Tietoliikenne

Tietoliikenne on tiedon siirtoa lähettäjältä vastaanottajalle. Tietoliikenteellä tarkoitetaan siis datan siirtämistä paikasta toiseen. Data tarkoittaa digitaaliseksi eli bittimuotoiseksi muutettua tietoa, joka voi sisältää tekstiä, kuvaa, ääntä tai liikkuvaa kuvaa. Tietoliikenteessä on pohjimmiltaan kyse samasta asiasta kuin missä tahansa viestinnässä: tarvitaan lähettäjä, vastaanottaja, itse viesti(data) sekä kanava eli siirtotie, jota pitkin viesti voidaan siirtää. Tietoliikenteen merkitys on koko ajan kasvanut jälkiteollisessa yhteiskunnassa. Nykyisin tiedon jakamiseen ja välittämiseen on useita eri tapoja ja standardeja.

Historia

Tietoliikenteen ensimmäiset muodot olivat kirjeet (mm. kirjekyyhkyllä lähetetyt), valo- ja savumerkit. Esim. 1700-luvun Ranskassa oli valomerkkeihin perustuva optinen viestitysverkko. Talojen sisällä oli käytössä putkiposti, joka toimii alipaineella ja ilmasuihkulla. Tällainen järjestelmä on edelleen käytössä esimerkiksi Helsingin suurimmissa apteekeissa.

Langallisen lennättimen keksiminen oli suuri keksintö. Tietoa voitiin välittää sähköisesti muun muassa Atlantin poikki merikaapelia pitkin. Kun italialainen Guglielmo Marconi kehitti radioaalloilla toimivan langattoman lennättimen, kaapelia ei tarvinnut vetää kaikkiin niihin paikkoihin, joihin viestejä haluttiin lähettää. Puhelimen keksiminen johti talojen liittämiseen kiinteään puhelinverkkoon kuparikaapelilla. 1980-luvulla alettiin puhelinverkkoja digitalisoida ja siirryttiin myös optiseen tiedonsiirtoon valokuitukaapelia myöten. Matkapuhelin eli kännykkä sai alkunsa sotilaiden radiopuhelimista 1930-luvulla. Kännykkä-tyyppistä solukkopuhelinta alettiin kehittää Yhdysvalloissa 1970-luvulla. Sen digitalisointi muutti puhelinta siten, että se alkoi muistuttaa pientä henkilökohtaista tietokonetta. Televisiokuvan, faksien ynnä muun datan siirtoon pitkillä etäisyyksillä on 1960-luvun alusta alkaen käytetty myös tietoliikennesatelliitteja.

Nykytila

Tietoliikenne perustuu nyttemmin yhä laveammalti tietokoneiden ja tietoteknisten laitteiden muodostamiin verkkoihin, varsinkin Internetiin ja sen TCP/IP-protokollaperheeseen. Perinteisen tietotekniikan ohella tämä kattaa myös esimerkiksi puhelinverkot ja televisiokuvan välittämisen. Termi digitaalinen konvergenssi tarkoittaa tätä kehityslinjaa. Tietoliikenteen tarkoitus teknisessä mielessä on kuljettaa dataa, esimerkiksi digitaalisessa järjestelmässä tietoliikenteellä tarkoitetaan bittien kuljetusta. Tämä tapahtuu useimmiten muodossa 0/1 tai tosi/epätosi.

Kun tietoliikennedataa siirretään esimerkiksi radioteitse, radiokanavana eli väliaineena toimii ilmatila, kuljettajana toimivat radioaallot ja kuljetettava lasti koostuu radioaaltoihin liitetyistä signaaleista, esimerkiksi informaatiota sisältävistä biteistä. Tyypillisesti tietoliikenteessä signaali kulkee häiriöllisen kanavan kautta, ja häiriöt voivat johtua vaikkapa muiden matkapuhelimien signaaleista, signaalin kaiuista, terminaalin liikkumisesta tai fysikaalisesta lämpökohinasta. Hyvin suunniteltu tietoliikennevastaanotin kykenee suodattamaan häiriöitä pois ja estimoimaan eli arvioimaan alkuperäisen lähdeviestin.

Informaatio- ja signaaliteoriat

Tietoliikenteen matemaattiset perusteoriat ovat informaatioteoria ja signaaliteoria. Claude Shannon julkisti informaatioteorian ja viestintämallinsa vuonna 1948. Shannonin informaatioteoriassa on kaksi ääripäätä, joista ensimmäisessä pyritään selittämään, kuinka tehokkaasti tietoa voidaan periaatteessa pakata. Toisessa ääripäässä pyritään selittämän, kuinka paljon tietoa voidaan periaatteessa tietyissä olosuhteissa (kanavassa) siirtää virheettömästi.

Signaaliteoria pohjautuu siihen ajatukseen, että teknisessä mielessä signaalit kuljettavat informaatiota. Tässä tavoitteena on pyrkiä tutkia, kehittää ja suunnitella järjestelmiä, jotka kykenisivät saavuttamaan edellä mainitut Shannonin ääripäät. Signaaliteorian on kuitenkin pakko ottaa huomioon eräitä kausaalisia ja fysikaalisia rajoitteita, kuten reaaliaikaisuus, tiedonsiirtokanavan epäideaalisuudet sekä fysikaalisen aaltomuodon invariantit ominaisuudet, jolloin ideaalisista tavoitteista saatetaan jäädä hyvinkin kauas.

Lisäksi Shannonin toisen ääripään absoluuttinen virheettömyys ei useinkaan ole välttämätöntä vaikkapa puheen tai kuvan siirrossa. Informaatioteorian ääripäät ovat varsin pelkistettyjä. Teoria nimittäin edellyttää tiettyjen todennäköisyyksien tuntemista ainakin jossakin tarkkuudessa ja reaaliaikaisuuden osittaista hylkäämistä. Mutta juuri nämä epäkäytännölliset oletukset tekevät informaatioteorian suoran käytön mahdottomaksi useissa sovelluksissa.

Tietoliikenteen kontekstissa signaalinkäsittely tai digitaalinen signaalinkäsittely pyrkii muun muassa

matemaattisesti suodattamaan vastaanotettuja signaaleita siten, että signaaliin piilotettu alkuperäinen sanoma saadaan mahdollisimman luotettavasti ilmaistua.
insinöörimäisesti yksinkertaisuuteen, jotta signaaliprosessorit ym. piirit olisivat halpoja ja toimisivat reaaliajassa.
oppimaan eli mukautumaan muuttuvaan ympäristöön adaptiivisesti.

Tietoliikenteessä signaalit ovat tyypillisesti viivästyneitä, vaimentuneita, Doppler-ilmiön alaisia (lähenevän kohteen taajuus on suurempi kuin loitontuvan kohteen taajuus), sekoittuneet muihin lähistöllä oleviin signaaleihin, ovat kaikuneet jne. Langattomassa tietoliikennetekniikassa näiden epäideaalisuuksien eliminoimiseksi on kehitetty muun muassa CDMA-teknologiaa, johon esimerkiksi UMTS-standardi nojautuu.

Katso myös

Kirjallisuutta

Callager, Robert G.: Information Theory and Reliable Communication. John Wiley and Sons, Inc., 1968. ISBN 0471290483