5. GSM/UMTS RÁDIOVÉ ROZHRANÍ, DATOVÉ PŘENOSY

Transkript

1 5. GSM/UMTS RÁDIOVÉ ROZHRANÍ, DATOVÉ PŘENOSY Cíl měření 1) Seznamte se s paketově orientovaným přenosem dat GPRS-EDGE v GSM síti. 2) Monitorováním rádiového rozhraní sledujte dostupné signály od základnových stanic pro GSM. Změřte přenosové rychlosti datového spojení v síti GPRS-EDGE ve směrech downlink/uplink a dobu odezvy při použití mobilního telefonu. Sledujte počet přidělených časových slotů a kódovací schéma použité při přenosu. 3) Seznamte se základními charakteristikami sítě UMTS a s rozšířeními umožňujícími rychlé bezdrátové datové přenosy. 4) Monitorováním rádiového rozhraní sledujte dostupné signály od základnových stanic pro UMTS. Změřte přenosové rychlosti datového spojení v síti UMTS ve směrech downlink/uplink a dobu odezvy při použití mobilního telefonu a externího modemu. Přístrojové vybavení Mobilní telefon s podporou sítí GSM/GPRS-EDGE a UMTS/HSPA, USB datový kabel Externí USB modem s podporou mobilních sítí GSM/GPRS-EDGE a UMTS/HSPA+ SIM karty T-Mobile s aktivovanými datovými službami Notebook nebo PC s operačním systémem Windows XP K bodu 1) Paketově orientovaný přenos dat GPRS-EDGE v GSM síti Systém GSM (Global System for Mobile Communication) patří do 2. generace veřejné pozemní radiokomunikace. Jedná se o plně digitální systém s celulární strukturou pokrytí daného území, který využívá frekvenčního FDMA a zároveň časového TDMA dělení rádiového prostoru. FDMA (Frequency Division Multiple Access) je metoda mnohonásobného přístupu frekvenčním dělením, kdy dané frekvenční pásmo rozdělíme do dílčích pásem, každému takovému pásmu odpovídá jeden rádiový. Aby nedocházelo k nežádoucímu ovlivňování jednoho přenosu jinými přenosy, které by mohly používat stejná nebo blízká frekvenční pásma, je pro rádiové pokrytí velkého území používán celulární (buňkový) systém. Uvnitř každé buňky je jedna základnová stanice (BTS - Base Transciever Station) s určitou přidělenou skupinou ů a komunikující s mobilními účastníky, kteří se nacházejí v této buňce. Kanály použité v této buňce mohou být znovu použity v další buňce, pokud jsou od sebe buňky vzdáleny dostatečně tak, aby se signály vzájemně nerušily. Princip TDMA (Time Division Multiple Access) znamená, že o společný rádiový se dělí více uživatelů v pevně stanoveném časovém sledu - rádiový se rozděluje do osmi časových intervalů tzv. timeslotů. Kromě dělení rádiového prostoru z hlediska přístupu různých uživatelů, sledujeme také jak je rádiový prostor dělen z hlediska směru spojení (pro jednoho účastníka). Směr od účastníka do sítě se označuje jako uplink, obrácený směr jako downlink. Rozlišujeme přístup FDD (Frequency Division Duplex) přístup pomocí odlišných frekvencí pro uplink a downlink (současně) a přístup TDD (Time Division Duplex) přístup na jedné frekvenci pro uplink a downlink v různém čase (střídají se časové sloty pro uplink a downlink ve zvoleném poměru). GPRS (General Packet Radio Service) paketově orientovaný přenos dat v sítích GSM je zásadním prvkem ve směřování mobilních sítí 2. generace k 2,5 generaci. Přidáním dalších prvků do původní GSM infrastruktury (viz obr. 1) přibližuje přenosovou rychlost mobilních systémů přenosové rychlosti pevné analogové linky. Jedná se především o prvky SGSN (Serving GPRS Support Node) a GGSN (Gateway GPRS Support Node). Prvek GGSN plní funkci směrovače a zprostředkovává komunikaci s paketovými datovými sítěmi, s Internetem. Prvek SGSN zajišťuje komunikaci s rádiovou částí a prvkem GGSN. Základní idejí zvyšování přenosové rychlosti v GPRS je sdružování (původně) hovorových časových slotů. Na rozdíl od staršího vytáčeného připojení nedochází ke stálému obsazení fyzických ů jedním účastníkem (v době kdy nepotřebuje přenášet data), rádiové y tak zůstávají k dispozici ostatním účastníkům a jsou využity dle aktuálních požadavků pro přenos paketů dat (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 1/8

2 Obr. 1: Nové GPRS prvky (žlutě podbarveny) v infrastruktuře GSM Rozšíření GPRS na EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) spočívá v použití vícestavové modulace na rádiovém rozhraní. GSM a tedy i GPRS je provozováno s dvoustavovou modulací GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) speciální případ dvoustavového frekvenčního klíčování (protože se v GSM užívá diferenciální způsob modulace, může být celkově chápána jako fázové klíčování). EDGE používá osmistavovou modulaci 8PSK (Phase Shift Keying fázové klíčování). Dosahovaná tak může být u EDGE až trojnásobná oproti klasickému GPRS (dvěma stavům odpovídá jeden bit, zatímco osmi stavům bity tři). Celková v rádiovém u s frekvenční šířkou 200 khz vychází v síti GSM pro jeden časový slot a modulaci GMSK na hodnotu 22,8 kbit/s. Jedná se o přenosovou rychlost před ovým kódováním, které má za úkol ochránit přenášená data na cestě mezi základnovou stanicí a mobilním terminálem. Děje se tak protichybovým zabezpečením k užitečným datům se přidávají další data (vzniklá konvolučním kódováním a/nebo kontrolní bity), umožňující do jisté míry opravit nebo alespoň detekovat vzniklé chyby, dochází též k časovému prokládání. Podle chybovosti u je možné v GPRS využít různou úroveň tohoto zabezpečení. Čím menší úroveň ochrany je třeba, tím je možné přenášet více užitečné informace. Pro GPRS resp. EDGE jsou definovaná kódovací schémata CSx resp. MCSx (Coding Scheme, Modulation Coding Scheme), používající modulaci GMSK nebo 8PSK a různou úroveň protichybového zabezpečení. Odpovídající užitečné přenosové rychlosti jsou uvedeny (v jednotkách kb/s) na obr. 2. Uvedené rychlosti patří jednomu časovému slotu, kódovací schémata MCS5-9 využívají modulace 8PSK, ostatním odpovídá modulace GMSK. Schémata CS1 a MCS1 mají nejvyšší protichybové zabezpečení a CS4 a MCS9 naopak nejnižší. Počtu obsazených časových slotů a použitému schématu odpovídá výsledná celková v jednom směru - uplink nebo downlink. Obr. 2: Užitečné přenosové rychlosti [kb/s] pro GPRS a EDGE v závislosti na volbě kódovacího schématu Z pohledu telefonu je každá datová transakce v GPRS (příjem nebo poslání MMS, prohlédnutí stránek WAP nebo stažení pošty) složena z několika kroků: (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 2/8

3 Prvním krokem je GPRS Attach. Jedná se o signalizační výměnu mezi mobilní stanicí (MS) a prvkem SGSN. Tím je MS umožněn provoz v síti GSM GPRS. MS při tomto stavu pracuje jako normální GSM stanice, tedy např. telefon může přijímat nebo zahajovat hlasová spojení. Dalším krokem je aktivace PDP kontextu. Ta je provedena signalizační výměnou mezi MS a prvkem GGSN. V rámci definice PDP kontextu je nastaveno APN (Access Point Name), tedy adresa, se kterou bude v datové transakci MS komunikovat. Pro různé služby jsou určena různá APN. Např. v síti T-mobile se pro posílání nebo příjem MMS používá APN mms.t-mobile.cz, pro připojení k WAPu wap.t-mobile.cz a pro připojení k internetu internet.t-mobile.cz. Dále je v rámci PDP kontextu mobilní stanici přidělena také IP adresa. Od okamžiku aktivace PDP kontextu MS umožňuje komunikaci do paketové sítě. Pokud je nastavení APN na Internet, je možné použít transportní protokoly IP sítě. Uzavření GPRS transakce je provedeno deaktivací PDP kontextu. Může být proveden i GPRS Detach, ale není to nutné. K bodu 2) Monitorování rádiového rozhraní a měření datového spojení v síti GSM/GPRS EDGE Postup při měření a) Na mobilním telefonu zvolte režim GSM. Telefon poskytuje možnost sledování rádiového rozhraní, návod pro monitorování bude na pracovišti k dispozici. Zjistěte a zapište aktivní a dostupné sousední y (buňky) od základnových stanic pro GSM a uveďte pro každý úroveň přijímaného signálu. úroveň [dbm] úroveň [dbm] úroveň [dbm] b) Pro následující měření využívejte možnosti uzamčení telefonu na požadovaný, viz návod k monitorování. Měření začněte pro s nejsilnějším signálem, vyberte jej na základě předchozího měření a na tento uzamkněte telefon. Pomocí monitorování sítě zjistěte a zapište umístění základnové stanice. umístění c) Mobilní telefon propojte USB kabelem s počítačem. Ovladače pro komunikaci telefonu s PC se automaticky za krátký okamžik nainstalují (na telefonu zvolte režim PC Suite). Pomocí programu Web n walk Manager se připojte k internetové síti. Na PC otevřete FTP klient FileZilla, ve kterém je připravena relace bks_test. Na serveru i na počítači jsou uloženy soubory o velikosti 100 kb, 200 kb, 500 kb, 1 MB, 2 MB, 5 MB, 10 MB a 20 MB. Menší soubory jsou určeny pro testování uplink, větší pro downlink. Pro GPRS EDGE se doporučuje užít soubory s velikostmi 200 kb a 500 kb. Po připojení k serveru bude možné přes FTP spojení přijímat do a odesílat z počítače soubory, což bude využito pro měření přenosové rychlosti datového spojení v síti GPRS-EDGE ve směrech downlink a uplink. Přenosovou rychlost zobrazuje jak FTP klient, tak i Web n walk Manager. Při přenosu sledujte na telefonu pomocí monitorování rádiového rozhraní počet přidělených časových slotů a kódovací schéma použité při přenosu. Mění-li se při měření hodnoty (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 3/8

4 parametrů kódovacích schémat či počty časových slotů, zaznamenejte rozsah hodnot. Hodnoty přenosové rychlosti udejte v jednotkách kb/s a kb/s. Měření zopakujte vícekrát. (Rychlost připojení je také možné otestovat pomocí webové stránky např. rychlost.cz.) Downlink: počet časových slotů kódovací schéma Uplink: počet časových slotů kódovací schéma d) Pomocí příkazu ping n 20 IP-adresa-FTP-serveru zadaném v příkazovém řádku (cmd) proveďte měření odezvy datového spojení a výslednou minimální, maximální a průměrnou hodnotu zapište. Měření opět zopakujte několikrát. (Pomocí příkazu tracert můžete sledovat, kudy jsou data směrována, např.: tracert minimální doba odezvy [ms] maximální doba odezvy [ms] průměrná doba odezvy [ms] e) Zopakujte měření v bodech b) až d) pro s nejnižší úrovní přijatého signálu. umístění Downlink: počet časových slotů kódovací schéma (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 4/8

5 Uplink: počet časových slotů kódovací schéma Odezva datového spojení: minimální doba odezvy [ms] maximální doba odezvy [ms] průměrná doba odezvy [ms] f) Po odměření odemkněte telefon, aby se opět mohl přelaďovat automaticky podle kvality přijímaného signálu. Ukončete internetové připojení využívající mobilní telefon v síti GSM. K bodu 3) Základní charakteristiky sítě UMTS a rozšíření HSPA a HSPA+ UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) je bezdrátový telekomunikační systém třetí generace (3G), který zahrnuje propojení hlasových a datových služeb. Tento systém je založený na kódovém oddělení přenášených signálů od různých uživatelů používá přístupovou metodu WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access širokopásmová CDMA). V CDMA systémech může být rádiový prostor (rádiový ) sdílen více uživateli ve stejný čas, rozlišení informace probíhá na základě přidělených kódů (nejčastěji je tvoří pseudonáhodné sekvence). Jde o podobný postup jako při šifrování informace kdo zná klíč, přečte si obsah. Kódy pro jednotlivé účastníky jsou ortogonální to znamená, že je možné vysílat několik signálů zakódovaných odlišnými kódy nejednou, aniž by se vzájemně ovlivňovaly. Při detekci správným kódem (použitým při vysílání) se ze sumy všech vysílaných signálů získá právě užitečný signál, příspěvky od jiných uživatelů nezpůsobují téměř žádné rušení. Pro přenos signálu rádiovým em s frekvenční šířkou 5 MHz se používá čtyřstavová modulace QPSK (Quadrature Phase-shift Keying) nebo 16 stavová 16-QAM (Quadrature amplitude modulation). Sítě UMTS využívají duplexní techniku FDD (Frequency Division Duplex) nebo TDD (Time Division Duplex), viz 1). Pomocí čtyř resp. 16 stavové modulace se přenesou dva resp. čtyři bity v jednom symbolu. Sítě UMTS mají velmi podobnou strukturu jako sítě GSM. Základnová stanice v UMTS se stále může nazývat BTS nebo BS (Base Station), nicméně obecně používané pojmenování je Node B. Každý Node B je připojen k RNC (Radio Network Controller), což je obdoba BSC (Base Station Controller) v sítích GSM. Několik Node B a jedno RNC pak dohromady vytváří RNS (Radio Network System) neboli radiovou část sítě UMTS. Zásadním rozdílem oproti sítím GSM je, že zatímco GSM sítě mají pokrývat obvykle celé území daného státu, sítě UMTS bývají budovány formou malých ostrůvků, které pokrývají místa, kde je o UMTS zájem, např. velká města. (Uživatel UMTS, který vyjede z oblasti obsluhované daným RNS bude moci dále využívat některé ze služeb operátora, a to v jeho GSM síti.) Každý tento ostrůvek je obsluhován jedním RNS. Všechny RNS dané UMTS sítě pak dohromady tvoří radiové rozhraní sítě UMTS UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), viz obr (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 5/8

6 Obr. 3: Architektura sítě UMTS Specifikace UMTS byla poprvé publikována v roce 199 (tzv. UMTS rel. 99) a od té doby zaznamenal systém mnoha rozšíření (release, rel.). UMTS rel. 99 (s modulacemi QPSK a 16-QAM) pracuje ve směru downlink s přenosovou rychlostí 384 kb/s (reálně do 200 kb/s) a ve směru uplink 64 kb/s. Rozšíření z roku 2001 UMTS rel. 4 nabídlo přenosové rychlosti ve směru downlink 384 kb/s (reálně okolo 300 kb/s) a pro uplink také 384 kb/s. Rozdíl mezi rel. 99 a rel. 4 je také v době odezvy, zatímco rel. 99 je na úrovni lepšího GPRS tedy okolo 400 až 500 ms, rel. 4 se pohybuje okolo 200 ms. Při sdružování (WCDMA) ů se teoretická maximální rychlost mobilní sítě pohybuje okolo 2 Mb/s pro stacionárního uživatele (pro mobilního uživatele maximálně do 384 kb/s při chůzi a 128 kb/s při jízdě v automobilu). Rozšíření z roku 2002 UMTS rel. 5 zavedlo technologii HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Představuje modernizovanou verzi systému UMTS (tzv. 3,5G), která nabízí nejen vyšší přenosové rychlosti, ale také lepší propustnost sítě. HSDPA je založeno na několika inovacích architektury sítě, díky nimž se dosahuje nižšího zpoždění, rychlejších reakcí na změnu vlastností u a zpracování automatického požadavku na opakování přenosu. Další změny jsou provedeny přímo na radiové části sítě. (Namísto rychlého řízení vysílacího výkonu a proměnného faktoru rozprostření se používá dynamická adaptivní modulace a kódování, vícekódové operace, rychlé plánování a retransmise na fyzické vrstvě. Důležitou změnou, která přispívá ke zrychlení toku dat a odstranění zpoždění a rozptylu, je přesunutí některých úkolů ze samotného RNC na NodeB.) HSDPA je dostupné jak pro UMTS FDD (Frequency Division Duplex) tak pro UMTS TDD (Time Division Duplex). Zvyšuje podstatně přenosovou rychlost pro downlink. Teoreticky je možné nabízet rychlost maximálně 14,4 Mb/s (maximální rychlost na jednu buňku), efektivní rychlosti při sdílení více účastníků jsou podstatně nižší cca do 1,8 Mb/s. Dalším významným krokem, kterým se HSDPA vydává, je snížení prodlevy mezi jednotlivými přenosy (přibližně 150 ms). Další rozšíření z roku 2005 UMTS rel. 6 představuje navýšení přenosové rychlosti ve směru uplink, jedná se o HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) s možnou teoretickou přenosovou rychlostí až 5,76 Mb/s. Obě rozšíření HSDPA a HSUPA využívané současně je označováno za technologii HSPA High Speed Packet Access. UMTS rel. 7 je další rozšíření z roku 2007 označované HSPA+. V této modernizované verzi se počítá s využitím systému s více vysílacími a přijímacími antény (tzv. MIMO), které jsou schopny lépe využít prostředků rádiového u vlivem šíření různými cestami. Modulace pro přenos dat může být zvolena až 64 stavová 64-QAM (jeden symbol přenese 6 informačních bitů). Teoreticky je možné nabízet rychlost maximálně 42 Mb/s pro downlink a 22 Mb/s pro uplink (maximální rychlost na jednu buňku) (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 6/8

7 K bodu 4) Monitorování rádiového rozhraní a měření datového spojení v síti v síti UMTS Postup při měření a) Na mobilním telefonu zvolte režim UMTS. Telefon disponuje techologií HSPA Telefon poskytuje možnost sledování rádiového rozhraní, návod pro monitorování bude na pracovišti k dispozici. Zjistěte a zapište hodnotu frekvence a úrovně přijímaného signálu a rovněž umístění základnové stanice UMTS. frekvence úroveň [dbm] umístění b) Obdobně jako při měření v síti GSM proveďte měření přenosové rychlosti datového spojení ve směrech downlink a uplink. Pro UMTS/HSPA se doporučuje užít soubory s velikostmi 5 MB a 10 MB. Měření zopakujte vícekrát. Downlink: Uplink: c) Pomocí příkazu ping n 20 IP-adresa-FTP-serveru zadaném v příkazovém řádku (cmd) proveďte měření odezvy datového spojení a výslednou minimální, maximální a průměrnou hodnotu zapište. Měření opět zopakujte několikrát. (Pomocí příkazu tracert můžete sledovat, kudy jsou data směrována, např.: tracert minimální doba odezvy [ms] maximální doba odezvy [ms] průměrná doba odezvy [ms] d) Po odměření ukončete internetové připojení využívající mobilní telefon v síti UMTS. Telefon odpojte od PC a místo něj do USB rozhraní připojte externí UMTS modem disponující technologií HSPA+. Ovladače pro komunikaci modemu s PC se automaticky za krátký okamžik nainstalují. Pomocí programu Web n walk Manager se připojte k internetové síti. Obdobně jako v předchozím postupu proveďte několikrát měření přenosové rychlosti datového spojení ve směrech downlink a uplink se soubory s velikostmi 10 MB nebo 20 MB a měření odezvy datového spojení (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 7/8

8 Downlink: Uplink: Odezva datového spojení: minimální doba odezvy [ms] maximální doba odezvy [ms] průměrná doba odezvy [ms] e) Po odměření ukončete internetové připojení využívající UMTS modem. Závěrečné otázky vypracují se při, případně na konci měření Porovnejte dosažené výsledky měření přenosové rychlosti a odezvy datového spojení v sítích GSM/GPRS-EDGE a UMTS/HSPA, HSPA+. Odkazy na literaturu: [1] Hanus, S. Bezdrátové a mobilní komunikace. Skripta VUT Brno, RadioMobil, a.s. [2] Materiály T-Mobile Czech Republic, a.s. [3] Holma, H., Toskala, A.: GSM, WCDMA for UMTS, John Wiley &sons 2000 [4] Bešťák, R.: System 3G [5] [7] [8] (Ulovec, Špaček, Mikuláštík) 8/8