Mobilní komunikace GSM 1.Úvod GSM (Global Systém for Mobile communication) - Globální Systém pro mobilní komunikaci. Jde o plně digitální systém, který byl budován jako celoevropský systém na celulární bázi v kmitočtovém pásmu 900 MHz. GSM je používáno ve více než 200 zemí s více jak miliardou účastníků. Systém GSM umožňuje služby: § § § § § § § § § § § §
telekomunikační (teleservices services) telefonie služby krátkých textových zpráv SMS (Short Message Service) teletext telefax skupiny 3 záznamovou službu (hlasová schránka) email bankovní služby informační služby přenosové (bearer services) asynchronní duplexní přenos 2400 – 9600 bit/s synchronní duplexní přenos 300 – 9600 bit/s
2. Historie Mobilní sítě existují již poměrně dlouhou dobu (1949-OLN). Ale první celulární veřejná síť (1979 – AMS Spojené státy, 1981 – NMT severské evropské země) byla analogová s přístupovou metodou FDMA. Jednalo se o mobilní systémy první generace, které byli často mezi sebou nekompatibilní. (Problém s mezinárodním roamingem – tj.možností volného pohybu účastníka v mezinárodním měřítku v síti různých operátorů s jedním číslem stanice) Proto v roce 1982 byla Sdružením evropských pošt a telegrafů (CEPT) sestavena skupina nazývaná Groupe Spécial Mobile (GSM) určená pro studium a vytvoření celoevropského veřejného celulárního systému. CEPT přijal doporučení, aby frekvenční spektrum 900 MHz (890-915 MHz a 935-960 MHz) bylo vyhrazeno pro budoucí pozemní a námořní mobilní systém, jímž se stává právě GSM. V roce 1989 přešla odpovědnost za GSM na Institut pro evropské telekomunikační standardy (ETSI), přičemž první etapa specifikace GSM byla publikována v roce 1990 – obsahovala přes 6000 stran. roce 1990. Na začátku roku 1994 už světově používalo služby GSM více než 1.3 milionu lidí. Zkratka GSM se významově mění na Globální Systém Mobilní komunikace.
3. Radiové rozhranní GSM je buňková (cellulární) síť, to znamená že mobilní telefony se připojují do sítě prostřednictvím nejbližší buňky. Celá oblast je tedy rozdělena na buňky. Každá buňka je obsluhována svou základnovou stanicí.
princip sektorizace
Počet základnových stanic lze zmenšit pomocí tzv. sektorizace, kdy do společných bodů tří sousedních buněk umístíme tři samostatné směrové antény. Velikost buněk užívaných v mobilních systémech: § § § §
piko-buňka je určena pro kancelářské a bytové prostředí, maximální dosah signálu je několik stovek metrů mirko-buňka je určena pro městské aglomerace a hustou zástavbu, maximální dosah několik kilometrů makro-buňka pokrývá velké a řídce osídlené oblasti, dosah několik desítek kilometrů satelitní buňka pokrývá oblast z telekomunikační družice a umožňuje spojení i z méně dostupných míst
V rámci jedné buňky musí být zajištěno, aby ve stejném okamžiku mohlo být provozováno spojení mezi základnovou stanicí a větším počtem mobilních stanic. K tomu slouží metody vícenásobného přístupu (multiple access). Základní přístupové metody: §
FDMA (Frequency Division Multiple Access) – vícenásobný přístup s kmitočtovým dělením. Dané frekvenční pásmo rozdělíme na subpásma, kterým jsou přiřazeny jednotlivé kanály
§
§
TDMA (Time Division Multiple Access) – vícenásobný přístup s časovým dělením. Ve frekvenčním pásmu vytvoříme časové rámce a přidělování jednotlivých kanálů na principu časového dělení CDMA (Code Division Multiple Access) – vícenásobný přístup s kódovým dělením, spočívá v tom, že datová posloupnost každého komunikačního kanálu je na vysílací straně podrobena procesu dalšího kódování, který je speciálního kódovacího předpisu, který je odlišný od kódovacího předpisu všech ostatních kanálů.
Standart GSM 900 používá jako přístupovou metodu kombinaci FDMA a TDMA. V rámci FDMA jsou obě frekvenční pásma rozděleny na 124 subpásem (F1 – F124) o šířce 200 kHz. V každém subpásmu je pak metodou TDMA vytvořeno 8 časových kanálů (T1 – T8). Základnová stanice má tedy kapacitu 124×8 = 922 radiových okruhů
Během vývoje vznikly tři standarty, lišící se použitým frekvenčním pásmem GSM 900 GSM 1800 Frekvenční pásmo MS -> BTS [MHz] 890 - 915 1710-1785 Frekvenční pásmo BTS -> MS [MHz] 935 - 960 1805-1880 Šířka pásma 2×25MHz 2×75MHz Odstup radiových kanálů (nosných vln) 200 kHz 200 kHz Metoda přístupu FDMA/TDMA FDMA/TDMA Počet kanálů 2×124 2×374
GSM 1900 1850-1890 1930-1970 2×75MHz 250 kHz FDMA/TDMA 2×298
GSM 900 používá buňky o průměru 2 až 35 km (nebo dokonce i větším, v městské zástavbě naopak i menší), zatímco GSM 1800/GSM 1900 pracuje s buňkami o průměru 0,2 až 8 km.
4. Struktura sítě Základní subsystém lze rozdělit na tři části (subsystémy)
BSS (Base Station Subsystém) – subsystém základnových stanic V tomto subsystému komunikují mobilní stanice (mobilní telefony) se základnovými stanicemi prostřednictvím rádiového rozhraní.
Subsystém BSS se skládá: § §
BTS (Base Transciever Station) - základnové stanice zajišťuje fyzické spojení s mobilními stanicemi (MS) přes rádiové rozhraní. Udržuje a monitoruje spojení. BSC (Base Station Controller) - základnová řídicí jednotka dohlíží a řídí provoz radiových stanic BTS. Jejími důležitými úkoly je přidělování a uvolňování radiových kanálů pro komunikaci BTS s mobilní stanicí (vaším telefonem), dále pak handover (předávání kanálů a hovoru mezi buňkami) a další záležitosti technicko-správního charakteru.
NSS (Network and Switching Subsystem) - síťový spojovací subsystém Jedná se o systém fungující podobně jako ústředna. NSS řídí komunikaci mezi mobilními účastníky sítě GSM a mezi účastníky jiných telekomunikačních sítí. Z jedné strany je tedy napojen na stanice BSS a z druhé strany pak na všechny dostupné externí sítě, do nichž daná síť GSM umožňuje přístup (ostatní mobilní sítě, ISDN, PLMN, apod.). Mimo klasické přepojovací funkce plní další úkoly vyplývající z mobility účastníků – obsahuje databáze účastníků a sleduje jejich pohyb. Subsystém NSS se skládá: §
§
§
§
§
MSC (Mobile services Switching Centre) - mobilní ústředna slouží v podstatě stejně jako klasická ústředna v pevné síti. Sestavuje jednotlivá spojení v rámci mobilní sítě i směrem do ostatních sítí (pokud má funkci „brány“ tj. GMSC). Kontroluje přidělení kanálů, eviduje všechny uživatele a účtují se zde hovory. HLR (Home Location Register) - domovský lokalizační registr je databáze, kde jsou shromážděny údaje o všech registrovaných účastnících. Jsou zde uložena čísla IMSI (identifikační čísla SIM karty), údaje o lokalitě účastníka (do jakého registru VLR byla data o účastníkovi zkopírovaná, informace o předplacených službách, na něž máte nárok a tato databáze je kontrolována vždy, když o využití nějaké této služby žádáte. Typicky se sem uvádí, že například neplatíte účet. Každý účastník je vždy registrován jen v jediné databázi HLR (většinou v místě, kde byla zakoupena SIM karta). VLR (Visitor Location Register) - návštěvnický lokalizační registr je též databáze podobná HLR, ovšem tento registr uchovává přechodně aktuální informace o mobilních účastnících pohybujících se v oblasti příslušné MSC. Jedná se o dočasnou neúplnou kopii HLR. V okamžiku, kdy účastník opustí danou oblast, jsou tato data zrušena. AuC (Authentication Centre) - autentizační centrum je chráněná databáze obsahující klíče pro ověřování účastníků. Ověřuje totožnost každého účastníka před zahájením komunikace a zabezpečuje tak ochranu proti zneužití systému GSM. Bývá součástí HLR. Bloky HLR a AuC mohou být využívány i několika ústřednami MSC. EIR (Equipment Identity Register) - registr mobilních stanic obsahuje databázi identifikačních čísel IMEI mobilních telefonů. Pomocí EIR se tak dá zamezit neoprávněnému používání mobilního telefonu. U některých telefonů se ale dá toto číslo lehce změnit. V současnosti se však vyrábí i telefony s nezměnitelným identifikačním číslem. EIR je těsně propojen s AuC a je pouze jeden v celé síti operátora. EIR má 3 databáze: • White list: obsahuje známá a platná IMEI čísla • Black list: obsahuje IMEI čísla patřící neplatným nebo ukradeným mobilním telefonům. • Grey list: obsahuje IMEI čísla, která je potřeba sítí sledovat
OSS (Operation and Support Subsystem) – operační a podpůrný subsystém Operační subsystém má na starosti provoz a údržbu celé sítě GSM. Zajišťuje zároveň záležitosti finančního charakteru (tarifikace účastníků, evidence plateb, apod.) Subsystém NSS se skládá:
§ §
§
OMC (Operations and Maintenance Centre) - provozní a servisní centrum řídí provoz a provádí údržbu technického zázemí ostatních subsystémů sítě GSM (NSS a BSS). NMC (Network Management Centre) - centrum managementu sítě zajišťuje dohled sítě, monitoruje alarmy přicházející z jednotlivých BTS a BSC, podílí se na jejich dálkové správě a případné rekonfiguraci. Rovněž je prostředníkem k zajištění opravy případných defektů. ADC (Administrative Centre) - administrativní centrum se podílí se na správě a managementu účastníků sítě GSM. Sleduje registrace, tarifování, placení účtů atd.
GPRS Technologie GPRS přináší do datových přenosů zásadní změnu a umožňuje tak vznik zcela nových aplikací a služeb, které dosud nebylo možné či ekonomicky efektivní zavádět. Na druhou stranu si ale GPRS vynucuje určité hlubší změny v samotné mobilní síti GSM. Kvůli tomu je zavádění GPRS poměrně náročnou záležitostí. Zásadní změnou přenosu dat GPRS od předchozích způsobů přenosu dat v mobilních sítích GSM je princip přepojování paketů (místo přepojování okruhů). Uživatelé využívají přenosovou kapacitu sítě pouze v okamžicích, kdy přenášejí data a neblokují tak síť po celou dobu spojení.
1. Změny v síti GSM nutné pro funkci GPRS Nová síť, o kterou musí být stávající síť GSM rozšířena, je tvořena dvěma novými druhy uzlů – uzly SGSN a GGSN (serving a gateway GPRS support node). Obou typů uzlů přitom může být v síti více, podle toho kolik jich je zapotřebí. Pro každou vnější datovou síť, se kterou je mobilní síť propojena, většinou existuje samostatný uzel GGSN. Mezi sebou pak uzly SGSN a GGSN komunikují prostřednictvím protokolu GTP (GPRS tunelling protocol), což je aplikační protokol ze skupiny protokolů TCP/IP. Sám využívá ke svému fungování transportní protokoly UDP nebo TCP, pod kterými je provozován protokol IP. §
Uzly SGSN - dají se přirovnat k mobilním ústřednám (MSC) v původní síti. Mají také na starosti doručování dat do (z) mobilních stanic v okruhu své působnosti, ale tentokrát již jde o paketová data, a ne o data přenášená na principu přepojování okruhů. Uzly SGSN jsou napojeny na základnové stanice (BTS) skrze základnové řídící stanice (BSC), přes které zajišťují vlastní přenos dat. Kromě toho ale musí vždy být schopné zjistit, kde se příslušný terminál nachází, ověřit jeho identitu, zajistit řádné účtování za poskytnuté služby a podobně. Proto mají mimo jiné i přístup k některým registrům (například k registru HLR).
§
Uzly GGSN - naopak plní úlohu brány mezi mobilní sítí a vnější datovou sítí. Fakticky tedy zajišťují propojení obou těchto sítí a zprostředkovávají přestup dat z jedné sítě do druhé. V současné době se počítá s tím, že „vnější“ sítě pracují na bázi protokolu IP (starší protokol X.25, který byl dříve používán pro veřejné datové sítě je dnes již považován za zastaralý).
2. Služby GPRS založené na paketovém přenosu Samotný přenos na principu přepojování paketů může být realizován opět ve dvou různých variantách: §
§
Nespojovaný (connectionless) přenos - jednotlivé pakety jsou přenášeny nezávisle na sobě. Mezi odesílatelem a příjemcem není navazováno žádné spojení. Jednotlivé pakety se pak mohou dostávat ke svému cíli různými cestami a v důsledku toho mohou být doručovány i v jiném pořadí, než v jakém byly původně odeslány. Spojovaný (connection-oriented) přenos - při tomto typu přenosu sice dochází k navázání spojení mezi příjemcem a odesílatelem, ale pouze na logické úrovni (jde pouze o vytyčení cesty, ale nevyhrazuje se přenosová kapacita). Jednotlivé pakety se pak dostávají ke svému cíli takto vytyčenou cestou, je zachováno i jejich pořadí.
Dle druhu GPRS nabízí různé úrovně kvality služeb (QoS - ouality of service): §
§
§ §
Priorita – jsou definovány tři úrovně priority: vysoká, střední a nízká. Například pakety přenášené se střední prioritou budou mít přednost před pakety s nižší prioritou, a naopak budou při svém přenosu dávat přednost paketům s vysokou prioritou. Spolehlivost – jsou definovány tři třídy spolehlivosti, které definují určité kombinace pravděpodobnosti toho, že dojde ke ztrátě paketu, k přijetí duplikátu, k poškození paketu nebo jeho doručení mimo pořadí (viz. tabulka číslo 10) Zpoždění - jsou definovány čtyři třídy vztažené k průměrnému zpoždění a ke zpoždění 95% přenášených paketů pro dvě různé délky paketů (viz. tabulka číslo 11) Propustnost - je definována maximální (špičková) a střední přenosová rychlost Na základě chybovosti, záměny paketů a ztrát jsou definované různé třídy přesnosti. Podle nich si mobilní stanice mohou domluvit s mobilní sítí konkrétní nastavení parametrů přenosu pro konkrétní relace. Tato „domluva“ probíhá následujícím způsobem. Mobilní stanice, která chce používat služby GPRS, se musí nejprve zaregistrovat do sítě u jejího SGSN uzlu. V rámci něj síť zjistí uživatelská práva, zkopíruje jeho profil do SGSN a přiřadí mobilní stanici dočasný paketový identifikátor (P-TMSI). Pokud stanice chce komunikovat s jiným uzlem v některé z externích datových sítí (mimo danou mobilní síť), musí navíc získat i adresu příslušející této síti tak, aby se druhému účastníkovi jevila jako účastník jeho sítě, s určitou konkrétní adresou. Pokud se jedná například o připojení k internetu, musí stanice získat vhodnou IP adresu. Tato adresa přitom může být
přidělována buď staticky, či dynamicky. Celkově musí mobilní stanice získat tzv. PDP kontext (packet data protocol context), jehož součástí je kromě samotné adresy také adresa GGSN uzlu který slouží jako brána do vnější sítě, a také specifikace dohodnuté kvality služeb (QoS). Tento PDP kontext, který uzel získává při operaci „GPRS attach“, musí být ještě aktivován, čímž se dotyčná mobilní stanice stává „viditelnou“ z vnější datové sítě a je schopná komunikace s vnější datovou sítí.
3. Modulace V GSM/GPRS síti se používá modulaci (resp. klíčování) GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). GMSK je typem diferenčního fázového klíčování. Vysílání log. „1“ resp. log. „0“ je reprezentováno kladnou resp. zápornou změnou hodnoty fáze. V rámci jedné vysílací periody je tedy možný jeden ze dvou stavů fáze - kladný nebo záporný přírůstek - to znamená, že modulační rychlost je rovna rychlosti přenosové. Hodnota modulační rychlosti je dána použitou šířkou kanálu v rámci FDMA přístupu (Frequency Division Multiple Access). Navýšení přenosové rychlosti je tedy možné jen zvýšením počtu symbolů vysílaných během vysílací periody (jednotkového intervalu).
4. Přenosová rychlost GPRS GPRS nemění ani způsob modulace (GMSK - gaussian minimum shift keying) použité v sítích GSM. GPRS se snaží používat co nejvíce slotů současně, až do maxima 8. Na každý slot připadá přenosová rychlost 33,8 kbps. Pro užitečná data zbývá přenosová rychlost 22,8 kbps. Při optimálních podmínkách je možné výrazněji oslabit režii na zajištění přenosu, a při horších podmínkách šíření je naopak nutné ji opět zvětšit. GPRS proto zavádí čtyři různé třídy – kódová schémata. CS 1 - CS 4. Pokud by GPRS mohlo využít maximální počet 8 slotů současně, pak by to při optimálních podmínkách šíření signálu, kdy lze použít třídu CS-4, odpovídalo rychlosti 8 x 21,4 kbps, což je 171,2 kbps. To je maximální přenosová rychlost, kterou GPRS umožňuje.
Třída CS-1 CS-2 CS-3 CS-4
Užitečná přenosová rychlost 9,05 kbps 13,4 kbps 15,6 kbps 21,4 kbps
Počet slotů, ze které GPRS může čerpat, je omezena jednak počtem kanálů, které konkrétní operátor dostal v rámci své licence, ale zejména hustotou sítě, charakterem konkrétní buňky a počtem frekvenčních kanálů, které má daná buňka k dispozici. O kanály a v nich vytvářené sloty se v rámci každé buňky dělí jak hlasové přenosy tak i přenosy datové dle priorit: § § §
nejvyšší prioritu mají hlasové přenosy nižší prioritu mají klasické datové přenosy fungující na principu přepojování okruhů, tedy CSD a HSCSD nejnižší prioritu mají paketové datové přenosy (pomocí GPRS), které tudíž získávají jen takovou kapacitu, která zbývá po uspokojení požadavků hlasových přenosů, CSD a HSCSD.
