Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Komentáře

Transkript

Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku
VUT a VŠB-TUO
Garant předmětu:
Roman Šebesta
Autor textu:
Roman Šebesta
Marek Dvorský
Ostrava 2014
Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Za odbornou náplň tohoto vydání odpovídají autoři.
Roman Šebesta je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky
VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Rádiové sítě I pro studenty
bakalářského studia.
Marek Dvorský je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky
VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Radiokomunikační technika I
pro studenty bakalářského studia.
Vznik skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu
a státním rozpočtem České republiky.
Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
© Roman Šebesta, Marek Dvorský, 2014, VŠB - Technická univerzita Ostrava
Autor:
Katedra:
Název:
Místo, rok, vydání:
Počet stran:
Vydala:
Náklad
Roman Šebesta, Marek Dvorský
Katedra telekomunikační techniky
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Ostrava, 2014, 1. vydání
96
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava
elektronicky
Neprodejné
ISBN 978-80-248-3612-6
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
1
Předmluva
Tato skripta vznikla pro potřebu studentů předmětu Rádiové sítě I, který je povinně
volitelným předmětem studijního oboru Telekomunikační technika a oboru Mobilní
technologie vyučovaným v rámci bakalářského studijního programu Informační
a komunikační technologie na Fakultě elektrotechniky a informatiky, Vysoké školy báňské –
Technické univerzity Ostrava.
Věřím, že tento materiál přispěje k lepšímu pochopení zpracované problematiky jak
studentům, tak i dalším zájemcům o tuto problematiku.
2
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obsah
1 ROZDĚLENÍ RÁDIOVÝCH SÍTÍ, RÁDIOVÉ SÍTĚ WPAN ......................................4 1.1 BLUETOOTH .................................................................................................................... 6 1.1.1 Vývoj standardu 802.15.1............................................................................ 6 1.1.2 Topologie sítě .............................................................................................. 7 1.1.3 Protokolová architektura ............................................................................ 9 1.1.4 Využití Bluetootth ...................................................................................... 12 1.2 ZIGBEE ......................................................................................................................... 12 1.2.1 Vývoj standardu 802.15.4.......................................................................... 12 1.2.2 Topologie sítě ............................................................................................ 13 1.2.3 Protokolová architektura .......................................................................... 14 1.2.4 Využití ZigBee ........................................................................................... 17 2 RÁDIOVÉ SÍTĚ WLAN .................................................................................................18 2.1 WIFI .............................................................................................................................. 18 2.1.1 Vývoj standardů 802.11............................................................................. 18 2.1.2 Topologie sítě ............................................................................................ 19 2.1.3 Protokolová architektura .......................................................................... 21 2.1.4 Využití WiFi ............................................................................................... 25 2.2 DECT ........................................................................................................................... 25 2.2.1 Rozdělení systémů ..................................................................................... 26 2.2.2 Systém DECT............................................................................................. 27 3 RÁDIOVÉ SÍTĚ WMAN - WIMAX..............................................................................30 3.1 STANDARDIZACE ........................................................................................................... 30 3.2 ARCHITEKTURA SÍTĚ ..................................................................................................... 35 3.3 REFERENČNÍ MODEL ...................................................................................................... 37 3.3.1 Fyzická vrstva ............................................................................................ 38 3.3.2 Spojová vrstva MAC .................................................................................. 40 3.4 SROVNÁNÍ SÍTÍ WIMAX S WIFI A LTE ......................................................................... 42 4 RÁDIOVÉ SÍTĚ WWAN ................................................................................................44 4.1 ANALOGOVÉ SÍTĚ 1. GENERACE .................................................................................... 44 4.1.1 NMT ........................................................................................................... 45 4.1.2 Další systémy 1. generace ......................................................................... 46 4.2 DIGITÁLNÍ SÍTĚ 2. GENERACE ........................................................................................ 47 4.2.1 Síť GSM ..................................................................................................... 47 4.2.2 Další systémy 2. generace ......................................................................... 51 4.3 DIGITÁLNÍ SÍTĚ 2,5. A 2,75. GENERACE ......................................................................... 52 4.3.1 HSCSD ...................................................................................................... 52 4.3.2 GPRS ......................................................................................................... 52 4.3.3 EDGE ........................................................................................................ 54 4.4 DIGITÁLNÍ SÍTĚ 3. GENERACE ........................................................................................ 55 4.5 DIGITÁLNÍ SÍTĚ 3,5. A 3,9. GENERACE ........................................................................... 57 4.6 DIGITÁLNÍ SÍTĚ 4. GENERACE ........................................................................................ 60 5 DIGITÁLNÍ ROZHLASOVÉ VYSÍLÁNÍ ....................................................................62 5.1 VYSÍLÁNÍ V PÁSMECH DV, SV A KV ............................................................................ 63 5.1.1 DRM .......................................................................................................... 63 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
3
5.1.2 5.1.3 5.1.4 DRM+ ........................................................................................................ 66 Souhrn přínosů DRM/DRM+..................................................................... 67 CAM-D ....................................................................................................... 69 5.2 VYSÍLÁNÍ V PÁSMU VKV............................................................................................... 69 5.2.1 DAB ............................................................................................................ 69 5.2.2 DAB+ ......................................................................................................... 70 5.2.3 DMB ........................................................................................................... 71 5.2.4 IBOC .......................................................................................................... 71 6 DIGITÁLNÍ TELEVIZNÍ VYSÍLÁNÍ ......................................................................... 73 6.1 DŮVODY VEDOUCÍ K PŘECHODU Z ANALOGOVÉHO NA DIGITÁLNÍ VYSÍLÁNÍ .................. 73 6.2 DVB .............................................................................................................................. 74 6.3 DVB-T .......................................................................................................................... 74 6.3.1 Charakteristické vlastnosti digitálního vysílání ........................................ 74 6.3.2 Srovnání příjmu analogového a digitálního televizního vysílání .............. 75 6.3.3 Druhy příjmu.............................................................................................. 76 6.3.4 Varianty systému DVB-T ........................................................................... 76 6.3.5 Princip DVB-T ........................................................................................... 78 6.4 DVB-T2 ........................................................................................................................ 81 7 DRUŽICOVÉ KOMUNIKAČNÍ SÍTĚ ......................................................................... 83 7.1 DRUŽICOVÉ SLUŽBY ...................................................................................................... 83 7.2 OBĚŽNÉ DRÁHY ............................................................................................................. 85 7.2.1 GEO ........................................................................................................... 85 7.2.2 MEO (ICO) ................................................................................................ 85 7.2.3 HEO ........................................................................................................... 86 7.2.4 LEO ............................................................................................................ 86 7.3 SYSTÉMY DRUŽICOVÉ NAVIGACE - GPS ........................................................................ 87 7.3.1 Kosmický segment ...................................................................................... 87 7.3.2 Kontrolní (řídící) segment ......................................................................... 88 7.3.3 Uživatelský segment ................................................................................... 89 7.3.4 Signály vysílané družicemi GPS ................................................................ 90 7.3.5 Další družicové navigační systémy ............................................................ 93 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................................. 95 4
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
1 Rozdělení rádiových sítí, rádiové sítě WPAN
Bezdrátové sítě lze rozdělit podle různých hledisek a kritérií. Podle směru přenosu je
rozdělujeme na jednosměrné a obousměrné, podle použité technologie na analogové
a digitální, podle použité plošné architektury na buňkové (celulární) a nebuňkové, podle toho,
zda umožňují mobilitu uživatelů na mobilní a fixní (pevné, stacionární), podle potřeby
kmitočtové regulace na licenční a bezlicenční. Důležitým kritériem je pak typ signálu, na
základě kterého bezdrátové sítě rozdělujeme na:
 rádiové sítě – nejčastější případ bezdrátových sítí, různý dosah a využití,
 optické bezdrátové sítě – dosah stovky metrů, přímá viditelnost, vysoká kapacita
přenosu,
 infračervené sítě – malý dosah, neprůchodnost překážkami, využití uvnitř budov.
Podle užití (dosahu, oblasti pokrytí signálem), viz Obr. 1.1, rozeznáváme:
 bezdrátové osobní sítě WPAN (Wireless Personal Area Network),
 bezdrátové lokální sítě WLAN (Wireless Local Area Network),
 bezdrátové metropolitní sítě WMAN (Wireless Metropolitan Area Network),
 bezdrátové rozsáhlé sítě WWAN (Wirelles Wide Access Network).
Obr. 1.1: Rozdělení bezdrátových sítí dle užití
Specifikací bezdrátových sítí se zabývají standardizační organizace, zejména pak
organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [1]. IEEE představuje
největší světové profesní sdružení, které se věnuje zlepšování a vývoji technologických
inovací. Tato mezinárodní nezisková organizace sdružující přes 350 tisíc elektroinženýrů
a informatiků v cca 150 zemích všech světadílů hraje velice důležitou roli při vývoji
průmyslových standardů v rozsáhlé řadě disciplín, jakými jsou např. elektrická energie,
lékařská technologie, zdravotní péče, informační technologie, telekomunikace, spotřebitelská
elektronika, doprava, letectví či nanotechnologie. Vývojem síťových standardů pro osobní,
místní, metropolitní a další plošné sítě se zabývá výbor nesoucí označení IEEE 802, který se
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
5
dále člení na podvýbory, jak je uvedeno v Tab. 1.1. Z pohledu bezdrátových sítí (viz.
Obr. 1.2) [3], patří k nejdůležitějším podvýborům:
 IEEE 802.11 – WLAN,
 IEEE 802.15 – WPAN,
 IEEE 802.15.1 – Bluetooth,
 IEEE 802.15.4 – ZigBee,
 IEEE 802.16 – širokopásmový bezdrátový přístup BWA (Broadband Wireless
Access), WMAN (WiMAX),
 IEEE 802.20 – širokopásmové mobilní bezdrátové sítě MBWA (Mobile Broadband
Wireless Access), Mobile-Fi.
Tab. 1.1: Podvýbory IEEE 802
Obr. 1.2:
Specifikace bezdrátových sítí
Sítě WPAN řadíme mezi bezdrátové sítě s malým dosahem (do 10 m) v rámci tzv.
osobního prostoru POS (Personal Operating Space). Existuje mnoho různých typů podle
6
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
jejich ceny, dosahu, výdrže baterie a přenosové kapacity, které pak určují jejich použití.
Z hlediska IEEE rozlišujeme následující specifikace:
 IEEE 802.15.1 WPAN/Bluetooth,
 IEEE 802.15.2 Coexistence – koexistence sítí v rámci IEEE 802 (WPAN, WLAN
a WMAN),
 IEEE 802.15.3 WPAN High Rate – rychlá bezdrátová osobní síť (11-55 Mbit/s)
v pásmu 2,4 GHz se zabudovanou podporou QoS pro náročné multimediální
aplikace
 IEEE 802.15.3a – UWB – od 110 Mbit/s,
 IEEE 802.15.4 WPAN Low Rate – pomalé osobní rádiové sítě do 250 kbit/s
s minimálními energetickými potřebami → základ pro síť ZigBee.
1.1 Bluetooth
Bluetooth je označení pro bezdrátový komunikační standard 802.15.1, který vznikl jako
náhrada kabelového propojení mezi zařízeními komunikační a výpočetní techniky s nízkou
náročností na napájení. Za vývojem v letech 1994-1998 stála společnost Ericsson. Od r. 1998
se vývojem zabývá skupina Bluetooth SIG (Special Interest Group) [2] založena firmami
IBM, Toshiba, Intel, Ericsson a Nokia. Specifikace se týká rádiového rozhraní a profilů
spolupráce zajišťujících vzájemnou komunikaci mezi zařízeními s podporou pro Bluetooth
různých výrobců.
1.1.1
Vývoj standardu 802.15.1
Vývoj standardu 802.15.1 je možno shrnout následovně:
 rok 1999 – verze 1.0
 řada nepřesností a chyb (problémy s kompatibilitou, čistou implementací pikosítí
a jednoznačným přiřazení rolí master či slave).
 rok 2001 – verze 1.1
 přenosová rychlost 1 Mbit/s (skutečná propustnost max. 720 kbit/s).
 rok 2003 – verze 1.2
 max. přenosová rychlost 720 kbit/s,
 adaptivní přeskakování AFH (Adaptive Frequency Hopping) – využití volných
kmitočtů, které se nepoužívají jinými technologiemi,
 rozšířená podpora pro QoS (Quality of Service) – zlepšené zpracování hlasového
signálu (potlačení šumu a ozvěny),
 anonymní režim vysílání – maskování fyzické adresy radiového zařízení,
 rychlejší navázání spojení FCS (Fast Connection Setup).
 rok 2004 – verze 2.0+EDR
 přenosová rychlost až 2 Mbit/s - EDR (Enhanced Data Rate),
 zpětně kompatibilní s verzí 1.2.
 rok 2007 – verze 2.1+EDR
 přenosová rychlost 2,1 Mbit/s (teoreticky 3 Mbit/s),
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO


1.1.2
7
 podporu pro rychlejší párování zařízení,
 komunikace blízkých polí NFC (Near Field Communication) – k párování
dochází zcela automaticky těsným přiblížením obou zařízení, potvrzení spojení
uživatelem prostřednictvím displeje daného zařízení,
 nižší spotřeba energie.
rok 2009 – verze 3.0
 přenosová rychlost až 24 Mbit/s (teoreticky 54 Mbit/s) – přenosy objemných dat,
 zvýšení přenosové rychlosti za využití kanálu WiFi standardu IEEE 802.11 využívá protokolu 802.11 PAL (Protocol Adaption Layer) tzn., přenos dat může
probíhat i přes WiFi, pokud jsou oba spárované přístroje touto technologií,
 Bluetooth stále slouží pro řízení spojení,
 nasazení u mobilních telefonů či jiných mobilních zařízení, která ovšem zároveň
podporují WiFi (omezení rozšíření),
 vyšší stabilita a menší energetická náročnost,
 zpětná kompatibilita se staršími verzemi.
rok 2010 – verze 4.0
 přenosová rychlost 24 Mbit/s,
 BLE (Bluetooth Low Energy) - velmi nízká spotřeba (výdrž i několik let pouze na
malou baterii do hodinek),
 zlepšení dosahu do cca 100 m,
 podpora šifrování AES 128 (Advanced Encryption Standard).
Topologie sítě
Topologie sítě Bluetooth je založena na nahodilém (ad hoc) seskupení komunikujících
zařízení, která se mohou snadno kdykoliv připojit nebo odpojit od sítě (tzv. režim
spontaneous networking) [3]. Topologie není závislá na síťové infrastruktuře, nicméně i zde
existuje možnost připojení k přístupovému bodu AP (Access Point). Jsou zde podporovány
dvoubodové i mnohobodové komunikace, jak je znázorněno na Obr. 1.3. Rozlišují se dva
základní typy sítě:
 pikosítě (piconet),
 rozprostřené sítě (scatternets).
Obr. 1.3: Topologie sítě Bluetooth
8
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
V případě pikosítí se jedná o propojení více stanic do ad hoc sítě s hvězdicovou
topologií. Tento typ sítě můžeme charakterizovat následovně:
 jedna rádiová stanice působí jako hlavní (master),
 až 7 podřízených stanic (slave),
 další stanice v pikosíti v tzv. zaparkovaném režimu (nespotřebovávají žádné síťové
prostředky),
 stanice master řídí veškerou komunikaci, stanice slave komunikuje s ostatními
stanicemi prostřednictvím stanice master,
 počet stanic v pikosíti – počet identifikačních čísel stanic, pro označení byly ve
specifikaci přiřazeny 3 bity,
 stanice slave se synchronizují s taktem stanice master a se způsobem přeskakování
mezi kmitočty FH (Frequency Hopping),
 možno použít až 10 pikosítí na ploše o dosahu 10 m.
Rozprostřené sítě představuje sdružení více pikosítí dohromady, kdy jednotlivé stanice
mohou patřit do více pikosítí, v jedné např. jako slave a v druhé jako master. Každé zařízení
může přepínat mezi různými pikosítěmi, nicméně nemůže v jeden okamžik pracovat v obou
režimech).
Na Obr. 1.3 je naznačen příklad rozprostřené sítě a jednotlivých stanic, které mohou
figurovat v roli hlavní stanice (master) nebo podřízené stanice (slave). Rozlišují se dva
pracovní režimy zařízení:
 aktivní režim – stanice zkouší své okolí a pokouší se spojit s ostatními zřízeními,
 pasivní režim – zařízení čeká, až se jiné zařízení pokusí s ní navázat spojení.
Pro minimalizaci napájení připojených podřízených stanic rozlišujeme několik režimů
[3], ve kterých se mohou tyto nacházet:
 active – stanice slave očekává pakety od stanice master,
 sniff – s omezeným kmitočtem, kdy se stanice slave a master dohodnou na časovém
intervalu, kdy bude stanice slave periodicky naslouchat,
 hold – platí v případě, že se stanice slave po nějakou dobu neúčastní asynchronní
komunikace bez spojení,
 park – stanice slave se neúčastní komunikace, pouze se pravidelně synchronizuje
a naslouchá zprávám, které jsou vysílány všem stanicím v síti,
 standby – zařízení, která nejsou připojena k žádné pikosíti.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
1.1.3
9
Protokolová architektura
Protokolová architektura Bluetooth je znázorněna na Obr. 1.4.
Obr. 1.4: Protokolová architektura Bluetooth
V rámci fyzické vrstvy probíhá komunikace Bluetooth v bezlicenčním pásmu ISM
(Industry Science and Medical) 2,402 – 2,480 MHz, ve kterém je vytvořeno celkem 79 kanálů
s odstupem 1 MHz. Pro samotný přenos se využívá modulace GFSK (Gaussian Frequency
Shift Keying) a metody rozprostření spektra s přeskakováním mezi kanály (frekvenční
přeskoky či skákání) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), kterou lze v případě
Bluetooth charakterizovat následovně:
 pseudonáhodné přeskakování nosné mezi 79 různými kmitočty,
 počet přeskoků činí 1600 krát/s (na jednom kmitočtu se vysílá 625 s),
 posloupnost přeskakování je odlišná v každé pikosíti,
 hodiny hlavní stanice definují takt přeskakování, podřízené stanice se s nimi musí
synchronizovat.
Oblast pokrytí signálem Bluetooth závisí mimo jiné na výkonu vysílačů. Dle vysílacího
výkonu rozlišujeme tyto třídy zařízení:
 třída I. – 100 mW (20 dBm) s dosahem cca 100 m,
 třída II. – 2,5 mW (4 dBm) s dosahem cca 15-20 m,
 třída III. – 1 mW (0 dBm) s dosahem cca 10 m.
Alokaci časových úseků provádí stanice master s využitím mnohonásobného přístupu
s časovým dělením TDMA (Time Division Multiple Access). Pro vysílání a příjem se
používají stejné kmitočty s využitím časového duplexu TDD (Time Division Duplex), který
rovněž umožňuje střídavou změnu stanice ze stavu slave na master a obráceně (viz Obr. 1.5).
10
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 1.5: Princip vysílání Bluetooth
Stanice master vysílá v lichých úsecích, stanice slave pak v úsecích sudých. Maximální
doba vysílání paketu je 366 s (zbylý čas je využit na změnu kmitočtu). Každý paket se
přenáší na jiném kmitočtu. 1 paket může pro přenos využít více časových úseků (3 nebo 5),
viz Obr. 1.6. V tom případě se přenos uskutečňuje na stejném kmitočtu.
Obr. 1.6: Víceslotové pakety
Formát rámce Bluetooth je znázorněn na Obr. 1.7. Rámec je složen ze přístupového
kódu, záhlaví a pole určeného pro data.
Přístupový kód slouží pro identifikaci a synchronizaci paketu. Rozlišujeme několik typů
přístupových kódů:
 kód přístupu ke kanálu CAC (Channel Access Code) – identifikace buňky pikosítě
(odvozuje se od stanice master),
 přístupový kód DAC (Device Access Code) – pro identifikaci zařízení (odvozuje se
od stanice slave),
 dotazový přístupový kód IAC (Inquiry Access Code) – pro dotazy zařízení.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
11
Obr. 1.7: Formát rámce Bluetooth
Záhlaví paketu obsahuje:
 adresu aktivního člena pikosítě,
 typ paketu – určuje, zda se jedná o asynchronní komunikaci bez spojení ACL
(Asynchronous ConnectionLess) nebo synchronní komunikaci se spojením SCO
(Synchronous Connection-Oriented),
 informaci pro řízení toku v rámci spojení ACL,
 bit potvrzení pro řízení chyb (ACK=1, NACK=0),
 pořadové číslo paketu,
 kontrolu chyb záhlaví HEC (Header Error Control).
V rámci přenosu dat zde existuje podpora datových i hlasových služeb, podpora
různorodých služeb na základě zabudované podpory QoS, nabídka až 3 synchronních
hlasových kanálů (se spojením) a přenos dat v asynchronním nebo synchronním režimu.
Protokol LMP (Link Manager Protocol) je zodpovědný za:
 úkoly managementu sítě,
 vytváření spojení mezi stanicemi,
 autentizace a šifrování,
 řízení úsporných režimů napájení,
 monitorování stavu zařízení v rámci pikosítě.
Protokol L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol):
 poskytuje datové služby základní vrstvy (baseband) vyšším vrstvám,
 pracuje paralelně s LMP, je zodpovědný za přenos užitečných dat,
 poskytuje službu se spojením i bez spojení,
 poskytuje služby segmentace a opětovného sestavení dlouhých paketů,
 dojednává parametry QoS,
 neobsahuje žádné mechanismy pro detekci chyb (kontrola chyb až na úrovni
aplikační vrstvy).
Protokol SDP (Service Discovery Protocol) pracuje nad L2CAP:
 je nezbytný pro zajištění dostupných služeb v síti
 je základem pro vytvoření relativně jednoduchých sítí ad hoc.
Protokol RFCOMM Protocol (Radio Frequency Communication)
 je součásti specifikace ETSI,
 podporuje emulaci sériového portu RS232 (dvoubodového spoje přes sériový port),
až 64 sériových portů mezi dvěma zařízeními.
12
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Zařízení Bluetooth podporují jeden nebo více tzv. profilů. Všechny profily závisí na
základním profilu GAP (Generic Access Profile), který definuje:
 základní pravidla a podmínky propojení zařízení,
 navázání spojení Bluetooth a kanálů L2CAP,
 úrovně bezpečnosti.
Profily tedy jinými slovy definují soubor instrukcí, pomocí nichž mohou 2 zařízení
komunikovat, určují, které části z celé specifikace se při dané službě využijí a pro koncová
zařízení definují druh dat a způsob komunikace. Profily specifikují způsob, jakým může
aplikační software přistupovat k různým vrstvám protokolové architektury. Ve většině
případů to zahrnuje také rozhraní pro programování aplikací API (Application Programming
Interface).
1.1.4
Využití Bluetootth
Prvotní myšlenkou využití Bluetooth byly aplikace pro domácí sítě. V současné době
převládá využití v podobě komunikace mezi mobilními zařízeními (PDA, telefony apod.)
a periferními zařízeními (zejména tiskárnami) či počítači pro sdílení a přenos souborů, tisk
a pro komunikaci se spotřební elektronikou a domácí spotřebiči.
1.2 ZigBee
ZigBee je označení pro bezdrátový komunikační standard 802.15.4 poskytující nenákladnou
a nízkopříkonovou komunikaci mnoha zařízení na vzdálenost až stovek metrů, určený
zejména pro monitorování a řízení systémů. O specifikaci ZigBee se stará aliance ZigBee
Alliance [4], která sdružuje všechny významné firmy, které se podílejí na jeho vývoji. Mezi
nejvýznamnější charakteristické vlastnosti ZigBee je možno uvést:
 malá a jednoduchá bezdrátová zařízení (senzory) a jejich domácí a průmyslové
aplikace,
 aplikace s menšími přenosovými rychlostmi 10-250 kbit/s nemající přísné nároky na
kvalitu služby,
 nahodilé (ad hoc) propojení mobilních, přenosných i pevných zařízení,
 zařízení s nízkou provozní spotřebou – výdrž baterie typu AA i několik let.
1.2.1
Vývoj standardu 802.15.4
Vývoj standardu 802.15.4 je možno shrnout následovně:
 rok 1997 – počátek vývoje ZigBee,
 rok 2003 – první standard 802.15.4,
 rok 2005 – konečná podoba specifikace standardu 802.15.4,
 rok 2006 – vývoj standardu 802.15.4:
 rozšíření v pásmu 868 MHz o přenosové rychlosti 100/250 kbit/s
 pásmo 915 MHz – rozšíření na 30 kanálů
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO



1.2.2
13
 4 typy fyzických vrstev – 3 typy založené na DSSS s použitím BPSK nebo OQPSK, pro pásmo 868/915 MHz volitelná alternativa s BSK a ASK založené na
PSSS (Paralel Sequence Spread Spectrum),
rok 2007 – standard 802.15.4a, který rozšiřuje možnosti fyzické vrstvy:
 fyzická vrstva UWB (Ultra Wide Band) je rozdělena na tři pásma – pásmo pod
1 GHz, pásmo 3-5 GHz a pásmo 6-10,6 GHz
 fyzická vrstva CSS (Chirp Spread Spectrum) – využívá pásmo 2450 MHz
Oproti předchozímu standardu došlo k následujícím změnám:

rozšíření o přenosovou rychlost 851 kbit/s,

vytvoření přístupu UWB,

vytvoření 14 překrývajících se pásem CSS,
 vytvoření 16 kanálů UWB v pásmech 250-750 MHz a 3,1-10,6 GHz,
rok 2009 – standard 802.15.4c, který definuje nové frekvenční pásmo 779-787 MHz
pro Čínu,
rok 2009 – standard 802.15.4d, který definuje nové frekvenční pásmo 950-956 MHz
pro Japonsko.
Topologie sítě
Síť ZigBee rozeznává dvě kategorie zařízení [3]:
 RFD (Reduced-Functionality Device) – zařízení může komunikovat pouze
s koordinátorem (v topologii hvězda), nemůže se stát koordinátorem,
 FFD (Full-Functional Device) – zařízení může komunikovat s jakýmkoli zařízením
v síti jakékoli topologie, může se stát koordinátorem.
Z hlediska topologie se naskýtají nejrůznější varianty:
 topologie typu hvězda (star topology) – řízením je pověřen jedno zařízení tzv.
koordinátor PAN (Personal Area Network) a ostatní pracují jako koncová zařízení,
 topologie typu strom (tree topology) – úprava topologie typu hvězda,
 topologie typu mesh (mesh topology) – kombinace obou předchozích,
 bod-bod P2P (Peer to Peer).
Vytvořená síť může propojovat od několika až po tisíce zařízení. Příklady topologie sítě
ZigBee jsou naznačeny na Obr. 1.8.
14
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 1.8: Topologie sítě ZigBee
Použitá topologie sítě úzce souvisí s energetickou náročností jednotlivých uzlů této sítě.
Z tohoto důvodu se jeví jako výhodné použít topologii typu hvězda nebo strom, které jsou
z tohoto pohledu mnohem méně náročné než sítě typu mesh. Dosah sítě koresponduje
s maximální délkou jednotlivých skoků mezi dvěma sousedními uzly. Vzdálenost mezi dvěma
uzly sítě se pohybuje od 10 do 100 m v závislosti na typu prostředí, použité anténě a využitém
kmitočtovém pásmu.
V sítích ZigBee je důležitá adresace, která slouží k jednoznačné identifikaci zařízení
v síti. Jsou zde podporovány dva možné typy adres:
 plná (dlouhá) adresa – má délku 64 bitů a umožňuje provozovat až 264-2 zařízení,
kde první adresa (0x00000000) je určena pro koordinátora sítě a poslední
(0xFFFFFFFF) pro broadcast, na které naslouchají všechna zařízení v síti,
 zkrácená adresa – má délku 16 bitů umožňuje v jedné síti provozovat 65536
zařízení.
Každá sestavená síť je pro potřeby rozlišení překrývajících se sítí dále identifikována
16 bitovým identifikátorem PAN ID (Personal Area Network ID), díky kterému lze paralelně
provozovat až 65536 sítí.
Z hlediska topologie se používají dva režimy adresace:
 adresa sítě a identifikace zařízení (topologie hvězda),
 identifikátor zdroje/cíle (komunikace P2P).
1.2.3
Protokolová architektura
Protokolová architektura ZigBee je znázorněna na Obr. 1.9. Standard 802.15.4 definuje
fyzickou a linkovou vrstvu modelu OSI. Vyšší vrstvy modelu OSI (síťovou a transportní)
definuje ZigBee Alliance. Zákaznické aplikace v aplikační vrstvě modelu OSI pak definuje
zákazník potažmo výrobce zařízení OEM (Original Equipment Manufacturer).
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
15
Obr. 1.9: Protokolová architektura ZigBee
Fyzická vrstva určuje způsob konkrétní fyzické bezdrátové komunikace. Pracuje
v pásmech ISM (Industry, Science and Medical):



pásmo 2,4 GHz (2,4-2,2835 MHz) – v tomto pásmu je možno vytvořit 16 kanálů
(č. 11-26) s odstupem 5 MHz o rychlosti 250 kbit/s (celosvětové použití),
pásmo 915 MHz (902-928 MHz) – v tomto pásmu je možno vytvořit 10 kanálů
(č. 1-10) s odstupem 2 MHz o rychlosti 40 kbit/s (Amerika),
pásmo 868 MHz (868,3 MHz) – v tomto pásmu je možno vytvořit 1 kanál (č. 0)
o rychlosti 20 kbit/s, Evropa.
V kmitočtových pásmech 868 a 915 MHz se na této vrstvě používá modulace BPSK
(Binary Phase Shift Keying) a v pásmu 2,4 GHz modulace O-QPSK (Offset Quadrature
Phase-Shift Keying). Pro samotný přenos se pak využívá principu přímé sekvence
rozprostřeného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Pro přístup na kanál se pak
využívá metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and
optional time slotting).
Linková (spojová) vrstva MAC (Media Access Control) definuje již samotnou
komunikaci mezi jednotlivými zařízeními (uzly sítě) prostřednictvím rámců. Celkem jsou
definovány čtyři typy komunikačních rámců, které se využívají buď pro přenos užitečných
dat, nebo k režijním účelům souvisejícím se sestavením, správou a řízením sítě:
 Datový rámec (Data Frame) – rámec pro přenos užitečné informace pro všechny
datové přenosy.
 Rámec pro signální zprávy od koordinátora (Beacon Frame) – tento rámec se
používá k synchronizaci zařízení v síti a je využíván hlavně při konfiguraci sítě
v módu, v němž umožňuje uvádění klientských zařízení do spánkových režimů
s extrémně sníženou spotřebou.
 Potvrzující rámec (Acknowledgement Frame) – tento rámec je využitelný pouze pro
potvrzovanou komunikaci na úrovni MAC.
 Příkazový rámec (Command Frame) – slouží pro potřeby centralizovaného
konfigurování, nastavení a řízení klientských zařízení v síti.
16
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Standard 802.15.4 rozlišuje tři typy datového provozu:
 periodický – definovaný aplikací (např. pro senzory),
 občasný – rychlost definovaná aplikací nebo externí stimulací (např. vypínač
osvětlení),
 opakovaná kritická data – vyžadují krátké zpoždění a alokaci časových úseků.
V rámci podvrstvy MAC působí management napájení napomáhající zajištění
minimální spotřeby zařízení (napájení bateriemi nebo ze sítě).
Na Obr. 1.10 je uveden formát datového rámce paketu PPDU (PLCP Protocol Data
Unit), který se skládá:
 z části dodané vrstvou MAC (MPDU) - obsahuje mimo přenášených dat (až 104 B)
i informaci o adrese přijímací stanice, pořadové číslo datového paketu, řízení rámce
a kontrolní mechanismus rámce FCS (Frame Check Sequence),

z části dodané fyzickou vrstvou (SHR a PHR) - obsahuje potřebné informace pro
správný fyzický přenos paketu (preambuli pro časovou synchronizaci přijímače,
informaci o začátku rámce informace a o délce rámce).
Obr. 1.10: Formát datového rámce
Příkazový rámec se od datového rámce liší tím, že v části vymezené pro přenos dat se
přenáší příkazy. Potvrzovací rámec naopak tuto část úplně vypouští a jeho důležitá role
spočívá v potvrzení vysílajícímu zařízení o bezchybném přijetí informace.
Nad vrstvami standardu IEEE 802.15.4 se nachází síťová vrstva NWK (NetWorK
layer) a struktura pro aplikační vrstvu APL (APplication Layer). Úkolem síťové vrstvy je
připojování k síti a odpojování od sítě, zabezpečení přenosu a směrování paketů. Rozlišujeme
různé úrovně zabezpečení od nulového zabezpečení přes zabezpečení prostřednictvím
přístupových seznamů až po autentizaci a šifrování s využitím 32 až 128 kryptografického
algoritmu AES (Advanced Encryption Standard). Různé možnosti zabezpečení umožňují
široký výběr podle typu aplikace podle požadavků na objem přenášených dat či životnost
baterie Úkolem této vrstvy je dále nalezení zařízení v rámci jednoho přeskoku. V případě
koordinátora sítě je odpovědná za start sítě a přiřazování adres nově začleněným zařízením.
Aplikační vrstva protokolu ZigBee se skládá z pomocné aplikační podvrstvy APS
(Application Support Sublayer), objektů ZigBee ZDO (ZigBee Device Object) a uživatelských
aplikačních objektů. Podvrstva APS umožňuje párování zařízení podle poskytovaných služeb
a požadavků. Úkolem objektů ZigBee je definovat roli jednotlivých zařízení v rámci sítě
(koordinátor, směrovač nebo koncové zařízení) a spravovat poskytované služby.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
1.2.4
17
Využití ZigBee
Standard ZigBee nelze chápat jako konkurenční standard k již zavedeným komunikačních
standardům v sítích PAN, jakým je např. Bluetooth, ale jako jejich doplněk rozšiřující oblasti
nasazení. Využití nalézá zejména při jednodušších bezdrátových komunikacích nenáročných
na hardware, přenosové rychlosti a napájení (aplikace s bateriovým napájením). Nižší
přenosová rychlost poskytuje těmto sítím vyšší odolnost proti rušení, a tak s výhodou nalézají
uplatnění v průmyslu. Mezi příklady jejich využití můžeme uvést řízení budov (odemykání a
otvírání dveří, zapínání/vypínání přístrojů a zařízení v domácnosti, řízení osvětlení,
klimatizace apod.), bezdrátovou komunikaci senzorů, řízení motorů a regulátorů, bezdrátovou
komunikaci počítačových periferií (klávesnice, myš apod.) či oblast zabezpečovacích systémů
(chipové přístupové karty, bezdrátové klávesnice, senzory apod.).
18
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
2 Rádiové sítě WLAN
Bezdrátové přístupové lokální sítě WLAN (Wireless Local Area Network) představují jakési
rozšíření či alternativu k existujícím metalickým sítím LAN v rámci budov. Tyto sítě si
získaly postupem času velkou popularitu a uplatnění v mnoha oblastech. V této kapitole bude
pozornost věnována sítím WiFi a DECT.
2.1 WiFi
Pod zkratkou WiFi (Wireless Fidelity) je označována rodina bezdrátových komunikačních
standardů 802.11 pracující v bezlicenčních pásmech ISM. Kompatibilitu jednotlivých zařízení
standardu 802.11 zajišťovala zpočátku aliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility
Aliance), která se v roce 2003 přejmenovala na alianci WiFi [5].
2.1.1
Vývoj standardů 802.11
Vývoj standardu 802.11 s uvedením základní charakteristiky jednotlivých vývojových verzí je
možno shrnout následovně:
 rok 1997 – definován první standard s označením IEEE 802.11
 pásmo 2,4 až 2,485 GHz,
 přenosová rychlost do 2 Mbit/s (1 nebo 2 Mbit/s),
 fyzická vrstva – princip FHSS nebo DSSS, IR.
 rok 1997 – definován standard IEEE 802.11b
 pásmo 2,4 až 2,485 GHz,
 přenosová rychlost až 11 Mbit/s (dle rušení dynamická změna rychlosti – 11; 5,5;
2; 1 Mbit/s),
 fyzická vrstva – princip DSSS.
 rok 1999 – definován standard IEEE 802.11a
 pásmo 5,15 až 5,725 GHz
 přenosová rychlost až 54 Mbit/s (54; 48; 36; 24; 18; 12; 9; 6),
 fyzická vrstva – princip OFDM.
 rok 2003 – definován standard IEEE 802.11g
 pásmo 2,4 až 2,485 GHz,
 přenosová rychlost až 54 Mbit/s (54; 48; 36; 33; 24; 18; 12; 9; 6; 11; 5,5; 2; 1),
 fyzická vrstva – modulace 64-QAM, princip OFDM nebo DSSS pro zpětnou
kompatibilitu s 802.11b.
 rok 2009 – definován standard IEEE 802.11n
 pásmo 2,4 až 2,485 GHz a 5,15 až 5,725 GHz,
 přenosová rychlost do 600 Mbit/s,
 fyzická vrstva – princip OFDM, MIMO (Multiple Input Multiple Output).
 rok 2013 – definován standard IEEE 802.11ac
 pásmo 5 GHz,
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

2.1.2
19
 přenosová rychlost do 1 Gbit/s, šířka pásma n x 20 MHz (až 80 MHz – adaptivní
změna šířky pásma),
 fyzická vrstva – použití modulace až 256-QAM a 8x8 MIMO, OFDM, zpětná
kompatibilita.
rok 2014? – příprava standardu IEEE 802.11ad na jehož vzniku se podílí aliance
WiGig (Wireless Gigabit Alliance) založena v roce 2009
 pásmo 60 GHz,
 přenosová rychlost do 7 Gbit/s.
Topologie sítě
Bezdrátová lokální síť WiFi může obsahovat čtyři hlavní druhy tzv. fyzických komponent sítě
[6]:
 distribuční systém – představuje páteřní síť potřebnou pro realizaci rozsáhlejších
sítí, která se používá k přesměrování datového toku na stanici skutečného určení
podle její aktuální polohy v síti (ve většině případů se jako páteřní síť pro přenos dat
mezi přístupovými body používa Ethernet),
 přístupový bod AP (Access Point) – přemostění mezi kabelovou a bezdrátovou sítí,
poskytuje bezdrátový přístup k distribučnímu systému,
 stanice – jakékoliv fixní či mobilní zařízení (počítač, notebook, smartphone apod.)
využívající pro komunikaci síť WiFi.
 bezdrátové médium – obecně volné prostředí (přenosové médium), které by se dalo
z technického pohledu charakterizovat dostupnými rádiovými frekvencemi pro
přenos dat.
Skupina stanic, které spolu komunikují, označujeme jako základní soubor služeb BSS
(Basic Service Set). Tyto stanice pak spolu vytváří základní stavební blok sítě 802.11, jejichž
vzájemná komunikace probíhá v oblasti vymezené průnikem jejich dosahu, kterou nazýváme
základní služební oblast BSA (Basic Service Area). Propojením více BSS prostřednictvím
páteřní sítě (distribučního systému) pak můžeme vytvořit tzv. rozšířený soubor služeb ESS
(Extended Service Set). Propojením více BSA je pak vytvořena rozšířená služební oblast ESA
(Extended Service Area). Síť WiFi může pracovat ve dvou základních konfiguracích:
 ad hoc,
 infrastruktura.
Nezávislé sítě ad hoc (viz Obr. 2.1) jsou realizovány jednotlivými spolu přímo
komunikujícími stanicemi nezávisle na prostředníkovi. V tomto případě není potřebné
realizovat pro zajištění komunikace žádnou podpůrnou síťovou infrastrukturu. Tato varianta
je vhodná zejména pro zajištění rychlého spojení dvou či více stanic pro potřeby nárazového
přenosu dat, které se většinou zřizují dočasně na omezenou dobu. Nevýhodou této varianty je
potřeba správné konfigurace této sítě na straně jednotlivých stanic.
20
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 2.1: Síť WiFi typu ad hoc
Infrastrukturní sítě (viz Obr. 2.2) představují sítě s distribučním systémem
využívajícím pro zajištění komunikace mezi stanicemi prostředníka v podobě fixního
přístupového bodu, který funguje jednak jako základnová stanice (vysílač) a jednak jako
datový most. Každá stanice pak komunikuje pouze s přístupovým bodem, v jehož oblasti
pokrytí signálem (buňce) se nachází. Přístupové body jsou pak vhodně rozmístěny tak, aby
zajišťovaly pokud možno nejoptimálnější pokrytí požadované oblasti či prostor signálem
takto vytvořené sítě. Pro potřebu zajištění mobility uživatelů bez ztráty spojení je potřebné,
aby se oblasti pokrytí sousedních přístupových bodů částečně překrývali.
Obr. 2.2: Síť WiFi typu infrastruktura
Mimo výše uvedené je možno pro komunikaci využít i sítě typu mesh, kde každý
přístupový této sítě je propojen se všemi nebo alespoň s částí ostatních přístupových bodů.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
2.1.3
21
Protokolová architektura
Protokolová architektura WiFi je znázorněna na Obr. 2.3. Standard 802.11 definuje fyzickou
a linkovou (spojovou) vrstvu modelu OSI.
Obr. 2.3: Protokolová architektura WiFi
Fyzická vrstva je rozdělena do dvou podvrstev:
 protokol konvergence fyzické vrstvy PLCP (Physical Layer Convergence Protocol,
Procedure) - tato podvrstva zajišťuje detekci nosné a rozhraní k nižší vrstvě PMD.
Obsahuje informace o podporované rychlosti, síle signálu, použitém kanálu,
frekvenci kanálu, velikosti hlavičky atd.,
 podvrstva závislá na fyzickém médiu PMD (Physical Media Dependent) – tato
podvrstva zajišťuje modulaci a kódovaní signálu.
Fyzická vrstva tedy definuje typ použitého modulace a použitou techniku spektra
(rozprostření spektra). Sítě WiFi pro svou činnost využívají modulace QPSK, BPSK, 16QAM a 64-QAM. V případě techniky rozprostření spektra se v současné době můžeme setkat
se třemi způsoby řešení fyzické vrstvy [6]:
 Frekvenční proskoky (přeskakování, skákání) FHSS (Frequency Hopping Spread
Spectrum) – celé pásmo je rozděleno na 79 kanálů o šířce 1 MHz. Na každém
kanále se vysílá (přenáší data – jeden nebo více paketů) po dobu 400 ms. Minimálně
2,5 krát za sekundu tak dojde ke změně vysílací frekvence, čímž se významným
způsobem minimalizuje případné rušení. Každá ze 79 frekvencí musí být využita
minimálně jednou za 30 s. Teoreticky je v tomto případě možno současně
provozovat až cca 26 nezávislých sítí (pseudonáhodných posloupností).
 Přímá sekvence rozprostření spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum ) –
vysílač přeměňuje tok dat (bitů) na tok symbolů (jeden nebo více bitů), které jsou
modulovány digitálním kódem (násobeny pseudonáhodnou šumovou sekvencí)
jehož kódová rychlost je několikanásobně vyšší než přenosová rychlost
informačního signálu. Jeden prvek tohoto pseudonáhodného kódu se označuje jako
tzv. čip (chip). Podle délky použité sekvence se tak uměle zvyšuje potřebná šířka
pásma. V případě DSSS se jedná o rozprostření signálu do většího pásma o šířce
22 MHz (802.11b).
22
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava

Ortogonální frekvenčně dělený multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplex) – v tomto případě dochází k převodu vstupního vysokorychlostního
sériového datového toku na řadu pomalejších paralelních datových toků, které jsou
modulovány na jednotlivé subnosné kmitočty. Vytvoří se tak velké množství úzkých
kanálů s výslednou rychlostí přenosu dat, která je pak dána součtem všech kanálů.
(802.11a/g/n/ac).
Jak již bylo uvedeno, sítě WiFi využívají pro svou činnost bezlicenční pásma ISM
2,4 GHz a 5 GHz. Dostupné rádiové frekvence v pásmu 2,4 GHz, jež využívají standardy
802.11b, 802.11g a 802.11n, jsou uvedeny v Tab. 2.1.
Tab. 2.1: Dostupné rádiové frekvence v pásmu 2,4 GHz
V tomto pásmu je definováno celkem 14 rádiových kanálů s odstupem 5 MHz.
Z důvodu rozdílného přístupu ve využívání tohoto pásma v jednotlivých zemích (viz Tab. 2.2
[6]) se pak liší i možnosti využití a rozšiřitelnost tohoto systému v těchto zemích. Ve většině
evropských zemí je tak v případě standardu 802.11b možno využít vždy pouze 3 kanály
o šířce 22 MHz, které se vzájemně nekryjí. Jedná se o kanály číslo 1, 6, a 11 (případně 2, 7,
a 12 nebo 3, 8, a 13). U standardu 802.11g/n jsou to pak kanály číslo 1, 5, 9 a 13 s šířkou
20 MHz nebo kanály číslo 3 a 11 s šířkou 40 MHz. V České republice je maximálně povolený
ekvivalentní vyzářený výkon EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power, Effective
Isotropic Radiated Power) pro všechny standardy stanoven na hodnotu 100 mW (20 dBm).
Tab. 2.2: Využití rádiových frekvencí pásma 2,4 GHz ve světě
Dostupné rádiové frekvence v jednotlivých zemích pro pásmo 5 GHz, jež využívají
standardy 802.11a a 802.11n, jsou uvedeny v Tab. 2.3. V České republice je prvních 8 kanálů
(č. 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60 a 64) vyčleněno pouze pro vnitřní využití s maximálně
povoleným výkonem EIRP = 200 mW. Zbylých 11 kanálů je možno provozovat v rámci
vnitřního i venkovního využití s maximálně povoleným výkonem EIRP = 1 W s regulací
výkonu (automatickou změnou výkonu) nebo výkonem EIRP = 500 mW bez regulace
výkonu. V rámci standardu 802.11n je možno vytvořit až 19 vzájemně se nepřekrývajících
kanálů, nebo 9 kanálů s šířkou 40 MHz.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
23
Tab. 2.3: Dostupné rádiové frekvence v pásmu 5 GHz
Dosažitelná přenosová rychlost u sítí WiFi souvisí na mnoha faktorech. V prvé řadě je
pro potřebu stanovení uživatelské rychlosti od udávané maximální přenosové rychlosti pro
daný standard odečíst tzv. režie (řízení, management sítě). Sítě WiFi navíc pracují v režimu
polovičního duplexu, kdy zařízení WiFi buď data vysílá, nebo je přijímá. Přenosová rychlost
je u sítí WiFi rovněž nepřímo úměrná vzdálenosti dané stanice od přístupového bodu a platí
tedy, že s rostoucí vzdálenosti nám přenosová rychlost klesá. Důležitou roli rovněž hraje
přímá viditelnost mezi komunikujícími stanicemi a tedy vliv prostředí (šíření uvnitř budov –
vliv zdí a reflektorů, šíření ve venkovním prostředí – vliv zástavby, stromů) a v neposlední
řadě i vliv počasí. Významný vliv na přenosovou rychlost a samotnou kvalitu spojení má
rušení způsobené buď jinými zařízeními WiFi nebo zařízeními jiných sítí pracujícími ve
stejném frekvenčním pásmu (Bluetooth či ZigBee). V této souvislosti je nutné rovněž
upozornit na možnost vzniku rušení způsobeného mikrovlnnými troubami, jež pro svou
činnost využívají frekvenci 2,45 GHz. Dalším omezením pro sítě WiFi v České republice jsou
radary Českého hydrometeorologického úřadu, pracující na frekvencích 5620 MHz
a 5640 MHz, kdy dle nařízení Českého telekomunikačního úřadu ČTÚ musí provozovatelé
zařízení WiFi zablokovat možnost využití na těchto rádiových kanálech.
Důležitou vrstvou pro činnost sítí WiFi je linková (spojová) vrstva, která mimo jiné
definuje strukturu MAC rámce, přístupovou metodu k přenosovému médiu, multiplexaci
protokolů vysílaných na MAC vrstvu, zabezpečení (CRC) a šifrování spojení (WEP, WPA).
Linková vrstva se skládá ze dvou podvrstev:
 podvrstva ovládání (protokol) logického řízení spoje LLC (Logical Link Control) –
tato podvrstva zajišťuje přenos fyzických datových rámců na konkrétní médium,
řízení toku dat a kontrolu chyb,
 podvrstva ovládání (protokol) přístupu k médiu MAC (Medium Access Control) –
tato podvrstva slouží jako rozhraní mezi fyzickou vrstvou a zařízením WiFi, je
zodpovědná za přenos dat, přidružení stanice k síti (asociation), autentizaci, utajení
dat a management napájení.
Podvrstva MAC nabízí několik přístupových mechanismů (režimů komunikace):
 Standardní mechanizmus zvaný funkce distribuované koordinace DCF (Distributed
Coordination Function) - tento mechanismus je založen na mechanismu CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), kdy stanice hlídá stav
přenosového média (naslouchá, zda nevysílá někdo jiný). Pro zabránění kolize
vkládá mezi vysílanými rámci mezeru DIFS (Distributed InterFrame Space). Je-li
po uplynutí tohoto definovaného časového úseku (mezery) médium volné, vyšle
stanice paket, v opačném případě odloží přenos (odklad vysílání backoff) a nadále
24
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava


monitoruje médium. Interval odkladu vysílání si každá stanice volí náhodně
z intervalu mezi nulou a velikostí tzv. okna sváru CW (Contention Window). I přesto
však nadále může dojít ke kolizi a proto se velikost tohoto okna sváru
v následujících kolizích neustále zdvojnásobuje až do situace, kdy je médium volné
a stanice může vysílat. Přijímací stanice po obdržení paketu čeká po dobu SIFS
(Short InterFrame Space), která je kratší než DIFS a následně vyšle potvrzení o
přijetí paketu. Tento jednoduchý mechanismus DCF je vhodný pro asynchronní
datové přenosy bez podpory QoS, garance zpoždění a šířky pásma.
Virtuální naslouchací mechanismus RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) –
tento mechanismus se používá v případech tzv. skrytého uzlu, kdy stanice neslyší
vysílání všech stanic v síti (stanice na sebe „nevidí“, nejsou ve vzájemném dosahu
signálu). Stanice nejdříve příjemci vyšle zprávu (požadavek) RTS, která obsahuje
informace o zdrojové a cílové stanici a předpokládané délce trvání přenosu a čeká
na obdržení zprávy CTS, jež potvrzuje zdrojové stanici délku očekávaného vysílání.
Stanice, které slyší tyto pakety RTS nebo CTS si nastaví pomocí svého interního
časovače tzv. virtuální naslouchání NAV (Network Allocation Vector) na dobu trvání
přenosu oznámenou v paketu a po tuto dobu považují médium za obsazené. Kanál je
považován za volný v případě, že stanice nedetekuje žádný aktivní signál a časovač
NAV vyprchal. Pokud je tedy médium volné, dostává zdrojová stanice potvrzující
paket CTS, že může po stanovenou dobu vysílat. Tento mechanismus je vhodný pro
delší pakety.
Volitelný mechanismus přístupu zvaný funkce koordinace jedním bodem PCF (Port
Coordination Function) – v případě tohoto mechanismu přenosové médium
přiděluje přístupový bod na základě definovaného typu obsluhy popř. priorit.
Přístupové body periodicky vysílají rámce typu beacon, kterými se všem stanicím
v síti sdělují specifické parametry pro identifikaci a management. Volná doba mezi
vysíláním těchto rámců (beacon) je přístupovým bodem rozdělena na dobu bez boje
o médium (contention-free) a dobu, kdy probíhá boj o médium (contention). Tím je
umožněno stanicím s prioritou dat získat na základě této výzvy povolení ke
garantovanému vysílání po dobu, kdy nemusí o médium bojovat. Pro potřeby
ohlášení intervalu bez kolizí pro stanice s prioritou vysílání používá tento
mechanismus interval PIFS (PCF InterFrame Space), který je kratší než DIFS, ale
delší než SIFS. Mechanismus PCF je určen pro synchronní datové přenosy pro sítě
s přístupovými body.
Rozlišujeme tři základní druhy rámců:
 datové rámce (Data frames) – uživatelská data,
 řídící rámce (Control frames) - nutné pro fungování přístupové metody (CSMA/CA)
na sdílené médium,
 rámce pro správu (Management frames).
Obecná struktura rámce je znázorněna na Obr. 2.4. Rámec je složen z hlavičky MAC
(MAC header) obsahující informace o přenášených datech, těla rámce (frame body)
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
25
obsahujícího samotná přenášená data a kontrolního součtu CRC (Cyclic Redundancy Code).
Obecný rámec MAC se skládá z těchto polí [6]:
 FC (Frame Control) – obsahuje informace o verzi protokolu a typu rámce (datový,
řídící, kontrolní),
 Duration/ID – Duration Value – představuje délku trvání rámce používanou pro
výpočet doby rezervace přenosového média pomocí NAV (jinými slovy definuje
dobu vysílání), ID je tzv. identifikátor stanice používaný pro funkci úspory energie,
 ADD1 – ADD4 – představují čtyři adresní pole, jež obsahují adresy zdroje, cíle,
přenašeče a přijímače v závislosti na poli FC,
 SC (Sequence Control) – slouží k eliminaci duplicit (duplicitních rámců), obsahuje
číslo rámce a pořadí fragmentu v rámci,
 Frame body-data – nemá pevně danou délku, obsahuje přenášená data,
 FCS (Frame Check Sequence) – obsahuje kontrolní součet CRC.
Obr. 2.4: Obecná struktura rámce WiFi
2.1.4
Využití WiFi
Sítě WiFi dnes nalézají uplatnění zejména pro přístup k Internetu jak v domácím prostředí, tak
i na veřejných místech v podobě vybudovaných přístupových bodů tzv. hot spotů (hot spots),
které svým signálem pokrývají různá veřejná prostranství a místa, kde se očekává zvýšený
zájem uživatelů o tuto službu. Významné uplatnění nalezly tyto sítě rovněž v podobě
realizace podnikových a domácích sítí.
2.2 DECT
Pojem bezšňůrové telefony lze definovat jako soubor technických prostředků poskytujících
uživatelům mobilitu na vzdálenost od několika desítek do několika stovek metrů v okolí
pevné části (fixní základnová rádiová stanice) za pomocí přenosné části (mobilní stanice).
Systémy pro bezšňůrové telefony CT (Cordless Telephone) se využívají jak k přenosu
hovorových, tak i datových signálů. Důležitou funkcí bezšňůrových telefonů je tedy možnost
komunikace mezi základnovou stanicí a mobilní (pohyblivou) stanicí (handy, handset).
Poskytují stejnou nabídku služeb jako klasické pevné telefony (např. zkrácená volba, vypnutí
mikrofonu, podpora služeb ISDN apod.). Uplatnění našly tyto systémy zejména v těchto
aplikacích:





v domácnostech jako náhrada běžného telefonního přístroje (pevné linky),
v podnicích jako bezšňůrové pobočkové ústředny,
pro realizaci služby telepoint (bezšňůrový telefonní automat – mobilní obdoba
telefonní budky),
pro výstavbu bezdrátových účastnických smyček WLL (Wireless Local Loop),
pro vytváření personálních komunikačních sítí.
26
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
2.2.1
Rozdělení systémů
Systémy pro bezšňůrové telefony lze rozdělit na analogové a digitální [7]. Mezi analogové
systémy patří:



CT0 – jedná se o nejjednodušší bezšňůrové telefony s analogovým systémem
používající kmitočtové pásmo do 100 MHz, přístup FDMA, 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 (včetně ČR), 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 959960 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 modulace FM má maximální zdvih 5 kHz. Používá se automatický výběr kanálů
a přenos je zabezpečen proti odposlechu a neoprávněnému napojení cizích účastníků
(1 milión kódů). V tomto standardu dochází 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
rozšířeného kmitočtového pásma 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 (na každém kanálu dochází k časovému
střídání časových slotů a to tak, že každému směru přenosu je vyhrazena 1 ms).
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 těchto 5 rádiových kanálu 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
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

2.2.2
27
modulován pomocí modulace GFSK. Poněvadž se evropské země dohodly na jiném
standardu, nedošlo k jeho rozšíření.
DECT – tento systém technologicky navazuje na 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.
Systém DECT
Systém DECT (Digital European Cordless Telecommunication, Digital Enhanced Cordless
Telecommunication) se používá pro přenos hovorových i datových signálů. Jedná se
o evropský standard pracující v pásmu 1880-1900 MHz. O rozvoj tohoto systému se stará tzv.
DECT Forum [8]. Tento systém používá kombinovaný přístup FDMA/TDMA a časový
duplex TDD. V systé mu DECT rozlišujeme tři typy způsobů paketového přenosu:



dvojité okno (doubleslot) obsahující 904 bitů,
plné okno (fullslot) obsahující 2 x 424 bitů,
poloviční okno (halfslot) obsahující 4 x 184 bitů.
Většinou se používá způsob přenos označovaný jako „plné okno“. V tomto případě
paket o velikosti 424 bitů má dobu trvání 368,1 µs. Mezi dvěma pakety se používá mezera
s ochrannou dobou cca 48,6 µs pro zamezení překrývání paketů. V přiděleném kmitočtovém
pásmu je umístěno 10 rádiových kanálů s odstupem nosných 1,728 MHz. Metodou TDMA je
v jednom rádiovém kanálu vytvořeno 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 rámec TDMA s dobou trvání 10 ms a je rozdělen na 24 časových úseků
(timeslotů). Každý timeslot má dobu trvání 0,417 ms a obsahuje 480 bitů. Prvních
12 timeslotů je vyhrazeno pro přenos od základnové stanice k mobilní stanici (downlink)
a druhých 12 timeslotů pro opačný směr (uplink). Jedná se 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
Obr. 2.5 [7]. Dva proškrtnuté timesloty odpovídají jednomu duplexnímu kanálu.
V každém timeslotu se přenáší celkem 480 bitů, rozdělených mezi synchronizační
pole S, datové pole D, testovací pole Z a ochrannou dobu. Pole S má délku 32 bitů (prvních
16 bitů, tzv. preambule, se využívá pro bitovou synchronizaci a zbývajících 16 bitů se využívá
pro rámcovou synchronizaci přijímače). Do datového pole D se vkládají logické kanály. Toto
pole má délku 388 bitů a je složeno z pole A (64 bitů) a pole B (324 bitů). Pole A má
přenosovou rychlost 4,8 kbit/s a 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, že se
v řídícím slově vyskytne chyba, dojde k jeho opakování. Pole A je stejné pro chráněný
i nechráněný formát dat. Záhlaví pole A je dále rozděleno na čtyři části (TA, Q1, Q2 a BA).
4ást TA je tvořena 3 bity, které definují zprávu v řídícím poli A. Bity Q1 a Q2 nesou
informaci o kvalitě přijímaného signálu. Zbývající 3 bity BA definují zprávu v poli B (např.
zda se jedná o zabezpečený nebo nezabezpečený přenos 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
28
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
účastnického signálu a 4 bity tvoří zabezpečovacího pole X, které je použito jak pro chráněný
tak i pro nechráněný formát dat. Pomocí těchto paritních bitů v poli X 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.
Obr. 2.5: Rámcová struktura systému DECT
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
se docílí sloučením několika timeslotů.
Architektura systému obsahuje několik bloků [9]. 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
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
29
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
Obr. 2.6. 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).
Obr. 2.6: 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).
30
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
3 Rádiové sítě WMAN - WiMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je dalším krokem na cestě
k širokopásmovému připojení. Rozšiřuje širokopásmový bezdrátový přístup BWA
(Broadband Wirelles Access) na nová místa a na delší vzdálenosti a výrazně snižuje náklady
na zavádění širokopásmového připojení do nových oblastí.
WiMAX nabízí větší rozsah a šířku pásma než jiné dostupné širokopásmové bezdrátové
přístupové technologie jako Wi-Fi (Wireless Fidelity) a UWB (Ultra Wideband) a poskytuje
bezdrátovou alternativu pro překlenutí tzv. poslední míle.
Díky vyspělým technologiím, vyššímu vysílacímu výkonu a použití směrových antén
nabízí velký dosah signálu. Maximální dosažitelná vzdálenost mezi základnovou stanicí
a klientskou jednotkou je u WiMAXu závislá na řadě faktorů. V případě využití maximálního
možného vysílacího výkonu na základnové stanici lze teoreticky vytvořit spoj na přímou
viditelnost LOS (Line of Sight) až na 50 km a spoj bez přímé viditelnosti NLOS (Non Line of
Sight) řádově na několik kilometrů. Reálné dosažitelné vzdálenosti se pohybují kolem 20 km
(LOS) a okolo 3 až 5 km (NLOS), ve výjimečných případech i více v závislosti na konkrétní
lokalitě.
3.1 Standardizace
Pod komerčním názvem WiMAX označuje rodinu standardu 802.16 průmyslové sdružení
WiMAX Forum [10] plnící funkci certifikačního orgánu testujícího kompatibilitu
a interoperabilitu produktů založených na standardech IEEE 802.16 [11]. Cílem tohoto
sdružení, které má v současné době několik stovek členů (výrobci zařízení, obchodní
organizace, síťoví operátoři, poskytovatelé služeb, výzkumná pracoviště a další instituce), je
standardizační proces, který má zajistit, aby širokopásmové bezdrátové technologie od
různých výrobců vzájemně spolupracovaly. V rámci standardizační instituce IEEE jsou sítě
802.16 označovány jako WMAN (Wireless MAN). Vývoj standardů 802.16 je možno shrnout
následovně:
 90. léta minulého století – počátky snah IEEE ve využití bezdrátové komunikace
v metropolitních sítích s dosahem desítek kilometrů.
 rok 2001 – první schválený standard 802.16 (802.16-2001 – IEEE Standard for
Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed
Broadband Wireless Access Systems) určený pro širokopásmový bezdrátový přenos
typu PMP (Point to MultiPoint) na přímou viditelnost v pásmu 10-66 GHz
s maximální kapacitou 134 Mbit/s. Tento standard se nicméně nakonec ukázal jako
neúspěšný.
 rok 2003 – standard 802.16a (Amendment to IEEE Standard for Local and
Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless
Access Systems - Medium Access Control Modifications and Additional Physical
Layer Specifications for 2-11 GHz) pracující v pásmu 2-11 GHz a měnící modulační
schéma OFDMA pro použití spojení bez přímé viditelnosti (základ pro řešení
bezdrátového pevného přístupu).
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO


31
rok 2004 – standard 802.16d (802.16-2004 – IEEE Standard for Local and
metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless
Access Systems) označovaný jako tzv. fixní WiMAX slaďuje a zahrnuje všechny
předchozí změny a verze standardu 802.16. Jedná se o standard využívající kmitočty
2-11 GHz (bez nutnosti přímé viditelnosti), v topologii PMP s kapacitou do
75 Mbit/s a dosahem 30-50 km. Tato norma již obsahuje zajištění jak potřebné
bezpečnosti komunikace, tak podporu pro kvalitu služby QoS.
rok 2005 – standard 802.16e (802.16-2005 – IEEE Standard for Local and
Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile
Broadband Wireless Access Systems - Amendment for Physical and Medium Access
Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands)
označovaný jako tzv. mobilní WiMAX. Ve skutečnosti však specifikuje fixní
a mobilní přístup, a jedná se proto o univerzální WiMAX (neslučitelný s původní
variantou 802.16). Využívá kmitočtová pásma 2-6 GHz (viz Tab. 3.1), podporuje
mobilní uživatele do rychlosti 120 km/h s přenosovou kapacitou 3-5 Mbit/s. Při
tomto typu připojení si uživatele předávají jednotlivé základnové stanice, přičemž
při rychlostech nad 60 km/h dochází ke snižování kapacity připojení. Zásadním
doplňkem 802.16e je funkce předávání uživatelů mezi základnovými stanicemi a
technologie S-OFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
OFDMA vylepšuje výkonnost v prostředích bez přímé viditelnosti (NLOS), protože
umožňuje rozdělit signál do více pomalejších podkanálů, což zvyšuje odolnost
mobilní varianty sítě WiMAX vůči rušení a zkreslení signálu putujícího více
cestami. Tato specifikace je dnes platnou normou pro WMAN (802.16) a nahrazuje
celou řadu dřívějších neúspěšných specifikací.
Tab. 3.1: Pracovní frekvence pro WiMAX (802.16e)
V Tab. 3.2 je uvedeno srovnání vlastností standardů WiMAX z let 2001 až 2005.
32
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Tab. 3.2: Vlastnosti standardů WiMAX (2001‐2005) 



rok 2009 – standard 802.16 (IEEE Standard for Local and metropolitan area
networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems) – tato
norma je revizí standardu 802.16-2004 a 802.16-2005 a dále zahrnuje doplňky
schválené do roku 2009 (IEEE 802.16-2004/Cor1-2005, 802.16f-2005 a 802.16g2007.
rok 2009 – standard 802.16j (IEEE Standard for Local and metropolitan area
networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment
1: Multihop Relay Specification) - specifikuje fyzickou vrstvu (OFDMA) a
spojovou vrstvu (MAC) pro podporu provozu radioreléových stanic RS (Relay
Station) v sítích WiMAX v licenčních pásmech, jejichž úkolem je zvýšení
spolehlivosti přenosu a rozšíření pokrytí.
rok 2011 – standard 802.16m (IEEE Standard for Local and metropolitan area
networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment
3: Advanced Air Interface) nabízí oproti do té doby platné normě 802.16 pro
univerzální WiMAX (fixní i mobilní) další vylepšení a celou řadu variant, od
podpory malé až po plnou mobilitu, o různé přenosové kapacitě (minimální rychlost
100 Mbit/s ve směru downlink pro vysoce mobilní uživatele a až 1 Gbit/s pro fixní
uživatele, což je základní podmínka pro zařazení tohoto systému do kategorie
mobilních systémů 4. generace – konkurence standardům LTE) pro různá
uživatelská prostředí, a díky kvalitnější podpoře kvality služby a výkonnosti také
multimediální aplikace s vysokým rozlišením. To vše díky využití OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a řešení MIMO (Multiple Input
Multiple Output) pro více uživatelů a více přenosových kanálů na fyzické vrstvě.
Navíc specifikace podporuje femtobuňky (malé domácí/kancelářské základnové
stanice), samoorganizující sítě a radioreléové stanice (bezdrátové přepojovače –
relay).
rok 2012 – standard 802.16 (IEEE Standard for Air Interface for Broadband
Wireless Access Systems) – tato norma nahrazuje standardy 802.16-2001, 802.162004 a 802.16-2009. Specifikuje rádiové rozhraní včetně fyzické a spojové vrstvy
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO


33
pro zajištění služeb v pevných a mobilních širokopásmových bezdrátových
přístupech typu PMP.
rok 2012 – standard 802.16p-2012 (IEEE Standard for Air Interface for Broadband
Wireless Access Systems--Amendment 1: Enhancements to Support Machine-toMachine Applications) – vylepšuje komunikaci přímo mezi zařízeními v licenčních
pásmech na podporu snížení jejich spotřeby, zvýšení počtu obsluhovaných uživatelů
jednou základnovou stanicí, efektivního přenosu shlukových transakcí a vylepšené
autentizace.
rok 2013 – standard 802.16n (IEEE Standard for Air Interface for Broadband
Wireless Access Systems--Amendment 2: Higher Reliability Networks) – vylepšuje
rádiové rozhraní OFDMA pro podporu vyšší spolehlivosti sítí.
Standardizace sítí WiMAX se zaměřuje zejména na mobilní variantu [12], od které se
v budoucnu očekává větší rozšíření. Mobilní sítě WiMAX nabízejí tzv. škálovatelnost
a síťovou architekturu poskytující velkou flexibilitu v možnostech sítě a rozšíření nabídky
služeb. Mezi nejvýznamnější charakteristické vlastnosti podporované mobilní variantou sítě
WiMAX patří [12]:





Vysoká rychlost přenosu dat – Zařazení anténní techniky MIMO (Multiple Input
Multiple Output) spolu s flexibilními subkanálovými schématy, pokročilé metody
kódování a modulace umožňují podporu vysokých přenosových rychlostí v obou
směrech přenosu (downlink a uplink).
Kvalita služby – Základním předpokladem architektury IEEE 802.16 MAC je QoS
(Quality of Service). Možnost definování priorit přenášených dat, minimální
rezervovaná a maximální trvalá přenosová rychlost, maximální latence, vytváření
subkanálů a použitá signalizace poskytují flexibilní mechanismus pro optimální
plánování prostoru, frekvenčních a časových zdrojů na rádiovém rozhraní.
Zabudovaná podpora řízení kvality služeb, které umožňuje na těchto spojích
provozovat například IP telefonii nebo přenášet video v reálném čase a v dostatečné
kvalitě.
Škálovatelnost – Vzhledem k rozdílnostem ve využívání frekvenčního spektra
v různých zemích světa je systém navržen tak, aby bylo možné kanály škálovat
v rozsahu 1,25-20 MHz v souladu s místními požadavky a předpisy, což mimo jiné
umožňuje přizpůsobení se situaci v různých geografických oblastech (např.
poskytování optimálního přístupu k internetu ve venkovských oblastech či zvýšení
kapacity mobilního širokopásmového připojení v příměstských oblastech).
Bezpečnost – Bezpečnostní funkce jsou založeny na nejmodernějších
mechanizmech, jakými jsou ověřování EAP (Extensible Authentication Protocol),
šifrování AES-CCM (Advanced Encryption Standard-Counter-mode CBC (Cipher
Block Chaining) MAC (Message Authentication Code)) a kontrolní systémy CMAC
(Cipher-based Message Authentication Code) a HMAC (Hash-based Message
Authentication Code).
Mobilita – Mobilní WiMAX podporuje optimalizovaný handover (přepojení spojení
uživatelské stanice mezi různými základnovými stanicemi) s latencí menší než
34
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava



50 milisekund, čímž je možno zajistit aplikace v reálném čase jako je např. provoz
VoIP bez degradace služby.
Diverzitní příjem – Podpora diverzitního příjmu, která podstatně zlepšuje šíření
a hlavně zpracování signálu při spojích bez přímé viditelnosti. Možnost využít této
vlastnosti prakticky vyžaduje pouze připojení další rádiové jednotky na základnové
stanici (při již existující instalaci). Využívá se zde tzv. časová diverzita ve směru
downlink a tzv. prostorová diverzita ve směru uplink. To v praxi přináší podstatné
zlepšení pokrytí při spojích NLOS a jejich stabilitu. Jako další podstatná výhoda
tohoto řešení je „redundance“ sítě WiMAX. Pokud nastane porucha na jedné
rádiové jednotce, dojde pouze k výpadku diverzity (diverzitní větve), ale bezdrátové
spojení bude stále funkční a klienti nezaznamenají žádný výpadek.
Systém radioreléových stanic RS – Radioreléové stanice jsou rovněž označovány
jako mobilní převaděče resp. opakovače s více skoky MMR (Mobile Multihop
Relay). Převaděče zde plní především svou základní funkci, tj. zlepšují spojení mezi
základnovou stanicí a mobilními účastnickými stanicemi, které se nacházejí
v zastíněných oblastech, na okrajích buněk případně za jejich hranicemi, uvnitř
domů apod. Nasazením stanic RS se zvětšuje plošná hustota fixní infrastruktury,
čímž se nejen zlepšuje pokrytí obsluhované oblasti, ale zvyšuje se i provozní
kapacita systému. Zavedení RS je výhodné i z ekonomického hlediska neboť jejich
pořizovací a provozní cena je podstatně nižší než cena základnových stanic. Funkce
stanic RS v sítích WiMAX dovoluje rozšířit přímé spojení mezi základnovou
a mobilní stanicí o přenos v tzv. oportunistické nebo kooperativní formě
(Opportunistic/Cooperative Forwarding). Mobilní účastnické stanice navíc
umožňují sestavit distribuovaný systém MIMO, využívající všechny vysílací antény
základnových a radioreleových stanic na straně jedné a všechny přijímací antény
mobilní účastnické stanice na straně druhé k vytvoření více nezávislých
přenosových cest s nekorelovanými úniky.
Hybridní opakování přenosu HARQ (Hybrid Automatic Repeat Query) – Na rozdíl
od prostého ARQ se u HARQ chybně přenesená data v přijímači neeliminují, nýbrž
se zde ukládají do databáze tzv. inkrementální redundance a při každém dalším
opakovaném přenosu se vzájemně kombinují, a to do okamžiku, kdy chybovost
přenosu klesne pod stanovenou mez. Tím se do přenosu zavádí výrazná časová
diverzita, která ve svých důsledcích zvyšuje přenosovou rychlost a zlepšuje pokrytí.
Parametry HARQ jsou zde voleny tak, že zaručují funkci při vysokých rychlostech
mobilních účastnických stanic, např. pro WiMAX 802.16e je to rychlost do
120 km/h. K dalšímu výraznému zlepšení funkce HARQ přispívá zavádění stanic
RS. Funkce takovéhoto systému HARQ s asistencí RS je znázorněna na Obr. 3.1.
[12].
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
35
Obr. 3.1: Architektura WiMAX se stanicí RS při asistenci HARQ

Základnová stanice vyšle směrem k RS i účastnické stanici počáteční paket a žádá
tyto bloky o potvrzení jeho úspěšného přijetí. Pokud RS toto potvrzení odešle
a účastnická stanice neodpovídá, resp. signalizuje špatné spojení, je trasa BS-SS
zřejmě právě postižena únikem. Neúspěšný přenos směrem k SS je tedy nutno
opakovat a to běžnou formou vyslání uvažovaných paketů ve formě HARQ. Toto
opakované vysílání se však uskuteční na pokyn BS ze stanice RS, neboť trasa RSSS pravděpodobně bude moci zajistit spolehlivější přenos než přímá trasa BS-SS.
Podpora přenosu stanicí RS tudíž zvětšuje spolehlivost přenosu oproti běžnému
HARQ.
Podpora techniky více antén – Jedním z nejúčinnějších prostředků pro zajištění
zvýšení spolehlivosti rádiového přenosu je technika více antén. Ta se u mobilního
WiMAXu uplatňuje ve všech třech obvyklých módech, tj. módu prostorové
diversity SD (Space Diversity), v módu prostorového multiplexu MIMO (Multiple
Input Multiple Output) a v módu formování směrového svazku BF-MIMO (Beam
Forming MIMO). Techniky MIMO lze obecně provozovat ve variantě s jediným
uživatelem SU-MIMO (Single User MIMO) a ve variantě s více uživateli MUMIMO (Multi User MIMO). V případě SU-MIMO může být rozvrhován v rámci
jediné zdrojové jednotky pouze jediný uživatel, v případě MU-MIMO lze
rozvrhovat v rámci zdrojové jednotky více uživatelů.
3.2 Architektura sítě
V sítích WiMAX se můžeme setkat s topologií typu bod-bod PP (Point to Point), bod-mnoho
bodů PMP (Point to MultiPoint) a typu mesh. Povinně musí být v sítích WiMAX
implementována topologie PMP (Obr. 3.2), zatímco implementace topologie mesh je
volitelná. Topologie PMP je založena na klasické buňkové struktuře sítě, kdy se jednotlivé
účastnické stanice připojují přímo ke stanici základnové. U mesh topologie v porovnání
s PMP je umožněna i přímá komunikace mezi účastnickými stanicemi.
36
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 3.2: Architektura sítě WiMAX
Architektura sítě WiMAX se typicky skládá ze dvou částí:
 Základnová stanice BS (Base Station) – BS je tvořena z indoorové části zahrnující
potřebnou technologii a ze stožáru s anténou. Základnová stanice typicky pokrývá
svým signálem území o poloměru cca 10 km (teoreticky může základnová stanice
pokrývat oblast o okruhu až 50 km). Každý bezdrátový uzel v oblasti pokryté
signálem by měl být schopen přístupu k Internetu. Základnové stanice používají
vrstvu řízení přístupu k přenosovému médiu MAC (Medium Access Control)
a přiděluje uživatelům šířku pásma ve směru uplink i downlink podle jejich potřeb.
Základnová stanice je připojena k veřejným sítím pomocí optických vláken,
metalických kabelů, mikrovlnným spojem nebo jiným vysokorychlostním spojením
typu PP, který se označuje jako páteřní (backhaul).
 Účastnické stanice SS (Subscriber Station) označované rovněž jako přijímače CPE
(Customer Premise Equipment) – Tyto stanice mohou mít samostatnou anténu
(tj. přijímací obvody a anténa jsou samostatné moduly) nebo se může jednat
o samostatný box nebo o kartu PCMCIA, která je umístěna v notebooku nebo
počítači. Přístup k základnové stanici je podobný přístupu k bezdrátovému
přístupovému bodu AP v síti WiFi, nicméně pokrytí je v případě signálu WiMAX
větší. Pro připojení obytných nebo obchodních uživatelů k základnové stanici se ve
většině případů používá topologie typu PMP (NLOS). Účastnická stanice obvykle
obsluhuje budovu (obchodní nebo obytnou) pomocí kabelové nebo bezdrátové sítě
LAN. Jedním z hlavních důvodů dřívějšího většího rozšíření BWA byly náklady
související s cenou a instalací účastnických stanic. Proprietární systémy BWA byly
zpočátku převážně typu LOS a vyžadovaly pro potřeby zprovoznění vysoce
kvalifikovanou pracovní sílu. S příchodem technologie WiMAX a konceptu
jednodušší instalace účastnických stanic se zdá být tento problém vyřešen.
Páteřní spoj (backhaul) se používá pro připojení účastnických míst/lokalit k sobě
navzájem a připojení hodně vzdálených základnových stanic. Základnová stanice nabízí
účastnickým stanicím konektivitu PMP. Tuto mohou využít jak v případě spojení bez přímé
viditelnosti (NLOS) tak v případě spojení s přímou viditelností (LOS). Tato spojení se
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
37
označují jako tzv. poslední míle. Páteřní spoj se týká jak připojení AP zpět k poskytovateli,
tak připojení od poskytovatele k páteřní síti. Jako páteřní spoj se může použít jakákoliv
technologie a přenosové médium za předpokladu, že připojí systém k páteřní síti. Ve většině
implementací systému WiMAX je možné mezi sebou propojit více základnových stanic za
použití vysokorychlostních páteřních mikrovlnných spojů. To rovněž umožňuje roaming
účastníka WiMAX z oblasti pokryté jednou základnovou stanicí k druhé základnové stanici,
podobně jako u roamingu v mobilních radiokomunikačních systémech.
Standardy mobilního WiMAXu využívají buňkovou plošnou architekturu typu PMP.
Účastnické stanice komunikují s nejbližší základnovou stanicí a jejím prostřednictvím
vstupují do příslušné mobilní sítě. Vedle těchto buňkových struktur se u standardu WiMAX
začínají využívat rovněž rádiové sítě typu mesh WMN (Wireless Mesh networks) [12], které
na rozdíl od buňkových sítí umožňují přímé spojení mobilních účastnických stanic.
Základními prvky sítě WMN jsou tzv. fixní uzly/přístupové body (access points), které
realizují úlohu retranslačních stanic a směrovačů mesh (mesh routers). Některé z těchto uzlů
plní navíc funkci vstupních bran (mesh gateway) umožňující účastníkům přístup k různým
externím sítím, nejčastěji k fixním subsítím internetu (IP subnetworks). Vnější přístup však
mohou zajišťovat rovněž základnové stanice. Účastníci sítě WiMAX pak komunikují mezi
sebou a také s ostatními sítěmi pomocí mobilních účastnických stanic, zde nazývaných jako
mobilní uzly (mobile nodes). Ty působí nejen jako běžné účastnické stanice, ale mohou být
využívány podobně jako fixní směrovače mesh. Mezi hlavní výhody sítí WiMAX
realizovaných na bázi WMN patří:
 Relativně stabilní topologie vhodná pro budování širokopásmových bezdrátových
sítí různých velikostí a v různých lokalitách.
 Vysoká spolehlivost díky koncepci redundantních spojů – v případě poruchy
určitého uzlu mohou ostatní uzly pokračovat v komunikaci buď přímo, nebo
prostřednictvím více mezilehlých uzlů. Jejich vzájemná rádiová komunikace se
realizuje technikou jednoho nebo i více skoků (singlehop, multihop). Při spojení na
delší vzdálenosti mezilehlé uzly kompenzují útlumy předchozích tras. Na základě
svých znalostí sítě rovněž realizují směrování procházejících informací.
 Možnost jednoduchého rozšiřování sítě – oproti buňkovým sítím umožňuje velmi
rychlé a relativně levné prostorové rozšiřování sítě bez potřeby budování
komplikované infrastruktury.
3.3 Referenční model
Standard 802.16 definuje pouze první dvě vrstvy sedmivrstvého referenčního modelu RM-OSI
(Reference Model - Open System Interconnection) [13]:


fyzická vrstva (PHY) – úkolem této vrstvy je sestavení a rozpad fyzického spojení
a hlášení trvalých chyb na datových okruzích,
spojová vrstva (MAC) – úkolem této vrstvy je řízení komunikace datových okruhů
a zabezpečení přenášených dat.
Implementace vyšších vrstev je svěřena především výrobcům potřebných technologií.
38
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
3.3.1
Fyzická vrstva
Z důvodu co nejefektivnějšího využití frekvenčního spektra síť WiMAX podporuje oba typy
duplexních módů (viz Obr. 3.3):


Duplexní mód s frekvenčním dělením FDD (Frequency Division Duplex) – směr od
základnové k účastnické stanici DL (downlink) a směr od účastnické k základnové
stanici UL (uplink) je oddělen ve frekvenční oblasti. Tento mód je výhodnější pro
kmitočtovou koordinaci v zemích, které udělují individuální povolení k využití
kmitočtu pro lokální poskytovatele.
Duplexní mód s časovým dělením TDD (Time Division Duplex) – sestupný směr DL
a vzestupný směr UL přenosu dat je oddělen v časové oblasti. V tomto módu je celá
šířka kanálu v jednu chvíli vždy využívána buď pro uplink nebo pro downlink.
Hlavní výhodou TDD je, že umožňuje uživatelské definování šířky pásma pro
uplink a downlink. U FDD je šířka pásma pevně dána a nedá se ovlivnit.
Obr. 3.3: Duplexní módy v síti WiMAX
WiMAX podporuje několik druhů fyzické vrstvy, nicméně ve většině případů se jedná
o následující:
 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) – fyzická vrstva založená na
principu ortogonálního frekvenčně děleného multiplexu,
 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) případně S-OFDMA
(Scalable-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) – fyzická vrstva
založená na principu ortogonálního frekvenčně děleného mnohonásobného přístupu.
Princip OFDM spočívá v použití několika stovek až tisíců nosných kmitočtů. V případě
sítě WiMAX se používá 256 nosných kmitočtů, což znamená, že datový tok celého kanálu se
rozdělí na 256 dílčích datových toků. V závislosti na aktuálních podmínkách pro šíření
signálu (viz Obr. 3.4) jsou nosné dále modulovány různě robustními modulacemi (BPSK,
QPSK, 16-QAM, 64-QAM). Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum
každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
39
Obr. 3.4: Adaptivní modulace
Pro potřeby eliminace mezisymbolové interference ISI (Inter Symbol Interference) je
u principu OFDM využíván tzv. cyklický prefix (předpona) CP (Cyclic Prefix), který je
tvořen z několika posledních vzorků symbolu OFDM. Tento prefix CP je v časové oblasti
reprezentován ochranným intervalem GT (Guard Time), který se nachází mezi sousedními
přenášenými symboly OFDM. Tím je zachována ortogonalita jednotlivých nosných
a usnadnění synchronizace (viz Obr. 3.5) [13].
Princip OFDM je rovněž vysoce odolný vůči časové disperzi, kterou způsobuje
mnohocestné šíření vln. Z tohoto důvodu není potřeba na straně účastnických stanic
(v přijímačích) používat složitého principu ekvalizace.
Obr. 3.5: Tvorba cyklického prefixu
Při použití principu OFDMA je frekvenční pásmo rovněž rozděleno na úzké subkanály
(nosné). Oproti OFDM je však možné jednotlivé nosné v jednom časovém okamžiku přiřadit
více uživatelům (viz Obr. 3.6).
Celkové pásmo je v případě OFDMA rozděleno do M skupin obsahujících N nosných
(subkanálů), kdy každý subkanál je vyhrazen pro jednoho uživatele (viz Obr. 3.6). Jednotlivé
nosné, jež tvoří jeden subkanál, se pak nenachází v jedné části frekvenčního spektra, ale jsou
rozprostřeny po celé jeho šířce. Tento princip nám dovoluje dynamicky vybírat pro uživatele
nejméně rušená pásma a tedy i dynamicky vybírat efektivnější typ modulace (viz Obr. 3.4).
Přístup OFDMA také umožňuje poměrně snadnou adaptaci moderních anténních
technik s více anténami ve vysílači resp. v přijímači. Tyto nové koncepce se realizují ve formě
prostorové diverzity nebo prostorového multiplexu a také v podobě antén s řízenými
směrovými diagramy (svazky). Princip OFDMA rovněž nabízí možnost snadné adaptivní
volby šířky pásma a tedy i přenosových rychlostí uživatelů systému.
40
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 3.6: Porovnání OFDM a OFDMA
U mobilní sítě WiMAX se v obou směrech přenosu (downlink i uplink) používá tzv.
škálovatelný přístup S-OFDMA, který umožňuje měnit šířku pásma rádiového kanálu
v rozmezí 1,25 až 20 MHz. Těchto hodnot se dosahuje změnou rozměru transformace
IFFT/FFT, realizující modulaci a demodulaci OFDM. Ke každému užitečnému symbolu se
přidává cyklický prefix, zajišťující odolnost vůči mnohacestnému šíření.
3.3.2
Spojová vrstva MAC
Tato vrstva zajišťuje zejména následující funkce:

zabezpečení přenosu,

efektivní sdílení média,

sestavení, údržbu a rozpad spojení,

alokace zdrojů,

podpora kvality služeb.
Přenos dat mezi BS a účastnickými stanicemi probíhá prostřednictvím tzv. rámců.
Vzhledem k tomu, že v sítích WiMAX musí být povinně implementována topologie PMP,
a tato musí být podporována všemi zařízeními, v následujícím výkladu bude popsán pouze
rámec pro tuto topologii.
V módu PMP lze použít jak časové dělení TDD, tak i frekvenční dělení FDD. Obr. 3.7
zobrazuje zjednodušenou obecnou strukturu rámce pro režim TDD (odlišnost rámce FDD
spočívá pouze v tom, že sestupný a vzestupný směr přenosu není oddělen časově, ale
frekvenčně). Struktura rámce je tedy obdobná s tím, že:

v případě TDD se mezi jednotlivé subrámce vkládají časové intervaly TTG
(Transmit/receive Transition Gap) a RTG (Receive/transit Transition Gap), které
anténě umožňující přejít z vysílacího módu do módu přijímacího a naopak.

v případě FDD je nutné mezi sestupným a vzestupným směrem přenosu vložit
ochranné pásmo, čímž se jednotlivé směry nebudou vzájemně rušit.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
41
Obr. 3.7: Struktura rámce MAC v módu PMP při užití přenosu TDD
Každý rámec je zde rozdělen na dva subrámce a to subrámec sestupné trasy DL
a subrámec vzestupné trasy UL. Každý rámec respektive subrámec DL musí začínat tzv.
preambulí (Preamble), určenou pro účely časové a frekvenční synchronizace a měření
přenosových parametrů rádiového kanálu. Za ní následuje záhlaví FCH (Frame Control
Header), které popisuje délku a vlastnosti několika následujících datových bloků (informace
o konfiguraci rámců, typu kódování apod.) označených jako DL data. Subrámec UL začíná
vždy kolizním intervalem rozděleným do několika dílčích intervalů (slotů) umožňujících
novým stanicím vstup do sítě a stávajícím stanicím žádat o přidělení přenosových prostředků.
Poté následují jednotlivé datové bloky od účastnických stanic (UL data).
Obr. 3.8: Struktura rámce systému WiMAX 802.16e v režimu časového duplexu TDD
Podrobněji je celá situace znázorněna na Obr. 3.8 [12]. Za záhlavím následují pole
protokolů pro přístup na média, a to pro sestupnou trasu DL MAP (DownLink Media Access
Protocol) a vzestupnou trasu UL MAP (UpLink Media Access Protocol). Protokol DL MAP
se využívá k alokaci rádiových zdrojů pro účastnickou stanici SS na trase downlink, protokol
UL MAP potom slouží k alokaci rádiových zdrojů pro účastnickou stanici SS ve směru
uplink. V rámci protokolů DL MAP a UL MAP jsou mimo jiné přenášeny informace
42
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
definující typ modulace a kódování aplikovaných na každý datový blok UCD (Uplink
Channel Descriptor) a DCD (Downlink Channel Descriptor). Poté již následuje přenos
účastnických dat ve směru downlink, který se uskutečňuje ve formě několika datových bloků
(burstů), z nichž každý má přidělen svůj soubor logických subkanálů (subnosných OFDM)
a svůj časový interval uvnitř daného subrámce DL. Subrámec vzestupné trasy UL začíná
kanálem UL ACK (UL Acknowledgement) určeným pro systém H-ARQ a kanálem Ranging,
využívaným ve smyčce zpětné vazby pro nastavení časových, frekvenčních a výkonových
relací ve vysílači. Kanál rychlé zpětné vazby CQICH (Channel Quality Indicator Channel) je
určen k přenosu indikátoru o stavu kanálu od SS k BS. Účastnická data jsou opět přenášena
ve formě několika nezávislých burstů.
3.4 Srovnání sítí WiMAX s WiFi a LTE
Od prvního schváleného standardu WiMAX již uplynulo více než deset let a v současné době
se pracuje na jeho dalších vylepšeních. WiMAX se stává poměrně vážným konkurentem jak
buňkovým sítím HSPA a LTE (WWAN), tak částečně i lokálním sítím WiFi (WLAN). Sítě
WiMAX se často srovnávají se sítěmi WiFi. Mezi hlavní rozdíly v případě těchto dvou
technologií lze zařadit:
 Oblast využití – obě sítě sice využívají stejné řešení PMP, ale liší se v cílové oblasti
jejich nasazení. Sítě Wi-Fi jsou určeny spíše pro vnitřní prostředí (indoor) a jsou
primárně navrženy k používání v menších bezdrátových sítích obvykle interního
charakteru (WLAN). Jedná se většinou o pokrytí areálů, kde se počítá, že
provozovatel a samotní účastnící budou jedna společnost nebo komunita. Naproti
tomu sítě WiMAX jsou určeny pro venkovní prostředí (outdoor) a jsou koncipovány
jako rozlehlé širokopásmové bezdrátové sítě WMAN. Tyto sítě užívají spíše
poskytovatelé internetového připojení ISP (Internet Service Provider)
a telekomunikační operátoři a proto je zde implementována podpora QoS.
 Stabilita rádiového spoje - při rostoucí rychlosti a vzdálenosti klientského zařízení
dochází u sítě Wi-Fi ke snižování parametru odstupu nosná/šum SNR. Naopak síť
WiMAX díky funkci automatického řízení vysílacího výkonu ATPC (Automatic
Transmit Power Control) automaticky reguluje vysílací výkon a udržuje hodnotu
parametru SNR na maximální možné úrovni. Díky tomu je rádiové spojení stabilní
i při pohybu uživatelského zařízení a měnících se rádiových podmínkách.
Přenosovou kapacitu lze rozdělit mezi desítky uživatelů a každému z nich
garantovat stabilní přenosovou rychlost. Každému uživatelskému zařízení lze
rovněž přidělit jinou šířku pásma dle potřeby konkrétního uživatele. Reálná
propustnost obou sítí koreluje s kvalitou rádiového spoje – síť Wi-Fi postupně
snižuje svoji reálnou propustnost, až dojde k výpadku celého spoje. Naopak síť
WiMAX garantuje své parametry i při pohybu.
Porovnáme-li sítě WiMAX s mobilními buňkovými sítěmi LTE (Long Term
Evolution) nalezneme zde značnou podobnost z hlediska technické implementace, jak
ukazuje Tab. 3.3.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
43
Tab. 3.3: Srovnání WiMAX s LTE
Oba systémy rovněž vykazují podobné výsledné vlastnosti a tak je možno na ně za
určitých podmínek pohlížet jako na konkurenční systémy. Hlavním rozdílem je mimo jiné
oblast využití, kdy sítě LTE jsou koncipovány pro pokrytí rozsáhlejšího území (WWAN).
Z hlediska dosažitelných přenosových rychlostí pak oba systémy splňují podmínku pro
zařazení mezi sítě 4. generace.
44
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
4 Rádiové sítě WWAN
Tato skupina bezdrátových sítí zajišťuje komunikaci uživatelů v rozsáhlých geografických
oblastech. Jedná se o licencované sítě s rozsáhlou infrastrukturou založenou na plošné
buňkové (celulární) architektuře, jež jsou provozovány mobilními operátory. Tyto sítě
pokrývají svým signálem oblasti téměř celého státu či kontinentu v závislosti na jeho osídlení
(obydlených oblastech). Typickou vlastností těchto sítí je mobilita uživatelů, kterým je
umožněno využívat telekomunikační služby kdekoli, nezávisle na připojení do sítě. Mobilní
rádiové sítě využívají k přenosu informace volné prostředí (volný prostor), ve kterém je
informace přenášena od vysílače k přijímači prostřednictvím rádiových vln. Pracují v pásmu
ultra krátkých vln UHF (Ultra High Frequency), ve kterém je šíření výrazně ovlivňováno
četnými odrazy od překážek. Toto pásmo je v posledních letech dominantně využíváno
různými mobilními sítěmi. Vývoj standardů mobilních sítí 2.-4. generace je uveden
v Tab. 4.1.
Tab. 4.1: Vývoj standardů mobilních sítí
Tato kapitola se bude přehledově věnovat všem čtyřem generacím mobilních sítí (NMT,
GSM, UMTS a LTE), jež byly či v současné době jsou provozovány mobilními operátory
v České republice.
4.1 Analogové sítě 1. generace
V případě analogových sítí 1. generace se jednalo o analogové vzájemně neslučitelné systémy
(nemožnost mezinárodního roamingu) určené pro hlasové služby využívající přístupovou
metodu FDMA. Před více než třiceti lety byl definován standard mobilních sítí první generace
NMT, nicméně je potřeba se v krátkosti zmínit rovněž o sítích, které jim předcházely.
První komerčně spuštěná bezdrátová síť, kterou je možno zařadit mezi sítě nulté
generace (0G), byla finská síť označená zkratkou ARP (AutoRadioPuhelin), což v překladu
znamená „autorádiotelefon“. Přestože se jednalo o buňkovou síť, nebylo zde možno
přepojovat spojení mezi jednotlivými buňkami. Jednalo se tedy spíše o jakousi síť separátních
vysílačů/přijímačů, se kterými bylo možno navázat spojení, vyskytoval-li se uživatel v jejich
dosahu. Síť byla spuštěna v roce 1971 a dosáhla 100 % geografického pokrytí v roce 1978 se
140 funkčními základnovými stanicemi. Síť ARP byla vypnuta na konci roku 2000 [14].
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
45
Obdobně jako ve Finsku vznikaly podobné analogové sítě i v ostatních zemích viz
Obr. 4.1 [14], jmenovitě:
 německá síť B-Netz (1972-1994) pracující na frekvenci 150 MHz,
 americký systém MTS (Mobile Telephone System) provozovaný v letech 1946-1980
zpočátku na frekvencích 35 MHz, později na frekvencích 150 a 455 MHz,
 IMTS (Improved Mobile Telephone Service), rozšíření standardu MTS,
 japonský systém AMTS (Advanced Mobile Telephone System) z roku1979 pracující
na frekvencích okolo 900 MHz,
 český systém AMRAD (Automatizovaný Městský RADiotelefon) z roku1983
pracující na frekvencích okolo 160 MHz,
 norský systém veřejné pozemní mobilní telefonie OLT (Offentlig Landmobil
Telefoni) z roku1966 pracující na frekvencích okolo 160 MHz,
 a švédský systém MTD (Mobiltelefonisystem D) z roku1971 pracující na
frekvencích okolo 450 MHz; později byl tento systém spuštěn rovněž v Norsku
a Dánsku a umožňoval mezinárodní roaming.
Obr. 4.1: Analogové sítě nulté generace
4.1.1
NMT
Síť NMT (Nordisk MobilTelefoni, Nordic Mobile Telephony) vznikla jako náhrada
skandinávských sítí nulté generace ARP a MTD. Tato síť byla spuštěna roku 1981 ve Švédsku
a Norsku a v roce 1982 také ve Finsku a Dánsku. Roku 1991 byla síť NMT spuštěna
i v tehdejší ČSFR (Československé federativní republice).
Síť NMT byla prvotně specifikována pro použití v okolí kmitočtu 450 MHz a z tohoto
důvodu se tato síť označovala jako NMT-450. Mezi základní parametry této sítě lze uvést:
 vysílací pásmo 463-467,5 MHz směrem k uživateli (downlink) a vysílací pásmo
453-457,5 MHz směrem od uživatele (uplink),
 180 kanálů o šířce 25 kHz,
 metoda mnohonásobného přístupu FDMA (Frequency Division Multiple Access),
 vysílací výkon základnové stanice BTS (Base Ttransceiver Station) až 50 W,
u automobilové stanice typicky 15 W a pro uživatelskou stanici 1,5 W,
 duplexní přenos,
46
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava





analogová síť (hovor nebyl kódován digitálně, byla použita frekvenční modulace
FM,
nezabezpečené hovory (nebylo použito kódování, hovory mohly být
odposlouchávány libovolným přijímačem FM, naladěným na vhodnou frekvenci).
Od roku 1999 však bylo možné použít tzv. skrambling (pokud jej základnová
i uživatelská stanice podporovaly a dohodly se na jeho použití při sestavení hovoru),
signalizace modulována modulací MSK (Minimum Shift Keying) s přenosovou
rychlostí signalizace 1200 bit/s,
velikost buňky od 1,8 do 40 km,
„měkký“ handover, čas handoveru cca 1 sekunda.
V roce 1986 byla uvedena specifikace NMT-900, jejíž hlavním přínosem bylo znásobení
počtu dostupných kanálů, tedy navýšení kapacity sítě. V parametrech sítě došlo
k následujícím změnám:
 rozšíření vysílacích pásem na frekvence 935-960 MHz ve směru downlink a 890915 MHz ve směru uplink (viz obrázek 2.4), změna vzdálenosti hovorových kanálů
(duplexní pár) z 10 na 45 MHz,
 navýšení počtu dostupných kanálů o 1000 kanálů při zachované šířce 25 kHz,
 snížení vysílacího výkonu základnové stanice na max. 25 W, u automobilové stanice
na 6 W a u uživatelské stanice na 1 W,
 změna velikosti buňky na 2 až 20 km,
 snížení času pro handover na 0,3 sekundy.
Architektura sítě NMT byla založena na buňkové struktuře, kdy území pokryté signálem
bylo rozděleno na jednotlivé buňky. Základnové stanice, které byly umístěny obvykle
uprostřed každé buňky, byly připojeny pomocí rádiové linky nebo čtyřdrátovými telefonními
linkami k radiotelefonní ústředně MTX (Mobile Telephone Exchange). Jednotlivé ústředny
mohly být připojeny k pevné telefonní síti PSTN (Public Switched Telephone Network).
Jejich vzájemné propojení se provádělo čtyřdrátovými telefonními linkami.
4.1.2
Další systémy 1. generace
Další z analogových sítí první generace je americká síť AMPS (Advanced Mobile Phone
System), vyvíjená v 70. letech 20. století a poprvé použita v Chicagu v roce 1983. Postupem
času se dále rozšířila v USA, Kanadě, Mexiku, Jižní Americe, Austrálii a v Izraeli.
Výrazem TACS (Total Access Communication System) či ETACS (European TACS), na
Obr. 4.2 [14], jsou označeny evropské varianty systému AMPS používané v několika
evropských zemích jako Rakousko, Irsko, Itálie, Španělsko a Velká Británie.
V Německu došlo k nahrazení analogové sítě B-Netz jiným standardem, tzv. C-Netz
(Funktelefonnetz-C), označovaným i jako C 450. Tato síť dosáhla maxima na začátku 90. let
s počtem zákazníků okolo 800 tisíc. Vypnutí této sítě se datuje k 31. 12. 2000. Síť C-Netz
byla provozována rovněž v Portugalsku. Ve Francii byla v pásmu okolo frekvence 400 MHz
v provozu síť RadioCom 2000 společně se sítí NMT-F (Nordic Mobile Telephone
"Français").
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
47
Obr. 4.2: Vybrané evropské mobilní sítě první generace
V Tab. 4.2 [9] je uveden přehled základních světových standardů analogových systémů
1. generace s uvedením jejich základních technických parametrů.
Tab. 4.2:
Základní světové standardy analogových systémů 1. generace
4.2 Digitální sítě 2. generace
Zatímco nultá generace mobilních sítí ověřila funkčnost a použitelnost celého konceptu
mobilních sítí, tak první generace přinesla ve vyspělých zemích poměrně velké množství
zákazníků. Protože se jednalo o drahou technologii, prvními uživateli sítě byli firemní
zákazníci a movitější občané. Se zlevněním mobilních stanic se technologie postupně stávala
dostupnou i pro ostatní skupiny obyvatelstva. Mobilní analogové sítě však měly jisté
nevýhody, mezi které lze zařadit zejména možnost odposlechu a nemožnost použití tzv.
mezinárodního roamingu. Sítě druhé generace se proto zaměřily hlavně na vyřešení těchto
problémů.
4.2.1
Síť GSM
V Evropě bylo sjednocení požadavků trhu a telekomunikačních společností svěřeno
evropskému telekomunikačnímu úřadu CEPT (Conference Europeenne des Postes et
Telecommunications). Ten dal vzniknout skupině GSM (Groupe Spécial Mobile), jejímž
úkolem bylo vyvinout digitální komunikační radiový systém pracujícím na frekvencích
v okolí 900 MHz. Mezi hlavní požadavky, jež byly kladeny na nově vyvíjený systém, byla
podpora mobility a zavedení mezinárodního roamingu, vyšší provozní kapacita, vyšší kvalita
spojení, vysoká úroveň zabezpečení proti odposlechu, rozšíření sortimentu nabízených služeb
a součinnost se sítěmi ISDN. Vznikl mobilní systém pojmenovaný dle této skupiny – GSM
48
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
(používající zprvu původní sousloví, které bylo poté změněno na Global System for Mobile
communications). První evropská síť GSM byla spuštěna ve Finsku v roce 1991. O další
rozvoj systému se pak dále staral evropský standardizační institut ETSI (European
Telecommunications Standards Institute).
Základní verze sítě GSM nesoucí označení PGSM (Primary GSM) byla určena pro provoz
v okolí kmitočtu 900 MHz a lze ji charakterizovat následovně:
 dvě vysílací pásma o šířce 25 MHz – 890-915 MHz ve směru uplink a 935-960 MHz
ve směru downlink; pozdější rozšířený standard EGSM (Extended GSM) tato pásma
rozšiřuje o 10 MHz na 880-915 MHz a 925-960 MHz,
 124 kanálů (174 kanálů v E-GSM) o šířce 200 kHz,
 kombinovaná metoda mnohonásobného přístupu FDMA (Frequency Division
Multiple Access) / TDMA (Time Division Multiple Access), kdy je na každém
rádiovém kanále vytvořeno 8 účastnických kanálů (timeslotů),
 vysílací výkon základnové stanice BTS až 50 W a mobilní stanice max. 2 W,
 plně digitální síť s duplexním přenosem používající modulaci GMSK (Gaussian
Minimum-Shift Keying), která omezuje přenášený výkon v postranních pásmech
a tím snižuje interferenci mezi účastníky,
 zabezpečená síť s potřebou autentizace účastníka na principu výzva-odpověď
(challenge-response) a následným šifrováním komunikace šiframi A5/1 nebo A5/2,
 velikost buňky od cca 50 m do 35 km,
 handover MAHO, který je řízený za spoluúčasti mobilní stanice.
Síť GSM používá modulaci GMSK se symbolovou rychlostí 270,833 kbit/s a rozestupem
kanálů 200 kHz (FDMA). Protože se sousední kanály překrývají, viz Obr. 4.3 [14], tento
standard nedovoluje použití sousedících kanálů ve stejné buňce.
Obr. 4.3: Frekvenční dělení v síti EGSM
Standard obecně definuje několik přenosových pásem od 400 MHz až po 1990 MHz
(většina pásem byla definována v pozdějších standardech spadajících do generace 2,5 G).
Odstup kanálů vždy zůstává na hodnotě 200 kHz a rozestup kanálu příchozího a odchozího
směru (downlink/uplink) je 45 MHz (PGSM, EGSM) nebo 95 MHz v případě sítě GSM 1800
označované rovněž jako DCS 1800 (Digital Cellular Service). Každý duplexní pár těchto
kanálů (dowlink/uplink) je identifikován tzv. číslem ARFCN (Absolute Radio Frequency
Channel Number). Síť GSM 1800 má k dispozici dvě vysílací pásma o šířce 75 MHz, pásmo
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
49
1710-1785 MHz ve směru uplink a pásmo 1805-1880 MHz ve směru downlink; ve kterých je
vytvořeno celkem 374 rádiových kanálů.
V rámci procesu sestavení spojení, během probíhající komunikace i po jejím skončení je
mezi mobilní a základnovou stanicí přenášeno množství různých účastnických a řídících
informací, na základě kterých jsou rozlišovány různé logické kanály. Logické kanály jsou
sdružovány do kanálů fyzických, které jsou definovány číslem timeslotu a číslem rádiového
kanálu (ARFCN). Logické kanály jsou v síti GSM rozděleny na provozní (přenosové) TCH
(Traffic Channel) a řídící (signalizační) kanály CCH (Control CHannel). Provozní kanály
jsou určeny k přenosu hovorových a datových signálů. Signalizační kanály slouží k přenosu
řídících a informačních údajů souvisejících se sestavením, udržením a rozpadem spojení a pro
potřeny zajištění doplňkových služeb.
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 [9]:
 použití karty SIM (Subscriber Identity Module),
 anonymita účastníka a místa pobytu pomocí přechodného označení účastníka
(TMSI),
 ověření totožnosti účastníka (autentizace),
 diskrétnost dat na rádiovém rozhraní pomocí zakódování (šifrování dat).
Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval přístup
i do jiných sítí. Na Obr. 4.4 [14] je znázorněna architektura systému GSM. Skládá se ze tří
tzv. subsystémů:

Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) – tento subsystém,
který je nazýván rovněž jako rádiový subsystém, poskytuje a spravuje přenosové cesty
mezi mobilními stanicemi a síťovým subsystémem NSS. Subsystém BSS obsahuje
základnové stanice BTS (Base Tranceiver Station) zajišťující rádiové spojení
s mobilními stanicemi MS (Mobile Station), základnové řídící jednotky BSC (Base
Station Controller), které řídí větší počet BTS (obvykle několik desítek až stovek)
a transkódovací jednotky TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit), které slouží pro
přizpůsobení bitových rychlostí, převod formátů signálů PCM apod.

Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) –
tento subsystém, který se označuje také jako mobilní resp. radiotelefonní ústředna,
představuje hlavní (pevnou) část sítě GSM, která realizuje především přepojovací
(spínací funkce), řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM a mezi
účastníky externích telekomunikačních sítí. Tento subsystém tvoří radiotelefonní
ústředna MSC (Mobile Switching Centre), která zajišťuje směrování hovorů z jednoho
BSC do druhého, do jiné MSC, zajišťuje výstavbu spojení. Dále obsahuje domovský
lokační registr HLR (Home Location Register), což je databáze uchovávající důležité
informace o všech účastnících příslušejících „domovsky“ do oblasti dané ústředny
NSS a návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register), což je databáze
uchovávající a obnovující data o „cizích“ účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí
50
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
v dané oblasti. Rovněž se zde nachází centrum autentičnosti AuC (Authenticity
Centre), jehož funkce souvisí se zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní,
Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) a centrum krátkých
textových zpráv SMSC (Short Message Service Center).

Operační podpůrný subsystém OSS (Operation Support Subsystem) – do tohoto
subsystému mají přístup výhradně zaměstnanci daného operátora. Úkolem tohoto
subsystému je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM. Tento
subsystém obsahuje provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance
Centre) nazývaný rovněž jako dohledové centrum, které se používá pro vzdálené
centralizované řízení provozu a procesy údržby celé sítě, tedy monitorování
a provádění údržby všech bloků MS, BTS, BSC a MSC v rámci daného systému
GSM. Centrum managementu (řízení) sítě NMC (Network Management Centre) je pak
odpovědné za administraci, údržbu, integritu dat, za obnovu síťových parametrů, za
nahrávání softwaru a dat do síťových prvků a databází. Posledním funkčním blokem
tohoto subsystému je administrativní centrum ADC (Administrative Centre).
Obr. 4.4: Architektura sítě GSM
V každém ze subsystémů sítě GSM jsou mezi jednotlivými bloky a uzly definována
rozhraní. Pro datové přenosy jsou nejvíce svazující a omezující rozhraní v subsystému BSS.
Jedná se o tato rozhraní:
 Um – rádiové rozhraní mezi mobilní a základnovou stanicí. Na tomto rozhraní je
dosahována max. hrubá přenosová rychlost jednoho kanálu 22,7 kbit/s.
 Abis – rozhraní mezi základnovou stanicí BTS a řídícím uzlem BSC. Většinou je
provedeno spojem typu DS-1 (T1) nebo E1 okruhově orientovaném a časově
děleném multiplexu TDM (Time Division Multiplexing) po optickém, metalickém
nebo rádiovém (mikrovlnném) médiu. Přenosová rychlost jednoho časového kanálu
je 64 kbit/s, tedy celková rychlost jednoho spoje včetně řízení je 2048 kbit/s. Počet
spojů E1 je většinou od čtyř až po 32.
 A – rozhraní mezi řídícím uzlem BSC a mobilní ústřednou MSC. Toto rozhraní je
použito pro přenos dat ze subsystému BSS do subsystému NSS a většinou
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
51
realizováno optickými spoji typu PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) nebo
SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
Základní typ datového přenosu specifikovaný v prvních fázích vývoje sítě GSM je nazýván
jako okruhově orientovaný přenos dat CSD (Circuit Switched Data). Jedná se o spojení typu
bod-bod. U přenosů tohoto druhu vzniká po ustanovení mezi oběma stranami souvislá
přenosová cesta s předem vyhrazenou a garantovanou přenosovou kapacitou kanálu. Pro
přenos se používá jeden timeslot s hrubou přenosovou kapacitou 33,8 kbit/s, z této je 11 kbit/s
využito k zajištění funkčnosti samotné sítě GSM a dalších 13,2 kbit/s je rezervováno pro režii
mechanismů zajištujících spolehlivost přenosů, tedy pro kanálové kódování. Zbývajících
9,6 kbit/s je k dispozici pro čistý datový tok. Nevýhodou tohoto typu spojení je jeho nízká
rychlost, dlouhá doba sestavení spojení a tarifikace, kdy účastník platí i za dobu, během které se
nepřenášejí žádná data. Výhodou tohoto způsobu přenosu dat ovšem byla jeho relativně jednoduchá
implementace.
4.2.2
Další systémy 2. generace
V Americe byl analogový systém AMPS převeden do digitální podoby D-AMPS (Digital
AMPS). Tento zaštiťuje dva standardy, tzv. IS-54 (Interim Standard-54) a IS-136, který
vylepšoval původní IS-54 a přidával například podporu datových přenosů CSD. Dalším
americkým standardem byl systém IS-95 uvedený do provozu v roce 1993, který již v této
době používal kombinovaného přístupu TDMA/CDMA. V Tab. 4.3 [9] je uveden přehled
vybraných základních světových standardů digitálních systémů 2. generace s uvedením jejich
základních technických parametrů.
Tab. 4.3:
Základní světové standardy digitálních systémů 2. generace
Mezi další systémy 2. generace můžeme zařadit japonské systémy známé pod označením
PDC (Personal Digital Cellular) či JDC (Japan Digital Cellular).
52
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
4.3 Digitální sítě 2,5. a 2,75. generace
Vývoj sítí druhé generace představoval zejména změny v architektuře sítí a implementaci
nových služeb. Tato generace tvoří jakýsi přelom mezi systémy druhé generace, jež se
orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především na služby
datové. Nejedná se tedy o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících systémů druhé
generace, která umožňují operátorům nabídnout vyšší rychlosti pro přenos dat pro koncové
uživatele. Navýšení přenosových rychlostí řeší systémy 2,5 a 2,75 generace, které umožňují
přenos datových signálů přenosovými rychlostmi desítky až stovky kbit/s. Systém GSM byl
původně navržen především pro přenos hovorových signálů a ve své základní variantě
umožňuje i přenos datových signálů s přenosovou rychlostí až 9,6 kbit/s, která však přestala
vyhovovat tehdejším požadavkům.
4.3.1
HSCSD
Standard HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) z roku 1997 představuje
„vysokorychlostní“ přenos dat s přepojováním okruhů umožňující maximální teoretickou
přenosovou rychlost 57,6 kbit/s. Umožňuje přenos dat v síti GSM vyšší rychlostí bez nutnosti
hardwarového zásahu do její architektury. HSCSD používá nové kanálové kódovací metody,
které zvyšují přenosovou rychlost v jednom kanálu z běžných 9,6 kbit/s (rychlost platná pro
klasický přenos dat v síti GSM) na 14,4 kbit/s. Dále umožňuje kombinaci timeslotů, kdy
sdružením až 4 timeslotů lze vytvořit kanál s přenosovou rychlostí 57,6 kbit/s.
Hlavní výhoda HSCSD, oproti jiným nově uvedeným druhům přenosu dat, spočívá
v relativně jednoduchém, levném a rychlém způsobu implementace rychlejších přenosů dat
v síti GSM, protože je nutné provést pouze malé úpravy na zařízeních v síti (implementace
nového softwaru). Uživatelské stanice ovšem musí být vylepšeny tak, aby podporovaly
přenos využívající více timeslotů najednou.
4.3.2
GPRS
První zkoušky všeobecné paketové rádiové služby GPRS (General Packet Radio Service)
proběhly v roce 1998 a první veřejný datový přenos pak v roce 2000. Specifikaci tohoto
systému vypracoval evropský standardizační telekomunikační institut ETSI. Vzhledem
k tomu, že systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, je nutné doplnit jak mobilní
stanici, tak i další částí systému GSM o nové funkční bloky, jak je znázorněno na Obr. 4.5
[14].
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
53
Obr. 4.5: Architektura sítě GPRS
V rámci architektury sítě GSM byla přidána nová třída síťových prvků zvaná podpůrné
uzly GPRS, zkráceně GNSs (GPRS Support Nodes). Tyto podpůrné uzly GSNs zodpovídají
za doručení a směrování datových paketů mezi mobilními stanicemi a vnějšími datovými
paketovými sítěmi:
 Podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) –
jedná se o standartní směrovač, jehož úkolem je zajišťovat komunikaci sítě GPRS
s jinými paketovými sítěmi, např. se sítí Internet (chová se jako rozhraní k externím
paketovým sítím).
 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. Mezi jeho úkoly patří směrování
a přenos paketů, funkce připojení/odpojení MS a jejich autentifikace a také správa
logických spojení.
 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.
Síť GPRS může obsahovat velké množství uzlů SGSN a GGSN, které jsou vzájemně
propojené páteřní sítí.
GPRS umožňuje navýšení maximální teoretické přenosové rychlosti na 171,2 kbit/s a to za
předpokladu, že MS použije všech 8 timeslotů bez korekce chyb. Na rádiovém rozhraní byly pro
kódování signálu specifikovány pro GPRS čtyři různé kódovací systémy CS (Coding
Scheme), viz Tab. 4.4 [9]. Kódovací systém CS1 představuje nejbezpečnější způsob kódování
s vysokou odolností proti chybám, zatímco kódovací systém CS4 má velice nízkou odolnost
vůči chybám, zato však umožňuje dosáhnout nejvyšší přenosové rychlosti. Rychlost přenosu
zejména závisí na úrovni rušení v rádiovém prostředí. Síť GPRS zpočátku své existence
využívala především volnou kapacitu hovorových kanálů GSM. Pro zabezpečení potřebné
přenosové kapacity bylo však potřebné rozšířit síť o kanály vyhrazené jen pro přenosy GPRS.
Při samotném přenosu dat se v GPRS používá stejná modulace, stejná frekvenční pásma,
stejná infrastruktura a stejná pravidla jako v síti GSM.
Tab. 4.4:
Systémy kódování GPRS
Mobilní stanice musí podporovat vždy všechna čtyři kódová schémata, při reálném
přenosu ovšem záleží také na technologii základnové stanice a nastavení ze strany operátora
(obsazení počtu timeslotů). Podle počtu použitelných timeslotů ve směru uplink a downlink
pak rozlišujeme různé třídy GPRS. V praxi je nejužívanější konfigurací třída 10 (4+1,
4 timesloty pro směr downlink a 1 timeslot pro směr uplink), což je zpravidla maximální
54
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
konfigurace podporovaná sítí. Výhodou GPRS oproti HSCSD je vyšší přenosová rychlost,
kratší doba sestavení spojení a tarifikace podle množství přenesených dat.
4.3.3
EDGE
Další vývoj sítě GSM přinesl Release ’98. Zlepšena byla podpora kvality služeb QoS (Quality
of Service) v subsystému základnových stanic BSS, nově byla zavedena možnost přenosu
multimediálních zpráv MMS (Multimedia Messaging Service), ale hlavně byly specifikovány
rychlejší datové přenosy v podobě tzv. zdokonalení datových přenosů pro rozvoj GSM
označovaného jako EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).
Standart EDGE podporuje paketový přenos dat a umožňuje navýšení maximální teoretické
přenosové rychlosti na hodnotu 384 kbit/s. Této vyšší rychlosti je dosaženo použitím jiné
digitální modulace. Využití tohoto standardu proto vyžaduje zásah do hardwarového řešení
BTS i MS. Rozeznáváme:
 ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) – zdokonalení datových přenosů
s přepojováním okruhů, nebo-li vylepšené HSCSD,
 EGPRS (Enhanced General Packet Radio System) – zdokonalení datových přenosů
s přepojováním paketů, neboli vylepšené GPRS, které nalezlo širší uplatnění než
ECSD, a proto je následující text věnován této variantě standardu EDGE.
Na rozdíl od zmíněných datových přenosů EDGE nepoužívá pouze modulaci GMSK, ale
i osmi stavovou modulaci 8-PSK, viz Obr. 4.6 [14]. Jeden přenesený symbol tak reprezentuje
3 bity, čímž se až 3 krát navyšuje teoretická přenosová rychlost.
Obr. 4.6: Modulace GMSK a 8-PSK
V rámci zachování kompatibility se systémem GSM je při komunikaci dle EDGE většina
parametrů fyzické vrstvy shodná s původní specifikací GSM, tedy odstup nosné 200 kHz
a také složení rámce TDMA. Bylo zde definováno 9 modulačních a kódových schémat MCS
(Modulation and Coding Scheme) kombinující nastavení jednotlivých parametrů podle
aktuální kvality rádiového spojení, jak je uvedeno v Tab 4.5. Nová kódová schémata
využívající stávající modulaci GMSK (MCS-1 až MCS-4) jsou odlišná od kódových schémat
CS-1 a CS-2 systému GPRS.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Tab. 4.5:
55
Systémy kódování EGPRS
Třídy EGPRS jsou shodné s třídami systému GPRS a obdobně jako u služby GPRS je
i v případě EGPRS v praxi nejužívanější konfigurace třídy 10.
4.4 Digitální sítě 3. generace
Nedostatkem sítí druhé generace byla stále nedostatečná přenositelnost, konkrétně odlišnost
digitálních sítí evropských, amerických a japonských. Specifikace jednotného standardu,
stejně jako specifikace rychlejších datových přenosů a aplikace IP protokolu, se staly
hlavními předpoklady mobilních sítí třetí generace (3G), které vzhledem k vysokému počtu
zákazníků a množství technologie musely vycházet z již provozovaných sítí 2G. Ty však byly
vzájemně tak odlišné, že se původně plánovaný jednotný standard sítě 3G, zvaný IMT-2000
(International Mobile Telephony - 2000) rozpadl na celou rodinu standardů 3G. V Evropě se
třetí generace sítí nazývá UMTS (Universal Mobile Telephony System), v Americe se používá
také název CDMA 2000 (vývoj ze systému IS-95). V této generaci digitálních systémů je hlavní
důraz kladen na vysokorychlostní přenos dat se zaměřením na multimediální služby.
Systém UMTS je evropskou formou sítě 3G vyvíjenou nejprve organizací ETSI. Poté
vývoj plně přešel pod partnerský projekt 3GPP (3rd Generation Partnership Project)
standardizačních organizací států Evropy, Japonska, Severní Ameriky a Jižní Koreje.
Specifikační proces pro datové přenosy byl založen na:
 definování nové přístupové sítě UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)
včetně nových prvků a rozhraní,
 minimalizování změn v páteřní síti,
 vytvoření vyspělého rozhraní mezi těmito částmi sítě,
 podpoře rychlých datových přenosů a pokročilých služeb,
 postupný přechod k aplikaci protokolu IP v síti,
 integraci stávajících služeb sítě GSM.
Architektura systému UMTS vychází ze systému GSM, základní dělení sítě zůstalo
shodné, došlo pouze k odlišnému pojmenování jednotlivých částí. Přístupová síť, která
musela být vzhledem k provozování tohoto systému na jiných frekvencích vybudována zcela
nově, se nazývá UTRAN. Tato část sítě je tvořena základnovými stanicemi, tzv. Node B
(uzly B), ke kterým jsou přes rádiové rozhraní připojené mobilní stanice UE (User
Equipment). Základnová stanice Node B je připojena ke kontroléru RNC (Radio Network
56
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Controler). Řídící kontrolér RNC a jím ovládané stanice Node B dohromady tvoří rádiový
subsystém RNS (Radio Network Subsystem). Rádiová přístupová síť je spojena s páteřní sítí
CN (Core Network), které umožňuje okruhově orientované přenosy CS (Circuit Switched),
i paketově orientované přenosy PS (Packet Switched). Architekturu a vzájemné propojení
systému UMTS a systému GSM 2,5G lze vidět na Obr. 4.7 [14].
Obr. 4.7:
Architektura sítě UMTS
Systém UMTS lze charakterizovat následovně:
 metoda mnohonásobného přístupu CDMA, kdy jednotliví uživatelé vysílají na
stejné frekvenci, ale jsou od sebe odděleni unikátním kódem, a to ve dvou formách:
 širokopásmové W-CDMA (Wideband CDMA), tedy tzv. UMTS-FDD (UMTSFrequency Division Duplex), kde je odchozí a příchozí směr provozu oddělen
frekvenčně, nejpoužívanější způsob sítě UMTS se dvěma párovými pásmy
o šířce 60 MHz na frekvencích 1920-1980 MHz pro směr uplink a pásmo 21102170 MHz pro směr downlink
 časově dělené TD-CDMA (Time Division CDMA), tedy tzv. UMTS-TDD (UMTSTime Division Duplex), kde je odchozí a příchozí směr provozu oddělen časově,
používá dvě vyčleněná nepárová spektra 1900-1920 MHz a 2010-2025 MHz
 šířka rádiového kanálu 5 MHz,
 modulační technika QPSK (Quadrature Phase Shift Keying),
 plně digitální duplexní síť,
 handover v systému UMTS je definován v několika podobách,
 přenosová rychlost závislá na rychlosti pohybu mobilního uživatele s teoretickým
maximem 2 Mbit/s.
UMTS dále počítá zejména s využitím rádiového spektra v kmitočtových pásmech 19802010 MHz a 2170-2200 MHz pro družicové pohyblivé služby MSS (Mobile Satellite
Services). Finální rozdělení frekvenčního pásma pro UTRA/FDD (Universal Terrestrial
Radio Access) je definován v technické specifikaci ETSI TS 125 101, jejíž poslední verze
definuje 26 párových pásem.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
57
4.5 Digitální sítě 3,5. a 3,9. generace
Během vývoje sítě UMTS bylo předvídáno, že datový provoz v této síti bude následovat trend
zažitý z pevných sítí, tedy obecnou dominantnost provozu IP (Internet Protocol). V rámci
projektu skupiny 3GPP byl proto spuštěn koncept označovaný jako „All IP“, tedy postupný
vývoj sítě k přenosu IP paketů od uživatele k cíli přes síť UMTS bez zbytečných překódování.
V páteřní síti byl v rámci specifikace Release 5 specifikován IP multimediální podsystém
IMS (IP Multimedia Subsystem), jehož cílem bylo v rámci architektury UMTS umožnit
kontrolovaný a řízený přenos multimediální komunikace (provoz IP prostřednictvím paketově
přepínané domény UMTS). Pozornost byla tedy dále zaměřena na přístupovou síť UTRAN.
V důsledku uskutečněných změn souvisejících s řízením výkonu společného paketového
kanálu se ověřily potenciální možnosti rádiového rozhraní při aplikaci dalších vylepšení, které
byly následně specifikovány jak pro směr downlink, tak i pro směr uplink.
Nové verze specifikací Release 5 a Release 6 přináší do UMTS modifikace ve formě
HSPA (High Speed Packet Access) vedoucí k vyšší přenosové rychlosti a lepší propustnosti
sítě. Pod společné označení HSPA, představující sítě 3,5G, spadají dvě technologie:
 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
 vysokorychlostní paketový přístup ve směru downlink,
 vyšší datová propustnost, redukce zpoždění,
 max. teoretická přenosová rychlost 10 Mbit/s.
 HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) – pojmenování HSUPA vzešlo od
firmy Nokia, sdružení 3GPP namísto toho používá termín „vylepšený uplink“ EUL
(Enhanced Uplink). V principu jde o aplikaci metod a technik použitých v HSDPA
pro směr uplink.
 vysokorychlostní paketový přístup ve směru uplink,
 zvýšení kapacity a propustnosti, redukce zpoždění,
 max. teoretická přenosová rychlost 5,74 Mbit/s.
V rámci HSPA došlo zejména k zavedení adaptivní modulace a kódování AMC (Adaptive
Modulation and Coding) dle aktuálních podmínek v rádiovém kanálu (QPSK, 16-QAM)
a hybridní metody s automatickou žádostí o opakování datových bloků HARQ (Hybrid Automatic
Repeat Request), která v sobě zahrnuje dva mechanismy, tedy mechanismus korekce chyb
FEC (Forward Error Correction) a automatickou ºžádost o opakování ARQ (Automatic
Repeat Request). Cílem techniky HARQ je zejména zlepšení efektivity a tedy i dostupné
přenosové rychlosti rádiového kanálu v případě detekce chyb.
V souvislosti s 3,5 generací mobilních sítí je potřeba se zmínit o standardu E-EDGE
(Evolved/Evolution EDGE), který by se dal volně přeložit jako tzv. „vyvinuté“ Jedná se
o přídavné rozšíření standardu GSM v rámci 3GPP, které dále rozšiřuje možnosti EDGE a to
tak, že ve výsledku je teoreticky možné dosáhnout přenosové rychlosti přes 1 Mbit/s
a zpoždění okolo 80 ms. Vylepšení těchto vlastností bylo dosaženo pouhými softvérovými
změnami v přístupové síti. Vzhledem k tomu, že tento typ komunikace vyžadoval použití
nových koncových zařízení s podporou tohoto standardu a vzhledem k tomu, že výrobci
nepředstavili jediný mobilní přístroj, který by jej podporoval, tento standard se nakonec
nedočkal praktického uplatnění a tak ani nebyly prakticky ověřeny dosažitelné přenosové
rychlosti.
58
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Další skupina mobilních sítí, označovaná jako 3,9G, sice představuje vývojové vylepšení
sítí 3,5G, ale ještě zcela nesplňuje požadavky na sítě čtvrté generace 4G. Do této kategorie
můžeme zařadit sítě HSPA+ a LTE (Long Term Evolution), jejichž specifikace jsou založeny na
posledních dostupných technologických inovacích.
V případě sítí HSPA+ (Release 7) se jedná o specifikaci, jež dále zdokonaluje a vylepšuje
původní systémy HSDPA a HSUPA. Vývoj této sítě, známé rovněž pod označenímo Evolved
HSPA byl ukončen na konci roku 2007. Mezi tato vylepšení můžeme zařadit:
 použití techniky „více vstupů, více výstupů“ MIMO (Multiple Input
MultipleOutput) – jde o multi-anténní systém používaný v oblasti bezdrátových sítí,
viz Obr. 4.8 [14]. Tento systém používá více antén, které musí být rozmístěny v
určité konkrétní vzdálenosti od sebe. Rádiová komunikace za pomocí techniky
MIMO využívá vícecestné šíření signálu ke zvýšení propustnosti a dosahu nebo ke
snížení počtu bitové chybovosti přenosu. Tyto systémy dokážou díky většímu počtu
antén správně interpretovat a vyhodnotit přijatá data. Konfigurace je často udávána
jako „počet vysílacích prvků x počet přijímacích prvků“ nebo naopak.
Obr. 4.8: Technika MIMO v konfiguraci N x M


použití efektivnějších modulací vyšších řádů ve směru uplink i ve směru downlink,
možnost implementace architektury „All-IP“, která specifikuje připojení základnové
stanice Node B do sítě operátora přes standardní gigabitový ethernet, což vede
k urychlení provozu.
V kombinaci všech výše uvedených principů je možno dosáhnout ve směru uplink
přenosové rychlosti až 22 Mbit/s a ve směru downlink přenosové rychlosti až 56 Mbit/s.
Pod pojmem LTE (Long Term Evolution), který je možno doslovně přeložit jako
„dlouhodobý rozvoj“ je označován projekt skupiny 3GPP (Release 8 a Release 9), který se
zabývá vývojem v oblasti rádiové části přístupové sítě UTRAN. Jeho protějškem zabývajícím
se vývojem jádra sítě EPC (Evolved Packet Core) je projekt SAE (System Architecture
Evolution). LTE a SAE dohromady tvoří tzv. „vyvinutý paketový systém“ EPS (Evolved
Packet System), jak je znázorněno na Obr. 4.9 [14]. Systém EPS představuje v souvislosti se
specifikací kompletně nového rádiového rozhraní a vývoje v přístupové a páteřní části sítě,
významný krok v mobilní komunikaci.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
59
Obr. 4.9: Architektura sítě LTE
Mezi hlavní rysy standardu LTE patří:
 zlepšení výkonnosti docílené použitím ortogonálního multiplexu s kmitočtovým
dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ve směru downlink.
Jedná se o přenosovou techniku pracující s rozprostřeným spektrem až 20 MHz, kdy
je signál vysílán na několika stovkách až tisících nezávislých nosných kmitočtech,
což zvyšuje šanci na nejlepší přizpůsobení se aktuálním podmínkám v daném
frekvenčním pásmu (každá samostatná nosná je modulována modulacemi QPSK,
16-QAM nebo 64-QAM),
 čistě paketový systém, kde hlavní roli přebírá protokol IP (unifikace architektury),
 jednodušší architektura sítě, kdy jako jediný uzel přístupové sítě E-UTRAN (Evolved
UMTS Terrestrial Radio Access Network) figuruje základnová stanice eNode B
(evolved Node B) - tímto se také snížil počet rozhraní (S1, X2),
 podpora proměnné šířky pásma: 1,4; 3; 5; 10; 15 a 20 MHz,
 využití technologie MIMO,
 velmi nízké latence (časy sestavení spojení a přenosová zpoždění jsou velmi krátké),
 maximální přenosová rychlost datových kanálů je 86,4 Mbit/s ve směru uplink
a 326,4 Mbit/s ve směru downlink,
 zpětná kompatibilita a spolupráce se sítěmi GSM, UMTS a CDMA2000.
Na systém LTE se poprvé pohlíží jako na celosvětovou technologii, která by měla dostát
požadavkům systému IMT-2000. Je tomu tak proto, že společnosti stojící za technologií
CDMA2000 upustili od vývoje konkurenčního standardu zvaného UMB (Ultra Mobile
Broadband) podporovaného především firmou Qualcomm a přiklonili se k technologii LTE.
Cílem UMB bylo dosažení přenosové rychlosti 275 Mbit/s ve směru downlink a 75 Mbit/s ve
směru uplink. Plánováno bylo použití OFDM, variabilní šířka spektra a architektura plně
založená na protokolu IP.
60
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
4.6 Digitální sítě 4. generace
Každá generace sítí sebou přináší jistou zásadní změnu, která změní povahu nabízené služby.
Touto změnou byla:
 při přechodu ze sítí 1G na 2G – digitalizace sítí,
 při přechodu ze sítí 2G na 3G – zaměření na multimédia,
 při přechodu ze sítí 3G na 4G – architektura All-IP plně založená na protokolu IP.
Požadavky na sítě 4G specifikovala organizace ITU-R v doporučení IMT Advanced
(International Mobile Telecommunications Advanced):
 přenosová rychlost 100 Mbit/s pro pohyblivý mobilní přístup a 1 Gbit/s pro tzv.
nomadický přístup (komunikace, možný přesun a opětovná komunikace na jiném
místě s žádným nebo minimálním pohybem mobilní stanice během komunikace),
 využití variabilního frekvenčního pásma o minimální hodnotě 40 MHz,
 využití ortogonálního multiplexu s kmitočtovým dělením OFDM.
Prvním z kandidátů na mobilní síť 4G je tzv. pokročilé LTE označované jako LTE-A
(LTE Advanced). Jedná se o rozšíření stávající sítě LTE, která nevyhovuje požadavku na síť
4G v poskytovaných rychlostech a šířce variabilního spektra, a se kterou by měla být zpětně
kompatibilní. První specifikace je uvedena v 3GPP jako tzv. Release 10 následována dalším
vylepšením ve specifikaci Release 11. LTE-A přináší nové vlastnosti jako sdružování
nosných frekvencí, tzv. CA (Carrier Aggregation), kdy celková variabilní šířka pásma může
dosáhnout až k 100 MHz. Toto pásmo se skládá z mnohonásobných základních frekvenčních
bloků CCs (Component Carriers) o šířce např. 20 MHz, které jsou zpětně kompatibilní
s původním LTE. Příklad možného sdružování nosných frekvencí je znázorněn na Obr. 4.10
[14]. Přidělení jednotlivých nosných pak podporuje současné použití sousedních
i nesousedních frekvencí, včetně asymetrického uspořádání FDD.
Obr. 4.10: Sdružování nosných frekvencí v síti LTE-A
Další připravovanou verzí standardu skupiny 3GPP (Release 12 a Release 13) je standard
mobilní sítě označovaný jako LTE-B, jehož cílem je zejména vylepšení stávajících technik
MIMO a zavedení techniky LTE-Hi (LTE Hotspot improvements and small cells) a Multi-RAT
Operations, což je koncept sloučení více technologií (nap°. LTE, UMTS, HSPA a EDGE) do
jedné antény a jedné základnové stanice.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
61
Až tisíckrát větší kapacitu systému by pak měl přinést standard LTE-C, jehož uvolnění se
předpokládá v roce 2020 v rámci specifikace Release 14 a Release 15.
Další sítí, kterou je možné zařadit mezi sítě 4G je síť WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access), které je věnována kapitola 3.
62
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
5 Digitální rozhlasové vysílání
Vznik rozhlasového vysílání se datuje do desátých let minulého století. První zvukový
rozhlasový přenos byl uskutečněn v roce 1910 z Metropolitní opery v New Yorku. Pravidelné
rozhlasové vysílání bylo zahájeno v roce 1922 v Anglii (vysíláním stanice BBC). Na území
České republiky (tehdejšího Československa) bylo vysílání zahájeno 18. května 1923 ve
20:15 hod ze skautského stanu v Praze-Kbelích vysíláním stanice Radiojournal (viz Obr. 5.1)
[15].
Obr. 5.1: Rozhlasový autobus značky Tatra z roku 1935
V prvopočátcích rozhlasu byl signál modulován amplitudovou modulací (AM)
a přenášen zejména na dlouhých a středních vlnách. Šířka kanálu byla 9 kHz a vyzářené
výkony se pohybovaly ve stovkách kW. Vysílací věže byly tvořeny vysokými příhradovými
stožáry (samonosnými nebo kotvenými na patním izolátoru). Jedním z prvních byl vysílač
Liblice A umístěný nedaleko od Českého Brodu u Prahy (viz Obr. 5.2) [15].
V roce 1959 bylo spuštěno frekvenčně modulované (FM) vysílání. Do 60. let minulého
stolení spadají počátky stereofonního vysílání. V roce 1958 se začal vysílat rozhlas v pásmu
VKV a to pouze v tzv. východním pásmu VKV OIRT (66-73 MHz). Od prosince 1984 se
začalo vysílat i na tzv. západním pásmu VKV CCIR (87,5-108 MHz). Kmitočtový rastr je
nastaven na 200 kHz (v některých zemích, jako např. v Itálii, se díky velkému počtu stanic
používá rastr 50 kHz).
Obr. 5.2: Vysílací věže vysílače Liblice A
Stejně jako v devadesátých letech minulého století, kdy proběhla digitalizace
televizního vysílání (v České republice byla digitalizace ukončena v roce 2011), stejně tak
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
63
dochází k digitalizaci rozhlasové vysílání, které existuje v několika digitálních variantách.
Posluchač v dnešní době považuje za samozřejmost audio formát v digitální podobě
s poměrně vysokou kvalitou (zvukové formáty mp3, ogg atd.). V tomto směru má možnost
příjmu streemovaných online internetových rádií. Zde je ovšem jeden podstatný handicap a
tím je mobilita. Pokud má posluchač u mobilního operátora zaplacen datový tarif, má
možnost poslechu oblíbené stanice kdekoliv, kde je k dispozici signál mobilní datové sítě.
Použití datového tarifu a online webových rádií ovšem není nejefektivnější způsob, jak
přiblížit nejen k mobilnímu posluchači rozhlas v digitální kvalitě.
Provozovatelé rozhlasových stanic a distributoři rozhlasového signálu se již od konce
80. let sdružují pod hlavičkou organizace Eureka 147, která položila základ digitalizace
rozhlasových pásem. V následujícím výčtu budou představeny nejperspektivnější používané
standardy digitálního rozhlasového vysílání.
5.1 Vysílání v pásmech DV, SV a KV
Zdálo by se, že oblasti dlouhých (DV), středních (SV) a krátkých (KV) vln, tedy v oblasti pod
30 MHz, jsou již v dnešní době z pohledu rozhlasového vysílání opuštěné a nevyužívané.
Opak je však pravdou a tato kmitočtová pásma v současné době zažívají období renesance. Je
však zřejmé, že stávající analogové amplitudové modulace (AM) jsou nevyhovující a je zde
potřebné aplikovat nové číslicové principy.
5.1.1
DRM
Provozovatelé pozemního rozhlasového vysílání AM, operátoři jejich sítí, zástupci
výzkumných pracovišť, včetně výrobců součástkové základny a podpůrné technologie si tuto
skutečnost dobře uvědomovali. Na mezinárodní konferenci v Ghanzou v Číně bylo v roce
1998 schváleno ustavení mezinárodní platformy pro vývoj a rozvoj digitálního rozhlasového
vysílání v kmitočtových pásmech DV, SV a KV pod označením DRM (Digital Radio
Mondiale). Zde byl podepsán ustavující dokument The Digital AM Memorandum of
Understanding. Následovně byl v Holandsku 10. září 1998 původní dokument nahrazen tzv.
smlouvou konsorcia DRM (Consortium Agreement) a zároveň zde bylo ustanoveno sdružení
s názvem Konsorcium DRM. V září 2001 evropský standardizační telekomunikační institut
ETSI (European Telecommunications Standards Institute) uveřejnil technickou specifikaci
systému pro digitální vysílání ETSI-TS 101980: Digital Radio Mondiale, System
Specification, ve kterém je tento systém doporučen pro použití v rozhlasových kmitočtových
pásmech do 30 MHz. Souběžně s DRM byl v USA vyvíjen podobný systém pod názvem
IBOC společností iBiquity. Oba systémy byly přijaty ITU-R v říjnu 2002 jako Doporučení
ITU-R BS 1514-1: Digital Sound Broadcasting Below 30 MHz [16]. Česká republika je
zastoupena skupinou HCCF (High Frequency Coordination Konference). Prostřednictvím
DRM se v současné době vysílá ve více než 30 zemích světa.
DRM je standard, který vznikl jako digitální náhrada analogového rozhlasového
vysílání na stávajících dlouhých, středních a krátkých vlnách. U DRM dochází k digitalizaci
vysílání na kmitočtech, které byly doposud využívány pro analogové vysílání s amplitudovou
modulací. Zpočátku se jednalo o kmitočty do 30 MHz, v poslední variantě se DRM
kmitočtově rozšířilo až do 120 MHz se zachováním šířky kanálu. Vysílání DRM (podobně
jako ostatní digitální vysílací systémy) využívá několik zásadních principů digitalizace
signálu a jeho vysílání, tj. vlastní převod analogového zdrojového signálu na digitální,
datovou kompresi digitálního signálu a kódovaný ortogonální frekvenční multiplex COFDM
(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Možnou šířku vysílacího kanálu 9
64
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
nebo 10 kHz (v režimu simulcast 4,5/5 kHz) zabere mnoho subnosných, kde každá z nich je
digitálně modulována nejčastěji modulací QAM. Typický datový tok se pohybuje od 4,5 do
30 kbit/s. Počet subnosných, počet stavů modulace a celkové obsazení pásma se liší
v různých konkrétních případech. Výsledný signál se pak lineárně zesiluje a vyzařuje anténou.
V oblasti převodu audiosignálu na komprimovaný digitální se používá několik
kompresních algoritmů:
 MPEG-4 AAC (Moving Picture Experts Group, Advanced Audio Coding) – jeden
z nejpokročilejších formátů komprese zvuku o středních až vyšších přenosových
rychlostech používaný v rámci DRM pro vysílání hudby.
 MPEG-4 CELP (Moving Picture Experts Group, Code-Excited Linear Prediction)
– formát komprese zvuku o nižších přenosových rychlostech používaný v rámci
DRM pro vysílání mluveného slova.
 MPEG-4 HVXC (Moving Picture Experts Group, Harmonic Vector Excitation
Coding) – formát komprese zvuku o velmi nízkých přenosových rychlostech
(jednotky kbit/s) pro vysílání mluveného slova, používající ještě větší redukci
datového toku než MPEG-4 CELP.
Všechny kodeky mohou být volitelně kombinované s využitím metody replikace pásma
frekvenčního spektra SBR (Spectral Band Repplication), díky níž je možné prostřednictvím
pomocného signálu přeneseného v bitovém toku DRM rekonstruovat část zvukového signálu,
kterou nelze v omezeném spektru přenést. Vysílání DRM neprobíhá v multiplexech, každá
stanice má samostatnou frekvenci. Mimo přenos zvuku DRM umožňuje také přenos textu
a statických obrázků [10.4].
Multiplex DRM obsahuje tři typy logických kanálů:
 FAC (Fast Access Channel) - nese informaci o použité šířce radiového kanálu
a o parametrech přenášeného multiplexu DRM, umožňuje identifikaci multiplexu.
 SDC (Service Description Channel) - přenáší podrobnější popis dat nesených
kanálem MSC potřebný pro jejich dekódování.
 MSC (Main Service Channel) - prostřednictvím kanálu MSC přenáší užitečná data
pro 1-4 služby (audio, data).
Kanálové kódování je na logické kanály aplikováno nezávisle. Nejrobustnější
zabezpečení proti chybám má kanál FAC. Vztah mezi odolností přenášeného datového toku
a jeho objemem dat udává kódový poměr konvolučního kodéru a použitá modulace
jednotlivých nosných kmitočtů OFDM (lze použít QPSK, 16-QAM, případně 64-QAM).
Jednotlivé vysílací módy používají různý počet subnosných kmitočtů s různým vzájemným
frekvenčním odstupem. Data z kanálů FAC, SDC a MSC jsou na ně směrována (mapována)
dle DRM standardem určeného scénáře [10.5]. Skládání jednotlivých kanálů je zobrazeno
v blokové struktuře vysílací strany, jak je znázorněno na Obr. 5.3 [17].
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
65
Obr. 5.3: Blokové schéma vysílacího řetězce DRM
Obdobně jako jiné progresivní digitální standardy (např. DVB), tak i DRM využívá
k modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) respektive COFDM
(Coded OFDM). COFDM pracuje v módech A, B, C a D vzájemně se lišící robustností,
délkou ochranného intervalu a bitovým tokem. Nejméně robustní je mód A s nejvyšší
přenosovou kapacitou, který se používá v pásmu DV a SV. Mód B je určen pro standardní, C
pro obtížné a D pro extrémní krátkovlnné přenosy. COFDM používá soustavu 84 (mód D) až
216 (mód A) subnosných kmitočtů, které jsou v kanále umístěny s malým rozestupem tak,
aby se co možná nejméně vzájemně ovlivňovaly. Každá z nosných představuje jeden
ze subpřenosových kanálů, která je modulována pomocí 16-QAM nebo 64-QAM, pro
pomocné signály se používá QPSK. Tímto způsobem se „sériový“ datový přenos přemění na
paralelní s nižší přenosovou rychlostí a větší délkou symbolu. Přenosový systém je
modifikovatelný podle podmínek šíření a požadované šířky pásma. Lze použít:
 16-QAM – přenos na krátkých vlnách (špatné podmínky pro šíření),
 64-QAM – standardní mód,
 256-QAM – přenos na dlouhých a středních vlnách (maximální kvalita).
Další nespornou výhodu při tomto způsobu vysílání je vytvoření ochranného intervalu
GI (Guard Interval), který se přidává k vysílanému symbolu. Ochranný časový interval
definujeme dobu, při které nepřijímáme žádný symbol. Tímto způsobem efektivně
eliminujeme různé přeslechy a odrazy přijímaného signálu. (mód A: GI=2,6 ms; mód D:
GI=7,3 ms) [10.4]. Lze konstatovat, že v některých případech se vícecestné šíření může
projevit kladně. Nutno dodat, že tato metoda umožní při plánování vysílacích sítí použít více
vysílačů pracujících na stejném kmitočtu, tzv. jednofrekvenční sítě SFN (Single Frequency
Network).
Jak bylo dříve uvedeno, DRM využívá několik desítek subnosných kmitočtů. Ty jsou
uspořádány do dvou základních skupin.
 Základní skupina (Kernel Group), která se vysílá stále a je při přenosu
nepostradatelná. Základní skupina obsahuje 96 subnosných kmitočtů a má
frekvenční šířku 3200 Hz. Některé subnosné se nemodulují. Tato skupina obsahuje
signály nezbytné pro samotné vysílání. Jedná se o kmitočtovou referenci, časovou
synchronizaci, referenční úroveň a signály sloužící pro nastavení přijímače (tzv.
piloty). Dále pak 576 symbolů zvukové či obrazové modulace.
 Doplňkové skupiny - každá tato skupina obsahuje 11 subnosných po 33,333 Hz
(11 x 33,33 = 366,6 Hz). Vysílá se 72 zvukových/obrazových symbolů a 5 symbolů
dat. Jeden symbol má délku 30 ms.
66
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Šířka přenášeného pásma je pak odvozena od počtu přenášených skupin.
 3200 Hz
96 nosných
základní skupina,
 4666,6 Hz 140 nosných
základní skupina + 4 doplňkové,
 9065,6 Hz 272 nosných
základní skupina + 16 doplňkových.
S tím souvisí i užitečný datový tok, který je závislý na počtu přenášených nosných
(viz Tab 5.1).
Tab. 5.1:
Datové toky DRM [kbit/s]
Vytvoření skupin sub-nosných vln je dále výhodné v tom, že umožní použít skupinové
prokládání (interleaving). Tím se zlepší odolnost systému proti poruchám. V závislosti na
kmitočtovém pásmu, ve kterém systém pracuje a denní době se volí krátké, střední nebo
dlouhé prokládání.
Dalším vylepšením, se který DRM přichází je tzv. režim simulcast. DRM je navrženo
tak, že umožňuje současné analogové a digitální vysílání. Vysílá se buď s oběma postranními
pásmy (DSB), nebo na KV s jedním postranním pásmem (SSB). Tenhle způsob vysílání
vhodně řeší nasazení digitálního vysílání. Počítá se s určitým přechodovým obdobím, kdy se
bude současně vysílat analogově i digitálně. Situace v obou postranních pásmech je
naznačena na Obr. 5.4 [18].
Obr. 5.4: Obsazení spektra v případě režimu simulcast
5.1.2
DRM+
V roce 2005 bylo rozhodnuto zahájit inovaci systému DRM s cílem rozšíření působnosti až do
120MHz. Výzkumné práce a testy byly ukončeny v 2009 [18]. Ve srovnání s DRM umožňuje
DRM+ expanzi do dalších rozhlasových pásem ohraničených kmitočtem až do 174 MHz.
DRM+ se liší pouze jinou volbou rádiových a kódovacích parametrů. Šířka kanálů je
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
67
100 kHz, spektrum OFDM zabírá 96 kHz a užitečný datový tok dosahuje 37-186 kbit/s
v závislosti na zvolené míře robustnosti. Vylepšení standardu umožňuje v souvislosti
s výrazně vyšším datovým tokem docílit s audio kodekem MPEG-4 HE-AAC-v2 zvukovou
kvalitu CD.
DRM+ počítá s možností využití následujících frekvenčních pásem:
 I.TV pásmo (47–68 MHz),
 OIRT VKV-FM pásmo (65,8–74 MHz),
 Japonské FM pásmo (76–90 MHz),
 CCIR VKV-FM pásmo (87,5–108 MHz),
 III. TV pásmo (174–230 MHz).
5.1.3
Souhrn přínosů DRM/DRM+
Zavedení DRM bezesporu přináší spoustu výhod. Za zásadní a důležité lze považovat
následující body:
 Hlavní výhoda tohoto systému spočívají v tom, že díky podmínkám šíření rádiových
vln kmitočtů pod 30 MHz, jsou provozovatelé rozhlasového vysílání schopni
dosáhnout v podstatě libovolného území na zeměkouli.
 Stejně tak oblasti DV a SV nejsou bez budoucnosti, neboť v těchto kmitočtových
pásmech je možno dosáhnout rovnoměrného pokrytí, bez výrazných signálových
stínů a to za použití jednoduché přijímací antény.
 Použití DRM do značné míry potlačuje efekty vzniklé nestabilitou ionosféry
a mnohonásobným šířením, čímž umožňuje kvalitní poslech i ve členitém terénu či
v dopravních prostředcích. To je dáno typem modulace COFDM, kterou DRM
využívá. Pro potlačení mnohacestného šíření je použit ochranný interval GI. DRM
má možnost nastavení tohoto parametru, který ovlivňuje odolnost signálu na úkor
jeho kvality, ve 4 stupních od 2,666 ms pro vysílání na SV/DV prostřednictvím
přízemní vlny až po 7,333 ms pro dálkové trasy šíření na KV.
 V souvislosti s použitím GI může být realizována SFN, což umožňuje provozovateli
sítě digitálních vysílačů používat jeden kmitočet pro celou síť. Mezi vysílači
nevznikají interference, naopak výsledný signál dvou sousedních vysílačů se
dokonce může sečíst a ve výsledku posílit.
 Další výhodou tohoto systému je nižší vysílací výkon při pokrytí stejného území
jako u analogového vysílání AM (až o 6-9 dB). Této významné redukce energie pro
vysílání DRM (tím i redukce provozních nákladů) je dosaženo nižším potřebným
poměrem úrovně užitečného signálu k šumu pozadí.
 DRM disponuje i datovým kanálem pro přenos doplňkových informací
(zpravodajství, programový průvodce, předpověď počasí, dopravní situace,
informace o mnohojazyčném vysílání atd.).
 DRM umožňuje vysílání v hybridním/smíšeném módu (simulcast). Lze využít
i dvou sousedních kanálů (20 kHz), viz Obr. 5.5. Předností DRM je zachování
současného kanálového/kmitočtového rastru na DV, SV, KV. Tím není nutno žádné
nové kmitočtové plánování jako v případě T-DAB.
68
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
 9/10 kHz - normální režim (mono),
 18/20 kHz - sdružení dvou sousedních kanálů (stereo),
 4,5/5 kHz - smíšený provoz (simulcast).
Obr. 5.5: Spektrum smíšeného vysílání

V neposlední řadě je to i přiměřeně vysoká kvalita přenášeného signálu. Audio
kmitočtové pásmo, dynamika signálu a jeho odstup k šumu pozadí jsou plně
srovnatelné nejen s VKV-FM ale i s poslechem hudebního CD. Toho se docílí
vhodným výběrem použitého zdrojového kódování. DRM používá kombinaci tří
kodeků, pro hudbu MPEG-4 HE-AAC (High Efficiency - Advanced Audio Coding)
doplněný o SBR (Spectral Band Replication) a pro hlas kodeky MPEG-4 CELP,
MPEG-4 HVXC. Tímto se dosáhne vysoké kvality signálu při datovém toku
22 kbit/s (stereo 48 kbit/s).
Obr. 5.6: Reálné frekvenční spektrum smíšeného digitálního signálu (vpravo)
a analogového AM (vlevo)
I když je na první pohled vidět, že tato technologie přináší posluchači spoustu výhod, je
zde stále několik problémů. Za největší přetrvávající problém lze považovat nedostatek
cenově dostupných přijímačů, čímž DRM zatím zaostává za konkurenčním T-DAB. Drtivá
většina posluchačů DRM používá tzv. software radio (SDR), kdy se využije upraveného
přijímače AM a počítače s příslušnou aplikací. V přijímači AM je nutno změnit/konvertovat
mezifrekvenci MF (obvykle ze 455 kHz na 10 kHz). Takto upravený mezifrekvenční signál se
přivede přímo na vstup zvukové karty. Softvérová aplikace poté zajistí dekódování
a demodulaci. Blokové schéma přijímače SDR je uvedeno na Obr. 5.7. Jak je patrno, tento
stacionární způsob příjmu není úplně ideální, jelikož se při jeho použití nedoceňují kvality
DRM. Jen pozvolna se objevují přijímače, které již DRM podporují. Často se jedná o dražší
přijímače disponující více technologiemi (DRM/T-DAB/FM/AM pracující na DV, SV, KV
i VKV). Je ovšem jen otázkou času, kdy se najde schopný výrobce, který dokáže nasytit trh
levnými a spolehlivými DRM přijímači.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
oscilátor
455kHz
AM tuner
směš.
12kHz
filtr
69
Nf
zes.
PC
Obr. 5.7: Blokové schéma sw přijímače DRM
Z výše uvedených informací je patrno, že DRM má nesporná kvality a dokáže zcela
nahradit stávající analogové rádiové vysílání, ať už na DV, SV, KV, ale i VKV-FM (DRM+
pracující do 120MHz) a tím má velkou naději na celosvětové rozšíření. Díky své
kompatibilitě ke stávajícím AM systémům dojde ke snadnějšímu nasazení vysílacích
technologií nežli tomu je například u konkurenčního T-DAB. Dosavadní průzkumy v ČR
bohužel ale ukazují, že posluchače uspokojují současné VKV-FM systémy. Otázkou tak
zůstává, zda výše zmiňované výhody přinutí posluchače pořizovat konvertory nebo nové
speciální rozhlasové přijímače. Zkušenosti ze zahraničí zatím ukazují, že je tomu naopak
a řady DRM posluchačů stále rostou.
5.1.4
CAM-D
Dalším hybridním standardem pracujícím v pásmech SV/KV je systém CAM-D (Compatible
Amplitude Modulation–Digital) je. Využívá tzv. sideband vysílání, kde se analogová
informace šíří v modulovaném kanálu AM o šířce 7,5 kHz. Zbylý kmitočtový prostor je
věnován digitálnímu přenosu (přenos názvu interpretů, obrázků atd.). Tento přenos je velice
podobný systému IBOC (HD Rádio), jež se používá zejména v USA.
5.2 Vysílání v pásmu VKV
5.2.1
DAB
Tato technologie byla vyvinuta v 80. letech minulého stolení organizací Eureka 147 (EU
projekt číslo 147). Cílem tohoto projektu byl systematický přechod na digitální technologii.
Součásti projektu EU147 byl i vývoj kódování zvukového signálu MP2, který se v systému
DAB (Digital Audio Broadcasting) využívá. První zemí vysílající v tomto systému byla Velká
Británie. Přijímače DAB vstoupily na trh v roce 1999. Tento standard je nadále koordinován
světovým fórem DMB zastupujícím přes 30 zemí.
V současné době jsou všechny rozhlasové služby DAB v mono nebo stereofonní kvalitě
vysílání. DAB používá MPEG Audio Layer II s bitovým tokem 128 kbit/s, případně novější
generace DAB+ používá MPEG-4 s vysokou účinností HE-AAC v2 (High-Efficiency
Advanced Audio Coding v2). HE-AAC v2 spojuje tři technologie. Základním kodekem je
Core Audio Codec AAC (Advanced Audio Coding), další používaným nástrojem, který
zvyšuje efektivitu pomocí dostupných nižších rychlostí pro nižší frekvence audio signálu je
SBR (Spectral Band Replication). Poslední používaným mechanismem je PS (Parametric
Stereo). DAB+ také poskytuje prostředky k vysílání prostorového zvuku.
V systému DAB se používá kanálového kódování, které používá konvoluční kódování,
časové a kmitočtové prokládání o modulaci OFDM. Jednotlivé subnosné jsou dále
modulovány dle potřeby. V systému DAB je to čtyřstavová modulace QPSK (Quadrature
70
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Phase Shift Keying). Digitální rozhlas DAB využívá dva úseky kmitočtového spektra. První
úsek je umístěn ve stávajícím třetím televizním pásmu (174-240 MHz). Druhý úsek pak
v pásmu L (1452-1492 MHz). Z důvodu způsobu šíření vln v uvedených pásmech se pásmo L
používá na pokrytí větších měst, zatím co III. TV pásmo na pokrytí rozlehlých oblastí. V obou
pásmech je šířka jednoho kanálu T-DAB 1,5 MHz. Jelikož je tento systém navržen pro provoz
v dopravních prostředcích, je pro mobilní příjem vhodnější III. TV pásmo, protože v pásmu L
způsobí stejná rychlost vozidla směrem k vysílači nebo od vysílače přibližně 8 krát vyšší
dopplerovský posun frekvence, než ve III. TV pásmu. Proto bývá v pásmu L použit jiný
vysílací mód, jak je uvedeno v Tab. 5.2.
Tab. 5.2:
Přehled vysílacích módů systému DAB
5.2.2 DAB+
Tento systém vychází z původního standardu DAB, oproti kterému využívá vysoce výkonný
audiokodek AAC+. Advanced Audio Coding je standard pro ztrátovou kompresi zvuku. Byl
vyvinut jako logický následovník formátu MP3 na středních až vyšších stratech v rámci
standardu MPEG4. Standard AAC+ umožňuje lepší kvalitu zvuku při menších přenosových
rychlostech (64 kbit/s). Zvýšená efektivita nabízí lepší využití kmitočtového spektra, než
tomu bylo u původního systému DAB. Systém DAB+ má tedy možnost přenosu většího
množství stanic v jednom multiplexu.
Hlavní výhodou systému DAB je funkce na potlačení negativních vlivů vícecestnému
rušení nebo slábnutí, které zhoršují kvalitu příjmu. Další plus u tohoto systému je, že nabízí
lepší využití šířky pásma pro národní stanice v porovnání s analogovým přenosem (pásmo
VKV, rozhlasové vysílání FM) díky použití sítí s jedním kmitočtem, které umožňují umístění
stanic do užší části frekvenčního spektra. Tento standard dokáže přenést 6 až 8 stanic ve
vysoké kvalitě. Stanice DAB může přenášet radiový text označován jako DLS (Dynamic
Label Segment), kdy tento text posluchačům sděluje informace v reálném čase (názvy
skladeb, druh hudby, zprávy) stejně tak, jako v případě služby RDS u rozhlasového vysílání
FM v pásmu VKV. Vzhled kmitočtového spektra, konkrétně charakteristická obálka
modulovaného signálu OFDM je zobrazena na Obr. 5.8.
Obr. 5.8: Kmitočtové spektrum systému DAB v pásmu L
Na rozdíl od standardu DRM/DRM+, který je náhradou stávajícího analogového
vysílání a tudíž nepotřebuje nové kmitočty, standard DAB/DAB+ vysílá v multiplexu
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
71
a potřebuje frekvence, na kterém jsou momentálně vysílány televizní programy v ČR.
Výhodou vysílače DRM je, že pokryje daleko větší území než je tomu v případě systému
DAB. Standard DRM+ a standard DAB+ podporují stejné audio kodeky MPEG-4, které jsou
navrženy pro efektivní přenos mluveného slova při menší přenosové rychlosti. Srovnání
parametrů digitálních systémů DAB a DRM je uvedeno v Tab. 5.3.
Tab. 5.3:
5.2.3
Srovnání parametrů digitálních systémů DAB a DRM
DMB
Mezi další standard digitálního vysílání v pásmu VKV můžeme zařadit systém DMB (Digital
Media Broadcasting). Tento standard je založen na standardu DAB. Jedná se o vysílání videa
a multimediálních technologií pro mobilní příjem. Standard DMB nabízí širokou škálu
nových inovativních služeb, jako je mobilní televize, dopravní a bezpečnostní informace, data
a mnoho dalších aplikací. Zařízení DMB jsou vždy zpětně kompatibilní a může přijímat nejen
DMB, ale i také audio službu DAB. Tento standard používá stejnou šířku pásma jako
v případě DAB, tedy 1,5 MHz o přenosové rychlosti 1,2 Mbit/s s využitím principu OFDM
a modulace D-QPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Kompresi videa provádí
kodek MPEG-4 AVC s rozlišením 360 x 288, díky čemuž je bitový tok pro jeden televizní
program nižší než 500 kbit/s. Zvuk je kódován pomocí kodeku MPEG-4 BSAC (Bit Sliced
Arithmetic Coding).
5.2.4
IBOC
Dalším standardem, který se používá převážně v Americe je systém IBOC (In-Band OnChannel). V Evropě je tento systém znám pod názvem HD Radio. HD rádio je formát, který
je provozován společností iBiquity. Není to plnohodnotný digitální formát, tak jako tomu je
u systému DAB nebo DRM. HD Radio vylepšuje klasické vysílání v pásmu DV/SV/KV
(AM) a VKV (FM), a to tak, že k existujícímu analogovému signálu přidá i signál digitální.
Výsledek pro posluchače je ten, že kvalita rozhlasové služby v pásmu DV/SV/KV (AM) je
srovnatelná s vysíláním v pásmu VKV a kvalita poslechu v pásmu VKV (FM) se pak
přibližuje kvalitě poslechu CD. V digitálním signálu se vysílají textová data, názvy písní
a další informace. Tato digitální vrstva je stlačena a kombinace analogových a digitálních
signálů jsou přenášeny současně. Další výhodou je možnost šíření více programů na jedné
frekvenci pomocí tzv. multicastingu (známé z DAB jako multiplex). Pro poslech je nezbytný
digitální přijímač, který vysílání rozkóduje. Rozhlasová služba zůstává bezplatná. Na Obr. 5.9
je znázorněno kmitočtové spektrum hybridního signálu IBOC.
72
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 5.9: Kmitočtové spektrum hybridního signálu IBOC
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
73
6 Digitální televizní vysílání
Historii televizního vysílání lze datovat do dvacátých let dvacátého století, kdy roku 1923 ve
Spojených státech amerických provedl Vladimír Zworykin první pokusy přenosu obrazů
pomocí elektronek. V roce 1931 došlo ke spuštění vysílání experimentálních televizních
stanic a o osm let později započala hromadná výroba televizorů, která v následujících letech
velice rychle narůstala (1946 – 6400 televizorů, 1948 – 1 mil., 1949 – 2 mil., 1950 – 6 mil.,
1955 – 31 mil.), 1962 – 58 mil.) [20].
V České republice (tehdejším Československu) byl postaven první televizní vysílač
v Praze na Petříně roku 1953. Výstavba druhého vysílače v Ostravě-Hošťálkovicích pak
započala roku 1955. O patnáct let později roku 1970 bylo zahájeno barevné vysílání
v systému SECAM, které bylo v roce 1990 ukončeno z důvodu přechodu na systém PAL.
V roce 2000 následně došlo ke spuštění prvních pilotních projektů pozemského digitálního
televizního vysílání v Praze a Brně.
6.1 Důvody vedoucí k přechodu z analogového na digitální vysílání
V případě pozemního analogového televizního vysílání jsou snímaný obraz a zvuk přeměněny
na spojitý analogový elektrický signál, kterým je modulovaná nosná vlna vysílače. Mezi
základní charakteristické vlastnosti analogového vysílání lze uvést:
 v 1 TV kanálu (o šířce 8 MHz) se přenáší 1 TV program,
 na mnoha místech dochází k degradaci signálu, který je způsoben mnohocestným
šířením či nízkou úrovní signálu,
 pro kvalitní příjem je nutno použít vnější anténu,
 nutno použít vysílače o velkých vyzářených výkonech (až stovky kW),
 nemožnost sousedních vysílačů vysílat na stejném TV kanálu,
 nemožnost sledování televize za pohybu.
Z hlediska vývoje televizního vysílání následně došlo:
 k novým požadavkům na rozšíření počtu televizních programů (další vysílací
kmitočty),
 k postupné vyčerpanosti kmitočtového spektra,
 k vyšším nárokům uživatelů na kvalitu signálu,
 ke snaze o snižování energetické náročnosti zařízení,
 k požadavkům o zavedení a rozšiřování mobilního příjmu.
Uvedené požadavky vedly k zavedení nového systému televizního vysílání založeného
na digitální formě šíření signálů.
74
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
6.2 DVB
Pod zkratkou DVB (Digital Video Broadcasting) označujeme mezinárodní konsorcium
založené roku 1993, jež je tvořeno více než 200 členy z několika desítek států (televizní
společnosti, výrobci, síťoví operátoři, vývojáři softwaru, regulační organizace atd.).
Specifikace DVB vydává institut ETSI ve spolupráci s Evropskou unií pro rozhlasové
a televizní vysílání EBU (European Broadcasting Union).
Mezi hlavní způsoby digitálního televizního vysílání zařazujeme:
 DVB-T/T2 (Digital Video Broadcasting ‐ Terrestrial) – pozemní digitální televizní
vysílání
 DVB-S/S2 (Digital Video Broadcasting ‐ Satelitte) – družicové digitální televizní
vysílání
 DVB-C/C2 (Digital Video Broadcasting ‐ Cable) – kabelové digitální televizní
vysílání
 DVB-H (Digital Video Broadcasting ‐ Handheld) - mobilní digitální televizní
vysílání
6.3 DVB-T
Pozemní digitální televizní vysílání využívá stejnou šířku kanálu, která činí 8 MHz (příp.
7 MHz nebo 6 MHz) a stejná televizní pásma, jaká se využívala v případě analogového
vysílání:
 174 - 230 MHz – III. TV pásmo (VHF)
 470 - 862 MHz – IV. a V. TV pásmo (UHF)
6.3.1
Charakteristické vlastnosti digitálního vysílání
Mezi základní charakteristické vlastnosti digitálního vysílání lze uvést:
 v jednom TV kanále je možno vysílat více TV programů (podle požadované kvality
se obvykle jedná o 3-5 TV programů ve standardní kvalitě SDTV (Standard
Definition Television), což odpovídá analogovému přenosu v systému PAL (Phase
Alternative Line) s rozlišením 720 x 576 bodů,
 možnost přenosu několika zvukových doprovodů (od monofonního až po prostorový
zvuk Dolby Digital AC3),
 možnost přenosu jiných datových toků (např. rozhlasové programy),
 možnost volby kvality obrazu a zvuku,
 vysoké zabezpečení metody ochrany pro podmíněný přístup k placeným programům
či službám CA (Conditional Access),
 zlepšení kvality příjmu zejména v oblastech s odrazy díky tzv. ochrannému
intervalu,
 možnost budování tzv. jednokmitočtových vysílacích sítí SFN (Single Frequency
Network), která umožňuje provozovat všechny vysílače DVB-T v dané oblasti na
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
75
jednom kmitočtu (kanále), což přináší výhodu v podobě úspory kmitočtového
spektra,
možnost mobilního příjmu s využitím přenosných přijímačů s jednoduchými
anténami (konstrukce přijímače na bázi diverzitního příjmu),
na zajištění pokrytí oblasti signálem televizního vysílání možnost použití vysílačů
s menším výkonem.


Oproti analogovému vysílání přináší digitální systém DVB-T několik zásadních výhod,
mezi které lze zejména zařadit zvýšení počtu programů, zvýšení kvality obrazu a zvuku,
možnost přenosu doplňkových služeb a možnost mobilního příjmu televizního vysílání.
6.3.2
Srovnání příjmu analogového a digitálního televizního vysílání
Příjem analogového televizního vysílání se potýkal s celou řadou problémů. V případě
nekvalitního příjmu jsme se mohli setkat s tzv. efekty „sněžení“, které bylo způsobeno
nedostatečnou hodnotou úrovně přijímaného signálu. Vliv vyskytujících se odrazů na
přijímací anténě způsoboval v obraze tzv. „duchy“. Další problémy spojené se zhoršením
kvality obrazu způsobovalo rušení ze stejného, případně vedlejšího kanálu a rušení
z impulzních zdrojů.
kvalita obrazu
U digitálního příjmu je situace zdánlivě jednoduší. Bezproblémový příjem signálu nám
zaručuje příjem v nejvyšší možné kvalitě a to i v případě vzrůstající vzdálenosti od vysílače,
jak je znázorněno na Obr. 6.1 [20]. Problémový příjem (rušení, nízká hodnota úrovně
přijímaného signálu apod.) znamená v lepším případě tzv. efekt „čtverečkování“ obrazu,
v horším případě jeho zamrznutím případně úplným výpadkem obrazu.
dobrá kvalita
digitální "Cliff" efekt
digitál
analog
oblast plánování služeb
bez obrazu
vzdálenost od vysílače
Obr. 6.1: Srovnání příjmu analogového a digitálního příjmu z hlediska plánování služeb
Vzhledem k tomu, že přechod z kvalitního příjmu na žádný signál je velice rychlý,
vyžaduje se, aby na vysokém procentu míst byla zajištěna minimální nutná úroveň signálu. Za
dobrý příjem se pak považuje takový, kde je tato úroveň zajištěna na 95 % míst, 70 % míst
odpovídá přijatelnému příjmu.
76
6.3.3
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Druhy příjmu
Z hlediska plánování pokrytí a možností systému DVB-T rozlišujeme následující druhy
příjmu [20]:
 Pevný příjem – příjem se směrovou anténou na střeše budovy ve výšce 10 m nad
zemským povrchem.
 Přenosný příjem
 třídy A – vnější (outdoor) příjem přenosným přijímačem s připojenou nebo
vestavěnou anténou mimo budovy s anténou ve výšce 1,5 m nad zemí,
 třídy B – vnitřní (indoor) příjem přenosným přijímačem s připojenou nebo
vestavěnou anténou uvnitř budovy s anténou ve výšce 1,5 m nad podlahou
místnosti (v přízemí, s oknem na vnější stěně).
 Mobilní příjem – příjem při pohybu s jednoduchou všesměrovou anténou umístěnou
1,5 m nad zemí nebo příjem diverzitním přijímačem (více všesměrových antén pro
potřeby zamezení Dopplerova efektu).
6.3.4
Varianty systému DVB-T
Systém DVB-T je možno dle počtu nosných kmitočtů v rámci tzv. multiplexu COFDM
(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) rozdělit na:
 systém 2k obsahující celkem 1705 nosných v 1 televizním kanále o šířce 8 MHz
 systém 8k obsahující celkem 6817 nosných v 1 televizním kanále o šířce. 8 MHz
Další varianty systému se liší použitým způsobem modulace (QPSK, 16-QAM
64-QAM), kódovým poměrem (tzv. konvolučním kódem – 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8)
a ochranným intervalem (D/TU = 1/4, 1/8, 1/16 nebo 1/32), jak je uvedeno v Tab. 6.1. Systém
DVB-T umožňuje rovněž tzv. hierarchický přenos, kdy je jedna modulace přenášena
v modulaci druhé (např. QPSK v 64-QAM). V takovém případě hovoříme o tzv. hierarchické
modulaci, pomocí které je možno v určitém balíku programů přenášet různé programy
s různou přenosovou rychlostí, ale o to robustněji. Robustnost systému je chápána jako
odolnost příjmu vůči rušení za různých přijímacích podmínek. Tento způsob modulace je
výhodný např. pro zajištění vysílání pro mobilní příjem.
V celoevropském měřítku se používá:
 Varianta C2 – vhodná pro kvalitní přenos 4 TV programů v 1 multiplexu bez
použití statistického multiplexování (tj. bez dynamické změny přenosové rychlosti
pro jednotlivé TV programy podle momentálního obsahu scény), při statistickém
multiplexování pro 5 TV programů v 1 multiplexu bez doplňkových rozhlasových
služeb.
 Varianta B2 – vhodná pro kvalitní přenos 3 TV programů v 1 multiplexu bez
použití statistického multiplexování, jinak pro 4 TV programy bez vysílání dalších
doplňkových služeb.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Tab. 6.1:
77
Varianty systému DVB-T
Vysílací parametry těchto dvou variant jsou uvedeny v Tab. 6.2. Datové toky připadající
na obrazový signál jednoho TV programu těchto variant jsou uvedeny v Tab. 6.3. Varianta
A2, která se vyznačuje omezenou přenosovou rychlostí je pak vhodná pro mobilní příjem.
Tab. 6.2:
Vysílací parametry používaných variant systému DVB-T v Evropě
Tab. 6.3:
Datové toky připadající na obrazový signál jednoho TV programu
78
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Systém DVB-T umožňuje z hlediska použitého způsobu modulace, kódového poměru
a ochranného intervalu vytvořit celkem 60 variant systému o různém užitečném datovém toku
vysílaného signálu.
6.3.5
Princip DVB-T
Po technické stránce vychází systém DVB-T z normy ETS EN 300 744. Princip DVB-T je
možno shrnout do několika základních bodů:








digitalizace vstupních obrazových a zvukových signálů,
redukce datového toku informace (komprese signálu),
sloučení více televizních programů do jednoho balíku (multiplex),
ochrana užitečného datového toku (kódování, interleaving),
použití digitálních modulací QAM a QPSK,
aplikace principu C-OFDM,
vložení ochranného intervalu,
samotné vysílání.
Zjednodušené blokové schéma tvorby multiplexu je znázorněno na Obr. 6.2 [20].
Vstupní studiové obrazové a zvukové signály jsou nejdříve zdigitalizovány. Výsledkem je
nekomprimovaný formát digitálního signálu označovaný jako ITU R-601. Výsledná
přenosová rychlost tohoto signálu je pak 216 Mbit/s, což je hodnota platná pro obrazový
signál ve standardní kvalitě SDTV (864 obrazových bodů tzv. pixelů, 625 řádků) při
8 bitovém kvantování a vzorkovacím kmitočtu 13,5 MHz. Pro 10 bitové kvantování se tato
přenosová rychlost zvyšuje na 270 Mbit/s, v případě obrazu s velkou rozlišovací schopností
HDTV (High Definition Television) pak hovoříme o přenosové rychlosti až 864 Mbit/s.
studio
pracoviště zodpovědné za tvorbu multiplexu
studio 1
video
audio
studio 2
video
audio
A/D
ITU R.601
MPEG kodér
video (MPEG-2)
audio (MPEG-1.2)
MPEG kodér
video (MPEG-2)
audio (MPEG-1.2)
MPX
vysílač DVB-T
jednoprogramový tok
(3-5 Mbit/s)
data
A/D
ITU R.601
transportní tok
n programů
(max 32 Mbit/s)
MPX
data
studio 3
video
audio
A/D
ITU R.601
MPEG kodér
video (MPEG-2)
audio (MPEG-1.2)
MPX
COFDM
modulátor
zesilovač
filtr
MPX
data
studio 4
video
audio
A/D
ITU R.601
MPEG kodér
video (MPEG-2)
audio (MPEG-1.2)
MPX
data
Obr. 6.2: Blokové schéma tvorby multiplexu
Přenášet takto objemné signály by bylo značně nehospodárné a prakticky nereálné
neboť by vyžadovalo použití velké šířky pásma. Proto je třeba tento signál komprimovat
(zdrojové kódování). K tomuto účelu se využívá kodér MPEG-2, který dokáže přenosovou
rychlost signálu SDTV zmenšit na hodnotu 4-15 Mbit/s. Nadbytečost (redundance)
digitálního obrazového signálu se zmenšuje díky snížení počtu bitů potřebných pro přenos.
K tomu se využívá:
 Diferenciální impulzní kódová modulace DPCM (Differential Pulse Code
Modulation) – jejím použitím dochází k redukci redundance v časové oblasti
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO


79
v důsledku tzv. predikčního kódování, kdy se pro přenos použije jen rozdíl skutečné
hodnoty vzorku s hodnotou predikovanou. Rozlišujeme zde tzv. dopřednou
predikci, kdy se porovnává hodnota určitého vzorku v televizním řádku např.
s hodnotou předešlého vzorku ve stejném řádku a zpětnou predikci, při které
dochází k předpovědi současného snímku ze snímku, který bude následovat. Dále
zde existuje tzv. prostorová predikce, při které dochází k porovnání hodnot např. ve
stejném snímku (půlsnímku). Skupina snímků, ve které se po určitém intervalu
opakují snímky bez predikce, se označuje jako GOP (Group of Pictures). Typická
délka této skupiny obsahuje celkově 12 snímků a je tvořena jedním snímkem
s kódováním uvnitř snímku bez predikce I (Intra frame coded Picture), třemi
snímky s jednosměrnou dopřednou predikcí P (inter frame forward predicted
Picture) a osmi snímky s obousměrnou predikcí B (Bidirectional predicted Picture)
získaných ze snímků I a P nebo P a P.
Následné transformační kódování s využitím diskrétní kosinové transformace DCT
(Discrete Cosine Transform) – úkolem tohoto kódování je převod hodnot vzorků
navzájem závislých na jiné vzorky v sousedství na sobě nezávislých, jejichž
hodnoty jsou soustředěny do menší rozlohy matice než v případě vzorků
netransformovaných. Transformací se převádí diskrétní signál z časové oblasti
(matice signálových prvků) do oblasti kmitočtové (matice kmitočtových
koeficientů). Transformace celého snímku najednou, který je tvořen např.
720 x 576 prvky je z hlediska dekodérů v přijímačích výrobně neúnosné, a proto se
matice vzorků rozdělují na bloky 8 x 8 prvků, jež obsahují 64 obrazových bodů
(pixelů).
Kódování s proměnnou délkou slova VLC (Variable Length Coding) označované
jako tzv. entropické kódování – délka kódového slova přenášeného vzorku se mění.
U častěji vyskytujících se hodnot je krátká a u méně častých hodnot se používá
delších kódovacích slov.
Komprimace doprovodného zvukového signálu vycházel původně z algoritmu MPEG-1
(vrstva 1 nebo 2) resp. MPEG-2 (vrstva 2). S příchodem komprese obrazu ve formátu MPEG4 AVC/H.264) se zavedla komprese zvuku ve formátu AAC (Advanced Audio Coding)
a MPEG-1 (vrstva 3- MP3). Vstupní zvukový signál o přenosové rychlosti 768 kbit/s (jakostní
studiový signál, 16 bitové kvantování, vzorkovací kmitočet 48 kHz) je komprimován na
výstupní signál s přenosovou rychlostí 100-200 kbit/s (dle vzorkovacího kmitočtu – 32 kHz,
44,1 kHz, 48 kHz). Pro snížení potřebného počtu bitů se využívá tzv. proměnné dynamické
kvantování podle povoleného kvantizačního šumu maskovaného v různých částech
kmitočtového spektra různě silnými akustickými složkami.
Zdrojové signály obrazu a zvuku jsou rozděleny do menších jednotek tzv. paketů, které
jsou opatřeny informačním záhlavím, což zajišťuje vysokou flexibilitu systému DVB-T.
Vytvořené pakety pak slouží pro potřeby synchronizace obrazu, zvuku a jiných přídavných
dat. Tento paketizovaný elementární datový tok je označován zkratkou PES (Packetized
Elementary Stream). Dílčí signály se tak mohou multiplexovat do jednoprogramového
transportního toku. Hlavní multiplexer pak představuje spojení několik televizních programů
do vysílaného výsledného transportního toku.
80
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Na televizní signál šířící se prostřednictvím pozemních vysílačů působí mnoho rušivých
vlivů, mezi které lze zařadit zejména mnohocestné šíření signálů a vznik odrazů. V případě
nekomprimovaného signálu o přenosové rychlosti 216 Mbit/s způsobí ve výsledném obraze
výpadek jednoho bitu (vlivem rušení) chybnou reprodukci jednoho pixelu, což je pro
pozorovatele sotva postřehnutelné. V případě komprimovaného signálu se však už jedná
o výpadek celého makrobloku, tedy 64 pixelů, což už má na výsledný obraz znatelný vliv.
Zkomprimovaný signál je tedy potřebné dále zabezpečit proti rušení vyskytujícímu se mezi
vysílačem a přijímačem na přenosové trase signálu. V této souvislosti se signál dále
podrobuje procesu kanálového kódování spojeného s prokládáním (interleaving) signálu.
Pro ochranu transportního toku signálu DVB-T se využívá dopředná korekce dat FEC
(Forward Error Correction). Princip je založen na tzv. zřetězení použitých způsobů
kódového zabezpečení signálu, která v sobě zahrnuje:
 Vnější (hlavní) ochranu – tato je realizována pomocí Reed Solomonova blokového
kódu, který zajišťuje ochranu před skupinovými chybami.
 Vnější bytové prokládání – realizováno pomocí konvolučního prokladače, jež
obsahuje zpožďovací paměti, do kterých se v jednotlivých krocích zpracování
signálů přenese jeden symbol do vstupu a zpožděný symbol z výstupu této paměti.
Zařazování pamětí u dekodérů pak musí mít opačné pořadí než o kodérů pro potřeby
zajištění inverzního prokládacího procesu.
 Vnitřní ochranu – tato je realizována pomocí konvolučního kodéru, který zajišťuje
ochranu před chybami nezávislými.
 Vnitřní bitové prokládání – je složeno z bitového prokládání, za kterým následuje
prokládání symbolů. Postupy bitového a symbolového prokládání jsou založeny na
blocích.
Rozdíl mezi těmito kódy je v tom, že u blokového kódu (vnější ochrana) se
k informačním symbolům přidávají symboly opravující, čímž dochází k redundanci tedy
navýšení objemu přenášených dat, zatímco u konvolučního binárního kódu se žádné korekční
(opravné) bity nepřidávají. Informační bity se v tomto případě různým způsobem ovlivňují
(konvolují).
Systém DVB-T používá pro přenos tzv. ortogonální kmitočtově dělený multiplex
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Všechny nosné v jednom rámci
OFDM jsou modulovány modulací QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM. V jednom okamžiku a na
jedné subnosné jsou tedy přeneseny 2, 4 nebo 6 bitů. Modulace QPSK je cca 4-5 krát
odolnější proti šumu než modulace 64-QAM a z tohoto důvodu nalézá uplatnění zejména pro
mobilní variantu příjmu. Výhodou systému DVB-T je rovněž možnost využití hierarchické
modulace založené na použití základních konstelací modulací 16-QAM a 64-QAM, kdy
každá „virtuální větev“ takto vytvořeného vysokofrekvenčního kanálu má vlastní přenosovou
rychlost, odolnost proti šumu a částečně odlišnou oblast pokrytou signálem.
Mnohocestné šíření signálu představuje z pohledu přijímače vyřešit problém s příjmem
odražených signálů, které mají vzhledem k přímému signálu různé časové zpoždění,
amplitudu a fázi. Přenášené bity digitálního signálu pak mění své hodnoty vlivem
mezisymbolových interferencí ISI (Inter Symbol Inteference), což v konečném důsledku vede
k poruchám obrazu. Tento problém, který je typický pro vyšší konstelace modulace QAM
(16-QAM, 64-QAM) se řeší prodloužením šířky přenášeného symbolu. Odražené signály
s malou dobou zpoždění pak neovlivní sousední bity.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
81
Kvalitní přenos obrazových a zvukových signálů v systému DVB-T je zabezpečen
použitím principu s vyšším počtem nosných kmitočtů C-OFDM (Coded – data jsou
zabezpečena proti chybovosti Reed Solomonovým kódem a konvolučním kódem, které
zajišťují dopřednou korekci chyb FEC). Každý symbol je tvořen:
 6817 nosnými (z celkového počtu 8192=213 → systém 8k),
 1705 nosnými (z celkového počtu 2048=211 → systém 2k).
Délka trvání vysílání symbolu TS se skládá:
 z užitečné části s trváním TU,
 z ochranného intervalu s trváním Δ (vkládán před TU).
Princip ochrany signálu OFDM vůči odrazům (zabránění překrývání symbolů) spočívá
v použití metody vkládání ochranného intervalu, kdy se celkové trvání symbolů prodlouží
o délku ochranného intervalu. V důsledku toho odražené signály přicházejí do přijímače
v době, kdy ještě přijímač detekuje, nic nepřijímá (doba ochranného intervalu). Ochranný
interval sehrává důležitou roli rovněž při vytváření jednofrekvenčních sítí SFN, kdy přijímač
přijímá kromě více přímých i mnoho odražených signálů. Délka ochranného intervalu
v takovéto síti pak určuje maximální vzdálenost dvou a více vysílačů. Např. ochranný interval
Δ=1/8 odpovídá době šíření 112 µs, během které urazí signál DVB-T vzdálenost cca 30 km.
Tato vzdálenost odpovídá maximální možné vzdálenosti vysílačů sítě SFN pro zamezení
vzájemného rušení signálů přijatých z obou vysílačů. Vzhledem k tomu, že signály přijímané
v jednofrekvenční síti mohou být přijímačem považovány za signály odražené, musejí být
vysílané signály všech vysílačů sítě SFN kmitočtově a časově synchronizovány.
6.4 DVB-T2
Nástupnický standard digitálního televizního vysílání prostřednictvím pozemních vysílačů,
systém DVB-T2, vychází z původního standardu DVB-T. Rozvoj DVB-T2 v České republice
se datuje od roku 2010, kdy byl v měsíci květnu uskutečněn první test tohoto systému na
vysílači Praha-Žižkov. Dlouhodobější test se uskutečnil ze stejného vysílače v období
11/2010 až 12/2011. Během tohoto období byly v rámci testu dočasně spuštěny i další dva
vysílače (Jihlava-Javořice a České Budějovice-Kleť). Ukončení testu souviselo se
zveřejněním tzv. D-Booku – souhrnu minimálních požadavků na specifikaci, vybavení
a technické parametry DVB-T2, integrovaných přijímačů STB (Set Top Box) pro český trh.
V červenci 2012 bylo následně spuštěno experimentální vysílání z vysílačů Praha-Žižkov
a Plzeň-Krkavec.
Systém DVB-T2 přináší oproti systému DVB-T hned několik významných vylepšení
a přínosů:
 navýšení přenosové kapacity o 30 % – efektivnější využití frekvenčního spektra,
kdy 1 multiplex (1 TV kanál) umožní přenos až 20 programů SDTV nebo až
5 programů HDTV,
 vyšší datový tok umožňující ekonomický přenos HDTV – přínos v podobě
krystalicky čistého obrazu, realističtějších barev a jejich přechodů a využití
širokoúhlého formátu 16:9 díky rozlišení 1920 x 1080 pixelů, což představuje až 5x
podrobnější obraz (2 073 600 bodů na snímek) oproti SDTV (414 720 bodů na
snímek),
82
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava






široká nabídka doprovodných služeb (např. prostorový zvuk – 5 hlavních
plnorozsahových kanálů a 1 nízkofrekvenční basový kanál - subwoofer, výběr
jazyků nebo multimediální elektronický programový průvodce EPG – Electronic
Program Guide),
možnost kombinování s technologií trojrozměrného televizního vysílání 3D TV
(3 Dimensional TV), vysíláním pro mobilní zařízení Mobile TV nebo multimediální
službou typu hybridní televize Hbb TV (Hybrid Broadcast Broadband TV),
možnost výstavby větších sítí SFN – navýšení maximální vzdálenosti mezi
sousedními vysílači o 30 % (pro stejnou úroveň signálu a obdobnou úrovni rušení),
lepší zabezpečení přenosu – výběr různých úrovní zabezpečení a robustnosti,
plná využitelnost systému nejen pro stacionární, ale i pro mobilní příjem,
snížení energetické náročnosti signálu a snížení poměru špičkového k průměrnému
vysílacímu výkonu.
Po technické stránce vychází systém DVB-T2 z normy ETS EN 302 755. V Tab. 6.4 je
uvedeno srovnání systémů DVB-T a DVB-T2. Tučně jsou zde vyznačeny jiné či nové
rozšiřující hodnoty parametrů systémů DVB-T2.
Tab. 6.4:
Srovnání systémů DVB-T a DVB-T2
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
83
7 Družicové komunikační sítě
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.
7.1 Družicové služby
Družicové komunikační systémy nabízí širokou škálu služeb [21], rozlišujeme:
 Fixní (pevné) družicové služby FSS (Fixed Satellite Services) – radiokomunikační
služby mezi pozemskými stanicemi umístěnými na pevně stanovených bodech na
zemském povrchu při použití jedné nebo více družic. Tyto služby mohou zahrnovat
i mezidružicové spoje. Z hlavních služeb poskytují tyto systémy lze uvést přenos
dat, telefonní služby či přenosy televizních a rozhlasových signálů. Typickým
příkladem systému poskytujícího služby FSS je systém INTELSAT.
 Mobilní družicové služby MSS (Mobile Satellite Services) – radiokomunikační
služby mezi pohyblivými pozemskými uživateli (mobilními pozemskými stanicemi)
s jednou nebo více družicemi pro spojení s těmito objekty za pohybu nebo při jejich
zastávkách. Tyto 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.
Z hlavních služeb poskytují tyto systémy lze uvést přenos dat, telefonní služby či
telekonferenční přenosy. Typickým příkladem systému poskytujícího služby MSS je
systém INMARSAT.
 Radiodeterminační družicové služby RDSS (Radiodetermination Satellite Services)
– tyto služby mají širší význam než služby radionavigační neboť kromě služeb pro
určení polohy poskytují i hlasovou komunikaci. Tyto systémy jsou na rozdíl od
radionavigačních systémů z hlediska směru komunikace obousměrné a tak polohu
daného účastníka mohou zjistit i ostatní účastníci. Typickým příkladem systému
poskytujícího služby RDSS je systém IRIDIUM.
 Radionavigační družicové služby RNSS (Radionavigation Satellite Services) – tyto
systémy nabízejí službu určení polohy účastníka pro potřeby jeho navigace
v oblasti, ve které se daný účastník nachází. V současné době existuje několik
systémů poskytujících tyto služby. Nejznámějším a také nejpoužívanějším
systémem je americký navigační systém NAVSTAR/GPS. Alternativou tohoto
systému je ruský systém GLONASS a čínský systém COMPASS známý pod
označením BEIDOU II. Dalším typickým příkladem systému RNSS je námořní
navigační satelitní systém NNSS, který je známý pod názvem TRANSIT. Všechny
84
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava


tyto systémy lze označit za pasivní radionavigační systémy, kdy je signál vysílaný
z družic těchto systému mobilním terminálem pouze přijímán. Obousměrnou
komunikaci má poskytnou evropský systém GALILEO, který bude umožňovat
posílat přes tyto družice údaje o své poloze rovněž ostatním uživatelům.
Družicové služby pro rozhlasové a televizní vysílání BSS (Broadcast Satellite
Services) – tyto systémy nabízí služby rozhlasového a televizního vysílání přes
družice k pozemním stanicím pro tzv. individuální příjem prostřednictvím fixních
terminálů s velkými anténami. Typickým příkladem systému poskytujícího služby
BSS je satelitní systém ASTRA.
Mezidružicové služby ISS (Inter-Satellite Services) – tyto systémy poskytují
z hlediska družicových oběžných drah dva typy služeb. V prvním případě se jedná
o vytvoření spojení a komunikaci mezi družicemi umístěnými na geostacionární
oběžné dráze (GEO). Druhým typem je pak komunikace mezi družicí umístěnou na
geostacionární oběžné dráze a družicí umístěnou na nízké oběžné dráze (LEO).
Typickým příkladem systému poskytujícího služby ISS je systém TRDS (Tracking
and Data Relay Satellite).
Frekvenční pásma přidělené pro družicové služby jsou uvedena v Tab. 7.1 [21].
Tab. 7.1:
Frekvenční pásma přidělené pro družicové služby
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
85
7.2 Oběžné dráhy
Družice mohou opisovat kolem Země buď kruhové, nebo eliptické dráhy (orbity), které
můžeme popsat pomocí následujících parametrů [21]:



apogeum – nejvzdálenější bod od Země,
perigeum – nejbližší bod od Země,
perioda – čas, během kterého družice projde jedenkrát celou dráhu.
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.
7.2.1
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. hlasová komunikace). 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.
7.2.2
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
86
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
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.
7.2.3
HEO
Tyto 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 nad
povrchem Země. Mění se také rychlost družice na této dráze, která je velká v oblasti perigea
a malá v oblasti apogea. Přibližně 2/3 oběžné periody družice setrvává v 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, že dokážou pokrýt svým signálem i oblasti zeměpisných pólů.
Hlavními představiteli těchto systémů jsou družice Tundra a Molnija.
7.2.4
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.
Srovnání jednotlivých oběžných drah je uvedeno v Tab. 7.2 [21].
Tab. 7.2:
Srovnání oběžných drah
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
87
7.3 Systémy družicové navigace - GPS
Nejznámějším a nejpoužívanějším systémem družicové navigace je původně vojenský systém
GPS (Global Position System). Historie tohoto systému se datuje do počátku 60. let 20.
století, kdy vojenské námořnictvo USA začalo rozvíjet projekt TRANSIT. O něco později se
o družicovou navigaci začalo zajímat i letectvo USA. Obě vojenské složky postupovaly ve
vývoji těchto systémů odděleně. Až teprve počátkem 70. let 20. století vydalo Ministerstvo
obrany Spojených států amerických memorandum, jímž podřídilo další vývoj družicových
navigačních systémů vzdušným silám. Původně samostatné projekty obou vojenských složek
byly sloučeny do jediného programu označeného názvem NAVSTAR/GPS. Od 1. 7. 1973 řídí
program společná programová skupina JPO (Joint Program Office), zřízená při kosmické
divizi velitelství systémů vzdušných sil USA (US Air Force Systems Command, Space
Systems Division, Navstar GPS Point Program Office) na letecké základně v Coloradu.
V prosinci 1973 obdržela JPO oficiální povolení k zahájení prací na systému
NAVSTAR/GPS, které probíhaly v několika etapách. Od začátku 90. let je systém bezplatně
přístupný i pro civilní uživatele po celém světě.
Systém GPS je tvořen třemi základními segmenty (Obr. 7.1) [22]:

kosmický segment,

kontrolní,

uživatelský.
Obr. 7.1: Základní segmenty systému GPS
Pro správnou funkci systému GPS jsou potřebné všechny tři segmenty. Do jisté míry je
můžeme považovat za nezávislé součásti, které jsou dohromady svázané jen přesným časem,
který představuje základní stavební prvek celého systému.
7.3.1
Kosmický segment
Kosmický segment představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem 55º
k rovině rovníku Země (Obr. 7.2) [22], což zaručuje, že po celých 24 hodin jsou na
jakémkoliv místě na Zemi trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic. Družice se
88
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
pohybují rychlostí 11300 km/h ve vzdálenosti 20190 km od povrchu Země. Během jednoho
otočení Země kolem své osy uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země. Jeden oběh
družice tedy trvá 11 h 58 min, a proto se družice další den na stejném místě oběžné dráhy
vyskytuje vždy o 4 minuty dříve. Na každé ze šesti kruhových drah je umístěno 5 družic,
přičemž pátá pozice je vyhrazena pro záložní družici, která se aktivuje v případě výpadku
jedné z okolních družic. Systém GPS tedy disponuje celkem 30 družicemi, z čehož pro
zajištění plné funkčnosti systému postačuje 24 funkčních družic.
Obr. 7.2: Kosmický segment systému GPS
7.3.2
Kontrolní (řídící) segment
Kontrolní segment (viz Obr. 7.3) [22] se skládá z:

pěti monitorovacích stanic – tyto stanice jsou umístěny rovnoměrně po obvodu
Země, většinou blízko rovníku. Nacházejí se na Havajských ostrovech, na atolu
Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově
Ascension ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického
oceánu a v Colorado Springs v USA.

čtyř pozemních vysílačů – tyto jsou umístěny na ostrovech Ascension, Diego
Garcia, na atolu Kwajalein a na Havaji.

hlavního řídícího střediska – toto středisko sídlí na Schrieverově letecké základně
v Colorado Springs v Coloradu.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
89
Obr. 7.3: Kontrolní segment systému GPS
Hlavním úkolem kontrolního segmentu je sledování drah družic a stavu jejich
atomových hodin. Stará se o provádění korekcí v dráze letu i vysílaném signálu družic
a zajišťuje synchronizaci atomových hodin. V době zapnuté selektivní dostupnosti bylo
úkolem kontrolního segmentu zajistit pomocí modifikace družicového signálu požadovanou
míru degradace přesnosti určení polohy. Dále je kontrolní segment zodpovědný i za
nejrůznější provozní opatření, z nichž nejdůležitější jsou správa a údržba stávajících družic
(např. změny oběžných drah a pozic družic, stahování vysloužilých družic z oběžné dráhy
a podílení se i na přípravě vypouštění nových družic).
7.3.3
Uživatelský segment
Uživatelský segment (viz Obr. 7.4) [22]se skládá z přijímačů GPS, které mají k dispozici
uživatelé tohoto systému a vyhodnocovacích nástrojů a postupů. Na základě přijatých signálů
z družic pak tyto přijímače provádí předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. Pro výpočet
všech čtyř souřadnic (x, y, z, t) je zapotřebí přijímat signály alespoň ze čtyř družic. Přijímače
GPS jsou používány pro navigaci, určování polohy, měřictví, určování přesného času, ale
i pro jiné účely.
90
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Obr. 7.4: Uživatelský segment systému GPS
Základní úlohou systému GPS je navigace ve třírozměrném prostoru. Navigační
přijímače jsou vyrobeny pro letadla, lodě, pozemní vozidla, pro kosmická tělesa a také
v ručním provedení. Přesné určování polohy je pak možné při použití referenčních přijímačů
umístěných na místech o známé poloze, která pak umožňují získat korekce pro opravu
výpočtů z pozemních stanic.
7.3.4
Signály vysílané družicemi GPS
Každý signál vysílaný družicí GPS je dán kombinací nosné vlny, dálkoměrného kódu
a navigační zprávy a jeho vytváření probíhá v několika krocích. Velice důležitou roli při
vytváření vysílaného signálu má tzv. základní frekvence (f0 = 10,23 MHz), ze které jsou jejím
násobením a dělením odvozovány veškeré složky vysílaného signálu.
Družice vysílají signály na dvou nosných frekvencích:

Frekvence L1 (1575,42 MHz odpovídající vlnové délce 19 cm) je modulována
dvěma dálkoměrnými kódy reprezentovanými tzv. pseudonáhodnými šumy PRN
(Pseudo-Random Noise). Jedná se o přesný nebo též kód P (Precision, P-code),
který může být pro vojenské účely zašifrován a tento kód se pak označuje jako
kód Y a o hrubý/dostupný nebo též kód C/A (Coarse/Acquisition, C/A code), který
není šifrovaný. Signály modulující první nosnou frekvenci L1 se označují jako
signály standardní polohové služby SPS (Standard Positioning Service).

Frekvence L2 (1227,60 MHz odpovídající vlnové délce 24 cm) je modulována jen
kódem P resp. jeho šifrovanou variantou, tedy kódem Y). Většina civilních
přijímačů užívá pro měření pouze kód C/A. Frekvence L2 je používána pro přesnou
polohovou službu PPS (Precise Positioning Service) a umožňuje měřit zpoždění
signálů při průchodu ionosférou. Je využívána jen speciálně vybavenými přijímači.
Kromě kódu C/A a kódu P je oběma nosnými frekvencemi přenášen ještě binární kód
obsahující navigační zprávu, který je kódován pomocí fázových posunů nosných vln.
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
91
Provozovatel GPS, tedy Ministerstvo obrany USA, má možnost kdykoliv snížit přesnost
tohoto systému tzv. selektivní dostupností SA (Seclective Availibility). Ta sníží přesnost kódu
C/A takovým způsobem, že výsledná přesnost určení polohy může být pozemními přijímači
vypočtena s chybou až 100 m. Chybu vnesenou SA je možné téměř zcela eliminovat pomocí
diferenčních korekcí, které mohou zvýšit přesnost určování polohy až na 1 metr.
Pro to, aby přijímač GPS mohl určit svou polohu, je nezbytné znát přesnou polohu
vysílající družice v době odeslání dálkoměrného kódu. Tato poloha se počítá na základě
parametrů dráhy družice, která tyto údaje sama vysílá ve formě navigační zprávy. Navigační
zpráva obsahuje mimo parametry oběžné dráhy dané družice i celou řadu dalších údajů:

Čas vysílání počátku zprávy.

Přesné efemeridy družice – efemeridy obsahují přesná data o poloze dané družice,
která jsou cca jednou za hodinu aktualizována hlavním řídícím střediskem GPS.

Údaje umožňující přesně korigovat čas vysílání družice.

Almanach – obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS, která jsou
aktualizována cca jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach,
který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze.

Koeficienty ionosférického modelu – tyto koeficienty jsou použity přijímačem pro
přibližný odhad vlivu ionosféry na signál GPS v oblasti jeho výskytu.

Stav družice – informuje uživatele o případných závadách na družici a o jejím
možném využití pro určení polohy.
Na základě údajů získaných z navigační zprávy je tedy možné vypočítat přesnou polohu
družice a přesný čas odeslání přijaté sekvence dálkoměrného kódu.
Navigační zpráva, vysílána frekvencí 50 Hz, je rozdělena do celkem 25 rámců (viz
Obr. 7.5) [22]. Každý rámec obsahuje celkem 1500 bitů a doba trvání každého rámce je 30 s.
Rámec je složen z 5 podrámců po 300 bitech (10 třicetibitových slov) s dobou trvání 6 s.
Prvním slovem je vždy slovo telemetrické TLM (Telemetry Word), které nese informaci
o začátku podrámců. Druhým slovem je slovo předávací HOW (Handover Word), které
obsahuje pořadí podrámce v aktuálním týdnu GPS (7×24×60×2×5=100 800 možných hodnot)
a pořadové číslo podrámce v aktuálním rámci. Ostatní slova obsahují 24 informačních bitů,
které se využívají pro přenos zprávy. Zbývajících 6 bitů se využívá pro zabezpečení přenosu
(kanálové kódování) pomocí Hammingova kódu.
Obr. 7.5: Struktura navigační zprávy GPS
92
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Každý rámec navigační zprávy obsahuje 5 podrámců (viz Obr. 7.6) [22], jež obsahují
níže uvedené informace:
1. podrámec – číslo týdne GPS, stav dané družice, odhad zpoždění vysílaného signálu,
korekce pro atomové hodiny a další,
2. podrámec – efemeridy dané družice 1. část
3. podrámec – efemeridy dané družice 2. část
4. podrámec – almanach a stav družic 25-32, data pro ionosférický model,
5. podrámec – almanach a stav družic 1-24.
Obr. 7.6: Rámec navigační zprávy GPS
Princip určení polohy je znázorněn na Obr. 7.7 [22]. Je založen na výpočtu vzdálenosti
přijímače od okolních družic z doby šíření signálu (o rychlosti světla) se započítáním vlivů
atmosféry.
Obr. 7.7: Princip určení polohy
Při použití jedné družice je na základě pravidel geometrie určena poloha přijímače na
povrchu koule (např. koule A) o poloměru odpovídajícímu vzdálenosti, jejíž střed tvoří daná
družice. Při použití dvou družic je možná poloha přijímače určena kružnicí vzniklou průnikem
dvou koulí (A a B). S využitím třetí družice se nám určení polohy zpřesní natolik, že
odpovídá dvěma bodům, přičemž ten, který následně můžeme vyloučit, leží buď vysoko
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
93
v prostoru, nebo hluboko v Zemi. Zbývající bod nám pak určuje polohu přijímače. Pro přesné
určení polohy je však potřeba využít signálu minimálně ze 4 družic, neboť k výpočtu
neznámých souřadnic (x,y,z) se přidává další neznámá a tou je odchylka hodin přijímače od
hodin družic (odchylka o 1 ms představuje chybu vzdálenosti téměř 300 km). Se zvyšujícím
se počtem družic, které se budou podílet na určení polohy, se bude přesnost měření zvyšovat.
Mezi faktory ovlivňující přesnost určení polohy můžeme zařadit:

Řízení přístupu k signálům z družic.

Stav družic.

Rozsah přesnosti měření.

Vícecestné šíření.

Počet a geometrické uspořádání viditelných družic.

Vliv ionosféry a troposféry.

Typ přijímače.

Platnost a přesnost určení efemerid.

Odchylka hodin přijímače od hodin družice.
Dalšího zpřesnění určení polohy přijímače systémem GPS je umožněno využitím
diferenční korekce pro signál GPS tzv. DGPS (Diferential GPS). Princip spočívá v určení
chyby měření (odchylky vzdálenosti), kterou vypočítává referenční stanice (s přesně známou
zeměpisnou polohou) vůči určení polohy pomocí systému GPS. Tuto chybu pak referenční
stanice předává pomocí vhodného komunikačního kanálu přijímačům GPS nacházejícím se
v jejím okolí.
Modernější obdobou DGPS je americký korekční (vylepšující) systém WAAS (Wide
Area Augmentation Service), jehož korekční signál je přenášen prostřednictvím
geostacionární družice nad daným územím, a který je možno přijímat prostřednictvím
přijímačů GPS. V Evropě se tato služba nazývá EGNOS (European Geostationary
Navigation Overlay System), v Asii pak MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation
System). Typická přesnost určení polohy přijímače s využitím signálu GPS je okolo 20 m.
S využitím výše uvedených vylepšujících systémů jsou jednotlivé přijímače GPS schopny
zkorigovat svou vlastní pozici na mnohem přesnější hodnotu, která se pohybuje okolo 1,5 až
2 m.
7.3.5
Další družicové navigační systémy
Mezi nejvýznamnější družicové systémy (mimo systém GPS) dále patří:

Ruský družicový navigační systém GLONASS (GLObalnaja NAvigacionnaja
Sputnikovaja Sistěma).

Evropský družicový navigační systém GALILEO (ve vývoji) – na rozdíl
od vojenských navigačních systémů GPS a GLONASS je tento systém navržen jako
projekt řízený a spravovaný civilní správou. Plný systém by měl obsahovat 30
družic, z nichž 27 bude operačních a 3 záložní. Družice budou obíhat ve třech
rovinách po kruhových oběžných drahách na střední oběžně dráze Země (MEO)
ve výšce 23 222 km. Všechny roviny oběžných drah budou svírat s rovinou rovníku
úhel 56°, což zajistí využití navigačního systému i v místech ležících
94
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
na 75° zeměpisné šířky. Pomocí systému Galileo bude možno určit aktuální polohu
přijímače s přesností lepší než jeden metr. Systém bude poskytovat 4 typy služeb:
 základní služba OS (Open Service) – základní signál, poskytovaný zdarma,
 komerční služba CS (Commercial Service) – tato služba bude navíc využívat ještě
další dva kódované signály, které budou řízeny poskytovateli služeb a budoucím
operátorem systému; přístup bude kontrolován na úrovni přijímače s využitím
přístupového klíče,
 veřejně regulovaná služba PRS (Public Regulated Service) – tato služba bude
využívat dva šifrované signály; přístup k této službě budou mít pouze vybraní
uživatelé (především bezpečnostní složky státu),
 vyhledávací a záchranná služba SAR (Search And Rescue service) - služba
nouzové lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby COSPASSARSAT s možností oboustranné komunikace.

Čínský družicový navigační systém COMPASS/Beidou II (ve vývoji).
Všechny uvedené družicové navigační systémy (GPS, GLONASS, GALILEO
a COMPASS/Beidou II) pak společně tvoří tzv. globální družicový polohový systém GNSS
(Global Navigation Satellite System).
Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
95
Seznam použité literatury
[1]
IEEE. [online]. [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: http://www.ieee.org/.
[2]
Bluetooth. [online]. [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: https://www.bluetooth.org/.
[3]
PUŽMANOVÁ, Rita. Širokopásmový Internet: Přístupové a domácí sítě. Brno:
Computer Press, 2004. ISBN 80-251-0139-8.
[4]
ZigBee Alliance. [online]. [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: http://www.zigbee.org/.
[5]
WiFi Alliance. [online]. [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: http://www.wi-fi.org/.
[6]
VLACH, J.; PRŮŠA, Z.; RAJMIC, P. Interaktivní applety pro vybrané operace se
signály. In Elektrorevue [online]. 14. 1. 2009 [cit. 3. 4. 2009]. Dostupné na internetu:
<http://www.elektrorevue.cz/cz/download/interaktivni-applety-pro-vybrane-operacese-signaly-1/> ISSN 1213-1539.
[7]
BURDA, Jiří. Zemské mobilní rádiové sítě a přenos dat. 1. vyd. Praha: Wirelesscom,
2000, 159 s. ISBN 80-238-5727-4.
[8]
DECT Forum. [online]. [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: http://www.dect.org/.
[9]
HANUS, Stanislav. Bezdrátové a mobilní komunikace. 1. vyd. Brno: VUT, 2001, 134
s. ISBN 80-214-1833-8.
[10 ]
WiMAX
Forum.
[online].
http://www.wimaxforum.org/.
[cit.
[ 11 ] Standardy
IEEE
802.16
[online].
http://www.ieee802.org/16/published.html.
2014-07-25].
[cit.
2013-08-26].
Dostupné
Dostupné
z:
z:
[12 ]
ŽALUD, Václav. Radiokomunikace 2006: Alternativní systém širokopásmové rádiové
komunikace WiMAX. 1. vydání. Pardubice: UNIT s.r.o., 2009.
[13 ]
Access Server. MACH, P. Přenosy dat ve standardu IEEE 802.16 (WiMAX) [online].
2008 [cit. 2014-07-25]. Dostupné z: http://access.feld.cvut.cz/.
[ 14 ] MARTYNEK, Lukáš. Datové přenosy v mobilních sítích. Ostrava, 2010. Diplomová
práce. VŠB-TU Ostrava. Vedoucí práce Ing. Roman Šebesta, Ph.D.
[ 15 ] Český rozhlas. KRUPIČKA, M. Czech Radio history [online]. 2013 [cit. 2014-07-25].
Dostupné z: http://www.radio.cz/.
[ 16 ] Recommendation BS.1514 - System for digital sound broadcasting in the broadcasting
bands below 30 MHz. ITU. [online] 03 2011. [Citace: 24. 09 2013.]
http://www.itu.int/rec/R-REC-BS.1514/.
[ 17 ] MIKULÁŠTÍK, K. Radiokomunikace 2012: Digitální rozhlasové vysílání DRM(+) –
vývoj ve světě, perspektivy u nás. In: 1. vydání. Pardubice: UNIT s.r.o., 2012.
[18 ]
ŽALUD, Václav. Moderní radioelektronika. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura,
2000, 653 s. ISBN 80-860-5647-3.
[19 ]
DRM. DIGITAL radio mondiale. [online] 23. 09 2013. [Citace: 23. 09 2013.]
http://www.drm.org/.
96
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
[ 20 ] LEGÍŇ, Martin. Televizní technika DVB-T. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura,
2006, 286 s. ISBN 80-730-0204-3.
[ 21 ] DOBOŠ, L., J. DÚHA, S. MARCHEVSKÝ a V. WIESER. Mobilné rádiové siete.
1 vyd. Žilina: Žilinská univerzita, 2002, 312 s. ISBN 80-710-0936-9.
[ 22 ] GAVLÍK, Michal. Systém pro určování polohy GPS. Ostrava, 2007. Bakalářská práce.
VŠB-TUO. Vedoucí práce Ing. Roman Šebesta, Ph.D.

Podobné dokumenty

MKT - Modul 6

MKT - Modul 6 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 t...

Více

Fyzika 9

Fyzika 9 se neruší. Zákon akce a reakce platí bez ohledu na to, zda jsou síly elektrické, gravitační, magnetické či jiné. Síly mezi vodiči se nazývají elektrodynamické síly (na rozdíl od elektrostatických s...

Více

Standardizace

Standardizace takové, jaké se zamýšlelo, že mají být (např. formát kreditní, čipové či telefonní karty, protokol komunikace, politika poskytování služby). V českém prostředí, které historicky existuje spíše v ně...

Více

ZLK072_oznameni ( 432 kB )

ZLK072_oznameni ( 432 kB ) řešena tak, aby vždy dva pokoje sdílely společné sociální zařízení. Předpokládanou součástí objektu je technické zázemí a společné pobytové prostory. Celý ubytovací komplex je celoročně využitelný ...

Více

GNSS

GNSS jeden každý den – Zpřesnění použitím lepších měřidel a zjemnění měření (např. směr a rychlost co ½ hodiny, záznamové zařízení) 2. Měření časového rozdílu mezi lokálním časem a časem na

Více

GPS a geocaching

GPS a geocaching díky cesiovému nebo rubídiovému krystalovému oscilátoru. Starají se o frekvenční stabilitu vysílaného signálu a do pozemního přijímače ho přenášení ve formě zakódovaných dat v pásmu kolem 1,566 MHz...

Více

Síťové standardy

Síťové standardy 1. IEEE 802.15 - Bezdrátové osobní sítě (Wireless Personal Area Network, WPAN) 2. IEEE 802.11 - Bezdrátové lokální sítě (Wireless Local Area Network, WLAN) 3. IEEE 802.16 - Bezdrátové metropolitní ...

Více

Geodézie pro stavitelství KMA/GES Přístroje a metody měření délek

Geodézie pro stavitelství KMA/GES Přístroje a metody měření délek  Pásmo se napne silou, která by měla odpovídat 100 N.  Po napnutí pásma a přesném nastavení nuly pásma na počáteční značku pomocník na druhém konci pásma prováží konec pásma na terén pomocí olovn...

Více

Academia Bohemica Medicinae Physiologicae Regulatoriae

Academia Bohemica Medicinae Physiologicae Regulatoriae Fyziologická regulační medicína nabízí léčiva, která obsahují aktivní látky v nanokoncentracích, tedy z pohledu farmakologie subfarmakologické dávky. Mechanismus účinku těchto látek je fyzikálně-ch...

Více