Mobilní komunikace. Vývojové trendy sítě GSM (2G) a 3G. Petra Píšová

Transkript

1 Mobilní komunikace Vývojové trendy sítě GSM (2G) a 3G Petra Píšová

2 Mobilní síť: GSM - Globální Systém pro Mobilní komunikaci, Global System for Mobile communications - digitální buňková radiotelefonní síť s více než 400 operátory ve více než 150 zemích, GSM telefony používá přes miliardu lidí, je nejpopulárnější standard pro mobilní telefony na světě - GSM se od svých předchůdců liší tím, že signální i hovorové kanály jsou digitální, což znamená že se jedná o druhou generaci (2G) systému mobilních telefonů - využíva pásma 900 MHz a 1800 MHz - přenos rychlostí 9,6 kb/s, některé společnosti až 14,4 kb/s - GSM je otevřený standard který vyvíjí 3GPP - GSM síť se vyvíjela v několika fázích : Fáze1 (zveřejněna 1990) - základní služby: přenos hlasu, roaming, Fáze 2 (1991) rozšířeni služeb: datové přenosy 9,6 kbps, SMS, fax, Fáze 2+ (1997) - nynější GSM : SIM Toolkit, Enhance Full Rate (přenos hlasu na 13 kbps), HSCDS, GPRS, Fáze 3 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) zvyšuje přenosovou rychlost současným využitím několika kanálů (teoreticky lze tímto způsobem spojit až 8 kanálů) ve skutečnosti se však vyrábějí zařízení podporující přenos pouze pomocí čtyř kanálů 43,2 kbit/s směrem k uživateli a 14,4 kbit/s od uživatele - GSM je buňková síť, což znamená že mobilní telefony se připojují do sítě prostřednictvím nejbližší buňky. - jsou čtyři různé velikosti buněk - makro, mikro, piko a deštníkové buňky. Oblast pokrytí každé buňky se liší podle prostředí (typicky 1-3 kilometry v průměru, avšak je možné používat buňky o velikosti 35 kilometrů; v centrech velkých měst je tato vzdálenost značně menší, a to cca 500 metrů; existuje však koncept rozšířené buňky kde může být oblast dvojnásobná i větší). Za makro buňky jsou považovány ty, kde je umístěna anténa základové stanice na stožáru nebo na budově nad úrovní střech. Mikro buňky mají anténu umístěnou pod úrovní střech; typické je použití v zastavěných oblastech. Piko buňky jsou malé buňky s průměrem pár desítek metrů; používají se hlavně uvnitř budov. Na druhou stranu deštníkové buňky se používají pro pokrytí oblastí ve stínech a na vyplnění mezer mezi buňkami. - velikost pokrytí záleží na výšce antény, výkonu antény a na podmínkách šíření - GSM síť můžeme rozdělit do tří subsystémů: - subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) - síťový a spínací subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) - operační a podpůrný subsystém - OSS (Operation and Support Subsystem) Systém BSS (systém základnových stanic): - skládá se z určitého počtu základnových stanic BTS (12-30) a řídících jednotek BSC - s ním komunikují mobilní stanice prostřednictvím rádiového rozhraní Um, někdy nazývaného Air interface - BTS-ky (Base Transceiver Station) zajišťují rádiové spojení s mobilními stanicemi (telefony) - BSC (Base Station Controller) se stará o provoz rádiového rozhraní, přidělování a uvolňování rádiových kanálů mobilním telefonem, komunikuje s ústřednou a stará se o handover (předávání hovoru mezi buňkami). BSC ovládá více BTS (teoreticky až 48) a komunikuje s nimi pomocí rozhraní Abis

3 Systém NSS (síťový a spínací systém) (řídící centrum) - je ve své podstatě pro GSM tím, čím je pro pevnou telefonní síť ústředna. - řídí komunikaci mezi mobilními účastníky sítě GSM a komunikaci s dalšími externími sítěmi. Z jedné strany je tedy napojen na systém BSS a z druhé strany na všechny dostupné externí sítě, do kterých daná síť umožňuje přístup. Podsystémy NSS - mobilní spínací ústředna MSC (mobile services switching center). V jednoduchosti se dá říct, že slouží jako klasická ústředna v pevné síti. Kromě přepínání hovorů však navíc kontroluje příchozí a odchozí hovory, datové systémy a je doplněna o identifikační bloky. - domovský lokalizační registr HLR (home location register) Jedná se o databázi, kde jsou shromážděny údaje o všech registrovaných účastnících (služby, které má účastník aktivované, placení účtů apod.) Typicky se sem uvádí, že neplatíte - návštěvnický lokalizační registr VLR (visitor location register). Tento registr uchovává přechodně aktuální informace o mobilních účastnících pohybujících se v oblasti příslušné MSC. Když uživatel opustí oblast dané MSC, jsou tyto data zrušeny. Je to vlastně dočasná neúplná kopie HLR. Tyto data se nikdy nemění a nikdy nedochází k přenosu dat od VLR k HLR. - autentizační centrum AUC (authentication center). Ověření identity účastníka - registr mobilních stanic EIR (equipment identity register). Tato databáze obsahuje identifikační čísla (IMEI) mobilních telefonů. Tím se dá teoreticky zamezit neoprávněnému používání mobilního telefonu. - SMS centrum SMSC - centrum kam přicházejí všechny SMSky Systém OSS (operační a podporný subsystém) - řídí chod a údržbu všech GSM zařízení, umožňuje operátorům monitorovat a kontrolovat celý systém - provozní a servisní centrum OMC (operations and maintenance center) řídí chod ostatních subsystémů (BSS, NSS) - centrum managementu sítě NMC (Network Management Centre) zajišťuje celkové řízení toku informací v síti. - administrativní centrum ADC (Administartive Centre) zaobírá se administrativními úkoly, jakými jsou tarifikace účastníků, registrace (aktivace), placení účtů atd. Rozdělení kanálů z hlediska frekvence - FDMA (Frequency Division Multiple Access) vícenásobný přístup frekvenčním dělením Frekvenční pásma GSM 900 Základní (Primary) GSM 900 má přidělen kmitočet v rozsahu 890,2 až 960 MHz, kde frekvence 890,2 915 MHz je pro uplink (Mobil -> BTS) a 935,2 960 MHz je pro downlink (BTS -> Mobil). GSM 900 používá frekvenční multiplex, kde jednotlivá pásma jsou rozdělena po 200 KHz, takže je k dispozici 124 obousměrných kanálů. V rozšířeném (Extended) GSM, které vzniklo kvůli přetíženosti Primary GSM, je kmitočet u uplinku i downlinku rozšířen o 10 MHz dolu, takže jeho frekvenční pásma jsou 880,2 915 MHz pro uplink a 925,2 960 MHz pro downlink Díky tomuto rozšíření přibylo dalších 50 kanálů po 200 KHz tedy 174 obousměrných kanálů. Frekvenční pásma GSM 1800 GSM 1800 (nazývána taky DCS (Digital Cordless Standard)) funguje na stejném principu, ale frekvence pro uplink jsou v rozsahu MHz a pro downlink v rozsahu

4 MHz. Kmitočtové spektrum je opět rozděleno po 200 KHz, takže v DCS je 375 kanálů. Na rozdíl od GSM 900 které používá telefony s maximálním výkonem do 2 W, používá DCS 1800 telefony s výkonem do 1 W. Z použité frekvence a výkonu je zřejmé, že DCS vyžaduje vyšší počet BTS na pokrytí vybrané oblasti - TDMA (Time Division Multiple Access) - vícenásobný přístup časovým dělením V každém frekvenčním kanálu se přenáší 8 nezávislých modulačních signálů, tj. každý frekvenční kanál je rozdělen na 8 časových kanálů (tzv. time slot). Využívá se tady tzv. kombinovaný multiplex TDMA/FDMA. Skupina těchto osmi time slotů tvoří rámec TDMA, skupina frekvenčních kanálů tvoří rámec FDMA. Každý time slot má vyhrazenou dobu 576,9 mikrosekund (přesně 15/26ms), takže celý TDMA rámec má vyhrazenou dobu 4,615 milisekund. Handover - Handover je tedy přepínaní probíhajících hovorů do jiných kanálů nebo buněk. Při této technice mobilní telefon neustále monitoruje ostatní BTSky v okolí a zároveň měří sílu signálu a chybovost. Tyto údaje jsou potom předány jednoduché funkci a výsledky šesti nejlepších stanic jsou předány zpět systému. Síť potom rozhodne, kdy se zahájí handover. BSC může sama zahájit a provézt handover, jsou-li obě BTS stanice (opouštěná a vstupující) kontrolované touto BSC. V opačném případě přebírá správu handoveru MSC. - Existují čtyři různé typy handoveru v GSM systému, které zahrnují přenos hovoru mezi: o kanály ve stejné buňce, o buňkami kontrolovanými stejnou BSC (Base Station Controller), o buňkami kontrolovanými různými BSC, ale patřícími stejné MSC (Mobile Services Switching Center) a o buňkami patřícími různým MSC (tento handover je ale pouze teoretický díky mnoha operacím, které by se musely vměstnat do krátkého okamžiku, proto spojení raději spadne) - standard GSM pokračuje s vývojem schopností paketových dat přidaných do standardu ve verzi z roku 1997 pod zkratkou GPRS - GPRS (General Packet radio Service) síť 2,5 generace služba pro mobilní připojení k internetu funguje na principu přepojování paketů max. přenosová rychlost 171,2 kbit/s - vyšší přenosové rychlosti dat byly představeny jako EDGE a UMTS (v tomto případě už se jedná o 3G) ve verzi z roku EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) lze snadno zavést do současných sítí, stačí pouze dokoupit zařízení, které je potřebné pro modulaci 8 PSK při srovnání s GPRS je asi třikrát rychlejší max. 474 kbit/s, v praxi kb/s v ČR od UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) síť třetí generace pro přístup používá W CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) mezinárodní standard využívající frekvenční spektrum od 1885 MHZ do 2025 MHz nebo od 2110 MHZ do 2200 MHz

5 max. teoretická rychlost připojení 433 kb/s dva základní typy podle způsobu řešení duplexního provozu: FDD (Frequency Division Duplex) rozšířenější typ, kde je pro uplink a downlink použit odlišný kanál TDD (Time Division Duplex) uplink a downlink používá jeden kanál, ve kterém se oba směry střídají v čase, označován jako Fast UMTS - HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) rozšiřuje a vylepšuje stávající systém UMTS dostupné jak pro UMTS FDD tak pro UMTS TDD max. teoretická rychlost připojení 14,4 Mb/s klady HSDPA pro operátora: zvýšení kapacity WCDMA sítě, lepší využití kmitočtového spektra klady HSDPA pro uživatele: rychlejší přenos dat, kratší doba odezvy Porovnání: EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) je technologie, která pouhou změnou modulace signálu dokáže několikanásobně zvýšit přenosovou rychlost stávající GSM sítě. Jen CSD připojení, které v GSM síti dosahuje přenosové rychlosti 9,6/14.4 kbit/s, má v síti EDGE přenosovou rychlost 48 kbit/s. Problém je ale v tom, že díky rozdílnému způsobu modulace je potřeba pro EDGE speciální telefon (respektive je nutné současný GSM telefon dovybavit demodulátorem kódování 8PSK, které EDGE používá). Vzhledem k tomu, že EDGE je opravdu založeno pouze a jen na změně modulace, tak jeho ostatní funkce a možnosti jsou naprosto shodné se standardními sítěmi GSM. V sítích EDGE tak najdete, jak technologii HSCSD (v sítích EDGE se ji říká ECSD), tak technologii GPRS (v sítích EDGE se jmenuje EGPRS). GSM/GPRS EDGE CSD 9,6/14,4 kbit/s 48 kbit/s HSCSD (2+2) 28,8 + 28,8 kbit/s HSCSD (3+1) 14,4 + 43,2 kbit/s kbit/s kbit/s GPRS až 128 kbit/s až 384 kbit/s Sítě UMTS se oproti tomu od sítí GSM zcela diametrálně odlišují, a to jak svoji přenosovou rychlostí (144 kbit/s pro rychle se pohybující objekty, 384 kbit/s pro pomalu se pohybující objekty, 2 Mbit/s se speciálními vysílači pro stacionární objekty), tak dostupnými službami. Dosah vysílačů UMTS je ale ještě podstatně menší než dosah vysílačů GSM1800. To UMTS předurčuje k tomu, aby své služby nabízelo jen na velmi omezeném území. Od UMTS rozhodně nelze očekávat to, co od GSM sítí. Pokrývat každou horskou vesničku i s přilehlými lesy signálem UMTS je prostě ekonomicky nepřípustné (alespoň v tomto desetiletí). Zdroje: 1) 2) +je+to+s%c3%adt+gsm&hl=cs&ct=clnk&cd=3&gl=cz 3) 4)