSM - puhelimilla.

RF - ominaisuudet on esitetty taulukossa 2.

RF-OMINAISUUDET

Taulukko 2. CT1 - puhelinten RF - ominaisuudet

2.3 CT2

ETSI:n seuraava johdottomien puhelimien standardi oli CT2/CAI. Siinä analoginen radiosignalointi korvattiin digitaalitekniikalla siten, että digitalisoitu puhe siirretään puhelinten välillä kahdessa aikavälissä. Näin kumpikin vuorotellen kuuntelee ja lähettää samalla radiokanavalla. Liikennekapasiteetti ei kuitenkaan ollut CT1 parempi. CT2 tekniikalla toteutettujen puhelinten salakuuntelu on digitaalitekniikan ansiosta kuitenkin vaikeampaa kuin CT1 puhelinten. Digitaalitekniikka mahdollistaa lisäksi pienemmän puhelimen koon sekä paremman äänenlaadun.

CAI (Common Air Interface) on standardi, joka mahdollistaa eri valmistajien puhelimien toiminnan saman tukiaseman yhteydessä. Näin puhelinta voitaisiin käyttää esimerkiksi kaupungilla sijaitsevien Telepoint- tai Pointer - tukiasemien yhteydessä. Telepoint palvelussa ei yleensä voi vastaanottaa puheluita ja sen käyttöönotto kaatui matkapuhelinten hintojen romahdettua.

RF - ominaisuudet on esitetty taulukossa 3.

RF-OMINAISUUDET

Taulukko 3. CT2 - puhelinten RF - ominaisuudet

3. DECT

Vaatimukset langattomalle puhelimelle ovat ammattimaisessa puhelinliikenteessä korkeat; toimistoympäristössä on otettava huomioon suuri puhelinliikenne yhdistettynä korkeisiin käyttäjämääriin, yhteyden on oltava häiriötön ja puhesalaisuus pitää pystyä turvaamaan.

Lisäksi, johdottoman puhelimen on voitava soittaa ja vastaanottaa puheluita riippumatta siitä missä se kulloinkin sijaitsee. Puhelu ei myöskään saa katketa eikä muulla tavalla häiriintyä siirryttäessä tukiasemalta toiselle.

CT2:ta alettiin näin ollen edelleen kehitettämään, jolloin saatiin kolmas johdottomien puhelimien (televiestimien) standardi, DECT.

3.1 DECT - standardi

DECT on ETSI:n standardi, joka on julkaistu vuonna 1992 ja laitteita on tullut markkinoille vuonna 1993. Myös laitevalmistajat olivat voimakkaasti mukana kehitystyössä, erityisesti Oy L M Ericsson.

DECT - standardia varten on olemassa ns. CTR (Common Technical Regulations) normeja. CTR 6 normissa määritellään DECT - laitteiden käyttämän radiotekniikan minimivaatimukset esim. taajuusalue, kanavajako ja modulaatiomenetelmä. CTR 10:ssä määritellään, miten DECT:ssa siirretään puhetta, jotta puhelinverkostojen signalointivaatimukset tulisi täytettyä. Tähän sisältyvät siis myös puhelaatuvaatimukset.

On jo kehitetty tai ollaan osittain kehittämässä myös muita normeja, joissa määritellään sellaisia signalointiin, kuten käsipuhelinten tunnistamiseen, liittyviä asioita, jotka mahdollistavat eri valmistajien käsipuhelinten käytön samassa verkostossa. Lisäksi kehitellään DECT/ISDN ja DECT/GSM yhteensopivuus-normeja. Tällä hetkellä on jo olemassa DECT/GSM - puhelimia eli puhelimia, jotka toimivat sekä DECT - puhelimena, että DECT - verkon ulkopuolella GSM - puhelimena. Näiden puhelimien hinta on kuitenkin vielä korkea.

Eritasoisten normien ansiosta voivat laitevalmistajat kehittää eritasoisia radioviestimiä. Jos DECT-laite viestittää esim. pelkkää dataa (ei siis puhetta) eikä sitä liitetä yleiseen puhelinverkkoon, eikä myöskään signalointi vaadi yhteensopivuutta muiden DECT-laitteiden kanssa, riittää jos CTR 6 tulee täytetyksi.

3.2 DECT - tekniikka

DECT:ssä käytetään 1,88 - 1,90 GHz radiotaajuusaluetta, joka on jaettu edelleen 10:een radiokanavaan (eli siis 10 kantoaaltoa 2 MHz:in kanavavälillä).

Lähetysteho per radiokanava on 250 mW. Yksittäisen käsipuhelimen käyttämä keskiteho on 10,4 mW. Tällä suhteellisen alhaisella lähetysteholla on pyritty pitämään ns. solukokoa (tukiaseman toiminta-aluetta) riittävän pienenä, jotta rajallista määrää liikennekanavia (120 kpl) voitaisiin käyttää uudelleen riittävän lyhyen matkan päässä. Tukiasemien muodostama solurakenne onkin suunniteltu siten, että kentät menevät osittain päällekkäin ja uusien tukiasemien lisääminen on vaivatonta. Tämä vuorostaan mahdollistaa suuren käyttäjätiheyden, jopa 50 000 - 100 000 käyttäjää / neliökilometri.

Liikenne radiotiellä tapahtuu digitaali- (bitti-) muodossa 1,152 Mb/s. Tämä bittijono on jaettu 10 ms:n mittaisiin aikakehyksiin. Yhteen aikakehykseen (siis yhteen sadasosasekuntiin) mahtuu dataa 11520 bittiä.

Jokainen aikakehys on vuorostaan jaettu 24:ään aikaväliin. DECT:ssä liikenne tapahtuu siten, että 12:ssa ensimmäisessä aikavälissä tukiasemat lähettävät dataa ja seuraavassa 12:ssa käsipuhelimet lähettävät dataa. Tällä tavalla saamme 12 aikajakoista duplexkanavaa yhtä radiokanavaa kohti, ja kun radiokanavia on kymmenen, niin DECT - tekniikka tarjoaa siis 120 eri liikennekanavaa.


Kuva 1. DECT:ssä käytetty aikajakoperiaate

Toteutus esitetään kuvassa 1 ja aikavälin "2" sisältö on kuvattu tarkemmin. Luvut aikavälissä kertovat kunkin paketin pituuden, eli 24 aikaväliä * 480 bittiä on edellä mainittu 11520 bittiä. Sync - osa on synkronisointiin liittyvää tietoa ja suojaväli erottaa paketin seuraavasta aikavälistä.

Puhe puolestaan digitoidaan käyttämällä hyväksi Adaptive Differential Pulse Code Modulationia (ADPCM). Digitalisointi, eli puheen muuttaminen dataksi tapahtuu siten, että ääniaaltojen mikrofonissa aikaansaamasta vaihtojännitteestä otetaan näytteitä 8000 kertaa sekunnissa. Näytetulos muutetaan biteiksi, 8 bittiä/näyte, jolloin taajuus on 64 kb/s. Näin saatu signaali koodataan DECT:ssä uudelleen siten, että näytteen jännite-ero edelliseen näytteeseen verrattuna muutetaan muotoon 4 bittiä/näyte. Näin saadaan 8000*4b/s, joka tekee 32 kb/s. Tämä on puolestaan DECT:in käyttämä digitaalinen puheensiirtotaajuus.

DECT - käsipuhelimessa käytetään muistia, johon mahtuu 320 bittiä puhedataa. Kun puhelimeen puhutaan, muisti täyttyy jatkuvasti. Käsipuhelimen ja tukiaseman välinen liikenne toimii siten, että puhemuisti tyhjenee nopeina bittipurskeina 100 kertaa sekunnissa aina silloin, kun käsipuhelin osuu siihen aikaväliin, jonka se on valinnut liikennekanavakseen. Liikenne tukiasemilta käsipuhelimille päin tapahtuu samalla periaatteella vastaavissa aikaväleissä.

Yksittäinen käsipuhelin käyttää näin ollen kaksi 416 ms:n mittaista aikaväliä eli yhteensä n. 0.8 ms jokaisesta 10 ms:n mittaisesta aikakehyksestä varsinaiseen signaalinvaihtoon tukiaseman kanssa. Näin ollen jokaiselle käsipuhelimelle jää n. 92% joutoaikaa, jonka se voi käyttää 119:n muun DECT - kanavan tarkkailuun eli skannaamiseen. Tietoa muista kanavista hyödynnetään, mikäli puhelimen tarvitsee esimerkiksi häiriöiden vuoksi siirtyä toiselle kanavalle.


3.3 DECT - liikenne käytännössä

Kuva 2 esittää seitsemän eri puhelimen (a - f) ja tukiaseman keskustelua. Aikavälillä "0", tukiasema lähettää signaalin kantoaallolla 1 käsipuhelimelle a, joka vastaa takaisin aikavälillä "12".

Kuva 2. Tukiaseman ja puhelimen vuorottelu

Jokaisella DECT - käsipuhelimella voi olla katsottuna muutama muu kanava, johon se voi tarpeen niin vaatiessa vaihtaa eli suorittaa "hand-overin". Se voi tapahtua kahdella eri tavalla:

  1. Sisäisesti eli saman tukiaseman sisällä radiokanavalta toiselle, kun käytössä ollut liikennekanava jotenkin häiriintyy tai
  2. Ulkoisesti eli tukiasemalta toiselle kun käsipuhelinta liikutetaan tukiaseman alueelta toiselle

Kanavanvaihto tapahtuu käyttäjältä täysin huomaamattomasti, sillä se tapahtuu yhdessä aikakehyksessä eli siis sekunnin sadasosassa.

Kuvan 3 esimerkki havainnollistaa asiaa: käsipuhelin a liikennöi kantoaallolla 1, aikaväleillä "0" ja "12". Ulkoisen häiriötekijän vuoksi kantoaalto tulee käyttökelvottomaksi. Käsipuhelimella on jo valmiiksi katsottuna sekundäärikanava esimerkiksi 9, jossa se jatkossa liikennöi aikaväleillä 2 ja 14.

Kuvassa 3 aikavälissä "12" näkyvä a on vain esimerkin omainen (lähtötilanne), jatkossa kyseistä aikaväliä ei siis enää käytetä. Ennen siirtymistään puhelin on kuitenkin vaihtanut tukiaseman kanssa hand-overiin liittyvää dataa, jonka jälkeen se siirtää yhteyden kantoaallolle 9 kokonaisuudessaan.

Kuva 3. Siirtyminen kantoaallolta toiselle

3.4 DECT:in mahdollistamia piirteitä

DECT - tekniikka mahdollistaa useita erilaisia piirteitä. Ne eivät välttämättä näy käyttäjälle, mutta parantavat käytettävyyttä huomattavasti kuten esimerkiksi:

3.5 Tyypillinen puhelinjärjestelmä

Edellä kuvattu puhelinjärjestelmä koostuu tyypillisesti kolmesta eri komponentista; radiovaihteesta, tukiasemaverkosta ja langattomista puhelimista.

Radiovaihde toimii rajapintana puhelinvaihteen ja tukiasemaverkon välillä. Liitäntä puhelinvaihteeeseen tehdään vaihteen analogisten alaliittymäpaikkojen kautta. Puhelujen kytkeminen, koodaus, verkon hallinta ja järjestelmän ylläpito tapahtuu radiovaihteessa. Radiovaihde käyttää hyväkseen siihen liitetyn puhelinvaihteen toimintoja, ts. kaikki puhelut reitetään puhelinvaihteen kautta, myös kahden langattoman puhelimen välinen liikenne. Näin taatan puhelimille tyypilliset alaliittymä toiminnot.

Tukiasemat kaapeloidaan normaaliin puhelinsisäjohtoverkkoon. Tarvittava kaapeliparimäärä muodostuu tukiaseman ja radiovaihteen välisestä etäisyydestä. Useimmiten 2 - 3 paria riittää sekä puheen siirtoon että tukiaseman jännitteensyöttöön. Tukiaseman tehtävänä on ulottaa radioverkon peittoalue tarvittaviin osiin kiinteistöä ja taata paras mahdollinen äänenlaatu. Mikäli jollakin alueella yhtäaikaisten puhelujen määrän odotetaan kasvavan, voidaan alueen puhelumäärää nostaa lisäämällä tukiasemia ja pientämällä solun kokoa.

Langattomat puhelimet käyttävät hyväskeen jo edellä mainittuja toimintoja ja niiden koko on tyypillisesti n. 100 - 200 g ja puheaika n. 2 - 10 tuntia.

3.6 DECT SOVELLUKSET

Tällä hetkellä DECT:illä voidaan katsoa olevan 5 pääsovellusta:

  1. Langattomat puhelimet toimistoissa; tärkein sovellus
  2. Langattomat puhelimet kodeissa
  3. Julkiset verkot; Telepoint - tyyppinen palvelu kampuksille, kaupunkien keskustoihin ja lentokentille; DECT on kuitenkin tähän tarkoitukseen huomattavasti tehokkaampi kuin aikaisempi CT2
  4. Lähiverkot, samaan aikaan kun mm.tietokoneiden koot pienenevät ja tehot kasvavat, myös liikkuvuus on yhä tärkeämpi tekijä; langattomat lähiverkot (CLANs, Cordless Local Area Networks) mahdollistavat verkon rakentamisen ilman kallista kaapelointia; Tälläisen verkon kapasiteetti voi olla 10 Mbit/s ja on yhteensopiva nykyisten lähiverkko protokollien kanssa
  5. Langaton tilaajajohto (RLL); langaton viestintä tarjoaa yhden vaihtoehdon puhelinverkkoa rakennettaessa; tällöin voidaan säästää kaapeloinnissa sekä ajassa; tyypillinen langaton systeemi saadaan pystyyn päivissä, kun perinteisen verkon rakentamiseen kuluu kuukausia

4. DECT - tulevaisuus

DECT:in tulevaisuus näyttää hyvälle. Standardi on levinnyt jo Euroopan ulkopuolelle ja mm. Yhdysvalloissa, sitä ollaan soveltamassa heidän järjestelmiinsä. DECT:in ja GSM:n erot voidaan nähdä toisiaan täydentäviä, joten DECT/GSM - standardi tulee olemaan tärkeä tekijä tulevaisuudessa. Tämä erityisesti siksi, että toteutuessaan DECT - tukiasemat yhdistyisivät GSM - tukiasemien kanssa. Näin DECT - käyttäjä säilyttää DECT:in edut mutta hyötyy GSM - verkon kattavuudesta; samaa puhelinta voisi käyttää sekä työmaalla, kotona, että ulkona liikkuessa. GSM - operaattorit puolestaan saisivat enemmän taajuuskaistaa ja suuremman asiakaskunnan. Myös ISDN toiminnot lisäävät DECT:in 'elinvoimaa' kun ne saadaan siihen integroitua.

Samaan aikaan kehitetään kuitenkin uusia standardeja, jotka saattavat toteutuessaan muuttaa alan nopeastikin. Tälläisia vaihtoehtoja on mm:


LÄHDELUETTELO

DECT, OY L M Ericsson AB, Helsinki, 1996

Freeset System Overview, OY L M Ericsson AB, Amsterdam, 1996

GSM and DECT: Getting their act together, Ericsson, Ruotsi, 1995

http://www.ericsson.com/Connexion/connexion1-95/tech.html

Hämeen-Anttila, R, Hölttä, P, Niinioja, S, Tietoliikennejärjestelmät. Painatuskeskus Oy, Helsinki, 1993

Langaton Puhelinjärjestelmä, OY L M Ericsson AB, Suomi, 1995

Ruismäki Rauno, Radiopuhelinjärjestelmät pähkinänkuoressa, Telehallintokeskus, Suomi, 1996

LYHENTEET

ADPCM - Adaptive Delta Pulse Code Modulation, adaptiivinen deltapulssikoodimodulaatio

CAI - Common Air Interface, standardi eri valmistajien langattomille puhelimille, jotka toimivat saman tukiaseman yhteydessä

CEPT - Conference Europeenne des Administrations des Postes et des Telecommunications, Euroopan telehallintojen yhteistyöelin

CLAN - Cordless Local Area Networks

CT - Cordless Telephone, langattoman puhelimen standardi, jotka on jaettu eri sukupolviin (0,1,2,3)

CTR - Common Technical Regulations, yhteiset tekniset säädökset

DECT - lähteestä riippuen, Digital Enhanced Cordless Telecommunications tai Digital European Cordless Telecommunications

ETSI - European Telecommunications Standards Institure, Euroopan telealan standardointilaitos

FPLMTS - Future Public Land Mobile Telecommuncation Systems

FSK - Frequency Shift Keying

GSM - Global System for Mobile Communication, yleiseurooppalainen matkaviestinjärjestelmä

ISDN - Integrated Services Digital Network, digitaalinen monipalveluverkko

NMT - Nordic Mobile Telephone, yleispohjoismainen matkaviestinjärjestelmä

Pointer - PTL - Telen Telepoint palvelu

RF - Radio Frequency, radiotaajuus

Telepoint - palvelu langattomalle puhelimelle, jonka avulla voidaan ottaa vastaan puheluita n. 200 m päässä sijaitsevasta Telepoint - tukiasemasta

UMTS - Universal Mobile Telecommuncation System

UPT - Universal Personal Telecommunications