meta data for this page
  •  

Ennakkonäkemys aihealueesta

Tietoliikkenteellä tarkoitetaan tiedon siirtämistä. Se ei välmättä tarkoittaa tiedon siirtämistä paikasta A paikkaan B, sillä vastaanottajia voi olla useita, ja joskus niiden määrä on tuntematon. Termi tietoliikkenne tuo mieleen tiedon siirtämistä kaukana olevien kohteiden välissä. Se voi olla internet yhteyttä käyttävä keskusteluohjelma, tai digimuodossa oleva tv-lähetys (luulen ettei analooginen lähetys ole osa tietoliikkenneettä, se kuuluu sähkötekniikkaan). Voidaanko keskustelua kahden ihmisten välissä luokitella tietoliikkenteeksi? Luulen että voidaan, sillä silloin siirettaan tieto “kaukana” olevien kohteiden välissä, ja kieli millä ihmiset puhuvat on jonkunlainen protokolla. Mutta tarkoittaako se myös tiedon siirtämistä tietokoneen sisällä? Esim. muistitikku ja kovalevy. Mielestäni sekin on osana sähkötekniikkaa. Jos ajatella kaikki mitä tietokoneessa liikkuu, siis datana, sanoisin että langottaman näppäimistön ja keskiyksikön välissä on jossakin määrin tietoliikkenneettä, niiden välissä on protokolla, tieto näppäistöllä muutetaan eri muotoihin ennen lähetystä vastaanottoyksikölle, mutta tässä vaiheessa tulee mieleen tietoturva, sillä näppäimistön lähetystä voidaan kaapata. Tietotekniikka on siis hyvin laaja käsite, sitä voidaan yhdistää moniin asioihin.

GPS ja minun näkemys miten GPS laite laskee sijainnin.

GPS vastaanottimella varustettu laite tarvitsee vähintään 3 satelliittia, joihin se ottaa yhtiötä. Mikäli laite loi yhteyden, se lähettää satelliiteille viestin ja vastauksena saa ajan, miten kauan signaalin kulku kesti. Ehto kolmelle satelliiteille on sen takia, koska maailma on kolmeulotteinen. Yksiulotteisessa maailmassa tarvittaisimme vain yhden satelliitin. Jotta tulos olisi mahdollisimman tarkka, kaikkien satelliittien aika on oltava sama. Sen takia niihin asennetaan synkronoidut atomikellot. Laskuvirhe on noin 10-20 metriä, mutta mitä enemmän yhteyksiä laite saa, sitä tarkempi on sijainnin arvio.

Viiveellä voidaan tarkoittaa etäisyyttä joten sijainti voidaan laskea geometrisesti:


Kotitehtävä 1


Kotitehtävä 2

GPS ja sijainnin laskenta

Global Position System järjestelmän periaate on arvioida kohteen sijainti laskemalla etäisyyden kohteesta satelliittiin, jonka koordinaatit ovat tiedossa. Etäisyys lasketaan ajasta, miten kauan signaali lähettäjästä kulki vastaanottajalle. Kohteen pitää yhdistää kolmeen satelliittiin, sen on tunnettava etäisyydet jokaiseen niistä ja myös laitteen ja GPS järjestelmän aika on oltava sama, sillä etäisyyden laskeminen perustuu aikaeroon. GPS:n toiminta perustuu satelliittiin - Maapallon kiertoradalla, noin 20.000km korkeudella, niitä on 31 ja ne ovat tasaisesti jakautuneita, joten yksi GPS vastaanotin näkee vähintään 8 satelliittia. Maapalloa kiertää neljä satelliittien mallia IIA, IIR, IIR-M, IIF

Malli Määrä Taajuudet KelloKäyttöaika, vuosi
IIA 1990-1997 11 * L1 = 1575,42 MHz * L2 = 1227,60MHZ Cs 7,5
IIR 1997-2004 12 * L1 = 1575,42 MHz * L2 = 1227,60MHZ Rb 10
IIR-M 2004-2009 7 * L1 = 1575,42 MHz * L2 = 1227,60MHZ Rb 10
IIF 2009-2011 1 * L1 = 1575,42 MHz * L2 = 1227,60MHZ * L5 = 1176,45MHz Cs + Rb 15

Cs - Cesiumin, Rb - Rubidium Kun GPS laite yhdistää GPS järjestelmään:

  1. GPS laite ja satelliitti lähettävät toisilleen viestiä, jotka sisältävät tunnuskoodit. Jokaisen viestin tunnus on erilainen ja se generoidaan satunnaisesti. Vastaanotin laskee aikaeron kahden viestin välissä, joiden tunnuskoodi on samanlainen (viestipari). Viive kerrotaan radioaaltojen etenemisnopeudella 300 000km/sec. Vastaanotin tällä hetkellä tietää oman etäisyyden yhdestä satelliitista. Tällein muodostuu kolmeulotteinen pallo, jonka kehän jossain pisteessä on todellinen kohteen sijainti.
  2. GPS laite laite yhdistyy toiseen satelliittiin. Nyt GPS laite tietää etäisyydet kahdesta satelliiteista, joiden sijainti se myös tunne. Tässä vaiheessa arvioitujen sijaintien joukko on kaksiulotteinen ympyrä.
  3. GPS laite yhdistyy kolmanteen satelliittiin. Tästä lähtien sijainnin arvio on vain yksi piste.

Satelliitin lähetin on erittänen heikko, sen lähettämän signaalin voimakkuus on heikko ja sen lähettämän aallot eivät läpäise esteitä, joten GPS laite tarvitsee kirkasta taivasta saadakseen yhteyttä. Sijainnin arvioinnin virhe on noin 10-12 metriä. GPS satelliitit eivät välttämättä kulkevat niille tarkoitetuilla radoilla. Niiden seurantaan ja ohjaukseen käytetään maanpääsilliä asemia, joiden taajuus on 2000-4000MHz. Satelliittien uudet mallit pystyvät keskustelemaan keskenään, joten satelliitti voi ohjata korjauskäskyn maanpäälliseltä asemalta toiselle satelliitille.


Kotitehtävä 3

GPS ja sen NMEA protokolla

GPS signaalit voidaan luokitella kahteen ryhmään C/A (Coarse/Acquisition) , julkisesti käytettävissä ja P (Precision) joka on tarkoitettu sotakäyttöön. (GPS oli alunperin suunniteltu sotakäyttöön). C/A viesti on 1.033 bittiä pitkä, joka sisältää pseudosatunnaisen koodin. C/A viesti lähetetään satelliitista 1.023Mbit/s nopeudella, joka millisekunti. Jokaisessa satelliitissa on oma satunnaislukugeneraattori (PRN - pseudorandom noise) joten koodit eivät ole samanlaisia kaikille satelliiteille. P viesti myös sisältää satunnaisen koodin, mutta viestin koko on noin 720.213 gigabittiä ja sen lähetys tapahtuu kerran viikossa. Lähetys nopeus 10.12Mbit/s. Paketin isolla koolla voidaan minimoida virhe sijainnin arvioinnissa noin 1-2 metriin. Yksittäinen P viesti on vain osa kokonaisesta P koodista jonka koko on noin 26.716 terabittiä; jokainen satelliitti lähettää vain oman määritellyn osan P koodista. Saadakseen P viesti, GPS laitteen pitää synkronoida aika GPS järjestelmän kanssa ja vastaanottaa oman sijainnin C/A viesteillä. GPS laite, kun oli aikaisemmin sanottu, tarvitsee myös tiedot satelliiteista. Sitä varteen satelliitit lähettävät navigointiviestit 50bit/s nopeudella. Navigointiviesti koostuu kolmesta osasta:

Kuvaus Voimassaoloaika Päivitys
1 GPS järjestelmän päivämäärä ja aika. Sisältää myös tieto satelliitin kunnosta ja tilasta.
2 Sisältää satelliitin sijainnin laskentaan tarvittavat tiedot. 4 tuntia Kerran kahdessa tunnissa
3 Sisältää yleiset tiedot kaikeista satelliiteista, niiden sijainti ja PRN luvut. 180 päivää Kerran 24 tunnissa

Esimerkki NMEA protokollan mukaisesta viestistä: $PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,95000,497260,921,12,3*22 GPS laitteen käynnistyksen jälkeen vastaanotettu viesti. Sisältää sijainnin(X,Y ja Z), ajan ja päivämäärän.

MessageID $PSRF101
ECEF X -2688700 Metri X koordinaatti
ECEF Y -4304200 Metri Y koordinaatti
ECEF Z 3851624 Metri Z koordinaatti
ClkOffset 95000 Hz Clock Offset
TimeOfWeek 497260 Sekunti GPS aika
WeekNo 921 Gps viikon numero
ChannelCount 12 Kanavien määrä 1- 12
ResetCfg 3
CheckSum *22

Kotitehtävä 4

Siirtotiet ja GPS. Ilmatie. Radioaallot

GPS järjestelmän tiedon siirto perustuu langottomaan satelliittilinkkiin. Esimerkiksi jotkut tv-yhtiöt lähettävät signaalin satelliitille (point-to-point yhteys), joka jakaa sitä kaikille kuuntelijoille (broadcast). GPS järjestelmässä perus käyttäjän näkökulmasta on vain satelliitti ja GPS vastaanotin, joiden välissä on point-to-point yhteys. Riippuen satelliitista, käytetään 1575,42MHz, 1227,60MHz ja 1176,45MHz taajuudet (UHF - ultra high frequency). Tieto välitetään käyttämällä radioaaltoja. Tarvittava sähkö lähetykseen satelliitit saavat aurinkopaneleista, jonka tuottama sähkömäärä on pieni. Verrattuna maanpäällisiin asemiin jotka saavat huomattavasti enemmän sähkövoimaa lähetystä varten ja joiden lähettämät radioaallot läpäisevät esteitä, esimerkiksi rakennukset, GPS satelliitin lähetin tuottaa signaalin jonka voimakkuus on 10-20W. Tästä johtuu useita ongelmia. Radioaallot, jotka ovat näin heikkoja, eivät läpäise esteitä ja ovat alttiit useille häiriöille. Signaalin uudelleen ohjaus tapahtuu kaupungeissa. Radioaallot heijastuvat rakennusten seinistä joten sijainnin arvio on väärä. GPS järjestelmässä käytettävät lähettimet tuottavat radioaaltoja, joten aallonpituus on noin 10cm. Mikäli este on suurempi kuin aallonpituus, signaali ei kulje sen kautta. Signaali on myös altis esteille kuten puut, auton katto eikä GPS laite pystyy vastaanottamaan signaalin, mikäli GPS laite on veden pinnan alapuolella (1cm veden kerros on esteenä signaalille). Edellisistä johtuen, GPS laite tarvitsee näköyhteyden satelliitille. Itse GPS järjestelmästä myös johtuu arvioinnin virheitä. Satelliitit eivät aina kulje tarkkoja ratoja, joskus ne ovat korkeammalla, joten signaalin kulku GPS laitteelle kestää pidempään. Näitä virheitä korjataan maanpäällisillä asemilla.


Kotitehtävä 5

Skenaario - Kaupungin keskusta

Tavoite: Kaupunki tarjoaa kaikille avoimen nettiyhteyden kaupungin keskustassa. Langalliset ja langattomat yhteydet. Kustannukset ei oteta huomioon.

Ratkaisu:

Kaupunki tarjoaa kaikille avoimen langallisen ja langattoman yhteyden kaupungin keskustassa.

Lähtötilanne: Kaupungilla on nettiyhteys riittävällä kaistanleveydellä.

  1. Kaikki julkiset kaupungin paikat ja kriittiset asiakkaat on tutkitettava ja otettava ensimmäisenä huomioon. Kriittisiä paikkoja ovat esim. liikekeskukset ja oppilaitokset, jotka tarvitsevat kiinteätä yhteyttä ilman katkoja, jonka kaistanleveys on suuri. Julkiset paikat ovat kaupungin ydin keskusta, ravintolat, kirjastot, liikenneasemat. Näiden pisteiden yhdistäminen kaupungin verkkoon on tehtävä valokuidulla, joka tarjoaa tarvittavaa kaistaa. Valokuitu on paras vaihtoehto, koska julkiset ja kriittiset paikat ovat kiinteät, eivätkä tarvitse mobiili yhteyttä. Kytkentäperiaate on pakettikytkentä. Useat reitit tarjoavat vaihtoehtoja pakettien kuljettamiseen, joten paras/lyhyempi voidaan etsiä.
  2. Julkisten ja kriittisten paikkojen sisäinen toteutus. Yhteys tulee jakaa langattomasta (erityisesti ydinkeskus, liikenneasemat), koska tässä prioriteetti on liikkuvuudessa. Kiinteän kaapeliyhteyden tarve on kriittisessä kohteissa, joissa liikkuvuuden tarve on matala (liikekeskus, oppilaitokset).
  3. Kun julkinen tai kriittinen kohde on saanut nettiyhteyden, se voi jakaa siitä tarvittavalla tavalla. Esim.tutkimuskeskuksen sisällä voi olla sekä piiri- että pakettikytkentäinen verkko, ja myös langaton yhteys, jotta jaetaan tähtitopologian mukaisesti.
  4. Ydinkeskustan kattaminen langattomalla yhteydellä. Langattoman yhteyden verkko toteutetaan piirikytkentäisellä tavalla. Langatonta yhteyttä tarvitaan Internet-sivujen lataamisen ja keskusteluohjelmien käyttöön, joten pienempi tiedonsiirtonopeus riittää. Kaupungin ydinkeskustaa pitää tutkia langattoman signaalin leviämisen näkökulmasta. On otettava huomioon mahdolliset häiriöt, esteet ja heijastukset.

Tulos:

Hahmotelmakuva kaupungin keskustan kattamisesta Internet-yhteydellä


Ajankäyttö

  • Luennot 14h
  • Luentoihin valmistautuminen 3h
  • Kotitehtävät 10h
  • Tenttiin lukeminen 5h
  • Tentti 3h

Palaute

Peruspohdintaa. Kotitehtävät GPS alueelta hyvin samnalaiset kuin useilla muilla. Skeanaariotehtävä käsitelty hyvin.

Pääsivulle