MKT - Modul 6

Komentáře

Transkript

MKT - Modul 6
Výukový program:
Moderní komunikační technologie
Modul 6:
Mobilní rádiové sítě
Ing. Roman Šebesta
Výukový program: Moderní komunikační technologie
1
6 Mobilní rádiové sítě
Cíl modulu:
• vysvětlení principu zpracování signálu v obecném radiokomunikačním systému
• seznámení
systémech
se
základními
principy
používanými
v radiokomunikačních
• seznámení s evropským standardem pro mobilní komunikace GSM, s mobilními
systémy 2,5 generace HSCSD, GPRS a EDGE a systémem 3. generace UMTS
• základní popis systému pro bezšňůrové telefony DECT a systémů pro paging
ERMES a RDS
• vysvětlení principu přenosu dat prostřednictvím bezdrátových sítí WiFi
• seznámení s principy družicové komunikace, popis vybraných družicových sítí
a navigačního systému GPS
Návod na práci s modulem:
Jednotlivé kapitoly tohoto modulu jsou zpřístupněny prostřednictvím záložek.
Bližší vysvětlení některých zkratek a odborných termínů je dostupné pomocí
hypertextového odkazu. Každá podkapitola má osnovu a stručnou anotaci.
Osnova:
6.1 Úvod
6.2 Základní koncepce a používané techniky radiokomunikačních systémů
6.3 Mobilní radiotelefonní systémy
6.4 Systémy pro bezšňůrové telefony
6.5 Systémy pro paging
6.6 WiFi
6.7 Družicové komunikační systémy
2
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.1 Úvod
Anotace:
V této kapitole budou uvedeny základní pojmy z oblasti šíření rádiových vln.
Na základě rozdělení kmitočtového spektra bude možno začlenit příslušné
rádiové sítě a systémy do uvedených kmitočtových pásem. Dále bude uvedeno
možné rozdělení radiokomunikačních systémů dle různých hledisek. V závěru
kapitoly bude nastíněna problematika zpracování signálu od jeho zdroje až
po koncový stupeň.
Osnova:
6.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra
6.1.2 Rozdělení radiokomunikačních systémů
6.1.3 Obecné schéma radiokomunikačního systému
V současné době dochází k prudkému rozvoji informačních a komunikačních
technologií. Neustále stoupají požadavky na kvalitu služeb a jejich maximální dostupnost.
Vysokorychlostní datové komunikace spojené s neustále narůstajícími požadavky
na přenosovou kapacitu zásadním způsobem ovlivnily telekomunikační trh. Novým
požadavkem, který se v několika posledních letech velice rychle prosazuje, je mobilita
uživatele. Uživatel již nechce být vázán doma na pevnou přípojku, ale chce využívat
telekomunikační služby kdekoli, nezávisle na připojení do sítě. Tuto mobilitu uživatele lze
zajistit použitím rádiových prostředků.
Tento modul je věnován problematice mobilních rádiových sítí. Jedná se o velice
obsáhlou oblast, která úzce souvisí s přístupovými sítěmi. Z tohoto důvodu jsou některé
bezdrátové mobilní systémy a technologie uvedeny v modulu 5. Tento modul je zaměřen
zejména na nejrozšířenější a nejpopulárnější systém současnosti – systém GSM. Další
informace o mobilních rádiových sítích, jenž jsou zde popsány, lze nalézt v [1], [2], [3], [4],
[5], [6] a [7].
6.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra
Radiokomunikační systémy využívají k přenosu informace volné prostředí (volný
prostor), ve kterém je informace přenášena od vysílače k přijímači prostřednictvím rádiových
vln. Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vlnění v kmitočtovém pásmu 10 kHz až
3000 GHz, což odpovídá vlnovým délkám v rozsahu 30 km až 0,1 mm. Vzájemný vztah mezi
vlnovou délkou λ a kmitočtem vlny f je dán vztahem
λ=
c
f
(6.1)
kde c je rychlost šíření elektromagnetických vln ve volném prostoru c ≅ 3.108 m/s
(300000 km/s).
Výukový program: Moderní komunikační technologie
3
Základní rozdělení rádiových vln podle jejich kmitočtu a vlnové délky je stanoveno
Radiokomunikačním řádem a je uvedeno v tabulce 6.1.
Tab. 6.1 Kmitočtová pásma rádiových vln
kmitočet
délka vlny
symboly
český název
3 - 30 kHz
100 - 10 km
VLF
velmi dlouhé
30 - 300 kHz
10 - 1 km
LF
dlouhé
300 - 3000 kHz
1000 - 100 m
MF
střední
3 - 30 MHz
100 - 10 m
HF
krátké
30 - 300 MHz
10 - 1 m
VHF
velmi krátké
300 - 3000 MHz
10 - 1 dm
UHF
ultra krátké
3 - 30 GHz
10 - 1 cm
SHF
centimetrové
30 - 300 GHz
10 - 1 mm
EHF
milimetrové
300 - 3000 GHz
1 - 0,1 mm
-
-
Elektromagnetické vlny se šíří přímým směrem. V přírodních podmínkách je však směr
a charakter šíření ovlivněn různými jevy, jako odraz, lom, difrakce nebo interference. Rádiové
vlny se šíří vzhledem k popsaným fyzikálním jevům rovnoběžně k zemskému povrchu,
přímočaře nebo prostřednictvím odrazů od troposféry (ve výšce cca 10 km) či ionosféry
(ve výšce cca 50 km). V každém kmitočtovém pásmu existují rozdílné fyzikální podmínky
šíření rádiových vln. Z toho potom vyplývá i účel využití příslušného pásma.
6.1.2 Rozdělení radiokomunikačních systémů
Radiokomunikační systémy lze rozdělit podle různých hledisek. Podle způsobu
realizace rádiového spojení je dělíme na jednosměrné a obousměrné, podle použité
technologie na analogové a digitální, podle prostředí na pozemní a družicové, podle struktury
použitých sítí na systémy buňkové a nebuňkové atd.. Velice důležité je hledisko mobility,
podle kterého rozdělujeme radiokomunikační systémy na
•
stacionární – spojení mezi pevnými body na zemském povrchu
•
mobilní – jeden případně oba účastníci vzájemné komunikace se mohou pohybovat
Pomocí mobilních systémů lze tedy účastníkům vzájemné komunikace poskytnout tzv.
pohyblivé služby (pozornost bude věnována pozemní pohyblivé službě). Mobilní systémy,
které tyto služby zajišťují, se proto také někdy nazývají systémy pozemní pohyblivé služby.
Podle možnosti přístupu široké veřejnosti k jejich službám je dělíme na veřejné a neveřejné,
jak je uvedeno na obrázku 6.1.
SYSTÉMY POZEMNÍ
POHYBLIVÉ SLUŽBY
veřejné
buňkové
radiotelefonní
sítě
bezšnůrové
telefony
neveřejné
vyhledávací
sítě
(Paging)
bezdrátové
sítě LAN
(WLAN)
Obr. 6.1 Rozdělení pozemních mobilních rádiových systémů
speciální sítě
4
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
U veřejných systémů má přístup k jejich službám široká veřejnost podobně jako
v případě klasické telefonní sítě. Neveřejné systémy jsou většinou provozovány uživatelem
(firmou) jen pro vlastní potřebu, popř. může provoz pro uživatele zajišťovat servisní
organizace. Jsou určeny pro uzavřené skupiny uživatelů, jako jsou bezpečnostní složky,
hasiči, záchranná služba, energetika, ale i stavební podniky, dopravní podniky atd..
6.1.3 Obecné schéma radiokomunikačního systému
Na obrázku 6.2 je znázorněno obecné schéma radiokomunikačního systému. Toto
schéma lze aplikovat především na systémy digitální, tedy např. na digitální buňkové
radiotelefonní systémy, na družicové digitální radiokomunikační systémy apod.. Pokud se
však v tomto schématu vypustí některé bloky (kodéry a dekodéry), je použitelné i pro
vývojově starší analogové systémy. Toto schéma lze po menších úpravách rovněž aplikovat
i na systémy s jinými komunikačními kanály, např. s metalickými spoji, s optickými spoji
apod..
Na vstupu vysílače je zdroj signálu (např. mikrofon), který přeměňuje přenášenou
informaci, jež může mít v obecném případě původně charakter neelektrické veličiny,
na elektrický signál.
V následujícím kodéru zdroje signálu dochází nejdříve k digitalizace signálu (pokud
neměl již předtím digitální podobu) a poté se podrobují vlastnímu zdrojovému kódování. Tím
se v nich potlačuje redundance (nadbytečnost, resp. větší množství dat, než je nezbytné pro
přenos informace vzhledem ke ztrátám v komunikačním kanálu) a irelevance (nepodstatná
informace), což se projeví ve snížení přenosové rychlosti na výstupu kodéru zdroje. Proces
zdrojového kódování se také označuje jako komprese dat.
diskrétní sdělovací kanál
spojitý sdělovací kanál
vysílač
přijímač
volné prostředí
modulátor
demodulátor
kodér kanálu
dekodér kanálu
kodér zdroje
dekodér zdroje
zdroj signálu
koncový stupeň
Obr. 6.2 Obecné schéma radiokomunikačního systému
Výukový program: Moderní komunikační technologie
5
V následujícím kodéru kanálu je signál zabezpečen proti chybám při přenosu.
K binární užitečné informační sekvenci se naopak určitá redundantní složka přidává. Ta je
potom využívána k potlačení rušivého působení šumu a interferencí, způsobujících chybovost
přenosu. Nedílnou součástí kanálového kódování bývá tzv. prokládání (interleaving), jehož
cílem je zabezpečit signál proti shlukům chyb.
Uvedeným dvojím kódováním se získává digitální signál s potlačenou redundancí
a irelevancí a se zvýšenou odolností proti faktorům způsobujícím chybovost. Ten dále vchází
do modulátoru, kde se digitální signál moduluje pomocí vhodného digitálního modulačního
způsobu (formátu) na vysokofrekvenční nebo na mikrovlnnou nosnou vlnu. Modulace je
obecně definována jako proces, při němž se některý parametr této nosné vlny (amplituda,
kmitočet, fáze) mění v rytmu modulačního signálu. V určitém rádiovém prostředí je potom
možné přenášet na nosných vlnách s různými kmitočty velké množství zcela nezávislých
modulačních signálů. Zcela obecně lze tedy definovat optimální modulátor jako funkční blok,
který co nejlépe přizpůsobuje přenášený modulační signál k parametrům následujícího
rádiového komunikačního kanálu.
Komunikačním kanálem se obecně rozumí fyzikální prostředí, sloužící k přenosu
signálu mezi vysílačem a přijímačem. Rádiový komunikační kanál je specifikován určitými
parametry, které mohou mít jednak náhodný charakter (náhodný šum, náhodné rušení,
vícecestné šíření signálu, různé typy úniků apod.) a jednak nenáhodný charakter (doba šíření
signálu kanálem, jeho fázový posuv apod.).
Na přijímací straně je signál nejprve demodulován. Na výstupu demodulátoru se
objevuje signál, shodující se zpravidla až na rozličná zkreslení a šum se signálem na výstupu
kodéru kanálu vysílače (rozhoduje na základě přijatého signálu o vyslaných znacích).
Následující dekodér kanálu na základě znalosti algoritmu kanálového kódování
a s využitím ochranné redundantní informace obsažené v přijímaném signálu provádí
rekonstrukci originální informační sekvence.
Dekodér zdroje, zařazený za dekodér kanálu, realizuje inverzní operace vůči kodéru
zdroje. Redundantní informace, potlačená v kodéru zdroje, má charakter predikovatelné
veličiny a může být ve zdrojovém dekodéru opět doplněna. Naproti tomu irelevance, jednou
odstraněná ze signálu, je nenávratně ztracena a nelze ji žádným způsobem obnovit.
V koncovém stupni přijímače potom konečně dochází k případnému převodu
elektrického signálu na neelektrickou výstupní informaci (převod může realizovat např.
reproduktor apod.).
Kontrolní otázky
1. Jak velké musí být překážky v pásmu ultra krátkých vln, aby došlo k odrazu rádiových
vln?
2. Objasněte pojem redundance a relevance v souvislosti s hovorovými signály?
6
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.2 Základní koncepce a používané techniky
radiokomunikačních systémů
Anotace:
V této kapitole bude vysvětlena koncepce a techniky používané
u radiokomunikačních systémů. Větší pozornost bude věnována buňkové
(celulární) struktuře a principu přepojování spojení tzv. handoveru, který s touto
strukturou bezprostředně souvisí.
Osnova:
6.2.1 Způsoby přenosu
6.2.2 Přístupové techniky
6.2.3 Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace
6.2.4 Handover
6.2.1 Způsoby přenosu
V radiokomunikačních systémech se používají různé způsoby přenosu. Podle toho,
v jakém směru probíhá komunikace mezi dvěmi účastníky, rozlišujeme následující způsoby
přenosu:
•
simplexní přenos (simplex) – komunikace mezi účastníky je uskutečněna pouze
v jednom směru a je pro ni vyhrazen pouze jeden kanál (využití např. distribuce
informací, rádiový paging atd.)
•
poloduplexní přenos (poloduplex) – komunikace probíhá na jednom kanále oběma
směry, které je však třeba přepínat (využití např. rádiová pojítka policie, taxislužby
atd.).
•
plněduplexní přenos (duplex) – komunikace probíhá současně oběma směry,
v každém směru přenosu je vyhrazen jeden kanál. Podle toho, jakým způsobem je
provedeno oddělení směrů přenosu, rozdělujeme duplexní přenos na:
ƒ
kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) – oddělení směrů přenosu je
provedeno v kmitočtové oblasti, každý směr má přidělen jiný rádiový kanál (každý
v jiném kmitočtovém pásmu), které spolu tvoří tzv. duplexní pár (využití např.
radiotelefonní systémy).
ƒ
časový duplex TDD (Time Division Duplex) – oddělení směrů přenosu je
provedeno v časové oblasti, každému směru je přiřazen jeden časový úsek
(timeslot) v rámci jednoho rádiového kanálu (využití např. bezšňůrové telefony).
Výukový program: Moderní komunikační technologie
7
6.2.2 Přístupové techniky
Tyto techniky určují, jakým způsobem sdílí více účastníků rádiové prostředí. V podstatě
se jedná o metody, které rozdělují přenosové médium na jednotlivé kanály, které pak
účastníci používají ke komunikaci. V současné době existují tyto základní metody
mnohonásobného přístupu:
•
FDMA (Frequency Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s frekvenčním
dělením
•
TDMA (Time Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s časovým dělením
•
CDMA (Code Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s kódovým dělením
U mnohonásobný přístupu FDMA má každý účastník systému přidělené určité
kmitočtové pásmo (rádiový kanál), které ve stejnou dobu nemůže používat jiný účastník.
Nevýhodou je malé využití přenosové kapacity kanálu. Různí účastníci tedy mohou využívat
systém současně ve stejnou dobu, každému je však přiřazen jiný rádiový kanál. Tato metoda
se používala v nejstarších analogových systémech.
U mnohonásobného přístupu TDMA je každému účastníkovi přidělen v určitém
rádiovém kanálu pouze krátký časový úsek (timeslot), který je součástí tzv. TDMA rámce,
který se cyklicky opakuje. Vzhledem k tomu, že přenos neprobíhá spojitě v čase, ale ve stejně
dlouhých, pravidelně se opakujících časových úsecích, vyžaduje tato metoda složitější
časovou synchronizaci. Různí účastníci tedy využívají stejný rádiový kanál systému, avšak
každý v jiném časovém úseku. Tato metoda je použitelná pouze v digitálních systémech.
Technika mnohonásobného přístupu CDMA je založena na technologii rozprostřeného
spektra. Jednotliví účastníci jsou rozlišeni individuálním pseudonáhodným kódem, který se
na vysílací straně používá k rozprostření vysílaného signálu do širokopásmové podoby.
Používané kmitočtové pásmo mohou sdílet nejen ostatní účastníci systému, ale i jiné systémy
pracující na odlišných principech. Na přijímací straně se ze směsi signálu vybere na základě
znalosti kódu účastníka požadovaný signál. Přístup CDMA vyžaduje složitou synchronizaci.
Různí účastníci tedy využívají ve stejném okamžiku stejný rádiový kanál, ale jsou od sebe
rozlišeni individuálními kódy.
V praktických aplikacích je přidělené kmitočtové pásmo rozděleno metodou FDMA
na rádiové kanály, ve kterých jsou pak metodou TDMA respektive CDMA vytvořeny
jednotlivé účastnické kanály.
6.2.3 Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace
Moderní systémy pro mobilní komunikaci používají buňkovou (celulární) strukturu.
Území, které chceme pokrýt signálem (např. území jednoho státu), je rozděleno na velké
množství malých oblastí tzv. buněk. Pro buňkové systémy je typické tzv. mnohonásobné
opakování kmitočtu. Sousední buňky nemohou z důvodu rušení používat stejné kmitočty,
vzdálenější buňky však ano. Buňky, které používají různé kmitočty, vytváří tzv. svazek
buněk, který se na daném území opakuje a proto je možné tímto způsobem s omezeným
kmitočtovým pásmem pokrýt nekonečně rozlehlé území. Celá situace je znázorněna
na obrázku 6.3a.
8
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
2R
2
3
7
1
4
6
5
2
3
1
4
O
7
6
5
překrývání buňek
a)
3 sektory
6 sektorů
b)
Obr. 6.3 Mnohonásobné využití kmitočtů, překrývání a sektorizace buněk
Obsluhovaná oblast je rozdělena na 14 buněk, které vytvářejí 2 svazky po 7 buňkách.
Uprostřed každé buňky je umístěna základnová rádiová stanice BTS (Base Transceiver
Station) pracující s určitou skupinou rádiových kanálů, která svým signálem pokrývá oblast
této buňky a zajišťuje spojení mobilních účastníků nacházejících se v této buňce se systémem.
Např. první buňce prvního svazku jsou přiděleny rádiové kanály č. 1 až 10, druhé buňce
kanály č. 11 až 20, atd., až poslední sedmé buňce prvního svazku kanály č. 61 až 70. Všech
70 kanálů tohoto svazku je však možné opět využít v dalším sousedním svazku. Aby se
v uvedeném příkladu vzájemně nerušil rádiový provoz v buňkách využívajících stejné rádiové
kanály, musí být jejich vzdálenost rovna přibližně pětinásobku ekvivalentního poloměru
buňky. Vzájemná vazba mezi poloměrem buňky R , počtem buněk ve svazku N a příslušném
odstupu dvou buněk stejných frekvencí sousedních svazků O je dána vztahem
O = R 3N
(6.2)
Svazek může obsahovat různý počet buněk (např. 3, 7, 9). Větší počet buněk způsobuje
menší rušení, protože rušící buňky jsou relativně dále.
Popsaný způsob rozdělení rádiových kanálů do jednotlivých buněk svazku, kdy každá
základnová stanice má přístup pouze k omezenému počtu rádiových kanálů svazku se nazývá
pevné přidělování kanálů FCA (Fixed Channel Allocation). Toto rozdělení však není
nejefektivnější, neboť může nastat situace, kdy v jedné buňce svazku bude nedostatek
volných rádiových kanálů, zatímco rádiové kanály v jiné buňce téhož svazku nebudou
stoprocentně využity. Uvedený problém se řeší tzv. dynamickým přidělováním kanálů DCA,
DCS (Dynamic Chanell Allocation, Selection). V tomto případě má každá základnová stanice
přístup ke všem kanálům svazku. Jejich použití však závisí na tom, zda volný rádiový kanál
není zrovna využíván v sousední buňce, což musí být zjištěno monitorováním provozu
v okolních buňkách.
Další zvýšení kapacity sítě lze provést tzv. sektorizací buněk nebo překrýváním buněk
(obrázek 6.3b). Při sektorizaci buněk se každá buňka rozdělí na 3 nebo 6 kruhových výsečí
tzv. sektorů, ve kterých je zajištěno spojení s mobilní stanicí pomocí příslušné dvojice
vysílač-přijímač a směrových antén. Tak se zvýší počet kanálů jedné buňky na trojnásobek
resp. šestinásobek a jednotlivé kanály se mohou na daném území opakovat častěji. Buňky
mají menší rozměry a základnové vysílače tak vystačí s menšími výkony. Při překrývání
buněk je do přetížené buňky přidána další základnová stanice využívající kanály sousedních
Výukový program: Moderní komunikační technologie
9
buněk. Výkon vysílače této základnové stanice je omezen, takže svým signálem pokrývá
pouze část území původní buňky a nedochází k interferencím se signály sousedních buněk.
Buňková struktura je velice flexibilní co se týče kapacity systému. Kapacitu lze
regulovat velikostí buněk. Buňky nejsou stejně velké nejen z důvodů různého terénu, ale
jejich velikost se mění podle předpokládané hustoty provozu a předpokládaného počtu
účastníků. Rozlišujeme:
• makrobuňky – velké buňky o poloměru až desítek km, používají se ve venkovských
a příměstských oblastech s malou hustotou provozu.
• mikrobuňky – malé buňky s poloměrem do 1 km, používají se v oblastech s větším
provozem, např. v centru měst.
• pikobuňky – velice malé buňky o poloměru menším než 50 metrů, používají se
v místech s vysokou koncentrací uživatelů, např. nádraží, obchodní domy, buňky
v poschodích nad sebou ve výškových budovách, aj.
• buňky deštníkového typu (umbrella cells) – zvláštní typ buněk, které vykrývají
nepokryté části území mezi menšími pikobuňkami nebo mikrobuňkami.
U makrobuněk je poměrně jednoduché předvídat hustotu provozu. Pro mikrobuňky
a pikobuňky je toto určení obtížnější. Se zmenšujícím se poloměrem buněk rovněž prudce
rostou požadavky na handover, protože k němu dochází mnohem častěji.
6.2.4 Handover
Handover je přepnutí spojení mezi mobilní stanicí MS (Mobile Station) a BTS během
komunikace z jednoho rádiového kanálu na jiný. Dochází k němu na základě rádiové nebo
síťové příčiny, když systém vyhodnotí nový rádiový kanál jako kvalitnější (např. změna
buňky, špatná kvalita rádiového kanálu - rušení, velká vzdálenost (zpoždění); rozdělení
zatížení, optimalizace vysílacího výkonu atd.). Většinou k handoveru dochází na hranicích
mezi buňkami. Důležité je, která část systému činí rozhodnutí o handoveru, která část provádí
měření a jaký je průběh přepínacího procesu. Podle průběhu přepínacího procesu rozdělujeme
handover na
•
Tvrdý – systém nejdříve odpojí MS z původního kanálu a teprve potom ji připojí
na nový kanál. Při přepnutí dochází ke krátkému přerušení spoje (do 100 ms), což při
přenosu hovorového signálu účastník nepostřehne, avšak při přenosu datových signálů
může přepnutí způsobit ztrátu informace. Tento typ handoveru je využit např.
u systému GSM.
•
Seamless (bezešvý) – nejdříve se vytvoří spojení na novém kanálu (po určitou krátkou
dobu existuje paralelní spojení na dvou kanálech) a teprve pak je původní kanál
odpojen. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT.
•
Měkký – mobilní stanice je neustále připojena na všechny dostupné základnové
stanice (minimálně 2) a spojení se uskutečňuje paralelně po všech kanálech (zvýšené
nároky na kapacitu sítě). Při pohybu MS v síti se některá spojení ruší a jiná vznikají.
Připojení na více BTS způsobuje větší nároky na kapacitu sítě. Tento typ handoveru
využívají např. radiotelefonní systémy 3. generace UMTS.
10
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Podle toho, která část systému provádí měření kvality spojení, rozhoduje o handoveru
a řídí jej, rozdělujeme handover do následujících skupin:
•
Sítí řízený handover NCHO (Network Controlled Handover) – Měření kvality kanálu
provádí pouze BTS a na základě výsledků měření signálu provádí rozhodnutí
o přepnutí. Na MS nejsou kladeny žádné požadavky. Nejčastěji se používá
v analogových systémech.
• Handover řízený mobilní stanicí MCHO (Mobile Controlled Handover) – Měření
kvality všech kanálů provádí MS i BTS. Rozhodnutí o přepnutí provádí MS, která je
předá do systému a ten zajistí provedení přepnutí. V tomto případě rostou technické
nároky na MS. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT.
• Sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice MAHO (Mobile Assisted Handover)
– MS neustále měří velikost signálu sousedních BTS a výsledky měření předává
servisní BTS (ke které je zrovna připojena). Současně MS i BTS provádí měření
kvality probíhajícího spojení. Na základě naměřených údajů provádí systém
rozhodnutí o uskutečnění handoveru. Tento typ handoveru je využit např. u systému
GSM.
Kontrolní otázky
1. Kolik může být uskutečněno současných spojení v systému využívající principu FDMA
v případě, kdy daný systém využívá pásmo o šířce 25 MHz s odstupem rádiových kanálů
200 kHz?
2. Jaká musí být minimální vzdálenost mezi buňkami využívající stejné kmitočty rádiových
kanálů v případě použití svazku buněk, který je tvořen 12 buňkami o průměru 3OO m?
3. Co může způsobit použití tvrdého handoveru při přenosu dat?
Výukový program: Moderní komunikační technologie
11
6.3 Mobilní radiotelefonní systémy
Anotace:
V této kapitole bude stručně popsán vývoj radiotelefonních systémů. Velká
pozornost bude věnována systému GSM, jeho architektuře, zpracování signálu
a otázkám souvisejících s jeho zabezpečením. Rovněž zde budou popsány
způsoby, jakými lze v mobilních radiotelefonních sítích zabezpečit přenos dat.
Závěr této kapitoly je věnován základnímu popisu systému UMTS, který je
v současné době vývojově nejmodernějším systémem.
Osnova:
6.3.1 Generace radiotelefonních systémů
6.3.2 Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové úrovně
6.3.3 Architektura systému GSM
6.3.4 Zpracování signálu v systému GSM
6.3.5 Zabezpečení v systému GSM
6.3.6 Přenos dat v mobilních sítích
6.3.7 Vývojové trendy – UMTS
6.3.1 Generace radiotelefonních systémů
Radiotelefonní systémy nabízející obdobné služby jako pevné sítě mají oproti těmto
sítím jednu obrovskou výhodu a tou je mobilita uživatelů. Proto jsou často označovány jako
mobilní sítě. Celosvětový vývoj těchto systémů je obecně rozdělen do několika generací:
•
1. generace – jednalo se o analogové systémy určené pro hlasové služby využívající
přístupovou metodu FDMA. Mezi tyto systémy patří např. skandinávský systém NMT
(Nordic Mobile Telephone), americký systém AMPS (Advanced Mobile Phone
System), britský systém TACS (Total Access Communications System) či německý
systém C-450.
•
2. generace - jedná se o digitální systémy využívající přístupovou metodu TDMA
a digitální modulační techniky. K hlavním výhodám patří efektivnější využití
přidělených kmitočtových pásem, vyšší provozní kapacita, vyšší kvalita spojení,
vysoká úroveň zabezpečení, rozšíření sortimentu nabízených služeb a zavedení
mezinárodního roamingu. Mezi tyto systémy patří např. evropský standard GSM
(Global System for Mobile Communication), americké systémy ADC (American
Digital Cellular) označované taky jako IS-54 a IS-95 (Interim Standard) či japonský
systém JDC (Japan Digital Cellular). Přehled základních světových standardů, spolu
s uvedením jejich základních technických parametrů, je pro analogové systémy 1.
generace uveden v tabulce 6.2 a pro digitální systémy druhé generace je uveden
v tabulce 6.3.
•
2,5. generace – tato generace tvoří jakýsi přelom mezi systémy druhé generace, jež se
orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především
12
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
na služby datové. Nejedná se tedy o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících
systémů druhé generace, která umožňují operátorům nabídnout vysokorychlostní
přenos dat pro koncové uživatele. Tyto systémy jsou blíže popsány v kapitole 6.3.6.
•
3. generace – v této generaci digitálních systémů je hlavní důraz kladen
na vysokorychlostní přenos dat. V Evropě se třetí generace sítí nazývá UMTS
(Universal Mobile Telephony System), v Americe se používá také název CDMA 2000.
Systému UMTS je věnována kapitola 6.3.7.
Tab. 6.2 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 1. generace
Systém
AMPS
TACS
C 450
NMT 450
NMT 900
824 - 849
869 - 894
890 - 915
935 - 960
450 - 455,74
460 - 465, 74
453 - 457,5
463 - 467,5
890 - 915
935 - 960
Odstup rádiových kanálů [kHz]
30
25
10
25
12,5
Počet rádiových kanálů
832
1000
573
180
1999
Kmitočtový odstup FDD [MHz]
45
45
10
10
45
Amerika
Austrálie
JV Asie
Afrika
Evropa
Afrika
JV Asie
Německo
Portugalsko
Evropa
Afrika
JV Asie
Evropa
Afrika
JV Asie
Kmitočtový rozsah [MHz]
Využití na území
Tab. 6.3 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 2. generace
Systém
GSM
IS 54
IS 95
JDC
FDMA / TDMA
FDMA / TDMA
FDMA / CDMA
FDMA / TDMA
890 - 915
935 - 960
824 - 848
869 - 894
824 - 848
869 - 894
810 - 826
940 - 956
Duplex
FDD
FDD
FDD
FDD
Odstup rádiových kanálů [kHz]
200
30
1250
25
Digitální modulace
GMSK (BT = 0,3)
π /4 QPSK
QPSK, OQPSK
π /4 QPSK
Zdrojové kódování
RPE - LTP
VSELP
QCELP
VSELP
Přenosová rychlost [kbit/s]
13
8
Počet účastnických kanálů v
rádiovém kanálu
8
3
není fixní
3
konvoluční 1/2
konvoluční 1/2
konvoluční
1/2, 1/3
CRC
270,833
48,6
1228,8
42
Mnohonásobný přístup
Kmitočtový rozsah [MHz]
Kanálové kódování
Přenosová rychlost [kbit/s]
9,6
4,8
2,4
1,2
8
Výukový program: Moderní komunikační technologie
13
6.3.2 Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové
úrovně
Digitální systém GSM patří k druhé generaci veřejných radiotelefonních systémů.
Podněty k vývoji tohoto Evropskému standardu vznikly na počátku osmdesátých let
v organizaci CEPT (Conference of European Post and Telekommunications Administrations),
sdružující poštovní a telekomunikační správy západoevropských zemí. Na vypracování
standardu GSM se podílel také Evropský telekomunikační standardizační institut ETSI
(European Telecommunications Standard Institute). První část doporučení tzv. Phase 1 byla
vydána v roce 1991. V současné době se tento systém ve velké míře využívá také k přenosu
datových signálů.
Rozdělení kmitočtového pásma
Základní primární systém GSM, označovaný také jako PGSM (Primary GSM) nebo
GSM 900, má přidělené kmitočtové pásmo 890 MHz až 960 MHz. Toto pásmo je rozděleno
na dvě části:
•
890 – 915 MHz – pro spojení MS → BTS, tzv. směr uplink
•
935 – 960 MHz – pro spojení BTS → MS, tzv. směr downlink
Je zde tedy použit přístup FDMA a kmitočtový duplex FDD. Základnové stanice
vysílají na vyšším kmitočtu duplexního páru, jehož rozteč je 45 MHz. Uvnitř každého pásma
je vytvořeno 124 rádiových kanálů. Šířka pásma jednotlivých rádiových kanálů je 200 kHz.
Zbylá 125. část je rozdělena na poloviny (2 x 100 kHz), které tvoří oddělovací úseky
na horním a na dolním konci každého pásma. Pro číslo rádiového kanálu, které může nabývat
hodnot od 1 do 124, se používá označení ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel
Number). Systém PGSM používá tedy 124 duplexních kanálů. Kmitočet nosné pro uplink
f CUL (n) i downlink f CDL (n) lze určit ze vztahů
f CUL (n) = 890 + 0,2 n
f CDL (n) = f CUL (n) + 45
[MHz ],
[MHz ],
(6.3)
(6.4)
kde n = ARFCN , pro něž platí 1 ≤ n ≤ 124 . Rozdělení pásma na jednotlivé rádiové kanály je
naznačeno v tabulce 6.4. V každém rádiovém kanálu je metodou TDMA vytvořeno 8
časových intervalů TS (Time Slot) nebo-li timeslotů (účastnických kanálů), které tvoří rámec
TDMA (TDMA Frame). Celkový počet účastnických duplexních kanálů je 124 x 8 = 992.
Rozdělení rádiových a účastnických kanálů je přehledně naznačeno na obrázku 6.4.
14
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Tab. 6.4 Rozdělení kmitočtového pásma systému PGSM
n
fCUL [MHz]
fCDL [MHz]
1
890,2
935,2
2
890,4
935,4
3
890,6
935,6
4
890,8
935,8
5
891,0
936,0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
121
914,2
959,2
122
914,4
959,4
123
914,6
959,6
124
914,8
959,8
Kmitočet
200
kHz
577 μ s
f6
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
f5
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
f4
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
f3
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
f2
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
f1
TS 0
TS 1
TS 2
TS 3
TS 4
TS 5
TS 6
TS 7
TDMA rámec
4,615 ms
čas
Obr. 6.4 Rádiové a účastnické kanály v systému GSM
Rozšířená verze systému GSM, označovaná jako EGSM (Extended GSM) navýšila
kapacitu systému o 50 duplexních kanálů. Kmitočtová pásma, která využívá systém PGSM,
jsou na spodních okrajích rozšířena o 10 MHz. Ochranný úsek 100 kHz na spodních koncích
obou pásem se posunul o 10 MHz níže. Kmitočet nosné pro uplink se určí ze vztahů
f CUL (n) = 890 + 0,2 n
f CUL (n) = 890 + 0,2 (n − 1024)
[MHz ],
[MHz ],
Pro kmitočet nosné f CDL (n) platí vztah (6.4).
kde 0 ≤ n ≤ 124
(6.5)
kde 975 ≤ n ≤ 1023 .
(6.6)
Výukový program: Moderní komunikační technologie
15
Systém GSM 1800, označován rovněž jako DCS-1800 (Digital Cellular System 1800),
používá kmitočtová pásma
•
1710 MHz až 1785 MHz pro uplink a
•
1805 MHz až 1880 MHz pro downlink.
Stejným způsobem je v těchto pásmech umístěno 374 rádiových kanálů s odstupem
200 kHz (2992 účastnických kanálů. Stejně jako u obou předchozích systémů jsou na horních
a spodních okrajích obou pásem opět oddělovací úseky 100 kHz. Rozteč duplexního páru je
95 MHz. Kmitočty nosných pro uplink a downlink se určí ze vztahů
f CUL (n) = 1710 + 0,2 (n − 511)
f CDL (n) = f CUL (n) + 95
[MHz ],
[MHz ].
kde 512 ≤ n ≤ 885
(6.7)
(6.8)
Výkonové úrovně
V tabulce 6.5 jsou uvedeny výkonové úrovně MS a BTS, jenž jsou rozděleny
do několika výkonových tříd. Minimální výkon mobilní stanice je 20 mW (13 dBm).
Tab. 6.5 Výkonové úrovně v systému GSM
Výkonová třída
Maximální výkon MS Maximální výkon BTS
1
20 W (43 dBm)
320 W (55 dBm)
2
8 W (39 dBm)
160 W (52 dBm)
3
5 W (37 dBm)
80 W (49 dBm)
4
2 W (33 dBm)
40 W (46 dBm)
5
0,8 W (29 dBm)
20 W (43 dBm)
6
-
10 W (40 dBm)
7
-
5 W (37 dBm)
8
-
2,5 W (34 dBm)
Uvedené výkony představují maximum. K minimalizaci interferencí a redukci spotřeby
je výkon jak na MS tak na BTS adaptivně nastaven vždy jen na takovou úroveň, která stačí
pro udržení požadované kvality spojení, kritériem je bitová chybovost BER (Bit Error Rate).
Výkon MS je řízen BTS po 13 rámcích (60 ms). Ruční MS patří do třídy 4, vozidlové
a přenosné MS mohou patřit do třídy 2. V tabulce 6.5 je uveden maximální vyzářený výkon
BTS připadající na jeden rádiový kanál. Střední výkon připadající na jeden kanál TDMA
(jeden účastnický kanál) vyzářený BTS je tedy osminový.
Pro GSM - Phase 2, jsou maximální výkony základnových stanic určených
pro mikrobuňky a pikobuňky menší. Dělí se do tříd:
•
M1 – 0,25 W (24 dBm)
•
M2 – 0,08 W (19 dBm)
•
M3 – 0,03 W (14 dBm)
Maximální výkon mobilní stanice je 2,5 mW (4 dBm).
16
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.3.3 Architektura systému GSM
Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval
přístup i do jiných sítí. Na obrázku 6.5 je znázorněna architektura systému GSM. Skládá se ze
tří tzv. subsystémů:
•
Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystém)
•
Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem)
•
Operační podpůrný subsystém OSS (Operation Support Subsystem)
BSS
Mobilní účastníci
NSS
BTS
EIR
BTS
BSC
AUC
F
TRAU
HLR
BTS
VLR
D
C
B
MSC
IWF
SS7
BTS
BTS
BSC
TRAU
Externí
sítě
BTS
OSS
BTS
BTS
BSC
Um
NMC
TRAU
Q3(X.25)
BTS
A-bis
ADC
OMC
A
Obr. 6.5 Architektura systému GSM
Mobilní stanice MS
Samotné MS jsou autonomní součásti systému GSM, nenáleží však k žádnému ze tří
uvedených subsystémů. Pod pojmem mobilní stanice se rozumí ve smyslu Specifikací GSM
nejen vlastní vysílač/přijímač (označovaný také jako mobilní uživatelská či účastnická
stanice, nebo terminál resp. tranceiver), ale navíc ještě předplatitelský identifikační modul,
resp. karta SIM (Subscriber Identity Module), která tuto stanici „odemyká“. Mobilní stanice
obsahuje
•
vysokofrekvenční část (modulátor, demodulátor, směšovače, duplexer)
•
obvody pro zpracování signálu v základním pásmu (převod A-D a D-A, funkce
zdrojového a kanálového kódování)
•
řídící mikroprocesorové obvody a paměti
•
obvody styku s obsluhou (klávesnice, displej, sluchátko, mikrofon)
•
rozhraní pro připojení periferních zařízení, např. počítače
•
napájecí zdroj
Výukový program: Moderní komunikační technologie
17
Bez vložené karty SIM je MS nefunkční, výjimku představuje pouze tzv. tísňové volání
na známé lince 112, které lze uskutečnit i bez této karty. SIM karta obsahuje čip
s mikroprocesorem, pamětmi RAM a ROM, ve kterých jsou uloženy důležité uživatelské
informace, které umožňují systému GSM ověřit před poskytnutím jakékoliv služby,
vyžadované určitým účastníkem, jeho autenticitu (totožnost). Karta SIM bývá v provedení
telefonní karta nebo v provedení zásuvný modul (plug-in).
MS je jednoznačně identifikována pomocí čísla IMEI (International Mobile
Equipment Identity), které je uloženo v její paměti. MS provádí celou řadu funkcí
(zabezpečení, kódování, šifrování a přenos hovorových a datových signálů, naladění
na požadovaný kmitočet, zajištění funkce ekvalizace, nastavení časového posuvu, sledování
kvality spojení, sledování výkonu a kvality signálu v sousedních buňkách pro optimální
handover a zasílání výsledků do sítě apod.).
Subsystém základnových stanic BSS
Tento subsystém, který je nazýván též rádiový subsystém tvoří:
•
Základnové stanice BTS (Base Tranceiver Stations) – zajišťují rádiové spojení
s mobilními stanicemi MS. Uvnitř každé buňky je obvykle umístěna jedna BTS, která
má nejčastěji 3 až 5 rádiových kanálů (24 až 40 účastnických kanálů). Každá BTS je
identifikována kódem BSIC (Base Station Identification Code).
•
Základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controller) – řídí větší počet BTS,
obvykle několik desítek a výjimečně až stovek. Stará se např. o kmitočtovou správu
a handover.
•
Transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit) – slouží pro
přizpůsobení bitových rychlostí, může realizovat také převod formátů signálů PCM
apod..
Síťový přepojovací subsystém NSS
Subsystém NSS, který se označuje také jako mobilní resp. radiotelefonní ústředna,
představuje hlavní (pevnou) část GSM sítě. Realizuje především přepojovací (spínací funkce),
podobně jako jej uskutečňuje klasická telefonní ústředna. Tento subsystém můžeme souhrnně
označit jako funkční celek, který řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM
a mezi účastníky externích telekomunikačních sítí. Subsystém NSS realizuje ještě celou řadu
specifických úloh spojených s mobilitou účastníků. Jediný subsystém NSS v praxi zajišťuje
radiotelefonní provoz na území, na němž žije několik stovek tisíc obyvatel (v ČR cca 10-20
NSS/operátora). Tento subsystém tvoří:
•
Radiotelefonní ústředna MSC (Mobile Switching Centre) – je nadřazena nad
systémem BSC a tvoří spínací prvek v síti (směrování hovorů z jednoho BSC
do druhého, do jiné MSC, zajišťuje výstavbu pojení). Umožňuje propojení mobilní sítě
do jiných externích sítí, jenž je zajištěno pomocí radiotelefonní ústředny s označením
GMSC (Gateway MSC). O spolupráci MSC s jinými sítěmi se stará jednotka
spolupráce IWF (Inter-Working Functionality), jenž je součásti MSC.
•
Návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register) – je databáze
uchovávající a obnovující data o „cizích“ účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí
v dané oblasti. Je do ní zkopírována většina položek z HLR. Uchování zmíněných dat
je zde však jen dočasné a ruší se v případě, kdy takový účastník opustí danou oblast.
18
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
•
Domovský lokační registr HLR (Home Location Register) – je databáze uchovávající
důležité informace o všech účastnících příslušejících „domovsky“ do oblasti dané
ústředny NSS. HLR lze rozdělit na dvě oblasti. V první jsou uložena neměnná data
(uživatelský profil, předplacené služby), ve druhé se ukládají dynamicky se měnící
data (poloha, kde se právě MS nachází – důležité pro příchozí hovory, zda právě
hovoří atd.). Tato účastnická data slouží především pro výstavbu spojení a vytváření
služeb. Každý účastník je zde označen unikátním číslem mezinárodní identity
mobilního účastníka IMSI (International Mobile Subscriber Identity).
•
Centrum autentičnosti AuC (Authenticity Centre) – je součástí HLR, uchovává
účastnické klíče nezbytné pro zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní.
Obsahuje klíče pro ověřování autentičnosti každého účastníka zaznamenaného
v registrech HLR a VLR (před zahájením komunikace ověřuje AuC totožnost každého
účastníka). Obsahuje šifrovací klíče, podle nichž se šifruje každý účastnický signál
přenášený rádiovým rozhraním; tento klíč je individuální pro každého účastníka
a navíc se mění s časem, takže ochrana přenášených dat je v systému GSM velmi
dokonalá.
•
Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) – tento registr identifikuje
zcizené nebo neoprávněně užívané MS, a to na základě dat jež tyto stanice vysílají
a jež nesouhlasí s údaji obsaženými v registrech HLR a VLR. V paměti MS (ne
v paměti SIM karty) je uložena její mezinárodní identifikace v podobě sériového čísla
přístroje IMEI, jenž může být použita ke kontrole při sestavování spojení (přes
signalizační kanál zaslána k MSC). Lze ji využít ke zjištění ukradené MS.
Operační podpůrný subsystém OSS
Jeho úkolem je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM, a to
především za podpory systémových techniků, provádějících monitorování, diagnostiku
a opravy poruch jednotlivých složek systému apod.. Do toho subsystému mají přístup
výhradně zaměstnanci daného operátora. Operační subsystém OSS provádí kontrolu a údržbu
veškeré technologie (hardwaru) daného systému, podílí se na managementu účastníků GSM,
tedy provádí jejich registraci, řeší otázky tarifování apod., podílí se na managementu
mobilních stanic, tyto stanice např. monitoruje, dále zjišťuje stanice porouchané apod.
Uvedené funkce plní v subsystému OSS tři funkční jednotky. Je to především:
•
Provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance Centre) –
centralizovaný bod pro dohled, zpracování analýzy a konfiguraci managementu pro
celou síť. Monitoruje a provádí údržbu všech bloků MS, BTS, BSC a MSC v rámci
daného systému GSM. Snaží se zabezpečit bezporuchový provoz tím, že identifikuje
chybnou část a hledá náhradní režim.
•
Centrum managementu (řízení) sítě NMC (Network Management Centre) – je
odpovědné za administraci, údržbu, integritu dat, za obnovu síťových parametrů,
za nahrávání softwaru a dat do síťových prvků a databází.
•
Administrativní centrum ADC (Administrative Centre).
Výukový program: Moderní komunikační technologie
19
Externí složky systému GSM
Všechny tři výše uvedené subsystémy (kromě mobilních stanic) se také označují jako
fixní podpůrné složky systému GSM nebo jako jeho infrastruktura. Systém GSM při plnění
svých funkcí však musí spolupracovat se třemi externími složkami. Prvou z nich jsou
uživatelé systému, označovaní také jako účastníci nebo-li předplatitelé (subscribers), kteří
využívají mobilní stanice. Další externí složkou systému GSM jsou operátoři, což jsou
společnosti angažující se v oblasti telekomunikačního podnikání. Ti systém GSM budují
a provozují, řídí ho tedy jak z hledisek ekonomických a finančních, tak i z hledisek
technických. Účtují účastníkům poskytované služby, vydávají a evidují karty SIM, zajišťují
technický servis infrastruktury systému apod.. Třetí kooperující externí složkou systému GSM
jsou externí telekomunikační sítě. K těm náleží především:
•
veřejná komutovaná telefonní síť PSTN (Public Switching Telecommunication
Network),
•
digitální sítě integrovaných služeb ISDN (Integrated Services Digital Network),
•
veřejné datové sítě s přepojováním okruhů CSPDN (Circuit Switched Public Data
Network),
•
veřejné datové sítě s přepojováním paketů PSPDN (Packed Switched Public Data
Network)
•
a jiné veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Network).
Rozhraní v systému GSM
Na obrázku 6.5 jsou vyznačena rovněž i příslušná rozhraní mezi jednotlivými funkčními
bloky systému GSM. Mezi mobilními stanicemi MS a základnovými stanicemi BTS se
nachází rádiové rozhraní Um (někdy označované jako I/F). Mezi stanicemi BTS a řídící
jednotkou BSC se nachází tzv. rozhraní Abis. Mezi řídící jednotkou BSC a mobilní ústřednou
MSC je potom rozhraní A, užívající signalizační systém č.7 SS7 (Signaling System No.7).
Ten podporuje komunikaci mezi základnovými stanicemi BSS a mobilní ústřednou MSC,
jakož i přenos síťových sdělení mezi individuálními účastníky a ústřednou MSC. Další
rozhraní jsou rovněž definována mezi jednotlivými funkčními bloky subsystému NSS a OSS.
6.3.4 Zpracování signálu v systému GSM
Zdrojové kódování
V systému GSM se používá jedna z moderních parametrických metod zdrojového
kódování, označovaná zkratkou RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long Term
Prediction). Tento kodek byl vybrán z celkem 20 návrhů z 9 zemí Evropy. Na základě
hodnocení kvality výsledného hovorového signálu a dále schopnosti transkódování.
Pro efektivní činnost kodéru musí být na jeho vstup přiveden speciálně upravený
digitalizovaný hovorový signál. Výstupní přenosová rychlost kodéru pro hovorový signál je
13 kbit / s . Podrobný popis této metody je příliš komplikovaný, proto budou dále uvedeny
pouze základní údaje.
Analogový hovorový signál v pásmu 300-3400 Hz je po filtraci vzorkován s kmitočtem
8 kHz a segmentován do časových rámců 20 ms, jak je uvedeno na obrázku 6.6. V analogově
20
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
digitálním převodníku se vytvoří v každém rámci 160 vzorků, z nichž každý je kódován 13
bity, tj.do 8192 úrovní. Bitová rychlost na vstupu kodéru je tedy
160.13
= 104 kbit / s .
20.10 −3
Procesem kódování jsou potom tyto segmenty převedeny na digitální hovorové rámce
po 260 bitech. Každý rámec obsahuje 47.4 = 188 bitů tzv. excitačního signálu, z něhož se
v dekodéru přijímače rekonstruuje požadovaný výstupní signál a 4.9 + 36 = 72 bitů
reprezentujících koeficienty digitálních filtrů. Celkem 260 bitů za 20 ms představuje výstupní
přenosovou rychlost signálu 13 kbit/s. Tyto bity jsou dále přeskupeny a uspořádány do skupin
vhodných pro následující ochranné kanálové kódování.
Analogový hovorový
signál
1
3
5
7
9
1 1
1 3
1 5
1 7
1 9
2 1
2 3
2 5
2 7
2 9
3 1
3 3
3 5
3 7
3 9
4 1
4 3
4 5
4 7
4 9
5 1
5 3
5 5
5 7
5 9
6 1
6 3
6 5
6 7
6 9
7 1
7 3
7 5
7 7
7 9
8 1
8 3
8 5
8 7
8 9
9 1
9 3
9 5
9 7
9 9
1 0 1
20 ms
Časové segmenty 20 ms
Kódovaný signál RPE/LTP
260 bitů
Ia
50
Ib
3
132
II
4
78
Přeskupení bitů
celkem (260 + 3 + 4) bitů
378
78
B
A
celkem 456 bitů
Konvoluční kódování
rychlost 1/2, omez. délka 5
C
57
Dělení na skupiny
Diagonální prokládání
Zdrojové a kanálové kódování hovorového signálu v celulárním radiotelefonním systému GSM
Obr. 6.6 Zpracování signálu v systému GSM
Kanálové kódování
Z celkového počtu 260 bitů hovorového rámce délky 20 ms, jsou však pro rekonstrukci
signálu na přijímací straně některé bity důležitější a některé méně důležité. 260 bitů je proto
rozděleno na tři části, tzv. třída Ia, třída Ib a třída II, které jsou podle své důležitosti
kódovány s různým stupněm zabezpečení. K nejdůležitějších 50 bitům třídy Ia se přidají 3
paritní bity, které usnadňují detekci nekorigovatelných chyb v přijímači. Ke 132 bitům třídy
Ib jsou přidány 4 koncové nulové bity. Zbylých 78 bitů třídy II se přenáší bez zabezpečení.
Je pak vytvořen blok o celkovém počtu bitů třídy I (50 + 3) + (132 + 4) = 189 bitů,
který je podroben protichybovému konvolučnímu kódování s kódovým poměrem R = 1/2
Výukový program: Moderní komunikační technologie
21
a omezovací délkou působení K = 5, čímž dojde k rozšíření tohoto bloku. Na výstupu
konvolučního kodéru dostáváme 2.189 = 378 bitů. Zbývajících 78 bitů se přiřadí
k zakódovaným bitům, čímž vznikne blok o 456 bitech, odpovídající časovému segmentu
20 ms. Ochranným kódováním dojde k navýšení přenosové rychlosti zakódovaného signálu
z původních 13 kbit/s na
456
= 22,8 kbit / s .
20.10 −3
Prokládání (Interleaving)
Aby bylo v systému GSM dosaženo co největší odolnosti vůči rušivému působení
shluků chyb, je konvoluční kódování kanálu doplňováno ještě tzv. prokládáním
(interleavingem). Každý blok s délkou 456 bitů, vytvořený kanálovým kódováním, se rozdělí
na 8 skupin po 57 bitech. Ty jsou metodou diagonálního prokládání proloženy s posledními
čtyřmi skupinami předchozího bloku a prvními čtyřmi skupinami následujícího bloku, jak je
zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6. V takto upraveném signálu však dvě sousední 57
bitové skupiny přísluší vždy již nikoliv jedinému, nýbrž dvěma různým blokům. Aby se
narušily „sousedské“ relace mezi po sobě jdoucími bity, využívají bity prvního bloku např.
sudé pozice uvnitř určité dvojice proložených bitových skupin, kdežto bity druhého bloku
zaujímají pozice liché atd..
Podrobněji je prokládací proces znázorněn na obrázku 6.7. Bloky A, B a C náleží
jednomu hovorovému signálu a reprezentují úseky hovoru v délce 20 ms následující těsně
za sebou, takže černé obdélníky reprezentují skupiny 2.57 = 114 bitů příslušející jednomu
hovorovému signálu. Z obrázku vyplývá, že každému hovoru je přidělen jen určitý časový
úsek (timeslot) v tzv. rámci TDMA, který se pravidelně opakuje. Detail prokládacího procesu
je naznačen ve spodní části obrázku a vyplývá z něj, že jednotlivé bloky po 57 bitech jsou
proloženy bit po bitu, tedy trochu jinak než je zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6.
Jak je patrné, prokládáním se změní pořadí bitových skupin, jež spolu původně
sousedily. Jestliže potom v rádiovém pozemním kanálu dojde k typickému vzniku shluku
chyb, budou postižené bity náležet do různých bitových skupin kódovaného signálu.
Po inverzní operaci, prováděné v přijímači před dekódováním kanálu a označované jako
inverzní prokládání (deinterleaving), se tím získá signál, u něhož chybné bity zakódovaného
signálu již spolu nesousedí. Jinak řečeno, shluk chyb vytvořený na rádiové trase, byl takto
převeden na rozptýlené osamocené chyby. Takové chyby však následující konvoluční
dekodér kanálu již velmi efektivně koriguje. Účinnost kanálového kódování totiž obecně roste
se slábnoucím stupněm korelace mezi chybami a právě k této „dekorelaci“ chyb prokládání
výrazně napomáhá.
22
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Blok dat 456 bitů
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
448
449
450
451
452
453
454
57 řádků
455
B
A
C
57 57 57 57 57 57 57 57
57 57 57 57 57 57 57 57
57 57 57 57 57 57 57 57
Rámec TDMA
C
B
C
B
C
B
C
B
........
C
B
C
B
........
57 bitů
B
57 bitů
Obr. 6.7 Detail prokládacího procesu
Vytváření burstů (časových oken)
Dvě sousední bitové skupiny, příslušející dvěma různým blokům, obsahují
v uvažovaném režimu přenosu hovorových signálů celkem 2.57 = 114 bitů. Po doplnění dvou
57 bitových skupin nesoucích vlastní informaci (hovor, data, řídící signály) o 26 bitů zkušební
(tréninkové) sekvence, dále o 2 bity řídící, dvě trojice koncových (okrajových) bitů a 8,25
bitů ochranných, dostáváme základní jednotku přenosu v systému GSM označovanou názvem
burst. Tréninková sekvence dat je pravidelně vysílána uprostřed každého burstu pro zajištění
funkce ekvalizace (na základě příjmu této posloupnosti se nastavují ekvalizační filtry).
Na obrázku 6.8 jsou zobrazeny různé typy burstů.
Rámec TDMA 4,615 ms
0
Normální burst
3
Burst pro kmitočtovou
korekci
3
Synchronizační
burst
3
Prázdný burst
3
Přístupový burst
1
57 (data)
2
SF
3
26 (tr. sekvence)
4
5
SF
6
57 (data)
142 (nulové bity)
39 (data)
64 (tr. sekvence)
39 (data)
26 (tr. sekvence)
8
41 (tr. sekvence)
36 (data)
Obr. 6.8 Typy burstů
3
68,25
7
3
8,25
3
8,25
3
8,25
3
8,25
Výukový program: Moderní komunikační technologie
23
V systému GSM existuje pět druhů burstů:
•
Normální burst NB (Normal Burst) – je určen pro přenos hlasu, dat a většiny
signalizace. Je tvořen dvěmi datovými poli o délce 57 bitů obsahujících užitečnou
informaci, tréninkovou sekvencí dat TS (Training Sequence) o délce 26 bitů
(používané tréninkové sekvence jsou uloženy v paměti každé mobilní stanice, která je
využívá pro funkci ekvalizace), dvěmi trojicemi koncových (okrajových) bitů TB (Tail
Bits), které obsahují vždy pouze „0“, dvěmi řídícími bity SF (Stealing Flag) udávající,
zda je v burstu přenášen hovorový signál nebo řídící informace a ochrannou dobu GP
(Guard Period), o kterou se může burst časově posunout ve vyhrazeném timeslotu.
Tato situace může nastat v důsledku zpoždění signálu při pohybu mobilní stanice
během komunikace (snížení nepřesnosti při okamžiku vysílání rámce, které vznikají
vlivem měnící se doby šíření signálu pohybující se MS). Bitová perioda signálu
v rádiovém kanálu je
Tb =
1
1
=
≅ 3,692 μs .
f bC 270833
(6.9)
Okrajové bity tedy reprezentují ochrannou dobu 8,25.3,692 = 30,459 μs .
Uvažujeme-li rychlost šíření signálu v = 3.10 8 m / s , odpovídá ochranné době změna
vzdálenosti mezi MS a BTS d = 9,14 km . Druhým důvodem pro zavedení ochranné
doby je nutnost rychlého nárůstu a poklesu výkonu vysílače, který pracuje
v impulzním (burstovém) režimu. Toleranční výkonový diagram (Power Ramping
Time Mask) je pro normální burst nakreslen na obrázku 6.9. Je vidět, že nárůst i pokles
výkonu vysílače musí splňovat určitá kriteria, aby signál nepronikal do sousedních
timeslotů a nerušil sousední účastnické kanály.
• Burst pro kmitočtovou korekci FB (Frequency Correction Burst) – tento burst
obsahuje samé nuly, používá se pro kmitočtovou synchronizaci mobilní stanice.
• Synchronizační burst SB (Synchronization Burst) – tento burst má rozšířenou
tréninkovou sekvenci na 64 bitů a nemá řídící bity. Délka datových polí je 39 Bitů.
Používá se pro časovou synchronizaci mobilní stanice a je vysílán vždy za burstem
pro kmitočtovou korekci.
• Prázdný burst DB (Dummy Burst) – má stejnou strukturu jako normální burst s tím
rozdílem, že na datových pozicích jsou přenášeny přesně známé sekvence „1“ a „0“.
V případě potřeby je zasílán k MS, avšak nenese žádnou informaci. Souvisí s měřením
intenzity elektromagnetického pole při přechodu z jedné buňky do sousední
(handover).
24
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
úroveň
signálu
148 bitů (542,8 μ s)
+4 dB
+1 dB
-1 dB
-6 dB
-30 dB
-70 dB
8 μs
10 μ s
8 μs
10 μ s
10 μ s
10 μ s
čas
156,25 bitů (577 μ s)
Obr. 6.9 Toleranční výkonový diagram pro normální burst
•
Přístupový burst AB (Access Burst) – tento burst se používá pro náhodný přístup
do systému, např. po zapnutí MS. Poněvadž ještě není znám vzájemný časový posun
mobilní a základnové stanice, má delší ochrannou dobu. ochranný interval tvoří
60 + 8,25 = 68,25 bitů , což odpovídá ochranné době 68,25.3,692 ≅ 252 μs .
Pro nastavení tzv. časového posuvu TA (Timing Advance) se však využívá pouze 63
bitů, aby základnová stanice mohla po změření časového posuvu zaslat mobilní stanici
informaci ve formě šestibitového slova. Na základě této informace upraví mobilní
stanice dobu vysílání tak, aby eliminovala vliv zpoždění signálu a vysílané bursty
přicházely k základnové stanici v požadovaných časových relacích. Pro 63 bitů (tj. 63
časových posuvů) vychází ochranná doba
t ZP MAX = 63.3,692 ≅ 232,6 μs ,
což odpovídá vzdálenosti
d MAX = 232,6.10 −6.3.10 8 = 69780 m = 69,78 km ≅ 70 km .
Vypočítaná ochranná doba t ZP MAX vyjadřuje maximální možné zpoždění signálu
na cestě od BTS k MS a zpět od MS k BTS. Odpovídající vzdálenost d MAX = 2.rMAX
určuje dvojnásobek maximální vzdálenosti MS od BTS. Odtud vyplývá, že systém
GSM je navržen na maximální poloměr buňky
rMAX =
d MAX
≅ 35 km .
2
(6.10)
Výukový program: Moderní komunikační technologie
25
Struktura rámců
Hierarchie rámců v systému GSM je přehledně znázorněna na obrázku.6.10. V každém
rádiovém kanálu systému GSM je metodou TDMA vytvořeno 8 časových intervalů
(timeslotů), tvořících TDMA rámec s dobou trvání 8.0,577 = 4,615 ms . Tyto rámce se
pravidelně opakují. Účastnický signál sestavený do burstů se tedy přenáší v pravidelně se
opakujících časových intervalech TDMA rámců. TDMA rámce se dále skládají do tzv.
multirámců. Pokud se jedná o provozní rámce je jich v jednom multirámci 26. Pokud se
jedná o rámce nesoucí řídící informace sdružuje se jich do jednoho multirámce 51.
Multirámce se dále skládají do superrámců. Jeden superrámec má délku 1326 rámců a je
sestaven buď z 51 multirámců o délce 26 rámců nebo z 26 multirámců o délce 51 rámců.
Spojením 2048 superrámců vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny 28 minut 53
sekund a 760 ms.
Uvedená struktura všech rámců spolu s použitou ekvalizací, dovolují
používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km / hod .
Hyperrámec
0
1
2
3
4
5
2044 2045 2046 2047
Superrámec
0
1
2
0
3
4
1
47
1
2
24
49
24
2
50
25
Multirámec (51) = 51 TDMA rámců
Multirámec (26) = 26 TDMA rámců
0
48
25
0
1
2
48
49
50
TDMA rámec
0
1
2
3
4
5
6
7
Obr. 6.10 Hierarchie rámců v systému GSM
Základní rozdělení kanálů v systému GSM
Struktura TDMA na nosné vytváří fyzické kanály. Fyzický kanál je definovaný párem
rádiových kanálů, jeden pro směr MS→BTS (uplink) a druhý pro směr BTS→MS
(downlink), a určitým časovým oknem TS. Do těchto kanálů jsou procesem mapování vloženy
logické kanály. Každý logický kanál v závislosti na jeho účelu je tvořen jiným typem burstu.
Logické kanály jsou vzájemně odděleny na principu časového multiplexu. V systému GSM se
dělí na
•
provozní kanály TCH (Traffic Channel) – tyto kanály je možno nazývat jako užitečné
kanály, které slouží pro přenos zakódované užitečné informace (realizují přenos
hovorových nebo datových signálů). Přes provozní kanály se nepřenáší žádná
signalizace. Tyto kanály mohou být přepojované na principu přepojování kanálů nebo
přepojování paketů.
26
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
•
řídící kanály CCH (Control Channel) – tyto kanály se používají pro přenos
signalizace (sestavení, udržení a rozpad spojení), synchronizace a případně pro přenos
dat pro realizaci služby krátkých textových zpráv SMS (Short Message Service).
6.3.5 Zabezpečení v systému GSM
V mobilních sítích je signál na cestě k účastníkovi přenášen v rádiovém prostředí, ke
kterému má přístup kdokoliv. Z tohoto důvodu je zabezpečení v systému GSM odlišné
od způsobu zabezpečení ve veřejné pevné telekomunikační síti. Systém GSM poskytuje čtyři
základní způsoby zabezpečení informací:
•
použití SIM karty,
•
anonymita účastníka a místa pobytu pomocí přechodného označení účastníka,
•
ověření totožnosti účastníka (autentizace),
•
diskrétnost dat na rádiovém rozhraní pomocí zakódování (šifrování dat).
K tomu používá následující algoritmy:
•
A3 – pro ověření totožnosti účastníka (může být definován operátorem),
•
A5 – pro šifrování a dešifrování dat (algoritmus je normalizovaný pro všechny sítě
GSM),
•
A8 – pro generování šifrovacího klíče (může být definován operátorem).
SIM karta
Při popisu mechanismů zabezpečení se neobejdeme bez pojmu SIM karta. Tato karta
obsahuje mimo jiné množství bezpečnostních informací:
•
Osobní identifikační číslo PIN (Personal Identification Number) – tento čtyřmístný
číselný kód je vyžadován pro aktivaci karty po vložení do přístroje.
•
Osobní odblokovaní klíč PUK (Personal Unblocking Key) – číselný kód, jehož
zadáním lze odblokovat SIM kartu zablokovanou trojím nesprávným zadáním čísla
PIN.
•
Mezinárodní identifikace mobilního uživatele IMSI – jedinečné číslo přiřazené kartě
(tedy jejímu uživateli).
•
Účastnický ověřovací klíč Ki – je specifický pro každou kartu a slouží k šifrování dat
a ověření oprávněnosti používání služeb.
•
Šifrovací klíč Kc – je generovaný na základě algoritmu A8 a klíče Ki, který je
specifický pro každé spojení (dočasná informace) a který je vstupem do algoritmu A5
pro šifrování přenášených dat.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
27
Anonymita
Každý účastník je v síti GSM jednoznačně identifikován číslem IMSI. Aby nemusel
toto číslo posílat přes rádiové rozhraní při každé žádosti o nějakou službu, přiřadí mu systém
tzv. dočasnou identifikaci TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Číslo TMSI je
uloženo na SIM kartě a v registru VLR mobilní ústředny. Pokud se účastník s mobilní stanicí
přesune na území pod kontrolou jiné ústředny, je mu novou ústřednou zasláno nové číslo
TMSI a předchozí číslo je zrušeno, jak v SIM kartě, tak i ve VLR předchozí ústředny.
Takovým anonymním způsobem se účastník pohybuje v síti GSM. Pouze v případech, kdy se
účastník hlásí do systému po zapnutí mobilní stanice, zasílá MS do ústředny identifikaci
IMSI. Ihned poté je však do mobilní stanice zaslána prozatímní identifikace TMSI, pomocí
které již může účastník se systémem dále komunikovat, tj. žádat o služby, atd.
Ověření totožnost účastníka (autentizace)
Pod touto činností se rozumí jednoznačná identifikace účastníka z hlediska oprávnění
jeho vstupu do systému GSM. V GSM se ověřuje jen účastník (přesněji SIM karta) vůči síti,
ne však síť vůči účastníkovi. Centrum AUC k ověření totožnosti uchovává autentizační
(opravňující) klíč Ki každého účastníka sítě v jeho HLR. Ki je tajným klíčem zaznamenaným
i v SIM kartě spolu s ověřovacím algoritmem A3, jenž je definován provozovatelem sítě.
AUC vytváří šifrovacím algoritmem A3 bezpečnostní parametry SRES a komunikační klíč Kc
s použitím vstupních parametrů Ki a náhodného čísla RAND. Parametry SRES, Kc a RAND
jsou odeslané do VLR navštívené radiotelefonní ústředny MSC. Náhodné číslo RAND je
vyslané i do MS, kde spolu s uloženým Ki na SIM a pomocí šifrovacího algoritmu A3 se
vytvoří nové SRES a Kc. SRES vytvořené v MS je odeslané do VLR radiotelefonní ústředny
MSC, která obsluhuje navštívenou oblast. VLR porovná tyto parametry SRES, v případě
jejich shody je účastník oprávněn používat služeb sítě GSM.
Šifrování dat
Šifrování digitálního signálu je proces, při kterém je série bitů transformována
matematickými a logickými operacemi na jinou sérii bitů. Systém GSM zabezpečuje
diskrétnost dat na rádiovém rozhraní (ochranu proti odposlechu) pomocí zakódování dat
CIPH (Ciphering). V Evropě se pro zakódování dat používá standardizovaný algoritmus A5,
který je přístupný jen výrobcům. A5 se nenachází na SIM kartě ale zařízení mobilní stanice
MS. Počet transformačních operací je určen šifrovacím klíčem Kc.
6.3.6 Přenos dat v mobilních sítích GSM
Systém GSM byl původně navržen především pro přenos hovorových signálů. Ve své
základní variantě umožňuje i přenos datových signálů s přenosovou rychlostí až 9,6 kbit/s,
která již však nevyhovuje současným požadavkům. Navýšení přenosových rychlostí řeší
systémy 2,5 generace (HSCSD, GPRS, EDGE), které umožňují přenos datových signálů
přenosovými rychlostmi desítky až stovky kbit/s.
Klasický přenos dat v systému GSM
Z důvodů vyšších požadavků kladených na chybovost při datových přenosech musí být
data zabezpečena důkladněji než hovorový signál. Způsob kódování dat v systému GSM je
28
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
poměrně složitý. Pro přenos datových signálů existuje pět různých datových kanálů
TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4, TCH/H4.8, a TCH/H2.4, které používají odlišné způsoby
kanálového kódování i prokládání. Písmena TCH (Traffic CHannel) označují provozní kanál,
písmeno za lomítkem F (Full-rate) resp. H (Half-rate) značí přenos s plnou nebo poloviční
rychlostí a desetinné číslo udává přenosovou rychlost signálu v kbit/s (viz tabulka
přenosových rychlostí pro různé datové kanály).
HSCSD
Vysokorychlostní přenos dat s přepojováním okruhů HSCSD (High Speed Circuit
Switched Data) byl standardizován v roce 1997. Umožňuje přenos dat v systému GSM vyšší
rychlosti bez nutnosti hardwarového zásahu do její architektury. Jedná se pouze o softwarové
změny, což umožňuje velice rychlou implementaci tohoto standardu do stávající sítě. HSCSD
používá nové kanálové kódovací metody, které zvyšují přenosovou rychlost v jednom kanálu
z běžných 9,6 kbit/s na 14,4 kbit/s. Dále umožňuje kombinaci timeslotů, sdružením až
4 timeslotů lze vytvořit kanál s přenosovou rychlostí 14,4.4 = 57,6 kbit/s. Pro nesymetrický
provoz se předpokládá rozdělení této přenosové rychlosti na downlink (3 timesloty) –
43,2 kbit/s a uplink (1 timeslot) – 14,4 kbit/s (tzv. 3+1 timeslot service). Ve standartu HSCSD
jsou přípustné kanály TCH/F 4.8, TCH/F 9.6 a TCH/F 14.4.
GPRS
První zkoušky této všeobecné paketové rádiové služby GPRS (General Packet Radio
Service) proběhly v roce 1998 a první veřejný datový přenos v roce 2000. Specifikaci tohoto
systému vypracoval evropský standardizační telekomunikační institut ETSI. Pomocí systému
GPRS, založeném na paketovém přenosu dat pomocí protokolu IP (Internet Protocol), lze
navýšit přenosovou rychlost na rádiovém rozhraní teoreticky až na 171,2 kbit/s. Vzhledem
k tomu, že systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, je nutné doplnit jak MS, tak i další
částí systému GSM o nové funkční bloky (viz obrázek 6.11):
•
Podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) –
standartní směrovač, jehož úkolem je zajišťovat komunikaci sítě GPRS s jinými
paketovými sítěmi, např. se sítí Internet.
•
Podpůrný uzel GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) – datový uzel, který je
vybaven schopností komunikovat na jedné straně s rádiovou částí sítě GPRS
a na druhé straně s druhým datovým uzlem GGSN.
•
Jednotka řízení paketů PCU (Packet Controller Unit) – obsahuje „dodatečnou
inteligenci“ pro identifikaci a řízení paketového provozu na rádiovém rozhraní.
Koncepce i provedení PCU jsou různé podle výrobce, podobně jako rozhraní mezi
BSC a PCU.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
Hovorový
signál
Datový
signál
MSC
IWU
SMSC
Datové
pakety
GGSN
Gs
Gd
29
IP
SGSN
Gb
A
BSC
PCU
A-bis
BTS
BTS
BTS
MS
MS
MS
Obr. 6.11 Základní koncepce sítě GPRS
Síť GPRS může obsahovat velké množství uzlů SGSN a GGSN, které jsou vzájemně
propojené páteřní sítí.
Běžný hovor probíhá přes rádiové rozhraní, dále je směrován BSC do MSC a odtud
do veřejné telefonní sítě. Při přenosu dat v rámci sítě GSM je spojení sestaveno obdobným
způsobem, avšak datový signál není směrován do telefonní sítě, nýbrž do jednotky spolupráce
IWU (Inter-Working Unit), obsahující standartní analogové i digitální modemy, které určují
přenosovou rychlost a parametry datového přenosu, běžně 9,6 kbit/s.
V případě paketového přenosu pomocí systému GPRS je spojení opět navázáno mezi
MS a BTS, avšak v BSC jsou pakety vedeny do jednotky řízení paketů PCU a odtud přes
rozhraní Gb k uzlu SGSN a dále přes uzel GGSN je datový signál směrován do jiných
paketových sítí.
Na rádiovém rozhraní byly pro kódování signálu specifikovány pro GPRS čtyři různé
kódovací systémy CS (Coding Scheme). V tabulce 6.6 jsou uvedeny jejich přenosové
rychlosti. Nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém
rozhraní je označen jako CS1. Tento kódovací systém používá vysokou redundanci což se
projeví na jeho nízké přenosové rychlosti. Na opačné straně tabulky se nachází kódovací
systém CS4 s velice nízkou odolností vůči chybám, zato však umožňuje dosáhnout nejvyšší
přenosové rychlosti. Při využití všech 8 timeslotů jednoho rádiového kanálu, lze pro kódovací
systém CS4 stanovit teoretickou přenosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS
na 21,4.8=171,2 kbit/s. Z pohledu uživatele sítě je vhodnější uvažovat tzv. uživatelskou
rychlost, která je v důsledku použití dalších protokolů, např. IP, ještě menší. O použití
obsazení počtu timeslotů rozhoduje operátor. Rychlost přenosu zejména závisí na úrovni
rušení v rádiovém prostředí.
30
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Tab. 6.6 Systémy kódování a jejich rychlosti
Systémy kódování
Přenosová rychlost Uživatelská rychlost
[kbit/s]
[kbit/s]
CS1
9,1
6,7
CS2
13,4
10
CS3
15,6
12
CS4
21,4
16,7
Síť GPRS zpočátku své existence využívala především volnou kapacitu hovorových
kanálů GSM. Pro zabezpečení potřebné přenosové kapacity je však potřebné rozšířit síť
o kanály vyhrazené jen pro GPRS. Při samotném přenosu dat se v GPRS používá stejná
modulace, stejné frekvenční pásma, stejná infrastruktura, stejné pravidla pro frekvenční
skákání a stejná struktura rámců jako v GSM.
EDGE
Standart EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) umožňuje zvýšit
přenosovou rychlost systému GSM při alokování všech 8 timeslotů až na hodnotu 384 kbit/s.
Standart podporuje paketový přenos dat a přenosová rychlost signálu v jednom timeslotu je
48 kbit/s. Této vysoké rychlosti je dosaženo vhodnou digitální modulací 8 PSK (Eight Phase
Shift Keying). Využití tohoto standartu proto vyžaduje zásah do hardwarového řešení BTS
i MS.
6.3.7 Vývojové trendy – UMTS
Jak již bylo dříve uvedeno, radiotelefonní systémy 2,5. generace tvoří přelom mezi
systémy 2. generace, jež se orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se
orientují především na služby datové. Systémy 3. generace jsou v Evropě označovány jako
UMTS (Univesal Mobile Telephony System). Nejjednodušší, nejrychlejší a nejméně
nákladnou cestou k UMTS je její implementace do stávajících GSM/GPRS systémů, jak je
znázorněno na obrázku 6.12.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
31
HLR
G
S
M
MSC
GSM
GMSC
N-ISDN
BSS
SGSN
IWUa
IWUb
UTRAN
GGSN
jádro sítě
UMTS
IP
G
P
R
S
B-ISDN
(ATM)
U
M
T
S
Obr. 6.12 Přechod od GSM k UMTS
Základní myšlenkou moderních rádiových systémů je oddělený vývoj přístupové sítě
a jádra sítě. Standardizační proces UMTS je zaměřen především na výběr vhodného
rádiového přístupu (rozhraní) UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Ten by měl
v závislosti na přenosovém prostředí podporovat tyto uživatelské bitové rychlosti:
•
min. 144 kbit/s (uvažuje se 384 kbit/s) – ve venkovním prostředí pro max. rychlost
pohybu mobilních uživatelů 500 km/hod (vysokorychlostní vlak)
•
min. 384 kbit/s (uvažuje se 512 kbit/s) – ve venkovním prostředí pro max. rychlost
pohybu mobilních uživatelů 120 km/hod (automobil)
•
2 Mbit/s – ve vnitřním prostředí (budovy) a venkovním prostředí pro max. rychlost
pohybu mobilních uživatelů 10 km/hod (chodec)
UTRA by měl být schopen pružně reagovat na požadavky uživatele (široký rozsah
přenosových rychlostí, zabezpečení, současná kombinace více služeb atd.).
6.3.7.1 Architektura systému UMTS
Architekturu UMTS tvoří dvě hlavní části:
•
Rádiová přístupová síť UTRAN (UMTS Radio Access Network)
•
Jádro sítě CN (Core Network)
Jak je vidět na obrázku 6.13 UTRAN v sobě dále zahrnuje systém základnových stanic
RNS (Radio Network System). CN a RNS jsou navzájem propojeny skrz logické rozhraní Iu.
RNS se skládá z řídící jednotky rádiové sítě RNC (Radio Network Controller) a z jedné či
více základnových stanic (uzlů) NodeB, které jsou k RNC připojeny přes rozhraní Iub. Mezi
dvěmi RNC se nachází logické rozhraní Iur. Mezi uživatelskými terminály UE (User
Equipment) a NodeB je rádiové rozhraní Uu. UMTS tedy probíhá připojení uživatele v pořadí
UE→NodeB→RNC→CN. Jádro sítě CN má dvě části, okruhově orientovanou část CN CS
(CN Circuit Switched) a paketově orientovanou část CN PS (CN Packet Switched).
32
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
UTRAN
Uu
UE
CN
Iu
RNS
NodeB
CN CS Doména
UE
NodeB
3G MSC/VLR
RNC
Iur
RNS
3G GMSC
Registry
HLR/AuC/EIR
NodeB
UE
CN CS Doména
NodeB
RNC
SGSN
SGSN
Obr. 6.13 Architektura sítě UMTS
6.3.7.2. Technické řešení sítě
Pro systémy 3. generace byla zvolena přístupová metoda kódového dělení CDMA.
Pro přenos se používá frekvenční duplex FDD a časový duplex TDD, jeden kanál má
definovanou šířku 5 MHz.
Frekvenční pásma
Pro systém UMTS jsou vyhrazena přenosová pásma v okolí kmitočtu 2 GHz (viz
tabulka 6.7).
•
1920-1980 MHz (uplink) a 2110-2170 MHz (downlink) – duplexní pár FDD. Je zde
použita širokopásmová přístupová metoda WCDMA (Wideband CDMA), která je
vhodná pro velkoplošné pokrytí a pro hovorové a středně rychlé symetrické datové
služby.
•
1900-1920 MHz a 2010-2025 MHz – časový duplex TDD (uplink i downlink na stejné
frekvenci). Je zde použita kombinace TDMA/CDMA, která je vhodná
pro vysokorychlostní datové přenosy, pokrytí hlavně uvnitř budov.
•
1885-1900 MHz – toto kmitočtové pásmo je rezervováno pro přístup pomocí systému
DECT.
•
1980-2010 MHz a 2170-2200 MHz – tato kmitočtová pásma jsou vyhrazena
pro družicovou komunikaci systému UMTS.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
33
Tab. 6.7 Kmitočtová pásma UMTS
Pásmo
Kmitočtový
rozsah [MHz]
Šířka
pásma [MHz]
Schváleno
v roce
-
1710 - 1885
175
2000
1
1885 - 1900
15
1998
2
1900 - 1920
20
1998
3
1920 - 1980
60
1998
4
1980 - 2010
30
1998
5
2010 - 2025
15
1998
6
2110 - 2170
60
1998
7
2170 - 2200
30
1998
-
2500 - 2690
190
2000
V roce 2000 byla schválena další kmitočtová pásma použitelná pro UMTS (v tabulce
6.7 nejsou označena). Pro přehlednost jsou všechna kmitočtová pásma znázorněna na obrázku
6.14.
Obr. 6.14 Spektrum pro UMTS
Handover
Rozhraní UTRA FDD podporuje tři druhy přepnutí:
•
Intrafrekvenční přepnutí,
•
Interfrekvenční přepnutí,
•
Intersystémové přepnutí.
Intrafrekvenční přepnutí – představuje „klasický“ případ přepnutí spojení při přechodu
hranicí buňky s tím rozdílem, že naproti systémům TDMA se v tomto případě používá tzv.
měkký handover. Znamená to, že mobilní stanice dokáže současně komunikovat se
základnovými stanicemi více buněk, které pracují na stejné frekvenci s různými skupinami
rozprostírajících kódů (viz obrázek 6.15a).
34
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
f1
f1
f1
MS
Kód 1
f1
a)
f1
Kód 3
f1
Kód 2
f2
f1
f1
b)
Obr. 6.15 Realizace měkkého a tvrdého přepnutí spojení
Interfrekvenční přepnutí – využívá se při přechodu vícero vrstvami buněk, jenž
představují hierarchickou buňkovou strukturu, tvořenou překryvnými makrobuňkami
a menšími mikrobuňkami a pikobuňkami. V tomto případě se jedná o tzv. tvrdý handover (viz
obrázek 6.15b).
Intersystémové přepnutí – jedná se o přepnutí např. mezi sítěmi UMTS a GSM
(konkrétněji mezi UMTS RNS a GSM BSS) a je realizováno jako tvrdý handover.
Kontrola výkonu
Zatímco u systémů FDMA má každé spojení svoji vlastní frekvenci a u TDMA má
každé spojení jeden vlastní timeslot, v systémech CDMA sdílí uživatelé stejnou frekvenci
a jejich rušení je minimalizováno pomocí rozdílných scrambling kódů. Takovéto systémy
dovolují svými vlastnostmi vysokou izolaci jednotlivých spojení (tzv. ortogonalita).
Pokud se ve stejném kmitočtovém pásmu vyskytuje několik uživatelů, tak pro různé
mobilní stanice (terminály) bude úroveň přijímaného signálu rozdílná, což může způsobit
nižší výkonnost a snížit kapacitu daného systému. Proto je důležitá tzv. kontrola výkonu
mobilních stanic. Čím vyšší bude počet uživatelů, kteří budou současně komunikovat
na stejné frekvenci, tím nižší musí být jejich výkon (platí pro všechny mobilní stanice).
Výukový program: Moderní komunikační technologie
Kontrolní otázky
1. Jaký způsob přenosu zpráv, typ mnohonásobného přístupu, handoveru a přidělování
kanálů se používá v systému GSM?
2. K čemu slouží v subsystému BSS jednotka TRAU?
3. Co je to tzv. Timing Advance a k čemu slouží?
4. Jaký je rozdíl mezi čísly IMEI a IMSI?
5. Co ovlivňuje přenosovou rychlost u systému GPRS?
6. Jak souvisí dosažitelná přenosová rychlost s rychlostí pohybu účastníka v síti UMTS?
35
36
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.4 Systémy pro bezšňůrové telefony
Anotace:
V této kapitole bude uvedeno základní rozdělení bezšňůrových systémů. Stručně
budou popsány analogové a digitální systémy. Větší pozornost bude věnována
evropskému standardu DECT.
Osnova:
6.4.1 Rozdělení systémů
6.4.2 Systém DECT
Systémy pro bezšňůrové telefony CT (Cordless Telephone) se v současné době
využívají nejen k přenosu hovorových signálů, ale i signálů datových. Tyto systémy poskytují
uživatelům mobilitu na vzdálenost od několika desítek do několika stovek metrů
od základnové stanice. Důležitou funkcí bezšňůrových telefonů je tedy možnost komunikace
mezi základnovou stanicí a mobilní (pohyblivou) stanicí (handy, handset). Poskytují stejnou
nabídku služeb jako klasické telefony (např. zkrácená volba, vypnutí mikrofonu, podpora
služeb ISDN apod.). Tyto systémy dnes dokážou nahradit i lokální paginové systémy (viz
kapitola 6.5). Uplatnění našly tyto systémy zejména v těchto aplikacích:
•
V domácnostech jako náhrada běžného telefonního přístroje.
•
V podnicích jako bezšňůrové pobočkové ústředny.
•
Pro realizaci služby telepoint (bezšňůrový telefonní automat).
•
Pro výstavbu bezdrátových účastnických smyček WLL (Wireless Local Loop).
•
Pro vytváření personálních komunikačních sítí.
6.4.1 Rozdělení systémů
Systémy pro bezšňůrové telefony lze rozdělit na analogové a digitální. Mezi analogové
systémy patří:
•
CT0 – jedná se o nejjednodušší bezšňůrové telefony s analogovým systémem, jenž
používají FDMA přístup, kmitočtový duplex FDD a kmitočtovou modulaci FM. Tento
standard je méně odolný proti rušení, má dosah 50 – 200 m, počet kanálů může být 8,
15, apod.. V České republice se používá pásmo 31,025 – 31,325 MHz a 39,925 –
40,225 MHz, které se označuje CT0-CZ, a které obsahuje 12 rádiových kanálů. Dříve
tyto systémy nebyly odolné proti odposlechu a proto ve většině evropských zemí,
stejně jako u nás, bylo použití takových přístrojů zakázáno. V současné době se již
používá zabezpečení pomocí 65000 automaticky nastavovaných bezpečnostních kódů.
•
CT1 – tento evropský standard z roku 1983 používá kmitočtové pásmo 959-960 MHz
a 914-915 MHz, ve kterém je vytvořeno 40 duplexních rádiových kanálů o šířce
25 kHz. Přístup k systému je opět FDMA, využívá kmitočtový duplex FDD a FM
modulace má maximální zdvih 5 kHz. Používá se automatický výběr kanálů a přenos
je zabezpečen proti odposlechu (1 milión kódů). V tomto standardu dochází
Výukový program: Moderní komunikační technologie
37
ke kmitočtové kolizi se systémem PGSM, což se řeší posunem do jiného kmitočtového
pásma (standard CT1+).
•
CT1+ – tento standard se snažil vyřešit problém kmitočtové kolize se systémem
PGSM tím, že došlo k posunutí do jiného pásma 930 – 932 MHz a 885 – 887 MHz,
který využívá 80 rádiových duplexních kanálů. Bohužel tato pásma zasahují do pásem
systému EGSM.
Mezi digitální systémy patří:
•
CT2 – jedná se o první komerčně zavedený systém s digitálním přenosem signálů.
Tento evropský standard z roku 1992 pracuje v kmitočtovém pásmu 864,1 – 868,1
MHz, má k dispozici 40 duplexních rádiových kanálů s šířkou pásma 100 kHz. Systém
používá vícenásobný přístup FDMA a časový duplex TDD. Pro zdrojové kódování
signálu se používá ADPCM s přenosovou rychlostí 32 kbit/s. Duplexního přenosu je
dosaženo střídáním krátkých časových intervalů (milisekundy) vyhrazených pro každý
směr přenosu.
•
CT2+ – tato modifikace systému CT2 byla vytvořena v Kanadě. Systém pracuje
v kmitočtovém pásmu 944 – 948 MHz, 5 ze 40 rádiových kanálů je využito pro přenos
signalizace. Na každém z nich je metodou TDMA vytvořeno 12 signalizačních kanálů
(celkem 60 kanálů), které poskytují další služby, jako např. paging či registraci
polohy.
•
CT3 – tento systém byl vyvinut firmou Ericsson pro bezšňůrové pobočkové ústředny.
Systém používá vícenásobný přístup FDMA/TDMA. Pracuje v pásmu 862 –
866 MHz, ve kterém jsou 4 rádiové kanály o šířce 1 MHz. V každém rádiovém kanálu
je vytvořeno 8 účastnických kanálů (celkem 32 kanálů). Používá zdrojové kódování
ADPCM a zabezpečení přenosu proti chybám pomocí CRC. Signál je modulován
pomocí modulace GFSK. Poněvadž se evropské země dohodly na jiném standardu,
nedošlo k jeho rozšíření.
•
DECT – tento systém má obdobné vlastnosti jako systém CT3. Jedná se o moderní
celoevropský digitální systém, který má určité prvky mikrobuňkové struktury
a zajišťuje svým účastníkům i handover, avšak odlišným způsobem než se používá
u radiotelefonních celulárních systémů. Bližší popis tohoto systému je uveden
v následující kapitole.
6.4.2 Systém DECT
Systém DECT (Digital European Cordless Telecommunication, Digital Enhanced
Cordless Telecommunication) se používá pro přenos hovorových i datových signálů. Je
evropským standardem pracujícím v pásmu 1880-1900 MHz. Uvažuje se však o jeho
rozšíření až na 1920 MHz. Používá kombinovaný přístup FDMA/TDMA a časový duplex
TDD. V přiděleném kmitočtovém pásmu je umístěno 10 rádiových kanálů s odstupem
nosných 1,728 MHz. Do jednoho rádiového kanálu je metodou TDMA vloženo 12
účastnických kanálů. V každém kanálu je modulací GFSK vytvořen bitový tok o rychlosti
1152 kbit/s. Hovorový signál je komprimován metodou ADPCM (přenosová rychlost signálu
na výstupu kodéru je 32 kbit/s).
Jeden TDMA rámec trvá 10 ms a je rozdělen na 24 časových úseků (timeslotů), jež mají
dobu trvání 0,417 ms a obsahují 480 bitů. Prvních 12 timeslotů je vyhrazeno pro přenos
38
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
od základnové stanice k mobilní stanici a druhých 12 timeslotů pro opačný směr. Jde tedy
o časový duplex s 12 duplexními kanály na jeden rádiový kanál (celkem 120 účastnických
kanálů). Vyšší úrovní struktury jsou multirámce tvořené 16 rámci (160 ms). Celá situace je
znázorněna na obrázku 6.16. Dva proškrtnuté timesloty odpovídají jednomu duplexnímu
kanálu.
multirámec ≈ 16 rámců ≈ 160 ms
rámec ≈ 24 slotů ≈ 11 520 bitů ≈ 10 ms
ve slotech 1 - 12 vysílá základnová stanice
ve slotech 13 - 24 vysílá handset
slot ≈ 480 bitů ≈ 0,417 ms
Fyzická
vrstva
základní paket ≈ 424 bitů
S - pole
D - pole, data
32 bitů
388 bitů
Z
ochranná doba
4 56 bitů ≈ 48,6 μs
chráněný formát
H
Řídící data
CRC
Data
CRC
Data
CRC
Data
CRC
Data
CRC
X
40 bitů
16
64
16
64
16
64
16
64
16
4
H
Řídící data
CRC
Data
X
8
40 bitů
16
320 bitů
4
Vrstva 8
MAC
nechráněný formát
A - pole ≈ 64 bitů
B - pole ≈ 324 bitů
Obr. 6.16 Rámcová struktura systému DECT
V základním, nechráněném formátu je v každém timeslotu přenášeno celkem 480 bitů,
složeného ze synchronizačního pole S, z datového pole D, z pole Z a ochranné doby. Pole
S má délku 32 bitů (prvních 16 bitů, tzv. preambule, se využívá pro bitovou synchronizaci
a dalších 16 bitů pro rámcovou synchronizaci přijímače). Do datového pole D se vkládají
logické kanály. Toto pole má délku 388 bitů, je složeno z pole A (64 bitů) a pole B (324 bitů).
Pole A má přenosovou rychlost 4,8 kbit/s. Slouží pro přenos signalizačních informací. Ty jsou
složeny z 8 bitů záhlaví, 40 bitů vlastních signalizačních (řídících) dat a 16 bitů, jenž slouží
pro zabezpečení tohoto pole cyklickým kódem CRC (Cyclic Redundancy Code). V případě
výskytu chyby v řídícím slově, dochází k jeho opakování. Pole A je stejné pro chráněný
i nechráněný formát dat. Pole B má přenosovou rychlost až 32 kbit/s. V poli B je přenášeno
celkem 324 bitů, z toho 320 bitů je určeno pro přenos účastnického signálu a 4 bity
zabezpečovacího pole X, které je použito jak pro chráněný tak i pro nechráněný formát dat.
Pomocí těchto paritních bitů se pouze zjišťují chyby v poli B, ale jejich korekce se neprovádí.
V případě chráněného formátu, který se vyznačuje kvalitním zabezpečením, je informační tok
pole B o délce 320 bitů rozdělen do skupin po 64 bitech (poslední skupina může být kratší)
a ty jsou pak chráněny stejným CRC kódem pro kontrolu chyb jako pole A. Pole Z o délce
4 bity opakuje poslední 4 bity pole D a tudíž je ho možno použít pro prvotní detekci chyb.
Ochranná doba obsahuje 56 bitů, trvá 48,6 ms a vytváří ochrannou dobu nezbytnou
pro zamezení případných časových kolizí signálů.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
39
Každý rámec obsahuje celkem 11520 bitů (480.24 bitů). Poněvadž doba jeho trvání je
10 ms, vychází přenosová rychlost signálu v rádiovém kanálu 11520/1.10-3=1152 kbit/s.
Složením 16 rámců se vytváří jeden multirámec s dobou trvání 160 ms.
Standard DECT definuje širokou škálu přenosových možností. Spojení může být typu
bod – více bodů. Zde se jedná o přenos pomocí pole A. Tento typ distribuuje zejména
systémové informace, ale lze jej použít rovněž pro přenos krátkých zpráv (paging). U spojení
typu bod – bod jde o uživatelské informace přenášené pomocí pole B. V tomto případě může
přenos probíhat jak v komutovaném, tak v paketovém režimu, může se jednat o službu se
spojením i službu bez spojení. Základní přenosová rychlost dat je 32 kbit/s. Vyšších rychlostí
(až 384 kbit/s) se docílí sloučením několika timeslotů.
Architektura systému obsahuje několik bloků. Bezšňůrové mobilní stanice PP (Portable
Part) se skládají z rádiové části PT (Portable Terminal) a koncového zařízení systému ES
(End System). V případě mobilních stanic určených pro telefonní provoz (Handset) je
koncovým zařízením nízkofrekvenční část s mikrofonem a reproduktorem. V případě
přenosných stanic může být koncovým zařízením fax, monitor, aj. Maximální výkon
mobilních stanic je 250 mW, střední výkon je přibližně 10 mW. Mobilní stanice komunikují
se základnovými fixními rádiovými stanicemi RFP (Radio Fixed Part), viz obrázek 6.17.
Několik stanic RFP je řízeno fixní centrální řídící jednotkou CCFP (Central Control Fixed
Part). K propojení jednotky CCFP s externími sítěmi se používá mezioperační jednotka IWU
(Inter Working Unit), upravující signál do příslušných formátů. V obsluhovaných oblastech
má systém DECT mikrobuňkovou a pikobuňkovou strukturu. Průměr buněk je od 30 do 150
metrů a uprostřed každé buňky je stanice RFP používající přijímač s prostorovou diverzitou.
Pro spojení se proto vystačí s malými vysílacími výkony, což snižuje vznik interferencí
v rádiovém prostředí. Pro výběr kanálu se používá dynamické přidělování kanálů DCA
v závislosti na intenzitě signálu a interferenci. Během komunikace může dojít např. vlivem
rušení k tzv. intracell handoveru, při kterém dojde v rámci stejné buňky k přepojení na jiný
kanál. Používá se metoda MCHO, kdy je handover řízen mobilní stanicí a tzv. bezešvý
handover (při přepínání kanálů probíhá přenos po starém i novém kanálu).
RFP
CCFP
IWU
Externí
sítě
RFP
Obr. 6.17 Architektura systému DECT
Mezi největší výhody systému DECT patří vysoká provozní kapacita, dobrá kvalita
přenosu hovorových signálů (srovnatelná s pevnou telefonní sítí), přenos dat rychlostí
32 kbit/s, odolnost vůči interferencím, nízké pořizovací a provozní náklady a jednoduchá
koncepce. Nevýhodou je pouze lokální pokrytí (podnik, město) a omezená rychlost pohybu
účastníků (do 6 km/hod).
40
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Kontrolní otázky
1. Jaký typ duplexu, mnohonásobného přístupu a handoveru se používá v systému DECT?
2. Jaký je maximální počet účastnických kanálů v systému DECT?
Výukový program: Moderní komunikační technologie
41
6.5 Systémy pro paging
Anotace:
V této kapitole bude popsán evropský standard pro celoplošné paginové systémy
ERMES. Pozornost bude věnována rovněž paginovému systému RDS, jenž je
určen k přenosu doplňkových informací rozhlasových programů vysílaných
v pásmu VKV.
Osnova:
6.5.1 Systém ERMES
6.5.2 Systém RDS
Paging (rádiový vyvolávací systém) je komunikační systém, který slouží
k jednosměrnému předávání zpráv pohyblivým účastníkům (adresátům), kteří jsou vybaveni
přenosnými kapesními přijímači (pagery). Pagingové přijímače jsou velice jednoduché,
protože neobsahují mikrofon, reproduktor, tlačítkovou soupravu ani koncový
vysokofrekvenční stupeň. Tyto systémy se také označují jako systémy vyhledávání osob.
Mohou být využity k privátním účelům (nemocnice, letiště, atd.) nebo slouží veřejnosti a je
k nim přístup z veřejných telekomunikačních sítí. Zprávu je možné zaslat jednak pouze
jednomu účastníkovi nebo i celé skupině účastníků. Tyto zprávy mohou mít různou formu:
•
Akustickou (Ton Only, Ton Voice) – vzkaz je ohlášen v podobě tónového signálu
(pípáním) a rozsvícená LED dioda označuje, komu je třeba zavolat (např. zelená –
kancelář, červená – domů apod.). V systému Ton Voice na účastníka pager krátce
promluví.
•
Numerickou – přenos několika čísel, která vyjadřují např. telefonní číslo pro zpětné
volání (kam má účastník ihned zavolat) nebo zakódovanou zprávu. Numerický vzkaz
je ohlášen akusticky nebo vibracemi.
•
Alfanumerickou – přenos krátkých textových zpráv, včetně čísel. Délka vzkazu má
určitý omezený počet znaků. Vzkaz je ohlášen akusticky, světelným signálem nebo
vibracemi.
•
V neveřejných systémech je možný automatický přenos krátkých slovních sdělení.
Na obrázku 6.18 je nakreslena obecná bloková struktura pagingového systému.
Automatické předávání
vzkazů
Pagingová ústředna
Paging přes modem
Základnové
stanice
Vzkazy přes spojovatelky
Pevné přístupové linky
WWW stránky
PABX
PNC
PAC
BS
Vybírání schránek
Obr. 6.18 Obecná bloková struktura pagingového systému
Pagingový
přijímač
pager
42
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Zpráva pro adresáta může být předána do systému různým způsobem pomocí různých
terminálů. Dříve se předávala pouze telefonicky, dnes existuje již celá řada jiných možností,
například e-mail, fax, modem, atd.. Zpráva je přenesena přes pobočkovou telefonní ústřednu
PABX (Private Automatic Branch Exchange) do pagingové řídící ústředny systému.
V databázi centrální pagingové řídící jednotky PNC (Paging Network Controller) jsou
uloženy základní informace o účastníkovi (např. jméno, adresa, typ přijímače, seznam
objednaných služeb, vymezení provozní oblasti, aj.) a tzv. systémové informace (např.
o konfiguraci sítě, jejím provozním zatížení, atd.). Po ověření údajů volaného účastníka je
zpráva předána přes distribuční síť do oblastní pagingové řídící jednotky PAC (Paging Area
Controller). Má-li účastník vymezeno (tj. zaplaceno) několik provozních oblastí (případně
všechny), je zpráva zasílána do všech příslušných jednotek PAC. V případě velkého množství
různých zpráv je požadavek zařazen do fronty respektující nejen dobu příchodu požadavku,
ale i požadovaný stupeň priority odeslání zprávy (1 - do minuty, 2 – do dvou minut, 3 - bez
omezení). Prostřednictvím distribuční sítě je zpráva předána pagingové základnové stanici BS
(Base Station), která zprávu upraví do vhodného formátu pro vysílání k účastnickým
pagingovým přijímačům. Používá se většinou kmitočtové klíčování 2FSK a 4FSK, které je
odolné vůči šumu a interferencím a umožňuje velice jednoduchou konstrukci pagingových
přijímačů v levném monolitickém provedení. Výstupní výkony vysílačů základnových stanic
bývají desítky až stovky wattů. Poněvadž pagingové systémy využívají relativně nízkých
kmitočtových pásem VKV, kde se rádiové vlny již ohýbají, je síť základnových stanic
mnohem řidší než v případě radiotelefonních systémů. Signálem jedné základnové stanice se
pokryje přibližně plocha jednoho okresu.
V Evropě byl už dříve v provozu např. analogový systém Eurosignal či digitální systém
POCSAG, od roku 1994 se používá nový evropský standard s názvem ERMES.
6.5.1 Systém ERMES
Pagingový systém ERMES (European Radio MEssage System) byl v říjnu 1994
doporučen ITU jako evropský standard pro celoplošné pagingové systémy umožňující
i mezinárodní roaming. První komerční systém ERMES zahájil provoz ve Francii v říjnu
1994. V naší republice byl zaváděn od roku 1997 (hlavně Praha + velká města). Jeho bloková
struktura odpovídá schématu na obrázku 6.18. K charakteristickým rysům systému ERMES
patří:
•
velmi vysoká vysoká kapacita (až 4,2 miliónů adres na jednoho národního
provozovatele při využití 2 rádiových kanálů),
•
mezinárodní použití (mezinárodní roaming),
•
všechny druhy pagingových služeb (tónová, numerická a alfanumerická),
•
tónový paging definuje až 8 tónů,
•
numerický paging umožňuje vyslat více než 20 numerických nebo speciálních znaků
(20÷16000),
•
alfanumerický paging umožňuje vyslat více než 400 textových znaků (400÷9000),
•
uzavřená skupina účastníků,
•
možnost ověřování a šifrování,
•
mód úspory napájecích článků pageru.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
43
Systém má přidělené kmitočtové pásmo 169,4125 MHz až 169,8125 MHz, ve kterém je
umístěno 16 rádiových kanálů s odstupem nosných 25 kHz. Kmitočet nosné každého
rádiového kanálu lze určit ze vztahu
f n = 169,400 + n.0,025 [ MHz ]
(6.9)
Systém ERMES používá pro přenos 4 stavovou FSK modulaci označovanou jako
4PAM/FM a přenosová rychlost signálu je 6,25 kbit/s. Přenos dat je zabezpečen kanálovým
kódování (samoopravným kódem) a prokládáním proti vzniku skupinové chyby (s hloubkou
devíti kódových slov).
Podle přenosového protokolu systému ERMES je každá hodina rozdělena na 60
minutových cyklů, každý cyklus se dělí na 5 subcyklů po 12 s, ve kterých se přenáší 16
periodicky se opakujících časových rámců (dávek - batches). Tyto dávky se vysílají na 16
kanálech a jsou označeny písmeny A až P, jak je znázorněno na obrázku 6.19. Každá dávka
s dobou trvání 0,75 s obsahuje (kromě poslední) 154 kódových slov o délce 30 bitů. Poslední
dávka obsahuje 190 kódových slov. K 18 informačním bitům je přidáno 12 bitů ochranných,
což umožňuje korigovat až 2 chybně přenesené bity. Na začátku každé dávky jsou
synchronizační bity, potom následují systémové informace (kód země, kód operátora, kód
oblasti, číslo dávky, atd.), adresa příjemce a nakonec datové pole, kde se přenáší vlastní
zpráva. Aby přijímač mohl prohledávat přes všechny kanály bez ztráty zprávy, probíhá
vysílání tak, že např. dávka A je první v kanálu č. 1, šestnáctou v kanálu č. 2, druhou v kanálu
č. 3, patnáctou v kanálu č. 4 atd.
Sekvence o délce 60 minut = 60 cyklů
00
01
02
03
04
...
57
58
59
Cyklus o délce 1 minuta = 5 subsekvencí
0
1
2
3
4
Subsekvence o délce 12 s = 16 dávek
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Dávka o délce 0,75 s
Synchronizace Systémové inf.
Adresa
Zpráva
Obr. 6.19 Kódová struktura systému ERMES
Každému pagingovému přijímači je přidělen pouze jeden ze 16 rámců, na kterém může
přijímat svůj individuální rádiový identifikační kód RIC (Radio Identification Code). Kód je
trvale uložen v paměti pagingového přijímače i v centrální pagingové jednotce PNC.
Obsahuje celkem 35 bitů, z nichž prvních 13 bitů obsahuje kódy oblasti, země a operátora,
u kterého je účastník přihlášen. Dalších 18 bitů obsahuje adresu konkrétního pagingového
přijímače a poslední 4 bity určují číslo datového rámce, v němž daný přijímač může přijímat
svůj identifikační kód RIC. Celý proces synchronizace a postupného prohledávání probíhá
44
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
tak, že přijímač začne pracovat na frekvenci kanálu 01 a hledá rámec, ve kterém je jeho volací
znak, např. rámec A. Dále následuje postupné prohledání ostatních kanálů až najde ten
správný. Po úspěšném zesynchronizování musí přijímač pracovat pouze 0,75 s během doby
trvání celého podcyklu (12 s). Poněvadž příjem je synchronní, přijímač je aktivní pouze
v době, kdy mu může být zaslána zpráva. Tím se šetří energie akumulátorů, které při běžném
provozu vydrží až několik měsíců. Příjem vlastní zprávy však může být proveden
na libovolném rámci.
6.5.2 Systém RDS
Pagingový systém RDS (Radio Data System) využívá k šíření signálu síť rozhlasových
vysílačů VKV v pásmu 87,5 až 108 MHz. Je určen k přenosu doplňkových informací
rozhlasových programů FM, vysílaných v tomto pásmu. Spolu s rozhlasovým programem je
vysíláno celkem 16 různých typů doplňkových informací, jako například identifikace
programu PI, název programu PS, typ programu PTY, identifikace dopravního vysílání TP,
hodiny a datum CT atd. Tyto informace se zobrazují na displeji rozhlasového přijímače.
Jedním z 16 typů přenášených informací je i rádiový paging RP. Vzhledem k tomu, že v naší
republice pokrývá síť VKV vysílačů téměř celé její území (cca 97%), využívá se tohoto
způsobu šíření signálu bez nutnosti budování nové sítě. Je nutný pouze nepříliš náročný zásah
do modulačních obvodů vysílače.
Charakteristické rysy systému RDS s využitím pro paging:
•
možnost použítí všech druhú pagingových služeb, tj. tónovou, numerickou (10 a 18
číslic) a alfanumerickou (80 znaků),
•
přenosová rychlost signálu je 1187,5 bit/s,
•
poměrně složitý přijímač RDS (prohledává celé pásmo),
•
využívá bez nejmenších problémů stávající sítě VKV vysílačů (žádné synchronizační
problémy ve vysílací síti),
•
kapacita cca 100 000 účastníků,
•
možnost mezinárodního nasazení
•
mód úspory energie napájecích článků.
Digitální signál RDS je modulován na subnosný kmitočet 57 kHz pomocí FM
modulace. Výsledná šířka kmitočtového pásma signálu RDS po modulaci je 4,8 kHz. Datový
informační signál je podroben diferenciálnímu kódování. To má výhodu v tom, že případná
inverze signálu při jeho dalším zpracování nemá vliv na správné vyhodnocení dat. Z důvodů
synchronizace celého systému RDS (pro odstranění dlouhých sekvencí nul nebo jedniček) je
signál podroben tzv. bifázovému (dvoufázovému) kódování, v podstatě fázové modulování
na obdélnikový signál o kmitočtu 1187,5 kHz. Před vlastní modulací na subnosnou se signál
ještě filtruje.
Digitální signál RDS (a tedy i signál rádiového pagingu)se přenáší pomocí tzv. skupin
nebo-li grup (groups), z nichž každá obsahuje 104 bitů a je tvořena 4 bloky po 26 bitech.
Každý blok se skládá z 16 bitů informačních a 10 bitů kontrolních, používaných
pro zabezpečení přenášené informace a synchronizaci. Přenosová rychlost signálu je
1187,5 bit/s.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
Kontrolní otázky
1. Jaké typy zpráv je možno přenášet v paginových komunikačních systémech?
2. Na jakých kmitočtech pracuje systém ERMES?
3. K čemu je určen paginový systém RDS?
45
46
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.6 WiFi
Anotace:
V této kapitole budou popsány WiFi sítě, jejich základní komponenty a možné
varianty sítí, které lze jejich prostřednictvím vytvořit. Dále budou vysvětleny
metody technologie rozprostřeného spektra, jenž se u těchto sítí používají
na fyzické vrstvě. Rovněž zde bude nastíněna problematika bezpečnosti těchto sítí
a otázky spojené s jejich plánováním a výstavbou.
Osnova:
6.6.1 Komponenty sítě
6.6.2 Typy sítí
6.6.3 Technologie sítí
6.6.4 Dostupné radiové frekvence
6.6.5 Bezpečnost sítí
6.6.6 Plánování WiFi sítí
Mezinárodní standardizační institut IEEE specifikoval v roce 1999 standard 802.11b –
bezdrátové sítě pracující v pásmu 2,4 GHz (přidělené pásmo 2400-2483 MHz) rychlostí až
11 Mbit/s a v roce 2003 došlo ke zvýšení datové rychlosti ve stejném pásmu 2,4 GHz až
na 54 Mbit/s (802.11g) se zpětnou kompatibilitou s 802.11b. Tyto sítě využívají tzv. pásmo
ISM (Industrial Scientific and Medical), které je vyhrazeno pro průmyslové, vědecké
a lékařské potřeby, jenž pro tyto účely vymezil jak americký regulátor FCC (Federal
Communications Commission), tak evropský ETSI. K provozování sítí v tomto pásmu není
nutná licence. Název WiFi (Wireless Fidelity), jenž se pro tuto technologii komerčně používá,
vytvořila certifikační aliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), testující
interoperabilitu jednotlivých zařízení hlásících se ke standartu 802.11. Výrobky, jenž
vyhovují všem testovacím kritériím jsou označeny logem WiFi. V roce 2003 se aliance
WECA přejmenovala na WiFi alianci.
6.6.1 Komponenty sítě
Každá síť standardu 802.11 obsahuje čtyři hlavní druhy fyzických komponent, jak je
uvedeno na obrázku 6.20:
•
distribuční systém (kabelová síť) – nejčastěji se jedná o páteřní síť používanou
pro přenos dat mezi přístupovými body (Ethernet)
•
přístupový bod AP (Access Point) – představuje přemostění mezi kabelovou
a bezdrátovou sítí
•
bezdrátové médium (volné prostředí) – rádiový komunikační kanál
•
stanice – obecně jakékoliv „pevné“ nebo mobilní zařízení (počítač, notebook, PDA…)
Výukový program: Moderní komunikační technologie
distribuční systém
přístupový bod
47
bezdrátové médium
volné prostředí
stanice
Obr. 6.20 Komponenty sítě 802.11
6.6.2 Typy sítí
Základní stavební blok sítě 802.11 tvoří skupina spolu komunikujících stanic, které
označujeme jako základní soubor služeb BSS (Basic Service Set). Tato společná komunikace
probíhá na území označovaném jako BSA (Basic Service Area), jenž je vymezeno průnikem
dosahu těchto stanic. Pokud se stanice nachází v rámci BSA, může komunikovat s dalšími
členy BSS. Podle toho, jak probíhá komunikace mezi členy BSS, rozeznáváme dva hlavní
typy sítí:
•
Ad-hoc sítě – tyto sítě se někdy rovněž nazývají nezávislé sítě nebo sítě peer-to-peer.
Jednotlivé stanice spolu komunikují přímo, podle potřeby, a tedy nezávisle na nějakém
prostředníkovi. Pokud spolu stanice chtějí komunikovat, musí být ve vzájemném
radiovém dosahu (viz obrázek 6.21). Nejčastěji se tyto sítě vytvářejí krátkodobě
za konkrétním účelem, např. pro nárazovou výměnu dat mezi stanicemi.
notebook
notebook
notebook
Obr. 6.21 Nezávislé sítě
•
Infrastrukturní sítě – mají svoji přesně vymezenou infrastrukturu. Spojovací článek
na rozhraní mezi bezdrátovou a kabelovou sítí zde představuje přístupový bod, jenž
plní funkci datového mostu (bridge), viz obrázek 6.22. Přístupové body nezabezpečují
pouze komunikaci s pevnou sítí, ale rovněž umožňují vytvořit bezdrátové spojení
s podobnou sítí v bezprostředním okolí. V infrastrukturní síti musí data putovat dvěma
skoky – nejdříve na přístupový bod a z něj teprve na druhou stanici. V této síti se musí
stanice s přístupovým bodem nejdříve asociovat, tzn. vyjádřit svůj zájem přenášet data
a AP s tím musí vyjádřit souhlas.
48
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
notebook
notebook
notebook
access point
access point
server
access point
notebook
PC
Obr. 6.22 Infrastrukturní sítě
6.6.3 Technologie sítí
Fyzickým rozhraním mezi zařízeními v síti je tzv. fyzická vrstva. Protože hovoříme
o bezdrátové síti, jedná se o bezdrátovou vrstvu, a hovoříme tedy o způsobech, jakými se
přenáší rádiový signál v síti WiFi. Používají se dvě metody technologie rozprostřeného
frekvenčního spektra SS (Spread Spectrum):
•
frekvenční proskoky FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – Vysílač mění
jednotlivé kanály v pseudonáhodném pořadí a na každém vysílá krátký datový proud.
Frekvenční pásmo 83,5 MHz (platí pro většinu zemí) je rozdělena do 79 kanálů o šířce
1 MHz. Zbylých cca 4,5 MHz slouží jako ochranné pásmo proti interferencím
ze sousedního frekvenčního pásma. Rádiový signál pak mění v pseudonáhodném
pořadí tyto kanály tak, že každých 30 s vystřídá všech 79 kanálů a na každém vysílá
maximálně po dobu 400 ms. Podstatnou výhodou frekvenčních proskoků je větší počet
systémů pracujících najednou v pásmu 2,4 GHz – podle standardu 802.11 takto může
pracovat až 26 nezávislých sítí (26 pseudonáhodných posloupností) při dostatečné
datové propustnosti.
•
přímá sekvence DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – Za použití
matematického kódování je vysílaná informace rozprostřena do širšího frekvenčního
pásma (22 MHz). Ve frekvenčním pásmu 83,5 MHz jsou k dispozici tedy tři takto
široká pásma. Přijímač inverzním postupem signál dekóduje. Standart 802.11b přináší
přímou sekvenci o rychlosti až do 11 Mbit/s.
•
ortogonální frekveční multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)
–Přenosové pásmo je rozděleno na velké množství úzkých kanálů, data se v každém
kanálu přenášejí relativně pomalu a signál je tak mnohem robustnější. Celková
Výukový program: Moderní komunikační technologie
49
rychlost přenosu dat je dána součtem rychlostí přenosu dat všech kanálů (až
54 Mbit/s). OFDM byla přijata jako standard IEEE 802.11a, tedy pro pásmo ISM
5 GHz, v roce 2003 byla ale také adaptována pro pásmo ISM 2,4 GHz jako IEEE
802.11g.
Používání rozprostřeného spektra je požadavkem pro provoz nelicencovaných zařízení
a vyplývá z nařízení regulátora, v pásmu ISM tedy nelze používat jiný typ přenosu.
6.6.4 Dostupné radiové frekvence
V případě standardů 802.11b a 802.11g jde o následující frekvence uvedené
v tabulce 6.8. Rozdělení do kanálů je platné pro častěji používané rozprostřené spektrum,
systémy s frekvenčními proskoky si dělí celé spektrum do 79 kanálů. Označením frekvence se
rozumí střed frekvence.
Tab. 6.8 Dostupné radiové frekvence
kanál
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
frekvence [GHz] 2,412 2,417 2,422 2,427 2,432 2,437 2,442 2,447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472 2,484
Tabulka 6.9 ukazuje, ve které zemi které kanály můžeme použít – pásmo 2,4 GHz není
celosvětově volné všude stejně.
Tab. 6.9 Dostupnost rádiových kanálů ve světě
Země
kanály
frekvence [GHz]
USA a Kanada
1 - 11
2,412 - 2,462
Evropa mimo Francie a Španělska (ETSI konvence)
1 - 13
2,412 - 2,472
Francie
10 - 13
2,457 - 2,472
Španělsko
10 - 11
2,457 - 2,462
Japonsko
14
2,484
Česká republika má k dispozici největší počet povolených kanálů a to 13. Neznamená
to, že je k dispozici 13 plnohodnotných frekvencí. Technologie rozprostřeného spektra
znamená vysílání do frekvenčního rozsahu 22 MHz. Jenže odstup mezi kanály je pouhých
5 MHz, tedy vysílání na jednom kanálu se překrývá s vysíláním na sousedních čtyřech
kanálech. Pokud chceme provozovat dva přístupové body tak, aby se jejich signál překrýval
a nerušil, musíme je nastavit tak, aby pracovaly minimálně pět kanálů od sebe. Minimální
odstup mezi centrálními frekvencemi je 25 MHz, tedy tolik, aby se sem provoz systému
rozprostřeného spektra vyžadující 22 MHz vešel. Ve skutečnosti máme k dispozici pouze tři
samostatné a vzájemně se nerušící frekvence.
50
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.6.5 Bezpečnost sítí
Bezpečnost bezdrátových sítí můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin
•
šifrování – zabezpečení přenášených dat před odposlechem. V sítích WiFi se
o zabezpečení stará WEP (Wired Equivalent Privacy), standard pro zabezpečení
rádiové části sítě (zabezpečení komunikace mezi WiFi zařízeními až na úroveň
přístupového bodu). Standard WEP používá jako šifru symetrickou streamovou šifru
RC4 (šifru s tajným klíčem). WEP definuje délku klíče 40 bitů. Některá zařízení
umožňují délku klíče 104 bitů. 24 bitů tvoří inicializační řetězec IV, jenž doplňuje
délku klíče na 64 resp. 128 bitů.
•
autentizace – řízení přístupu oprávněných uživatelů. 802.11 specifikuje dvě metody
pro autentizaci:
ƒ
open-system autentizace – přístupový bod přijme klientské zařízení na základě
údajů, které mu poskytne, aniž by je ověřoval. Klient pošle svoji identifikaci
v podobě tzv. SSID (Service Set Identifier). Kdo nezná SSID nemůže získat
přístup k síti. SSID se dá ale snadno zjistit.
ƒ
shared-key autentizace – při autentizaci sdíleným klíčem je nutno v síti použít také
WEP. Podstata této autentizace spočívá v klíči, jenž je známý každému zařízení,
které chce přistupovat do sítě. Zařízení se při požadavku na autentizaci musí tímto
klíčem prokázat a teprve v případě, že jej přístupový bod ověří, je zařízení v síti
autentizováno.
Standardní prostředky 802.11 nejsou k zabezpečení těchto sítí dostatečné. Proto se
pro zabezpečení využívají další metody:
•
bezpečnost podle standartu 802.1x a protokolu EAP (Extensible Authentication
Protokol) – obecný bezpečnostní rámec pro všechny typy sítí, zahrnující autentizaci
uživatelů, integritu zpráv (šifrováním) a distribuci klíčů. Ověřování se realizuje
na úrovni portů AP.
•
bezpečnostní mechanismus WPA (WiFi Protected Access) – pro šifrování je používán
TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), jenž využívá stejný šifrovací algoritmus jako
WEP. Používá standardně 128 bitový dynamický klíč, který se mění každých 10000
paketů.
•
standard 802.11i – šifrování pomocí šifry AES (Advanced Encryption Standard)
v rámci autentizačního rámce EAP. Velikost šifrovacího klíče AES může být až 256
bitů.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
51
6.6.6 Plánování WiFi sítí
Před samotnou realizací pokrytí WiFi signálem složitějších prostor či vytvoření
směrového spoje je potřeba věnovat pozornost pečlivému naplánování dané situace mnohdy
spojenou s výpočtem kvality radiového spoje. Je nutné zvážit několik zásadních údajů
a aspektů budoucí bezdrátové sítě:
•
Požadavky na propustnost sítě spojená s požadavky na přenosovou rychlost sítě, tedy
vhodnou volbou příslušného standardu vzhledem k poměru výkon/cena.
•
Výsledná oblast pokrytí spojená s hustotou uživatelů v dílčích částech pokrývané
oblasti. V tomto případě je potřeba vhodným způsobem zvolit radiové frekvence
pro jednotlivé přístupové body tak, aby pokud možno nedocházelo k radiovému rušení
(efektivní využívání radiového spektra).
•
Požadavky na zabezpečení sítě
•
Vliv prostředí na šíření signálu – radiové signály WiFi jsou ovlivněny mnoha aspekty,
mezi které zejména patří:
ƒ
rušení jinými systémy ve stejném pásmu – jiné systémy WiFi, Bluetooth, Breez
Net
ƒ
přímá viditelnost – např. vliv stromů (viz. Fresnelova zóna)
ƒ
vlivy počasí – např. drobné výchylky na delší vzdálenosti při prudkém dešti,
namoklé listnaté stromy (dochází k pohlcování vln vodou, která je jimi ohřívána)
ƒ
vícecestné šíření
Kontrolní otázky
1. O jakém typu sítí hovoříme v případě použití tzv. typu Ad-hoc?
2. Proč není vhodné vedle sebe provozovat přístupové body pracujících na sousedních
rádiových kanálech?
3. Co je to tzv. rozprostřené spektrum a k čemu slouží?
4. Co ovlivňuje přenosovou rychlost v sítích WiFi?
52
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
6.7 Družicové komunikační systémy
Anotace:
V této kapitole bude stručně popsán princip družicové komunikace a vlastnosti
příslušných oběžných drah. Pozornost bude věnována popisu některých
vybraných družicových komunikačních sítí a navigačnímu systému GPS
pro určování polohy.
Osnova:
6.7.1 Oběžné dráhy
6.7.2 Příklady družicových komunikačních sítí
6.7.3 Systém družicové navigace GPS
Družicové komunikační systémy využívají jednu nebo několik družic, které jsou
umístěné vysoko nad zemským povrchem. Poloha těchto družic vůči obsluhované oblasti je
velmi důležitá z hlediska pokrytí, kvality služby, nákladů a složitosti sítě. Tyto systémy hrají
důležitou roli při zabezpečení provozu mezi kontinenty nebo na velké vzdálenosti
a v současné době se začínají více uplatňovat i pro regionální a národní služby. Družicové
komunikační systémy nabízí širokou škálu služeb, rozlišujeme:
•
Pevné družicové služby FSS (Fixed Satellite Services),
•
Mobilní družicové služby MSS (Mobile Satellite Services),
•
Radiodeterminační družicové služby RDSS (Radiodetermination Satellite Services),
•
Radionavigační družicové služby RNSS (Radionavigation Satellite Services),
•
Družicové služby pro rozhlasové a televizní vysílání BSS (Broadcast Satellite
Services),
•
Mezidružicové služby ISS (Inter-Satellite Services).
Mobilní družicové služby mohou být zabezpečené třemi druhy mobilních
komunikačních sítí – námořními, leteckými a pozemními. Svou provozní kapacitou, kvalitou
a sortimentem nabízených služeb se sice nevyrovnají pozemním mobilním telefonům
a bezšňůrovým telefonům, jsou však nezastupitelné při budování budoucích globálních
(celosvětových) systémů pro veřejnou mobilní komunikaci.
6.7.1. Oběžné dráhy
Družice mohou opisovat kolem Země buď kruhové nebo eliptické dráhy (orbity), které
můžeme popsat pomocí následujících parametrů:
•
Apogeum – nejvzdálenější bod od Země,
•
Perigeum – nejbližší bod od Země,
•
Perioda – čas, během kterého družice projde jedenkrát celou dráhu.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
53
V případě, že se jedná o kruhovou dráhu, apogeum je stejné jako perigeum a vzhledem
k zemské atmosféře nemůže být perigeum menší než cca 130 km nad povrchem Země.
Oběžné dráhy v závislosti na výšce a tvaru dělíme na :
•
GEO (Geostationary Earth Orbit) – geostacionární oběžná dráha,
•
MEO (Medium Earth Orbit), ICO (Intermediate Earth Orbit) – střední oběžná dráha,
•
HEO (High Eliptic Earth Orbit) – výstřední eliptická oběžná dráha,
•
LEO (Low Earth Orbit) – nízká oběžná dráha.
Každá z těchto oběžných drah je vhodná pro určitou skupinu služeb. Čím blíže jsou
družice nad zemským povrchem, tím menší jsou potřebné vysílací výkony vysílačů
pozemních stanic a tím menší je nežádoucí zpoždění (latence) signálu během šíření, avšak
pro celoplošné pokrytí Země je jich zapotřebí více.
GEO
Jedná se o speciální typ oběžné dráhy s nulovým inklinačním úhlem vůči rovníkové
orbitální rovině. Vzdálenost oběžné dráhy od povrchu Země je 35786,1 km a čas oběhu
družice je 23 h 56 min 4,091 s, což je čas shodný s časem otočení Země kolem své osy.
V důsledku toho se družice jeví jako stacionární (během celého oběhu je na stejném místě nad
zemským povrchem). Pozemní stanice má pevně nasměrovanou anténu na družici
a nepotřebuje tedy složité zařízení zabezpečující sledování družice. Další výhodou je to, že
díky relativně vysoké oběžné dráze je možno jednou družicí pokrýt až 43 % zemského
povrchu a na pokrytí celé Země stačí pouze 3 družice. V důsledku tlumení signálu zemskou
atmosférou (až 200 dB) však družice nedokážou pokrýt signálem polární oblasti. Další
nevýhodou je relativně velké zpoždění signálu, které se pohybuje v závislosti na umístění
pozemní stanice od 240 ms do 280 ms, což není vhodné při komunikaci v reálném čase (např.
telefonní provoz, Internet apod.). Tyto družicové systémy jsou výhodné např.
pro jednosměrnou distribuci televizních a rozhlasových signálů, které lze přijímat běžnými
družicovými přijímači s fixně nasměrovanou anténou. V současnosti je v provozu cca 150
družic tohoto typu, typickým představitelem jsou družice systému ASTRA.
MEO (ICO)
Zde se družice pohybují po kruhových eliptických dráhách ve výšce 10000 km až
14000 km nad zemským povrchem. Ve srovnání s geostacionární oběžnou dráhou je tato
dráha nižší a proto musí být vyšší oběžná rychlost družice. Rovněž je kratší čas viditelnosti
družice (pouze několik hodin). Nižší umístění družic nad zemským povrchem však zkracuje
dobu zpoždění signálu, které se v tomto případě pohybuje od 70 ms do 120 ms. Na globální
pokrytí Země je nutné použít více družic, které jsou umístěny v několika orbitálních rovinách.
K nevýhodám dále patří nutnost použití systému sledování družic. Typickými představiteli
jsou systémy Inmarsat-P nebo Odyssey.
HEO
Oběžné dráhy mají eliptický tvar, vzdálenost družice od zemského povrchu se tedy
mění. Tato eliptická dráha má perigeum ve výšce okolo 500 km a apogeum okolo 50000 km
54
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
nad povrchem Země. Mění se také rychlost družice na této dráze, která je velká v perigeu
a malá v apogeu. Přibližně 2/3 oběžné periody družice setrvává okolí apogea (až několik
hodin, nejlepší viditelnost) a pro pozemní pozorovatele se jeví jako stacionární. Nejlepší
viditelnost dosahují rovněž v blízkosti perigea, ale zde se zdrží pouze několik desítek minut.
V závislosti na tvaru oběžné dráhy se čas oběhu družice mění od 2 do 12 hodin. Vzhledem
k tomu, že vzdálenost družice od Země není konstantní mění se i zpoždění signálu během
jediného oběhu a to v rozmezí od 50 ms do 320 ms, což je velkou nevýhodou těchto systémů.
Ze stejného důvodu se rovněž mění útlum signálu během přenosu a tvar oblasti, jenž je pokryt
signálem (oblast viditelnosti družice - footprint). I zde je zapotřebí použít systém sledování
družic. Další nevýhodou je krátká životnost družic, protože jejich dráha prochází přes radiační
pásma atmosféry, které mají nepříznivý účinek na elektroniky a solární články. Výhodou
těchto družic je dokáží pokrýt svým signálem i oblasti zeměpisných pólů. Hlavními
představiteli těchto systémů jsou družice Tundra a Molnija.
LEO
Systémy využívající tyto nízké, kruhové (výjimečně eliptické) oběžné dráhy jsou
v poslední době velice aktuální. K jejich výhodám patří malá vzdálenost od zemského
povrchu (500 km až 3000 km) a velmi malé zpoždění signálu (v rozsahu od 6 ms do 30 ms).
Tyto systémy se tedy dají výhodně použít pro komunikaci v reálném čase. Čas oběhu těchto
družic, které se pohybují vysokou rychlostí, je v rozsahu 1 až 3 hodin a čas viditelnosti je
pouze několik minut. Z tohoto důvodu je na zabezpečení globálního pokrytí zemského
povrchu použití velkého počtu družic v několika orbitálních rovinách. Rovněž je nutné zajistit
komplikované přepínání komunikace mezi pozemní stanicí a jednotlivými družicemi, a stejně
tak i natáčení antény pozemní stanice za družicí. Mezi představitele těchto systémů patří např.
systém Iridium či GlobalStar.
6.7.2 Příklady družicových komunikačních sítí
INMARSAT
Systém INMARSAT (International Maritime Satellite Organization) byl založen v roce
1979, kdy bylo možné využívat jeho služeb v námořní oblasti. Do současnosti se pole jeho
působnosti rozšířilo i na pozemní, mobilní a leteckou komunikaci. Architektura systému se
skládá ze čtyř základních částí:
•
Kosmický segment – je tvořen 4 družicemi (plus několik záložních), jenž jsou
rozmístěny na oběžné dráze GEO. Každá družice má přiděleno tzv. směrové číslo
a pokrývá určitou oblast. Jedná se o atlantskou zónu - dvě družice AOR-E a AOR-W,
indickou zónu IOR a pacifickou zónu POR.
•
Stanice MES (Mobile Earth Station) – mobilní pozemské stanice převozné
(transportable) pro umístění na prostředky námořní, letecké nebo pozemní dopravy
nebo přenosné (portable) pro personální komunikaci. S družicí komunikují
v kmitočtovém pásmu 1,5/1,6 GHz.
•
Stanice LES (Land Earth Station) – pevné pozemské stanice, které tvoří rozhraní
vůči kosmickému segmentu (systém nepoužívá přímou komunikaci mezi jednotlivými
družicemi). Stanice LES pracují v pásmu 6/4 GHz a slouží zároveň pro komunikaci
mezi mobilní stanicí a pozemskými telekomunikačními sítěmi.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
•
55
Stanice NCS (Network Controll Station) – plní funkce monitorování a kontroly sítě,
řídí jednotlivá spojení. Slouží pro celkovou koordinaci sítě. Spojení probíhá vždy přes
LES v příslušné oblasti, přes kterou se lze připojit do veřejných telefonních nebo
datových sítí nebo k jiné MES.
Systém INMARSAT definuje několik různých standardů, které se liší především podle
nabízených služeb:
INMARSAT-A, INMARSAT-B
Služba INMARSAT-A byla realizována jako první globální družicová námořní
pohyblivá služba v pásmu 1,5/1,6 GHz (přijímač – 1535-1543,5 MHz, vysílač 1636,51645 MHz). Pohyblivé stanice MES se také vyskytují v modifikaci určené pro spojení
ze souše. Z hlediska telefonního přenosu hlasu pracuje na analogových principech. Služba
nabízí klasickou hlasovou službu a přenos dat. Vývoj kompresních algoritmů dovoluje
přenášet v režimu HSD (High Speed Data) data rychlostí až 64 kbit/s. Váha běžného Aterminálu se pohybuje kolem 120 kg a přenosný A-terminál váží mezi 20 až 30 kg.
INMARSAT-B je digitální standard, který je používán převážně v námořních aplikacích.
Slouží pro poskytování hlasových služeb, přenosu faxových zpráv a datových spojení.
Maximální přenosová rychlost při přenosu dat je 64 kbit/s.
INMARSAT-C
INMARSAT-C je digitální systém určený pouze pro datové přenosy s maximální
přenosovou rychlostí 600 bit/s a délkou zpráv do 32 kB (obousměrně). Protože metoda
přenosu je založena na principu „zapamatuj si a odevzdej“ (store and forward), může doba
přenosu každé zprávy od jejího vyslání až po její přijetí trvat pět až deset minut. Pomocí
INMARSATu-C lze též získávat údaje o poloze pohybujícího se objektu (loď, letadlo,
vozidlo), terminál může být integrován např. společně s navigačním systémem GPS.
Terminály INMARSAT-C jsou schopny přijímat tzv. multiadresové zprávy, známé pod
zkratkou EGC (Enhanced Group Calls). V praxi to znamená, že zpráva (např. varování) je
opatřena záhlavím označujícím určitou oblast nebo jen jednotlivé terminály a na těchto
místech je zpráva přijata. EGC lze posílat v různých jazycích a abecedách. V rámci EGC
rozlišujeme tzv.virtuální síť SafetyNET s ochranou přenášených dat proti zneužití, jenž je
určená pro pobřežní hlídky, meteorology apod.. Další síť má název FleetNET a je určena
pro poskytování zpráv určité skupině uživatelů prostřednictvím hromadného rozesílání
aktuálních zpráv (burzovní zprávy, sportovní výsledky, počasí, stav silnic atd.). Hmotnost
přenosných C- terminálů se pohybuje okolo tří až čtyř kg, klasické terminály pro instalaci
do lodních systémů dosahují hmotnosti asi 10 kg.
INMARSAT-D a D+
INMARSAT-D a D+ je družicový komunikační systém, který zajišťuje službu pagingu
(varianta D) a obousměrného pagingu (varianta D+). Podporované zprávy jsou tónové,
numerické i alfanumerické.
INMARSAT-M
INMARSAT-M byl uveden do provozu 1993. Jedná se o plně digitální systém, který
poskytuje řízení vysílacího výkonu terminálu v závislosti na aktuálních podmínkách
56
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
pro zajištění obousměrné komunikace. Komunikační kmitočty jsou shodné se systémem
INMARSAT-A. Používá poměrně malé mobilní stanice MES, které umožňují přenos hovoru,
dat a faxových zpráv s maximální přenosovou rychlostí 2,4 kbit/s. Přenosná varianta
(portable) má tvar kufříku o hmotnost 5-8 kg, k dispozici jsou i větší, převozné (transportable)
stanice.
INMARSAT-miniM
Systém INMARSAT-miniM nabízí mobilní družicovou komunikace pro hovor a přenos
dat stejně jako INMARSAT-M. Ke svému provozu využívá družic 3. generace , které
umožňují provoz v úzkých svazcích (spotbeam) s vyšším vyzářeným výkonem na družicích.
To pak umožňuje zmenšit rozměry MES zhruba na polovinu a jejich hmotnost snížit až na 2
kg. Tyto stanice potom již mohou být používány jako personální.
INMARSAT-E
Systém INMARSAT-E (Emergency - stav nouze) nabízí celosvětovou výstražnou
službu určenou pro námořní dopravu. Nouzový signál vyslaný z terminálu označovaného
zkratkou EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon) je přes satelity
INMARSATU přijat v každém oceánském regionu z důvodu zálohování dvěmi pobřežními
stanicemi nesoucích označení CES (Coast Earth Station). Přijatá zpráva je okamžitě
přesměrována pomocí protokolu X.25 do Námořního záchranného koordinačního centra
MRCC, které zahájí záchranou akci. Celý tento přenos běžně trvá kolem 2 minut (max. 5
minut).
IRIDIUM
Záměrem bylo vytvoření mezinárodní bezdrátové komunikační sítě mobilních telefonů
a vyhledávacích terminálů pomocí systémů družic a pozemní komunikační sítě tak, aby
služba byla dostupná z kteréhokoliv místa na Zemi.
Družicová část obsahuje 66 aktivních a 6 záložních družic, které se pohybují ve výšce
780 km nad zemským povrchem (LEO). Družice jsou situovány do šesti polárních orbitálních
rovin v seskupení po 11 družicích. Doba obletu Země pro každou družici je 100 min a 28 s.
Účastník systému stojící kdekoliv na zemském povrchu má vždy přímou viditelnost
na alespoň jednu družici, což dostačuje pro kvalitní spojení. Tento účastník se však musí
nacházet v otevřeném prostoru (nikoliv v budovách apod.).
Plocha zemského povrchu, kterou pokrývá svým dosahem jedna družice je rozdělena
do 48 svazků, z nichž každý pokrývá zhruba kruchovou oblast o průměru cca 600 km. 66
družic vytváří celkem 66.48 = 3168 takovýchto ploch, které je možno považovat za určitou
pohybující se analogii (satellite cell-site) statických buněk pozemních celulárních systémů.
Sousední buňky pracují na odlišných kmitočtech, naproti tomu buňky které spolu nesousedí,
mohou využívat stejný kmitočet. Přidělené buňky jsou rozděleny do 12 subpásem, z nichž
každé se vyskytuje na téže družici čtyřikrát. Jelikož e vysokých zeměpisných šířkách některé
ze svazků nemusí být aktivní, postačuje k pokrytí celého zemského povrchu pouze 2150
svazků. Každý z aktivních svazků má k dispozici 80 kanálů, takže celosvětová kapacita je
2150.80 = 172000 kanálů. Družice mezi sebou komunikují v pásmu 23,18 GHz až
23,38 GHz. Komunikace mezi mobilním družicovým telefonem a družicí probíhá
ve frekvenčním pásmu 1,616 GHz až 1,6265 GHz.
Součástí této mezinárodní sítě je také její pozemní část, kde je umístěno celkem 12 tzv.
retranslačních stanic (gateways). Ty jsou propojeny s veřejnými telefonními sítěmi. Zajišťují
Výukový program: Moderní komunikační technologie
57
přenos signálu z pozemní bezdrátové sítě do družicové sítě v pásmu 29,1 GHz až 29,3 GHz
a v opačném směru (od družicové sítě k pozemní) v pásmu 19,4 GHz až 19,6 GHz.
V současné době je tento systém dočasně vyřazen z činnosti.
6.7.3 Systém družicové navigace GPS
Systém GPS (Global Position System) je navigační systém, který byl vyvinut
pro vojenské účely armády Spojených států amerických na počátku sedmdesátých let.
Od počátku devadesátých let je tento systém bezplatně přístupný rovněž pro civilní uživatele
po celém světě. Systém GPS je tvořen třemi segmenty:
•
Kosmický segment – je tvořen celkem 24 družicemi, z čehož 3 slouží jako záložní.
Družice jsou umístěny po čtyřech v šesti oběžných rovinách. Sklon těchto oběžných
rovin vůči rovníku (inklinace) je 55°. Oběžná doba družic je 11 h 58 min. Výška
oběžných drah nad Zemí je přiblibžně 20200 km. Znamená to, že z jakéhokoliv místa
nad Zemí je možnost příjmu z maximálně dvanácti družic, ostatní se v daný okamžik
nacházejí nad protilehlou stranou Země.
•
Řídící segment – je tvořen hlavní řídící stanicí MCS (Master Control Station),
monitorovacími stanicemi a stanicemi pro komunikaci s družicemi. Každá z družic
vysílá v signálu přibližné informace o ostatních družicích na oběžné dráze (tato data se
nazývají „almanach“) a současně přesné informace o sobě (tzv. „efemeridy“).
Monitorovací stanice pasivně sledují družice a přijímají jejich data, která předávají
MCS, kde jsou vypočteny parametry drah družic a parametry hodin družic. Tyto
parametry jsou pomocí komunikačních stanic předány družicím, které je vysílají
uživatelům. Družice jsou řízeny a sledovány z několika stanovišť, která jsou umístěna
rovnoměrně podél rovníku. MCS je umístěna na letecké základně Falcon v Colorado
Springs v USA, kde je rovněž jedna z monitorovacích stanic. Další monitorovací
stanice jsou Havaj a Kwajalein v Pacifiku, Diego Garcia v Indickém oceánu
a Ascension v Atlantiku.
•
Uživatelský segment - je tvořen všemi vojenskými a civilními uživateli.
Systém GPS je založen na výpočtu vzdáleností mezi uživatelem na Zemi a družicemi
na oběžných drahách. Vzdálenost mezi družicí a přijímačem se počítá na základě měření
časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu družicí a okamžikem příjmu signálu
přijímačem. Z tohoto důvodu je každá družice vybavena velice přesnými atomovými
hodinami. Po příjmu signálu z družice dochází v GPS přijímači k časové synchronizaci. Právě
časová synchronizace je příčinou toho, že pro výpočet polohy na Zemi je potřeba signál ne
ze dvou, ale tří družic, obdobně je tomu i při výpočtu polohy s výškou, kdy je zapotřebí signál
ze čtyř družic. Čas je vedle tří neznámých hodnot (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, výška)
čtvrtou neznámou, díky které je vždy nutný současný příjem z počtu o jednu družici více, než
je počet neznámých souřadnic.
Frekvence signálu GPS (1,575 GHz) je volena tak, aby signál byl nezávislý jak na denní
či roční době, tak i na počasí. Každá družice vysílá signál, jenž tvoří nosné vlny, dva digitální
kódy a navigační zpráva. Tyto kódy umožňují měření vzdáleností a vzájemné oddělení
signálů jednotlivých družic. Navigační zpráva obsahuje množství informací jako např. čas
vysílání počátku zprávy, efemeridy družice, almanach, stav družice atd.. Navigační zpráva
tedy umožňuje stanovit přesný čas a vypočítat polohu družice. Každý z GPS přijímačů by měl
58
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
mít v paměti informace o tom, kde se jednotlivé družice na obloze nacházejí. Přístroje jsou
pasivními přijímači dat z družic, což znamená, že zpracovávají přijatá data z družic, žádné
však nevysílají. Nelze tedy na dálku zjistit pozici běžného GPS přijímače, který je někde
používán.
Běžná přesnost GPS přijímačů se pohybuje okolo 7-10 metrů, závisí však především
na výhledu na oblohu a počtu družic, které přijímač v době měření registruje. Existuje několik
možností, jak zvýšit přesnost měření:
•
Metoda průměrování pozice – spočívající v tom, že přijímač počítá průměr z většího
počtu měření v časovém rozmezí, které určí uživatel. Přesnost se zvýší až na 57 metrů.
•
Využití tzv. zdroje diferenčních korekcí (DGPS) – princip je založen na tom, že pokud
u nepřesného přístroje známe míru jeho nepřesnosti, tak po odečtení chyby dostaneme
přesnou hodnotu. Přijímač nebo skupina přijímačů umístěná na přesně známých
bodech, generuje velikost chyby v zaměření pozice známého bodu a tuto chybu
předává přijímačům pracujícím kdekoliv v terénu. Pro příjem je tedy potřeba dalšího
přijímače, který se po dobu měření propojí s přijímačem GPS. S DGPS přijímačem je
možné dosáhnout přesnosti 1-5 metrů. Největším problémem u této metody je přenos
dat od přijímače na známém bodě k přijímači v terénu. Nejčastěji se používá přenos
přes geostacionární družice, nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady a poplatky
související s licencí za příjem DGPS signálu.
•
WAAS (Wide Area Argumentation Service) – je modernější obdobou DGPS korekcí.
WAAS signál se opět přenáší pomocí geostacionárních družic, ale již bezplatně a lze
ho přijímat přímo prostřednictvím GPS přijímače. WAAS je zajišťován jedinou
družicí nad daným územím. V Evropě se oficiálně služba WAAS nazývá EGNOS
a v Asii MSAS. Přesnost se zvýší na 2-3 metry.
Existují však i velice přesné GPS přístroje, jenž dokáží zaměřit pozici s přesností až
na milimetry. Pro dosažení těchto přesností se používá kódového, případně fázového měření
tzv. metodou „postprocessingu“, kdy ke zpracování naměřených dat dochází zpětně
v kanceláři. Rovněž je vyžadována poměrně dlouhá doba měření na daném bodě.
Systém GPS našel využití v mnoha odvětvích a aplikacích, jako např. letecká a námořní
navigace, turistika, tranzitní systémy, apod..
Kontrolní otázky
1. Co znamenají pojmy apogeum a latence signálu?
2. Jmenujte výhody a nevýhody oběžných drah GEO, MEO a LEO?
3. K čemu slouží systém GPS?
Výukový program: Moderní komunikační technologie
59
Seznam použité literatury:
[1]
BURDA, Jiří. Zemské mobilní rádiové sítě a přenos dat. 1. vyd. Praha: Artea Graphic
Wirelesscom, 2000. 159 s. ISBN 80-248-0391-7
[2]
HANUS, Stanislav. Bezdrátové a mobilní komunikace. 1. vyd., Brno: VUT v Brně,
2003. 134 s. ISBN 80-214-1833-8
[3]
ŽALUD, Václav. Moderní radioelektronika. 1. vyd., Praha: BEN, 2000. 645 s. ISBN
80-86056-47-3
[4]
DOBOŠ, Lubomír, DÚHA, Ján, MARCHEVSKÝ, Stanislav, WIESER, Vladimír.
Mobilné rádiové sietě. 1. vyd., Žilina: ŽU, 2002. 312 s. ISBN 80-7100-936-9
[5]
EBERSPÄCHER, Jörg, VÖGEL, Hans-Jörg, BETTSTETTER, Christian. GSM
switching, services and protocols. 2nd ed., Chichester: Wiley, 2001. 332 s. ISBN 0471-49903-X
[6]
LESCUYER, Pierre. UMTS: origins, architecture and the standard. London: Springer,
2004. 267 s. ISBN 1-85233-676-5
[7]
EL-RABBANY, Ahmed. Introduction to GPS : the Global Positioning System. Boston:
Artech House, 2002. 176 s. ISBN 1-58053-183-0
60
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Seznam použitých zkratek:
8 PSK
AB
ADC
ADC
ADPCM
AES
AMPS
AP
ARFCN
AuC
BER
BS
BSA
BSC
BSS
BSS
BSS
BTS
CCFP
CDMA
CEPT
CES
CCH
CIPH
CN
CN CS
CN PS
CRC
CS
CSPDN
CT
DB
DCA
DCS
DCS-1800
DECT
DECT
Eight Phase Shift Keying
modulace osmifázového
klíčování
Access Burst
přístupový burst
American Digital Cellular
americký digitální buňkový
systém
Administrative Centre
administrativní centrum
Adaptive Differential Pulse Code
adaptivní diferenciální kódová
Modulation
modulace
Advanced Encryption Standard
zdokonalený standard šifrování
dat
Advanced Mobile Phone System
americký analogový buňkový
systém
Access Point
přístupový bod
Absolute Radio Frequency Channel Number číslo rádiového kanálu
Authenticity Centre
centrum autentičnosti
Bit Error Rate
bitová chybovost
Base Station
pagingová základnová stanice
Basic Service Area
základní oblast služeb
Base Station Controller
základnová řídící jednotka
Base Station Subsystem
subsystém základnových stanic
Basic Service Set
základní soubor služeb
Broadcast Satellite Services
distribuční družicové služby
Base Transceiver Station
základnová rádiová stanice
Central Control Fixed Part
fixní centrální řídící jednotka
Code Division Multiple Access
mnohonásobný přístup
s kódovým dělením
Conference of European Post and
evropská konference správy
Telekommunications Administrations
pošt a telekomunikací
Coast Earth Station
pobřežní stanice
Control Channel
řídící kanál
Ciphering
zakódování dat
Core Network
jádro sítě
CN Circuit Switched
okruhově orientovaná část sítě
CN Packet Switched
paketově orientovaná část sítě
Cyclic Redundancy Code
cyklický redundantní kód
(kontrolní součet)
Coding Scheme
kódovací systém (schéma)
Circuit Switched Public Data Network
veřejná datová síť
s přepojováním okruhů
Cordless Telephone
bezšňůrový telefon
Dummy Burst
prázdný burst
Dynamic Chanell Allocation
dynamické přidělování kanálů
Dynamic Chanell Selection
dynamické přidělování kanálů
Digital Cellular System 1800
digitální buňkový systém
Digital European Cordless
evropský digitální standard
Telecommunication
pro bezšňůrové telefony
Digital Enhanced Cordless
evropský digitální standard pro
Telecommunication
bezšňůrové telefony
Výukový program: Moderní komunikační technologie
DGPS
DSSS
Diferential GPS
Direct Sequence Spread Spectrum
EAP
Extensible Authentication Protokol
EDGE
Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EGC
EGNOS
ERMES
Enhanced Group Calls
European Geostationary Navigation
Overlay Service
Extended GSM
Equipment Identity Register
Emergency Position Indicating Radio n
Beaco
European Radio MEssage System
ES
End System
ETSI
FB
FCA
FCC
FDD
FDMA
European Telecommunications Standard
Institute
Frequency Correction Burst
Fixed Channel Allocation
Federal Communications Commission
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
FHSS
FSS
GEO
GFSK
Frequency Hopping Spread Spektrum
Fixed Satellite Services
Geostationary Earth Orbit
Gaussian Frequency Shift Keying
GGSN
Gateway GPRS Support Node
GMSC
GP
GPRS
Gateway MSC
Guard Period
General Packet Radio Service
GPS
GSM
Global Position System
Global System for Mobile Communication
HEO
HLR
HSCSD
High Eliptic Earth Orbit
Home Location Register
High Speed Circuit Switched Data
HSD
ICO
IEEE
High Speed Data
Intermediate Earth Orbit
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
International Mobile Equipment Identity
EGSM
EIR
EPIRB
IMEI
61
diferenční GPS
přímá sekvence rozprostřeného
spektra
rozšiřitelný autentizační
protokol
zdokonalení datových přenosů
pro rozvoj GSM
multiadresové zprávy
evropský systém šíření
diferenčních korekcí GPS
rozšířená verze systému GSM
registr mobilních stanic
nouzový signál vyslaný
z terminálu
Evropský systém rádiových
zpráv
koncového zařízení systému
bezšňůrové mobilní stanice
Evropský telekomunikační
standardizační institut
burst pro kmitočtovou korekci
pevné přidělování kanálů
americký telekomunikační úřad
kmitočtový duplex
mnohonásobný přístup
s frekvenčním dělením
frekvenční proskoky
pevné družicové služby
geostacionární oběžná dráha
Gaussovská modulace s
frekvenčním klíčováním
podpůrný uzel přechodu (brány)
GPRS
radiotelefonní ústředna
ochranná doba
všeobecná paketová rádiová
služba
globální poziční systém
Globální systém pro mobilní
komunikaci
výstřední eliptická oběžná dráha
domovský lokační registr
vysokorychlostní přenos dat
s přepojováním okruhů
vysokorychlostní data
střední oběžná dráha
mezinárodní asociace
elektroinženýrů
mezinárodní identita mobilního
zařízení
62
IMSI
INMARSAT
IP
IS-54, IS-95
ISDN
ISM
ISS
IWF
IWU
JDC
LEO
LES
MAHO
MEO
MES
MCHO
MRCC
MS
MSAS
MSC
MSC
MSS
NB
NCS
NCHO
NMC
NMT
NSS
OFDM
OMC
OSS
PABX
PAC
PCU
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
International Mobile Subscriber Identity
mezinárodní identita mobilního
účastníka
International Maritime Satellite Organization Mezinárodní námořní družicová
organizace
Internet Protocol
internet protokol
Interim Standard
americký digitální buňkový
systém
Integrated Services Digital Network
digitální síť integrovaných
služeb
Industrial Scientific and Medical
frekvenční pásmo vyhrazené
pro průmyslové, vědecké a
lékařské potřeby
Inter-Satellite Services
mezidružicové služby
Inter-Working Functionality
jednotka spolupráce
Inter-Working Unit
jednotka spolupráce
(mezioperační jednotka)
Japan Digital Cellular
japonský digitální buňkový
systém
Low Earth Orbit
nízká oběžná dráha
Land Earth Station
pevné pozemská stanice
Mobile Assisted Handover
sítí řízený handover s asistencí
mobilní stanice
Medium Earth Orbit
střední oběžná dráha
Mobile Earth Station
mobilní pozemská stanice
Mobile Controlled Handover
handover řízený mobilní stanicí
Maritime Rescue Coordination Center
námořní záchranné koordinační
centrum
Mobile Station
mobilní stanice
Multi-Functional Transport Satelite
japonský systém šíření
diferenčních korekcí GPS
Mobile Switching Centre
Master Control Station
hlavní řídící stanice
Mobile Satellite Services
mobilní družicové služby
Normal Burst
normální burst
Network Controll Station
řídící stanice sítě
Network Controlled Handover
sítí řízený handover
Network Management Centre
centrum managementu (řízení)
sítě
Nordic Mobile Telephone
skandinávský analogový
buňkový systém
Network and Switching Subsystem
síťový a spínací (přepojovací)
subsystém
Orthogonal Frequency Division Multiplex ortogonální frekveční multiplex
Operation and Maintenance Centre
provozní a servisní centrum
Operation Support Subsystem
operační podpůrný subsystém
Private Automatic Branch Exchange
Pobočková telefonní ústředna
(neveřejná, privátní)
Paging Area Controller
oblastní pagingová řídící
jednotka
Packet Controller Unit
jednotka řízení paketů
Výukový program: Moderní komunikační technologie
PDA
PGSM
PIN
PLMN
PNC
POCSAG
PP
PSPDN
PSTN
PT
PUK
RDS
RDSS
RFP
RIC
RNC
RNS
RNSS
RPE-LTP
SB
SF
SGSN
SIM
SMS
SS
SS7
SSID
TA
TACS
TB
TDD
TDMA
TCH
TKIP
TMSI
Personal Digital Asistent
Primary GSM
Personal Identification Numer
Public Land Mobile Network
Paging Network Controller
Post Office Code Standardization Advisory
Group
Portable Part
Packed Switched Public Data Network
63
osobní digitální zařízení
základní primární systém GSM
osobní identifikační číslo
veřejná pozemní mobilní síť
pagingová řídící jednotka
digitální pagingový
systém
bezšňůrová mobilní stanice
veřejná datová síť
s přepojováním paketů
Public Switching Telecommunication
veřejná komutovaná
Network
telefonní síť
Portable Terminal
rádiová část bezšňůrové mobilní
stanice
Personal Unblocking Key
osobní odblokovaní klíč
Radio Data System
rádiový pagingový systém pro
přenos doplňkových informací
rozhlasových programů FM
Radiodetermination Satellite Services
radiodeterminační družicové
služby
Radio Fixed Part
základnová fixní rádiová stanice
Radio Identification Code
rádiový identifikační kód
Radio Network Controller
řídící jednotka rádiové sítě
Radio Network System
systém základnových stanic
Radionavigation Satellite Services
radionavigační družicové
služby
Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction pulzně buzený kodér s
dlouhodobou lineární predikcí
Synchronization Burst
synchronizační burst
Stealing Flag
řídící bit
Serving GPRS Support Node
obslužný podpůrný uzel GPRS
Subscriber Identity Module
předplatitelský identifikační
modul (karta)
Short Message Service
krátká textová zpráva
Spread Spectrum
rozprostřené frekvenční
spektrum
Signaling System No.7
signalizační systém č.7
Service Set Identifier
identifikátor souboru služeb
Timing Advance
časový posuv
Total Access Communications System
britský analogový buňkový
systém
Tail Bit
koncový (okrajový) bit
Time Division Duplex
časový duplex
Time Division Multiple Access
mnohonásobný přístup
s časovým dělením
Traffic Channel
provozní kanál
Temporal Key Integrity Protocol
protokol integritydočasného
klíče
Temporary Mobile Subscriber Identity
dočasná identita mobilního
účastníka
64
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
TRAU
TS
TS
UE
UMTS
Transcoder and Rate Adaptor Unit
Time Slot
Training Sequence
User Equipment
Universal Mobile Telephony System
UMTS
Univesal Mobile Telephony System
UTRA
UMTS Terrestrial Radio Access
UTRAN
VLR
WAAS
UMTS Radio Access Network
Visitor Location Register
Wide Area Argumentation Service
WCDMA
Wideband CDMA
WECA
Wireless Ethernet Compatibility Aliance
WEP
Wired Equivalent Privacy
WiFi
Wireless Fidelity
WLL
WPA
Wireless Local Loop
WiFi Protected Access
transkódovací jednotka
časový interval
tréninková sekvence dat
uživatelský terminál
univerzální mobilní
telekomunikační systém
univerzální mobilní
telekomunikační systém
rádiový přístup (rozhraní)
UMTS
rádiová přístupová síť UMTS
návštěvnický lokační registr
systém šíření diferenčních
korekcí GPS
širokopásmová přístupová
metoda CDMA
aliance pro kompatibilnost
bezdrátového ethernetu
bezpečnostní mechanizmus pro
zabezpečení rádiové části sítě
spolehlivá bezdrátová
komunikace
bezdrátová účastnická smyčka
WiFi zabezpečený přístup
Výukový program: Moderní komunikační technologie
65
Odraz a lom
K lomu elektromagnetických vln dochází na rozhraní dvou prostředí, kterými vlny
prochází. Vlna se při setkání s hustším prostředím, např. půdou, odráží v souladu s pravidlem:
úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Může také dojít k lomu dopadající vlny. O odrazu či lomu
vlny rozhoduje úhel jejího dopadu na rozhraní dvou prostředí (vzduch – půda, vzduch – voda
atd.). Uvedené případy jsou znázorněny na následujícím obrázku.
procházející vlna
(kolmá)
lom vlnového
záření
rozhraní dvou
prostředí
odraz vlnového
záření
Uvažujme dvě různá prostředí, jejichž rozhraní je rovinné. Jsou-li indexy lomu těchto
dvou prostředí n1 a n2 a označíme-li úhly dopadající resp. lomené vlny α 1 resp. α 2 (měřeno
ke kolmici rozhraní), pak podle Snellova zákona platí:
n1 . sin α 1 = n2 . sin α 2
nebo také v jiném tvaru:
sin α 1 v1 n2
=
=
sin α 2 v2 n1
kde v1 a v 2 jsou rychlosti šíření vln v daném prostředí.
Úhly se vždy měří od normály, tj. při kolmém dopadu je α 1 = α 2 = 0 . Vlny se šíří vždy
přímočaře. Při šíření vln z řidšího do hustšího prostředí se vlny lámou směrem ke kolmici.
Při šíření vln z hustšího do řidšího prostředí se vlny lámou směrem od kolmice.
Šíří-li se vlny z hustšího prostředí směrem k rozhraní pod dostatečně vysokým úhlem
α 1 > α m , pak vlna rozhraním neprochází, ale zcela se odráží zpět do hustšího prostředí; jedná
se o totální odraz. Mezní úhel α m má hodnotu:
⎛ n2 ⎞
⎟⎟
⎝ n1 ⎠
α m = arcsin⎜⎜
66
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Difrakce
Difrakce proběhne v případě, narazí-li vlna na otvor v překážce, jak ukazuje obrázek.
Vlna po přechodu otvorem způsobí vznik sekundárního záření. Středem vzniklé kulové vlny
je místo přechodu přes překážku. Difrakce probíhá pouze tehdy, kdy vlna prochází velmi
úzkou štěrbinou, ale také přechodem přes ostré , tvrdé hrany. Díky tomu lze získat spojení
v horách, např. mezi stanicemi ve dvou údolích, v pásmech metrových vln VHF
a decimetrových vln UHF.
překážka
směr čela
vlny
rozptýlené
záření
Výukový program: Moderní komunikační technologie
67
Interference
V případě interference se v podstatě jedná o skládání dvou elektromagnetických vln.
Obě vlny se mohou navzájem zesilovat, zeslabovat nebo dokonce vzájemně vyrušit, to vše
podle fází jednotlivých vln. Na obrázcích jsou znázorněny dvě sinusoidy ve shodné a opačné
fázi. Výsledkem složení obou křivek je vznik zesílené výsledné vlny nebo naopak zcela
utlumené.
Amplituda
výsledná zeslabená vlna
vlna Y
+A 1
-A 2
vlna X
A'=A 1-A 2
Vlna X a vlna Y s fázovým posuvem 180°
Amplituda
A'
A1 A2
A'=A 1+A 2
vlna Y
vlna X
Vlna X a vlna Y ve shodné
fázi s různými amplitudami
výsledná zesílená vlna
68
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Troposféra
Troposféra je spodní část atmosféry, která v našich zeměpisných šířkách dosahuje
výšky 10-12 km (viz obrázek), v oblasti rovníku sahá do výšky 16-18 km a u pólů dosahuje
ještě níže k 9 km. Je oblastí konstantního procentního složení atmosféry, které se s výškou
prakticky nemění. Jedinou výjimkou jsou vodní páry. Troposféra je oblastí, kde probíhá
značné množství meteorologických jevů. Ty jsou provázeny zejména srážením vodní páry
a vznikem oblaků s různým stupněm nasycení. S výškou zde klesá teplota (průměrně
o 0,65 °C na 100 m), hustota a tlak vzduchu. Proto také parametry troposféry jsou dány
zejména teplotou, vlhkostí a tlakem. Všechny tyto parametry se podstatným způsobem
uplatňují na šíření radiových vln. Průchodem velmi krátkých vln troposférou dochází
k zakřivení drah jejich paprsků, k rozptylu na nehomogenitách troposféry, k útlumu radiových
vln absorpcí i vícenásobným šířením atd. (viz obrázek). Velmi důležité je proto určení
základních vztahů mezi elektrickými a meteorologickými parametry troposféry. Každý
z plynů, které tvoří troposféru, má jiné elektrické vlastnosti (permitivitu a vodivost). Kromě
pásma velmi krátkých vln je však vodivost plynů v troposféře zanedbatelná. V pásmech
centimetrových a milimetrových vln se však již začíná uplatňovat rozptyl, projevuje se tedy
frekvenční závislost elektrických vlastností jednotlivých složkových plynů a vodivost
troposféry již není možné zanedbat.
troposféra
10 - 12 km
vysílač
přijímač
Výukový program: Moderní komunikační technologie
69
Ionosféra
Ionosféra je vrstva svrchní atmosféry (ve výšce 50 - 500 km nad povrchem, viz
obrázek) vyznačující se významnou elektrickou vodivostí v důsledku přítomnosti volných
elektronů a iontů, které vznikají interakcí ionizujícího slunečního záření s vyššími vrstvami
atmosféry. Stupeň ionizace kolísá s denní dobou, ročním obdobím, geografickou polohou
a fází slunečního cyklu. Ionosféra má velký význam na šíření elektromagnetických vln
v atmosféře. Je zodpovědná např. za radiové přenosy na velké vzdálenosti, odrazem (lépe
řečeno ohybem) radiových vln od jejích vrstev, jak je uvedeno na obrázku. Ionosféra je
rozdělena na několik takových vrstev, charakterizovaných mezním kmitočtem, který určuje,
zda procházející elektromagnetické vlny budou (v závislosti na svém kmitočtu) vrstvou
odraženy, absorbovány či částečně proniknou do kosmického prostoru. Změny v ionosféře
mají vliv na veškeré komunikační, navigační a řídící systémy (jak pozemské, tak i satelitní),
používající rádiové vlny.
ionosféra
50 - 500 km
vysílač
přijímač
70
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Modulace
V rádiové komunikaci se v současné době používá větší počet různých typů (formátů)
modulací. Jejich základní klasifikace, vycházející z časového vývoje, je uvedena na obrázku.
Vývojově nejstarší jsou analogové modulace. Později se začaly uplatňovat i diskrétní
modulace, a to nejprve v základním pásmu a potom i v oblasti vysokofrekvenční. Diskrétní
modulace v základním pásmu byly nejdříve nekódované, za nimi potom následovaly
i modulace kódované. Nejmladší jsou potom diskrétní modulace s nosnými vlnami, které
pro stručnost dále nazýváme modulace digitální.
Modulace
s nosnými vlnami
v základním pásmu
analogové
digitální
diskrétní
kódované
diskrétní
nekódované
AM
M - ASK
PCM
PAM
FM
M - FSK
D - PCM
PDM (PWM)
PM
M - PSK
AD - PCM
PPM
M - QAM
DE - PCM
PFM
M - AM/PM
DM, ADM
Výukový program: Moderní komunikační technologie
71
IMEI
Mezinárodní identita mobilního zařízení IMEI (International Mobile Equipment
Identity) je jedinečný patnáctimístný kód používaný k identifikaci každého mobilního telefonu, který
je používán v rámci GSM sítě. Ukládá se v registru EIR (Equipment Identity Register).. Struktura
tohoto čísla je uvedena na obrázku.
6 číslic
2 číslice
6 číslic
1 číslice
TAC
FAC
SNR
SP
AAAAAA
BB
CCCCCC
D
Skládá se z těchto částí:
•
TAC – (Type Approval Code) – kód schváleného typu mobilního telefonu –
šestimístné číslo ve formátu „AAAAAA“. První dvě číslice jsou Country Code.
•
FAC – (Final Assembly Code) – závěrečný montážní kód – dvoumístné číslo
ve formátu „BB“. Tato část určuje výrobce podle následujících kódů:
-
01,02 AEG
07 , 40 Motorola
10, 20 Nokia
30 Ericsson
40, 41, 44 Siemens
47 Option International
50 Bosch
51 Sony
51 Siemens
51 Ericsson
60 Alcatel
70 Sagem
75 Dancall
80 Philips
85 Panasonic
Kódy se mohou lišit z důvodu spojení nebo zániku společností, které přístroje vyráběly
nebo vyrábějí.
•
SNR – (Serial Number) – vlastní sériové číslo přístrroje, které vzniká až při výrobě
konkrétního kusu mobilního telefonu - šestimístné číslo ve formátu „CCCCCC“.
Oproti kódům TAC a FAC, které jsou u konkrétních modelových řad a sérií
vyráběných v jednom závodě stejné, kód SRN je unikátní.
•
SP – (SPare) – kontrolní nebo rezervní kód - jednomístné číslo ve formátu „D“. Jedná
se o tzv. Optional Numer nebo-li kontrolní bod. Jde o kontrolní součet, že
předcházejících 14 čísel je v pořádku.
72
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Ekvalizace
U pozemských rádiových kanálů se uplatňuje řada nejrůznějších rušivých faktorů.
Projevují se zde různé typy úniků signálů, způsobené mnohocestným šířením vln i jinými
fyzikálními jevy, působí v nich atmosférické a průmyslové poruchy, u mobilních systémů
dochází k dopplerovským posuvům kmitočtů apod.. Pojem ekvalizace u analogových
radiokomunikačních systémů obecně značí korekci amplitudového a fázového zkreslení,
způsobovaného rádiovým kanálem. U digitálních systémů se ekvalizací rovněž v podstatě
korigují uvedená zkreslení, avšak konečným požadovaným efektem je zde minimalizace
intersymbolových interferencí ISI a tím i zmenšení chybovosti přenosu BER (Bit Error
Ratio).
Nemění-li se parametry rádiového kanálu s časem, jako je tomu např. u pozemských
radioreléových spojů, mohou ekvalizaci realizovat rovněž fixně nastavené ekvalizační
obvody; tato koncepce se označuje jako statická ekvalizace. Pokud se parametry kanálu mění
v čase, což je typické např. pro mobilní komunikaci s mnohocestným šířením vln, potom
výrazné potlačení uvažovaných rušivých efektů může přinést pouze aplikace principů
adaptivní ekvalizace, u níž se parametry ekvalizačních obvodů kontinuálně přizpůsobují
měnícím se parametrům daného kanálu.
Činnost většiny adaptivních ekvalizérů spočívá na principu korekce vstupní digitální
zkreslené datové sekvence v přijímači, realizované pomocí kmitočtového adaptivního filtru,
jehož parametry (koeficienty) se vhodně mění v závislosti na kontinuálně se měnících
parametrech zkreslujícího komunikačního kanálu. Je-li dosaženo správné funkce ekvalizéru,
datová sekvence na jeho výstupu se shoduje nebo se jen velmi málo liší, od sekvence
na výstupu vysílače. K náležitému řízení adaptivního filtru je ovšem nutné buď znát nebo
alespoň co nejpřesněji odhadovat neustále se měnící parametry kanálu. Tento odhad lze
provádět několika různými způsoby. Většina z nich je však založena na využití periodického
vysílání definovaných tréninkových datových sekvencí, jejichž strukturu ekvalizér přijímače
zná, a proto pomocí nich potom může provádět zmíněný odhad. Tréninkové sekvence mají
formu buď binárních pseudonáhodných sekvencí nebo fixně definovaných deterministických
sekvencí.
Adaptivní ekvalizace se zpravidla implementuje v systémech TDMA, u nichž se
užitečná data přenášejí v časových blocích (slotech) s fixní délkou (např. u radiotelefonu
GSM je datový blok o 114 bitech rozdělen na dvě stejné části po 57 bitech, mezi něž je
vložena tréninková sekvence o 26 bitech). Ekvalizér pracuje cyklicky ve dvou módech
•
•
tréninkový mód (Training Mode) – vysílačem je vyslána tréninková sekvence, ta
ve zkreslené podobě vchází v přijímači do adaptivního filtru, kde se jejím
vyhodnocením postupně nastaví parametry filtru tak, aby co nejdokonaleji
korigovaly zkreslení kanálu
mód sledování (Tracking Mode) – dochází k vysílání datové sekvence, jejíž
ekvalizovaný výstup by se měl tedy již co nejméně odlišovat od originálu
Ekvalizér může být součástí mezifrekvenčního dílu přijímače, nejčastěji je však zařazen
těsně za demodulátorem přijímače (před kanálový dekodér), kde lze bez problému
implementovat potřebnou digitální technologii.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
73
Určení odstupu buněk stejných frekvencí sousedních svazků
Plocha n-úhelníku je obecně definována jako:
a
S=n ρ
2
R
n=6
a≡ R
ρ
Plocha jedné buňky (6-úhelníku) je tedy:
Sb = 6
R 3R 2 3 3 2
=
R
2
4
2
N buněk
R
O
Rx
Vzdálenost středů velkých oblastí O = 3R x , tedy
Rx =
O
3
.
Pro plochu ekvivalentní oblasti (pro N buněk) platí:
2
3 3 2 3 3⎛ O ⎞
3 2
⎜⎜
⎟⎟ =
Sx =
Rx =
O
2
2 ⎝ 3⎠
2
Vyjádříme-li tuto plochu pomocí plochy buněk dostaneme:
S x = N .S b = N
3 3 2
R
2
Porovnáním S x obou vztahů dostaneme výsledný vztah pro odstup buněk stejných frekvencí
sousedních svazků o N buňkách:
O = R 3N
74
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Kapacita systému buňkové struktury
Jednou z možností, jak zvýšit kapacitu systému u buňkové struktury je zmenšení velikosti
buněk. Buňky o stejné skupině komunikačních kanálů (svazek buněk) se budou nacházet
v menší absolutní vzdálenosti (odstup buněk stejných frekvencí), čímž na daném území
vzroste kapacita sítě. Každé zmenšení poloměru buňky o 50 % vede ke čtyřnásobnému
zvětšení kapacity v dané oblasti., jak je vidět na obrázku.
první dělení
druhé dělení
počet kanálů
100
100
100 100
100
100
100
100
V případě, že platí
RN =
RP
2
kde
RN ... nový poloměr buňky
RP ... původní poloměr buňky
potom platí
SN =
SP
4
kde
S N ... nová plocha buňky
S P ... původní plocha buňky
a
C N = C P .4 n
kde
C N ... nová kapacita buňky
C P ... původní kapacita buňky
n ... počet dělení buňky
100
Výukový program: Moderní komunikační technologie
75
BER
Bitová chybovost BER (Bit Error Rate) je definována jako počet chybně přenesených
bitů k celkovému počtu přenesených bitů, za určitý dostatečně dlouhý časový interval.
Nejvyšší přípustné hodnoty závisí na konkrétních aplikacích (např. u radiotelefonních
systémů postačuje při přenosu hovoru chybovost BER řádu 10-3 až 10-4, u digitální televize
HDTV musí být dosaženo chybovosti BER řádu 10-9).
76
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
BTS
Fotografie základnové stanice GSM SIEMENS BS21 umístěné v Laboratoři rádiových
sítí na Katedře telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
77
IMSI
Struktura čísla IMSI (International Mobile Subscriber Identity) znázorněna na obrázku
představuje mezinárodní identitu mobilního účastníka formou patnáctimístného unikátního
čísla.
3 číslice
3 číslice
až 9 číslic
MCC
MNC
MSIN
kde
MCC (Mobile Country Code) – mobilní kód státu – identifikace státu, ve kterém je
účastník registrován (ve kterém uskutečnil registraci)
MNC (Mobile Network Code) – kód mobilní sítě – identifikace sítě operátora, u kterého je
účastník registrován
MSIN (Mobile Station Identification Number) – identifikační číslo mobilní stanice,
obsahuje identitu BSS a jeho pomocí má přístup k HLR, resp. do AuC
MNC spolu s MSIN tvoří tzv. národní identifikaci mobilní stanice NMSI (National
Mobile Station Identity).
78
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Tabulka přenosových rychlostí pro různé datové kanály TCH systému GSM
V tabulce jsou pro jednotlivé datové kanály uvedeny přenosové rychlosti signálu před
(Net Data Rate) a po (Gross Data Rate) kanálovém kódování. Pro srovnání jsou zde uvedeny
i údaje platné pro kódování hovorového signálu (TCH/F). Signály z nižší přenosovou
rychlostí jsou zde zabezpečeny proti chybám lépe než signály s vyšší přenosovou rychlostí.
Takto upravený signál může být ještě podroben šifrovacímu procesu (rozhoduje operátor),
kterým je přenášená informace chráněna proti zneužití.
Označení kanálu
Přenosová rychlost Přenosová rychlost
před kanálovým
po kanálálovém
kódováním
kódování
[kbit/s]
[kbit/s]
TCH / F
13,0
22,8
TCH / F9.6
12,0
22,8
TCH / F4.8
6,0
22,8
TCH / F2.4
3,6
22,8
TCH / H4.8
6,0
11,4
TCH / H2.4
3,6
11,4
Výukový program: Moderní komunikační technologie
79
Tréninková sekvence dat
Tréninkové sekvence dat TS (Training Sequence) mají délku 26 bitů. Jsou uloženy
v paměti každé mobilní stanice, která je využívá pro funkci ekvalizace.
Číslo kódu
TS
Tréninková sekvence
26 bitů
0
00100101110000100010010111
1
00101101110111100010110111
2
01000011101110100100001110
3
01000111101101000100011110
4
00011010111001000001101011
5
01001110101100000100111010
6
10100111110110001010011111
7
11101111000100101110111100
80
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
8 PSK
Jedná se o vícestavovou (resp. víceúrovňovou) diskrétní modulaci, u které modulovaný
parametr nosné vlny (v našem případě fáze) může nabývat jednoho z celkového počtu
M = 2 n stavů (v našem případě osmi stavů), kde n je přirozené číslo rovné dvěma nebo větší
než dvě. Každému z těchto stavů, nazývaných též signálové prvky nebo symboly, potom
odpovídá určitá kódová skupina (slovo) o n bitech (v našem případě tedy 3 bitech).
Pro modulace PSK se často využívá zobrazení jejich fázových stavů v komplexní rovině
pomocí fázorů, resp. jen pomocí jejich koncových bodů. Takové zobrazení je pro M = 8
uvedeno na obrázku.
100
Q
110
101
111
I
011
001
000
010
Reálná osa je zde označena symbolem I (In-phase, tj. synfázní složka), imaginární osa
symbolem Q (Quadrature, tj. kvadraturní neboli o 90° otočená složka); přitom fáze těchto
složek se vztahuje k fázi pomyslné referenční nemodulované nosné vlny. Uvažovaná rovina
se obvykle nazývá rovina IQ, zobrazené body potom vytvářejí konstelační (stavový) diagram.
Tento diagram se často používá v technické praxi a lze ho považovat za zvláštní případ
zobrazení modulovaných signálů v tzv. signálovém prostoru.
Výukový program: Moderní komunikační technologie
81
DSSS
Na obrázku je znázorněna situace ve frekvenční oblasti pro komunikaci na rádiovém
kanálu č. 11 standardu 802.11b, který využívá metodu přímé sekvence rozprostření spektra
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).
82
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Efektivní využívání radiového spektra
Při plánování rozsáhlejších sítí je vhodné zvolit radiové frekvence tak, aby se vzájemně
nepřekrývaly. Standard 802.11 definuje tři radiové kanály, které vyhovují této podmínce.
Jedná se o kanál č.1, 6 a 11. Příklad možné realizace rozsáhlejší infrastrukturní sítě
s uvedením čísel radiových kanálů je uveden na obrázku.
1
11
1
6
6
6
1
11
1
11
6
11
1
11
1
11
1
6
6
Výukový program: Moderní komunikační technologie
83
Výpočet kvality radiového spoje
Mezi kritéria určující kvalitu radiového spojení patří:
•
Efektivní vysílací výkon – součet vysílacího výkonu WiFi zařízení a zisku antény,
od kterého se odečte ztráta na kabelu a konektorech.
•
Ztráta při přenosu – ztráty na signálu ve volném prostoru a ztráty vlivem zásahu
do první Fresnelovy zóny.
•
Efektivní citlivost přijímače – součet zisku antény a citlivosti přijímače, od kterého se
odečte ztráta na kabelu a konektorech.
Při propočtu přenosové trasy je možno se orientovat podle následujícího vztahu:
Pr = Pt − L p + Gt + Gr − Lt − Lr
kde
Pr …požadovaná citlivost přijímače
Pt …vysílací výkon vysílače
L p …ztráty signálu při přenosu
Gt …zisk antény vysílače
Gr …zisk antény přijímače
Lt …útlum (ztráty) mezi vysílačem a anténou vysílače (kabely + konektory)
Lr …útlum (ztráty) mezi přijímačem a anténou přijímače (kabely + konektory)
84
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Fresnelova zóna
Elektromagnetická vlna se šíří po přímce, ale protože se jedná o vlnění, podléhá dalším
fyzikálním zákonům. Převážná část energie vlny je nesena v prostoru okolo přímky spojující
vysílací a přijímací antény. Tento prostor má elipsoidní tvar s největším průměrem uprostřed
trasy. Tato prostorová oblast přenáší cca 90 % energie a nazývá se První Fresnelova zóna.
Na obrázku je znázorněna situace částečně blokované Fresnelovy zóny, kdy do této oblasti
zasahuje např. strom, jehož vlivem dojde ke zhoršení přenosových podmínek daného spoje.
l
r
Ačkoliv je spoj na první pohled v přímé viditelnosti, vlivem stínění ve Fresnelově zóně
bude potřeba použít kvalitnější antény a kabely nebo antény posunout výše. Pro výpočet
průměru První Fresnelovy zóny je možno použít vzoreček
d= λ
kde
l1 .l 2
l1 + l 2
[m]
λ …vlnová délka
Tento vzoreček vychází z následujícího obrázku.
d
l1
l2
Výukový program: Moderní komunikační technologie
85
Vícecestné šíření
Problém vícecestného šíření radiového signálu je znázorněn na obrázku.
Amplituda
Přijímané signály
strop
čas
V
P
Amplituda
Výsledek
překážka
podlaha
čas
Vysílač (V) i přijímač (P) používají všesměrovou anténu a signál e tedy vysílán do
všech směrů. Vysílaný signál se odráží od stěn, stropů i předmětů a tak se vytváří velké
množství různých signálových cest od vysílače k přijímači. Signál putující po přímé cestě
dorazí k přijímači nejdříve, zatímco slabší odražení signály později. Vzhledem k tomu, že
radiový signál je vlnění, které se v každém bodě skládá, výsledný signál vznikne složením
všech přijatých signálů, čímž dojde k jeho zkreslení. Časový rozdíl mezi přijetím prvního
a posledního signálu se nazývá rozprostřené zpoždění (delay spread). Zařízení pracující se
standardem 802.11 se dokáže vyrovnat se rozprostřeným zpožděním max. do 500 ns.
Po překročení tohoto limitu síť přestane fungovat (např. pro plnou rychlost 11 Mbit/s je
zapotřebí zpoždění max. 65 ns – s narůstajícím zpožděním pak rychlost klesá).
Vícecestné šíření se projevuje zejména ve vnitřních prostorech, kde se signál odráží
od stěn, ale je ještě dostatečně silný, aby dorazil k přijímači. Vícecestné interference jsou také
důvodem proč výrobci dávají do AP dvě antény – i vzdálenost několika centimetrů mezi
anténami umožní velmi často snížit rozprostřené zpoždění vybráním signálu z lépe
orientované antény. Z obou antén jen jedna slouží pro vysílání, k příjmu pak slouží ta, která je
vůči vysílači v lepší pozici z hlediska vícecestných interferencí.
86
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Parametry oběžných drah
Apogeum
Perigeum
Výukový program: Moderní komunikační technologie
87
Družice GPS
D2
E1
B3
C2
B2
D1
F4
A3
F1
F3
D3
E4
C1
B4
A2
B1
A1
C3
E2
F2
E3
C4
D4
A4
88
Modul 6: Mobilní rádiové sítě
Přijímače GPS
Obr. Přijímače GPS – a) turistický, b) automobilový, c) námořní, d) cyklistický

Podobné dokumenty

Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7.3.4  Signály vysílané družicemi GPS ................................................................ 90  7.3.5  Další družicové navigační systémy ....................................................

Více

str.1. pub - Město Litovel

str.1. pub - Město Litovel v ulici Čihadlo (komunikace a chodník včetně vjezdů). Do konce měsíce listopadu 2008 bude úplně uzavřena ulice Čihadlo včetně křižovatky – při vjezdu do ulice Družstevní z ulice Studentů a bude zne...

Více

pdf3,0 MB - Eknihyzdarma.cz

pdf3,0 MB - Eknihyzdarma.cz vojenských sluţeb raději odešel, neţ aby se účastnil války, kterou pro český národ povaţoval za zhoubnou. V literárním odkazu těchto tří současníků najdeme tedy ve zkratce zachyceno svědectví, jak ...

Více

Standardizace

Standardizace přesně stanovená kritéria důsledně používaná jako pravidla, směrnice, resp. jako definice charakteristických vlastností zabezpečující, že materiály, výrobky, procesy, služby apod. jsou takové, jaké...

Více

Seznam zkratek užívaných ve zdravotnické

Seznam zkratek užívaných ve zdravotnické NZP- n emoc z povolání O- tylní lal ok OA -osobní anamnéza Obj.- objektivní odd. - oddělení OHS- okresní hygienická stanice OL- ošetřující lékař ONZP – ohrožení nemocí z povolání OP- operace OP- om...

Více

DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone)

DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone) Základní charakteristiky rádiového sektoru DECT, jakož i způsobu multiplexování a zajištění duplexního provozu, jsou znázorněny na (Obr. 2). Standard DECT pracuje v rozsahu 1880 až 1900 MHz (v budo...

Více

Hrátky s TCVR firmy Yaesu - aneb málo užívané (ne)užitečné funkce

Hrátky s TCVR firmy Yaesu - aneb málo užívané (ne)užitečné funkce Zmačknu a držím tlačítko TXPO. Tím se dostanu do základního menu TCVR. Otáčením knoflíku ladění nastavím menu č. 62 (PAG.CDT – nastavení dvojice subtónů pro vysílání). Krátkým stiskem tlačítka TXP...

Více