S t ř e d n í
š k o l a
t e l e k o m u n i k a č n í
O s t r a v a
PŘENOS DAT V MOBILNÍCH SÍTÍCH
ROČNÍKOVÁ MATURITNÍ PRÁCE Z TELEKOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ
Autor: Vít Gruner Třída: 4.A Školní rok: 2006/2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že předložená práce je m ým původním dílem, které jsem v ypracoval samostatně. Veškerou literaturu a další zdroje , z nichž jsem při práci čerpal , v práci řádně cituji a jsou uveden y v seznamu použité literatury.
Datum:……………………
………...………………………… podpis
OBSAH 1. ÚVOD ................................................................................................................... 4 2. ASPEKTY PŘI BODOVÁNÍ MOBILNÍ SÍTĚ................................................ 5 2.1. ŠÍŘKA PŘENOSOVÉHO PÁSMA...................................................................... 5 2.2. METODY VÍCENÁSOBNÉHO PŘÍSTUPU ....................................................... 5 2.2.1. FDMA ................................................................................................................... 6 2.2.2. TDMA ................................................................................................................... 6 2.2.3. CDMA................................................................................................................... 7 2.2.4. OFDMA ................................................................................................................ 7 2.3. MODULACE SIGNÁLU...................................................................................... 8 2.3.1. SPOJITÉ ANALOGOVÉ MODULACE .............................................................. 8 2.3.2. DIGITÁLNÍ MODULACE................................................................................... 8 3. TECHNOLOGIE II. GENERACE.................................................................... 9 3.1. GSM/CSD ............................................................................................................. 9 3.2. HSCSD .................................................................................................................. 9 3.3. GSM/GPRS ........................................................................................................... 9 3.4. EDGE .................................................................................................................. 10 3.5. ECSD................................................................................................................... 10 3.6. EGPRS ................................................................................................................ 11 4. TECHNOLOGIE III. GENERACE ................................................................ 12 4.1. CDMA2000 ......................................................................................................... 12 4.1.1. CDMA2000 1xEV-DO Rev. 0 ............................................................................ 12 4.1.2. CDMA2000 1xEV-DO Rev. A,B ....................................................................... 12 4.2. UMTS.................................................................................................................. 13 4.2.1. FDD ..................................................................................................................... 13 4.2.2. TDD..................................................................................................................... 14 4.2.3. STRUKTURA SÍTĚ UMTS ............................................................................... 14 4.2.4. KMITOČTOVÉ SPEKTRUM ............................................................................ 15 4.2.5. PŘENOSOVÉ RYCHLOSTI.............................................................................. 15 4.2.6. HSDPA................................................................................................................ 16 4.2.6.1.AMC (ADAPTIVE MODULATION AND CODING)...................................... 16 4.2.6.2.FAST SCHEDULING (RYCHLÉ PLÁNOVÁNÍ)............................................. 16 4.2.6.3.FAST RETRANSMISSION (RYCHLÉ OBNOVENÍ DAT)............................. 16 5. ZÁVĚR ............................................................................................................... 17
3
1.
ÚVOD
Mobilní telefony vznikly za účelem rozšířit telefonní síť v oblastech, kde to nebylo možné například v horách. Postupně se sítě rozšiřovaly i do jiných míst například měst a na dále zlepšovaly. Velkým mezníkem ve vývoji sítí byla jejich digitalizace. Po té začaly vznikat různé doplňkové služby počínaje SMS a mobilním emailem a konče surfováním na internetu.
Obr. č. 1 – Evoluce mobilních sítí
4
2.
ASPEKTY PŘI BODOVÁNÍ MOBILNÍ SÍTĚ
Hlavní aspekty při budování mobilní sítě jsou tyto: šířka přenosového pásma, metoda vícenásobného přístupu, která je využita, a v neposlední řadě pak modulace signálu. Ta určuje počet bitů, které je možné v jeden okamžik přenést. 2.1. ŠÍŘKA PŘENOSOVÉHO PÁSMA Digitální šířka pásma je množství nebo objem dat, která mohou být bez zkreslení odeslána kanálem, a jsou měřena v bitech za sekundu. Šířka pásma by neměla být zaměňována s termínem “pásmo”, např. mobilní telefon pracuje v pásmu 900 MHz. Šířka pásma je prostor obsazený v příslušném pásmu. Význam šířky pásma v bezdrátové komunikaci spočívá v tom, že velikost neboli šířka kanálu ovlivňuje rychlost přenosu. Přenos velkého množství dat procházejících úzkým kanálem trvá déle než přenos stejného objemu dat širším kanálem. 2.2. METODY VÍCENÁSOBNÉHO PŘÍSTUPU Máme-li pro daný radiokomunikační systém k dispozici určité frekvenční pásmo, které sdílí více uživatelů, můžeme použít jednu ze základních přístupových metod. Metoda tedy určuje, jak přenosové médium rozdělit na jednotlivé kanály, které účastníci dočasně používají ke komunikaci. Základní metody jsou následující.
5
2.2.1. FDMA Frequency Division Multiple Access – Vícenásobný přístup pomocí frekvenční modulace - rozděluje jednotlivé kanály podle jejich kmitočtu. Například jeden kanál může využívat kmitočet 950 MHz a druhý 970 MHz. Podobný systém se využívá pro poloduplexní systém, kdy pro komunikaci mobilní a základnové stanice jsou použity dva kmitočty, avšak nevysílají současně, pouze se střídají. Tahle technika se nazýva FDD (Frequency Division Duplex) a její popis se nalézá níže u principů sítě UMTS.
Obr. č. 2 – Vícenásobný přístup s frekvenčním dělěním 2.2.2. TDMA Time Divison Multiple Access – Vícenásobný přístup pomocí časového dělení – rozděluje jednotlivé kanály podle času. Každý uživatel má vyhrazený určitý okamžik, kdy komunikuje se základnovou stanicí. Podobný systém se používá u poloduplexního přenosu z mobilní na základnovou stanici. Nazývá se to TDD (Time Division Duplex) nebo taky pingpong a její popis se nalézá níže u principů sítě UMTS.
Obr. č. 3 – Vícenásobný přístup s časovým dělěním 6
2.2.3. CDMA Code Division Multiple Access – Vícenásobný přístup pomocí kódového dělení – využívá velice široké kanály, užitečný signál je kódován speciálním kódem, který rozprostře signál po celé šířce spektra přenosového kanálu. Díky tomu je možné, že na jednom kanále v jednom okamžiku komunikuje víc uživatelů najednou.
Obr. č. 4 – Vícenásobný přístup s kódovým dělením 2.2.4. OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Multiple Access - vytváří v rámci jednoho přenosového kanálu několik tisíc subkanálů, ve kterých paralelně přenáší informace. Použití zejména u WiMAXu. Původně širokopásmový signál je následně rozdělen a přenášen po těchto úzkých pásmech paralelně pomocí inverzní diskrétní Fourierovy transformace (IDFT).
Obr. č. 5 – Vícenásobný přístup pomocí paralelních subkanálů
7
2.3. MODULACE SIGNÁLU Modulace je nelineární proces, kterým se mění charakter vhodného nosného signálu pomocí modulujícího signálu. Modulace se velmi často používá při přenosu nebo záznamu elektrických nebo optických signálů. Nejběžnějšími příklady zařízení spotřební elektroniky využívajících modulaci jsou například rozhlasový a televizní přijímač, mobilní telefon, různé typy modemů, satelitní přijímače atd. Rozlišujeme dva základní typy modulací. 2.3.1. SPOJITÉ ANALOGOVÉ MODULACE Úplně první a nejjednodušší modulací byla takzvaná amplitudová modulace AM. Princip spočíval nanášení modulačního signálu na nosnou modulovanou vlnu. Po ní přišla frekvenční modulace FM, která mění kmitočet nosné podle amplitudy modulačního signálu. Existuje ještě několik způsobů modulování např. PPM, PWM, PCM, ale pro přirovnání principu modulací u mobilních telefonů, jsou tyhle postačující. 2.3.2. DIGITÁLNÍ MODULACE Je-li modulačním signálem digitální signál nabývající konečného počtu stavů, nabývá i fázor modulovaného signálu konečného počtu poloh. Mezi jednoduché modulace tohoto typu patří: • • • • •
ASK - Amplitude-Shift Keying (odpovídá AM) FSK - Frequency-Shift Keying (odpovídá FM) a její speciální případ MSK - MinimumShift Keying PSK - Phase-Shift Keying (odpovídá PM), typičtí představitelé: BPSK - Binary Phase Shift Keying (dvoustavová) QPSK - Quadrature Phase Shift Keying (čtyřstavová), 8PSK, 16PSK (vícestavové)
8
3.
TECHNOLOGIE II. GENERACE 3.1. GSM/CSD Circuit Switched Data – je to nejstarší technologie pro přenášení dat v síti druhé
generace. Připojení se uskutečňuje tím, že zavoláte na speciální telefonní číslo, kde se nachází modem a ten vás propojí do internetu. Nevýhodou je jeho pomalá rychlost 9,6 Kbps a placení za dobu surfování. 3.2. HSCSD High Speed Circuit Switched Data – jedná se o vysokorychlostní přenos dat prostřednictvím klasické technologie přepínání okruhů. Vylepšení spočívá ve zvýšení rychlosti přenosu dat v jednom timeslotu. Zatímco v klasickém CSD je datová přenosová rychlost stanovena na 9,6 kb/s, u technologie HSCSD je změnou kódování informace dosaženo rychlosti 14,4 kb/s na jeden timeslot. Výhodou HSCSD je, že od okamžiku otevření spojení zaručuje účastníkovi garantovanou přenosovou kapacitu. To je ale zároveň jistou nevýhodou z pohledu využití kapacity celé sítě, neboť se nestará o skutečné obsazení vyhrazené kapacity kanálu. Tarifikuje se za připojený čas. 3.3. GSM/GPRS General Packet Radio Service – obrovská změna v přistupu z mobilního zařízení na internet. Jeho výhoda spočívá v tom, že stáhnete určitý počet dat např. e-mail a pak jej čte doslova zadarmo, protože platíte pouze za počet přenesených kilobitů a ne za čas jako u CSD. Princip spočívá v revoluční metodě datového přenosu pomocí paketů a v možností sdílení přenosového pásma více uživateli. Celková kapacita linky může být okamžitě vyhrazena těm uživatelům, kteří zrovna posílají data v kteroukoliv chvíli, což poskytuje vyšší prostupnost tam, kde uživatelé posílají nebo přijímají data periodicky. Maximální rychlost GPRS může dosahovat až 80 kbps při kódování CS-4 a konfiguraci telefonu 4+1 (4 time sloty pro downlink a jedn pro uplink). Označuje se jako technologie 2,5. generace.
9
Obr. č. 6 – GPRS tarifikace, mobilní stanice se střídají, vzniká multiplex
Rozeznáváme několik tříd GPRS zařízení: Class A – umožňuje simultánní využívání GPRS i hlas. (Zatím nejsou zařízení této třídy na trhu) Class B – hovor, nebo data. V závislosti na podpoře sítě je možné například při GPRS spojení přijmout hovor (a zastavit GPRS) nebo opačně. Všechny v současné době prodávané GPRS mobilní telefony a zařízení patří do Class B) Class C – umožňuje pouze datový provoz, z takového přístroje nelze telefonovat (datové karty PCMCIA, speciální průmyslové moduly) 3.4. EDGE Enhanced Data rates for Global/GSM Evolution - technologie EDGE nabízí několik metod a vylepšení, které umožňují dosáhnout efektivního přenosu dat a vysoké spektrální účinnosti v tomto úzkopásmovém buňkovém systému. Vylepšení spočívá ve vylepšení modulace 8-PSK (osmistavová modulace), která dovoluje přenést tři informační bity pomocí jednoho symbolu na rádiové vrstvě, zatímco GPRS pouze jeden bit. 3.5. ECSD Enhanced Curcuit Switched Data – vylepšená verze pro přepojování okruhů. • • • • •
Posílání a přijímaní elektronické pošty Přístup vysokou rychlostí do LAN s garantovanou šířkou pásma Přenos souborů Mobilní videotelefonie Video na vyžádanou
10
3.6. EGPRS Enhanced General Packet Radio Service – vylepšení stávající GPRS a zároveň implementace EDGE. Dále nabízí vyšší rychlosti než GPRS a je s GPRS zpětně kompatibilní. Mobilní sítě s podporou EDGE a EGPRS je označovaný jako sítě 2,75G. Dosažitelné rychlosti jsou až 236,8 kbit/s při použití kódového schématu MCS-9. V praxi rychlost však dosahuje až 200 Kbps pro downstream a 100 kbps pro upstream.¨ Typickými aplikacemi pro EGPRS jsou: E- mail, WWW, Rozšířené SMS, VoIP – hlas přes Internet
Obr. č. 7 - Vývoj datových rychlostí, propustnost v kbit/s na jednom timeslotu
11
4.
TECHNOLOGIE III. GENERACE 4.1. CDMA2000
Tyto sítě, jak vyplývá již z názvu, využívají technologii CDMA a to na kanále 1,25 MHz, Dělí se na několik variant: 4.1.1.CDMA2000 1xEV-DO Rev. 0 Používají se modulace QPSK, 8PSK, 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Přenosová rychlost se pak odvíjí podle zvolené modulace, velikosti paketu. Maximální přenosová rychlost downstreamu (směru k uživateli) činí 2,457 Mb/s. Na reverzním linku (směru od uživatele) je to 153,6 Kb/s. Downstream je sdílený mezi více uživateli, a to ve formě TDMA – tedy vyhrazených časových úseků pro jednotlivé uživatele. Síť CDMA2000 1xEVDO Rev. 0 u nás provozuje firma O2 Telefónica. Používá se především na širokopásmový internet. 4.1.2.CDMA2000 1xEV-DO Rev. A,B Rev. A se v současné době začíná nasazovat. Rev. A nabízí rychlost až 3,1/1,8 Mb/s při latenci pod 50 ms. Rev. B má přinést vedle kanálů o šířce 1,25 MHz také možnost využívat jejich násobky. Na jeden kanál má nabídnout při modulaci 64QAM až 4,9 Mb/s. V maximální konfiguraci 15×1,25 MHz (20 MHz) to má být 73,5 Mb/s. Rev. B má být k dispozici na přelomu let 2007/2008.
Obr. č. 8 – Mapa pokrytí světa CDMA2000 12
4.2. UMTS Universal Mobile Telecommunications System - tvoří pouze novou část sítě připojenou ke stávající GPRS. Síť UMTS definuje dvě konkrétní varianty. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), což je nové rádiové rozhraní pro jádro původní GSM/GPRS sítě. USRAN (UMTS Satelite Radio Access Network) družicová pohyblivá služba. V praxi dosud nepoužita. Pro sítě třetí generace byla zvolena technologie CDMA (Code Division Multiple Access), což je přístupová metoda kódového dělení. Pro UMTS je použita její varianta WBCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), širokopásmová přístupová metoda. V CDMA neexistuje žádné časové dělení a všichni uživatelé používají přidělené frekvenční pásmo po celou dobu. K rozeznání různých uživatelů, kteří používají jedno frekvenční pásmo současně, se používá uživateli přidělený binární kód. Spektrum se skládá z jednoho párového pásma (1920-1980 MHz + 2110-2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910-1920 MHz + 2010-2025 MHz). Duplexní metody pro WB-CDMA jsou FDD a TDD. 4.2.1.FDD Frequency Divison Duplex – Podpora všech 3G mobilních UMTS FDD nabízí paketové datové přenosy a hlasové služby a videotelefonii na bázi přepojování okruhů. V Česku nabízí operátor O2 Telefónica.
Obr.č.9 – Schéma FDD
13
4.2.2.TDD Time Division Duplex - poskytuje pouze paketové datové přenosy a v ČR se s ní setkáte v nabídce společnosti T-Mobile pod názvem Internet 4G. O přenosových rychlostech v sítích UMTS si povíme dále.
Obr. č. 10 – Schéma TDD 4.2.3.STRUKTURA SÍTĚ UMTS Na nejvyšší úrovni bude použita ATM páteřní síť CN (Core Network), dále pak směrem k uživatelům radiová přístupová síť UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), a konečně uživatelé budou přistupovat k UMTS síti pomocí uživatelských terminálů UE (User Equipment). Mezi těmito entitami byly definovány 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 (jádru) CN odpovídá síťový spojovací subsystém NSS.
Obr. č. 11 – UMTS architektura
14
4.2.4.KMITOČTOVÉ SPEKTRUM Spektrum se skládá z jednoho párového pásma (1920-1980 MHz + 2110-2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910-1920 MHz + 2010-2025 MHz).
Obr. č. 12 – Kmitočtové spektrum UMTS Číslo na obrázku Pásmo č. 1 Pásmo č. 2 Pásmo č. 3 Pásmo č. 4 Pásmo č. 5 Pásmo č. 6 Pásmo č. 7
Frekvenční rozsah 1885 - 1900 MHz 1900 - 1920 MHz 1920 - 1980 MHz 1980 - 2010 MHz 2010 - 2025 MHz 2110 - 2170 MHz 2170 - 2200 MHz
Šířka pásma 15 MHz 20 MHz 60 MHz 30 MHz 15 MHz 60 MHz 30 MHz
Použitá technologie DECT TD-CDMA W-CDMA - Uplink Satelitní složka TD-CDMA W-CDMA - Downlink Satelitní složka
Pro časově dělený duplex UMTS byla vybrána technologie TD-CDMA, která je vhodný pro vysokorychlostní datové přenosy uvnitř budov. Pro frekvenčně dělený duplex byla vybrána technologie W-CDMA vhodná velkoplošné pokrytí a symetrické středně rychlé datové služby.
4.2.5.PŘENOSOVÉ RYCHLOSTI Rozlišujeme několik standardů UMTS. Jako první byl UMTS R99 a jeho rychlost byla 120/50 Kb/s. R4, které zavedl O2 zvýšil rychlosti na 350/350 Kb/s. Společnost T-Mobile u nás provozuje standard UMTS R5. V praxi se nazývá podle jedné z jeho použitých technologií HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Maximální sektorová rychlost činí u R5 přibližně 6 Mb/s, nicméně ta je rozdělena v rámci časového dělení na 4,75 Mb/s pro downlink a 1,1 Mb/s pro uplink. Latence se v závislosti na podmínkách pohybuje kolem 60 ms.
15
4.2.6.HSDPA HSDPA je technologie, jež mírnou úpravou rádiového rozhraní (jedná se o softwarový upgrade sítě) umožňuje dosahovat rychlosti oproti existující 384 Kb/s až 14,4 Mb/s. Zvýšení rychlosti je založeno na technologiích AMC, Fast scheduling, Fast retransmission
4.2.6.1. AMC (ADAPTIVE MODULATION AND CODING) Můžeme to volně přeložit jako přizpůsobivá modulace a kódování. Tento systém umožní rychlé a efektivní přidělení prostoru jednotlivým uživatelům, aniž by je vzájemně omezil. Princip této metody spočívá zjednodušeně v tom, že je nejdříve obsloužen uživatel, který má nejlepší kvalitu signálu, aby zbytečně nezahlcoval síť. Na pozadí těchto metod stojí složité programy a algoritmy. 4.2.6.2. FAST SCHEDULING (RYCHLÉ PLÁNOVÁNÍ) Je to funkce pro řízení toku dat, která má na starost sbírat informace od uživatelů a přeposílat je tam, kde jsou potřeba a naopak. Jednotlivé stanice mezi sebou vzájemně komunikují, aby věděly, kterým směrem se koncový uživatel nejrychleji dostane ke svým datům a jakou nejlepší cestou je možné data uživateli poskytnout. 4.2.6.3. FAST RETRANSMISSION (RYCHLÉ OBNOVENÍ DAT) Při náhlém přerušení přenosu se systém snaží toto přerušení obsloužit na nejbližším možném místě a v nejkratším čase. Pokud je to možné, pokusí se obnovit i přenášená data Opět je princip založen pouze na programovém vybavení.
16
5.
ZÁVĚR
Mobilní sítě prodělaly od dob svého vzniku obrovský pokrok a přizpůsobily se tak požadavkům a nárokům uživatelů. Během dlouhého evolučního vývoje sítí bylo vyvinuto a použito spousty nových standardů a technologií, které umožnily stále novější a novější poskytované funkce. Vývoj se však nezastavil a dále se raketovou rychlostí žene vpřed. Již dnes můžeme bez problému pořádat videokonference stahovat filmy do telefonu, sledovat živé vysílání a netroufám si odhadnout co bude třeba za 10 let.
Obr. č. 13. Telefon budoucnosti
17
POUŽITÁ LITERATURA Internetová encyklopedie Wikipedia http://cs.wikipedia.org/wiki/2.5G http://cs.wikipedia.org/wiki/General_Packet_Radio_Service http://cs.wikipedia.org/wiki/EGPRS http://cs.wikipedia.org/wiki/3G http://cs.wikipedia.org/wiki/W-CDMA http://cs.wikipedia.org/wiki/Universal_Mobile_Telecommunications_System http://cs.wikipedia.org/wiki/High-Speed_Downlink_Packet_Access Computerworld – deník pro IT profesionály http://www.computerworld.cz/cw.nsf/id/technologie_mobilni_moderni_datove_site?OpenDocu ment&cast=1 http://www.computerworld.cz/cw.nsf/id/technologie_mobilni_moderni_datove_site?OpenDocu ment&cast=2 http://www.computerworld.cz/cw.nsf/id/technologie_mobilni_moderni_datove_site?OpenDocu ment&cast=3 http://www.computerworld.cz/cw.nsf/id/technologie_mobilni_moderni_datove_site?OpenDocu ment&cast=4 Ostatní http://www.mobilmania.cz/default.aspx?article=1107294 http://www.mobilmania.cz/default.aspx?article=1109670 http://gsm2plus.webpark.pl/gprs.html http://www.pcmag.com/encyclopedia_term/0,2542,t=GSM&i=43985,00.asp http://www.volny.cz/sweet-cz/clanky/EDGE.htm http://www.comnets.rwth-aachen.de/~ein/ofdma.html http://tomas.richtr.cz/mobil/umts-radio.htm
18
