Miten mobiiliverkko toimii: tukiasema, solu ja jaettu kapasiteetti

Kun yhteys ei toimi, ensimmäinen ajatus on usein että operaattorin verkko on kaatunut. Yleensä kyse on paljon pienemmästä asiasta: siitä yhdestä palvelualueesta, jonka sisällä satut seisomaan. Mobiiliverkko ei ole yksi iso putki operaattorille vaan tiheä matto pieniä palvelualueita, ja puhelin käyttää niistä yhtä kerrallaan.

Tämä yksi asia selittää arjen ilmiöt paremmin kuin mikään muu. Se kertoo miksi yhteys pelaa pihalla mutta ei makuuhuoneessa, miksi nopeus romahtaa junassa aina samassa kohdassa ja miksi liittymä tuntuu nopealta aamulla ja tahmealta koulujen päättymisen jälkeen.

Solu on palvelualue, ei laite

Solu tarkoittaa aluetta, jota yksi tukiaseman lähetin palvelee yhdellä taajuusalueella yhteen suuntaan. Sana on peräisin siitä, että peittoaluetta on tapana piirtää kartalle vierekkäisinä kennoina. Todellisuudessa solut eivät ole siistejä kuusikulmioita vaan epämääräisiä läiskiä, joiden muodon määräävät maasto, rakennukset ja antennin suuntaus.

Solun koko ei ole tekninen vakio vaan suunnittelupäätös. Kaupungin keskustassa yksi solu voi kattaa muutaman korttelin, koska käyttäjiä on paljon ja kapasiteettia tarvitaan tiheästi. Harvaan asutulla alueella sama tukiasematyyppi voi palvella monen kilometrin säteellä, koska käyttäjiä on vähän ja tärkeintä on kantama. Matalat taajuudet kantavat kauemmas ja läpäisevät seiniä paremmin kuin korkeat, mikä on syy siihen että sama masto tarjoaa eri taajuuksilla erikokoisia soluja. Taajuusalueiden erot on käsitelty tarkemmin siinä, mitä 5G oikeasti lupaa.

Solu ei näy käyttäjälle mitenkään. Puhelimen näytöllä ei lue, missä solussa olet, eikä siirtymä toiseen soluun näytä mitään merkkiä. Juuri siksi vaihtelu tuntuu satunnaiselta, vaikka se on sitä harvoin. Kun opit ajattelemaan sijaintiasi solun sisällä eikä operaattorin verkossa, useimmat oudot ilmiöt saavat selityksen.

Yksi masto ei siis ole yksi solu. Tyypillisessä mastossa antennit on suunnattu eri ilmansuuntiin, ja jokainen suunta muodostaa oman solunsa. Kun sama masto lähettää lisäksi useammalla taajuusalueella, soluja on vielä enemmän. Puhelin voi vaihtaa solusta toiseen liikkumatta metriäkään, jos verkko siirtää sen samassa mastossa toiselle taajuudelle.

Puhelin ja verkko neuvottelevat jatkuvasti

Tukiasema lähettää koko ajan tunnistesignaalia, jonka avulla laitteet löytävät sen ja mittaavat sen kuuluvuutta. Puhelin ei kuuntele vain sitä solua, jota se käyttää, vaan mittaa myös naapurisoluja ja pitää kirjaa siitä, mikä kuuluu parhaiten.

Neuvottelu koskee myös lähetystehoa. Verkko käskee puhelinta lähettämään juuri niin voimakkaasti kuin on tarpeen ja ei enempää. Tämä säästää akkua ja vähentää häiriötä muille saman solun käyttäjille. Kun signaali on heikko, puhelin joutuu lähettämään täydellä teholla, mikä näkyy akun kulumisena katvealueella.

Kolmas jatkuva neuvottelun kohde on se, kuinka tiivistä tietoa radiotiellä uskalletaan lähettää. Hyvässä kuuluvuudessa verkko pakkaa samaan lähetysaikaan paljon bittejä. Kun kuuluvuus heikkenee, siirrytään varovaisempaan tapaan, jossa sama datamäärä vie enemmän aikaa. Tästä syystä palkkien määrä ja nopeus liittyvät toisiinsa, vaikka ne eivät ole sama asia.

Solunvaihto liikkeessä toimii kahdella tavalla

Se, kuka päättää solun vaihdosta, riippuu siitä, oletko juuri sillä hetkellä käyttämässä yhteyttä.

Kun puhelin on valmiustilassa, se tekee valinnan itse. Laite vertaa mittaamiaan soluja ja siirtyy parhaaseen ilman että verkko puuttuu asiaan. Verkko tietää vain karkeasti, millä alueella laite on, ja puhelin ilmoittaa itsestään, kun se ylittää alueen rajan. Tämä on tarkoituksellista: valmiustilassa oleva puhelin ei kuormita verkkoa turhilla viesteillä.

Kun yhteys on käytössä, päätöksen tekee verkko. Puhelin lähettää mittausraportteja naapurisoluista, ja tukiasema päättää raporttien perusteella siirtää yhteyden toiseen soluun. Siirto tapahtuu kesken puhelun tai latauksen, ja hyvin toteutettuna käyttäjä ei huomaa sitä. Käytännössä juuri nämä hetket ovat ne, joissa videopuhelu nytkähtää tai striimaus pysähtyy sekunniksi.

Junassa tai autossa solunvaihtoja tulee tiheästi, ja jokainen niistä on pieni riski. Siksi liikkeessä oleva yhteys tuntuu epävakaammalta kuin paikallaan oleva, vaikka nopeus mitattaisiin samaksi. Jos yhteys katkeaa aina samassa paikassa, kyseessä on yleensä solun reuna tai katve, eikä ongelma ratkea liittymää vaihtamalla. Katvealueiden syyt ja korjauskeinot on käyty läpi erikseen artikkelissa huonosta kuuluvuudesta.

Kapasiteetti jaetaan hetki kerrallaan

Tukiaseman radioresurssi on rajallinen: käytettävissä on tietty määrä taajuutta ja aikaa. Verkon vuorottaja jakaa tätä resurssia laitteille millisekunnin osissa. Kun solussa on yksi käyttäjä, hän saa käytännössä kaiken. Kun käyttäjiä on paljon, jokainen saa vuoronsa harvemmin.

Tästä seuraa asia, joka yllättää monet: solun kuormitus ei riipu vain käyttäjien määrästä vaan siitä, missä kuuluvuudessa he ovat. Kaukana oleva laite tarvitsee saman videon lataamiseen enemmän lähetysaikaa kuin lähellä oleva. Yksi kellarissa striimaava käyttäjä voi viedä solun ajasta enemmän kuin kolme ikkunan äärellä olevaa. Kuuluvuus ei siis ole vain oma asiasi.

Taulukon viimeinen rivi liittyy siihen, että nopeus ja tuntuma ovat eri asioita. Videopuhelun laadun ratkaisee useammin viiveen vaihtelu eli jitter kuin puuttuvat megabitit, ja tämä ero on selitetty tarkemmin oppaassa siitä, kuinka nopeaa nettiä oikeasti tarvitset.

Miksi lähetyssuunta pettää ensin

Mobiiliyhteys on epäsymmetrinen. Tukiasema lähettää suurella teholla ja hyvillä antenneilla, puhelin pienellä teholla ja pienellä antennilla. Siksi latausnopeus on lähes aina suurempi kuin lähetysnopeus, ja siksi lähetyssuunta pettää ensin, kun kuuluvuus heikkenee.

Arjessa tämä näkyy tilanteissa, joissa vastaanotto sujuu mutta oma osuus takkuaa. Videopalaverissa kuulet muut hyvin, mutta oma kuvasi jumittuu. Suuren tiedoston lähettäminen kestää moninkertaisesti sen lataamiseen verrattuna. Kun jaat puhelimen yhteyden tietokoneelle, kaikki koneen lähettämä liikenne kulkee saman heikon suunnan kautta.

Epäsymmetria on myös suunnittelupäätös. Verkot on mitoitettu sen mukaan, että ihmiset lataavat enemmän kuin lähettävät, ja radioresurssia jaetaan sen mukaisesti. Etätyö, pilveen varmuuskopiointi ja videopalaverit muuttavat tätä oletusta, mutta radion fysiikka ei muutu: puhelimen antenni ja teho pysyvät pieninä.

Puhelut ovat oma tapauksensa, koska ne eivät välttämättä kulje samaa reittiä kuin data. Nykyverkoissa puhe siirtyy datana, mutta sille varataan oma käsittelynsä, ja puhelu voi kulkea myös kotiverkon yli. Tämä on käsitelty erikseen artikkelissa wifi-puheluista ja VoLTEsta.

Mitä näytön verkkotunnus kertoo ja mitä ei

Puhelimen yläreunassa näkyy operaattorin nimi ja sukupolven tunnus. Kumpikin on karkeampi tieto kuin miltä näyttää.

Operaattorin nimi tulee verkosta, ei SIM-kortilta. Puhelin etsii verkkoja, tunnistaa ne niiden lähettämästä verkkotunnuksesta ja valitsee sen, jota liittymäsi saa käyttää. Kotimaassa valinta on yleensä selvä, mutta ulkomailla vaihtoehtoja on useita, ja laite valitsee sen kumppanin, jonka kanssa kotioperaattorillasi on sopimus. Verkon voi useimmissa puhelimissa valita myös käsin, jolloin laite lukitaan yhteen verkkoon sen sijaan että se etsisi parasta.

Sukupolven tunnus taas kertoo vain siitä, minkä tyyppistä radiotekniikkaa laite juuri nyt käyttää. Se ei kerro solun kuormituksesta, taajuusalueesta eikä käytettävissä olevasta nopeudesta. Sama tunnus voi tarkoittaa hyvin erilaista yhteyttä kahdessa eri paikassa. Tunnus voi myös vaihtua tiheästi, kun laite siirtyy taajuusalueelta toiselle saman maston sisällä.

Käytännön ohje seuraa tästä suoraan: älä tulkitse tunnusta lupaukseksi. Jos haluat tietää millainen yhteys sinulla on, mittaa se, ja tulkitse mittaus samassa paikassa useampana ajankohtana. Yksittäinen mittaus kertoo vain siitä hetkestä ja siitä solusta.

SIM kertoo verkolle kuka olet

Liittymä ei ole muovinen kortti eikä puhelin vaan sopimus, joka on sidottu tunnisteeseen. SIM sisältää tilaajatunnisteen ja salaisen avaimen. Kun puhelin liittyy verkkoon, verkko lähettää kortille laskutehtävän, kortti laskee vastauksen salaisella avaimellaan ja lähettää vain vastauksen. Avain ei koskaan liiku radiotiellä, joten sen kuunteleminen ei auta.

Sama menettely toimii myös silloin, kun olet toisen operaattorin verkossa: vieras verkko tarkistaa tunnistuksen kotiverkkosi kanssa ja päästää sinut käyttämään palveluja. Tätä kutsutaan verkkovierailuksi, ja sen hinnoittelu ja datamäärät on käsitelty omassa artikkelissaan mobiilidatasta ja verkkovierailusta.

Puhelimella on lisäksi oma laitetunnisteensa, joka on eri asia kuin tilaajatunniste. Tämän kahtiajaon takia liittymä siirtyy laitteesta toiseen, kun kortti siirtyy, ja sama pätee sähköiseen eSIM-profiiliin. Kortin ja eSIM:n erot, profiilin siirto ja kahden liittymän käyttö on selitetty artikkelissa eSIM:n ja SIM-kortin eroista.

Koska puhelinnumero on käytännössä avain moneen palveluun, sen kaappaaminen on rikollisille houkutteleva keino. Tämä on yksi syy siihen, miksi tekstiviestikoodi ei ole vahvin mahdollinen toinen tunnistautumistekijä, kuten vertailussa kaksivaiheisen tunnistautumisen menetelmistä todetaan.

Näin luet oman tilanteesi

Kun yhteys ei toimi odotetusti, kysymys on melkein aina siitä, onko vika solussa, laitteessa vai käytössä. Nämä askeleet erottavat ne toisistaan ilman erikoisohjelmia.

1. Siirry muutama metri ja kokeile uudelleen. Jos tilanne muuttuu selvästi, kyse on kuuluvuudesta eikä verkon toiminnasta.
2. Vertaa toiseen laitteeseen samassa paikassa. Jos toinen puhelin toimii, ongelma on omassa laitteessa tai sen asetuksissa.
3. Katso kellonaikaa. Jos hitaus toistuu samoina tunteina, kyse on solun kuormituksesta, jota et voi omilla asetuksillasi korjata.
4. Erota lataus ja lähetys. Jos vastaanotto toimii mutta lähetys ei, kyse on lähes varmasti heikosta kuuluvuudesta eikä liittymän nopeudesta.
5. Pakota uusi solunvalinta. Lentotila päälle ja hetken päästä pois saa puhelimen etsimään solun uudestaan. Tämä auttaa tilanteissa, joissa laite on jäänyt kiinni huonoon soluun.
6. Tarkista datamäärä ennen kuin syytät verkkoa. Jos liittymän nopeus on pudotettu sopimuksen mukaisesti, mikään paikan vaihtaminen ei auta.

Jos ongelma ei ratkea näillä, se kannattaa kuvata operaattorille mahdollisimman tarkasti: paikka, kellonaika, kesto ja se, koskeeko vika puheluita vai dataa. Verkon vikoja korjataan solu kerrallaan, ja juuri se tieto auttaa löytämään oikean solun.