4G LTE 800 tuo nopean laajakaistan maaseudulle – kuparijohdot kelalle 4G:n tieltä

Kuva: Erkki Holma

Kuva 1: Suurin mittauksissa saavutettu siirtonopeus. Kuva: Erkki Holma

Kuva 3: Kaksi liitintä mokkulasta lisäantenniin. Kuva: Erkki Holma

Kuva 4: Mittauksia heikossa LTE-kentässä Marskin Majalla mokkulalla ja lisäantennin kanssa. Kuva: Erkki Holma

Kuva 5 Kuva: Erkki Holma

Kuva 6 Kuva: Erkki Holma

Kuva 7 Kuva: Erkki Holma

Kuva 8 Kuva: Erkki Holma

Kuva 9 Kuva: Erkki Holma

Rakentaminen etenee vauhdilla, ja peittotavoitteet saavutetaan todennäköisesti etuajassa. Suomessa on jokaisella kolmella operaattorilla noin 8 000 tukiasemapaikkaa, joista LTE-lähettimillä on nyt varustettu 1 000–2 000 operaattorista riippuen ja vuoden lopussa jopa jo yli 3 000. LTE tarjoaa käytännössä selvästi nopeampia langattomia laajakaistayhteyksiä kuin 3G-verkot. Tutkimme kenttämittauksilla LTE-tekniikan käytännön suorituskykyä ja toimintaa maaseudulla.

Mittaukset suoritettiin tietokoneeseen kytketyllä LTE-yhteensopivalla mokkulalla, Huawei E3276:lla ja LTE-dataliittymällä, jossa ei ollut nopeusrajoitusta. LTE800-verkossa on jokaisella operaattorilla käytössään 10 MHz taajuuskaista, joka mahdollistaa teoriassa vähän yli 70 Mbps vastaanottonopeuden ja vähän yli 20 Mbps lähetysnopeuden.

Nämä nopeudet ovat noin puolet siitä, mitä voidaan saavuttaa kaupunkialueiden LTE1800-verkossa, joka käyttää 20 MHz kaistaa. Testasimme ensin laitteiston toimintaa hyvässä kentässä, jossa tukiasema-antennit olivat näkyvissä noin 0,5 kilometrin etäisyydellä. Tällöin saavutettiin siirtonopeus, mikä oli hyvin lähellä teoreettista huippuvauhtia (kuva 2).

Huippunopeuksiin päästään vain hyvissä olosuhteissa, joissa signaali on voimakas ja häiriöt vähäisiä. Käytännössä siirtonopeudet ovat alhaisempia. Vastaanottosuunnassa nopeutta rajoittaa lähinnä viereisistä tukiasemista tuleva häiriö. LTE-verkoissa kaikki tukiasemat käyttävät samaa taajuutta.

Kun LTE-päätelaite on kahden tukiaseman tai kahden antennisektorin välissä, viereisen tukiaseman lähete häiritsee vastaanottoa. Vaikka signaalitaso on hyvä, vastaanotossa ei silti välttämättä päästä huippunopeuteen häiriön takia. Lähetyssuunnassa nopeutta rajoittaa lähinnä signaalitaso ja päätelaitteen lähetysteho. Mitä parempi on signaalivoimakkuus, sitä suurempi on yleensä lähetysnopeus.

Näiden tekijöiden vaikutusta LTE-siirtonopeuksiin tutkittiin liikkuvassa autossa LTE-verkon peittoalueella, usean eri tukiaseman alueilla sekä paikallaan että ajonopeuksilla 100 km/h asti. Mittauksissa havaittiin, että vastaanottonopeudet vaihtelivat 10 ja 60 Mbps välillä. Tyypillinen nopeus oli 20–30 Mbps vastaanotossa ja 10–15 Mbps lähetyksessä. Tiedonsiirto oli mittausten mukaan luotettavaa myös auton liikkuessa.

LTE-toimintaa kokeiltiin heikossa kentässä, paikassa joka on hieman operaattorin ilmoittaman LTEverkon peittoalueen ulkopuolella.

Siirtonopeus testattiin suoraan mokkulalla sekä erikseen vielä ulkoisella lisäantennilla, joka oli varustettu kaksoisvastaanottimella. LTE-verkko hyödyntää moniantennitekniikkaa eli tukiasemalähetys tapahtuu kahdella antennihaaralla. Myös päätelaitteen vastaanotto tapahtuu kahdella antennihaaralla. Molemmat antennit toimivat samalla taajuudella. Niiden avulla järjestelmä voi tuplata siirtonopeuden hyvässä kentässä.

LTE:n kanssa on siksi järkevintä käyttää kaksoisvastaanottimella varustettua lisäantennia (kuva 1). Antennissa on mukana 5 metrin liitäntäkaapeli. Antennin hinta oli 145 euroa ja liitäntäkaapelit mokkulaan yhteensä 45 euroa. Mokkulassa on kaksi antenniliitintä kaksoisvastaanottoa varten. Tämän takia liitäntäkaapeleita tarvitaan myös kaksi kappaletta (kuva 3).

Mokkuloiden antenniliittimet ovat pieniä ja heikkoja, eivätkä tule kestämään jatkuvaa irrottelua ja kiinnitystä. Järkevämpi ratkaisu lisäantennin kanssa olisi käyttää LTE/WLAN-reititintä, jossa lisäantennin liittimet voidaan pitää jatkuvasti kiinni ja yhteys tietokoneeseen tai tablettiin hoidetaan WLANin yli. Reitittimien antenniliittimet ovat isompaa kokoa ja sen takia kestävämpiä.

Mittauspaikkana oli Marskin Maja (kuva 4) keskellä Etelä-Suomen suurimpia erämaa-alueita. Majan edessä ilman lisäantennia saatiin yhteys, vaikka signaali oli heikko ja oltiin ilmoitetun peittoalueen ulkopuolella. Vastaanottonopeus oli keskimäärin 15 Mbps ja lähetysnopeus 5 Mbps. Lisäantarjoaa lähes poikkeuksetta nopeamman internet-yhteyden kuin kuparikaapelin päässä toimiva DSL-modeemi. Varsinkin maaseudulla DSL-nopeudet jäävät alhaisiksi, koska signaali vaimenee pitkässä kuparikaapelissa ja käytännön DSL:n vastaanottonopeus on yleensä selvästi alle 10 Mbps. Erityisesti lähetyssuunnassa langaton yhteys on selvästi nopeampi kuin DSL. Suurin lähetysnopeus DSL:ssa on alle 1 Mbps, kun taas 3G:lla saadaan tyypillisesti 2 Mbps ja LTE:lla yli 10 Mbps.

Moni hitaan DSL-yhteyden päässä asuva onkin jo vaihtanut DSL:n 3G-mokkulaksi, ja palvelun nopeus on saattanut parantua molempiin siirtosuuntiin. LTE:n myötä kuparikaapelit voidaan lopullisesti käydä keräämässä kelalle ja siirtyä nopeampaan langattomaan tiedonsiirtoon. LTE-liittymä on yleensä myös edullisempi kuin DSL ja toimii lisäksi kodin ulkopuolella. LTE:n hyödyntämistä varten tarvitaan LTE-yhteensopiva päätelaite sekä operaattorilta LTEliittymä. LTE-ominaisuus löytyy nykyisin käytännössä kaikista uusista mokkuloista, reitittimistä ja monista älypuhelimista sekä tableteista. Tyypillinen LTE-liittymän hinta on nykyisin 20 euroa/kk.

Reititin siirtää tiedon 3G- tai LTEyhteydellä tukiasemalle ja jakaa sen kotona eri laitteille. Siihen voi olla yhteydessä monta laitetta yhtä aikaa, esimerkiksi läppärit, tabletit, kännykät ja telkkarit. Reititin on järkevä ratkaisu kodin laajakaistakäyttöön, koska reititin voidaan sijoittaa ikkunan lähelle hyvän vastaanottosignaalin kannalta. Testatussa reitittimessä oli mukana pienet tikkuantennit (kuva 8). Reitittimeen voidaan lisäksi kytkeä lisäantenni tukevien liittimen kautta. Reitittimen hinta oli 250 euroa.

Testattu reititin toimi vain sähköverkkoon kytkettynä. Markkinoilla on myös reitittimiä, joissa on sisäänrakennettu akku eli reititin voidaan ottaa mukaan ja se toimii useita tunteja ilman sähkövirtaa. Vertasimme valitussa sisätilassa siirtonopeuksia mokkulalla, reitittimen tikkuantenneilla ja suuntaavalla lisäantennilla. Siirtonopeudet on esitetty kuvassa 9.

Mittauksien mukaan reitittimen tikkuantennit antavat jo suuremmat siirtonopeudet kuin mokkulan omat pienet sisäänrakennetut antennit. Vastaanoton siirtonopeus parani vielä hieman käyttämällä suuntaavaa lisäantennia. Lähetysnopeus ei parantunut, koska tässä mittauspaikassa päästiin jo maksiminopeuteen ilman lisäantenniakin.

Miten pitkälle langattomalla verkolla voidaan lopulta päästä ja riittääkö kapasiteetti tulevaisuuteen? Elisa testasi LTE-verkossaan tämän vuoden alussa jo 300 Mbps -tekniikkaa, missä on yhdistetty kaksi taajuutta yhteen. Tuosta ratkaisusta käytetään nimeä LTE-Advanced eli se on seuraava kehitysaskel. Maaseudulla tämä tarkoittaa sitä, että LTE800-verkon täyttyessä tuodaan tukiasemalle lisää LTEtaajuuksia, esimerkiksi LTE1800, LTE2100, LTE2600 tai myöhemmin LTE700. Taajuuksien yhdistelyllä siirtonopeudet ja kapasiteetti kasvavat. Mitattujen siirtonopeuksien perusteella voidaan arvioida, että LTE800 kasvattaa maaseudun langattoman laajakaistaverkon kapasiteettia viisinkertaiseksi verrattuna 3G900-verkkoon. Kun hyödynnetään kaikki operaattoreille tulevaisuudessa tarjolla olevat taajuudet, saadaan vielä kymmenen kertaa lisää kapasiteettia eli lopulta 50-kertainen verkon kapasiteetti 3G-verkkoon verrattuna. Nykyisellä nopeallakin dataliikenteen kasvuvauhdilla voidaan ennustaa, että langattomat tekniikat riittävät pitkälle 2020-luvulle.

Sitten ovatkin tulossa jo uudet langattomat 5G-ratkaisut, jotka ovat vasta yritysten ja yliopistojen tutkimusvaiheessa. Vieläkin nopeampi nettiyhteys saadaan valokuidulla. Ongelmana on kuidun kaivamisen kustannus, minkä takia valokuidun rakentaminen Suomessa ja muuallakin on jäänyt jälkeen tavoitteistaan.

LTE800-verkkojen rakennustöiden edistymistä voi seurata operaattoreiden nettisivujen peittokartoista. Karttojen perusteella laajin LTE-peitto näyttäisi tällä hetkellä olevan Elisan verkossa. Elisa teki sopimuksen LTE-verkon toimituksesta Nokian verkkoyksikön kanssa vuoden alussa. Kyseessä on Suomen suurin yksittäinen verkkokauppa. Verkon rakentaminen tarkoittaa käytännössä uusien antennien ja lähetin-vastaanotinyksiköiden asentamista olemassa oleviin tukiasemamastoihin. Noin puolet Suomen tukiasemapaikoista sijaitsee mastoissa ja puolet kiinteistöissä. Lähes kaikki maaseudun tukiasemat ovat mastoissa.

LTE800:n käyttöönotossa vanha antenni tuodaan alas ja korvataan uudella antennilla, joka tukee sekä vanhaa 2G/3G-verkkojen käytössä olevaan 900 MHz:n taajuutta että LTE verkkojen 800 MHz:n taajuutta. Lisäksi tarvitaan LTE:n lähetin- ja vastaanotinyksiköt, jotka yleensä sijaitsevat ylhäällä mastossa antennien vieressä. On helppo ymmärtää, että koko Suomen kattamiseen LTE:lla menee muutama vuosi, koska asentajat joutuvat kiipeämään tuhansiin mastoihin ja nostamaan sinne kymmenien kilojen painoisia ja parimetrisiä antenneja.

LTE800-verkon laajentuminen tarjoaa mahdollisuuden saada maaseudullekin nopeata internet-yhteyttä langattomasti. LTE:n siirtonopeus on käytännössä aina parempi kuin DSL-yhteyden nopeus, jopa liikkuvassa autossa. Heikossa kentässä nopeutta voidaan mittauksien mukaan merkittävästi parantaa käyttämällä ulkoista lisäantennia. Nyt vain odotellaan, että operaattorit saavat laajennettua LTE-verkon peittoa useampien käyttäjien ulottuville.