Konvergence mobilních sítí

Konvergence mobilních sítí_____

____Horák Martin

Konvergence mobilních sítí Vypracoval:

Horák Martin


____Horák Martin

OBSAH

Úvod …………………………………………………………………………………..……………..2 1. MOBILNÍ TELEFONÍ SÍTĚ ……………………………………..……………..……….…..3 1.1. Vývoj veřejných mobilních komunikací ………………………………………………………3 1.2. GENERACE PRVNÍ 1G …..…..……………………………………………………………….3 1.3. GENERACE DRUHÁ 2G …………………………..………………………………………….3 1.3.1. Kmitočtové pásmo …………………………………………………………………………4 1.3.2 Struktura sítí druhé generace ……………………………………………………………..5 1.3.3. Přenos dat v síti GSM …………………………………………………………………….7 1.3.3.1. HSCSD …………………………………………………………………………………...8 1.3.3.2. GPRS (2,5G) …………………………………………………………………………….8 1.3.3.3. EDGE ……………………………………………………………………………………11 1.4. GENERACE TŘETÍ 3G ……………………………………..……………………………….13 1.4.1. UMTS ……………………………………………………………………………………...16 1.4.1.1. Kmitočtové pásmo systému UMTS …………………………………………………..16 1.4.1.2. Struktura buněk UMTS ………………………………………………………………...17 1.4.1.3. Struktura sítě UMTS ……………………………………………………..…………….18 1.4.1.3.1. Přístupová síť UTRAN …………………………………………………………….…19 1.4.1.3.2. Rozhraní Iu ……………………………………………………………..…………….19 1.4.1.3.3. Páteřní síť (jádro cítě) CN ……………………………………………………….…..20 1.4.1.4. Přenosové rychlosti v UMTS ………………………………………………….…….…21 1.4.2 CDMA 2000 ……………………………………………………………….………………..22


____Horák Martin

Úvod Od roku 1876 kdy Graham Bell (3. 3. 1847 - 2. 8. 1922) vynálezem telefonu odstartoval rozvoj v oblasti telekomunikační techniky, prošel tento obor neuvěřitelně rychlím a dynamickým vývojem. Vždyť před pár léty jsme měli na stole bakelitovou krabici v podobě telefonu a dnes nosíme běžně telefon v kapse u kalhot. Zrychlující se tempo životního stylu osmdesátých let, dalo vzniknout prvním mobilním analogovým sítím, které realizovaly základní telefonní služby přes rádiové prostředí. Stoupající oblíbenost mobilních buňkových systémů si vyžádala nejrůznější změny těchto systémů, tak aby bylo možné uspokojit široké množství vlastníků mobilních stanic. Analogové systémy přešly na digitální a zejména s rozvojem internetu se objevily nové požadavky na přenos dat. Dnes se nacházíme ve fázi, kdy se klasické mobilní sítě, konstruované především pro realizaci hlasových služeb stávají pro moderního člověka z hlediska dosahovaných přenosových rychlostí nedostatečné. Za tímto vývojovým trendem stojí popularizace tzv. multimédií. Požadavek na přenos hlasu a obrazu, jako datového toku v reálném čase nás dává na milost mobilním telefonním sítím budoucnosti na jejichž milníku se právě nacházíme.


____Horák Martin

1. MOBILNÍ TELEFONÍ SÍTĚ

1.1. VÝVOJ VEŘEJVÝCH MOBILNÍCH KOMUNIKACÍ Postupem času veřejná mobilní telefonní síť, tak jako pevná telefonní síť, prošla určitým vývojem.Od první generace, kde hlas byl přenášen na analogovém principu se přešlo ke generaci druhé, již plně digitální a se vzrůstajícím zájmem uživatelů o přenos dat se druhá generace přizpůsobila i pro poskytování datových služeb.V současné době kdy stále vzrůstá zájem o datové služby se nalézáme v počátečním stádiu zavádění mobilních systémů třetí generace. Zájem o přenos dat na bázi protokolu IP demonstruje obrázek obr.1

Internet protocol will dominate the future < 1995

1999

2002

2005

IP PSTN

IP

PSTN

IP

PSTN

PSTN

Obr.1

1.2. GENERACE PRVNÍ 1G V sedmdesátých letech se budováním buňkových sítí, započal dynamický rozvoj analogových mobilních radiotelefonních sítí a služeb, s nimi spojených , označovaných jako první generace (1G). Mobilní systém první generace byl poprvé nasazen ve Spojených Státech Amerických, kde byl i vyvinut, v podobě mobilní sítě AMPS (Advaced Mobile Phone System). Krátce na to byly nasazovány další mobilní systémy v Evropě, které však byly budovány na národní úrovni z čehož plyne jejich vzájemná nekompatibilita. Problém nekompatibility částečně řeší systém NMT (Nordic Mobile Telephone), pásmo 450 MHz, vyvinutý skandinávskými zeměmi: Finskem, Švédskem, Norskem, Islandem a Dánskem. I přesto,že systém NMT nabízel účastníkům pohyb mezi sítěmi různých provozovatelů tzv. roaming nestal se celoevropským systémem. U nás od 12. září 1991 dodnes provozuje síť NMT společnost Eurotel Praha spol. s.r.o.


____Horák Martin

1.3. GENERACE DRUHÁ 2G Popularita mobilních sítí a poskytování hlasových služeb měla za následek stoupající počty účastníků a s tím související vzrůst nedostatku kapacity mobilní sítě. Proto Konference evropských správ a pošt CEPT (Konference of European Post and Telecommunications) vytvořila standardizační slupinu GSM (Grope Speciál Mobile) , jejíž úkolem byl vývoj nové evropské mobilní digitální buňkové sítě, která by nahradila, národní, vzájemně nekompatibilní systémy 1G a umožnila tak bezproblémový pohyb uživatelů mezi sítěmi různých provozovatelů.Na navrhovaný systém byly hlavně kladeny následující požadavky: •

Velmi dobrá kvalita přenášené řeči

• •

Podpora mezinárodního roamingu Frekvenční hospodárnost

•

ISDN slučitelnost 1

Vytvoření evropského digitálního standardu (1989) reprezentovaného systémem GSM nepřineslo paradoxně zlepšení efektivity kmitočtového pásma, jako jednoho z hlavních požadavků, ale i přesto dobře navržený a propracovaný standard postupně splnil očekávání ekonomická i technická a stal se globálně nejúspěšnějším systémem, kde dnešní počet uživatelů sítí GSM provozovaných po celém světě překročil magickou hranici jedné miliardy. GSM není ovšem jediným mobilním systémem 2.generace který byl úspěšně uveden do provozu.Nesmíme zapomínat, že např. ve Spojených Státech Amerických se také na evoluci mobilních systémů pilně pracovalo a výsledkem je přechod od AMPS, systému 1.generace, k digitalizovanému AMPS označovaném jako D-AMPS, který kromě už zmíněné digitalizace přinesl i trojnásobné zvýšení kmitočtového pásma. Nicméně úspěšnost Amerických systémů na celosvětovém trhu je podstatně menší.

1.3.1. Kmitočtové pásmo • •

GSM900 GSM1800

Systém GSM 900 obr.2 má vyhrazená dvě kmitočtová pásma o šířce 2x25 MHz. Pro tzv. UPlink to jsou kmitočty 890-915 MHz a pro DOWNlink kmitočty 935-960 MHz.Je umožněn plně duplexní přenos FDD s duplexním odstupem 45MHz a kmitočtová pásma pro oba směry přenosu se dále dělí metodou FDMA (Frequency Division Multiple Access) na 125 kanálů pro každý směr, kde kanál č.0 se nepoužívá pro přenos hovorů.Využitelné kanály jsou tedy kanály č.1-124 a šířka každého kanálu je 200 kHz.Metoda TDMA (Time Division Multiple Access) dále dělí jednotlivé


____Horák Martin

rádiové kanály na časové sloty 1-8, kde každý slot tvoří jeden uživatelský kanál.Z čehož plyne i kapacita pro daný frekvenční rozsah 124x8 = 992 duplexních kanálů.

obr.2

Protože, se kapacita sítě GSM900 ukázala jako nedostačující bylo nutné stávající GSM rozšířit o další kmitočtová pásma a vzniká tak systém GSM1800 vycházející ze standardů GSM s koncepcí pro nasazení buněk malých rozměrů.GSM1800 se od původního GSM900 liší v použitém kmitočtovém pásmu UPlink 1710-1785 / DOWNlink 18051880, které poskytuje kapacitu 375 radiových kanálů.Šířka přiděleného kmitočtového pásma je tedy 75MHz a duplexní odstup 95MHz.

1.3.2 Struktura sítí druhé generace Celý systém digitální buňkové telefonní sítě je členěn do tří základních tzv. subsystémů: • •

BSS – subsystém základnových stanic NSS – síťový spojovací subsystém

• OSS – operační subsystém a časem prošel určitým vývojem od GSM Phase1 až po dnešní GSM Release 99, který tvoří jakýsi přechod mezi mobilními systémy druhé a třetí generace.


____Horák Martin

N SS

BSS

BS C TC

BTS

MSC/ VLR

BTS

GMS C

PSTN

TC BSC

SS7

H LR/ A u C

BT S EI R

BSS

OMC

NM C

ADC

OSS obr.3 struktura sítě GSM

Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) Subsystém základnových stanic obsahuje jednu nebo několik základnových stanic BTS (Base Transceiver Station), které zprostředkovávají komunikaci přes rádiové rozhraní Air s mobilní stanicí MS (Mobile Station).Dosahované rychlosti na tomto rozhraní jsou 33,8 kbps pro jeden kanálový interval, z čehož samotná hovorová data po zdrojovém kódování dosahují rychlosti 13 kbps. Jako řídící jednotka určená pro obsluhu a koordinaci základnových stanic slouží základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controler). Hlavní funkce této jednotky jsou přidělování přenosových prostředků,přídělování kmitočtů, řízení výkonu, management handoveru a kontrola paggingu. Rozhraní Abis může být realizováno pomocí optického nebo metalického vedení.Často kvůli špatné dostupnosti základnových stanic v terénu nebo omezení ze strany různých organizací pro ochranu přírody nebo památkových objektů je nutné rozhraní realizovat pomocí radioreléových spojů. Transkodér TC (Transcoder) je síťová jednotka, která zajišťuje přizpůsobení přenosové rychlosti z 16 kbps na 64 kbps a převod kódovaných hovorových dat do standardního datového toku tvořeného PCM modulací (rozhraní A )


____Horák Martin

M SC/ VL R

BSC TC BT S ir A

bi s A

t er A

A

obr.4 rozhraní BSS

Síťový spojovací subsystém NSS (Network Switching Subsystem) Jeho hlavním cílem jsou spojovací funkce a realizace poskytovaných služeb.Jako jeden z hlavních bloků NSS je mobilní radiotelefonní ústředna, označovaná jako MSC (Mobile Switching Centre). Jedna se zde o klasickou telefonní ústřednu doplněnou o další funkce plynoucí z mobility účastnických stanic.Nejvýznamnější funkce této ústředny jsou: • sestavování a směrování hovorů • •

tarifikace řízení doplňkových služeb

• •

komunikace s HLR komunikace s VLR

• •

dohled nad Hannoverem dohled nad BSC jednotkami

NSS využívá zpravidla několik radiotelefonních ústředen a pro komunikaci s okolními telefonními sítěmi je pro tyto účely vyhrazena tzv.GMSC (GatewayMSC) ústředna. Dalšími bloky síťového spojovacího subsystému druhé generace jsou identifikační databáze. Domovský registr HLR (Home Location Registr). Jde o blok obsahující databázi, v niž jsou uchovávány informace o všech uživatelích sítě daného operátora. Jeho součástí je také centrum autentičnosti AuC (Authentication Centre), kde jsou uloženy bezpečnostní klíče pro ověřováni totožnosti účastníků a šifrovací klíče pro zabezpečení rádiového rozhraní.Správnost identifikace uživatele je ověřována na základě algoritmů A3 a A8 někdy také nazývaných A38 nebo Comp128. Rádiové rozhraní je šifrováno proti odposlechu algoritmem A5.Opět uvedu přehled nejdůležitějších funkcí domovského registru.

•

identifikace uživatele za pomocí -

MSISDN

-

IMSI


-

____Horák Martin

LMSI

•

informace o poloze uživatele

•

uživatelské služby -

základní

-

doplňkové

•

autentizace uživatele pomocí tripletů

•

informace zvané Message Waiting Data pro službu SMS

•

parametry související s IN platformou

Návštěvnícký registr VLR (Visitor Location Regist). Jde o databázi uchovávající dočasně aktuální informace o účastnících, kteří jsou momentálně obsluhováni ústřednou jejíž součástí je právě tato databáze. Stručný obsah a funkce VLR: •

•

identifikace uživatele poloha uživatele (LA, Cell Id)

•

uživatelské služby

•

autentifikace uživatele

Návštěvnícký registr plní tedy podobnou funkci jako domovský registr,ale opustí-li účastník oblast zpravovanou ústřednou, data jsou po uplynutí určitého časového intervalu vymazána. Na základě myšlenky vytvořit databázi, která by umožňovala potlačit kriminalitu v oblasti mobilních telefonů a zároveň také umožnila identifikaci samotné účastnické stanice byl vytvořen registr mobilních zařízení EIR (Equipment Identity Registr) uchovávající databázi v níž jsou uložena data obsahující hardwarové adresy(IMEI) mobilních terminálů.Celá databáze je členěna do tzv. white listu (obsahuje adresy mobilních stanic, které mají povolen přístup do sítě operátora), gray listu (adresy jímž je věnována speciální péče operátora) a black listu (účastník s IMEI patřícím do tohoto seznamu má odmítnut přístup do sítě).

Operační a podpůrný subsystém OSS (Operation and Support Subsystém) Tento subsystém zajišťuje dohled nad výše uvedenými subsystémy a řídí jejich provoz. Proto aby mohl vykonávat tyto funkce je nezbytné aby obsahoval tyto bloky: •

Provozní a servisní centrum OMC (Operational and Maintenance Centre)

•

Centrum pro řízení sítě NMC (Network Management Centre) Administrativní centrum ADC (Administrative Centre)

•


____Horák Martin

1.3.3. Přenos dat v síti GSM I když, mobilní digitální síť GSM byla původně vyvinuta pro potřebu spojování hovorů, vývoj na telekomunikačním trhu ukázal, že by se mobilní komunikace měli dát i dalším vývojovým směrem a to, že by měli realizovat stále se zvyšující poptávku po datových přenosech. Je důležité si však uvědomit, že poskytování datových služeb je velmi ovlivněno právě původním účelem pro který byla GSM siť realizována.Lidský hlas je nejprve převeden do digitální podoby za pomocí vzorkování. Aplikací zdrojového kódování se nám podaří výrazně omezit datový tok obsahující hovorovou informaci z 64 kbps na 13 kbps a protože je z důvodu rušivých vlivů vyskytujících se na přenosové cestě nutné hovorové data zabezpečit proti výskytu chyb, využívá se kanálové kódování ,které zvyšuje objem dat přenesených za jednu sekundu na 22,8 kbit. Další režijní náklady zajišťující čistě funkci GSM činí 11 kbps a dohromady s hovorovými daty tak tvoří kapacitu 33,8 kbps potřebnou pro jeden rádiový kanál. Z této úvahy tedy i také vychází první princip přenosu dat zvaný CSD (Circuit Switched Data), kde je přenášen užitečný datový tok 9,6 kbps. Režie na zabezpečení datového toku 9,6 kbps zvyšují objem přenesených dat o 13,2 kbps a pridáním redundantních dat, které opět zajišťují činnost GSM dostáváme datový tok 33.8 kbps na jeden rádiový kanál (timeslot).

1.3.3.1. HSCSD 2

Technologie HSCSD (High Speed Circuit Switch Data) se opírá o výše jmenovaný princip přenosu dat rychlostí 9,6 kbps. Změnou softwaru, který má na starosti přenosové protokoly a opravu chyb, lze docílit zvýšení přenosové rychlosti užitečného datového toku pro jeden rádiový kanál na 14,4 kbps. Zabezpečení takového datového toku pak činí 8,4 kbps a přidání servisních bitů dostáváme opět celkovou přenosovou rychlost rádiového kanálu 33,8 kbps. Další zvyšování přenosové rychlosti docílíme současným použitím několika rádiových kanálů.Omezení maximální přenosové rychlosti na 64 kbps je obecně dáno vlastnostmi rozhraní A, kde jsou hovorové kanály 16 kbps (do nichž jsou data vkládána a přenášena přes rozhraní Abis, Ater) slučovány v síťovém prvku TC na přenosovou rychlost 64 kbps a vkládány do rámce PCM , který je přenášen přes toto rozhraní. Slučování radiových kanálů může být prováděno dvěma způsoby a to buď symetricky, kde je přidělen stejný počet kanálů v obou směrech přenosu a nebo asymetricky, kdy se počet přidělených kanálů v jednotlivých směrech přenosu liší. U nás jako jediný poskytovatel této služby je společnost Eurotel, která nabízí využití 4 rádiových kanálů, kde lze volit mezi symetrickou variantou přenosu 2+2 nebo asymetrickou 3+1.Využití přenosu dat technologií HSCSD, jak jsem již zmínil na začátku, nevyžaduje žádné hardwarové zásahy do již realizované GSM sítě ze strany provozovatele sítě a celý přechod je realizován zakoupením vhodného softwarového vybavení.

1.3.3.2. GPRS (2,5G)


____Horák Martin

GPRS (General Paket Radio Systém) je technologie, která se stala jakým si mezníkem přenosu dat v mobilních komunikacích. Mezníkem v tom smyslu, že dosud byla realizace datových služeb uskutečňována metodou přepojování okruhů na rozdíl od nových možností, které nabízí GPRS technologie a to konkrétně přenos dat pomocí metody přepojování paketů. Implementace GPRS si vyžádala poměrně velké hardwarové zásahy do struktury mobilní sítě provozovatele a všeobecně je označována jako síť 2,5. generace (2,5G). Do sítě GSM byly přidány tyto základní síťové prvky:

PCU (Packet Controller Unit) Touto síťovou jednotkou jsou rozšířeny základnové řídící jednotky BSC a její základní funkcí je konverze dat v podobě paketů na tzv. PCU rámce které putují z BSC do BTS čili po rozhraní Abis. Jako další funkce je implementace protokolu RLC/MAC SGSN (Surving GPRS Support Node) Jedná se o analogii MSC, která však pracuje na principu přepojování paketů.Provádí autentizaci a identifikaci uživatelů využívajících paketové datové služby, funkce mobility managementu, obsluhuje uživatele přihlášené do GPRS sítě nacházející se v jejím dosahu a provádí směrování datových paketů. GGSN (Gateway GPRS Support Node) Slouží jako interface mezi externími sítěmi založenými na paketovém přenosu dat( IP , X.25) a také jako účinná ochrana FireWall proti neoprávněnému vniknutí či napadení sítě mobilního operátora. Slouží také ke zpracování dat pro tarifikaci mobilních účastníků a jako podpora pro DHCP nebo RADIUS server. Může zastávat také funkci Border Gatewaye, která slouží k vzájemnému propojení se sítí jiného operátora a umožňuje tak realizaci roamingu.

BSS

BS C

MSC/ VLR

N SS

GMS C

PSTN

TC

BTS

H LR / Au C

U C P

SS7

BTS

EI R BSC

TC

U C P

SGSN

GGSN

BT S

BSS

OSS

OM C

NM C

A DC

IP X. 2 5


____Horák Martin

Obr.5 struktura GPRS sítě

MS C/ VLR

HL R/ Au C

D

Gs

A

Gr

Gc

BS S SGSN

GG SN

Gn

Gb Gp

Gn SGS N

Gf

EI R

GGS N

Jiné PLMN Signalling and Dat a Transfer Interface Signalling Interface

obr.6 rozhraní v GPRS síti

Stručný přehled protokolů na rozhraní G Rozhraní

Protokol

Gb

BSSGP

směrování dat mezi SGSN a BSS (založen na FR)

Gc

MAP

využit pokud GGSN požaduje informace o poloze MS

MAP

přístup SGSN k informacím pro ověření přístupu hardwarového vybavení uživatele do sítě operátora

Gn

GTP

Obdoba protokolu TCP/IP

Gr

MAP

přístup SGSN k informacím o profilu uživatele v HLR

Gf

tab.1

Přenosové rychlosti GPRS Chceme-li stanovit přenosové rychlosti u systému GPRS je nutné opět vycházet z limitace rychlosti na rádiovém rozhraní, která činí 33,8 kbps na jeden rádiový kanál. Při odečtení datového toku 11kbps potřebného pro zajištění přenosu servisních informací, je maximální hranice datové rychlosti radiového kanálu 22,8 kbps. GPRS potom na základě vyhodnocené kvality přenosové cesty zvolí metodu zabezpečení vysílaných dat. Je zřejmé, že pro kvalitní přenosové cesty bude


____Horák Martin

použito kódování dat s menší redundancí a u cest vykazujících velké chybovosti tomu bude právě naopak.Proto se zavádí tzv. kódová schémata, která jsou definována podle tabulky tab.2 . Třída

Přenosová rychlost [kbps]

CS - 1

9,6

CS - 2

13,4

CS - 3

15,6

CS - 4

21,4 tab.2

Celková přenosová rychlost se potom provede výpočtem kde je třeba vynásobit příslušné použité kódové schéma s počtem přidělených timeslotů mobilní stanici. Pro ideální případ vychází maximální přenosová rychlost 171,2 kbps tj. 8 x 21,4(CS-1) kbps. Bohužel ač je tato rychlost udávána ve většině prezentací různých společností, nejde fyzicky takovéto rychlosti dosáhnout z důvodu potřeby obsadit jeden z radiových kanálů servisními daty, umožňujícími změnu směru přenosu dat. Také konstrukce dnešních mobilních stanic, které umí sdružovat maximálně 5 timeslotů, neumožňuje plné využití přenosových rychlostí a omezení jsou i ze strany operátora, který definuje ve své síti zpravidla jen první dvě kódová schémata.

1.3.3.3. EDGE Technologie EDGE (Enhance Data rates for GSM Evolution) má své historické počátky v roce 1997, kdy švédská firma Ericsson předložila evropské standardizační komisy ETSI návrh na dosažení vyšších přenosových rychlostí u datových přenosů v síti GSM. Protože cestou, kde se zvýšení přenosových rychlostí dosahovalo snížením velikosti redundance vznikající při zabezpečení užitečné informace, se už dále nedalo pokračovat firma Ericsson rozpracovala návrh na změnu způsobu modulace nosného kmitočtu, kde původní modulace GMSK (Gaussan Minimum Shift Keying) byla nahrazena osmistavovou fázovou modulací 8-PSK (eight-Phase-Shift Keying). Přestože je tato technologie prohlášena dle ITU (International Telecommunication Union) v roce 2000 za mezinárodní standard pro sítě třetí generace 3G, je spíše považována za přechod od generace druhé ke generaci třetí označována tedy stejně jako GPRS generací 2,5 nebo dokonce jako 2,75G. Poprvé byla v ČR tato nová technologie rychlých dat uvedena do provozu teprve nedávno operátorem T-Mobile 8.listopadu 2004.

Rádiové rozhraní Rádiové rozhraní bylo navrhováno tak aby v sítích GSM bylo dosahováno vyšších přenosových rychlostí s ohledem na minimální náklady na změnu stávající sítě. Tohoto se podařilo dosáhnout jak jsem již výše zmiňoval účinnější modulační metodou 8-PSK. Zůstává tedy stále časové dělení TDMA na osm timeslotů a i šířka jednotlivých přenosových kanálů 200kHz. Fyzické změny které


____Horák Martin

si, ale tento přechod vyžádá se týkají účastnických terminálů a základnových stanic, právě z toho důvodu, že tato zařízení musí být schopna správně zpracovat signál novou modulační metodou.

Požadavek na linearitu Nový typ modulace klade požadavek na linearitu výkonových zesilovačů základnových stanic. Problém u těchto výkonových stupňů, ale nepředstavuje jen obtížnější technickou realizaci samotného zesilovače, což se promítne na ceně takového zařízení, ale také vyzařovaný tepelný výkon.Proto se provádí redukce výkonu v rozmezí 2 až 5 dB. Jak už jsem zmínil, použití modulace 8-PSK si vyžádalo tedy nejen úpravy základnové stanice ale i změnu technického řešení koncového mobilního terminálu.EDGE počítá se dvěma třídami stanic: •

Protože se vychází z asymetrického přenosu dat, kde největší množství datového toku se předpokládá ve směru od základnové stanice k uživatelské stanici (downlink) bude v tomto směru použita modulace 8-PSK.Ve směru opačném, tedy od koncového terminálu k základnové stanici (uplink) se bude využívat pro přenos modulace GMSK

•

Pro oba směry (uplink i downlink) se bude používat modulace 8-PSK.

Přenosové rychlosti EDGE Zatímco u systému GPRS připadá na jeden kanálový interval (timeslot) přenosová rychlost přibližně 20 kbps změnou modulace jak ukazuje obr.7 je možné dosáhnout při zachování symbolové rychlosti 271 kBd až trojnásobku dosahované rychlosti GPRS, 59,2 kbps na jeden timeslot.

modulace 8PSK EDGE

modulace GMSK GPRS Q

(0,1,0)

Q (0,1,1)

(0 ,0,0)

1 (0,0,1)

(1,1,1)

I

I

0 (1,0,1)

(1,1,0) (1,0,0)

1 bit pe r symb ol

3 bit s per s ymbol

Obr.7 modulace GMSK vs.8PSK


____Horák Martin

Jak už známe z GPRS teoreticky může být uživateli nabídnuto až osm kanálových intervalů současně a jednoduchým výpočtem, který byl zmiňován už v odstavci o GPRS dojdeme k hodnotě 171,2 kbps pro GPRS a 473,6 kbps pro technologii EDGE. Rychlost dat záleží především na počtu přidělených timeslotů (vytížení sítě) a také na vzdálenosti přijímače od základnové stanice a kvalitě přenosové cesty. Průměrná rychlost připojení by se měla pohybovat okolo 100 až 150 kbps. Rychlost toku dat je závislá také na použitém kódovacím schématu. Čím vyšší kódovací schéma je použito, tím vyšších rychlostí na jeden timeslot je možné dosáhnout. Kódovací schéma je jako u GPRS odvozeno od kvality přenosové cesty a celý systém je schopen plynule měnit toto schéma s měnícími se přenosovými podmínkami (link adaptation). Zatímco GPRS nabízí pouze čtyři kódovací schémata označená jako CS1 až CS4, u EDGE je možné využít až devět kódovacích schémat. Jejich označení je MCS1 až MCS9. Protože je při použití EDGE možné měnit nejen kódovací schémata, ale také modulaci, schémata MCS1 až MCS4 využívají klasické modulace GMSK, u schémat MCS5 až MCS9 je pak použit novější typ 8PSK. Přehledněji tyto kódová schémata obou technologií porovnává obr.8.

orb.8 srovnání kódovacích schémat

Přínosy plynoucí ze zavedení technologie EDGE, které byly vyhodnoceny na základě simulací firmy Ericsson jsou následující:

•

zvýšení přenosové rychlosti v sítích GSM až na 384 kbps a více pro cca 3% uživatelů, 144

•

kbps a více pro cca 97% uživatelů. shodné pokryti území jako pře zavedením EDGE, aniž bylo třeba měnit použitý kmitočtový

•

plán možnost plynulého zavedení dalších služeb

•

velmi efektivní cesta přechodu od GSM (se zavedenou službou GPRS) ke sítím 3G.

1.4. GENERACE TŘETÍ 3G


____Horák Martin

Za počátkem vzniku sítě třetí generace stála myšlenka vytvořit jednotnou globální mobilní síť umožňující celosvětový roaming a podporu multimediálních služeb. Historie vývoje sítě třetí generace sahá až do roku 1986, kdy se ITU (International Telecommunication Union) se svými poradenskými sbory CCIR a CCITT začala vážně zabývat myšlenkou na již zmiňovaný globální systém pod názvem FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systém). S odhadem vývoje a zkušenostmi se sítěmi první a druhé generace byly vybrány následující požadavky, které by měl budoucí systém 3G splňovat. Požadavky uživatelů na služby: • •

zvýšení kvality hlasových služeb (až na úroveň CD kvality) poskytování datových kanálů a přenosovou rychlostí až do 2 Mbit/s

• •

poskytování služeb paketových sítí poskytování několika připojení souběžně (pro získání různých služeb najednou)

• •

možnost posílat multimediální zprávy a přenos velkých objemů dat jednotný přístupový bod ke službám

• •

nízká cena služeb možnost platby za množství přenesených dat a za kvalitu poskytnutých služeb

Požadavky uživatelů na vlastnosti systému: • •

vysoké zabezpečení proti odposlechu a proti neoprávněnému získávání dat třetí osobou národní a mezinárodní roaming (mobilita terminálů)

•

uživatelská mobilita - možnost přístupu do sítě přes libovolný vhodný terminál (založené na použití účastnických karet – podobné jako SIM v GSM)

•

jeden společný účet pro různé služby

Požadavky uživatelů na terminály: • •

malá hmotnost a relativně nízká cena snížení vysílacího výkonu mobilních terminálů

• •

zvýšení doby hovoru a pohotovostního režimu na jedno dobytí baterie mobilní terminály musí být schopné pracovat s různými radiovými

•

(vícepásmové) integrace různých elektronických zařízení (multimediální telefon s kamerou a obrazovkou,

•

fax, GPS, atd.) stejné uživatelské prostředí nezávislé na síti a poloze terminálu

Požadavky operátorů a výrobců na systém:

rozhraními


____Horák Martin

•

efektivnost využití spektra

• •

flexibilita systému při implementaci nových služeb možnost evoluce ze systémů 2G

•

obousměrná kompatibilita jednotlivých standardů 3G

V roce 1992 dochází ke změně struktury ITU a její původní pracovní sbory byly pozměněny na ITU-R (přebírá činnost CCIR /International Radio Consultative Committee/ ) a ITU-T. Zároveň v tomto roce dochází ke změně označení budoucí sítě třetí generace. Těžko foremné FPLMTS nahradil stručnější a komerčnější název IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000) a ač nebyla ještě stanovena technologie, jakou má být celý systém realizován byla pro jeho účely vyhrazena pásma 1885-2025MHz a 2110-2200MHz. Do rivalských pozic se dostal evropský systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) zastupovaný firmou Ericsson a Cdma2000 reprezentované americkým triem Qualcomm, Motorola, Lucent. Z důvodu předčasného rozprodání frekvenčních pásem a technickým problémům realizace takovéto globální sítě ve Spojených Státech Amerických, se ustoupilo z jednotného mobilního systému a z deseti podaných návrhů,které splňovaly podmínky, kladené na mobilní systém 3G, bylo vybráno pět specifikací, které dnes tvoří IMT-2000 obr.9.

obr.9 specifikace IMT- 2000

IMT- DS IMT-DS reprezentovaný W-CDMA s pozemním rádiovým přístupem do UMTS zvaným UTRA (UMTS Terestrial Radio Access) využívající frekvenční duplex FDD(Frequency Division Duplex), který přijala, spolu s Japonskem, ETSI jako evropsko japonský standard. IMT- MC Tento systém je označovaný jako CDMA 2000 a řeší zpětnou kompatibilitu s americkými mobilními systémy druhé generace, reprezentovanými např. systémem IS-95 ve variantě A i B. IMT- TC Je standard vyvinutý čínskou akademií telekomunikačních technologií ve spolupráci s německou firmou Siemens, která je autorem TD-CDMA. TD-CDMA je časově dělený duplex využívající nepárového spektra, kde čínská akademie přidala synchronizaci terminálů pro omezení interferencí mezi směry přenosu uplinkem a downlinkem.


____Horák Martin

IMT- SC Je americký standard UWC-136 (Universal Wireless Communications) založený na vícenásobném přístupu s časovým dělením TDMA, jehož vývoj se opírá o technologii EDGE. Standard je zejména vhodný pro operátory s nedostatkem frekvenčního spektra pro sítě třetí generace nebo operátory, kteří nezískali 3G licenci. IMT- FT Specifikace identická s evropským standardem pro bezšňůrové telefony DECT. Stav harmonizace systému druhé generace ke generaci třetí zachycuje obrázek obr.10 , kde jsou uvedeny i jednotlivé standardizační organizace zodpovědné za dané technologie.

GSM

UWCC

(10 kbps) 2G

TIA

T1

ETSI

(IS-136) TDMA

GSM

(64 - 14 4 kbps) 2,5G

CDG

GPRS

cdmaA)One (IS-95

IS -95 B

EDGE

(384 k- 2Mbps) 2,5G

W-CDMA

3GPP

UWC - 136

UWCC

cdma2000 1x / 3x

3GPP2

obr.10 harmonizace 2G na 3G.

Dále se budu věnovat evropskému standardu UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systém) vycházejícího z doporučení IMT-DS (International Mobile Telecommunications - Direct Sequence) založeném na WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

1.4.1. UMTS 1.4.1.1. Kmitočtové pásmo systému UMTS Jak už jsem zmínil výše, v dubnu roku 1992 Světový administrativní kongres pro rádio WARC (World Administrative Radio Conference) vymezil pro FPLMTS kmitočtové pásmo 1885-2025 MHz


____Horák Martin

a 2110-2200 MHz , jehož součástí je i pásmo 1980-2010 MHz a 2170-2200 MHz obr.11, určené pro družicovou část systému třetí generace. V zemích CEPT je celé frekvenční spektrum, kromě pásma 1885-1900 MHz, vyhrazeno pro systém UMTS. Zmiňované pásmo 1885-1900 je již vyhrazeno pro současný bezšňůrový mobilní systém DECT, s kterým se však také počítá, jako s jednou z přístupových technik pro UMTS.

obr.11 přidělené spektrum WARC – 92

Pro pozemní přístup do UMTS sítě jsou tedy určeny tyto pásma: • •

1900-1980 MHz 2010-2025 MHz

•

2110-2170 MHz

a pro satelitní přístup MSS (Mobile Satellite Service) do sítě UMTS pásma následující: • •

1980-2010 MHz 2170-2200 MHz

Celkový pohled rozdělení frekvenčního spektra pro UMTS je znázorněno na obr.12

obr.12 celosvětové rozdělení kmitočtů pro 3G

V roce 2000, byly k již uvedeným frekvenčním pásmům pro IMT-2000 schváleny ještě další. Stalo se tak na konferenci WRC-2000 v Istanbulu. Jedná se o nová pásma 1710-1885 MHz a 25202670 MHz. Dále byl schválen záměr použít také frekvence, které jsou již dnes vyhrazeny pro mobilní komunikace v pásmu 806-960 MHz. Tato nová frekvenční pásma jsou rezervována z


____Horák Martin

důvodu předpokládaného velkého zájmu o mobilní komunikace a mohou být použity globálně nebo pouze v jednotlivých regionech obr.13.

obr.13 rozšíření frekvenčního spektra UMTS

1.4.1.2. Struktura buněk UMTS UMTS jako mobilní síť třetí generace představuje, jak už jsem zmiňoval, filosofii univerzální globální mobilní sítě. To znamená, že aby byly splněny vytyčené cíle UMTS, je nutné, aby přístup do této sítě byl pokud možno co nejméně technologicky omezen,tedy nebyl vázán na jednu konkrétní přístupovou technologii. Z uvedené filosofie pak vyplívá hned několik výhod a to jak velice dobrá dostupnost takovéhoto systému, tak i vznik mnoha nových poskytovaných služeb. Přístupových technologií pro síť 3G může být v budoucnu celá řada a některé jsou dnes předmětem intenzivního vývoje. Jako příklad bych zde rád uvedl systém DECT (Digital European Cordless Telephone), bezdrátové sítě WLAN (Wireless Local Area Network) podle doporučení 802.11 nebo také bezdrátové sítě HIPERLAN (HIgh PERformance LAN). K pokrytí těžko dostupných území by systém UMTS měl také využívat veřejné družicové služby VDS. Takováto integrace přístupových technologií si vyžádala vytvořit tzv. hierarchickou strukturu buněk HCS (Hierarchical Cell Structure) a umožnit použití handoveru mezi těmito buňkami.

Domácí buňky Již z názvu vyplývá, že se jedná o buňky pokrývající jednotlivé domácnosti nebo např. státní úřady a kanceláře.Dosah těchto buněk nebude velký řádově metry až desítky metrů a realizovány by měli být ve spolupráci s technologiemi Bluetooth a DECT. Pikobuňky Jsou určené hlavně pro pokrytí nákupních center, továrních hal a prostor kde bude dostačující pokrytí buňkami o poloměru 100m. Realizace technologiemi DECT a WLAN. Mikrobuňky Buňky nasazené do městské zástavby a hustě osídlených oblastí s poloměrem pokrytí voleným podle potřeby cca od 500 do 1000 metrů. Makrobuňky Zabezpečí pokrytí okrajových částí měst a venkova. Počítá se s rozměry od 3 do 8 km.


____Horák Martin

Megabuňky Jde o buňky satelitního systému, které by pokrývali lokality s extrémně nízkou hustotou osídlení, kde by se operátorovi nevyplatilo budovat pevné rádiové stanice a nebo budování těchto stanic je z hlediska nedostupnosti terénu nemožné.

obr.14 hierarchická struktura buněk pro globální pokrytí

1.4.1.3. Struktura sítě UMTS Struktura sítě UMTS je navrhována tak, aby tvořila plynulý přechod mezi sítěmi druhé a třetí generace. UMTS v takovéto podobě je popsána v doporučení ETSI (později převzala 3GPP) pro fázi 1, označovanou jako Release 99. Následující fáze Release 5 a v budoucnu Release 6 ,7 směřují k sjednocení sítě pro jednotný přenos dat pomocí paketů. UMTS obr.15 je logicky rozdělena na síť rádiového přístupu RAN (Radio Access Network) a na páteřní síť CN ( Core Network). Z důvodu kompatibility se sítěmi druhé generace je core network, nazývané také jádro sítě, rozděleno do tzv. domén. Domény jsou dvě a každá splňuje určité požadavky na systém UMTS první fáze. Doména označovaná CS (Circuit Switch) zachovává funkce mobilních systémů druhé generace v podobě přenosu hlasových služeb pomocí přepojování okruhů a druhá doména PS (Packet Switch) slouží pro realizaci datových a hlasových služeb pomocí přepojování paketů. Kvůli požadavku na nezávislý vývoj přístupové a páteřní sítě, bylo také nutné vytvořit nové dostatečně flexibilní rozhraní Iu obr.17. Pro přístup mobilních účastníků ke službám poskytovaných páteřní sítí pomocí rádiového rozhraní se v Releasu 99 definuje přístupová sít UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) obr.16.


____Horák Martin

identifikační Uživatelský modul

přístupová Rádiová síť

terminál Mobilní

UIM-MT

sítě Externí

Páteřné síť

Iu

Uu obr.15

1.4.1.3.1. Přístupová síť UTRAN Poskytuje uživatelům mobilních stanic přístup k službám páteřní sítě pomocí rádiového prostředí a plní dvě základní funkce. •

zprostředkování rádiového přenosu

•

řízení a přidělování rádiových prostředků

Podobně jako GSM je přístupová síť rozdělena, logicky, na síťové rádiové subsystémy RNS (Radio Network Subsystem) a ty obsahují základní stavební prvky sítě, kterými jsou základnová stanice, v terminologii UMTS, zvaná Node – B a řídící jednotka rádiové sítě RNC (Radio Network Controller). Funkce obou prvků jsou podobné jako u systému GSM.

CN Iu

RNS

Iu

R NC

RNC

RNS

Iur Iub

Node-B

Iub

Node-B

Iub

Node-B


____Horák Martin

obr.16

1.4.1.3.2. Rozhraní Iu Rozhraní Iux jak ukazuje obr.16 bylo vytvořeno pro přenos uživatelských a servisních dat. Rozhraní je tedy schopné přenášet současně signalizaci i data a protokoly na těchto rozhraních jsou na základě obsahu informace obsažené ve zprávě děleny na dvě roviny. První rovinou je rovina rídící CP (Control Plane) a druhou je rovina uživatelská UP (User Plane). Celá přístupová síť využívá na těchto rozhraních technologii ATM. Rozhraní Iu definované mezi přístupovou a páteřní sítí je rozdělováno podle typu domény na rozhraní Iu-CS (doména přepojování okruhů) a Iu-PS (doména s přepojováním paketů) jak ukazuje obr.17.

M SC/ VL R R NC

I u -CS

Doména CS

URAN I u - PS

SGSN

Doména PS

CN

Obr.17

1.4.1.3.3. Páteřní síť (jádro cítě) CN Jádro sítě se svým složením síťových prvků ani funkcí celého systému CN nijak významně neliší od mobilního systémů GSM 2,5 generace. To co řadí tento systém v podobě první fáze do sítí 3G je rádiová přístupová síť, které spravuje větší šířku frekvenčního pásma a tak dosahuje větších kapacit a rychlostí než systémy předchozí generace a proto bych chtěl ještě jednou upozornit, že mobilní síť UMTS první fáze je přechod na mobilní síť třetí generace zhlediska efektivního využití stávajících zdrojů. Což pro provozovatele takovéto sítě znamená značné ušetření investic vložených do budování sítě třetí generace. Páteřní síť CN zajišťuje spojovací funkce (propojení účastníků, směrování paketů), udržuje a aktualizuje důležité uživatelské informace jako jsou např. poloha uživatele, bezpečnost a billing, umožňuje spojení i s dalšími sítěmi a to jak sítěmi konkurenčních mobilních operátorů, tak se sítěmi např. ISDN, PSTN, X.25 a IP obr.18. Na obr.19. je znázorněno propojení sítí dvou operátorů pomocí brány BG (Bordur Gateway) a rozhraní Gp.


____Horák Martin

GSM BSS

3 G M SC/ V LR

GMSC

A

BSC

PSTN

TC

BTS U C P

D BT S

HLR / A u C

EI R

Iu-CS

Gs

RN S Gb

R NC

Ge

Gr 3 G SGSN

Gn

Gi

GGS N

Iu-PS

Nod e- B

IP X. 2 5

CN

Iub

Obr.18 struktura sítě 3G

síť Domovská

3G SGSN

G GSN

Gi

IP páte síťřní

IP X. 25

BG Gp

3 G SGSN

síť Navštívená

GGSN

Gp

IP páte síťřní BG

Obr.19 propojení sítí dvou operátorů

1.4.1.4. Přenosové rychlosti v UMTS Možné dosahované rychlosti pro systém UMTS popisuje obr.20 , který na vodorovné ose naznačuje mobilitu účastníka a ose svislé dosahovanou přenosovou rychlost která by měla být v ideálním případě ve svém maximu 2 Mbps. Nejmenších přenosových rychlostí tj. cca 144 kbps by měly dosahovat rychle se pohybující mobilní účastníci, kde dosažení výších přenosových rychlostí je z fyzikálního hlediska velmi obtížné. Pokrytí hustě zalidněných oblastí, jako jsou


____Horák Martin

městské aglomerace by mělo přinést rychlosti okolo 384 kbps a přenosové rychlosti v budovách a místnostech, kde se předpokládá statické umístění terminálu by měly dosahovat cca 2 Mbps.

Obr.20 postavení UMTS mezi mobilními systémy

1.4.2. CDMA 2000 Jedná se o mobilní systém s odstupem kanálů 1,25 MHz a reprezentuje rodinu technologií, která obsahuje CDMA 2000 1X a CDMA 2000 1xEV. CDMA 2000 1X Zdvojnásobuje kapacitu pro službu přenosu hlasu v CdmaOne sítích a umožňuje přenos dat maximální rychlostí 153 kbps (Release 0) a 307 kbps (Release 1) metodou přepojování paketů. Zde bych ještě rád uvedl, že se jedná o americký standard a navazuje na technologie IS-95 A a B ( 2G/2.5G ) obr.21 označované hlavně v dokumentech CDG (CDMA Digital Group) jako CdmaOne. IS - 95 je světově první mobilní sítí , kde bylo použito přístupové metody CDMA a ze sítí druhé generace je vlastně sítí jedinou. Je velmi rozšířená ve Spojených Státech Amerických a některých evropských státech jako je např. Polsko , Rumunsko, Ukrajina a Rusko.


____Horák Martin

obr.21

CDMA 2000 1xEV V tomto případě se opět technologie dělí na: CDMA 2000 1xEV - DO Tato technologie je koncipována jen pro služby s přenosem dat. Proto je také označována jako DO což značí Data Only. U nás je tato síť od 2. Srpna 2004 provozována společností Eurotel tab.3 na frekvenci 450 MHz, která je společná s dnes již čím dál tím méně využívanou sítí NMT. Síť jak jsem se již zmínil je koncipována pro přenos dat a tak se nabízí myšlenka zda je možné využít stávajících technologií VoIP doplněných vhodným softwarovým telefonem jako muže být např. Skype, k přenosu hlasu. Dosahovaný ping jak jsem se dočetl činí 120 – 150 ms a k mému překvapení přenos hlasu zde není problémem.

tab.3 CDM 2000 provozované u nás

CDMA 2000 1xEV - DV Poskytuje integraci hlasu a současně vysokorychlostní přenos datových multimediálních služeb do rychlosti 3,09 Mbps. Ač se toto velké číslo zdá velmi optimistické nesmíme zapomenout, že se


____Horák Martin

mobilní stanice dělí s ostatními uživateli o přenosové prostředky. Kromě počtu uživatelů přihlášených k jedné stanici, odstupu signálu od šumu a rychlosti pohybu stanice ovlivňuje rychlost mnoho dalších aspektů. Pro koncového uživatele mobilní stanice bude skutečná rychlost pouhým zlomkem z uváděné rychlosti. Oba systémy jak CDMA 2000 1xEV tak i CDMA 2000 1xEV jsou zpětně kompatibilní se systémy CDMA 2000 1X a CdmaOne. Struktura sítě CDMA 2000

PSTN HLR / AuC

BT S

MSC/ VLR AAA s er ver

BS C BT S I WF

BT S

IP I P ro u t er

obr.22 struktura sítě CDMA 2000

Konvergence mobilních sítí

Recommend Documents