Matkapuhelinverkko

Matkapuhelin- eli matkaviestinverkko muodostuu maan sisällä kulkevasta valokuitukaapelista rakennetusta runkoverkosta sekä runkoverkkoon mekaanisesti kytketyistä jatkuvaa mikroaaltosäteilyä useisiin ilmansuuntiin lähettävistä tukiasemista eli soluista (, josta termi cellular phone). Matka- ja lankapuhelinverkko muodostavat saumattoman kokonaisuuden, sillä kaikki puhelut kulkevat tyypillisesti suurimman osan matkastaan mobiilioperaattorien yhteisomistuksessa olevassa valokuituverkossa. Vain alku- ja/tai loppumatka tapahtuu tällöin ilmateitse.  

Tukiasema muodostaa radioyhteyden toiminta-alueellaan sijaitsevaan päätelaitteeseen eli matkapuhelimeen, nettitikkuun tai WiFi-reitittimeen, jotka lähettävät mikroaaltosäteilyä kaikkiin ilmansuuntiin internetin ja älypuhelimen sovellusten käytön sekä puhelujen aikana ja tekstiviestien lähettämisen yhteydessä. Älypuhelin lähettää säteilyä myös käyttäjälle näkymättömien taustatoimintojen ja mobiilidatan päälläolon aikana sekä päivitysten hakemisen yhteydessä. Myös pelkkä matkapuhelinverkossa pysyminen vaatii jonkin verran signalointia matkapuhelimen ja tukiaseman välillä, koska tukiaseman on tiedettävä onko matkapuhelin sen alueella voidakseen välittää siihen tulevat puhelut.

Mikroaaltosäteily ei kulje suoraviivaisesti, vaan siroaa ilmassa eteenpäin kulkiessaan leviten aina vain laajemmaksi muodostelmaksi. Siroaminen johtaa siihen, että säteilyn voimakkuus heikkenee sitä enemmän, mitä kauemmas se matkaa päätelaitteesta tai tukiasemasta. Kaukana tukiasemasta sijaitsevan päätelaitteen on lähetettävä siksi voimakkaampaa säteilyä kuin lähellä sijaitsevan, jotta se saapuisi riittävän voimakkaana tukiasemalle. 

Kun matkapuhelimesta lähtenyt säteily saapuu tukiasemalle, tukiasema muuntaa siihen koodatun informaation (datan) kiinteään verkkoon johdettaviksi valopulsseiksi. Valopulssit matkaavat sen jälkeen valokuitukaapelia pitkin joko suoraan tai kuparikaapelin kautta lankapuhelimeen tai puhelun toisen osapuolen palveluntarjoajan lähimpänä sijaitsevaan tukiasemaan, joka siirtää informaation lähettämäänsä mikroaaltosäteilyyn. 

Matkapuhelinverkon 2G-tukiasemat käyttävät GSM-tekniikkaa. 3G-tukiasemat käyttävät sekä GSM- että CDMA- tai WCDMA-tekniikkaa. 4G-tukiasemat käyttävät edellä mainittujen lisäksi myös LTE-tekniikkaa. 

Soluista muodostuva verkko kattaa yksittäistä solua huomattavasti suuremman alueen ja mahdollistaa saman radiotaajuuden uudelleen käytön verkon eri osissa. Solukko mahdollistaa puhelimen paikantamisen, mutta GPS-paikannusta huonommalla tarkkuudella. Yhden solun kyky käsitellä useita asiakkaita on rajallinen, joka on todettu muun muassa suunnistuskilpailuissa, joissa kilpailijoiden sijaintia on pyritty siirtämään järjestäjän käyttöön GSM-viesteinä.

Haja-asutusalueiden lankaverkkojen korvaaminen matkapuhelinverkoilla on johtanut siihen, että ihmiset ovat menettäneet mahdollisuuden soittaa hätä- ja muita puheluita yli kolme tuntia kestävien sähkökatkojen aikana, koska tukiasemien vara-akut tyhjenevät kolmessa tunnissa. Jos tukiasemat haluttaisiin varustaa niin suurella määrällä akkuja, että niissä riittäisi virtaa aseman tarpeisiin vuorokauden ajan,  pitäisitukiaseman viereen rakentaa erillinen rakennus akkuja varten.

Energiankulutus 

Langattomien nettiyhteyksien käytön lisääntyminen on johtanut siihen, että tukiasemien kuluttama sähkö on alkanut muodostaa yhä suuremman osan matkapuhelinverkon energiankulutuksesta. Tukiasemien suuri sähkönkulutus johtuu ennen kaikkea niiden huonosta energiatehokkuudesta. Esimerkiksi tyypillinen 3G-lähetin tarvitsee 500 wattia tuottamaan 40 watin edestä lähetystehoa. Tämän lisäksi sähköä kuluu tukiaseman tuottaman hukkalämmön pois tuulettamiseen.

Maailman viiden miljoonan tukiaseman osuus matkapuhelinverkon sähkönkulutuksesta oli 60 prosenttia vuonna 2013, ja kyseinen osuus kasvoi kaiken aikaa. Operaattorit käyttivät sähköä vuosittain yhteensä noin kahden miljardin dollaria edestä, ja välitetyn mobiilidatan kokonaismäärä oli noin 19 eksatavua.

Elisa Oyj:n vuonna 2017 välittämän mobiilidatan ominaissähkönkulutus oli 0,2 kilowattituntia per gigatavu.

Matkapuhelinverkon sähkönkulutuksen ennustetaan entisestään kasvavan, kun 5G-verkko otetaan käyttöön, sillä 5G-tukiasemat kuluttavat moninkertaisesti enemmän energiaa 4G-tukiasemiin verrattuna.

Matkapuhelinverkot Suomessa
Suomi oli ensimmäinen maa, johon rakennettiin koko maan kattava kaupallinen radio- eli matkapuhelinverkko. Kyseessä oli valtion posti ja telelaitoksen vuosina 1969–1978, alun perin puolustusvoimien aloitteesta rakentama autoradiopuhelinverkko ARP, joka toimi analogisella NMT-tekniikalla. ARP:llä oli 1970-luvulla 19 000 käyttäjää, joista suuri osa oli autolla liikkuvia liikemiehiä. Vuonna 1982 avattiin kaikki Pohjoismaat kattava maailman ensimmäinen kansainvälinen matkapuhelinverkko. Sen muutkin osat olivat valtiollisten toimijoiden rakentamia. 

Posti- ja lennätinlaitoksen ylläpitämä ARP toimi vuoteen 2000 asti. ARP toimi 150 megahertsin taajuisilla radioaalloilla ja sillä oli enimmillään yli 35 000 käyttäjää.

Vuonna 1991 otettiin Suomessa käyttöön ensimmäinen digitaalinen matkapuhelinverkko GSM.

Lähteet

Matkapuhelinverkot