Výukový program: Moderní komunikační technologie. Modul 6: Mobilní rádiové sítě. Ing. Roman Šebesta

Výukový program:

Moderní komunikační technologie

Modul 6: Mobilní rádiové sítě Ing. Roman Šebesta

Výukový program: Moderní komunikační technologie

1

6 Mobilní rádiové sítě Cíl modulu: • vysvětlení principu zpracování signálu v obecném radiokomunikačním systému • seznámení systémech

se

základními

principy

používanými

v radiokomunikačních

• seznámení s evropským standardem pro mobilní komunikace GSM, s mobilními systémy 2,5 generace HSCSD, GPRS a EDGE a systémem 3. generace UMTS • základní popis systému pro bezšňůrové telefony DECT a systémů pro paging ERMES a RDS • vysvětlení principu přenosu dat prostřednictvím bezdrátových sítí WiFi • seznámení s principy družicové komunikace, popis vybraných družicových sítí a navigačního systému GPS Návod na práci s modulem: Jednotlivé kapitoly tohoto modulu jsou zpřístupněny prostřednictvím záložek. Bližší vysvětlení některých zkratek a odborných termínů je dostupné pomocí hypertextového odkazu. Každá podkapitola má osnovu a stručnou anotaci. Osnova: 6.1 Úvod 6.2 Základní koncepce a používané techniky radiokomunikačních systémů 6.3 Mobilní radiotelefonní systémy 6.4 Systémy pro bezšňůrové telefony 6.5 Systémy pro paging 6.6 WiFi 6.7 Družicové komunikační systémy

2

Modul 6: Mobilní rádiové sítě

6.1 Úvod Anotace: V této kapitole budou uvedeny základní pojmy z oblasti šíření rádiových vln. Na základě rozdělení kmitočtového spektra bude možno začlenit příslušné rádiové sítě a systémy do uvedených kmitočtových pásem. Dále bude uvedeno možné rozdělení radiokomunikačních systémů dle různých hledisek. V závěru kapitoly bude nastíněna problematika zpracování signálu od jeho zdroje až po koncový stupeň. Osnova: 6.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra 6.1.2 Rozdělení radiokomunikačních systémů 6.1.3 Obecné schéma radiokomunikačního systému

V současné době dochází k prudkému rozvoji informačních a komunikačních technologií. Neustále stoupají požadavky na kvalitu služeb a jejich maximální dostupnost. Vysokorychlostní datové komunikace spojené s neustále narůstajícími požadavky na přenosovou kapacitu zásadním způsobem ovlivnily telekomunikační trh. Novým požadavkem, který se v několika posledních letech velice rychle prosazuje, je mobilita uživatele. Uživatel již nechce být vázán doma na pevnou přípojku, ale chce využívat telekomunikační služby kdekoli, nezávisle na připojení do sítě. Tuto mobilitu uživatele lze zajistit použitím rádiových prostředků. Tento modul je věnován problematice mobilních rádiových sítí. Jedná se o velice obsáhlou oblast, která úzce souvisí s přístupovými sítěmi. Z tohoto důvodu jsou některé bezdrátové mobilní systémy a technologie uvedeny v modulu 5. Tento modul je zaměřen zejména na nejrozšířenější a nejpopulárnější systém současnosti – systém GSM. Další informace o mobilních rádiových sítích, jenž jsou zde popsány, lze nalézt v [1], [2], [3], [4], [5], [6] a [7].

6.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra Radiokomunikační systémy využívají k přenosu informace volné prostředí (volný prostor), ve kterém je informace přenášena od vysílače k přijímači prostřednictvím rádiových vln. Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vlnění v kmitočtovém pásmu 10 kHz až 3000 GHz, což odpovídá vlnovým délkám v rozsahu 30 km až 0,1 mm. Vzájemný vztah mezi vlnovou délkou λ a kmitočtem vlny f je dán vztahem

λ=

c f

(6.1)

kde c je rychlost šíření elektromagnetických vln ve volném prostoru c ≅ 3.108 m/s (300000 km/s).


3

Základní rozdělení rádiových vln podle jejich kmitočtu a vlnové délky je stanoveno Radiokomunikačním řádem a je uvedeno v tabulce 6.1. Tab. 6.1 Kmitočtová pásma rádiových vln kmitočet

délka vlny

symboly

český název

3 - 30 kHz

100 - 10 km

VLF

velmi dlouhé

30 - 300 kHz

10 - 1 km

LF

dlouhé

300 - 3000 kHz

1000 - 100 m

MF

střední

3 - 30 MHz

100 - 10 m

HF

krátké

30 - 300 MHz

10 - 1 m

VHF

velmi krátké

300 - 3000 MHz

10 - 1 dm

UHF

ultra krátké

3 - 30 GHz

10 - 1 cm

SHF

centimetrové

30 - 300 GHz

10 - 1 mm

EHF

milimetrové

300 - 3000 GHz

1 - 0,1 mm

-

-

Elektromagnetické vlny se šíří přímým směrem. V přírodních podmínkách je však směr a charakter šíření ovlivněn různými jevy, jako odraz, lom, difrakce nebo interference. Rádiové vlny se šíří vzhledem k popsaným fyzikálním jevům rovnoběžně k zemskému povrchu, přímočaře nebo prostřednictvím odrazů od troposféry (ve výšce cca 10 km) či ionosféry (ve výšce cca 50 km). V každém kmitočtovém pásmu existují rozdílné fyzikální podmínky šíření rádiových vln. Z toho potom vyplývá i účel využití příslušného pásma.

6.1.2 Rozdělení radiokomunikačních systémů Radiokomunikační systémy lze rozdělit podle různých hledisek. Podle způsobu realizace rádiového spojení je dělíme na jednosměrné a obousměrné, podle použité technologie na analogové a digitální, podle prostředí na pozemní a družicové, podle struktury použitých sítí na systémy buňkové a nebuňkové atd.. Velice důležité je hledisko mobility, podle kterého rozdělujeme radiokomunikační systémy na •

stacionární – spojení mezi pevnými body na zemském povrchu

•

mobilní – jeden případně oba účastníci vzájemné komunikace se mohou pohybovat

Pomocí mobilních systémů lze tedy účastníkům vzájemné komunikace poskytnout tzv. pohyblivé služby (pozornost bude věnována pozemní pohyblivé službě). Mobilní systémy, které tyto služby zajišťují, se proto také někdy nazývají systémy pozemní pohyblivé služby. Podle možnosti přístupu široké veřejnosti k jejich službám je dělíme na veřejné a neveřejné, jak je uvedeno na obrázku 6.1. SYSTÉMY POZEMNÍ POHYBLIVÉ SLUŽBY

veřejné

buňkové radiotelefonní sítě

bezšnůrové telefony

neveřejné

vyhledávací sítě (Paging)

bezdrátové sítě LAN (WLAN)

Obr. 6.1 Rozdělení pozemních mobilních rádiových systémů

speciální sítě

4


U veřejných systémů má přístup k jejich službám široká veřejnost podobně jako v případě klasické telefonní sítě. Neveřejné systémy jsou většinou provozovány uživatelem (firmou) jen pro vlastní potřebu, popř. může provoz pro uživatele zajišťovat servisní organizace. Jsou určeny pro uzavřené skupiny uživatelů, jako jsou bezpečnostní složky, hasiči, záchranná služba, energetika, ale i stavební podniky, dopravní podniky atd..

6.1.3 Obecné schéma radiokomunikačního systému Na obrázku 6.2 je znázorněno obecné schéma radiokomunikačního systému. Toto schéma lze aplikovat především na systémy digitální, tedy např. na digitální buňkové radiotelefonní systémy, na družicové digitální radiokomunikační systémy apod.. Pokud se však v tomto schématu vypustí některé bloky (kodéry a dekodéry), je použitelné i pro vývojově starší analogové systémy. Toto schéma lze po menších úpravách rovněž aplikovat i na systémy s jinými komunikačními kanály, např. s metalickými spoji, s optickými spoji apod.. Na vstupu vysílače je zdroj signálu (např. mikrofon), který přeměňuje přenášenou informaci, jež může mít v obecném případě původně charakter neelektrické veličiny, na elektrický signál. V následujícím kodéru zdroje signálu dochází nejdříve k digitalizace signálu (pokud neměl již předtím digitální podobu) a poté se podrobují vlastnímu zdrojovému kódování. Tím se v nich potlačuje redundance (nadbytečnost, resp. větší množství dat, než je nezbytné pro přenos informace vzhledem ke ztrátám v komunikačním kanálu) a irelevance (nepodstatná informace), což se projeví ve snížení přenosové rychlosti na výstupu kodéru zdroje. Proces zdrojového kódování se také označuje jako komprese dat. diskrétní sdělovací kanál spojitý sdělovací kanál vysílač

přijímač volné prostředí

modulátor

demodulátor

kodér kanálu

dekodér kanálu

kodér zdroje

dekodér zdroje

zdroj signálu

koncový stupeň

Obr. 6.2 Obecné schéma radiokomunikačního systému


5

V následujícím kodéru kanálu je signál zabezpečen proti chybám při přenosu. K binární užitečné informační sekvenci se naopak určitá redundantní složka přidává. Ta je potom využívána k potlačení rušivého působení šumu a interferencí, způsobujících chybovost přenosu. Nedílnou součástí kanálového kódování bývá tzv. prokládání (interleaving), jehož cílem je zabezpečit signál proti shlukům chyb. Uvedeným dvojím kódováním se získává digitální signál s potlačenou redundancí a irelevancí a se zvýšenou odolností proti faktorům způsobujícím chybovost. Ten dále vchází do modulátoru, kde se digitální signál moduluje pomocí vhodného digitálního modulačního způsobu (formátu) na vysokofrekvenční nebo na mikrovlnnou nosnou vlnu. Modulace je obecně definována jako proces, při němž se některý parametr této nosné vlny (amplituda, kmitočet, fáze) mění v rytmu modulačního signálu. V určitém rádiovém prostředí je potom možné přenášet na nosných vlnách s různými kmitočty velké množství zcela nezávislých modulačních signálů. Zcela obecně lze tedy definovat optimální modulátor jako funkční blok, který co nejlépe přizpůsobuje přenášený modulační signál k parametrům následujícího rádiového komunikačního kanálu. Komunikačním kanálem se obecně rozumí fyzikální prostředí, sloužící k přenosu signálu mezi vysílačem a přijímačem. Rádiový komunikační kanál je specifikován určitými parametry, které mohou mít jednak náhodný charakter (náhodný šum, náhodné rušení, vícecestné šíření signálu, různé typy úniků apod.) a jednak nenáhodný charakter (doba šíření signálu kanálem, jeho fázový posuv apod.). Na přijímací straně je signál nejprve demodulován. Na výstupu demodulátoru se objevuje signál, shodující se zpravidla až na rozličná zkreslení a šum se signálem na výstupu kodéru kanálu vysílače (rozhoduje na základě přijatého signálu o vyslaných znacích). Následující dekodér kanálu na základě znalosti algoritmu kanálového kódování a s využitím ochranné redundantní informace obsažené v přijímaném signálu provádí rekonstrukci originální informační sekvence. Dekodér zdroje, zařazený za dekodér kanálu, realizuje inverzní operace vůči kodéru zdroje. Redundantní informace, potlačená v kodéru zdroje, má charakter predikovatelné veličiny a může být ve zdrojovém dekodéru opět doplněna. Naproti tomu irelevance, jednou odstraněná ze signálu, je nenávratně ztracena a nelze ji žádným způsobem obnovit. V koncovém stupni přijímače potom konečně dochází k případnému převodu elektrického signálu na neelektrickou výstupní informaci (převod může realizovat např. reproduktor apod.).

Kontrolní otázky 1. Jak velké musí být překážky v pásmu ultra krátkých vln, aby došlo k odrazu rádiových vln? 2. Objasněte pojem redundance a relevance v souvislosti s hovorovými signály?

6


6.2 Základní koncepce a používané techniky radiokomunikačních systémů Anotace: V této kapitole bude vysvětlena koncepce a techniky používané u radiokomunikačních systémů. Větší pozornost bude věnována buňkové (celulární) struktuře a principu přepojování spojení tzv. handoveru, který s touto strukturou bezprostředně souvisí. Osnova: 6.2.1 Způsoby přenosu 6.2.2 Přístupové techniky 6.2.3 Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace 6.2.4 Handover

6.2.1 Způsoby přenosu V radiokomunikačních systémech se používají různé způsoby přenosu. Podle toho, v jakém směru probíhá komunikace mezi dvěmi účastníky, rozlišujeme následující způsoby přenosu: •

simplexní přenos (simplex) – komunikace mezi účastníky je uskutečněna pouze v jednom směru a je pro ni vyhrazen pouze jeden kanál (využití např. distribuce informací, rádiový paging atd.)

•

poloduplexní přenos (poloduplex) – komunikace probíhá na jednom kanále oběma směry, které je však třeba přepínat (využití např. rádiová pojítka policie, taxislužby atd.).

•

plněduplexní přenos (duplex) – komunikace probíhá současně oběma směry, v každém směru přenosu je vyhrazen jeden kanál. Podle toho, jakým způsobem je provedeno oddělení směrů přenosu, rozdělujeme duplexní přenos na:

kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) – oddělení směrů přenosu je provedeno v kmitočtové oblasti, každý směr má přidělen jiný rádiový kanál (každý v jiném kmitočtovém pásmu), které spolu tvoří tzv. duplexní pár (využití např. radiotelefonní systémy).

časový duplex TDD (Time Division Duplex) – oddělení směrů přenosu je provedeno v časové oblasti, každému směru je přiřazen jeden časový úsek (timeslot) v rámci jednoho rádiového kanálu (využití např. bezšňůrové telefony).


7

6.2.2 Přístupové techniky Tyto techniky určují, jakým způsobem sdílí více účastníků rádiové prostředí. V podstatě se jedná o metody, které rozdělují přenosové médium na jednotlivé kanály, které pak účastníci používají ke komunikaci. V současné době existují tyto základní metody mnohonásobného přístupu: •

FDMA (Frequency Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s frekvenčním dělením

•

TDMA (Time Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s časovým dělením

•

CDMA (Code Division Multiple Access) – mnohonásobný přístup s kódovým dělením

U mnohonásobný přístupu FDMA má každý účastník systému přidělené určité kmitočtové pásmo (rádiový kanál), které ve stejnou dobu nemůže používat jiný účastník. Nevýhodou je malé využití přenosové kapacity kanálu. Různí účastníci tedy mohou využívat systém současně ve stejnou dobu, každému je však přiřazen jiný rádiový kanál. Tato metoda se používala v nejstarších analogových systémech. U mnohonásobného přístupu TDMA je každému účastníkovi přidělen v určitém rádiovém kanálu pouze krátký časový úsek (timeslot), který je součástí tzv. TDMA rámce, který se cyklicky opakuje. Vzhledem k tomu, že přenos neprobíhá spojitě v čase, ale ve stejně dlouhých, pravidelně se opakujících časových úsecích, vyžaduje tato metoda složitější časovou synchronizaci. Různí účastníci tedy využívají stejný rádiový kanál systému, avšak každý v jiném časovém úseku. Tato metoda je použitelná pouze v digitálních systémech. Technika mnohonásobného přístupu CDMA je založena na technologii rozprostřeného spektra. Jednotliví účastníci jsou rozlišeni individuálním pseudonáhodným kódem, který se na vysílací straně používá k rozprostření vysílaného signálu do širokopásmové podoby. Používané kmitočtové pásmo mohou sdílet nejen ostatní účastníci systému, ale i jiné systémy pracující na odlišných principech. Na přijímací straně se ze směsi signálu vybere na základě znalosti kódu účastníka požadovaný signál. Přístup CDMA vyžaduje složitou synchronizaci. Různí účastníci tedy využívají ve stejném okamžiku stejný rádiový kanál, ale jsou od sebe rozlišeni individuálními kódy. V praktických aplikacích je přidělené kmitočtové pásmo rozděleno metodou FDMA na rádiové kanály, ve kterých jsou pak metodou TDMA respektive CDMA vytvořeny jednotlivé účastnické kanály.

6.2.3 Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace Moderní systémy pro mobilní komunikaci používají buňkovou (celulární) strukturu. Území, které chceme pokrýt signálem (např. území jednoho státu), je rozděleno na velké množství malých oblastí tzv. buněk. Pro buňkové systémy je typické tzv. mnohonásobné opakování kmitočtu. Sousední buňky nemohou z důvodu rušení používat stejné kmitočty, vzdálenější buňky však ano. Buňky, které používají různé kmitočty, vytváří tzv. svazek buněk, který se na daném území opakuje a proto je možné tímto způsobem s omezeným kmitočtovým pásmem pokrýt nekonečně rozlehlé území. Celá situace je znázorněna na obrázku 6.3a.

8

Modul 6: Mobilní rádiové sítě 2R

2 3

7 1

4

6 5

2 3

1 4

O

7 6 5 překrývání buňek

a)

3 sektory

6 sektorů

b)

Obr. 6.3 Mnohonásobné využití kmitočtů, překrývání a sektorizace buněk

Obsluhovaná oblast je rozdělena na 14 buněk, které vytvářejí 2 svazky po 7 buňkách. Uprostřed každé buňky je umístěna základnová rádiová stanice BTS (Base Transceiver Station) pracující s určitou skupinou rádiových kanálů, která svým signálem pokrývá oblast této buňky a zajišťuje spojení mobilních účastníků nacházejících se v této buňce se systémem. Např. první buňce prvního svazku jsou přiděleny rádiové kanály č. 1 až 10, druhé buňce kanály č. 11 až 20, atd., až poslední sedmé buňce prvního svazku kanály č. 61 až 70. Všech 70 kanálů tohoto svazku je však možné opět využít v dalším sousedním svazku. Aby se v uvedeném příkladu vzájemně nerušil rádiový provoz v buňkách využívajících stejné rádiové kanály, musí být jejich vzdálenost rovna přibližně pětinásobku ekvivalentního poloměru buňky. Vzájemná vazba mezi poloměrem buňky R , počtem buněk ve svazku N a příslušném odstupu dvou buněk stejných frekvencí sousedních svazků O je dána vztahem O = R 3N

(6.2)

Svazek může obsahovat různý počet buněk (např. 3, 7, 9). Větší počet buněk způsobuje menší rušení, protože rušící buňky jsou relativně dále. Popsaný způsob rozdělení rádiových kanálů do jednotlivých buněk svazku, kdy každá základnová stanice má přístup pouze k omezenému počtu rádiových kanálů svazku se nazývá pevné přidělování kanálů FCA (Fixed Channel Allocation). Toto rozdělení však není nejefektivnější, neboť může nastat situace, kdy v jedné buňce svazku bude nedostatek volných rádiových kanálů, zatímco rádiové kanály v jiné buňce téhož svazku nebudou stoprocentně využity. Uvedený problém se řeší tzv. dynamickým přidělováním kanálů DCA, DCS (Dynamic Chanell Allocation, Selection). V tomto případě má každá základnová stanice přístup ke všem kanálům svazku. Jejich použití však závisí na tom, zda volný rádiový kanál není zrovna využíván v sousední buňce, což musí být zjištěno monitorováním provozu v okolních buňkách. Další zvýšení kapacity sítě lze provést tzv. sektorizací buněk nebo překrýváním buněk (obrázek 6.3b). Při sektorizaci buněk se každá buňka rozdělí na 3 nebo 6 kruhových výsečí tzv. sektorů, ve kterých je zajištěno spojení s mobilní stanicí pomocí příslušné dvojice vysílač-přijímač a směrových antén. Tak se zvýší počet kanálů jedné buňky na trojnásobek resp. šestinásobek a jednotlivé kanály se mohou na daném území opakovat častěji. Buňky mají menší rozměry a základnové vysílače tak vystačí s menšími výkony. Při překrývání buněk je do přetížené buňky přidána další základnová stanice využívající kanály sousedních


9

buněk. Výkon vysílače této základnové stanice je omezen, takže svým signálem pokrývá pouze část území původní buňky a nedochází k interferencím se signály sousedních buněk. Buňková struktura je velice flexibilní co se týče kapacity systému. Kapacitu lze regulovat velikostí buněk. Buňky nejsou stejně velké nejen z důvodů různého terénu, ale jejich velikost se mění podle předpokládané hustoty provozu a předpokládaného počtu účastníků. Rozlišujeme: • makrobuňky – velké buňky o poloměru až desítek km, používají se ve venkovských a příměstských oblastech s malou hustotou provozu. • mikrobuňky – malé buňky s poloměrem do 1 km, používají se v oblastech s větším provozem, např. v centru měst. • pikobuňky – velice malé buňky o poloměru menším než 50 metrů, používají se v místech s vysokou koncentrací uživatelů, např. nádraží, obchodní domy, buňky v poschodích nad sebou ve výškových budovách, aj. • buňky deštníkového typu (umbrella cells) – zvláštní typ buněk, které vykrývají nepokryté části území mezi menšími pikobuňkami nebo mikrobuňkami. U makrobuněk je poměrně jednoduché předvídat hustotu provozu. Pro mikrobuňky a pikobuňky je toto určení obtížnější. Se zmenšujícím se poloměrem buněk rovněž prudce rostou požadavky na handover, protože k němu dochází mnohem častěji.

6.2.4 Handover Handover je přepnutí spojení mezi mobilní stanicí MS (Mobile Station) a BTS během komunikace z jednoho rádiového kanálu na jiný. Dochází k němu na základě rádiové nebo síťové příčiny, když systém vyhodnotí nový rádiový kanál jako kvalitnější (např. změna buňky, špatná kvalita rádiového kanálu - rušení, velká vzdálenost (zpoždění); rozdělení zatížení, optimalizace vysílacího výkonu atd.). Většinou k handoveru dochází na hranicích mezi buňkami. Důležité je, která část systému činí rozhodnutí o handoveru, která část provádí měření a jaký je průběh přepínacího procesu. Podle průběhu přepínacího procesu rozdělujeme handover na •

Tvrdý – systém nejdříve odpojí MS z původního kanálu a teprve potom ji připojí na nový kanál. Při přepnutí dochází ke krátkému přerušení spoje (do 100 ms), což při přenosu hovorového signálu účastník nepostřehne, avšak při přenosu datových signálů může přepnutí způsobit ztrátu informace. Tento typ handoveru je využit např. u systému GSM.

•

Seamless (bezešvý) – nejdříve se vytvoří spojení na novém kanálu (po určitou krátkou dobu existuje paralelní spojení na dvou kanálech) a teprve pak je původní kanál odpojen. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT.

•

Měkký – mobilní stanice je neustále připojena na všechny dostupné základnové stanice (minimálně 2) a spojení se uskutečňuje paralelně po všech kanálech (zvýšené nároky na kapacitu sítě). Při pohybu MS v síti se některá spojení ruší a jiná vznikají. Připojení na více BTS způsobuje větší nároky na kapacitu sítě. Tento typ handoveru využívají např. radiotelefonní systémy 3. generace UMTS.

10


Podle toho, která část systému provádí měření kvality spojení, rozhoduje o handoveru a řídí jej, rozdělujeme handover do následujících skupin: •

Sítí řízený handover NCHO (Network Controlled Handover) – Měření kvality kanálu provádí pouze BTS a na základě výsledků měření signálu provádí rozhodnutí o přepnutí. Na MS nejsou kladeny žádné požadavky. Nejčastěji se používá v analogových systémech.

• Handover řízený mobilní stanicí MCHO (Mobile Controlled Handover) – Měření kvality všech kanálů provádí MS i BTS. Rozhodnutí o přepnutí provádí MS, která je předá do systému a ten zajistí provedení přepnutí. V tomto případě rostou technické nároky na MS. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT. • Sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice MAHO (Mobile Assisted Handover) – MS neustále měří velikost signálu sousedních BTS a výsledky měření předává servisní BTS (ke které je zrovna připojena). Současně MS i BTS provádí měření kvality probíhajícího spojení. Na základě naměřených údajů provádí systém rozhodnutí o uskutečnění handoveru. Tento typ handoveru je využit např. u systému GSM.

Kontrolní otázky 1. Kolik může být uskutečněno současných spojení v systému využívající principu FDMA v případě, kdy daný systém využívá pásmo o šířce 25 MHz s odstupem rádiových kanálů 200 kHz? 2. Jaká musí být minimální vzdálenost mezi buňkami využívající stejné kmitočty rádiových kanálů v případě použití svazku buněk, který je tvořen 12 buňkami o průměru 3OO m? 3. Co může způsobit použití tvrdého handoveru při přenosu dat?


11

6.3 Mobilní radiotelefonní systémy Anotace: V této kapitole bude stručně popsán vývoj radiotelefonních systémů. Velká pozornost bude věnována systému GSM, jeho architektuře, zpracování signálu a otázkám souvisejících s jeho zabezpečením. Rovněž zde budou popsány způsoby, jakými lze v mobilních radiotelefonních sítích zabezpečit přenos dat. Závěr této kapitoly je věnován základnímu popisu systému UMTS, který je v současné době vývojově nejmodernějším systémem.

Osnova: 6.3.1 Generace radiotelefonních systémů 6.3.2 Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové úrovně 6.3.3 Architektura systému GSM 6.3.4 Zpracování signálu v systému GSM 6.3.5 Zabezpečení v systému GSM 6.3.6 Přenos dat v mobilních sítích 6.3.7 Vývojové trendy – UMTS

6.3.1 Generace radiotelefonních systémů Radiotelefonní systémy nabízející obdobné služby jako pevné sítě mají oproti těmto sítím jednu obrovskou výhodu a tou je mobilita uživatelů. Proto jsou často označovány jako mobilní sítě. Celosvětový vývoj těchto systémů je obecně rozdělen do několika generací: •

1. generace – jednalo se o analogové systémy určené pro hlasové služby využívající přístupovou metodu FDMA. Mezi tyto systémy patří např. skandinávský systém NMT (Nordic Mobile Telephone), americký systém AMPS (Advanced Mobile Phone System), britský systém TACS (Total Access Communications System) či německý systém C-450.

•

2. generace - jedná se o digitální systémy využívající přístupovou metodu TDMA a digitální modulační techniky. K hlavním výhodám patří efektivnější využití přidělených kmitočtových pásem, vyšší provozní kapacita, vyšší kvalita spojení, vysoká úroveň zabezpečení, rozšíření sortimentu nabízených služeb a zavedení mezinárodního roamingu. Mezi tyto systémy patří např. evropský standard GSM (Global System for Mobile Communication), americké systémy ADC (American Digital Cellular) označované taky jako IS-54 a IS-95 (Interim Standard) či japonský systém JDC (Japan Digital Cellular). Přehled základních světových standardů, spolu s uvedením jejich základních technických parametrů, je pro analogové systémy 1. generace uveden v tabulce 6.2 a pro digitální systémy druhé generace je uveden v tabulce 6.3.

•

2,5. generace – tato generace tvoří jakýsi přelom mezi systémy druhé generace, jež se orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především

12

Modul 6: Mobilní rádiové sítě na služby datové. Nejedná se tedy o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících systémů druhé generace, která umožňují operátorům nabídnout vysokorychlostní přenos dat pro koncové uživatele. Tyto systémy jsou blíže popsány v kapitole 6.3.6. •

3. generace – v této generaci digitálních systémů je hlavní důraz kladen na vysokorychlostní přenos dat. V Evropě se třetí generace sítí nazývá UMTS (Universal Mobile Telephony System), v Americe se používá také název CDMA 2000. Systému UMTS je věnována kapitola 6.3.7. Tab. 6.2 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 1. generace Systém

AMPS

TACS

C 450

NMT 450

NMT 900

824 - 849 869 - 894

890 - 915 935 - 960

450 - 455,74 460 - 465, 74

453 - 457,5 463 - 467,5

890 - 915 935 - 960

Odstup rádiových kanálů [kHz]

30

25

10

25

12,5

Počet rádiových kanálů

832

1000

573

180

1999

Kmitočtový odstup FDD [MHz]

45

45

10

10

45

Amerika Austrálie JV Asie Afrika

Evropa Afrika JV Asie

Německo Portugalsko



Kmitočtový rozsah [MHz]

Využití na území

Tab. 6.3 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 2. generace Systém

GSM

IS 54

IS 95

JDC

FDMA / TDMA

FDMA / TDMA

FDMA / CDMA

FDMA / TDMA

890 - 915 935 - 960

824 - 848 869 - 894

824 - 848 869 - 894

810 - 826 940 - 956

Duplex

FDD

FDD

FDD

FDD

Odstup rádiových kanálů [kHz]

200

30

1250

25

Digitální modulace

GMSK (BT = 0,3)

π /4 QPSK

QPSK, OQPSK

π /4 QPSK

Zdrojové kódování

RPE - LTP

VSELP

QCELP

VSELP

Přenosová rychlost [kbit/s]

13

8

Počet účastnických kanálů v rádiovém kanálu

8

3

není fixní

3

konvoluční 1/2

konvoluční 1/2

konvoluční 1/2, 1/3

CRC

270,833

48,6

1228,8

42

Mnohonásobný přístup Kmitočtový rozsah [MHz]

Kanálové kódování

Přenosová rychlost [kbit/s]

9,6 4,8 2,4 1,2

8


13

6.3.2 Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové úrovně Digitální systém GSM patří k druhé generaci veřejných radiotelefonních systémů. Podněty k vývoji tohoto Evropskému standardu vznikly na počátku osmdesátých let v organizaci CEPT (Conference of European Post and Telekommunications Administrations), sdružující poštovní a telekomunikační správy západoevropských zemí. Na vypracování standardu GSM se podílel také Evropský telekomunikační standardizační institut ETSI (European Telecommunications Standard Institute). První část doporučení tzv. Phase 1 byla vydána v roce 1991. V současné době se tento systém ve velké míře využívá také k přenosu datových signálů. Rozdělení kmitočtového pásma Základní primární systém GSM, označovaný také jako PGSM (Primary GSM) nebo GSM 900, má přidělené kmitočtové pásmo 890 MHz až 960 MHz. Toto pásmo je rozděleno na dvě části: •

890 – 915 MHz – pro spojení MS → BTS, tzv. směr uplink

•

935 – 960 MHz – pro spojení BTS → MS, tzv. směr downlink

Je zde tedy použit přístup FDMA a kmitočtový duplex FDD. Základnové stanice vysílají na vyšším kmitočtu duplexního páru, jehož rozteč je 45 MHz. Uvnitř každého pásma je vytvořeno 124 rádiových kanálů. Šířka pásma jednotlivých rádiových kanálů je 200 kHz. Zbylá 125. část je rozdělena na poloviny (2 x 100 kHz), které tvoří oddělovací úseky na horním a na dolním konci každého pásma. Pro číslo rádiového kanálu, které může nabývat hodnot od 1 do 124, se používá označení ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Systém PGSM používá tedy 124 duplexních kanálů. Kmitočet nosné pro uplink f CUL (n) i downlink f CDL (n) lze určit ze vztahů f CUL (n) = 890 + 0,2 n f CDL (n) = f CUL (n) + 45

[MHz ], [MHz ],

(6.3) (6.4)

kde n = ARFCN , pro něž platí 1 ≤ n ≤ 124 . Rozdělení pásma na jednotlivé rádiové kanály je naznačeno v tabulce 6.4. V každém rádiovém kanálu je metodou TDMA vytvořeno 8 časových intervalů TS (Time Slot) nebo-li timeslotů (účastnických kanálů), které tvoří rámec TDMA (TDMA Frame). Celkový počet účastnických duplexních kanálů je 124 x 8 = 992. Rozdělení rádiových a účastnických kanálů je přehledně naznačeno na obrázku 6.4.

14

Modul 6: Mobilní rádiové sítě Tab. 6.4 Rozdělení kmitočtového pásma systému PGSM n

fCUL [MHz]

fCDL [MHz]

1

890,2

935,2

2

890,4

935,4

3

890,6

935,6

4

890,8

935,8

5

891,0

936,0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

121

914,2

959,2

122

914,4

959,4

123

914,6

959,6

124

914,8

959,8

Kmitočet

200 kHz

577 μ s

f6

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

f5

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

f4

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

f3

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

f2

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

f1

TS 0

TS 1

TS 2

TS 3

TS 4

TS 5

TS 6

TS 7

TDMA rámec 4,615 ms

čas

Obr. 6.4 Rádiové a účastnické kanály v systému GSM

Rozšířená verze systému GSM, označovaná jako EGSM (Extended GSM) navýšila kapacitu systému o 50 duplexních kanálů. Kmitočtová pásma, která využívá systém PGSM, jsou na spodních okrajích rozšířena o 10 MHz. Ochranný úsek 100 kHz na spodních koncích obou pásem se posunul o 10 MHz níže. Kmitočet nosné pro uplink se určí ze vztahů f CUL (n) = 890 + 0,2 n f CUL (n) = 890 + 0,2 (n − 1024)

[MHz ], [MHz ],

Pro kmitočet nosné f CDL (n) platí vztah (6.4).

kde 0 ≤ n ≤ 124

(6.5)

kde 975 ≤ n ≤ 1023 .

(6.6)


15

Systém GSM 1800, označován rovněž jako DCS-1800 (Digital Cellular System 1800), používá kmitočtová pásma •

1710 MHz až 1785 MHz pro uplink a

•

1805 MHz až 1880 MHz pro downlink.

Stejným způsobem je v těchto pásmech umístěno 374 rádiových kanálů s odstupem 200 kHz (2992 účastnických kanálů. Stejně jako u obou předchozích systémů jsou na horních a spodních okrajích obou pásem opět oddělovací úseky 100 kHz. Rozteč duplexního páru je 95 MHz. Kmitočty nosných pro uplink a downlink se určí ze vztahů f CUL (n) = 1710 + 0,2 (n − 511) f CDL (n) = f CUL (n) + 95

[MHz ], [MHz ].

kde 512 ≤ n ≤ 885

(6.7) (6.8)

Výkonové úrovně V tabulce 6.5 jsou uvedeny výkonové úrovně MS a BTS, jenž jsou rozděleny do několika výkonových tříd. Minimální výkon mobilní stanice je 20 mW (13 dBm). Tab. 6.5 Výkonové úrovně v systému GSM Výkonová třída

Maximální výkon MS Maximální výkon BTS

1

20 W (43 dBm)

320 W (55 dBm)

2

8 W (39 dBm)

160 W (52 dBm)

3

5 W (37 dBm)

80 W (49 dBm)

4

2 W (33 dBm)

40 W (46 dBm)

5

0,8 W (29 dBm)

20 W (43 dBm)

6

-

10 W (40 dBm)

7

-

5 W (37 dBm)

8

-

2,5 W (34 dBm)

Uvedené výkony představují maximum. K minimalizaci interferencí a redukci spotřeby je výkon jak na MS tak na BTS adaptivně nastaven vždy jen na takovou úroveň, která stačí pro udržení požadované kvality spojení, kritériem je bitová chybovost BER (Bit Error Rate). Výkon MS je řízen BTS po 13 rámcích (60 ms). Ruční MS patří do třídy 4, vozidlové a přenosné MS mohou patřit do třídy 2. V tabulce 6.5 je uveden maximální vyzářený výkon BTS připadající na jeden rádiový kanál. Střední výkon připadající na jeden kanál TDMA (jeden účastnický kanál) vyzářený BTS je tedy osminový. Pro GSM - Phase 2, jsou maximální výkony základnových stanic určených pro mikrobuňky a pikobuňky menší. Dělí se do tříd: •

M1 – 0,25 W (24 dBm)

•

M2 – 0,08 W (19 dBm)

•

M3 – 0,03 W (14 dBm)

Maximální výkon mobilní stanice je 2,5 mW (4 dBm).

16


6.3.3 Architektura systému GSM Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval přístup i do jiných sítí. Na obrázku 6.5 je znázorněna architektura systému GSM. Skládá se ze tří tzv. subsystémů: •

Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystém)

•

Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem)

•

Operační podpůrný subsystém OSS (Operation Support Subsystem) BSS

Mobilní účastníci

NSS

BTS

EIR

BTS

BSC

AUC

F

TRAU

HLR

BTS

VLR D C

B

MSC

IWF

SS7 BTS BTS

BSC

TRAU

Externí sítě

BTS OSS

BTS BTS

BSC

Um

NMC

TRAU Q3(X.25)

BTS

A-bis

ADC

OMC A

Obr. 6.5 Architektura systému GSM

Mobilní stanice MS Samotné MS jsou autonomní součásti systému GSM, nenáleží však k žádnému ze tří uvedených subsystémů. Pod pojmem mobilní stanice se rozumí ve smyslu Specifikací GSM nejen vlastní vysílač/přijímač (označovaný také jako mobilní uživatelská či účastnická stanice, nebo terminál resp. tranceiver), ale navíc ještě předplatitelský identifikační modul, resp. karta SIM (Subscriber Identity Module), která tuto stanici „odemyká“. Mobilní stanice obsahuje •

vysokofrekvenční část (modulátor, demodulátor, směšovače, duplexer)

•

obvody pro zpracování signálu v základním pásmu (převod A-D a D-A, funkce zdrojového a kanálového kódování)

•

řídící mikroprocesorové obvody a paměti

•

obvody styku s obsluhou (klávesnice, displej, sluchátko, mikrofon)

•

rozhraní pro připojení periferních zařízení, např. počítače

•

napájecí zdroj


17

Bez vložené karty SIM je MS nefunkční, výjimku představuje pouze tzv. tísňové volání na známé lince 112, které lze uskutečnit i bez této karty. SIM karta obsahuje čip s mikroprocesorem, pamětmi RAM a ROM, ve kterých jsou uloženy důležité uživatelské informace, které umožňují systému GSM ověřit před poskytnutím jakékoliv služby, vyžadované určitým účastníkem, jeho autenticitu (totožnost). Karta SIM bývá v provedení telefonní karta nebo v provedení zásuvný modul (plug-in). MS je jednoznačně identifikována pomocí čísla IMEI (International Mobile Equipment Identity), které je uloženo v její paměti. MS provádí celou řadu funkcí (zabezpečení, kódování, šifrování a přenos hovorových a datových signálů, naladění na požadovaný kmitočet, zajištění funkce ekvalizace, nastavení časového posuvu, sledování kvality spojení, sledování výkonu a kvality signálu v sousedních buňkách pro optimální handover a zasílání výsledků do sítě apod.). Subsystém základnových stanic BSS Tento subsystém, který je nazýván též rádiový subsystém tvoří: •

Základnové stanice BTS (Base Tranceiver Stations) – zajišťují rádiové spojení s mobilními stanicemi MS. Uvnitř každé buňky je obvykle umístěna jedna BTS, která má nejčastěji 3 až 5 rádiových kanálů (24 až 40 účastnických kanálů). Každá BTS je identifikována kódem BSIC (Base Station Identification Code).

•

Základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controller) – řídí větší počet BTS, obvykle několik desítek a výjimečně až stovek. Stará se např. o kmitočtovou správu a handover.

•

Transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit) – slouží pro přizpůsobení bitových rychlostí, může realizovat také převod formátů signálů PCM apod..

Síťový přepojovací subsystém NSS Subsystém NSS, který se označuje také jako mobilní resp. radiotelefonní ústředna, představuje hlavní (pevnou) část GSM sítě. Realizuje především přepojovací (spínací funkce), podobně jako jej uskutečňuje klasická telefonní ústředna. Tento subsystém můžeme souhrnně označit jako funkční celek, který řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM a mezi účastníky externích telekomunikačních sítí. Subsystém NSS realizuje ještě celou řadu specifických úloh spojených s mobilitou účastníků. Jediný subsystém NSS v praxi zajišťuje radiotelefonní provoz na území, na němž žije několik stovek tisíc obyvatel (v ČR cca 10-20 NSS/operátora). Tento subsystém tvoří: •

Radiotelefonní ústředna MSC (Mobile Switching Centre) – je nadřazena nad systémem BSC a tvoří spínací prvek v síti (směrování hovorů z jednoho BSC do druhého, do jiné MSC, zajišťuje výstavbu pojení). Umožňuje propojení mobilní sítě do jiných externích sítí, jenž je zajištěno pomocí radiotelefonní ústředny s označením GMSC (Gateway MSC). O spolupráci MSC s jinými sítěmi se stará jednotka spolupráce IWF (Inter-Working Functionality), jenž je součásti MSC.

•

Návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register) – je databáze uchovávající a obnovující data o „cizích“ účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí v dané oblasti. Je do ní zkopírována většina položek z HLR. Uchování zmíněných dat je zde však jen dočasné a ruší se v případě, kdy takový účastník opustí danou oblast.

18

Modul 6: Mobilní rádiové sítě •

Domovský lokační registr HLR (Home Location Register) – je databáze uchovávající důležité informace o všech účastnících příslušejících „domovsky“ do oblasti dané ústředny NSS. HLR lze rozdělit na dvě oblasti. V první jsou uložena neměnná data (uživatelský profil, předplacené služby), ve druhé se ukládají dynamicky se měnící data (poloha, kde se právě MS nachází – důležité pro příchozí hovory, zda právě hovoří atd.). Tato účastnická data slouží především pro výstavbu spojení a vytváření služeb. Každý účastník je zde označen unikátním číslem mezinárodní identity mobilního účastníka IMSI (International Mobile Subscriber Identity).

•

Centrum autentičnosti AuC (Authenticity Centre) – je součástí HLR, uchovává účastnické klíče nezbytné pro zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní. Obsahuje klíče pro ověřování autentičnosti každého účastníka zaznamenaného v registrech HLR a VLR (před zahájením komunikace ověřuje AuC totožnost každého účastníka). Obsahuje šifrovací klíče, podle nichž se šifruje každý účastnický signál přenášený rádiovým rozhraním; tento klíč je individuální pro každého účastníka a navíc se mění s časem, takže ochrana přenášených dat je v systému GSM velmi dokonalá.

•

Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) – tento registr identifikuje zcizené nebo neoprávněně užívané MS, a to na základě dat jež tyto stanice vysílají a jež nesouhlasí s údaji obsaženými v registrech HLR a VLR. V paměti MS (ne v paměti SIM karty) je uložena její mezinárodní identifikace v podobě sériového čísla přístroje IMEI, jenž může být použita ke kontrole při sestavování spojení (přes signalizační kanál zaslána k MSC). Lze ji využít ke zjištění ukradené MS.

Operační podpůrný subsystém OSS Jeho úkolem je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM, a to především za podpory systémových techniků, provádějících monitorování, diagnostiku a opravy poruch jednotlivých složek systému apod.. Do toho subsystému mají přístup výhradně zaměstnanci daného operátora. Operační subsystém OSS provádí kontrolu a údržbu veškeré technologie (hardwaru) daného systému, podílí se na managementu účastníků GSM, tedy provádí jejich registraci, řeší otázky tarifování apod., podílí se na managementu mobilních stanic, tyto stanice např. monitoruje, dále zjišťuje stanice porouchané apod. Uvedené funkce plní v subsystému OSS tři funkční jednotky. Je to především: •

Provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance Centre) – centralizovaný bod pro dohled, zpracování analýzy a konfiguraci managementu pro celou síť. Monitoruje a provádí údržbu všech bloků MS, BTS, BSC a MSC v rámci daného systému GSM. Snaží se zabezpečit bezporuchový provoz tím, že identifikuje chybnou část a hledá náhradní režim.

•

Centrum managementu (řízení) sítě NMC (Network Management Centre) – je odpovědné za administraci, údržbu, integritu dat, za obnovu síťových parametrů, za nahrávání softwaru a dat do síťových prvků a databází.

•

Administrativní centrum ADC (Administrative Centre).


19

Externí složky systému GSM Všechny tři výše uvedené subsystémy (kromě mobilních stanic) se také označují jako fixní podpůrné složky systému GSM nebo jako jeho infrastruktura. Systém GSM při plnění svých funkcí však musí spolupracovat se třemi externími složkami. Prvou z nich jsou uživatelé systému, označovaní také jako účastníci nebo-li předplatitelé (subscribers), kteří využívají mobilní stanice. Další externí složkou systému GSM jsou operátoři, což jsou společnosti angažující se v oblasti telekomunikačního podnikání. Ti systém GSM budují a provozují, řídí ho tedy jak z hledisek ekonomických a finančních, tak i z hledisek technických. Účtují účastníkům poskytované služby, vydávají a evidují karty SIM, zajišťují technický servis infrastruktury systému apod.. Třetí kooperující externí složkou systému GSM jsou externí telekomunikační sítě. K těm náleží především: •

veřejná komutovaná telefonní síť PSTN (Public Switching Telecommunication Network),

•

digitální sítě integrovaných služeb ISDN (Integrated Services Digital Network),

•

veřejné datové sítě s přepojováním okruhů CSPDN (Circuit Switched Public Data Network),

•

veřejné datové sítě s přepojováním paketů PSPDN (Packed Switched Public Data Network)

•

a jiné veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Network).

Rozhraní v systému GSM Na obrázku 6.5 jsou vyznačena rovněž i příslušná rozhraní mezi jednotlivými funkčními bloky systému GSM. Mezi mobilními stanicemi MS a základnovými stanicemi BTS se nachází rádiové rozhraní Um (někdy označované jako I/F). Mezi stanicemi BTS a řídící jednotkou BSC se nachází tzv. rozhraní Abis. Mezi řídící jednotkou BSC a mobilní ústřednou MSC je potom rozhraní A, užívající signalizační systém č.7 SS7 (Signaling System No.7). Ten podporuje komunikaci mezi základnovými stanicemi BSS a mobilní ústřednou MSC, jakož i přenos síťových sdělení mezi individuálními účastníky a ústřednou MSC. Další rozhraní jsou rovněž definována mezi jednotlivými funkčními bloky subsystému NSS a OSS.

6.3.4 Zpracování signálu v systému GSM Zdrojové kódování V systému GSM se používá jedna z moderních parametrických metod zdrojového kódování, označovaná zkratkou RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction). Tento kodek byl vybrán z celkem 20 návrhů z 9 zemí Evropy. Na základě hodnocení kvality výsledného hovorového signálu a dále schopnosti transkódování. Pro efektivní činnost kodéru musí být na jeho vstup přiveden speciálně upravený digitalizovaný hovorový signál. Výstupní přenosová rychlost kodéru pro hovorový signál je 13 kbit / s . Podrobný popis této metody je příliš komplikovaný, proto budou dále uvedeny pouze základní údaje. Analogový hovorový signál v pásmu 300-3400 Hz je po filtraci vzorkován s kmitočtem 8 kHz a segmentován do časových rámců 20 ms, jak je uvedeno na obrázku 6.6. V analogově

20


digitálním převodníku se vytvoří v každém rámci 160 vzorků, z nichž každý je kódován 13 bity, tj.do 8192 úrovní. Bitová rychlost na vstupu kodéru je tedy

160.13 = 104 kbit / s . 20.10 −3 Procesem kódování jsou potom tyto segmenty převedeny na digitální hovorové rámce po 260 bitech. Každý rámec obsahuje 47.4 = 188 bitů tzv. excitačního signálu, z něhož se v dekodéru přijímače rekonstruuje požadovaný výstupní signál a 4.9 + 36 = 72 bitů reprezentujících koeficienty digitálních filtrů. Celkem 260 bitů za 20 ms představuje výstupní přenosovou rychlost signálu 13 kbit/s. Tyto bity jsou dále přeskupeny a uspořádány do skupin vhodných pro následující ochranné kanálové kódování.

Analogový hovorový signál

1

3

5

7

9

1 1

1 3

1 5

1 7

1 9

2 1

2 3

2 5

2 7

2 9

3 1

3 3

3 5

3 7

3 9

4 1

4 3

4 5

4 7

4 9

5 1

5 3

5 5

5 7

5 9

6 1

6 3

6 5

6 7

6 9

7 1

7 3

7 5

7 7

7 9

8 1

8 3

8 5

8 7

8 9

9 1

9 3

9 5

9 7

9 9

1 0 1

20 ms

Časové segmenty 20 ms Kódovaný signál RPE/LTP

260 bitů Ia 50

Ib 3

132

II 4

78

Přeskupení bitů

celkem (260 + 3 + 4) bitů

378

78 B

A

celkem 456 bitů

Konvoluční kódování rychlost 1/2, omez. délka 5

C

57

Dělení na skupiny Diagonální prokládání

Zdrojové a kanálové kódování hovorového signálu v celulárním radiotelefonním systému GSM

Obr. 6.6 Zpracování signálu v systému GSM

Kanálové kódování

Z celkového počtu 260 bitů hovorového rámce délky 20 ms, jsou však pro rekonstrukci signálu na přijímací straně některé bity důležitější a některé méně důležité. 260 bitů je proto rozděleno na tři části, tzv. třída Ia, třída Ib a třída II, které jsou podle své důležitosti kódovány s různým stupněm zabezpečení. K nejdůležitějších 50 bitům třídy Ia se přidají 3 paritní bity, které usnadňují detekci nekorigovatelných chyb v přijímači. Ke 132 bitům třídy Ib jsou přidány 4 koncové nulové bity. Zbylých 78 bitů třídy II se přenáší bez zabezpečení. Je pak vytvořen blok o celkovém počtu bitů třídy I (50 + 3) + (132 + 4) = 189 bitů, který je podroben protichybovému konvolučnímu kódování s kódovým poměrem R = 1/2


21

a omezovací délkou působení K = 5, čímž dojde k rozšíření tohoto bloku. Na výstupu konvolučního kodéru dostáváme 2.189 = 378 bitů. Zbývajících 78 bitů se přiřadí k zakódovaným bitům, čímž vznikne blok o 456 bitech, odpovídající časovému segmentu 20 ms. Ochranným kódováním dojde k navýšení přenosové rychlosti zakódovaného signálu z původních 13 kbit/s na 456 = 22,8 kbit / s . 20.10 −3 Prokládání (Interleaving)

Aby bylo v systému GSM dosaženo co největší odolnosti vůči rušivému působení shluků chyb, je konvoluční kódování kanálu doplňováno ještě tzv. prokládáním (interleavingem). Každý blok s délkou 456 bitů, vytvořený kanálovým kódováním, se rozdělí na 8 skupin po 57 bitech. Ty jsou metodou diagonálního prokládání proloženy s posledními čtyřmi skupinami předchozího bloku a prvními čtyřmi skupinami následujícího bloku, jak je zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6. V takto upraveném signálu však dvě sousední 57 bitové skupiny přísluší vždy již nikoliv jedinému, nýbrž dvěma různým blokům. Aby se narušily „sousedské“ relace mezi po sobě jdoucími bity, využívají bity prvního bloku např. sudé pozice uvnitř určité dvojice proložených bitových skupin, kdežto bity druhého bloku zaujímají pozice liché atd.. Podrobněji je prokládací proces znázorněn na obrázku 6.7. Bloky A, B a C náleží jednomu hovorovému signálu a reprezentují úseky hovoru v délce 20 ms následující těsně za sebou, takže černé obdélníky reprezentují skupiny 2.57 = 114 bitů příslušející jednomu hovorovému signálu. Z obrázku vyplývá, že každému hovoru je přidělen jen určitý časový úsek (timeslot) v tzv. rámci TDMA, který se pravidelně opakuje. Detail prokládacího procesu je naznačen ve spodní části obrázku a vyplývá z něj, že jednotlivé bloky po 57 bitech jsou proloženy bit po bitu, tedy trochu jinak než je zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6. Jak je patrné, prokládáním se změní pořadí bitových skupin, jež spolu původně sousedily. Jestliže potom v rádiovém pozemním kanálu dojde k typickému vzniku shluku chyb, budou postižené bity náležet do různých bitových skupin kódovaného signálu. Po inverzní operaci, prováděné v přijímači před dekódováním kanálu a označované jako inverzní prokládání (deinterleaving), se tím získá signál, u něhož chybné bity zakódovaného signálu již spolu nesousedí. Jinak řečeno, shluk chyb vytvořený na rádiové trase, byl takto převeden na rozptýlené osamocené chyby. Takové chyby však následující konvoluční dekodér kanálu již velmi efektivně koriguje. Účinnost kanálového kódování totiž obecně roste se slábnoucím stupněm korelace mezi chybami a právě k této „dekorelaci“ chyb prokládání výrazně napomáhá.

22

Modul 6: Mobilní rádiové sítě Blok dat 456 bitů 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

448

449

450

451

452

453

454

57 řádků

455

B

A

C

57 57 57 57 57 57 57 57

57 57 57 57 57 57 57 57

57 57 57 57 57 57 57 57

Rámec TDMA

C

B

C

B

C

B

C

B

........

C

B

C

B

........

57 bitů

B

57 bitů

Obr. 6.7 Detail prokládacího procesu

Vytváření burstů (časových oken)

Dvě sousední bitové skupiny, příslušející dvěma různým blokům, obsahují v uvažovaném režimu přenosu hovorových signálů celkem 2.57 = 114 bitů. Po doplnění dvou 57 bitových skupin nesoucích vlastní informaci (hovor, data, řídící signály) o 26 bitů zkušební (tréninkové) sekvence, dále o 2 bity řídící, dvě trojice koncových (okrajových) bitů a 8,25 bitů ochranných, dostáváme základní jednotku přenosu v systému GSM označovanou názvem burst. Tréninková sekvence dat je pravidelně vysílána uprostřed každého burstu pro zajištění funkce ekvalizace (na základě příjmu této posloupnosti se nastavují ekvalizační filtry). Na obrázku 6.8 jsou zobrazeny různé typy burstů. Rámec TDMA 4,615 ms 0

Normální burst

3

Burst pro kmitočtovou korekci

3

Synchronizační burst

3

Prázdný burst

3

Přístupový burst

1

57 (data)

2

SF

3

26 (tr. sekvence)

4

5

SF

6

57 (data)

142 (nulové bity) 39 (data)

64 (tr. sekvence)

39 (data)

26 (tr. sekvence) 8

41 (tr. sekvence)

36 (data)

Obr. 6.8 Typy burstů

3

68,25

7

3

8,25

3

8,25

3

8,25

3

8,25


23

V systému GSM existuje pět druhů burstů: •

Normální burst NB (Normal Burst) – je určen pro přenos hlasu, dat a většiny signalizace. Je tvořen dvěmi datovými poli o délce 57 bitů obsahujících užitečnou informaci, tréninkovou sekvencí dat TS (Training Sequence) o délce 26 bitů (používané tréninkové sekvence jsou uloženy v paměti každé mobilní stanice, která je využívá pro funkci ekvalizace), dvěmi trojicemi koncových (okrajových) bitů TB (Tail Bits), které obsahují vždy pouze „0“, dvěmi řídícími bity SF (Stealing Flag) udávající, zda je v burstu přenášen hovorový signál nebo řídící informace a ochrannou dobu GP (Guard Period), o kterou se může burst časově posunout ve vyhrazeném timeslotu. Tato situace může nastat v důsledku zpoždění signálu při pohybu mobilní stanice během komunikace (snížení nepřesnosti při okamžiku vysílání rámce, které vznikají vlivem měnící se doby šíření signálu pohybující se MS). Bitová perioda signálu v rádiovém kanálu je

Tb =

1 1 = ≅ 3,692 μs . f bC 270833

(6.9)

Okrajové bity tedy reprezentují ochrannou dobu 8,25.3,692 = 30,459 μs . Uvažujeme-li rychlost šíření signálu v = 3.10 8 m / s , odpovídá ochranné době změna vzdálenosti mezi MS a BTS d = 9,14 km . Druhým důvodem pro zavedení ochranné doby je nutnost rychlého nárůstu a poklesu výkonu vysílače, který pracuje v impulzním (burstovém) režimu. Toleranční výkonový diagram (Power Ramping Time Mask) je pro normální burst nakreslen na obrázku 6.9. Je vidět, že nárůst i pokles výkonu vysílače musí splňovat určitá kriteria, aby signál nepronikal do sousedních timeslotů a nerušil sousední účastnické kanály.

• Burst pro kmitočtovou korekci FB (Frequency Correction Burst) – tento burst obsahuje samé nuly, používá se pro kmitočtovou synchronizaci mobilní stanice. • Synchronizační burst SB (Synchronization Burst) – tento burst má rozšířenou tréninkovou sekvenci na 64 bitů a nemá řídící bity. Délka datových polí je 39 Bitů. Používá se pro časovou synchronizaci mobilní stanice a je vysílán vždy za burstem pro kmitočtovou korekci. • Prázdný burst DB (Dummy Burst) – má stejnou strukturu jako normální burst s tím rozdílem, že na datových pozicích jsou přenášeny přesně známé sekvence „1“ a „0“. V případě potřeby je zasílán k MS, avšak nenese žádnou informaci. Souvisí s měřením intenzity elektromagnetického pole při přechodu z jedné buňky do sousední (handover).

24


úroveň signálu 148 bitů (542,8 μ s)

+4 dB

+1 dB -1 dB

-6 dB

-30 dB

-70 dB 8 μs 10 μ s

8 μs 10 μ s

10 μ s

10 μ s

čas

156,25 bitů (577 μ s)

Obr. 6.9 Toleranční výkonový diagram pro normální burst

•

Přístupový burst AB (Access Burst) – tento burst se používá pro náhodný přístup do systému, např. po zapnutí MS. Poněvadž ještě není znám vzájemný časový posun mobilní a základnové stanice, má delší ochrannou dobu. ochranný interval tvoří 60 + 8,25 = 68,25 bitů , což odpovídá ochranné době 68,25.3,692 ≅ 252 μs . Pro nastavení tzv. časového posuvu TA (Timing Advance) se však využívá pouze 63 bitů, aby základnová stanice mohla po změření časového posuvu zaslat mobilní stanici informaci ve formě šestibitového slova. Na základě této informace upraví mobilní stanice dobu vysílání tak, aby eliminovala vliv zpoždění signálu a vysílané bursty přicházely k základnové stanici v požadovaných časových relacích. Pro 63 bitů (tj. 63 časových posuvů) vychází ochranná doba

t ZP MAX = 63.3,692 ≅ 232,6 μs , což odpovídá vzdálenosti d MAX = 232,6.10 −6.3.10 8 = 69780 m = 69,78 km ≅ 70 km . Vypočítaná ochranná doba t ZP MAX vyjadřuje maximální možné zpoždění signálu na cestě od BTS k MS a zpět od MS k BTS. Odpovídající vzdálenost d MAX = 2.rMAX určuje dvojnásobek maximální vzdálenosti MS od BTS. Odtud vyplývá, že systém GSM je navržen na maximální poloměr buňky rMAX =

d MAX ≅ 35 km . 2

(6.10)


25

Struktura rámců

Hierarchie rámců v systému GSM je přehledně znázorněna na obrázku.6.10. V každém rádiovém kanálu systému GSM je metodou TDMA vytvořeno 8 časových intervalů (timeslotů), tvořících TDMA rámec s dobou trvání 8.0,577 = 4,615 ms . Tyto rámce se pravidelně opakují. Účastnický signál sestavený do burstů se tedy přenáší v pravidelně se opakujících časových intervalech TDMA rámců. TDMA rámce se dále skládají do tzv. multirámců. Pokud se jedná o provozní rámce je jich v jednom multirámci 26. Pokud se jedná o rámce nesoucí řídící informace sdružuje se jich do jednoho multirámce 51. Multirámce se dále skládají do superrámců. Jeden superrámec má délku 1326 rámců a je sestaven buď z 51 multirámců o délce 26 rámců nebo z 26 multirámců o délce 51 rámců. Spojením 2048 superrámců vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny 28 minut 53 sekund a 760 ms. Uvedená struktura všech rámců spolu s použitou ekvalizací, dovolují používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km / hod . Hyperrámec 0

1

2

3

4

5

2044 2045 2046 2047

Superrámec 0

1

2

0

3

4

1

47

1

2

24

49

24

2

50 25

Multirámec (51) = 51 TDMA rámců

Multirámec (26) = 26 TDMA rámců 0

48

25

0

1

2

48

49

50

TDMA rámec 0

1

2

3

4

5

6

7

Obr. 6.10 Hierarchie rámců v systému GSM

Základní rozdělení kanálů v systému GSM

Struktura TDMA na nosné vytváří fyzické kanály. Fyzický kanál je definovaný párem rádiových kanálů, jeden pro směr MS→BTS (uplink) a druhý pro směr BTS→MS (downlink), a určitým časovým oknem TS. Do těchto kanálů jsou procesem mapování vloženy logické kanály. Každý logický kanál v závislosti na jeho účelu je tvořen jiným typem burstu. Logické kanály jsou vzájemně odděleny na principu časového multiplexu. V systému GSM se dělí na •

provozní kanály TCH (Traffic Channel) – tyto kanály je možno nazývat jako užitečné kanály, které slouží pro přenos zakódované užitečné informace (realizují přenos hovorových nebo datových signálů). Přes provozní kanály se nepřenáší žádná signalizace. Tyto kanály mohou být přepojované na principu přepojování kanálů nebo přepojování paketů.

26

Modul 6: Mobilní rádiové sítě •

řídící kanály CCH (Control Channel) – tyto kanály se používají pro přenos signalizace (sestavení, udržení a rozpad spojení), synchronizace a případně pro přenos dat pro realizaci služby krátkých textových zpráv SMS (Short Message Service).

6.3.5 Zabezpečení v systému GSM V mobilních sítích je signál na cestě k účastníkovi přenášen v rádiovém prostředí, ke kterému má přístup kdokoliv. Z tohoto důvodu je zabezpečení v systému GSM odlišné od způsobu zabezpečení ve veřejné pevné telekomunikační síti. Systém GSM poskytuje čtyři základní způsoby zabezpečení informací: •

použití SIM karty,

•

anonymita účastníka a místa pobytu pomocí přechodného označení účastníka,

•

ověření totožnosti účastníka (autentizace),

•

diskrétnost dat na rádiovém rozhraní pomocí zakódování (šifrování dat).

K tomu používá následující algoritmy: •

A3 – pro ověření totožnosti účastníka (může být definován operátorem),

•

A5 – pro šifrování a dešifrování dat (algoritmus je normalizovaný pro všechny sítě GSM),

•

A8 – pro generování šifrovacího klíče (může být definován operátorem).

SIM karta

Při popisu mechanismů zabezpečení se neobejdeme bez pojmu SIM karta. Tato karta obsahuje mimo jiné množství bezpečnostních informací: •

Osobní identifikační číslo PIN (Personal Identification Number) – tento čtyřmístný číselný kód je vyžadován pro aktivaci karty po vložení do přístroje.

•

Osobní odblokovaní klíč PUK (Personal Unblocking Key) – číselný kód, jehož zadáním lze odblokovat SIM kartu zablokovanou trojím nesprávným zadáním čísla PIN.

•

Mezinárodní identifikace mobilního uživatele IMSI – jedinečné číslo přiřazené kartě (tedy jejímu uživateli).

•

Účastnický ověřovací klíč Ki – je specifický pro každou kartu a slouží k šifrování dat a ověření oprávněnosti používání služeb.

•

Šifrovací klíč Kc – je generovaný na základě algoritmu A8 a klíče Ki, který je specifický pro každé spojení (dočasná informace) a který je vstupem do algoritmu A5 pro šifrování přenášených dat.


27

Anonymita

Každý účastník je v síti GSM jednoznačně identifikován číslem IMSI. Aby nemusel toto číslo posílat přes rádiové rozhraní při každé žádosti o nějakou službu, přiřadí mu systém tzv. dočasnou identifikaci TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Číslo TMSI je uloženo na SIM kartě a v registru VLR mobilní ústředny. Pokud se účastník s mobilní stanicí přesune na území pod kontrolou jiné ústředny, je mu novou ústřednou zasláno nové číslo TMSI a předchozí číslo je zrušeno, jak v SIM kartě, tak i ve VLR předchozí ústředny. Takovým anonymním způsobem se účastník pohybuje v síti GSM. Pouze v případech, kdy se účastník hlásí do systému po zapnutí mobilní stanice, zasílá MS do ústředny identifikaci IMSI. Ihned poté je však do mobilní stanice zaslána prozatímní identifikace TMSI, pomocí které již může účastník se systémem dále komunikovat, tj. žádat o služby, atd. Ověření totožnost účastníka (autentizace)

Pod touto činností se rozumí jednoznačná identifikace účastníka z hlediska oprávnění jeho vstupu do systému GSM. V GSM se ověřuje jen účastník (přesněji SIM karta) vůči síti, ne však síť vůči účastníkovi. Centrum AUC k ověření totožnosti uchovává autentizační (opravňující) klíč Ki každého účastníka sítě v jeho HLR. Ki je tajným klíčem zaznamenaným i v SIM kartě spolu s ověřovacím algoritmem A3, jenž je definován provozovatelem sítě. AUC vytváří šifrovacím algoritmem A3 bezpečnostní parametry SRES a komunikační klíč Kc s použitím vstupních parametrů Ki a náhodného čísla RAND. Parametry SRES, Kc a RAND jsou odeslané do VLR navštívené radiotelefonní ústředny MSC. Náhodné číslo RAND je vyslané i do MS, kde spolu s uloženým Ki na SIM a pomocí šifrovacího algoritmu A3 se vytvoří nové SRES a Kc. SRES vytvořené v MS je odeslané do VLR radiotelefonní ústředny MSC, která obsluhuje navštívenou oblast. VLR porovná tyto parametry SRES, v případě jejich shody je účastník oprávněn používat služeb sítě GSM. Šifrování dat

Šifrování digitálního signálu je proces, při kterém je série bitů transformována matematickými a logickými operacemi na jinou sérii bitů. Systém GSM zabezpečuje diskrétnost dat na rádiovém rozhraní (ochranu proti odposlechu) pomocí zakódování dat CIPH (Ciphering). V Evropě se pro zakódování dat používá standardizovaný algoritmus A5, který je přístupný jen výrobcům. A5 se nenachází na SIM kartě ale zařízení mobilní stanice MS. Počet transformačních operací je určen šifrovacím klíčem Kc.

6.3.6 Přenos dat v mobilních sítích GSM Systém GSM byl původně navržen především pro přenos hovorových signálů. Ve své základní variantě umožňuje i přenos datových signálů s přenosovou rychlostí až 9,6 kbit/s, která již však nevyhovuje současným požadavkům. Navýšení přenosových rychlostí řeší systémy 2,5 generace (HSCSD, GPRS, EDGE), které umožňují přenos datových signálů přenosovými rychlostmi desítky až stovky kbit/s. Klasický přenos dat v systému GSM

Z důvodů vyšších požadavků kladených na chybovost při datových přenosech musí být data zabezpečena důkladněji než hovorový signál. Způsob kódování dat v systému GSM je

28


poměrně složitý. Pro přenos datových signálů existuje pět různých datových kanálů TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4, TCH/H4.8, a TCH/H2.4, které používají odlišné způsoby kanálového kódování i prokládání. Písmena TCH (Traffic CHannel) označují provozní kanál, písmeno za lomítkem F (Full-rate) resp. H (Half-rate) značí přenos s plnou nebo poloviční rychlostí a desetinné číslo udává přenosovou rychlost signálu v kbit/s (viz tabulka přenosových rychlostí pro různé datové kanály). HSCSD

Vysokorychlostní přenos dat s přepojováním okruhů HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) byl standardizován v roce 1997. Umožňuje přenos dat v systému GSM vyšší rychlosti bez nutnosti hardwarového zásahu do její architektury. Jedná se pouze o softwarové změny, což umožňuje velice rychlou implementaci tohoto standardu do stávající sítě. HSCSD používá nové kanálové kódovací metody, které zvyšují přenosovou rychlost v jednom kanálu z běžných 9,6 kbit/s na 14,4 kbit/s. Dále umožňuje kombinaci timeslotů, sdružením až 4 timeslotů lze vytvořit kanál s přenosovou rychlostí 14,4.4 = 57,6 kbit/s. Pro nesymetrický provoz se předpokládá rozdělení této přenosové rychlosti na downlink (3 timesloty) – 43,2 kbit/s a uplink (1 timeslot) – 14,4 kbit/s (tzv. 3+1 timeslot service). Ve standartu HSCSD jsou přípustné kanály TCH/F 4.8, TCH/F 9.6 a TCH/F 14.4. GPRS

První zkoušky této všeobecné paketové rádiové služby GPRS (General Packet Radio Service) proběhly v roce 1998 a první veřejný datový přenos v roce 2000. Specifikaci tohoto systému vypracoval evropský standardizační telekomunikační institut ETSI. Pomocí systému GPRS, založeném na paketovém přenosu dat pomocí protokolu IP (Internet Protocol), lze navýšit přenosovou rychlost na rádiovém rozhraní teoreticky až na 171,2 kbit/s. Vzhledem k tomu, že systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, je nutné doplnit jak MS, tak i další částí systému GSM o nové funkční bloky (viz obrázek 6.11): •

Podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) – standartní směrovač, jehož úkolem je zajišťovat komunikaci sítě GPRS s jinými paketovými sítěmi, např. se sítí Internet.

•

Podpůrný uzel GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) – datový uzel, který je vybaven schopností komunikovat na jedné straně s rádiovou částí sítě GPRS a na druhé straně s druhým datovým uzlem GGSN.

•

Jednotka řízení paketů PCU (Packet Controller Unit) – obsahuje „dodatečnou inteligenci“ pro identifikaci a řízení paketového provozu na rádiovém rozhraní. Koncepce i provedení PCU jsou různé podle výrobce, podobně jako rozhraní mezi BSC a PCU.

Výukový program: Moderní komunikační technologie Hovorový signál

Datový signál

MSC

IWU

SMSC

Datové pakety

GGSN

Gs

Gd

29

IP

SGSN Gb

A

BSC

PCU

A-bis

BTS

BTS

BTS

MS MS MS

Obr. 6.11 Základní koncepce sítě GPRS

Síť GPRS může obsahovat velké množství uzlů SGSN a GGSN, které jsou vzájemně propojené páteřní sítí. Běžný hovor probíhá přes rádiové rozhraní, dále je směrován BSC do MSC a odtud do veřejné telefonní sítě. Při přenosu dat v rámci sítě GSM je spojení sestaveno obdobným způsobem, avšak datový signál není směrován do telefonní sítě, nýbrž do jednotky spolupráce IWU (Inter-Working Unit), obsahující standartní analogové i digitální modemy, které určují přenosovou rychlost a parametry datového přenosu, běžně 9,6 kbit/s. V případě paketového přenosu pomocí systému GPRS je spojení opět navázáno mezi MS a BTS, avšak v BSC jsou pakety vedeny do jednotky řízení paketů PCU a odtud přes rozhraní Gb k uzlu SGSN a dále přes uzel GGSN je datový signál směrován do jiných paketových sítí. Na rádiovém rozhraní byly pro kódování signálu specifikovány pro GPRS čtyři různé kódovací systémy CS (Coding Scheme). V tabulce 6.6 jsou uvedeny jejich přenosové rychlosti. Nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém rozhraní je označen jako CS1. Tento kódovací systém používá vysokou redundanci což se projeví na jeho nízké přenosové rychlosti. Na opačné straně tabulky se nachází kódovací systém CS4 s velice nízkou odolností vůči chybám, zato však umožňuje dosáhnout nejvyšší přenosové rychlosti. Při využití všech 8 timeslotů jednoho rádiového kanálu, lze pro kódovací systém CS4 stanovit teoretickou přenosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS na 21,4.8=171,2 kbit/s. Z pohledu uživatele sítě je vhodnější uvažovat tzv. uživatelskou rychlost, která je v důsledku použití dalších protokolů, např. IP, ještě menší. O použití obsazení počtu timeslotů rozhoduje operátor. Rychlost přenosu zejména závisí na úrovni rušení v rádiovém prostředí.

30

Modul 6: Mobilní rádiové sítě Tab. 6.6 Systémy kódování a jejich rychlosti

Systémy kódování

Přenosová rychlost Uživatelská rychlost [kbit/s] [kbit/s]

CS1

9,1

6,7

CS2

13,4

10

CS3

15,6

12

CS4

21,4

16,7

Síť GPRS zpočátku své existence využívala především volnou kapacitu hovorových kanálů GSM. Pro zabezpečení potřebné přenosové kapacity je však potřebné rozšířit síť o kanály vyhrazené jen pro GPRS. Při samotném přenosu dat se v GPRS používá stejná modulace, stejné frekvenční pásma, stejná infrastruktura, stejné pravidla pro frekvenční skákání a stejná struktura rámců jako v GSM. EDGE

Standart EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) umožňuje zvýšit přenosovou rychlost systému GSM při alokování všech 8 timeslotů až na hodnotu 384 kbit/s. Standart podporuje paketový přenos dat a přenosová rychlost signálu v jednom timeslotu je 48 kbit/s. Této vysoké rychlosti je dosaženo vhodnou digitální modulací 8 PSK (Eight Phase Shift Keying). Využití tohoto standartu proto vyžaduje zásah do hardwarového řešení BTS i MS.

6.3.7 Vývojové trendy – UMTS Jak již bylo dříve uvedeno, radiotelefonní systémy 2,5. generace tvoří přelom mezi systémy 2. generace, jež se orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především na služby datové. Systémy 3. generace jsou v Evropě označovány jako UMTS (Univesal Mobile Telephony System). Nejjednodušší, nejrychlejší a nejméně nákladnou cestou k UMTS je její implementace do stávajících GSM/GPRS systémů, jak je znázorněno na obrázku 6.12.


31

HLR G S M MSC

GSM

GMSC

N-ISDN

BSS SGSN

IWUa

IWUb

UTRAN

GGSN

jádro sítě UMTS

IP

G P R S

B-ISDN (ATM)

U M T S

Obr. 6.12 Přechod od GSM k UMTS

Základní myšlenkou moderních rádiových systémů je oddělený vývoj přístupové sítě a jádra sítě. Standardizační proces UMTS je zaměřen především na výběr vhodného rádiového přístupu (rozhraní) UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Ten by měl v závislosti na přenosovém prostředí podporovat tyto uživatelské bitové rychlosti: •

min. 144 kbit/s (uvažuje se 384 kbit/s) – ve venkovním prostředí pro max. rychlost pohybu mobilních uživatelů 500 km/hod (vysokorychlostní vlak)

•

min. 384 kbit/s (uvažuje se 512 kbit/s) – ve venkovním prostředí pro max. rychlost pohybu mobilních uživatelů 120 km/hod (automobil)

•

2 Mbit/s – ve vnitřním prostředí (budovy) a venkovním prostředí pro max. rychlost pohybu mobilních uživatelů 10 km/hod (chodec)

UTRA by měl být schopen pružně reagovat na požadavky uživatele (široký rozsah přenosových rychlostí, zabezpečení, současná kombinace více služeb atd.). 6.3.7.1 Architektura systému UMTS

Architekturu UMTS tvoří dvě hlavní části: •

Rádiová přístupová síť UTRAN (UMTS Radio Access Network)

•

Jádro sítě CN (Core Network)

Jak je vidět na obrázku 6.13 UTRAN v sobě dále zahrnuje systém základnových stanic RNS (Radio Network System). CN a RNS jsou navzájem propojeny skrz logické rozhraní Iu. RNS se skládá z řídící jednotky rádiové sítě RNC (Radio Network Controller) a z jedné či více základnových stanic (uzlů) NodeB, které jsou k RNC připojeny přes rozhraní Iub. Mezi dvěmi RNC se nachází logické rozhraní Iur. Mezi uživatelskými terminály UE (User Equipment) a NodeB je rádiové rozhraní Uu. UMTS tedy probíhá připojení uživatele v pořadí UE→NodeB→RNC→CN. Jádro sítě CN má dvě části, okruhově orientovanou část CN CS (CN Circuit Switched) a paketově orientovanou část CN PS (CN Packet Switched).

32

Modul 6: Mobilní rádiové sítě UTRAN

Uu UE

CN

Iu

RNS NodeB

CN CS Doména UE

NodeB

3G MSC/VLR

RNC

Iur

RNS

3G GMSC

Registry HLR/AuC/EIR

NodeB

UE

CN CS Doména

NodeB

RNC

SGSN

SGSN

Obr. 6.13 Architektura sítě UMTS

6.3.7.2. Technické řešení sítě

Pro systémy 3. generace byla zvolena přístupová metoda kódového dělení CDMA. Pro přenos se používá frekvenční duplex FDD a časový duplex TDD, jeden kanál má definovanou šířku 5 MHz. Frekvenční pásma

Pro systém UMTS jsou vyhrazena přenosová pásma v okolí kmitočtu 2 GHz (viz tabulka 6.7). •

1920-1980 MHz (uplink) a 2110-2170 MHz (downlink) – duplexní pár FDD. Je zde použita širokopásmová přístupová metoda WCDMA (Wideband CDMA), která je vhodná pro velkoplošné pokrytí a pro hovorové a středně rychlé symetrické datové služby.

•

1900-1920 MHz a 2010-2025 MHz – časový duplex TDD (uplink i downlink na stejné frekvenci). Je zde použita kombinace TDMA/CDMA, která je vhodná pro vysokorychlostní datové přenosy, pokrytí hlavně uvnitř budov.

•

1885-1900 MHz – toto kmitočtové pásmo je rezervováno pro přístup pomocí systému DECT.

•

1980-2010 MHz a 2170-2200 MHz – tato kmitočtová pásma jsou vyhrazena pro družicovou komunikaci systému UMTS.


33

Tab. 6.7 Kmitočtová pásma UMTS Pásmo

Kmitočtový rozsah [MHz]

Šířka pásma [MHz]

Schváleno v roce

-

1710 - 1885

175

2000

1

1885 - 1900

15

1998

2

1900 - 1920

20

1998

3

1920 - 1980

60

1998

4

1980 - 2010

30

1998

5

2010 - 2025

15

1998

6

2110 - 2170

60

1998

7

2170 - 2200

30

1998

-

2500 - 2690

190

2000

V roce 2000 byla schválena další kmitočtová pásma použitelná pro UMTS (v tabulce 6.7 nejsou označena). Pro přehlednost jsou všechna kmitočtová pásma znázorněna na obrázku 6.14.

Obr. 6.14 Spektrum pro UMTS

Handover

Rozhraní UTRA FDD podporuje tři druhy přepnutí: •

Intrafrekvenční přepnutí,

•

Interfrekvenční přepnutí,

•

Intersystémové přepnutí.

Intrafrekvenční přepnutí – představuje „klasický“ případ přepnutí spojení při přechodu hranicí buňky s tím rozdílem, že naproti systémům TDMA se v tomto případě používá tzv. měkký handover. Znamená to, že mobilní stanice dokáže současně komunikovat se základnovými stanicemi více buněk, které pracují na stejné frekvenci s různými skupinami rozprostírajících kódů (viz obrázek 6.15a).

34


f1 f1 f1 MS

Kód 1

f1 a)

f1

Kód 3

f1

Kód 2

f2 f1

f1 b)

Obr. 6.15 Realizace měkkého a tvrdého přepnutí spojení

Interfrekvenční přepnutí – využívá se při přechodu vícero vrstvami buněk, jenž představují hierarchickou buňkovou strukturu, tvořenou překryvnými makrobuňkami a menšími mikrobuňkami a pikobuňkami. V tomto případě se jedná o tzv. tvrdý handover (viz obrázek 6.15b). Intersystémové přepnutí – jedná se o přepnutí např. mezi sítěmi UMTS a GSM (konkrétněji mezi UMTS RNS a GSM BSS) a je realizováno jako tvrdý handover. Kontrola výkonu

Zatímco u systémů FDMA má každé spojení svoji vlastní frekvenci a u TDMA má každé spojení jeden vlastní timeslot, v systémech CDMA sdílí uživatelé stejnou frekvenci a jejich rušení je minimalizováno pomocí rozdílných scrambling kódů. Takovéto systémy dovolují svými vlastnostmi vysokou izolaci jednotlivých spojení (tzv. ortogonalita). Pokud se ve stejném kmitočtovém pásmu vyskytuje několik uživatelů, tak pro různé mobilní stanice (terminály) bude úroveň přijímaného signálu rozdílná, což může způsobit nižší výkonnost a snížit kapacitu daného systému. Proto je důležitá tzv. kontrola výkonu mobilních stanic. Čím vyšší bude počet uživatelů, kteří budou současně komunikovat na stejné frekvenci, tím nižší musí být jejich výkon (platí pro všechny mobilní stanice).

Výukový program: Moderní komunikační technologie Kontrolní otázky

1. Jaký způsob přenosu zpráv, typ mnohonásobného přístupu, handoveru a přidělování kanálů se používá v systému GSM? 2. K čemu slouží v subsystému BSS jednotka TRAU? 3. Co je to tzv. Timing Advance a k čemu slouží? 4. Jaký je rozdíl mezi čísly IMEI a IMSI? 5. Co ovlivňuje přenosovou rychlost u systému GPRS? 6. Jak souvisí dosažitelná přenosová rychlost s rychlostí pohybu účastníka v síti UMTS?

35

36


6.4 Systémy pro bezšňůrové telefony Anotace:

V této kapitole bude uvedeno základní rozdělení bezšňůrových systémů. Stručně budou popsány analogové a digitální systémy. Větší pozornost bude věnována evropskému standardu DECT. Osnova:

6.4.1 Rozdělení systémů 6.4.2 Systém DECT

Systémy pro bezšňůrové telefony CT (Cordless Telephone) se v současné době využívají nejen k přenosu hovorových signálů, ale i signálů datových. Tyto systémy poskytují uživatelům mobilitu na vzdálenost od několika desítek do několika stovek metrů od základnové stanice. Důležitou funkcí bezšňůrových telefonů je tedy možnost komunikace mezi základnovou stanicí a mobilní (pohyblivou) stanicí (handy, handset). Poskytují stejnou nabídku služeb jako klasické telefony (např. zkrácená volba, vypnutí mikrofonu, podpora služeb ISDN apod.). Tyto systémy dnes dokážou nahradit i lokální paginové systémy (viz kapitola 6.5). Uplatnění našly tyto systémy zejména v těchto aplikacích: •

V domácnostech jako náhrada běžného telefonního přístroje.

•

V podnicích jako bezšňůrové pobočkové ústředny.

•

Pro realizaci služby telepoint (bezšňůrový telefonní automat).

•

Pro výstavbu bezdrátových účastnických smyček WLL (Wireless Local Loop).

•

Pro vytváření personálních komunikačních sítí.

6.4.1 Rozdělení systémů Systémy pro bezšňůrové telefony lze rozdělit na analogové a digitální. Mezi analogové systémy patří: •

CT0 – jedná se o nejjednodušší bezšňůrové telefony s analogovým systémem, jenž používají FDMA přístup, kmitočtový duplex FDD a kmitočtovou modulaci FM. Tento standard je méně odolný proti rušení, má dosah 50 – 200 m, počet kanálů může být 8, 15, apod.. V České republice se používá pásmo 31,025 – 31,325 MHz a 39,925 – 40,225 MHz, které se označuje CT0-CZ, a které obsahuje 12 rádiových kanálů. Dříve tyto systémy nebyly odolné proti odposlechu a proto ve většině evropských zemí, stejně jako u nás, bylo použití takových přístrojů zakázáno. V současné době se již používá zabezpečení pomocí 65000 automaticky nastavovaných bezpečnostních kódů.

•

CT1 – tento evropský standard z roku 1983 používá kmitočtové pásmo 959-960 MHz a 914-915 MHz, ve kterém je vytvořeno 40 duplexních rádiových kanálů o šířce 25 kHz. Přístup k systému je opět FDMA, využívá kmitočtový duplex FDD a FM modulace má maximální zdvih 5 kHz. Používá se automatický výběr kanálů a přenos je zabezpečen proti odposlechu (1 milión kódů). V tomto standardu dochází


37

ke kmitočtové kolizi se systémem PGSM, což se řeší posunem do jiného kmitočtového pásma (standard CT1+). •

CT1+ – tento standard se snažil vyřešit problém kmitočtové kolize se systémem PGSM tím, že došlo k posunutí do jiného pásma 930 – 932 MHz a 885 – 887 MHz, který využívá 80 rádiových duplexních kanálů. Bohužel tato pásma zasahují do pásem systému EGSM.

Mezi digitální systémy patří: •

CT2 – jedná se o první komerčně zavedený systém s digitálním přenosem signálů. Tento evropský standard z roku 1992 pracuje v kmitočtovém pásmu 864,1 – 868,1 MHz, má k dispozici 40 duplexních rádiových kanálů s šířkou pásma 100 kHz. Systém používá vícenásobný přístup FDMA a časový duplex TDD. Pro zdrojové kódování signálu se používá ADPCM s přenosovou rychlostí 32 kbit/s. Duplexního přenosu je dosaženo střídáním krátkých časových intervalů (milisekundy) vyhrazených pro každý směr přenosu.

•

CT2+ – tato modifikace systému CT2 byla vytvořena v Kanadě. Systém pracuje v kmitočtovém pásmu 944 – 948 MHz, 5 ze 40 rádiových kanálů je využito pro přenos signalizace. Na každém z nich je metodou TDMA vytvořeno 12 signalizačních kanálů (celkem 60 kanálů), které poskytují další služby, jako např. paging či registraci polohy.

•

CT3 – tento systém byl vyvinut firmou Ericsson pro bezšňůrové pobočkové ústředny. Systém používá vícenásobný přístup FDMA/TDMA. Pracuje v pásmu 862 – 866 MHz, ve kterém jsou 4 rádiové kanály o šířce 1 MHz. V každém rádiovém kanálu je vytvořeno 8 účastnických kanálů (celkem 32 kanálů). Používá zdrojové kódování ADPCM a zabezpečení přenosu proti chybám pomocí CRC. Signál je modulován pomocí modulace GFSK. Poněvadž se evropské země dohodly na jiném standardu, nedošlo k jeho rozšíření.

•

DECT – tento systém má obdobné vlastnosti jako systém CT3. Jedná se o moderní celoevropský digitální systém, který má určité prvky mikrobuňkové struktury a zajišťuje svým účastníkům i handover, avšak odlišným způsobem než se používá u radiotelefonních celulárních systémů. Bližší popis tohoto systému je uveden v následující kapitole.

6.4.2 Systém DECT Systém DECT (Digital European Cordless Telecommunication, Digital Enhanced Cordless Telecommunication) se používá pro přenos hovorových i datových signálů. Je evropským standardem pracujícím v pásmu 1880-1900 MHz. Uvažuje se však o jeho rozšíření až na 1920 MHz. Používá kombinovaný přístup FDMA/TDMA a časový duplex TDD. V přiděleném kmitočtovém pásmu je umístěno 10 rádiových kanálů s odstupem nosných 1,728 MHz. Do jednoho rádiového kanálu je metodou TDMA vloženo 12 účastnických kanálů. V každém kanálu je modulací GFSK vytvořen bitový tok o rychlosti 1152 kbit/s. Hovorový signál je komprimován metodou ADPCM (přenosová rychlost signálu na výstupu kodéru je 32 kbit/s). Jeden TDMA rámec trvá 10 ms a je rozdělen na 24 časových úseků (timeslotů), jež mají dobu trvání 0,417 ms a obsahují 480 bitů. Prvních 12 timeslotů je vyhrazeno pro přenos

38


od základnové stanice k mobilní stanici a druhých 12 timeslotů pro opačný směr. Jde tedy o časový duplex s 12 duplexními kanály na jeden rádiový kanál (celkem 120 účastnických kanálů). Vyšší úrovní struktury jsou multirámce tvořené 16 rámci (160 ms). Celá situace je znázorněna na obrázku 6.16. Dva proškrtnuté timesloty odpovídají jednomu duplexnímu kanálu. multirámec ≈ 16 rámců ≈ 160 ms

rámec ≈ 24 slotů ≈ 11 520 bitů ≈ 10 ms ve slotech 1 - 12 vysílá základnová stanice ve slotech 13 - 24 vysílá handset

slot ≈ 480 bitů ≈ 0,417 ms

Fyzická vrstva

základní paket ≈ 424 bitů S - pole

D - pole, data

32 bitů

388 bitů

Z

ochranná doba

4 56 bitů ≈ 48,6 μs

chráněný formát H

Řídící data

CRC

Data

CRC

Data

CRC

Data

CRC

Data

CRC

X

40 bitů

16

64

16

64

16

64

16

64

16

4

H

Řídící data

CRC

Data

X

8

40 bitů

16

320 bitů

4

Vrstva 8 MAC

nechráněný formát

A - pole ≈ 64 bitů

B - pole ≈ 324 bitů

Obr. 6.16 Rámcová struktura systému DECT

V základním, nechráněném formátu je v každém timeslotu přenášeno celkem 480 bitů, složeného ze synchronizačního pole S, z datového pole D, z pole Z a ochranné doby. Pole S má délku 32 bitů (prvních 16 bitů, tzv. preambule, se využívá pro bitovou synchronizaci a dalších 16 bitů pro rámcovou synchronizaci přijímače). Do datového pole D se vkládají logické kanály. Toto pole má délku 388 bitů, je složeno z pole A (64 bitů) a pole B (324 bitů). Pole A má přenosovou rychlost 4,8 kbit/s. Slouží pro přenos signalizačních informací. Ty jsou složeny z 8 bitů záhlaví, 40 bitů vlastních signalizačních (řídících) dat a 16 bitů, jenž slouží pro zabezpečení tohoto pole cyklickým kódem CRC (Cyclic Redundancy Code). V případě výskytu chyby v řídícím slově, dochází k jeho opakování. Pole A je stejné pro chráněný i nechráněný formát dat. Pole B má přenosovou rychlost až 32 kbit/s. V poli B je přenášeno celkem 324 bitů, z toho 320 bitů je určeno pro přenos účastnického signálu a 4 bity zabezpečovacího pole X, které je použito jak pro chráněný tak i pro nechráněný formát dat. Pomocí těchto paritních bitů se pouze zjišťují chyby v poli B, ale jejich korekce se neprovádí. V případě chráněného formátu, který se vyznačuje kvalitním zabezpečením, je informační tok pole B o délce 320 bitů rozdělen do skupin po 64 bitech (poslední skupina může být kratší) a ty jsou pak chráněny stejným CRC kódem pro kontrolu chyb jako pole A. Pole Z o délce 4 bity opakuje poslední 4 bity pole D a tudíž je ho možno použít pro prvotní detekci chyb. Ochranná doba obsahuje 56 bitů, trvá 48,6 ms a vytváří ochrannou dobu nezbytnou pro zamezení případných časových kolizí signálů.


39

Každý rámec obsahuje celkem 11520 bitů (480.24 bitů). Poněvadž doba jeho trvání je 10 ms, vychází přenosová rychlost signálu v rádiovém kanálu 11520/1.10-3=1152 kbit/s. Složením 16 rámců se vytváří jeden multirámec s dobou trvání 160 ms. Standard DECT definuje širokou škálu přenosových možností. Spojení může být typu bod – více bodů. Zde se jedná o přenos pomocí pole A. Tento typ distribuuje zejména systémové informace, ale lze jej použít rovněž pro přenos krátkých zpráv (paging). U spojení typu bod – bod jde o uživatelské informace přenášené pomocí pole B. V tomto případě může přenos probíhat jak v komutovaném, tak v paketovém režimu, může se jednat o službu se spojením i službu bez spojení. Základní přenosová rychlost dat je 32 kbit/s. Vyšších rychlostí (až 384 kbit/s) se docílí sloučením několika timeslotů. Architektura systému obsahuje několik bloků. Bezšňůrové mobilní stanice PP (Portable Part) se skládají z rádiové části PT (Portable Terminal) a koncového zařízení systému ES (End System). V případě mobilních stanic určených pro telefonní provoz (Handset) je koncovým zařízením nízkofrekvenční část s mikrofonem a reproduktorem. V případě přenosných stanic může být koncovým zařízením fax, monitor, aj. Maximální výkon mobilních stanic je 250 mW, střední výkon je přibližně 10 mW. Mobilní stanice komunikují se základnovými fixními rádiovými stanicemi RFP (Radio Fixed Part), viz obrázek 6.17. Několik stanic RFP je řízeno fixní centrální řídící jednotkou CCFP (Central Control Fixed Part). K propojení jednotky CCFP s externími sítěmi se používá mezioperační jednotka IWU (Inter Working Unit), upravující signál do příslušných formátů. V obsluhovaných oblastech má systém DECT mikrobuňkovou a pikobuňkovou strukturu. Průměr buněk je od 30 do 150 metrů a uprostřed každé buňky je stanice RFP používající přijímač s prostorovou diverzitou. Pro spojení se proto vystačí s malými vysílacími výkony, což snižuje vznik interferencí v rádiovém prostředí. Pro výběr kanálu se používá dynamické přidělování kanálů DCA v závislosti na intenzitě signálu a interferenci. Během komunikace může dojít např. vlivem rušení k tzv. intracell handoveru, při kterém dojde v rámci stejné buňky k přepojení na jiný kanál. Používá se metoda MCHO, kdy je handover řízen mobilní stanicí a tzv. bezešvý handover (při přepínání kanálů probíhá přenos po starém i novém kanálu).

RFP

CCFP

IWU

Externí sítě

RFP

Obr. 6.17 Architektura systému DECT

Mezi největší výhody systému DECT patří vysoká provozní kapacita, dobrá kvalita přenosu hovorových signálů (srovnatelná s pevnou telefonní sítí), přenos dat rychlostí 32 kbit/s, odolnost vůči interferencím, nízké pořizovací a provozní náklady a jednoduchá koncepce. Nevýhodou je pouze lokální pokrytí (podnik, město) a omezená rychlost pohybu účastníků (do 6 km/hod).

40


Kontrolní otázky

1. Jaký typ duplexu, mnohonásobného přístupu a handoveru se používá v systému DECT? 2. Jaký je maximální počet účastnických kanálů v systému DECT?


41

6.5 Systémy pro paging Anotace:

V této kapitole bude popsán evropský standard pro celoplošné paginové systémy ERMES. Pozornost bude věnována rovněž paginovému systému RDS, jenž je určen k přenosu doplňkových informací rozhlasových programů vysílaných v pásmu VKV. Osnova:

6.5.1 Systém ERMES 6.5.2 Systém RDS Paging (rádiový vyvolávací systém) je komunikační systém, který slouží k jednosměrnému předávání zpráv pohyblivým účastníkům (adresátům), kteří jsou vybaveni přenosnými kapesními přijímači (pagery). Pagingové přijímače jsou velice jednoduché, protože neobsahují mikrofon, reproduktor, tlačítkovou soupravu ani koncový vysokofrekvenční stupeň. Tyto systémy se také označují jako systémy vyhledávání osob. Mohou být využity k privátním účelům (nemocnice, letiště, atd.) nebo slouží veřejnosti a je k nim přístup z veřejných telekomunikačních sítí. Zprávu je možné zaslat jednak pouze jednomu účastníkovi nebo i celé skupině účastníků. Tyto zprávy mohou mít různou formu: •

Akustickou (Ton Only, Ton Voice) – vzkaz je ohlášen v podobě tónového signálu (pípáním) a rozsvícená LED dioda označuje, komu je třeba zavolat (např. zelená – kancelář, červená – domů apod.). V systému Ton Voice na účastníka pager krátce promluví.

•

Numerickou – přenos několika čísel, která vyjadřují např. telefonní číslo pro zpětné volání (kam má účastník ihned zavolat) nebo zakódovanou zprávu. Numerický vzkaz je ohlášen akusticky nebo vibracemi.

•

Alfanumerickou – přenos krátkých textových zpráv, včetně čísel. Délka vzkazu má určitý omezený počet znaků. Vzkaz je ohlášen akusticky, světelným signálem nebo vibracemi.

•

V neveřejných systémech je možný automatický přenos krátkých slovních sdělení. Na obrázku 6.18 je nakreslena obecná bloková struktura pagingového systému. Automatické předávání vzkazů

Pagingová ústředna

Paging přes modem

Základnové stanice

Vzkazy přes spojovatelky Pevné přístupové linky WWW stránky

PABX

PNC PAC

BS

Vybírání schránek

Obr. 6.18 Obecná bloková struktura pagingového systému

Pagingový přijímač pager

42


Zpráva pro adresáta může být předána do systému různým způsobem pomocí různých terminálů. Dříve se předávala pouze telefonicky, dnes existuje již celá řada jiných možností, například e-mail, fax, modem, atd.. Zpráva je přenesena přes pobočkovou telefonní ústřednu PABX (Private Automatic Branch Exchange) do pagingové řídící ústředny systému. V databázi centrální pagingové řídící jednotky PNC (Paging Network Controller) jsou uloženy základní informace o účastníkovi (např. jméno, adresa, typ přijímače, seznam objednaných služeb, vymezení provozní oblasti, aj.) a tzv. systémové informace (např. o konfiguraci sítě, jejím provozním zatížení, atd.). Po ověření údajů volaného účastníka je zpráva předána přes distribuční síť do oblastní pagingové řídící jednotky PAC (Paging Area Controller). Má-li účastník vymezeno (tj. zaplaceno) několik provozních oblastí (případně všechny), je zpráva zasílána do všech příslušných jednotek PAC. V případě velkého množství různých zpráv je požadavek zařazen do fronty respektující nejen dobu příchodu požadavku, ale i požadovaný stupeň priority odeslání zprávy (1 - do minuty, 2 – do dvou minut, 3 - bez omezení). Prostřednictvím distribuční sítě je zpráva předána pagingové základnové stanici BS (Base Station), která zprávu upraví do vhodného formátu pro vysílání k účastnickým pagingovým přijímačům. Používá se většinou kmitočtové klíčování 2FSK a 4FSK, které je odolné vůči šumu a interferencím a umožňuje velice jednoduchou konstrukci pagingových přijímačů v levném monolitickém provedení. Výstupní výkony vysílačů základnových stanic bývají desítky až stovky wattů. Poněvadž pagingové systémy využívají relativně nízkých kmitočtových pásem VKV, kde se rádiové vlny již ohýbají, je síť základnových stanic mnohem řidší než v případě radiotelefonních systémů. Signálem jedné základnové stanice se pokryje přibližně plocha jednoho okresu. V Evropě byl už dříve v provozu např. analogový systém Eurosignal či digitální systém POCSAG, od roku 1994 se používá nový evropský standard s názvem ERMES.

6.5.1 Systém ERMES Pagingový systém ERMES (European Radio MEssage System) byl v říjnu 1994 doporučen ITU jako evropský standard pro celoplošné pagingové systémy umožňující i mezinárodní roaming. První komerční systém ERMES zahájil provoz ve Francii v říjnu 1994. V naší republice byl zaváděn od roku 1997 (hlavně Praha + velká města). Jeho bloková struktura odpovídá schématu na obrázku 6.18. K charakteristickým rysům systému ERMES patří: •

velmi vysoká vysoká kapacita (až 4,2 miliónů adres na jednoho národního provozovatele při využití 2 rádiových kanálů),

•

mezinárodní použití (mezinárodní roaming),

•

všechny druhy pagingových služeb (tónová, numerická a alfanumerická),

•

tónový paging definuje až 8 tónů,

•

numerický paging umožňuje vyslat více než 20 numerických nebo speciálních znaků (20÷16000),

•

alfanumerický paging umožňuje vyslat více než 400 textových znaků (400÷9000),

•

uzavřená skupina účastníků,

•

možnost ověřování a šifrování,

•

mód úspory napájecích článků pageru.


43

Systém má přidělené kmitočtové pásmo 169,4125 MHz až 169,8125 MHz, ve kterém je umístěno 16 rádiových kanálů s odstupem nosných 25 kHz. Kmitočet nosné každého rádiového kanálu lze určit ze vztahu

f n = 169,400 + n.0,025 [ MHz ]

(6.9)

Systém ERMES používá pro přenos 4 stavovou FSK modulaci označovanou jako 4PAM/FM a přenosová rychlost signálu je 6,25 kbit/s. Přenos dat je zabezpečen kanálovým kódování (samoopravným kódem) a prokládáním proti vzniku skupinové chyby (s hloubkou devíti kódových slov). Podle přenosového protokolu systému ERMES je každá hodina rozdělena na 60 minutových cyklů, každý cyklus se dělí na 5 subcyklů po 12 s, ve kterých se přenáší 16 periodicky se opakujících časových rámců (dávek - batches). Tyto dávky se vysílají na 16 kanálech a jsou označeny písmeny A až P, jak je znázorněno na obrázku 6.19. Každá dávka s dobou trvání 0,75 s obsahuje (kromě poslední) 154 kódových slov o délce 30 bitů. Poslední dávka obsahuje 190 kódových slov. K 18 informačním bitům je přidáno 12 bitů ochranných, což umožňuje korigovat až 2 chybně přenesené bity. Na začátku každé dávky jsou synchronizační bity, potom následují systémové informace (kód země, kód operátora, kód oblasti, číslo dávky, atd.), adresa příjemce a nakonec datové pole, kde se přenáší vlastní zpráva. Aby přijímač mohl prohledávat přes všechny kanály bez ztráty zprávy, probíhá vysílání tak, že např. dávka A je první v kanálu č. 1, šestnáctou v kanálu č. 2, druhou v kanálu č. 3, patnáctou v kanálu č. 4 atd. Sekvence o délce 60 minut = 60 cyklů 00

01

02

03

04

...

57

58

59

Cyklus o délce 1 minuta = 5 subsekvencí 0

1

2

3

4

Subsekvence o délce 12 s = 16 dávek A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Dávka o délce 0,75 s Synchronizace Systémové inf.

Adresa

Zpráva

Obr. 6.19 Kódová struktura systému ERMES

Každému pagingovému přijímači je přidělen pouze jeden ze 16 rámců, na kterém může přijímat svůj individuální rádiový identifikační kód RIC (Radio Identification Code). Kód je trvale uložen v paměti pagingového přijímače i v centrální pagingové jednotce PNC. Obsahuje celkem 35 bitů, z nichž prvních 13 bitů obsahuje kódy oblasti, země a operátora, u kterého je účastník přihlášen. Dalších 18 bitů obsahuje adresu konkrétního pagingového přijímače a poslední 4 bity určují číslo datového rámce, v němž daný přijímač může přijímat svůj identifikační kód RIC. Celý proces synchronizace a postupného prohledávání probíhá

44


tak, že přijímač začne pracovat na frekvenci kanálu 01 a hledá rámec, ve kterém je jeho volací znak, např. rámec A. Dále následuje postupné prohledání ostatních kanálů až najde ten správný. Po úspěšném zesynchronizování musí přijímač pracovat pouze 0,75 s během doby trvání celého podcyklu (12 s). Poněvadž příjem je synchronní, přijímač je aktivní pouze v době, kdy mu může být zaslána zpráva. Tím se šetří energie akumulátorů, které při běžném provozu vydrží až několik měsíců. Příjem vlastní zprávy však může být proveden na libovolném rámci.

6.5.2 Systém RDS Pagingový systém RDS (Radio Data System) využívá k šíření signálu síť rozhlasových vysílačů VKV v pásmu 87,5 až 108 MHz. Je určen k přenosu doplňkových informací rozhlasových programů FM, vysílaných v tomto pásmu. Spolu s rozhlasovým programem je vysíláno celkem 16 různých typů doplňkových informací, jako například identifikace programu PI, název programu PS, typ programu PTY, identifikace dopravního vysílání TP, hodiny a datum CT atd. Tyto informace se zobrazují na displeji rozhlasového přijímače. Jedním z 16 typů přenášených informací je i rádiový paging RP. Vzhledem k tomu, že v naší republice pokrývá síť VKV vysílačů téměř celé její území (cca 97%), využívá se tohoto způsobu šíření signálu bez nutnosti budování nové sítě. Je nutný pouze nepříliš náročný zásah do modulačních obvodů vysílače. Charakteristické rysy systému RDS s využitím pro paging: •

možnost použítí všech druhú pagingových služeb, tj. tónovou, numerickou (10 a 18 číslic) a alfanumerickou (80 znaků),

•

přenosová rychlost signálu je 1187,5 bit/s,

•

poměrně složitý přijímač RDS (prohledává celé pásmo),

•

využívá bez nejmenších problémů stávající sítě VKV vysílačů (žádné synchronizační problémy ve vysílací síti),

•

kapacita cca 100 000 účastníků,

•

možnost mezinárodního nasazení

•

mód úspory energie napájecích článků.

Digitální signál RDS je modulován na subnosný kmitočet 57 kHz pomocí FM modulace. Výsledná šířka kmitočtového pásma signálu RDS po modulaci je 4,8 kHz. Datový informační signál je podroben diferenciálnímu kódování. To má výhodu v tom, že případná inverze signálu při jeho dalším zpracování nemá vliv na správné vyhodnocení dat. Z důvodů synchronizace celého systému RDS (pro odstranění dlouhých sekvencí nul nebo jedniček) je signál podroben tzv. bifázovému (dvoufázovému) kódování, v podstatě fázové modulování na obdélnikový signál o kmitočtu 1187,5 kHz. Před vlastní modulací na subnosnou se signál ještě filtruje. Digitální signál RDS (a tedy i signál rádiového pagingu)se přenáší pomocí tzv. skupin nebo-li grup (groups), z nichž každá obsahuje 104 bitů a je tvořena 4 bloky po 26 bitech. Každý blok se skládá z 16 bitů informačních a 10 bitů kontrolních, používaných pro zabezpečení přenášené informace a synchronizaci. Přenosová rychlost signálu je 1187,5 bit/s.

Výukový program: Moderní komunikační technologie Kontrolní otázky

1. Jaké typy zpráv je možno přenášet v paginových komunikačních systémech? 2. Na jakých kmitočtech pracuje systém ERMES? 3. K čemu je určen paginový systém RDS?

45

46


6.6 WiFi Anotace:

V této kapitole budou popsány WiFi sítě, jejich základní komponenty a možné varianty sítí, které lze jejich prostřednictvím vytvořit. Dále budou vysvětleny metody technologie rozprostřeného spektra, jenž se u těchto sítí používají na fyzické vrstvě. Rovněž zde bude nastíněna problematika bezpečnosti těchto sítí a otázky spojené s jejich plánováním a výstavbou. Osnova:

6.6.1 Komponenty sítě 6.6.2 Typy sítí 6.6.3 Technologie sítí 6.6.4 Dostupné radiové frekvence 6.6.5 Bezpečnost sítí 6.6.6 Plánování WiFi sítí

Mezinárodní standardizační institut IEEE specifikoval v roce 1999 standard 802.11b – bezdrátové sítě pracující v pásmu 2,4 GHz (přidělené pásmo 2400-2483 MHz) rychlostí až 11 Mbit/s a v roce 2003 došlo ke zvýšení datové rychlosti ve stejném pásmu 2,4 GHz až na 54 Mbit/s (802.11g) se zpětnou kompatibilitou s 802.11b. Tyto sítě využívají tzv. pásmo ISM (Industrial Scientific and Medical), které je vyhrazeno pro průmyslové, vědecké a lékařské potřeby, jenž pro tyto účely vymezil jak americký regulátor FCC (Federal Communications Commission), tak evropský ETSI. K provozování sítí v tomto pásmu není nutná licence. Název WiFi (Wireless Fidelity), jenž se pro tuto technologii komerčně používá, vytvořila certifikační aliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), testující interoperabilitu jednotlivých zařízení hlásících se ke standartu 802.11. Výrobky, jenž vyhovují všem testovacím kritériím jsou označeny logem WiFi. V roce 2003 se aliance WECA přejmenovala na WiFi alianci.

6.6.1 Komponenty sítě Každá síť standardu 802.11 obsahuje čtyři hlavní druhy fyzických komponent, jak je uvedeno na obrázku 6.20: •

distribuční systém (kabelová síť) – nejčastěji se jedná o páteřní síť používanou pro přenos dat mezi přístupovými body (Ethernet)

•

přístupový bod AP (Access Point) – představuje přemostění mezi kabelovou a bezdrátovou sítí

•

bezdrátové médium (volné prostředí) – rádiový komunikační kanál

•

stanice – obecně jakékoliv „pevné“ nebo mobilní zařízení (počítač, notebook, PDA…)


distribuční systém

přístupový bod

47

bezdrátové médium volné prostředí

stanice

Obr. 6.20 Komponenty sítě 802.11

6.6.2 Typy sítí Základní stavební blok sítě 802.11 tvoří skupina spolu komunikujících stanic, které označujeme jako základní soubor služeb BSS (Basic Service Set). Tato společná komunikace probíhá na území označovaném jako BSA (Basic Service Area), jenž je vymezeno průnikem dosahu těchto stanic. Pokud se stanice nachází v rámci BSA, může komunikovat s dalšími členy BSS. Podle toho, jak probíhá komunikace mezi členy BSS, rozeznáváme dva hlavní typy sítí: •

Ad-hoc sítě – tyto sítě se někdy rovněž nazývají nezávislé sítě nebo sítě peer-to-peer. Jednotlivé stanice spolu komunikují přímo, podle potřeby, a tedy nezávisle na nějakém prostředníkovi. Pokud spolu stanice chtějí komunikovat, musí být ve vzájemném radiovém dosahu (viz obrázek 6.21). Nejčastěji se tyto sítě vytvářejí krátkodobě za konkrétním účelem, např. pro nárazovou výměnu dat mezi stanicemi.

notebook

notebook

notebook

Obr. 6.21 Nezávislé sítě

•

Infrastrukturní sítě – mají svoji přesně vymezenou infrastrukturu. Spojovací článek na rozhraní mezi bezdrátovou a kabelovou sítí zde představuje přístupový bod, jenž plní funkci datového mostu (bridge), viz obrázek 6.22. Přístupové body nezabezpečují pouze komunikaci s pevnou sítí, ale rovněž umožňují vytvořit bezdrátové spojení s podobnou sítí v bezprostředním okolí. V infrastrukturní síti musí data putovat dvěma skoky – nejdříve na přístupový bod a z něj teprve na druhou stanici. V této síti se musí stanice s přístupovým bodem nejdříve asociovat, tzn. vyjádřit svůj zájem přenášet data a AP s tím musí vyjádřit souhlas.

48


notebook notebook

notebook access point

access point

server access point

notebook

PC

Obr. 6.22 Infrastrukturní sítě

6.6.3 Technologie sítí Fyzickým rozhraním mezi zařízeními v síti je tzv. fyzická vrstva. Protože hovoříme o bezdrátové síti, jedná se o bezdrátovou vrstvu, a hovoříme tedy o způsobech, jakými se přenáší rádiový signál v síti WiFi. Používají se dvě metody technologie rozprostřeného frekvenčního spektra SS (Spread Spectrum): •

frekvenční proskoky FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – Vysílač mění jednotlivé kanály v pseudonáhodném pořadí a na každém vysílá krátký datový proud. Frekvenční pásmo 83,5 MHz (platí pro většinu zemí) je rozdělena do 79 kanálů o šířce 1 MHz. Zbylých cca 4,5 MHz slouží jako ochranné pásmo proti interferencím ze sousedního frekvenčního pásma. Rádiový signál pak mění v pseudonáhodném pořadí tyto kanály tak, že každých 30 s vystřídá všech 79 kanálů a na každém vysílá maximálně po dobu 400 ms. Podstatnou výhodou frekvenčních proskoků je větší počet systémů pracujících najednou v pásmu 2,4 GHz – podle standardu 802.11 takto může pracovat až 26 nezávislých sítí (26 pseudonáhodných posloupností) při dostatečné datové propustnosti.

•

přímá sekvence DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – Za použití matematického kódování je vysílaná informace rozprostřena do širšího frekvenčního pásma (22 MHz). Ve frekvenčním pásmu 83,5 MHz jsou k dispozici tedy tři takto široká pásma. Přijímač inverzním postupem signál dekóduje. Standart 802.11b přináší přímou sekvenci o rychlosti až do 11 Mbit/s.

•

ortogonální frekveční multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) –Přenosové pásmo je rozděleno na velké množství úzkých kanálů, data se v každém kanálu přenášejí relativně pomalu a signál je tak mnohem robustnější. Celková


49

rychlost přenosu dat je dána součtem rychlostí přenosu dat všech kanálů (až 54 Mbit/s). OFDM byla přijata jako standard IEEE 802.11a, tedy pro pásmo ISM 5 GHz, v roce 2003 byla ale také adaptována pro pásmo ISM 2,4 GHz jako IEEE 802.11g. Používání rozprostřeného spektra je požadavkem pro provoz nelicencovaných zařízení a vyplývá z nařízení regulátora, v pásmu ISM tedy nelze používat jiný typ přenosu.

6.6.4 Dostupné radiové frekvence V případě standardů 802.11b a 802.11g jde o následující frekvence uvedené v tabulce 6.8. Rozdělení do kanálů je platné pro častěji používané rozprostřené spektrum, systémy s frekvenčními proskoky si dělí celé spektrum do 79 kanálů. Označením frekvence se rozumí střed frekvence. Tab. 6.8 Dostupné radiové frekvence kanál

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

frekvence [GHz] 2,412 2,417 2,422 2,427 2,432 2,437 2,442 2,447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472 2,484

Tabulka 6.9 ukazuje, ve které zemi které kanály můžeme použít – pásmo 2,4 GHz není celosvětově volné všude stejně. Tab. 6.9 Dostupnost rádiových kanálů ve světě Země

kanály

frekvence [GHz]

USA a Kanada

1 - 11

2,412 - 2,462

Evropa mimo Francie a Španělska (ETSI konvence)

1 - 13

2,412 - 2,472

Francie

10 - 13

2,457 - 2,472

Španělsko

10 - 11

2,457 - 2,462

Japonsko

14

2,484

Česká republika má k dispozici největší počet povolených kanálů a to 13. Neznamená to, že je k dispozici 13 plnohodnotných frekvencí. Technologie rozprostřeného spektra znamená vysílání do frekvenčního rozsahu 22 MHz. Jenže odstup mezi kanály je pouhých 5 MHz, tedy vysílání na jednom kanálu se překrývá s vysíláním na sousedních čtyřech kanálech. Pokud chceme provozovat dva přístupové body tak, aby se jejich signál překrýval a nerušil, musíme je nastavit tak, aby pracovaly minimálně pět kanálů od sebe. Minimální odstup mezi centrálními frekvencemi je 25 MHz, tedy tolik, aby se sem provoz systému rozprostřeného spektra vyžadující 22 MHz vešel. Ve skutečnosti máme k dispozici pouze tři samostatné a vzájemně se nerušící frekvence.

50


6.6.5 Bezpečnost sítí Bezpečnost bezdrátových sítí můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin •

šifrování – zabezpečení přenášených dat před odposlechem. V sítích WiFi se o zabezpečení stará WEP (Wired Equivalent Privacy), standard pro zabezpečení rádiové části sítě (zabezpečení komunikace mezi WiFi zařízeními až na úroveň přístupového bodu). Standard WEP používá jako šifru symetrickou streamovou šifru RC4 (šifru s tajným klíčem). WEP definuje délku klíče 40 bitů. Některá zařízení umožňují délku klíče 104 bitů. 24 bitů tvoří inicializační řetězec IV, jenž doplňuje délku klíče na 64 resp. 128 bitů.

•

autentizace – řízení přístupu oprávněných uživatelů. 802.11 specifikuje dvě metody pro autentizaci:

open-system autentizace – přístupový bod přijme klientské zařízení na základě údajů, které mu poskytne, aniž by je ověřoval. Klient pošle svoji identifikaci v podobě tzv. SSID (Service Set Identifier). Kdo nezná SSID nemůže získat přístup k síti. SSID se dá ale snadno zjistit.

shared-key autentizace – při autentizaci sdíleným klíčem je nutno v síti použít také WEP. Podstata této autentizace spočívá v klíči, jenž je známý každému zařízení, které chce přistupovat do sítě. Zařízení se při požadavku na autentizaci musí tímto klíčem prokázat a teprve v případě, že jej přístupový bod ověří, je zařízení v síti autentizováno.

Standardní prostředky 802.11 nejsou k zabezpečení těchto sítí dostatečné. Proto se pro zabezpečení využívají další metody: •

bezpečnost podle standartu 802.1x a protokolu EAP (Extensible Authentication Protokol) – obecný bezpečnostní rámec pro všechny typy sítí, zahrnující autentizaci uživatelů, integritu zpráv (šifrováním) a distribuci klíčů. Ověřování se realizuje na úrovni portů AP.

•

bezpečnostní mechanismus WPA (WiFi Protected Access) – pro šifrování je používán TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), jenž využívá stejný šifrovací algoritmus jako WEP. Používá standardně 128 bitový dynamický klíč, který se mění každých 10000 paketů.

•

standard 802.11i – šifrování pomocí šifry AES (Advanced Encryption Standard) v rámci autentizačního rámce EAP. Velikost šifrovacího klíče AES může být až 256 bitů.


51

6.6.6 Plánování WiFi sítí Před samotnou realizací pokrytí WiFi signálem složitějších prostor či vytvoření směrového spoje je potřeba věnovat pozornost pečlivému naplánování dané situace mnohdy spojenou s výpočtem kvality radiového spoje. Je nutné zvážit několik zásadních údajů a aspektů budoucí bezdrátové sítě: •

Požadavky na propustnost sítě spojená s požadavky na přenosovou rychlost sítě, tedy vhodnou volbou příslušného standardu vzhledem k poměru výkon/cena.

•

Výsledná oblast pokrytí spojená s hustotou uživatelů v dílčích částech pokrývané oblasti. V tomto případě je potřeba vhodným způsobem zvolit radiové frekvence pro jednotlivé přístupové body tak, aby pokud možno nedocházelo k radiovému rušení (efektivní využívání radiového spektra).

•

Požadavky na zabezpečení sítě

•

Vliv prostředí na šíření signálu – radiové signály WiFi jsou ovlivněny mnoha aspekty, mezi které zejména patří:

rušení jinými systémy ve stejném pásmu – jiné systémy WiFi, Bluetooth, Breez Net

přímá viditelnost – např. vliv stromů (viz. Fresnelova zóna)

vlivy počasí – např. drobné výchylky na delší vzdálenosti při prudkém dešti, namoklé listnaté stromy (dochází k pohlcování vln vodou, která je jimi ohřívána)

vícecestné šíření

Kontrolní otázky

1. O jakém typu sítí hovoříme v případě použití tzv. typu Ad-hoc? 2. Proč není vhodné vedle sebe provozovat přístupové body pracujících na sousedních rádiových kanálech? 3. Co je to tzv. rozprostřené spektrum a k čemu slouží? 4. Co ovlivňuje přenosovou rychlost v sítích WiFi?

52


6.7 Družicové komunikační systémy Anotace:

V této kapitole bude stručně popsán princip družicové komunikace a vlastnosti příslušných oběžných drah. Pozornost bude věnována popisu některých vybraných družicových komunikačních sítí a navigačnímu systému GPS pro určování polohy. Osnova:

6.7.1 Oběžné dráhy 6.7.2 Příklady družicových komunikačních sítí 6.7.3 Systém družicové navigace GPS

Družicové komunikační systémy využívají jednu nebo několik družic, které jsou umístěné vysoko nad zemským povrchem. Poloha těchto družic vůči obsluhované oblasti je velmi důležitá z hlediska pokrytí, kvality služby, nákladů a složitosti sítě. Tyto systémy hrají důležitou roli při zabezpečení provozu mezi kontinenty nebo na velké vzdálenosti a v současné době se začínají více uplatňovat i pro regionální a národní služby. Družicové komunikační systémy nabízí širokou škálu služeb, rozlišujeme: •

Pevné družicové služby FSS (Fixed Satellite Services),

•

Mobilní družicové služby MSS (Mobile Satellite Services),

•

Radiodeterminační družicové služby RDSS (Radiodetermination Satellite Services),

•

Radionavigační družicové služby RNSS (Radionavigation Satellite Services),

•

Družicové služby pro rozhlasové a televizní vysílání BSS (Broadcast Satellite Services),

•

Mezidružicové služby ISS (Inter-Satellite Services).

Mobilní družicové služby mohou být zabezpečené třemi druhy mobilních komunikačních sítí – námořními, leteckými a pozemními. Svou provozní kapacitou, kvalitou a sortimentem nabízených služeb se sice nevyrovnají pozemním mobilním telefonům a bezšňůrovým telefonům, jsou však nezastupitelné při budování budoucích globálních (celosvětových) systémů pro veřejnou mobilní komunikaci.

6.7.1. Oběžné dráhy Družice mohou opisovat kolem Země buď kruhové nebo eliptické dráhy (orbity), které můžeme popsat pomocí následujících parametrů: •

Apogeum – nejvzdálenější bod od Země,

•

Perigeum – nejbližší bod od Země,

•

Perioda – čas, během kterého družice projde jedenkrát celou dráhu.


53

V případě, že se jedná o kruhovou dráhu, apogeum je stejné jako perigeum a vzhledem k zemské atmosféře nemůže být perigeum menší než cca 130 km nad povrchem Země. Oběžné dráhy v závislosti na výšce a tvaru dělíme na : •

GEO (Geostationary Earth Orbit) – geostacionární oběžná dráha,

•

MEO (Medium Earth Orbit), ICO (Intermediate Earth Orbit) – střední oběžná dráha,

•

HEO (High Eliptic Earth Orbit) – výstřední eliptická oběžná dráha,

•

LEO (Low Earth Orbit) – nízká oběžná dráha.

Každá z těchto oběžných drah je vhodná pro určitou skupinu služeb. Čím blíže jsou družice nad zemským povrchem, tím menší jsou potřebné vysílací výkony vysílačů pozemních stanic a tím menší je nežádoucí zpoždění (latence) signálu během šíření, avšak pro celoplošné pokrytí Země je jich zapotřebí více. GEO

Jedná se o speciální typ oběžné dráhy s nulovým inklinačním úhlem vůči rovníkové orbitální rovině. Vzdálenost oběžné dráhy od povrchu Země je 35786,1 km a čas oběhu družice je 23 h 56 min 4,091 s, což je čas shodný s časem otočení Země kolem své osy. V důsledku toho se družice jeví jako stacionární (během celého oběhu je na stejném místě nad zemským povrchem). Pozemní stanice má pevně nasměrovanou anténu na družici a nepotřebuje tedy složité zařízení zabezpečující sledování družice. Další výhodou je to, že díky relativně vysoké oběžné dráze je možno jednou družicí pokrýt až 43 % zemského povrchu a na pokrytí celé Země stačí pouze 3 družice. V důsledku tlumení signálu zemskou atmosférou (až 200 dB) však družice nedokážou pokrýt signálem polární oblasti. Další nevýhodou je relativně velké zpoždění signálu, které se pohybuje v závislosti na umístění pozemní stanice od 240 ms do 280 ms, což není vhodné při komunikaci v reálném čase (např. telefonní provoz, Internet apod.). Tyto družicové systémy jsou výhodné např. pro jednosměrnou distribuci televizních a rozhlasových signálů, které lze přijímat běžnými družicovými přijímači s fixně nasměrovanou anténou. V současnosti je v provozu cca 150 družic tohoto typu, typickým představitelem jsou družice systému ASTRA. MEO (ICO)

Zde se družice pohybují po kruhových eliptických dráhách ve výšce 10000 km až 14000 km nad zemským povrchem. Ve srovnání s geostacionární oběžnou dráhou je tato dráha nižší a proto musí být vyšší oběžná rychlost družice. Rovněž je kratší čas viditelnosti družice (pouze několik hodin). Nižší umístění družic nad zemským povrchem však zkracuje dobu zpoždění signálu, které se v tomto případě pohybuje od 70 ms do 120 ms. Na globální pokrytí Země je nutné použít více družic, které jsou umístěny v několika orbitálních rovinách. K nevýhodám dále patří nutnost použití systému sledování družic. Typickými představiteli jsou systémy Inmarsat-P nebo Odyssey. HEO

Oběžné dráhy mají eliptický tvar, vzdálenost družice od zemského povrchu se tedy mění. Tato eliptická dráha má perigeum ve výšce okolo 500 km a apogeum okolo 50000 km

54


nad povrchem Země. Mění se také rychlost družice na této dráze, která je velká v perigeu a malá v apogeu. Přibližně 2/3 oběžné periody družice setrvává okolí apogea (až několik hodin, nejlepší viditelnost) a pro pozemní pozorovatele se jeví jako stacionární. Nejlepší viditelnost dosahují rovněž v blízkosti perigea, ale zde se zdrží pouze několik desítek minut. V závislosti na tvaru oběžné dráhy se čas oběhu družice mění od 2 do 12 hodin. Vzhledem k tomu, že vzdálenost družice od Země není konstantní mění se i zpoždění signálu během jediného oběhu a to v rozmezí od 50 ms do 320 ms, což je velkou nevýhodou těchto systémů. Ze stejného důvodu se rovněž mění útlum signálu během přenosu a tvar oblasti, jenž je pokryt signálem (oblast viditelnosti družice - footprint). I zde je zapotřebí použít systém sledování družic. Další nevýhodou je krátká životnost družic, protože jejich dráha prochází přes radiační pásma atmosféry, které mají nepříznivý účinek na elektroniky a solární články. Výhodou těchto družic je dokáží pokrýt svým signálem i oblasti zeměpisných pólů. Hlavními představiteli těchto systémů jsou družice Tundra a Molnija. LEO

Systémy využívající tyto nízké, kruhové (výjimečně eliptické) oběžné dráhy jsou v poslední době velice aktuální. K jejich výhodám patří malá vzdálenost od zemského povrchu (500 km až 3000 km) a velmi malé zpoždění signálu (v rozsahu od 6 ms do 30 ms). Tyto systémy se tedy dají výhodně použít pro komunikaci v reálném čase. Čas oběhu těchto družic, které se pohybují vysokou rychlostí, je v rozsahu 1 až 3 hodin a čas viditelnosti je pouze několik minut. Z tohoto důvodu je na zabezpečení globálního pokrytí zemského povrchu použití velkého počtu družic v několika orbitálních rovinách. Rovněž je nutné zajistit komplikované přepínání komunikace mezi pozemní stanicí a jednotlivými družicemi, a stejně tak i natáčení antény pozemní stanice za družicí. Mezi představitele těchto systémů patří např. systém Iridium či GlobalStar.

6.7.2 Příklady družicových komunikačních sítí INMARSAT

Systém INMARSAT (International Maritime Satellite Organization) byl založen v roce 1979, kdy bylo možné využívat jeho služeb v námořní oblasti. Do současnosti se pole jeho působnosti rozšířilo i na pozemní, mobilní a leteckou komunikaci. Architektura systému se skládá ze čtyř základních částí: •

Kosmický segment – je tvořen 4 družicemi (plus několik záložních), jenž jsou rozmístěny na oběžné dráze GEO. Každá družice má přiděleno tzv. směrové číslo a pokrývá určitou oblast. Jedná se o atlantskou zónu - dvě družice AOR-E a AOR-W, indickou zónu IOR a pacifickou zónu POR.

•

Stanice MES (Mobile Earth Station) – mobilní pozemské stanice převozné (transportable) pro umístění na prostředky námořní, letecké nebo pozemní dopravy nebo přenosné (portable) pro personální komunikaci. S družicí komunikují v kmitočtovém pásmu 1,5/1,6 GHz.

•

Stanice LES (Land Earth Station) – pevné pozemské stanice, které tvoří rozhraní vůči kosmickému segmentu (systém nepoužívá přímou komunikaci mezi jednotlivými družicemi). Stanice LES pracují v pásmu 6/4 GHz a slouží zároveň pro komunikaci mezi mobilní stanicí a pozemskými telekomunikačními sítěmi.

Výukový program: Moderní komunikační technologie •

55

Stanice NCS (Network Controll Station) – plní funkce monitorování a kontroly sítě, řídí jednotlivá spojení. Slouží pro celkovou koordinaci sítě. Spojení probíhá vždy přes LES v příslušné oblasti, přes kterou se lze připojit do veřejných telefonních nebo datových sítí nebo k jiné MES.

Systém INMARSAT definuje několik různých standardů, které se liší především podle nabízených služeb:

INMARSAT-A, INMARSAT-B Služba INMARSAT-A byla realizována jako první globální družicová námořní pohyblivá služba v pásmu 1,5/1,6 GHz (přijímač – 1535-1543,5 MHz, vysílač 1636,51645 MHz). Pohyblivé stanice MES se také vyskytují v modifikaci určené pro spojení ze souše. Z hlediska telefonního přenosu hlasu pracuje na analogových principech. Služba nabízí klasickou hlasovou službu a přenos dat. Vývoj kompresních algoritmů dovoluje přenášet v režimu HSD (High Speed Data) data rychlostí až 64 kbit/s. Váha běžného Aterminálu se pohybuje kolem 120 kg a přenosný A-terminál váží mezi 20 až 30 kg. INMARSAT-B je digitální standard, který je používán převážně v námořních aplikacích. Slouží pro poskytování hlasových služeb, přenosu faxových zpráv a datových spojení. Maximální přenosová rychlost při přenosu dat je 64 kbit/s.

INMARSAT-C INMARSAT-C je digitální systém určený pouze pro datové přenosy s maximální přenosovou rychlostí 600 bit/s a délkou zpráv do 32 kB (obousměrně). Protože metoda přenosu je založena na principu „zapamatuj si a odevzdej“ (store and forward), může doba přenosu každé zprávy od jejího vyslání až po její přijetí trvat pět až deset minut. Pomocí INMARSATu-C lze též získávat údaje o poloze pohybujícího se objektu (loď, letadlo, vozidlo), terminál může být integrován např. společně s navigačním systémem GPS. Terminály INMARSAT-C jsou schopny přijímat tzv. multiadresové zprávy, známé pod zkratkou EGC (Enhanced Group Calls). V praxi to znamená, že zpráva (např. varování) je opatřena záhlavím označujícím určitou oblast nebo jen jednotlivé terminály a na těchto místech je zpráva přijata. EGC lze posílat v různých jazycích a abecedách. V rámci EGC rozlišujeme tzv.virtuální síť SafetyNET s ochranou přenášených dat proti zneužití, jenž je určená pro pobřežní hlídky, meteorology apod.. Další síť má název FleetNET a je určena pro poskytování zpráv určité skupině uživatelů prostřednictvím hromadného rozesílání aktuálních zpráv (burzovní zprávy, sportovní výsledky, počasí, stav silnic atd.). Hmotnost přenosných C- terminálů se pohybuje okolo tří až čtyř kg, klasické terminály pro instalaci do lodních systémů dosahují hmotnosti asi 10 kg.

INMARSAT-D a D+ INMARSAT-D a D+ je družicový komunikační systém, který zajišťuje službu pagingu (varianta D) a obousměrného pagingu (varianta D+). Podporované zprávy jsou tónové, numerické i alfanumerické.

INMARSAT-M INMARSAT-M byl uveden do provozu 1993. Jedná se o plně digitální systém, který poskytuje řízení vysílacího výkonu terminálu v závislosti na aktuálních podmínkách

56


pro zajištění obousměrné komunikace. Komunikační kmitočty jsou shodné se systémem INMARSAT-A. Používá poměrně malé mobilní stanice MES, které umožňují přenos hovoru, dat a faxových zpráv s maximální přenosovou rychlostí 2,4 kbit/s. Přenosná varianta (portable) má tvar kufříku o hmotnost 5-8 kg, k dispozici jsou i větší, převozné (transportable) stanice.

INMARSAT-miniM Systém INMARSAT-miniM nabízí mobilní družicovou komunikace pro hovor a přenos dat stejně jako INMARSAT-M. Ke svému provozu využívá družic 3. generace , které umožňují provoz v úzkých svazcích (spotbeam) s vyšším vyzářeným výkonem na družicích. To pak umožňuje zmenšit rozměry MES zhruba na polovinu a jejich hmotnost snížit až na 2 kg. Tyto stanice potom již mohou být používány jako personální.

INMARSAT-E Systém INMARSAT-E (Emergency - stav nouze) nabízí celosvětovou výstražnou službu určenou pro námořní dopravu. Nouzový signál vyslaný z terminálu označovaného zkratkou EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon) je přes satelity INMARSATU přijat v každém oceánském regionu z důvodu zálohování dvěmi pobřežními stanicemi nesoucích označení CES (Coast Earth Station). Přijatá zpráva je okamžitě přesměrována pomocí protokolu X.25 do Námořního záchranného koordinačního centra MRCC, které zahájí záchranou akci. Celý tento přenos běžně trvá kolem 2 minut (max. 5 minut). IRIDIUM

Záměrem bylo vytvoření mezinárodní bezdrátové komunikační sítě mobilních telefonů a vyhledávacích terminálů pomocí systémů družic a pozemní komunikační sítě tak, aby služba byla dostupná z kteréhokoliv místa na Zemi. Družicová část obsahuje 66 aktivních a 6 záložních družic, které se pohybují ve výšce 780 km nad zemským povrchem (LEO). Družice jsou situovány do šesti polárních orbitálních rovin v seskupení po 11 družicích. Doba obletu Země pro každou družici je 100 min a 28 s. Účastník systému stojící kdekoliv na zemském povrchu má vždy přímou viditelnost na alespoň jednu družici, což dostačuje pro kvalitní spojení. Tento účastník se však musí nacházet v otevřeném prostoru (nikoliv v budovách apod.). Plocha zemského povrchu, kterou pokrývá svým dosahem jedna družice je rozdělena do 48 svazků, z nichž každý pokrývá zhruba kruchovou oblast o průměru cca 600 km. 66 družic vytváří celkem 66.48 = 3168 takovýchto ploch, které je možno považovat za určitou pohybující se analogii (satellite cell-site) statických buněk pozemních celulárních systémů. Sousední buňky pracují na odlišných kmitočtech, naproti tomu buňky které spolu nesousedí, mohou využívat stejný kmitočet. Přidělené buňky jsou rozděleny do 12 subpásem, z nichž každé se vyskytuje na téže družici čtyřikrát. Jelikož e vysokých zeměpisných šířkách některé ze svazků nemusí být aktivní, postačuje k pokrytí celého zemského povrchu pouze 2150 svazků. Každý z aktivních svazků má k dispozici 80 kanálů, takže celosvětová kapacita je 2150.80 = 172000 kanálů. Družice mezi sebou komunikují v pásmu 23,18 GHz až 23,38 GHz. Komunikace mezi mobilním družicovým telefonem a družicí probíhá ve frekvenčním pásmu 1,616 GHz až 1,6265 GHz. Součástí této mezinárodní sítě je také její pozemní část, kde je umístěno celkem 12 tzv. retranslačních stanic (gateways). Ty jsou propojeny s veřejnými telefonními sítěmi. Zajišťují


57

přenos signálu z pozemní bezdrátové sítě do družicové sítě v pásmu 29,1 GHz až 29,3 GHz a v opačném směru (od družicové sítě k pozemní) v pásmu 19,4 GHz až 19,6 GHz. V současné době je tento systém dočasně vyřazen z činnosti.

6.7.3 Systém družicové navigace GPS Systém GPS (Global Position System) je navigační systém, který byl vyvinut pro vojenské účely armády Spojených států amerických na počátku sedmdesátých let. Od počátku devadesátých let je tento systém bezplatně přístupný rovněž pro civilní uživatele po celém světě. Systém GPS je tvořen třemi segmenty: •

Kosmický segment – je tvořen celkem 24 družicemi, z čehož 3 slouží jako záložní. Družice jsou umístěny po čtyřech v šesti oběžných rovinách. Sklon těchto oběžných rovin vůči rovníku (inklinace) je 55°. Oběžná doba družic je 11 h 58 min. Výška oběžných drah nad Zemí je přiblibžně 20200 km. Znamená to, že z jakéhokoliv místa nad Zemí je možnost příjmu z maximálně dvanácti družic, ostatní se v daný okamžik nacházejí nad protilehlou stranou Země.

•

Řídící segment – je tvořen hlavní řídící stanicí MCS (Master Control Station), monitorovacími stanicemi a stanicemi pro komunikaci s družicemi. Každá z družic vysílá v signálu přibližné informace o ostatních družicích na oběžné dráze (tato data se nazývají „almanach“) a současně přesné informace o sobě (tzv. „efemeridy“). Monitorovací stanice pasivně sledují družice a přijímají jejich data, která předávají MCS, kde jsou vypočteny parametry drah družic a parametry hodin družic. Tyto parametry jsou pomocí komunikačních stanic předány družicím, které je vysílají uživatelům. Družice jsou řízeny a sledovány z několika stanovišť, která jsou umístěna rovnoměrně podél rovníku. MCS je umístěna na letecké základně Falcon v Colorado Springs v USA, kde je rovněž jedna z monitorovacích stanic. Další monitorovací stanice jsou Havaj a Kwajalein v Pacifiku, Diego Garcia v Indickém oceánu a Ascension v Atlantiku.

•

Uživatelský segment - je tvořen všemi vojenskými a civilními uživateli.

Systém GPS je založen na výpočtu vzdáleností mezi uživatelem na Zemi a družicemi na oběžných drahách. Vzdálenost mezi družicí a přijímačem se počítá na základě měření časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu družicí a okamžikem příjmu signálu přijímačem. Z tohoto důvodu je každá družice vybavena velice přesnými atomovými hodinami. Po příjmu signálu z družice dochází v GPS přijímači k časové synchronizaci. Právě časová synchronizace je příčinou toho, že pro výpočet polohy na Zemi je potřeba signál ne ze dvou, ale tří družic, obdobně je tomu i při výpočtu polohy s výškou, kdy je zapotřebí signál ze čtyř družic. Čas je vedle tří neznámých hodnot (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, výška) čtvrtou neznámou, díky které je vždy nutný současný příjem z počtu o jednu družici více, než je počet neznámých souřadnic. Frekvence signálu GPS (1,575 GHz) je volena tak, aby signál byl nezávislý jak na denní či roční době, tak i na počasí. Každá družice vysílá signál, jenž tvoří nosné vlny, dva digitální kódy a navigační zpráva. Tyto kódy umožňují měření vzdáleností a vzájemné oddělení signálů jednotlivých družic. Navigační zpráva obsahuje množství informací jako např. čas vysílání počátku zprávy, efemeridy družice, almanach, stav družice atd.. Navigační zpráva tedy umožňuje stanovit přesný čas a vypočítat polohu družice. Každý z GPS přijímačů by měl

58


mít v paměti informace o tom, kde se jednotlivé družice na obloze nacházejí. Přístroje jsou pasivními přijímači dat z družic, což znamená, že zpracovávají přijatá data z družic, žádné však nevysílají. Nelze tedy na dálku zjistit pozici běžného GPS přijímače, který je někde používán. Běžná přesnost GPS přijímačů se pohybuje okolo 7-10 metrů, závisí však především na výhledu na oblohu a počtu družic, které přijímač v době měření registruje. Existuje několik možností, jak zvýšit přesnost měření: •

Metoda průměrování pozice – spočívající v tom, že přijímač počítá průměr z většího počtu měření v časovém rozmezí, které určí uživatel. Přesnost se zvýší až na 57 metrů.

•

Využití tzv. zdroje diferenčních korekcí (DGPS) – princip je založen na tom, že pokud u nepřesného přístroje známe míru jeho nepřesnosti, tak po odečtení chyby dostaneme přesnou hodnotu. Přijímač nebo skupina přijímačů umístěná na přesně známých bodech, generuje velikost chyby v zaměření pozice známého bodu a tuto chybu předává přijímačům pracujícím kdekoliv v terénu. Pro příjem je tedy potřeba dalšího přijímače, který se po dobu měření propojí s přijímačem GPS. S DGPS přijímačem je možné dosáhnout přesnosti 1-5 metrů. Největším problémem u této metody je přenos dat od přijímače na známém bodě k přijímači v terénu. Nejčastěji se používá přenos přes geostacionární družice, nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady a poplatky související s licencí za příjem DGPS signálu.

•

WAAS (Wide Area Argumentation Service) – je modernější obdobou DGPS korekcí. WAAS signál se opět přenáší pomocí geostacionárních družic, ale již bezplatně a lze ho přijímat přímo prostřednictvím GPS přijímače. WAAS je zajišťován jedinou družicí nad daným územím. V Evropě se oficiálně služba WAAS nazývá EGNOS a v Asii MSAS. Přesnost se zvýší na 2-3 metry.

Existují však i velice přesné GPS přístroje, jenž dokáží zaměřit pozici s přesností až na milimetry. Pro dosažení těchto přesností se používá kódového, případně fázového měření tzv. metodou „postprocessingu“, kdy ke zpracování naměřených dat dochází zpětně v kanceláři. Rovněž je vyžadována poměrně dlouhá doba měření na daném bodě. Systém GPS našel využití v mnoha odvětvích a aplikacích, jako např. letecká a námořní navigace, turistika, tranzitní systémy, apod..

Kontrolní otázky

1. Co znamenají pojmy apogeum a latence signálu? 2. Jmenujte výhody a nevýhody oběžných drah GEO, MEO a LEO? 3. K čemu slouží systém GPS?


59

Seznam použité literatury: [1]

BURDA, Jiří. Zemské mobilní rádiové sítě a přenos dat. 1. vyd. Praha: Artea Graphic Wirelesscom, 2000. 159 s. ISBN 80-248-0391-7

[2]

HANUS, Stanislav. Bezdrátové a mobilní komunikace. 1. vyd., Brno: VUT v Brně, 2003. 134 s. ISBN 80-214-1833-8

[3]

ŽALUD, Václav. Moderní radioelektronika. 1. vyd., Praha: BEN, 2000. 645 s. ISBN 80-86056-47-3

[4]

DOBOŠ, Lubomír, DÚHA, Ján, MARCHEVSKÝ, Stanislav, WIESER, Vladimír. Mobilné rádiové sietě. 1. vyd., Žilina: ŽU, 2002. 312 s. ISBN 80-7100-936-9

[5]

EBERSPÄCHER, Jörg, VÖGEL, Hans-Jörg, BETTSTETTER, Christian. GSM switching, services and protocols. 2nd ed., Chichester: Wiley, 2001. 332 s. ISBN 0471-49903-X

[6]

LESCUYER, Pierre. UMTS: origins, architecture and the standard. London: Springer, 2004. 267 s. ISBN 1-85233-676-5

[7]

EL-RABBANY, Ahmed. Introduction to GPS : the Global Positioning System. Boston: Artech House, 2002. 176 s. ISBN 1-58053-183-0

60


Seznam použitých zkratek: 8 PSK AB ADC ADC ADPCM AES AMPS AP ARFCN AuC BER BS BSA BSC BSS BSS BSS BTS CCFP CDMA CEPT CES CCH CIPH CN CN CS CN PS CRC CS CSPDN CT DB DCA DCS DCS-1800 DECT DECT

Eight Phase Shift Keying

modulace osmifázového klíčování Access Burst přístupový burst American Digital Cellular americký digitální buňkový systém Administrative Centre administrativní centrum Adaptive Differential Pulse Code adaptivní diferenciální kódová Modulation modulace Advanced Encryption Standard zdokonalený standard šifrování dat Advanced Mobile Phone System americký analogový buňkový systém Access Point přístupový bod Absolute Radio Frequency Channel Number číslo rádiového kanálu Authenticity Centre centrum autentičnosti Bit Error Rate bitová chybovost Base Station pagingová základnová stanice Basic Service Area základní oblast služeb Base Station Controller základnová řídící jednotka Base Station Subsystem subsystém základnových stanic Basic Service Set základní soubor služeb Broadcast Satellite Services distribuční družicové služby Base Transceiver Station základnová rádiová stanice Central Control Fixed Part fixní centrální řídící jednotka Code Division Multiple Access mnohonásobný přístup s kódovým dělením Conference of European Post and evropská konference správy Telekommunications Administrations pošt a telekomunikací Coast Earth Station pobřežní stanice Control Channel řídící kanál Ciphering zakódování dat Core Network jádro sítě CN Circuit Switched okruhově orientovaná část sítě CN Packet Switched paketově orientovaná část sítě Cyclic Redundancy Code cyklický redundantní kód (kontrolní součet) Coding Scheme kódovací systém (schéma) Circuit Switched Public Data Network veřejná datová síť s přepojováním okruhů Cordless Telephone bezšňůrový telefon Dummy Burst prázdný burst Dynamic Chanell Allocation dynamické přidělování kanálů Dynamic Chanell Selection dynamické přidělování kanálů Digital Cellular System 1800 digitální buňkový systém Digital European Cordless evropský digitální standard Telecommunication pro bezšňůrové telefony Digital Enhanced Cordless evropský digitální standard pro Telecommunication bezšňůrové telefony

Výukový program: Moderní komunikační technologie DGPS DSSS

Diferential GPS Direct Sequence Spread Spectrum

EAP

Extensible Authentication Protokol

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EGC EGNOS

ERMES

Enhanced Group Calls European Geostationary Navigation Overlay Service Extended GSM Equipment Identity Register Emergency Position Indicating Radio n Beaco European Radio MEssage System

ES

End System

ETSI FB FCA FCC FDD FDMA

European Telecommunications Standard Institute Frequency Correction Burst Fixed Channel Allocation Federal Communications Commission Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access

FHSS FSS GEO GFSK

Frequency Hopping Spread Spektrum Fixed Satellite Services Geostationary Earth Orbit Gaussian Frequency Shift Keying

GGSN

Gateway GPRS Support Node

GMSC GP GPRS

Gateway MSC Guard Period General Packet Radio Service

GPS GSM

Global Position System Global System for Mobile Communication

HEO HLR HSCSD

High Eliptic Earth Orbit Home Location Register High Speed Circuit Switched Data

HSD ICO IEEE

High Speed Data Intermediate Earth Orbit Institute of Electrical and Electronics Engineers International Mobile Equipment Identity

EGSM EIR EPIRB

IMEI

61 diferenční GPS přímá sekvence rozprostřeného spektra rozšiřitelný autentizační protokol zdokonalení datových přenosů pro rozvoj GSM multiadresové zprávy evropský systém šíření diferenčních korekcí GPS rozšířená verze systému GSM registr mobilních stanic nouzový signál vyslaný z terminálu Evropský systém rádiových zpráv koncového zařízení systému bezšňůrové mobilní stanice Evropský telekomunikační standardizační institut burst pro kmitočtovou korekci pevné přidělování kanálů americký telekomunikační úřad kmitočtový duplex mnohonásobný přístup s frekvenčním dělením frekvenční proskoky pevné družicové služby geostacionární oběžná dráha Gaussovská modulace s frekvenčním klíčováním podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS radiotelefonní ústředna ochranná doba všeobecná paketová rádiová služba globální poziční systém Globální systém pro mobilní komunikaci výstřední eliptická oběžná dráha domovský lokační registr vysokorychlostní přenos dat s přepojováním okruhů vysokorychlostní data střední oběžná dráha mezinárodní asociace elektroinženýrů mezinárodní identita mobilního zařízení

62 IMSI INMARSAT IP IS-54, IS-95 ISDN ISM ISS IWF IWU JDC LEO LES MAHO MEO MES MCHO MRCC MS MSAS MSC MSC MSS NB NCS NCHO NMC NMT NSS OFDM OMC OSS PABX PAC PCU

Modul 6: Mobilní rádiové sítě International Mobile Subscriber Identity

mezinárodní identita mobilního účastníka International Maritime Satellite Organization Mezinárodní námořní družicová organizace Internet Protocol internet protokol Interim Standard americký digitální buňkový systém Integrated Services Digital Network digitální síť integrovaných služeb Industrial Scientific and Medical frekvenční pásmo vyhrazené pro průmyslové, vědecké a lékařské potřeby Inter-Satellite Services mezidružicové služby Inter-Working Functionality jednotka spolupráce Inter-Working Unit jednotka spolupráce (mezioperační jednotka) Japan Digital Cellular japonský digitální buňkový systém Low Earth Orbit nízká oběžná dráha Land Earth Station pevné pozemská stanice Mobile Assisted Handover sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice Medium Earth Orbit střední oběžná dráha Mobile Earth Station mobilní pozemská stanice Mobile Controlled Handover handover řízený mobilní stanicí Maritime Rescue Coordination Center námořní záchranné koordinační centrum Mobile Station mobilní stanice Multi-Functional Transport Satelite japonský systém šíření diferenčních korekcí GPS Mobile Switching Centre Master Control Station hlavní řídící stanice Mobile Satellite Services mobilní družicové služby Normal Burst normální burst Network Controll Station řídící stanice sítě Network Controlled Handover sítí řízený handover Network Management Centre centrum managementu (řízení) sítě Nordic Mobile Telephone skandinávský analogový buňkový systém Network and Switching Subsystem síťový a spínací (přepojovací) subsystém Orthogonal Frequency Division Multiplex ortogonální frekveční multiplex Operation and Maintenance Centre provozní a servisní centrum Operation Support Subsystem operační podpůrný subsystém Private Automatic Branch Exchange Pobočková telefonní ústředna (neveřejná, privátní) Paging Area Controller oblastní pagingová řídící jednotka Packet Controller Unit jednotka řízení paketů

Výukový program: Moderní komunikační technologie PDA PGSM PIN PLMN PNC POCSAG PP PSPDN PSTN PT PUK RDS RDSS RFP RIC RNC RNS RNSS RPE-LTP SB SF SGSN SIM SMS SS SS7 SSID TA TACS TB TDD TDMA TCH TKIP TMSI

Personal Digital Asistent Primary GSM Personal Identification Numer Public Land Mobile Network Paging Network Controller Post Office Code Standardization Advisory Group Portable Part Packed Switched Public Data Network

63

osobní digitální zařízení základní primární systém GSM osobní identifikační číslo veřejná pozemní mobilní síť pagingová řídící jednotka digitální pagingový systém bezšňůrová mobilní stanice veřejná datová síť s přepojováním paketů Public Switching Telecommunication veřejná komutovaná Network telefonní síť Portable Terminal rádiová část bezšňůrové mobilní stanice Personal Unblocking Key osobní odblokovaní klíč Radio Data System rádiový pagingový systém pro přenos doplňkových informací rozhlasových programů FM Radiodetermination Satellite Services radiodeterminační družicové služby Radio Fixed Part základnová fixní rádiová stanice Radio Identification Code rádiový identifikační kód Radio Network Controller řídící jednotka rádiové sítě Radio Network System systém základnových stanic Radionavigation Satellite Services radionavigační družicové služby Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction pulzně buzený kodér s dlouhodobou lineární predikcí Synchronization Burst synchronizační burst Stealing Flag řídící bit Serving GPRS Support Node obslužný podpůrný uzel GPRS Subscriber Identity Module předplatitelský identifikační modul (karta) Short Message Service krátká textová zpráva Spread Spectrum rozprostřené frekvenční spektrum Signaling System No.7 signalizační systém č.7 Service Set Identifier identifikátor souboru služeb Timing Advance časový posuv Total Access Communications System britský analogový buňkový systém Tail Bit koncový (okrajový) bit Time Division Duplex časový duplex Time Division Multiple Access mnohonásobný přístup s časovým dělením Traffic Channel provozní kanál Temporal Key Integrity Protocol protokol integritydočasného klíče Temporary Mobile Subscriber Identity dočasná identita mobilního účastníka

64


TRAU TS TS UE UMTS

Transcoder and Rate Adaptor Unit Time Slot Training Sequence User Equipment Universal Mobile Telephony System

UMTS

Univesal Mobile Telephony System

UTRA

UMTS Terrestrial Radio Access

UTRAN VLR WAAS

UMTS Radio Access Network Visitor Location Register Wide Area Argumentation Service

WCDMA

Wideband CDMA

WECA

Wireless Ethernet Compatibility Aliance

WEP

Wired Equivalent Privacy

WiFi

Wireless Fidelity

WLL WPA

Wireless Local Loop WiFi Protected Access

transkódovací jednotka časový interval tréninková sekvence dat uživatelský terminál univerzální mobilní telekomunikační systém univerzální mobilní telekomunikační systém rádiový přístup (rozhraní) UMTS rádiová přístupová síť UMTS návštěvnický lokační registr systém šíření diferenčních korekcí GPS širokopásmová přístupová metoda CDMA aliance pro kompatibilnost bezdrátového ethernetu bezpečnostní mechanizmus pro zabezpečení rádiové části sítě spolehlivá bezdrátová komunikace bezdrátová účastnická smyčka WiFi zabezpečený přístup


65

Odraz a lom

K lomu elektromagnetických vln dochází na rozhraní dvou prostředí, kterými vlny prochází. Vlna se při setkání s hustším prostředím, např. půdou, odráží v souladu s pravidlem: úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Může také dojít k lomu dopadající vlny. O odrazu či lomu vlny rozhoduje úhel jejího dopadu na rozhraní dvou prostředí (vzduch – půda, vzduch – voda atd.). Uvedené případy jsou znázorněny na následujícím obrázku. procházející vlna (kolmá)

lom vlnového záření

rozhraní dvou prostředí

odraz vlnového záření

Uvažujme dvě různá prostředí, jejichž rozhraní je rovinné. Jsou-li indexy lomu těchto dvou prostředí n1 a n2 a označíme-li úhly dopadající resp. lomené vlny α 1 resp. α 2 (měřeno ke kolmici rozhraní), pak podle Snellova zákona platí: n1 . sin α 1 = n2 . sin α 2

nebo také v jiném tvaru:

sin α 1 v1 n2 = = sin α 2 v2 n1 kde v1 a v 2 jsou rychlosti šíření vln v daném prostředí. Úhly se vždy měří od normály, tj. při kolmém dopadu je α 1 = α 2 = 0 . Vlny se šíří vždy přímočaře. Při šíření vln z řidšího do hustšího prostředí se vlny lámou směrem ke kolmici. Při šíření vln z hustšího do řidšího prostředí se vlny lámou směrem od kolmice. Šíří-li se vlny z hustšího prostředí směrem k rozhraní pod dostatečně vysokým úhlem α 1 > α m , pak vlna rozhraním neprochází, ale zcela se odráží zpět do hustšího prostředí; jedná se o totální odraz. Mezní úhel α m má hodnotu: ⎛ n2 ⎞ ⎟⎟ ⎝ n1 ⎠

α m = arcsin⎜⎜

66


Difrakce

Difrakce proběhne v případě, narazí-li vlna na otvor v překážce, jak ukazuje obrázek. Vlna po přechodu otvorem způsobí vznik sekundárního záření. Středem vzniklé kulové vlny je místo přechodu přes překážku. Difrakce probíhá pouze tehdy, kdy vlna prochází velmi úzkou štěrbinou, ale také přechodem přes ostré , tvrdé hrany. Díky tomu lze získat spojení v horách, např. mezi stanicemi ve dvou údolích, v pásmech metrových vln VHF a decimetrových vln UHF. překážka

směr čela vlny

rozptýlené záření


67

Interference

V případě interference se v podstatě jedná o skládání dvou elektromagnetických vln. Obě vlny se mohou navzájem zesilovat, zeslabovat nebo dokonce vzájemně vyrušit, to vše podle fází jednotlivých vln. Na obrázcích jsou znázorněny dvě sinusoidy ve shodné a opačné fázi. Výsledkem složení obou křivek je vznik zesílené výsledné vlny nebo naopak zcela utlumené. Amplituda

výsledná zeslabená vlna

vlna Y

+A 1

-A 2 vlna X A'=A 1-A 2 Vlna X a vlna Y s fázovým posuvem 180°

Amplituda

A'

A1 A2

A'=A 1+A 2

vlna Y vlna X

Vlna X a vlna Y ve shodné fázi s různými amplitudami

výsledná zesílená vlna

68


Troposféra

Troposféra je spodní část atmosféry, která v našich zeměpisných šířkách dosahuje výšky 10-12 km (viz obrázek), v oblasti rovníku sahá do výšky 16-18 km a u pólů dosahuje ještě níže k 9 km. Je oblastí konstantního procentního složení atmosféry, které se s výškou prakticky nemění. Jedinou výjimkou jsou vodní páry. Troposféra je oblastí, kde probíhá značné množství meteorologických jevů. Ty jsou provázeny zejména srážením vodní páry a vznikem oblaků s různým stupněm nasycení. S výškou zde klesá teplota (průměrně o 0,65 °C na 100 m), hustota a tlak vzduchu. Proto také parametry troposféry jsou dány zejména teplotou, vlhkostí a tlakem. Všechny tyto parametry se podstatným způsobem uplatňují na šíření radiových vln. Průchodem velmi krátkých vln troposférou dochází k zakřivení drah jejich paprsků, k rozptylu na nehomogenitách troposféry, k útlumu radiových vln absorpcí i vícenásobným šířením atd. (viz obrázek). Velmi důležité je proto určení základních vztahů mezi elektrickými a meteorologickými parametry troposféry. Každý z plynů, které tvoří troposféru, má jiné elektrické vlastnosti (permitivitu a vodivost). Kromě pásma velmi krátkých vln je však vodivost plynů v troposféře zanedbatelná. V pásmech centimetrových a milimetrových vln se však již začíná uplatňovat rozptyl, projevuje se tedy frekvenční závislost elektrických vlastností jednotlivých složkových plynů a vodivost troposféry již není možné zanedbat.

troposféra 10 - 12 km

vysílač

přijímač


69

Ionosféra

Ionosféra je vrstva svrchní atmosféry (ve výšce 50 - 500 km nad povrchem, viz obrázek) vyznačující se významnou elektrickou vodivostí v důsledku přítomnosti volných elektronů a iontů, které vznikají interakcí ionizujícího slunečního záření s vyššími vrstvami atmosféry. Stupeň ionizace kolísá s denní dobou, ročním obdobím, geografickou polohou a fází slunečního cyklu. Ionosféra má velký význam na šíření elektromagnetických vln v atmosféře. Je zodpovědná např. za radiové přenosy na velké vzdálenosti, odrazem (lépe řečeno ohybem) radiových vln od jejích vrstev, jak je uvedeno na obrázku. Ionosféra je rozdělena na několik takových vrstev, charakterizovaných mezním kmitočtem, který určuje, zda procházející elektromagnetické vlny budou (v závislosti na svém kmitočtu) vrstvou odraženy, absorbovány či částečně proniknou do kosmického prostoru. Změny v ionosféře mají vliv na veškeré komunikační, navigační a řídící systémy (jak pozemské, tak i satelitní), používající rádiové vlny.

ionosféra 50 - 500 km

vysílač

přijímač

70


Modulace

V rádiové komunikaci se v současné době používá větší počet různých typů (formátů) modulací. Jejich základní klasifikace, vycházející z časového vývoje, je uvedena na obrázku. Vývojově nejstarší jsou analogové modulace. Později se začaly uplatňovat i diskrétní modulace, a to nejprve v základním pásmu a potom i v oblasti vysokofrekvenční. Diskrétní modulace v základním pásmu byly nejdříve nekódované, za nimi potom následovaly i modulace kódované. Nejmladší jsou potom diskrétní modulace s nosnými vlnami, které pro stručnost dále nazýváme modulace digitální. Modulace

s nosnými vlnami

v základním pásmu

analogové

digitální

diskrétní kódované

diskrétní nekódované

AM

M - ASK

PCM

PAM

FM

M - FSK

D - PCM

PDM (PWM)

PM

M - PSK

AD - PCM

PPM

M - QAM

DE - PCM

PFM

M - AM/PM

DM, ADM


71

IMEI

Mezinárodní identita mobilního zařízení IMEI (International Mobile Equipment Identity) je jedinečný patnáctimístný kód používaný k identifikaci každého mobilního telefonu, který je používán v rámci GSM sítě. Ukládá se v registru EIR (Equipment Identity Register).. Struktura tohoto čísla je uvedena na obrázku. 6 číslic

2 číslice

6 číslic

1 číslice

TAC

FAC

SNR

SP

AAAAAA

BB

CCCCCC

D

Skládá se z těchto částí: •

TAC – (Type Approval Code) – kód schváleného typu mobilního telefonu – šestimístné číslo ve formátu „AAAAAA“. První dvě číslice jsou Country Code.

•

FAC – (Final Assembly Code) – závěrečný montážní kód – dvoumístné číslo ve formátu „BB“. Tato část určuje výrobce podle následujících kódů: -

01,02 AEG 07 , 40 Motorola 10, 20 Nokia 30 Ericsson 40, 41, 44 Siemens 47 Option International 50 Bosch 51 Sony 51 Siemens 51 Ericsson 60 Alcatel 70 Sagem 75 Dancall 80 Philips 85 Panasonic

Kódy se mohou lišit z důvodu spojení nebo zániku společností, které přístroje vyráběly nebo vyrábějí. •

SNR – (Serial Number) – vlastní sériové číslo přístrroje, které vzniká až při výrobě konkrétního kusu mobilního telefonu - šestimístné číslo ve formátu „CCCCCC“. Oproti kódům TAC a FAC, které jsou u konkrétních modelových řad a sérií vyráběných v jednom závodě stejné, kód SRN je unikátní.

•

SP – (SPare) – kontrolní nebo rezervní kód - jednomístné číslo ve formátu „D“. Jedná se o tzv. Optional Numer nebo-li kontrolní bod. Jde o kontrolní součet, že předcházejících 14 čísel je v pořádku.

72


Ekvalizace

U pozemských rádiových kanálů se uplatňuje řada nejrůznějších rušivých faktorů. Projevují se zde různé typy úniků signálů, způsobené mnohocestným šířením vln i jinými fyzikálními jevy, působí v nich atmosférické a průmyslové poruchy, u mobilních systémů dochází k dopplerovským posuvům kmitočtů apod.. Pojem ekvalizace u analogových radiokomunikačních systémů obecně značí korekci amplitudového a fázového zkreslení, způsobovaného rádiovým kanálem. U digitálních systémů se ekvalizací rovněž v podstatě korigují uvedená zkreslení, avšak konečným požadovaným efektem je zde minimalizace intersymbolových interferencí ISI a tím i zmenšení chybovosti přenosu BER (Bit Error Ratio). Nemění-li se parametry rádiového kanálu s časem, jako je tomu např. u pozemských radioreléových spojů, mohou ekvalizaci realizovat rovněž fixně nastavené ekvalizační obvody; tato koncepce se označuje jako statická ekvalizace. Pokud se parametry kanálu mění v čase, což je typické např. pro mobilní komunikaci s mnohocestným šířením vln, potom výrazné potlačení uvažovaných rušivých efektů může přinést pouze aplikace principů adaptivní ekvalizace, u níž se parametry ekvalizačních obvodů kontinuálně přizpůsobují měnícím se parametrům daného kanálu. Činnost většiny adaptivních ekvalizérů spočívá na principu korekce vstupní digitální zkreslené datové sekvence v přijímači, realizované pomocí kmitočtového adaptivního filtru, jehož parametry (koeficienty) se vhodně mění v závislosti na kontinuálně se měnících parametrech zkreslujícího komunikačního kanálu. Je-li dosaženo správné funkce ekvalizéru, datová sekvence na jeho výstupu se shoduje nebo se jen velmi málo liší, od sekvence na výstupu vysílače. K náležitému řízení adaptivního filtru je ovšem nutné buď znát nebo alespoň co nejpřesněji odhadovat neustále se měnící parametry kanálu. Tento odhad lze provádět několika různými způsoby. Většina z nich je však založena na využití periodického vysílání definovaných tréninkových datových sekvencí, jejichž strukturu ekvalizér přijímače zná, a proto pomocí nich potom může provádět zmíněný odhad. Tréninkové sekvence mají formu buď binárních pseudonáhodných sekvencí nebo fixně definovaných deterministických sekvencí. Adaptivní ekvalizace se zpravidla implementuje v systémech TDMA, u nichž se užitečná data přenášejí v časových blocích (slotech) s fixní délkou (např. u radiotelefonu GSM je datový blok o 114 bitech rozdělen na dvě stejné části po 57 bitech, mezi něž je vložena tréninková sekvence o 26 bitech). Ekvalizér pracuje cyklicky ve dvou módech •

•

tréninkový mód (Training Mode) – vysílačem je vyslána tréninková sekvence, ta ve zkreslené podobě vchází v přijímači do adaptivního filtru, kde se jejím vyhodnocením postupně nastaví parametry filtru tak, aby co nejdokonaleji korigovaly zkreslení kanálu mód sledování (Tracking Mode) – dochází k vysílání datové sekvence, jejíž ekvalizovaný výstup by se měl tedy již co nejméně odlišovat od originálu

Ekvalizér může být součástí mezifrekvenčního dílu přijímače, nejčastěji je však zařazen těsně za demodulátorem přijímače (před kanálový dekodér), kde lze bez problému implementovat potřebnou digitální technologii.


73

Určení odstupu buněk stejných frekvencí sousedních svazků

Plocha n-úhelníku je obecně definována jako: a S=n ρ 2 R

n=6 a≡ R

ρ

Plocha jedné buňky (6-úhelníku) je tedy: Sb = 6

R 3R 2 3 3 2 = R 2 4 2 N buněk

R O

Rx

Vzdálenost středů velkých oblastí O = 3R x , tedy Rx =

O 3

.

Pro plochu ekvivalentní oblasti (pro N buněk) platí: 2

3 3 2 3 3⎛ O ⎞ 3 2 ⎜⎜ ⎟⎟ = Sx = Rx = O 2 2 ⎝ 3⎠ 2 Vyjádříme-li tuto plochu pomocí plochy buněk dostaneme: S x = N .S b = N

3 3 2 R 2

Porovnáním S x obou vztahů dostaneme výsledný vztah pro odstup buněk stejných frekvencí sousedních svazků o N buňkách: O = R 3N

74


Kapacita systému buňkové struktury

Jednou z možností, jak zvýšit kapacitu systému u buňkové struktury je zmenšení velikosti buněk. Buňky o stejné skupině komunikačních kanálů (svazek buněk) se budou nacházet v menší absolutní vzdálenosti (odstup buněk stejných frekvencí), čímž na daném území vzroste kapacita sítě. Každé zmenšení poloměru buňky o 50 % vede ke čtyřnásobnému zvětšení kapacity v dané oblasti., jak je vidět na obrázku. první dělení druhé dělení počet kanálů 100 100

100 100 100

100

100

100

V případě, že platí RN =

RP 2

kde RN ... nový poloměr buňky RP ... původní poloměr buňky potom platí SN =

SP 4

kde S N ... nová plocha buňky S P ... původní plocha buňky a C N = C P .4 n

kde C N ... nová kapacita buňky C P ... původní kapacita buňky n ... počet dělení buňky

100


75

BER

Bitová chybovost BER (Bit Error Rate) je definována jako počet chybně přenesených bitů k celkovému počtu přenesených bitů, za určitý dostatečně dlouhý časový interval. Nejvyšší přípustné hodnoty závisí na konkrétních aplikacích (např. u radiotelefonních systémů postačuje při přenosu hovoru chybovost BER řádu 10-3 až 10-4, u digitální televize HDTV musí být dosaženo chybovosti BER řádu 10-9).

76


BTS

Fotografie základnové stanice GSM SIEMENS BS21 umístěné v Laboratoři rádiových sítí na Katedře telekomunikační techniky VŠB-TU Ostrava.


77

IMSI

Struktura čísla IMSI (International Mobile Subscriber Identity) znázorněna na obrázku představuje mezinárodní identitu mobilního účastníka formou patnáctimístného unikátního čísla.

3 číslice

3 číslice

až 9 číslic

MCC

MNC

MSIN

kde MCC (Mobile Country Code) – mobilní kód státu – identifikace státu, ve kterém je účastník registrován (ve kterém uskutečnil registraci) MNC (Mobile Network Code) – kód mobilní sítě – identifikace sítě operátora, u kterého je účastník registrován MSIN (Mobile Station Identification Number) – identifikační číslo mobilní stanice, obsahuje identitu BSS a jeho pomocí má přístup k HLR, resp. do AuC

MNC spolu s MSIN tvoří tzv. národní identifikaci mobilní stanice NMSI (National Mobile Station Identity).

78


Tabulka přenosových rychlostí pro různé datové kanály TCH systému GSM

V tabulce jsou pro jednotlivé datové kanály uvedeny přenosové rychlosti signálu před (Net Data Rate) a po (Gross Data Rate) kanálovém kódování. Pro srovnání jsou zde uvedeny i údaje platné pro kódování hovorového signálu (TCH/F). Signály z nižší přenosovou rychlostí jsou zde zabezpečeny proti chybám lépe než signály s vyšší přenosovou rychlostí. Takto upravený signál může být ještě podroben šifrovacímu procesu (rozhoduje operátor), kterým je přenášená informace chráněna proti zneužití.

Označení kanálu

Přenosová rychlost Přenosová rychlost před kanálovým po kanálálovém kódováním kódování [kbit/s] [kbit/s]

TCH / F

13,0

22,8

TCH / F9.6

12,0

22,8

TCH / F4.8

6,0

22,8

TCH / F2.4

3,6

22,8

TCH / H4.8

6,0

11,4

TCH / H2.4

3,6

11,4


79

Tréninková sekvence dat

Tréninkové sekvence dat TS (Training Sequence) mají délku 26 bitů. Jsou uloženy v paměti každé mobilní stanice, která je využívá pro funkci ekvalizace. Číslo kódu TS

Tréninková sekvence 26 bitů

0

00100101110000100010010111

1

00101101110111100010110111

2

01000011101110100100001110

3

01000111101101000100011110

4

00011010111001000001101011

5

01001110101100000100111010

6

10100111110110001010011111

7

11101111000100101110111100

80


8 PSK

Jedná se o vícestavovou (resp. víceúrovňovou) diskrétní modulaci, u které modulovaný parametr nosné vlny (v našem případě fáze) může nabývat jednoho z celkového počtu M = 2 n stavů (v našem případě osmi stavů), kde n je přirozené číslo rovné dvěma nebo větší než dvě. Každému z těchto stavů, nazývaných též signálové prvky nebo symboly, potom odpovídá určitá kódová skupina (slovo) o n bitech (v našem případě tedy 3 bitech). Pro modulace PSK se často využívá zobrazení jejich fázových stavů v komplexní rovině pomocí fázorů, resp. jen pomocí jejich koncových bodů. Takové zobrazení je pro M = 8 uvedeno na obrázku. 100

Q

110

101

111

I 011

001

000

010

Reálná osa je zde označena symbolem I (In-phase, tj. synfázní složka), imaginární osa symbolem Q (Quadrature, tj. kvadraturní neboli o 90° otočená složka); přitom fáze těchto složek se vztahuje k fázi pomyslné referenční nemodulované nosné vlny. Uvažovaná rovina se obvykle nazývá rovina IQ, zobrazené body potom vytvářejí konstelační (stavový) diagram. Tento diagram se často používá v technické praxi a lze ho považovat za zvláštní případ zobrazení modulovaných signálů v tzv. signálovém prostoru.


81

DSSS

Na obrázku je znázorněna situace ve frekvenční oblasti pro komunikaci na rádiovém kanálu č. 11 standardu 802.11b, který využívá metodu přímé sekvence rozprostření spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

82


Efektivní využívání radiového spektra

Při plánování rozsáhlejších sítí je vhodné zvolit radiové frekvence tak, aby se vzájemně nepřekrývaly. Standard 802.11 definuje tři radiové kanály, které vyhovují této podmínce. Jedná se o kanál č.1, 6 a 11. Příklad možné realizace rozsáhlejší infrastrukturní sítě s uvedením čísel radiových kanálů je uveden na obrázku. 1

11 1 6

6

6

1

11 1

11

6 11

1

11 1

11 1

6

6


83

Výpočet kvality radiového spoje

Mezi kritéria určující kvalitu radiového spojení patří: •

Efektivní vysílací výkon – součet vysílacího výkonu WiFi zařízení a zisku antény, od kterého se odečte ztráta na kabelu a konektorech.

•

Ztráta při přenosu – ztráty na signálu ve volném prostoru a ztráty vlivem zásahu do první Fresnelovy zóny.

•

Efektivní citlivost přijímače – součet zisku antény a citlivosti přijímače, od kterého se odečte ztráta na kabelu a konektorech.

Při propočtu přenosové trasy je možno se orientovat podle následujícího vztahu: Pr = Pt − L p + Gt + Gr − Lt − Lr

kde Pr …požadovaná citlivost přijímače Pt …vysílací výkon vysílače

L p …ztráty signálu při přenosu Gt …zisk antény vysílače Gr …zisk antény přijímače Lt …útlum (ztráty) mezi vysílačem a anténou vysílače (kabely + konektory) Lr …útlum (ztráty) mezi přijímačem a anténou přijímače (kabely + konektory)

84


Fresnelova zóna

Elektromagnetická vlna se šíří po přímce, ale protože se jedná o vlnění, podléhá dalším fyzikálním zákonům. Převážná část energie vlny je nesena v prostoru okolo přímky spojující vysílací a přijímací antény. Tento prostor má elipsoidní tvar s největším průměrem uprostřed trasy. Tato prostorová oblast přenáší cca 90 % energie a nazývá se První Fresnelova zóna. Na obrázku je znázorněna situace částečně blokované Fresnelovy zóny, kdy do této oblasti zasahuje např. strom, jehož vlivem dojde ke zhoršení přenosových podmínek daného spoje. l

r

Ačkoliv je spoj na první pohled v přímé viditelnosti, vlivem stínění ve Fresnelově zóně bude potřeba použít kvalitnější antény a kabely nebo antény posunout výše. Pro výpočet průměru První Fresnelovy zóny je možno použít vzoreček d= λ

kde

l1 .l 2 l1 + l 2

[m]

λ …vlnová délka Tento vzoreček vychází z následujícího obrázku.

d l1

l2


85

Vícecestné šíření

Problém vícecestného šíření radiového signálu je znázorněn na obrázku. Amplituda

Přijímané signály

strop čas V

P

Amplituda

Výsledek

překážka podlaha čas

Vysílač (V) i přijímač (P) používají všesměrovou anténu a signál e tedy vysílán do všech směrů. Vysílaný signál se odráží od stěn, stropů i předmětů a tak se vytváří velké množství různých signálových cest od vysílače k přijímači. Signál putující po přímé cestě dorazí k přijímači nejdříve, zatímco slabší odražení signály později. Vzhledem k tomu, že radiový signál je vlnění, které se v každém bodě skládá, výsledný signál vznikne složením všech přijatých signálů, čímž dojde k jeho zkreslení. Časový rozdíl mezi přijetím prvního a posledního signálu se nazývá rozprostřené zpoždění (delay spread). Zařízení pracující se standardem 802.11 se dokáže vyrovnat se rozprostřeným zpožděním max. do 500 ns. Po překročení tohoto limitu síť přestane fungovat (např. pro plnou rychlost 11 Mbit/s je zapotřebí zpoždění max. 65 ns – s narůstajícím zpožděním pak rychlost klesá). Vícecestné šíření se projevuje zejména ve vnitřních prostorech, kde se signál odráží od stěn, ale je ještě dostatečně silný, aby dorazil k přijímači. Vícecestné interference jsou také důvodem proč výrobci dávají do AP dvě antény – i vzdálenost několika centimetrů mezi anténami umožní velmi často snížit rozprostřené zpoždění vybráním signálu z lépe orientované antény. Z obou antén jen jedna slouží pro vysílání, k příjmu pak slouží ta, která je vůči vysílači v lepší pozici z hlediska vícecestných interferencí.

86


Parametry oběžných drah Apogeum

Perigeum


87

Družice GPS

D2

E1

B3

C2

B2 D1

F4 A3

F1

F3 D3

E4

C1

B4 A2 B1 A1

C3 E2

F2 E3

C4

D4

A4

88


Přijímače GPS

Obr. Přijímače GPS – a) turistický, b) automobilový, c) námořní, d) cyklistický

Výukový program: Moderní komunikační technologie. Modul 6: Mobilní rádiové sítě. Ing. Roman Šebesta

Recommend Documents