Základy mobilních sítí

Základy mobilních sítí
Ivan Pravda
Autor: Ivan Pravda
Název díla: Základy mobilních sítí
Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro
e-learningovou výuku v prezenční a kombinované
formě studia
Evropský sociální fond
Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE
V současnosti jsou mobilní telekomunikační sítě s velkou pravděpodobností nejdynamičtěji se
rozvíjejícími telekomunikačními sítěmi na světě. S jejich postupným rozšiřováním
a zdokonalováním tak narůstá i počet účastníků využívajících jejich služeb. Se zvyšujícím se
počtem účastníků pak rostou požadavky na přenosovou kapacitu a tím pádem je vyvíjen
enormní tlak na portfolio jimi poskytovaných služeb.
CÍLE
Výklad se v rámci modulu odvíjí od 2. generace mobilních systémů, tj. od digitálních systémů
GSM. Student se přehledně seznámí s problematikou mobilních sítí a získá konkrétní
představu o funkčním uspořádání mobilních sítí a principu činnosti jejich jednotlivých částí,
jako jsou subsystém základnových stanic, síťový spojovací subsystém a operační subsystém.
Dále jsou součástí modulu kapitoly věnované problematice přenosu dat v mobilních sítích
a popis 3. generace mobilních systémů konkrétně systému UMTS.
LITERATURA
[1]
VODRÁŽKA, J.; PRAVDA, I.: Principy telekomunikačních systémů. ČVUT Praha,
2006. 137 stran. ISBN 80-01-03366-X.
[2]
JANSEN, H.; RÖTTER, H. a kolektiv: Informační a telekomunikační technika.
Vydavatelství Europa – Sobotáles cz. Praha, 2004. 383 stran. ISBN 80-86706-08-7.
[3]
SVOBODA, J. a kolektiv: Telekomunikační technika (III.díl) – Telekomunikační služby
a sítě. Odborné nakladatelství Hüthig&Beneš Praha, 1999. 136 stran. ISBN 80-9019367-6
Obsah
1 Radiové prostředky .............................................................................................................. 6
1.1
Radiové přenosové cesty ............................................................................................ 6
1.2
Základní způsoby dělení radiových prostředků.......................................................... 7
1.3
Přehled využívaných technologií ............................................................................... 8
2 Mobilní telekomunikační sítě ............................................................................................ 10
2.1
Úvod do problematiky .............................................................................................. 10
2.2
Buňkové mobilní telefonní sítě ................................................................................ 11
2.3
Princip sektorizace ................................................................................................... 13
2.4
Přístupové metody .................................................................................................... 14
2.5
Provoz s automatickým přepojením (Handover)...................................................... 16
2.6
Mobilní sítě GSM – mobilní sítě 2. generace ........................................................... 18
2.7
Struktura sítě GSM ................................................................................................... 20
2.8
Spojovací proces v síti GSM .................................................................................... 22
2.9
Struktura a princip funkce mobilní stanice............................................................... 23
2.10
Mobilní stanice v GSM a její návaznost na základnovou stanici BTS .................... 25
2.11
GSM a používané standardy..................................................................................... 27
2.12
Přenos dat v síti GSM a generace 2G5 mobilních systémů ..................................... 28
2.13
Přenos dat typu CSD v síti GSM .............................................................................. 30
2.14
Přenos dat typu HSCSD v síti GSM ......................................................................... 32
2.15
Přenos dat typu GPRS v síti GSM............................................................................ 34
2.16
Přenos dat typu EDGE v síti GSM ........................................................................... 36
3 Budoucnost mobilních telekomunikačních sítí ................................................................ 38
3.1
Mobilní sítě UMTS – mobilní sítě 3. generace ........................................................ 38
3.2
Struktura systému UMTS ......................................................................................... 40
3.3
Přístupová síť systému UMTS ................................................................................. 41
3.4
Páteřní síť systému UMTS ....................................................................................... 43
3.5
Mobile IP .................................................................................................................. 45
4 Závěrečný test ..................................................................................................................... 46
1 Radiové prostředky
1.1 Radiové přenosové cesty
K realizaci radiového přenosu se využívají elektromagnetické vlny specifických
kmitočtů, které lze efektivně šířit volným prostorem. Množinu vhodných
elektromagnetických vln označujeme termínem radiové vlny. Radiové vlny lze dle
jejich využití rozdělit do několika následujících kategorií (viz následující výčet
a obrázek):
•
rozhlasová pásma (oblast stovek kHz až desítek MHz) – dlouhé, střední,
krátké a velmi krátké vlny
•
televizní pásma (oblast desítek až stovek MHz)
•
mobilní sítě a mikrovlnná pásma (nosné kmitočty jednotky GHz)
•
družicové spoje, radioreléové spoje a širokopásmové přístupové sítě (nosné
kmitočty až desítky GHz)
Kmitočtová pásma využívaná radiovými prostředky
Radiové systémy mohou velmi vhodně doplňovat pevné (kabelové) přístupové
prostředky, a to zejména všude tam, kde je to výhodné nebo lze pomocí nich
vytvářet svébytné mobilní i pevné sítě poskytující široké portfolio služeb.
Nejekonomičtějšího uplatnění dosahují radiové systémy zejména v těžko
přístupných oblastech a v oblastech s řídkým osídlením, kde se nevyplatí budovat
kabelové rozvody, a to především díky rychlosti, se kterou lze radiové prostředky
nasadit do provozu. Dají se přechodně využít také tam, kde zákazník potřebuje
připojit k síťové infrastruktuře ihned.
1.2 Základní způsoby dělení radiových
prostředků
Radiové prostředky lze rozlišovat dle celé řady různých hledisek. Uveďme si pro
představu několik základních a klíčových kategorií:
•
dle šířky kmitočtového pásma na úzkopásmové a širokopásmové radiové
systémy,
•
dle směru přenosu na jednosměrné (distribuční) a obousměrné rádiové
systémy,
•
dle uspořádání na radiové systémy typu bod-bod (Point-to-Point) a typu bodvíce bodů (Point-to-Multipoint),
•
dle mobility účastníka na pevnou bezdrátovou přípojku a plně mobilní
terminál,
•
dle využitých přenosových prostředků na pozemní a družicové radiové
systémy.
Dále můžeme dělit radiové prostředky a sítě podle portfolia poskytovaných služeb
na telefonní, datové, apod. Další možnosti dělení jsou např. dle používaného
kmitočtového pásma, dle používané modulace, resp. kódování, dle způsobu
sdílení přenosové kapacity na frekvenční FDM (Frequency Division Multiplex)
a časové TDM (Time Division Multiplex) nebo dle přístupu ke sdíleným
prostředkům na frekvenční FDMA (Frequency Division Multiplex Access), časové
TDMA (Time Division Multiplex Access) a kódové CDMA (Code Division
Multiplex Access), v neposlední řadě pak na veřejné a privátní, atd.
7
1.3 Přehled využívaných technologií
Pro úplnost a celistvost našeho úvodního přehledu je zde zcela jistě vhodné uvést
ještě souhrnný rozbor používaných technologií, které mají úzkou vazbu k tématu
prezentovaného modulu.
Do první kategorie technologií radiokomunikačních sítí lze zařadit analogové
i digitální bezšňůrové systémy, které doplňují a v některých případech i zcela
nahrazují klasické telefonní přístroje. Do této kategorie bezesporu patří systémy
CT (Cordless Telephone) ve verzích CT0, CT1 a CT2 a systémy DECT (Digital
European Cordless Telephone). Účelem výše uvedených systémů je především
nahradit pevné kabelové připojení účastníka a zároveň mu umožnit mobilitu
v rámci určité omezené oblasti. Jedná se tedy většinou v principu o typický
úzkopásmový přístupový systém pro realizaci pevného bezdrátového připojení
účastníka telefonní sítě WLL (Wireless Local Loop).
Druhou kategorii zastupují analogové i digitální buňkové (celulární) systémy
tvořící infrastrukturu svébytných mobilních radiokomunikačních sítí. Jako příklad
zde uveďme systémy 1. generace (analogové) typu NMT (Nordic Mobile
Telephone), dále pak systémy 2. generace (digitální) typu GSM (Global System
for Mobile Communication), a v neposlední řadě systémy 3. generace typu UMTS
(Universal Mobile Telecommunication System). Podrobněji se jim budeme
věnovat dále.
Do třetí kategorie můžeme začlenit bezdrátové technologie sloužící pro pokrytí
požadavků a potřeb účastníků v rámci lokálních a personálních sítí typu LAN
(Local Area Network) a PAN (Personal Area Network). Patří sem standard IrDA
(InfraRed Data Association) ve verzích 1.0 a 1.1, dále pak v současnosti
dynamicky se rozvíjející technologie BluetoothTM. Pro úplnost přehledu zde
uveďme technologie sítí WLAN (Wireless Local Area Network) založené na
standardu 802.11x a v Evropě vyvíjenou technologii HIPERLAN (High
Performance Local Area Network).
Čtvrtou kategorii lze spojit s technologiemi zajišťujícími tzv. paging. Pod pojmem
paging je v rámci radiových systémů chápána jednosměrná radiokontaktní služba.
Mezi pagingové radiové systémy patří např. evropský systém ERMES (European
Radio Message System) nebo globální systém RDS (Radio Data System).
Poslední pátou a svým způsobem i trochu specifickou kategorii radiových
systémů tvoří satelitní (družicová) komunikace. Nejedná se totiž o přístupové
systémy v pravém slova smyslu, protože jejich pokrytí zahrnuje podstatnou část
zemského povrchu a vedle mezikontinentálního spojení mají význam především
pro lodní a leteckou dopravu a pokrytí nepřístupných, resp. řídce osídlených
oblastí. Nicméně pro svou činnost využívají výše zmíněné radiové prostředky
a proto má jejich kategorie v tomto přehledu své opodstatnění. Jako zástupce této
kategorie je možné zde uvést např. analogové i digitální systémy INMARSAT
(International Mobile Satellite Organization), dále systémy IRIDIUM,
GLOBALSTAR a bylo by možné uvést i celou řadu dalších.
Přehled všech kategorizovaných technologií používaných pro mobilní komunikaci
souhrnně uvádí následující obrázek.
8
Přehled technologií pro mobilní komunikaci
V dalších kapitolách se podrobněji zaměříme na buňkové (celulární) systémy,
resp. na mobilní telekomunikační sítě.
9
2 Mobilní telekomunikační sítě
2.1 Úvod do problematiky
Vedle bezdrátových řešení suplujících pevné připojení lze v současnosti pro
datovou komunikaci využít i rostoucích možností mobilních sítí. Mobilní sítě totiž
vedle vlastní přístupové radiové části zahrnují i celou infrastrukturu sítě
umožňující plošné poskytování služeb. Pro blízkou i vzdálenější budoucnost mají
dnes význam výhradně digitální systémy.
Digitální mobilní sítě GSM (Global System for Mobile Communication)
představují druhou generaci mobilních systémů a lze je charakterizovat jako
digitální buňkové mobilní radiotelefonní systémy.
Pro označení nastupující třetí generace mobilních systémů se používá zkratka
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Jde o digitální systémy,
které pracují v pásmu 2 GHz, a které sjednotí různé bezdrátové přístupové
technologie současnosti do jedné celistvé infrastruktury schopné nabídnout široký
rozsah multimediálních služeb s garantovanou kvalitou.
Generace mobilních systémů
Generace
1. generace
(1980 až 1995)
2. generace
(1992 až 2000)
2,5. generace
(1999 až 2010)
3. generace
(2004 až dosud)
Název
NMT (Nordic Mobile Telephone);
FIN, S, N, DK
AMPS (Advanced Mobile Telephone
System); USA
TACS (Total Access Communication
System); UK, IRL
RADIOCOM 2000; FR
GSM (Global System for Mobile
Communication)
DAMPS (Digital AMPS), resp. IS136;
USA
PCS 1900 (Personal Communication
System); USA
PDC (Personal Digital
Communication)
GPRS (General Packet Radio
Service)
EDGE (Enhanced Data rates for
Global Evolution)
CDMA 2000 (1×EV-DO, 1×EV-DV)
UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System)
LTE (Long Term Evolution)
10
Vlastnosti
Analogové
systémy
Národní systémy
HOVOR
Digitální systémy
HOVOR + DATA
HOVOR + DATA
MULTIMÉDIA
2.2 Buňkové mobilní telefonní sítě
Mobilní telefonní spojení je možné realizovat použitím rádiových
telekomunikačních prostředků, jejichž provoz zpravidla navazuje na provoz
pevných telefonních sítí. Výslednou sestavu tvoří:
•
soustava pevných (základnových) stanic BTS (Base Transceiver Station)
•
mobilní stanice MS (Mobile Station)
Jeden z nejdůležitějších základních principů aplikovaný u moderních mobilních
telekomunikačních systémů spočívá v rozdělení celého obsluhovaného území na
dílčí elementární oblasti, tzv. buňky (Cell), které obsluhuje vždy konkrétní
základnová stanice.
Velikosti buněk užívaných v různých mobilních systémech závisejí především na
typu a účelu mobilního systému a lze je například klasifikovat následujícím
způsobem:
•
pikobuňka (kancelářské a bytové prostředí) – dosah signálu je maximálně
několik stovek metrů
•
mikrobuňka (městské aglomerace s hustou zástavbou) – zaměřuje se zejména
na pomalejší účastníky (např. auta v městském provozu, chodci), pokrytí
signálem v rámci jedné buňky je maximálně několik kilometrů
•
makrobuňka (velké a řídce osídlené oblasti) – je primárně určena pro rychle se
pohybující účastníky (např. vozidla na silnicích), průměr buňky je maximálně
několik desítek kilometrů
•
satelitní buňka (oblast dosažitelná telekomunikační družicí) – umožňuje
spojení i v místech, která jsou pro předešlé typy buněk nedostupná, dosah
signálu je závislý na poloze družice, resp. na její oběžné dráze a na
parametrech vysílacího a přijímacího zařízení
11
Rozdělení obsluhované oblasti do buněk
Buňková struktura mobilní sítě bývá nejčastěji vytvářena použitím makrobuněk
o průměru maximálně několik desítek kilometrů. Příklad radiového pokrytí určité
oblasti založený na buňkovém principu znázorňuje předchozí obrázek. Pro
buňkovou strukturu mobilní sítě je nutné a charakteristické tzv. kmitočtové
plánování. Kmitočtový plán pracuje se třemi nebo sedmi frekvencemi.
V libovolném svazku pak mohou být použity stejné frekvence (f1 až f3, resp. f1 až
f7), pokud dodržíme podmínku, že oblast všech tří, resp. sedmi buněk svazku se
přibližně rovná průměru interferenční zóny.
12
2.3 Princip sektorizace
V předchozí kapitole jste se dozvěděli, že každá libovolná buňka mobilní sítě je
obsluhována vždy jednou konkrétní základnovou stanicí. Při pokrytí velkého
území technickými prostředky mobilních sítí však není takto koncepce příliš
vhodná, a to především z hlediska příliš vysokého počtu potřebných základnových
stanic. Tento počet však lze výrazně zredukovat použitím principu tzv.
sektorizace.
Jeden svazek z předchozího obrázku rozdělme na 21 menších buněk (viz
následující obrázek – sekce a)). Počet dostupných kanálů se tak nezměnil, ale
stoupl počet potřebných základnových stanic právě na hodnotu 21. Jejich počet
však můžeme výrazně redukovat sektorizací na 7, a to za podmínky, kdy
jednotlivé základnové stanice neumístíme ve středech buněk, ale ve společných
bodech tří sousedících buněk vytvářejících jeden sektor (viz následující obrázek –
sekce b)).
Princip sektorizace buňkové sítě
Pro každou z těchto sedmi stanic potom budou použity tři samostatné směrové
antény se třemi vysílači/přijímači. V tomto případě bude tedy počet základnových
stanic stejný jako na obrázku s rozdělením obsluhované oblasti do buněk, ale
vytvoříme síť s mnohem lepšími provozními vlastnostmi (např. nižší vysílací
výkony a zvětšení počtu současně obsluhovaných mobilních stanic).
V oblastech s velkou hustotou radiotelefonních stanic bude tedy nutné používat
malé buňky (dosah 300 až 500 m), v oblastech s nižší hustotou pak postačí buňky
s většími rozměry (dosah 1 až 10 km) a ve velmi málo zatížených oblastech může
být průměr buňky až desítky km.
13
2.4 Přístupové metody
V rámci jedné buňky musí být zajištěno, aby mohlo být ve stejném časovém
intervalu navazováno a provozováno spojení mezi základnovou stanicí a větším
počtem mobilních stanic. K tomu účelu slouží metody umožňující tzv.
vícenásobný přístup (Multiple Access). Máme-li pro daný radiokomunikační
systém k dispozici určité vyhrazené frekvenční pásmo, můžeme použít některou
z následujících základních přístupových metod:
•
vícenásobný přístup s kmitočtovým dělením FDMA (Frequency Division
Multiple Access) rozděluje přidělené frekvenční pásmo na dílčí subpásma,
kterým pak přiřazuje jednotlivé komunikační kanály.
•
vícenásobný přístup s časovým dělením TDMA (Time Division Multiple
Access) vytváří v určitém konkrétním frekvenčním subpásmu časový rámec
a jeho jednotlivé kanály pak přiděluje na principu časového multiplexu.
•
vícenásobný přístup s kódovým dělením CDMA (Code Division Multiple
Access) zpracovává datovou posloupnost na vysílací straně každého
komunikačního kanálu procesem dalšího kódování dle unikátního kódovacího
předpisu, který je záměrně odlišný od kódovacího předpisu všech ostatních
kanálů. Signály všech komunikačních kanálů se tedy přenášejí ve stejném
frekvenčním pásmu a bez nutnosti časového rozlišení. Na přijímací straně jsou
pak od sebe jednotlivé komunikační kanály rozlišeny pouze na základě
unikátního kódovacího předpisu, který byl použit pro jejich kódování.
Metody vícenásobného přístupu
V praktických aplikacích jsou často výše uvedené základní metody přístupu
kombinovány (např. FDMA/TDMA).
Pro účastnickou radiovou komunikaci se nejčastěji vyžaduje tzv. duplexní přenos.
Ve většině případů se pro každý směr přenosu využívá odlišného frekvenčního
pásma a příslušná metoda pro vytvoření duplexní komunikace se označuje jako
různopásmový duplexní přenos FDD (Frequency Division Duplex). V některých
případech je však možné oba kanály příslušející témuž okruhu rozlišit na základě
časového multiplexu, tj. dopřednému kanálu je přiřazen jeden interval v časovém
14
rámci a zpětnému kanálu pak časový interval odlišný. Takový způsob vytvoření
duplexního přenosu se označuje jako stejnopásmový duplexní přenos s časovým
dělením TDD (Time Division Duplex).
15
2.5 Provoz s automatickým přepojením
(Handover)
Mobilní stanice komunikuje vždy s nejbližší základnovou stanicí, přesněji řečeno
se stanicí poskytující v místě mobilní stanice nejsilnější signál. Pokud se však při
svém pohybu dostane mobilní stanice do oblasti sousední buňky, dojde
k automatickému přepojení probíhajícího spojení na základnovou stanici této
sousední buňky. Tento provozní režim je označován jako provoz s automatickým
přepojením neboli dle anglického termínu „Handover“.
Sledování polohy mobilních stanic v síti zajišťuje neustálé automatické
navazování spojení mezi mobilní a základnovou stanicí. Tento údaj se v mobilní
síti dále registruje, což umožňuje směrovat spojení k volanému účastníkovi přímo
do oblasti, kde se jeho stanice s velkou pravděpodobností právě nachází.
V sousedních buňkách se na základě kmitočtového plánování vždy používají
komunikační kanály s odlišnými frekvencemi. Při přechodu mobilního účastníka
přes hranici ležící mezi dvěma odlišnými buňkami je tak vždy nutné přeladit jeho
mobilní stanici.
Princip Handoveru
V mobilních sítích lze však z hlediska vlastního provozu sítě odlišit dva typy
„Handoveru“:
•
mezibuňkový handover (Intercell Handover), ke kterému dochází při
přechodu mobilního účastníka přes hranici ležící mezi dvěma odlišnými
buňkami
16
•
vnitrobuňkový handover (Intracell Handover), ke kterému dochází při pohybu
mobilní stanice uvnitř jedné konkrétní buňky, a který zajišťuje především
optimalizaci kvality spojení mobilní stanice se základnovou stanicí na nových
komunikačních kanálech ve srovnání s komunikačními kanály, které byly
mobilní stanici původně přidělené
17
2.6 Mobilní sítě GSM – mobilní sítě 2. generace
I v současné době je stále výrazně rozšířeným digitálním buňkovým systémem
globální systém pro mobilní komunikaci GSM (Global System for Mobile
Communications). Tento systém byl budován jako otevřený celoevropský
standard a svým nasazením umožnil vyřešit tzv. mezinárodní roaming, tedy
provozování jedné a téže mobilní stanice s jedním očíslováním, a to ve všech
státech, které tento systém přijmou.
Důležitý je systém identifikace účastníka založený na kartě SIM (Subscriber
Identity Module). Karta SIM obsahuje nejenom základní identifikační údaje
účastníka, ale i řadu dalších specificky individuálních informací, jako je např.
identifikační číslo účastníka, ověřovací klíč, informace o předplacených službách
nebo telefonní seznam účastníka. Mobilní stanici pak lze využívat pouze
s aktivací karty příslušného provozovatele, ale i zde jsou specifikovány výjimky
v podobě tísňových volání. Z hlediska uživatele je důležitý i systém kódování
a šifrování přenášené informace, který podstatně ztěžuje možnost odposlechu.
Systém GSM umožňuje poskytování zejména telekomunikačních služeb
(Teleservices) a přenosových služeb (Bearer Services).
Mezi telekomunikační služby (Teleservices) lze zahrnout především:
•
telefonie (včetně tísňového volání, a to i v cizí síti)
•
služby přenosu krátkých textových zpráv SMS (Short Message Services)
s možností vyslat maximálně 160 znaků mezi dvěma body v obou směrech
nebo s možností vyslat zprávy určené všem mobilním stanicím v buňce CBS
(Cell Broadcast Service) jako např. dopravní a meteorologické zprávy
•
záznamová služba (hlasová schránka)
•
e-mail – služba s návazností na elektronickou poštu sítě Internet
•
bankovní služby
•
informační služby
Mezi přenosové služby (Bearer Service) lze zahrnout především:
•
asynchronní duplexní přenos dat s přenosovými rychlostmi 300 až 9 600 bit/s
•
synchronní duplexní přenos dat s přenosovými rychlostmi 2 400 až 9 600 bit/s
Služby sítě GSM jsou nadále průběžně rozšiřovány a záleží jen na provozovateli
sítě (operátorovi), které z nich budou v jeho síti zavedeny. Jedná se zejména
o zvýšení přenosové rychlosti na 14,4 kbit/s, resp. při změně kódování až na
21,4 kbit/s.
Rozšiřují se i různé služby pro zvýšení účastnického komfortu. Např. zavedení
služby tzv. okamžitého účtování (Hot Billing) umožnilo používání předplacených
18
karet i službu jejich následného dobíjení, a tím vytvořilo skupinu anonymních
uživatelů, kteří neplatí paušální měsíční poplatky.
19
2.7 Struktura sítě GSM
Celková základní struktura systému GSM je uvedena na obrázku níže. Základní
strukturu systému GSM je možné rozdělit na tři základní části.
Subsystém základnových stanic BSS (Base Station
Subsystem)
Mobilní stanice komunikují se základnovými stanicemi BTS (Base Transceiver
Station). Několika základnovým stanicím je přiřazena jedna řídicí základnová
jednotka BSC (Base Station Controler), jejímž úkolem je zejména přidělovat
a uvolňovat rádiové kanály pro komunikaci s mobilními stanicemi MS (Mobile
Station) a zajišťovat správnou funkci „Handoveru“. Provoz systému vyžaduje, aby
každá mobilní stanice, která je v provozu, poskytovala systému informaci o své
poloze, a to v rámci buňky, ve které se nachází. Mobilní stanice většinou zachytí
signály několika nejbližších základnových stanic, ze kterých vždy vybere
optimální BTS, přes niž je pak navázáno spojení.
Síťový spojovací subsystém NSS (Network Switching
Subsystem)
Tento subsystém obsahuje zejména ústřednu MSC (Mobile Switching Centre), jež
je realizována běžným typem telefonní ústředny, která je však doplněna o další
funkce plynoucí z mobility přepojovaných účastnických stanic. Tato doplňující
zařízení vytvářejí soubor pro tzv. identifikační databáze, obsahující:
•
domovský registr HLR (Home Location Register) – uchovává informace
o všech účastnících v dané oblasti. Ověření (identifikaci) účastníka zde
zajišťuje autentizační centrum AuC (Authentication Centre). Každý účastník
sítě je uchováván pouze v jediném HLR.
•
návštěvnický registr VLR (Visitor Location Register) – uchovává přechodně
aktuální informace o mobilních účastnících pohybujících se v oblasti příslušné
ústředny MSC. Registr VLR si data vyžádá vždy z domovského HLR, a pokud
účastník opustí navštívenou oblast, jsou vždy tato data zrušena.
•
registr mobilních zařízení EIR (Equipment Identity Register) – uchovává
informace o jednotlivých mobilních stanicích (seznam autorizovaných stanic,
zcizených stanic, atd.).
Operační subsystém OSS (Operation Support Subsystem)
•
Zabezpečuje provoz subsystémů BSS (Base Station Subsystem) a NSS
(Network Switching Subsystem). Obsahuje především blok dohledového centra
ADC (Administrative Centre) řešící administrativní úlohy (např. zprávu
účastnických poplatků, vyúčtování, apod.), dále blok centra řízení sítě NMC
(Network Management Centre) zajišťující celkové řízení toku informací v síti,
20
a blok provozního a servisního centra OMC (Operation and Maintenance
Centre), řešící úlohy údržby a zajištění provozu sítě.
Architektura systému GSM
21
2.8 Spojovací proces v síti GSM
Spojovací proces při aktivním volání začíná nejprve výměnou signalizačních
údajů. Jedním z nejdůležitějších úvodních procesů je kontrola oprávněnosti
přístupu mobilní stanice do sítě.
Mobilní stanice vyšle své identifikační číslo IMSI (International Mobile
Subscriber Identity) prostřednictvím BTS a BSC až do MSC. Blok AuC vyšle
směrem k mobilní stanici náhodné číslo, které je zde přeměněno na základě
individuálních údajů a algoritmů SIM karty na jiné číslo, které je jako originální
odezva zasláno zpět do MSC. V bloku VLR je pak tento zcela individuální údaj
porovnán s databázovými údaji účastníka a v případě shody je pak mobilní stanici
povolen přístup do sítě.
Pro zajištění anonymity účastníka je komunikující stanici dále přiděleno
prozatímní identifikační číslo TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), pod
kterým se mobilní stanice identifikuje v oblasti příslušné MSC. Při přechodu
mobilní stanice do oblasti jiné MSC, se jí přidělí i jiné TMSI. Teprve po skončení
těchto procesů může dojít k vlastnímu přenosu uživatelských údajů.
Systém GSM navazuje na ostatní telekomunikační sítě (PSTN (Public Switched
Telephone Network), ISDN (Integrated Services Digital Network), družicové
telekomunikace). Vlastní provoz GSM sítí potom zajišťují operátoři, tedy
společnosti vlastnící příslušnou licenci pro provozování. V České republice byl
zahájen provoz první GSM sítě v roce 1996 firmou Eurotel (dnes skupina
Telefónica O2 Czech Republic), následovaný ještě v témže roce druhým
operátorem – firmou Radiomobil (síť Paegas, dnes T-mobile). V roce 1999 k nim
přibyl třetí operátor Český mobil (síť Oskar, dnes Vodafone).
22
2.9 Struktura a princip funkce mobilní stanice
V následujících dvou kapitolách se pokusíme názorně popsat strukturu a princip
funkce mobilní stanice a její návaznost na základnovou stanici.
Mobilní stanice MS se skládá z vysílací a přijímací části, řídicího mikroprocesoru,
SIM karty a dalšího příslušenství (mikrotelefon, klávesnice, displej, atp.).
Blokové schéma mobilní stanice
Analogový hovorový signál na výstupu mikrofonu je digitalizován A/D
převodníkem, který pracuje na principu PCM modulace (vzorkovací frekvence 8
kHz, vzorek o 13 bitech, lineární kvantování, přenosová rychlost signálu vp =
8000×13 = 104 kbit/s).
Další blok (KOD-Z) provádí na principu vokodéru, tj. řečového syntetizátoru, tzv.
zdrojové kódování, realizované metodou buzení RPE (Regular Pulse Excitation),
čímž dochází k redukci přenosové rychlosti na hodnotu vp = 13 kbit/s.
V bloku (KOD-K) je pak realizováno tzv. kanálové kódování, které redukovaný
digitální hovorový signál zabezpečuje proti chybám vzniklým při přenosu. Navíc
dochází k prokládání (Interleaving), jehož účelem je zvýšit odolnost signálu proti
shlukům chyb. Na přijímací straně se pak podle inverzního předpisu přijímaná
proložená posloupnost přemění na posloupnost původní. Dojde-li při přenosu ke
znehodnocení několika za sebou následujících bitů (shluk chyb), budou tyto bity
v původní posloupnosti od sebe vzdáleny, a tím mohou být pomocí uvedených
zabezpečovacích procesů opraveny.
Kromě toho je část signálu, která obsahuje uživatelskou informaci, ještě
podrobena procesu šifrování, za účelem znemožnění odposlechu radiové
komunikace. Po všech těchto úpravách činí přenosová rychlost v jednom kanálu
vp = 22,8 kbit/s.
Do modulátoru GMSK (MOD GMSK) pak vstupuje takto zpracovaná
posloupnost začleněná do TDMA rámce celkovou přenosovou rychlostí vp =
270,833 kbit/s (kanálový rámec o délce 156,25 bitu je přenesen za 0,577 ms).
23
Po zpracování v dalších obvodech rádiového vysílače (RV) je signál vyzářen
anténou mobilní stanice. Z hlediska vysílacího výkonu se mobilní stanice dělí do
pěti tříd v rozmezí 0,1 až 20 W.
V přijímacím směru probíhají transformace signálu opačně než ve směru
vysílacím. Signál přichází z antény do bloku rádiového přijímače (RP), odtud do
demodulátoru (DEM) a obou dekodérů (DEKOD-K, DEKOD-Z). V převodníku
D/A je pak digitální signál přeměněn na analogový a zaveden do telefonního
sluchátka.
24
2.10 Mobilní stanice v GSM a její návaznost na
základnovou stanici BTS
Ve standardu GSM 900 jsou k přenosu signálů vyhrazena dvě frekvenční pásma
o šířce 25 MHz se vzájemným odstupem 45 MHz. Pro přenos signálu ve směru
základnová stanice → mobilní stanice je určeno pásmo 935 MHz až 960 MHz.
Pro opačný směr je pak vyhrazeno pásmo 890 MHz až 915 MHz. Přístupová
metoda pro realizaci rádiového okruhu mezi mobilní stanicí a základnovou stanici
je založena na kombinaci frekvenčního (FDMA) a časového (TDMA) přístupu.
V rámci FDMA jsou obě frekvenční pásma rozdělena na 124 subpásem (F1 až
F124) o šířce 200 kHz. V každém subpásmu je pak dále metodou TDMA
vytvořeno 8 (časových) kanálů (T1 až T8).
Principiální blokové schéma mobilní stanice standardu GSM 900 a její vazby na základnovou
stanici
Každý kanálový rámec (Burst) o délce 156,25 bitů a s dobou trvání 0,577 ms
obsahuje bity uživatelské (UI) a služební informace (SI). Znamená to, že
základnová stanice má celkovou kapacitu maximálně 124×8 = 992 použitelných
dvojic kanálů, resp. radiových okruhů.
Takt je ve standardu GSM odvozen od frekvence taktovacího generátoru ft =
13 MHz. Základní přenosová rychlost je vp = 13 000 000/48 = 270 833,33 bit/s.
25
Jeden rámec TDMA (8 časových kanálů) má trvání 4,615 ms (multirámec je
složen z 26 rámců a má trvání 120 ms).
26
2.11 GSM a používané standardy
Základní aplikace GSM byly realizovány v pásmu 900 MHz. Nárůst provozu vedl
k dalším variantám s více frekvenčními pásmy. Během vývoje tak vznikly tři
standardy lišící se především použitým frekvenčním pásmem a počtem kanálů:
•
GSM 900 – pracující v pásmu 900 MHz, max. 2×124 kanálů, šířka pásma
2×25 MHz
•
GSM 1800 – pracující v pásmu 1800 MHz, max. 2×374 kanálů, šířka pásma
2×75 MHz
•
GSM 1900 – pracující v pásmu 1900 MHz, max. 2×298 kanálů, šířka pásma
2×75 MHz
Varianty GSM 1800 a GSM 1900 jsou někdy označovány jako systémy DCS
(Digital Communication System – digitální komunikační systém, nebo Digital
Cellular System – digitální buňkový systém).
Rozdělení frekvenčního pásma standardu GSM 1800 užívaného na evropském
kontinentu ukazuje následující obrázek.
Frekvenční pásmo standardu GSM 1800 a jeho dělení
Systém GSM 1800 nepřináší žádný zásadní technologický zvrat, ale umožňuje
uspokojit další zájemce o mobilní komunikaci, a to zejména ve velkoměstech.
Systém umožňuje vytvoření buď samostatné sítě nebo propojení se systémem
GSM 900, kdy se kombinují mikrobuňky GSM 900 s pikobuňkami GSM 1800,
jejichž cílem je obsloužení prostor s vysokou koncentrací mobilních telefonů
(např. obchodní domy nebo centra velkoměst). To však vyžaduje použití tzv.
dvoupásmových (duálních) mobilních stanic.
27
2.12 Přenos dat v síti GSM a generace 2G5
mobilních systémů
Základní rychlost mezi mobilní stanicí a sítí GSM je 13 kbit/s obousměrně (pro
přenos hovoru). Tento kanál lze užít nejen pro přenos hovoru, ale běžně i pro
přenos dat založeném na přepojování okruhů typu CSD (Circuit Switched Data)
rychlostí 9,6 kbit/s. V dalším kroku došlo ke zvýšení přenosové rychlosti až na
14,4 kbit/s, a to především díky snížení redundantní informace v podobě
ochranných kódů.
Výraznější zvýšení přenosových rychlostí umožňují až systémy dvou a půlté
generace označované jako 2+, resp. 2G5, a to buď využitím:
•
přenosu založenému na přepojování paketů GPRS (General Packet Radio
Service)) s dostupnou přenosovou rychlostí až 171 kbit/s nebo
•
pomocí přepojování okruhů HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
s dostupnou přenosovou rychlostí až 115 kbit/s symetricky.
Další zvyšování přenosových rychlostí je možné použitím systému EDGE
(Enhanced Data for GSM Evolution). V porovnání s konvenčním systémem GSM
je zde použita modulace s větším počtem stavů, konkrétně 8-PSK. Celkové
přenosové rychlosti datových přenosů se pohybují až kolem 384 kbit/s.
Přístup na Internet je možný díky technologii WAP (Wireless Application
Protocol), která zpřístupňuje obsah webových serverů a jejich informační služby
na mobilních terminálech i pomocí nízkokapacitních kanálů a displejů
s omezeným rozsahem zobrazení. Aplikaci datové komunikace a WAP dovoluje
v celém rozsahu technologie GPRS s paketově orientovaným přenosem
a rozšířenou přenosovou rychlostí teoreticky až do 192 kbit/s. Zavedení této
služby ovšem vyžadovalo mnohem rozsáhlejší a nákladnější zásahy nejen do
struktury GSM sítě, ale také do mobilních zařízení.
Infrastrukturu sítě GSM bylo u systémů 2G5 nutné doplnit o datový uzel SGSN
(Serving GPRS Support Node), který komunikuje s radiovou část sítě GPRS. Pro
přenos dat do jiných paketových sítí, např. Internetu, byl následně implementován
datový uzel GGSN (Gateway GPRS Support Node), který plní funkci směrovače.
Zjednodušenou infrastrukturu mobilní sítě 2G5 si můžete prohlédnout na
následujícím obrázku.
28
Zjednodušená infrastruktura mobilní sítě 2G5
29
2.13 Přenos dat typu CSD v síti GSM
Digitální mobilní sítě typu GSM byly sice primárně vyvinuty pro potřebu přenosu
hlasu, nicméně i lidský hlas přenášejí v digitálním tvaru. Díky tomu je pak pro ně
relativně snadné přenášet namísto hlasu i obecná data. Přesto však existují jistá
omezení související převážně s maximální dosažitelnou přenosovou rychlostí.
Samotný rádiový kanál systému GSM disponuje přenosovou rychlostí 33,8 kbit/s.
Z principu fungování sítě GSM je však pro každý časový interval (hovorový
kanál) k dispozici jen 22,8 kbit/s. Zbylých 11 kbit/s je využito jako režijní
přenosová kapacita sloužící pro zajištění funkcionality sítě GSM. Kapacitu
časového intervalu nelze beze zbytku využít výhradně k přenosu vlastních
uživatelských dat, protože i zde je třeba z důvodu zajištění spolehlivosti přenosu
vyhradit určitý počet režijních bitů. Přenos dat je tedy ve výsledku realizován
přenosovou rychlostí 9,6 kbit/s. Zbývající kapacity 13,2 kbit/s je tedy využito pro
zajištění spolehlivosti přenosu, ošetření chyb a výpadků. Tento princip přenosu
dat je stále velmi často používán a je označován jako CSD (Circuit Switched
Data), což znamená, že se jedná o přenos dat na principu přepojování okruhů.
Přenos dat prostřednictvím CSD
Po určité době však bylo úspěšně odzkoušeno, že datové přenosy nepotřebují vždy
tak vysoce robustní ochranné mechanismy a je tedy možné tyto procedury omezit,
a tím navýšit dostupnou přenosovou rychlost pro vlastní přenos dat. Konkrétně se
tak rychlost přenášených dat zvýšila na hodnotu 14,4 kbit/s, ale ovšem za
podmínky, že bude dostupný kvalitnější signál. V okrajových částech buňky
a stejně tak i v místech se slabým signálem se však efektivní využitelnost
navýšení přenosové rychlosti výrazně snižuje.
Zvýšit spolehlivost datových přenosů přidáváním režijních bitů k bitům
přenášeným však není jedinou možností. Je možné využít řešení využívající
zpětnou vazbu mezi odesílatelem a příjemcem. Pokud příjemce přijme data
poškozená, pošle o tom odesílateli žádost a ten na tuto žádost data opětovně pošle.
Tento proces samozřejmě vyžaduje, aby byly obě strany domluveny na tomto
30
postupu a je tedy nutno definovat protokol. Tento protokol se nazývá RLP (Radio
Link Protocol). Bitový tok je zde rozdělen na rámce po 200 bitech a k nim jsou
přidány bity pro detekci chyb a číslování rámců. Na přijímací straně je pak
testováno správné přijetí každého rámce a v případě chybného přenosu je
požadováno jeho opětovné odeslání.
Protokol RLP je implementován v koncových bodech sítě GSM, a to jednak
v samotném mobilním terminálu a jednak v ústředně MSC (Mobile Switching
Centre), resp. v na ní navazující jednotce spolupráce s externími sítěmi IWF
(InterWorking Function). Režim, kdy je tento protokol používán se nazývá
netransparentní přenos. Jeho výhodou je nízká chybovost, záporem je větší rozptyl
přenosové doby. Jestliže se pro přenos dat protokol RLP nepoužívá, jedná se
transparentní přenos. Existence tohoto režimu je nutná z toho důvodu, že některé
mobilní stanice a jiná koncová zařízení nemusí protokol RLP podporovat.
31
2.14 Přenos dat typu HSCSD v síti GSM
Jak bylo uvedeno v předchozí kapitole, na jednom časovém slotu jsou data
přenášena buď rychlostí 9,6 kbit/s nebo za pomocí zefektivnění zabezpečovacího
mechanismu a omezením prostoru pro režijní bity rychlostí až 14,4 kbit/s. Toto je
maximální dostupná přenosová rychlost, kterou lze využít v rámci jednoho
časového slotu. Jedinou možností, kterou je tedy možné navýšit rychlost
přenášených dat ve stávající síti GSM, je využít více časových intervalů současně.
Tento režim přenosu dat je označován zkratkou HSCSD (High Speed Circuit
Switched Data). Jedná se v principu stále o přenos dat s přepojováním okruhů,
který však oproti klasickému přenosu dat typu CSD přináší výrazné zrychlení.
Přenos dat prostřednictvím HSCSD
Jak je vidět z předchozího obrázku, komunikace mobilního terminálu
a základnové stanice BTS probíhá po více časových slotech současně podle toho,
kolik je jich dané stanici přiděleno. Přidělení slotů je závislé na momentálním
počtu dostupných kanálů a dále na schopnostech samotné mobilní stanice. Mezi
základnovou stanicí BTS a základnovou řídicí jednotkou BSC (rozhraní Abis) jsou
data přenášena po kanálech s rychlostí 16 kbit/s (v celkové přenosové rychlosti 2
Mbit/s je 32 kanálů rychlých 64 kbit/s, z nichž každý je dále rozdělen na 4×16
kbit/s). Těchto 16 kbit/s může být využito k přenosu hovorových dat (13 kbit/s)
nebo pro přenos dat rychlostí 14,4 kbit/s. Ke sloučení do kanálu s přenosovou
rychlostí 64 kbit/s dochází v základnové řídicí jednotce BSC, případně jednotce
TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit). Tato jednotka má za úkol
převádět kódovaná hovorová data 13 kbit/s do standardních 64 kbit/s hovorových
kanálů (PCM) nebo upravovat rychlost přenášených dat rovněž na rychlost 64
bit/s. Odtud také vychází maximální přenosová rychlost 64 kbit/s, které je možné
pomocí této technologie dosáhnout.
Přenos tímto způsobem může být, a ve většině případů tomu tak skutečně je,
asymetrický, to znamená, že ve směru od mobilní stanice k síti jsou například
přiděleny tři časové intervaly a ve směru k mobilní stanici je například přidělen
interval jeden. Tento způsob přidělování je velmi často používán a je vhodný
32
například pro připojení k Internetu, kdy data směřují převážně směrem od sítě
k uživateli. Standard, který režim HSCSD definuje, rozděluje dostupné režimy do
18 tříd podle toho, kolik kanálů je možno v jednotlivých směrech použít. Přehled
některých tříd je uveden v následující tabulce.
Přehled tříd HSCSD
Třída HSCSD
Maximální počet slotů
Příjem
Vysílání
Celkem
1
1
1
2
2
2
1
3
3
2
2
3
4
3
1
4
5
2
2
4
6
3
2
4
9
3
2
5
10
4
2
5
12
4
4
5
13
3
3
6
18
8
8
16
33
2.15 Přenos dat typu GPRS v síti GSM
Aby bylo možné v původní síti GSM, která je výhradně okruhově orientovaná,
zavést paketově orientovaný přenos, bylo nutné původní síť doplnit o vybavení
dle následujícího obrázku.
Přenos dat prostřednictvím GPRS
Datový uzel SGSN (Serving GPRS Support Node) komunikuje s radiovou část sítě
GPRS. Pro přenos dat do jiných paketových sítí, např. Internetu, pak slouží datová
brána GGSN (Gateway GPRS Support Node), která plní funkci směrovače.
Prostřednictvím přiděleného jména přístupového bodu APN (Access Point Name)
je umožněn uživateli přístup do definovaných sítí. Operátor může tímto způsobem
vyhradit přístup na dané APN pouze definované množině SIM karet a vytvořit tak
v síti GPRS privátní skupinu uživatelů, jejichž provoz je striktně oddělen od
provozu ostatního. Z předchozího tedy plyne, že lze tímto způsobem vytvářet jak
veřejné, tak i privátní datové sítě a rovněž je možné dle APN rozdílným způsobem
tarifikovat jednotlivé služby operátora, jako například WAP či MMS.
V rámci sítě GSM s GPRS již dochází ve spolupráci SGSN a BSC k efektivnímu
přidělování přenosových prostředků, což znamená, že přenosové prostředky jsou
mobilní stanici přiděleny pouze tehdy, pokud má data k odeslání nebo pokud data
přijímá.
Na rozdíl od přenosu dat v klasické síti GSM využitím HSCSD nedochází
k trvalému blokování přenosových cest.
Zvýšení přenosové rychlosti je u technologie GPRS možné díky sdružení více
kanálů pro jednoho účastníka v radiové části sítě a volbou vhodného kódovacího
systému pro tento kanál. V této souvislosti se hovoří o přenosu pomocí 3+1, 4+1,
popř. 4+2 kanálů (směrem k účastníkovi + směrem od účastníka). V případě
technologie GPRS je tedy využíván asymetrický přenos dat, kde směr
k účastníkovi má vyšší přenosovou rychlost. Hodnoty reálně dostupné přenosové
rychlosti jsou silně závislé na konkrétní lokalitě a jejím zatížení.
34
V síti GSM s implementovaným GPRS je zřejmý negativní vliv zpoždění
datových paketů způsobený průchodem paketů sítí. Hodnota zpoždění je silně
závislá na velikosti paketů. Krátké pakety (do 100 bytů) mají při přenosu zpoždění
od 0,5 do 2 sekund, a to v závislosti na stavu a zatížení sítě. Naopak pakety
s velikostí až 1 kB mohou mít zpoždění třeba i několik sekund.
35
2.16 Přenos dat typu EDGE v síti GSM
Technologie přenosu dat v mobilních sítích 2G5 nesoucí zkratku EDGE
(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) navyšuje kapacitu sítě a dostupnou
přenosovou rychlost, a to v kontextu technologií HSCSD a GPRS uvedených
v přechozích kapitolách. Cesta k vyšší efektivitě přenosu dat založené na bázi
dokonalejšího kódování a sdružování hovorových kanálů (slotů) je již vyčerpána,
a tak při maximální snaze zachovat vyhrazená frekvenční pásma, jejich rozdělení
na frekvenční kanály o šířce 200 kHz a jejich další členění pomocí techniky
časového multiplexu (TDMA) zbývá již jen možnost poslední, a tou je použití
odlišné techniky modulace.
Způsob, jakým technologie EDGE dosahuje navýšení přenosové rychlosti,
vychází z použití nového a „dokonalejšího“ způsobu modulace. Touto modulací je
osmistavová fázová modulace 8-PSK (Phase Shift Keying) použitá namísto
původní modulace GMSK (Gaussian minimum Shift Keying).
Přenos dat prostřednictvím EDGE
Na vstup modulátoru 8-PSK přicházejí bloky bitů (v našem případě tzv. tribity),
které se podle schématu rozdělí do dvou sekcí a následně putují do měničů
signálu. Zde je každé dvojici bitů přiřazena napěťová úroveň ± Ax. V našem
případě jsou v každé sekci 4 možné úrovně, protože kombinujeme vždy dva bity.
Bity a a b určují polaritu úrovní Ik a Jk a bit c velikost úrovně. Výstupem z měničů
signálu jsou pak napětí o amplitudách Ik, Jk , která jsou následně přiřazena nosným
vlnám cos Ωt a sin Ωt. V další sekci modulátoru pak dochází k vektorovému
součtu těchto nosných a výsledkem jsou fázově posunuté hodnoty tak, jak je vidět
na předchozím obrázku v rámci konstelačního diagramu.
Symbolová rychlost na jednom frekvenčním kanálu o šířce 200 kHz zůstává stejná
jako dříve, tj. 270,833 ksymbolů/s, avšak díky použití osmistavové modulace
oproti původní dvoustavové, je nyní bitová rychlost trojnásobná. Maximální
36
uváděná využitelná přenosová rychlost po odečtení režijních bitů pro zajištění
datového přenosu je 384 kbit/s. To však platí při současném využití všech 8 slotů,
a při vhodných podmínkách umožňujících optimální šíření signálu.
Nasazení této technologie však vyžaduje implementaci nového typu transceiveru
do sítě. Tato změna se týká každé buňky, kde bude nová technologie nasazena.
V dalším kroku pak úpravy souvisí především s aktualizací vlastního
programového vybavení. Velmi výhodnou se jeví kombinace technologie EDGE
spolu s technologiemi GPRS a HSCDS, kde stávající princip přenosu rozšířený
o nový způsob modulace přináší výrazné zrychlení datových přenosů. Společným
nasazením vznikají principy nazývané ECSD (Enhanced Circuit Switched Data)
a EGPRS (Enhanced General Packet Radio System). Technologie EDGE je
obecně považována za poslední krok ve „vylepšování“ původního systému typu
GSM před zaváděním sítí 3. generace, např. UMTS.
37
3 Budoucnost mobilních telekomunikačních
sítí
3.1 Mobilní sítě UMTS – mobilní sítě 3.
generace
Mobilní sítě 3. Generace, označované jako 3G, resp. UMTS, jsou již dnes
postupně implementovány do existujících mobilních sítí 2. generace. Kromě
Japonska by nikde jinde na světě neměla existovat pouze síť 3G bez předchozí
funkční sítě 2. generace.
Koncept využití mobilních sítí 3. generace předpokládá alespoň zpočátku úplné
pokrytí území systémem GSM a malé oblasti pokryté systémem UMTS.
Pro telefonní služby se tedy alespoň v blízké budoucnosti bude stále používat
systém GSM.
Pro mobilní sítě 3. generace byla zvolena technologie CDMA (Code Division
Multiple Access), což je přístupová metoda s kódovým dělením. Pro sítě UMTS je
použita její varianta WB-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), tzv.
širokopásmová přístupová metoda.
U přístupové metody CDMA využívají všichni uživatelé vyhrazené frekvenční
pásmo ve stejný okamžik. K rozeznání jednotlivých uživatelů, kteří využívají
jedno frekvenční pásmo současně, se používá uživateli přidělený unikátní binární
kód.
Frekvenční spektrum se skládá z jednoho párového pásma (1920 až 1980 MHz +
2110 až 2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910 až 1920 MHz + 2010 až
2025 MHz). Metody duplexního přenosu pro přístupovou metodu WB-CDMA
jsou FDD (Frequency Division Duplex) pro párové pásmo a TDD (Time Division
Duplex) pro pásmo nepárové.
38
Frekvenční pásma používaná u systémů UMTS
39
3.2 Struktura systému UMTS
Systémy GSM (2. generace) jsou primárně zaměřeny na přenos hovorového
signálu, zatímco mobilní sítě UMTS (3. generace) se orientují především na
vysokorychlostní datový přenos.
Původní myšlenkou sítí UMTS bylo nabídnout tuto službu tam, kde se koncentrují
potenciální zájemci, tedy ve velkých městech a v hustě obydlených oblastech.
Například ve Švédsku, které je celoplošně pokryto sítí GSM/GPRS, se staví malé
ostrůvky sítí UMTS pokrývající pouze největší švédská města. S malými
modifikacemi by takový model měl, alespoň zpočátku při zavádění UMTS,
fungovat v celé Evropě, tedy i v ČR. Předpokladem pro tento přechod je
implementovaná technologie GPRS v síti GSM. Na následujícím obrázku je velmi
zjednodušeně zobrazena struktura systému UMTS.
Zjednodušená struktura systému UMTS
Na nejvyšší úrovni bude použita páteřní síť CN (Core Network), např. na bázi
MPLS (Multi-Protocol Label Switching). Dále pak směrem k uživatelům radiová
přístupová síť UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Uživatelé pak
budou přistupovat k síti UMTS pomocí uživatelských terminálů UE (User
Equipment). Mezi těmito komponentami byla definována rozhraní Iu (mezi CN
a UTRAN) a Uu (mezi UTRAN a UE). V porovnání se systémem GSM odpovídá
přístupové síti UTRAN subsystém základnových stanic BSS a páteřní síti CN
odpovídá síťový spojovací subsystém NSS.
Hlavní funkcí CN je spojování hovorů a směrování paketů. Existuje několik
možných provedení CN, jednotným požadavkem je však dostatečná přenosová
kapacita. Součástí této páteřní sítě jsou také databázové funkce a funkce řízení
sítě.
Přístupová síť UTRAN je částí systému, se kterým prostřednictvím rádiového
rozhraní komunikují jednotlivé uživatelské terminály.
40
3.3 Přístupová síť systému UMTS
Přístupová síť UTRAN představuje tu část sítě, která umožňuje mobilním
uživatelům přístup ke službám poskytovaným páteřní sítí CN pomocí radiového
prostředí, pro které vytváří potřebné podmínky. V této souvislosti plní dvě hlavní
funkce:
•
zprostředkování radiového přenosu
•
řízení a přidělování radiových kanálů
•
Pro splnění těchto funkcí jsou definovány dvě základní jednotky (viz
následující obrázek):
•
Node B – jedná se o základnovou stanici systému UMTS (obdoba BTS
u systému GSM)
•
RNC (Radio Network Controller) – řídicí jednotka radiové sítě (obdoba BSC
u systému GSM)
Radiová přístupová síť UTRAN
Celá síť UTRAN se skládá z několika subsystémů radiových sítí RNS (Radio
Network Subsystem). Každý tento subsystém řídí jednotka RNC. Jedna jednotka
RNC má na starost radiové zdroje a jejich řízení pro určitou geografickou oblast.
O pokrytí těchto buněk radiovým signálem se starají základnové stanice, které se
v systému UMTS nazývají Node B.
41
NODE B
Základnová stanice Node B obsahuje radiové přijímače a vysílače, anténní systém
obsluhující jednu nebo více buněk a slouží jako jednotka, zprostředkující přenos
dat mezi radiovým rozhraním na jedné straně a pozemskou fixní částí sítě na
straně druhé. Node B také může podporovat různé přenosové režimy (W-CDMA,
TD-CDMA). Mezi základní funkce jednotky Node B patří především
modulace/demodulace, vysílání/příjem, kódování CDMA fyzických kanálů, mikro
diverzita, ochrana proti chybám a řízení výkonu CLPC (Closed Loop Power
Control).
RNC
Funkčnost několika základnových stanic Node B kontroluje a ovládá řídicí
jednotka rádiové sítě RNC. RNC je tedy zodpovědná za řízení rádiových
prostředků, přidělování rádiových kanálů, kontrola přístupu (zabezpečení),
šifrování, řízení handoveru, řízení výkonu OLPC (Open Loop Power Control),
makro diverzitu a segmentaci/desegmentaci SAR (Segmentation and Reassembly).
V přístupové síti UTRAN jsou definovány čtyři logická rozhraní, která propojují
jednotlivé funkční jednotky této sítě a propojují UTRAN s dalšími komponentami
systému UMTS:
•
rozhraní Iu mezi subsystémem řídící jednotky RNC a páteřní sítí CN
•
rozhraní Uu mezi Node B a uživatelským terminálem UE
•
rozhraní Iub mezi subsystémem řídící jednotky RNC a Node B
•
rozhraní Iur mezi dvěma subsystémy řídících jednotek RNC
Komunikace na výše zmíněných rozhraních je popsána souborem protokolů pro
jednotlivé vrstvy v souladu s principem vrstvového modelu RM-OSI. Všechna
tato rozhraní jsou využita pro přenos signalizace i informačních signálů, soubor
protokolů je proto rozdělen na dvě roviny – řídicí rovina (Control Plane)
a uživatelská rovina (User Plane).
42
3.4 Páteřní síť systému UMTS
Jádro sítě UMTS provádí spojovací funkce jako je propojení účastníků
a směrování paketů, udržuje a aktualizuje důležité informace o poloze uživatele,
dohlíží na bezpečnost, zajišťuje účtování a zprostředkovává spojení do dalších
sítí, např. ISDN, X.25, PSTN, Internet, atd.
Jádro sítě UMTS je rozděleno na dvě domény:
•
doména s přepojováním okruhů CS (Circuit Switched Domain)
•
doména s přepojováním paketů PS (Packet Switched Domain).
Obě tyto domény (viz následující obrázek) některé části sdílejí, jiné náleží
výhradně jedné doméně. Doména CS obsahuje telefonní ústředny MSC a GMSC,
které mohou být s určitými úpravami převzaty ze současných sítí GSM. Paketově
orientovaná doména PS je složena z uzlů pro podporu GPRS (GSN), tedy uzlu
SGSN a brány GGSN.
Uspořádání systému UMTS a návaznost na jiné typy sítí
V páteřní síti je definováno několik logických rozhraní. Konkrétně se jedná
o rozhraní vůči přístupové síti UTRAN, tedy Iu-PS a Iu-CS. Mezi důležitá rozhraní
patří například rozhraní Gn propojující jednotlivé uzly GSN. Rozhraní Gi
umožňuje propojení s externími sítěmi založenými na protokolech IP nebo X.25.
Další rozhraní jsou použita pro přenos signalizačních dat a jsou shodná
s rozhraními v sítích GSM, resp. GPRS. Pro spolupráci jednotlivých UMTS sítí
a pro podporu roamingu je třeba ještě definovat rozhraní Gp. Rozhraní Gp slouží
k propojení sítě s dalšími pozemními mobilními telekomunikačními sítěmi PLMN
(Public Land Mobile Network) prostřednictvím brány BG (Border Gateway).
43
Celé jádro sítě, resp. jeho paketově orientovaná doména pracuje na protokolu IP
a z pohledu externí IP sítě se brána GGSN jeví jako běžný IP směrovač (Router).
Pro podporu a správnou funkci protokolu IP by měl dále být v síti operátora
provozován firewall, jako ochrana proti nežádoucímu vniknutí z externích sítí,
dále služba doménových jmen DNS (Domain Name System) a definovaným
způsobem musí docházet k přidělování IP adres jednotlivým zařízením. Tuto
funkci může plnit brána GGSN nebo také server DHCP (Dynamic Host
Configuration Protocol).
44
3.5 Mobile IP
Velmi důležitou vlastností, která je předmětem zájmu, a je implementována do sítí
3. generace, je podpora protokolu Mobile IP, což je obdoba klasického IP
protokolu s rozšířením o podpory pro mobilní uživatele. Cílem je umožnit
uživatelům volný pohyb v rámci různých sítí, zatímco mají stále přidělenu jednu
IP adresu. V rámci popisu Mobile IP jsou definovány následující tři základní
komponenty:
•
mobilní prvek (Mobile Node) – jedná se o přenosné zařízení, které je připojeno
do IP sítě (převážně k Internetu) prostřednictvím různých přístupových sítí
(UMTS, WLAN, apod.) a pracuje stále se stejnou IP adresou.
•
domovský agent (Home Agent) – jedná se v podstatě o směrovač s rozhraním
k domovské síti mobilního prvku. Tento směrovač je neustále informován
o aktuální poloze mobilního prvku v rámci IP sítě, přijímá IP pakety
přicházející pro tento prvek a tyto pakety mu následně přeposílá.
•
cizí agent (Foreign Agent) – směrovač s rozhraním k sítím jiným než
domovským, v nichž se mobilní prvek nachází. Informuje domovského agenta
o poloze mobilního zařízení a slouží mu jako brána (Default Gateway) pro
přístup k Internetu.
V souvislosti s rychlým rozvojem sítí pracujících na protokolu IP je snahou
implementovat tento protokol také do mobilních sítí. Proto je do budoucna
plánován přechod na sítě, které budou již kompletně používat výhradně tento
protokol. Architektura takové sítě je založena na přenosu paketů, podporován
bude také přenos hovorových signálů pomocí protokolu IP tzv. VoIP (Voice over
IP).
Rozhraní Iu-CS, které slouží pro přenos telefonního signálu a dat s přepojováním
okruhů, bude možno výhledově v souvislosti s implementací technologie VoIP
vypustit.
45
4 Závěrečný test
Po krátkém oddechu a načerpání sil si ověřte nově nabyté znalosti v přiloženém
testu.
1. Na jakých kmitočtech jsou provozovány mobilní sítě?
a) nosné kmitočty jednotky GHz
b) oblast desítek až stovek MHz
c) oblast stovek kHz až desítek MHz
d) nosné kmitočty až desítky GHz
správné řešení: a
2. Mobilní sítě rozdělují celé obsluhované území na:
a) vyšší územně-správní celky
b) clustery
c) buňky
d) sektory
správné řešení: c
3. Jaký typ buňky se nejčastěji používá pro buňkovou strukturu mobilní
sítě?
a) makrobuňka
b) pikobuňka
c) satelitní buňka
d) mikrobuňka
správné řešení: a
4. Pro činnost mobilní sítě je nutné a charakteristické:
a) kódové plánování
b) plánování pokrytí daného území
c) kmitočtové plánování
d) časové plánování
správné řešení: c
46
5. Jakého principu je využíváno pro omezení počtu základnových stanic
v mobilní síti?
a) clusterizace
b) sektorizace
c) mapování
d) optimalizace
správné řešení: b
6. S jakým typem antény pracují základnové stanice?
a) s horizontální anténou
b) s všesměrovou anténou
c) s vertikální anténou
d) se směrovou anténou
správné řešení: d
7. Co je to „Handover“?
a) provoz s automatickým navázáním spojení
b) bezdotykové ovládání mobilního telefonu
c) provozní režim, kdy není dostupná žádná základnová stanice
d) provoz s automatickým přepojením
správné řešení: d
8. Systém identifikace účastníka v mobilní síti je založen na:
a) kartě SIM
b) na účastnickém čísle
c) na kódech PIN a PUK
d) na sériovém čísle mobilního telefonu (IMEI)
správné řešení: a
47
9. Jaké funkce má na starosti řídicí základnová jednotka BSC?
a) zajišťuje celkové řízení toku informací v síti
b) přiděluje a uvolňuje rádiové kanály, dohlíží na „Handover“
c) sestavuje spojení účastníků
d) zajišťuje identifikaci účastníků
správné řešení: b
10. Provoz mobilních sítí je možný na základě:
a) licence pro provozování mobilní sítě
b) platných norem v daném státě
c) mezinárodních norem a standardů
d) rozhodnutí vlády
správné řešení: a
11. Jaký typ kvantování se využívá pro digitalizace analogového hovorového
signálu?
a) nelineární
b) kubické
c) lineární
d) kvadratické
správné řešení: c
12. Jaké typy kódování se využívají pro zpracování hovorového signálu
v mobilní stanici?
a) účastnické a okruhové
b) zdrojové a kanálové
c) telefonní a ústřednové
d) zdrojové a cílové
správné řešení: b
48
13. Jakým způsobem lze zvýšit odolnost přenášeného signálu proti shlukům
chyb?
a) rámcováním
b) pomocí CRC
c) prokládáním
d) pomocí vhodné modulace
správné řešení: c
14. Jaká modulace je využívána v systému GSM?
a) QAM
b) DMT
c) 8-PSK
d) GMSK
správné řešení: d
15. Jaká je délka jednoho kanálového rámce? (v milisekundách)
a) 0,577
b) 577
c) 5,77
d) 57,7
správné řešení: b
16. V jakém pásmu byly realizovány základní aplikace systému GSM?
a) 1900 MHz
b) 900 kHz
c) 900 MHz
d) 1800 MHz
správné řešení: c
49
17. Jaká je základní rychlost kanálu mezi mobilní stanicí a sítí GSM?
a) 9,6 kbit/s
b) 13 kbit/s
c) 64 kbit/s
d) 14,4 kbit/s
správné řešení: b
18. Jakou přenosovou rychlostí disponuje samotný rádiový kanál v systému
GSM?
a) 64 kbit/s
b) 33,8 kbit/s
c) 2 Mbit/s
d) 13 kbit/s
správné řešení: b
19. V případě přenosu dat prostřednictvím technologie GPRS je využíván:
a) asymetrický přenos dat
b) obousměrný přenos dat
c) symetrický přenos dat
d) jednosměrný přenos dat
správné řešení: a
20. V síti GSM s implementovaným GPRS je zřejmý negativní vliv:
a) paketizace
b) kódování
c) zpoždění
d) útlumu
správné řešení: c
50
21. V jakém pásmu jsou provozovány systémy UMTS?
a) v pásmu 900 MHz
b) v pásmu 1800 MHz
c) v pásmu 5 GHz
d) v pásmu 2 GHz
správné řešení: d
22. Která přístupová metoda je použita v sítích 3. generace?
a) WDMA
b) TDMA
c) CDMA
d) FDMA
správné řešení: c
23. Jaká je hlavní funkce páteřní sítě u systému UMTS?
a) směrování paketů
b) výhradně řízení
c) tarifikace
d) směrování kanálů
správné řešení: a
24. Na jakém protokolu pracuje jádro sítě UMTS?
a) TCP
b) UDP
c) RLP
d) IP
správné řešení: d
51
25. Pro přenos telefonního signálu a dat s přepojováním okruhů v síti UMTS
slouží rozhraní:
a) Iu-CS
b) Iu-PS
c) A
d) G
správné řešení: a
26. Z následujícího výčtu vyberte systémy používané v mobilních sítích:
a) NMT
b) IRIDIUM
c) EDGE
d) UMTS
e) HIPERLAN
f) ERMES
g) HSCSD
h) DECT
i) GSM
j) RDS
správné řešení: a, c, d, g, i
52
27. S jakým počtem kmitočtů přecuje kmitočtový plán v mobilních sítích?
a) s pěti
b) se sedmi
c) se dvěma
d) s jedním
e) se šesti
f) se čtyřmi
g) s devíti
h) se třemi
i) s osmi
j) kmitočtový plán se nepoužívá
správné řešení: b, h
28. Které metody vícenásobného přístupu se využívají v mobilních sítích?
a) CDMA
b) UDMA
c) TDD
d) WDMA
e) FDMA
f) TDMA
g) FDD
správné řešení: a, e, f
53
29. Z jakých částí je vytvořena základní struktura systému GSM?
a) domovský registr
b) operační subsystém
c) servisní a provozní centrum
d) subsystém základnových stanic
e) registr mobilních zařízení
f) centrum řízení sítě
g) dohledové centrum
h) síťový spojovací subsystém
i) návštěvnický registr
správné řešení: b, h
30. Které metody pro přenos dat mohou být implementovány v sítích GSM?
a) ESCSD
b) HSCSD
c) EDGE
d) WAP
e) CSD
f) SMS
g) GPRS
h) SGSN
i) MMS
j) GGSN
správné řešení: b, c, e, g
54