Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Roman Šebesta Autor textu: Roman Šebesta Marek Dvorský Ostrava 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Za odbornou náplň tohoto vydání odpovídají autoři. Roman Šebesta je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Rádiové sítě I pro studenty bakalářského studia. Marek Dvorský je odborným asistentem na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Radiokomunikační technika I pro studenty bakalářského studia. Vznik skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou. Roman Šebesta, Marek Dvorský, 2014, VŠB - Technická univerzita Ostrava Autor: Roman Šebesta, Marek Dvorský Katedra: Katedra telekomunikační techniky Název: Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Místo, rok, vydání: Ostrava, 2014, 1. vydání Počet stran: 96 Vydala: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Náklad elektronicky Neprodejné ISBN

3 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 1 Předmluva Tato skripta vznikla pro potřebu studentů předmětu Rádiové sítě I, který je povinně volitelným předmětem studijního oboru Telekomunikační technika a oboru Mobilní technologie vyučovaným v rámci bakalářského studijního programu Informační a komunikační technologie na Fakultě elektrotechniky a informatiky, Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava. Věřím, že tento materiál přispěje k lepšímu pochopení zpracované problematiky jak studentům, tak i dalším zájemcům o tuto problematiku.

4 2 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obsah 1 ROZDĚLENÍ RÁDIOVÝCH SÍTÍ, RÁDIOVÉ SÍTĚ WPAN BLUETOOTH Vývoj standardu Topologie sítě Protokolová architektura Využití Bluetootth ZIGBEE Vývoj standardu Topologie sítě Protokolová architektura Využití ZigBee RÁDIOVÉ SÍTĚ WLAN WIFI Vývoj standardů Topologie sítě Protokolová architektura Využití WiFi DECT Rozdělení systémů Systém DECT RÁDIOVÉ SÍTĚ WMAN - WIMAX STANDARDIZACE ARCHITEKTURA SÍTĚ REFERENČNÍ MODEL Fyzická vrstva Spojová vrstva MAC SROVNÁNÍ SÍTÍ WIMAX S WIFI A LTE RÁDIOVÉ SÍTĚ WWAN ANALOGOVÉ SÍTĚ 1. GENERACE NMT Další systémy 1. generace DIGITÁLNÍ SÍTĚ 2. GENERACE Síť GSM Další systémy 2. generace DIGITÁLNÍ SÍTĚ 2,5. A 2,75. GENERACE HSCSD GPRS EDGE DIGITÁLNÍ SÍTĚ 3. GENERACE DIGITÁLNÍ SÍTĚ 3,5. A 3,9. GENERACE DIGITÁLNÍ SÍTĚ 4. GENERACE DIGITÁLNÍ ROZHLASOVÉ VYSÍLÁNÍ VYSÍLÁNÍ V PÁSMECH DV, SV A KV DRM... 63

5 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO DRM Souhrn přínosů DRM/DRM CAM-D VYSÍLÁNÍ V PÁSMU VKV DAB DAB DMB IBOC DIGITÁLNÍ TELEVIZNÍ VYSÍLÁNÍ DŮVODY VEDOUCÍ K PŘECHODU Z ANALOGOVÉHO NA DIGITÁLNÍ VYSÍLÁNÍ DVB DVB-T Charakteristické vlastnosti digitálního vysílání Srovnání příjmu analogového a digitálního televizního vysílání Druhy příjmu Varianty systému DVB-T Princip DVB-T DVB-T DRUŽICOVÉ KOMUNIKAČNÍ SÍTĚ DRUŽICOVÉ SLUŽBY OBĚŽNÉ DRÁHY GEO MEO (ICO) HEO LEO SYSTÉMY DRUŽICOVÉ NAVIGACE - GPS Kosmický segment Kontrolní (řídící) segment Uživatelský segment Signály vysílané družicemi GPS Další družicové navigační systémy SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 95

6 4 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 1 Rozdělení rádiových sítí, rádiové sítě WPAN Bezdrátové sítě lze rozdělit podle různých hledisek a kritérií. Podle směru přenosu je rozdělujeme na jednosměrné a obousměrné, podle použité technologie na analogové a digitální, podle použité plošné architektury na buňkové (celulární) a nebuňkové, podle toho, zda umožňují mobilitu uživatelů na mobilní a fixní (pevné, stacionární), podle potřeby kmitočtové regulace na licenční a bezlicenční. Důležitým kritériem je pak typ signálu, na základě kterého bezdrátové sítě rozdělujeme na: rádiové sítě nejčastější případ bezdrátových sítí, různý dosah a využití, optické bezdrátové sítě dosah stovky metrů, přímá viditelnost, vysoká kapacita přenosu, infračervené sítě malý dosah, neprůchodnost překážkami, využití uvnitř budov. Podle užití (dosahu, oblasti pokrytí signálem), viz Obr. 1.1, rozeznáváme: bezdrátové osobní sítě WPAN (Wireless Personal Area Network), bezdrátové lokální sítě WLAN (Wireless Local Area Network), bezdrátové metropolitní sítě WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), bezdrátové rozsáhlé sítě WWAN (Wirelles Wide Access Network). Obr. 1.1: Rozdělení bezdrátových sítí dle užití Specifikací bezdrátových sítí se zabývají standardizační organizace, zejména pak organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [1]. IEEE představuje největší světové profesní sdružení, které se věnuje zlepšování a vývoji technologických inovací. Tato mezinárodní nezisková organizace sdružující přes 350 tisíc elektroinženýrů a informatiků v cca 150 zemích všech světadílů hraje velice důležitou roli při vývoji průmyslových standardů v rozsáhlé řadě disciplín, jakými jsou např. elektrická energie, lékařská technologie, zdravotní péče, informační technologie, telekomunikace, spotřebitelská elektronika, doprava, letectví či nanotechnologie. Vývojem síťových standardů pro osobní, místní, metropolitní a další plošné sítě se zabývá výbor nesoucí označení IEEE 802, který se

7 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 dále člení na podvýbory, jak je uvedeno v Tab Z pohledu bezdrátových sítí (viz. Obr. 1.2) [3], patří k nejdůležitějším podvýborům: IEEE WLAN, IEEE WPAN, IEEE Bluetooth, IEEE ZigBee, IEEE širokopásmový bezdrátový přístup BWA (Broadband Wireless Access), WMAN (WiMAX), IEEE širokopásmové mobilní bezdrátové sítě MBWA (Mobile Broadband Wireless Access), Mobile-Fi. Tab. 1.1: Podvýbory IEEE 802 Obr. 1.2: Specifikace bezdrátových sítí Sítě WPAN řadíme mezi bezdrátové sítě s malým dosahem (do 10 m) v rámci tzv. osobního prostoru POS (Personal Operating Space). Existuje mnoho různých typů podle

8 6 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava jejich ceny, dosahu, výdrže baterie a přenosové kapacity, které pak určují jejich použití. Z hlediska IEEE rozlišujeme následující specifikace: IEEE WPAN/Bluetooth, IEEE Coexistence koexistence sítí v rámci IEEE 802 (WPAN, WLAN a WMAN), IEEE WPAN High Rate rychlá bezdrátová osobní síť (11-55 Mbit/s) v pásmu 2,4 GHz se zabudovanou podporou QoS pro náročné multimediální aplikace IEEE a UWB od 110 Mbit/s, IEEE WPAN Low Rate pomalé osobní rádiové sítě do 250 kbit/s s minimálními energetickými potřebami základ pro síť ZigBee. 1.1 Bluetooth Bluetooth je označení pro bezdrátový komunikační standard , který vznikl jako náhrada kabelového propojení mezi zařízeními komunikační a výpočetní techniky s nízkou náročností na napájení. Za vývojem v letech stála společnost Ericsson. Od r se vývojem zabývá skupina Bluetooth SIG (Special Interest Group) [2] založena firmami IBM, Toshiba, Intel, Ericsson a Nokia. Specifikace se týká rádiového rozhraní a profilů spolupráce zajišťujících vzájemnou komunikaci mezi zařízeními s podporou pro Bluetooth různých výrobců Vývoj standardu Vývoj standardu je možno shrnout následovně: rok 1999 verze 1.0 řada nepřesností a chyb (problémy s kompatibilitou, čistou implementací pikosítí a jednoznačným přiřazení rolí master či slave). rok 2001 verze 1.1 přenosová rychlost 1 Mbit/s (skutečná propustnost max. 720 kbit/s). rok 2003 verze 1.2 max. přenosová rychlost 720 kbit/s, adaptivní přeskakování AFH (Adaptive Frequency Hopping) využití volných kmitočtů, které se nepoužívají jinými technologiemi, rozšířená podpora pro QoS (Quality of Service) zlepšené zpracování hlasového signálu (potlačení šumu a ozvěny), anonymní režim vysílání maskování fyzické adresy radiového zařízení, rychlejší navázání spojení FCS (Fast Connection Setup). rok 2004 verze 2.0+EDR přenosová rychlost až 2 Mbit/s - EDR (Enhanced Data Rate), zpětně kompatibilní s verzí 1.2. rok 2007 verze 2.1+EDR přenosová rychlost 2,1 Mbit/s (teoreticky 3 Mbit/s),

9 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 podporu pro rychlejší párování zařízení, komunikace blízkých polí NFC (Near Field Communication) k párování dochází zcela automaticky těsným přiblížením obou zařízení, potvrzení spojení uživatelem prostřednictvím displeje daného zařízení, nižší spotřeba energie. rok 2009 verze 3.0 přenosová rychlost až 24 Mbit/s (teoreticky 54 Mbit/s) přenosy objemných dat, zvýšení přenosové rychlosti za využití kanálu WiFi standardu IEEE využívá protokolu PAL (Protocol Adaption Layer) tzn., přenos dat může probíhat i přes WiFi, pokud jsou oba spárované přístroje touto technologií, Bluetooth stále slouží pro řízení spojení, nasazení u mobilních telefonů či jiných mobilních zařízení, která ovšem zároveň podporují WiFi (omezení rozšíření), vyšší stabilita a menší energetická náročnost, zpětná kompatibilita se staršími verzemi. rok 2010 verze 4.0 přenosová rychlost 24 Mbit/s, BLE (Bluetooth Low Energy) - velmi nízká spotřeba (výdrž i několik let pouze na malou baterii do hodinek), zlepšení dosahu do cca 100 m, podpora šifrování AES 128 (Advanced Encryption Standard) Topologie sítě Topologie sítě Bluetooth je založena na nahodilém (ad hoc) seskupení komunikujících zařízení, která se mohou snadno kdykoliv připojit nebo odpojit od sítě (tzv. režim spontaneous networking) [3]. Topologie není závislá na síťové infrastruktuře, nicméně i zde existuje možnost připojení k přístupovému bodu AP (Access Point). Jsou zde podporovány dvoubodové i mnohobodové komunikace, jak je znázorněno na Obr Rozlišují se dva základní typy sítě: pikosítě (piconet), rozprostřené sítě (scatternets). Obr. 1.3: Topologie sítě Bluetooth

10 8 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava V případě pikosítí se jedná o propojení více stanic do ad hoc sítě s hvězdicovou topologií. Tento typ sítě můžeme charakterizovat následovně: jedna rádiová stanice působí jako hlavní (master), až 7 podřízených stanic (slave), další stanice v pikosíti v tzv. zaparkovaném režimu (nespotřebovávají žádné síťové prostředky), stanice master řídí veškerou komunikaci, stanice slave komunikuje s ostatními stanicemi prostřednictvím stanice master, počet stanic v pikosíti počet identifikačních čísel stanic, pro označení byly ve specifikaci přiřazeny 3 bity, stanice slave se synchronizují s taktem stanice master a se způsobem přeskakování mezi kmitočty FH (Frequency Hopping), možno použít až 10 pikosítí na ploše o dosahu 10 m. Rozprostřené sítě představuje sdružení více pikosítí dohromady, kdy jednotlivé stanice mohou patřit do více pikosítí, v jedné např. jako slave a v druhé jako master. Každé zařízení může přepínat mezi různými pikosítěmi, nicméně nemůže v jeden okamžik pracovat v obou režimech). Na Obr. 1.3 je naznačen příklad rozprostřené sítě a jednotlivých stanic, které mohou figurovat v roli hlavní stanice (master) nebo podřízené stanice (slave). Rozlišují se dva pracovní režimy zařízení: aktivní režim stanice zkouší své okolí a pokouší se spojit s ostatními zřízeními, pasivní režim zařízení čeká, až se jiné zařízení pokusí s ní navázat spojení. Pro minimalizaci napájení připojených podřízených stanic rozlišujeme několik režimů [3], ve kterých se mohou tyto nacházet: active stanice slave očekává pakety od stanice master, sniff s omezeným kmitočtem, kdy se stanice slave a master dohodnou na časovém intervalu, kdy bude stanice slave periodicky naslouchat, hold platí v případě, že se stanice slave po nějakou dobu neúčastní asynchronní komunikace bez spojení, park stanice slave se neúčastní komunikace, pouze se pravidelně synchronizuje a naslouchá zprávám, které jsou vysílány všem stanicím v síti, standby zařízení, která nejsou připojena k žádné pikosíti.

11 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Protokolová architektura Protokolová architektura Bluetooth je znázorněna na Obr Obr. 1.4: Protokolová architektura Bluetooth V rámci fyzické vrstvy probíhá komunikace Bluetooth v bezlicenčním pásmu ISM (Industry Science and Medical) 2,402 2,480 MHz, ve kterém je vytvořeno celkem 79 kanálů s odstupem 1 MHz. Pro samotný přenos se využívá modulace GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) a metody rozprostření spektra s přeskakováním mezi kanály (frekvenční přeskoky či skákání) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), kterou lze v případě Bluetooth charakterizovat následovně: pseudonáhodné přeskakování nosné mezi 79 různými kmitočty, počet přeskoků činí 1600 krát/s (na jednom kmitočtu se vysílá 625 s), posloupnost přeskakování je odlišná v každé pikosíti, hodiny hlavní stanice definují takt přeskakování, podřízené stanice se s nimi musí synchronizovat. Oblast pokrytí signálem Bluetooth závisí mimo jiné na výkonu vysílačů. Dle vysílacího výkonu rozlišujeme tyto třídy zařízení: třída I. 100 mw (20 dbm) s dosahem cca 100 m, třída II. 2,5 mw (4 dbm) s dosahem cca m, třída III. 1 mw (0 dbm) s dosahem cca 10 m. Alokaci časových úseků provádí stanice master s využitím mnohonásobného přístupu s časovým dělením TDMA (Time Division Multiple Access). Pro vysílání a příjem se používají stejné kmitočty s využitím časového duplexu TDD (Time Division Duplex), který rovněž umožňuje střídavou změnu stanice ze stavu slave na master a obráceně (viz Obr. 1.5).

12 10 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obr. 1.5: Princip vysílání Bluetooth Stanice master vysílá v lichých úsecích, stanice slave pak v úsecích sudých. Maximální doba vysílání paketu je 366 s (zbylý čas je využit na změnu kmitočtu). Každý paket se přenáší na jiném kmitočtu. 1 paket může pro přenos využít více časových úseků (3 nebo 5), viz Obr V tom případě se přenos uskutečňuje na stejném kmitočtu. Obr. 1.6: Víceslotové pakety Formát rámce Bluetooth je znázorněn na Obr Rámec je složen ze přístupového kódu, záhlaví a pole určeného pro data. Přístupový kód slouží pro identifikaci a synchronizaci paketu. Rozlišujeme několik typů přístupových kódů: kód přístupu ke kanálu CAC (Channel Access Code) identifikace buňky pikosítě (odvozuje se od stanice master), přístupový kód DAC (Device Access Code) pro identifikaci zařízení (odvozuje se od stanice slave), dotazový přístupový kód IAC (Inquiry Access Code) pro dotazy zařízení.

13 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 Obr. 1.7: Formát rámce Bluetooth Záhlaví paketu obsahuje: adresu aktivního člena pikosítě, typ paketu určuje, zda se jedná o asynchronní komunikaci bez spojení ACL (Asynchronous ConnectionLess) nebo synchronní komunikaci se spojením SCO (Synchronous Connection-Oriented), informaci pro řízení toku v rámci spojení ACL, bit potvrzení pro řízení chyb (ACK=1, NACK=0), pořadové číslo paketu, kontrolu chyb záhlaví HEC (Header Error Control). V rámci přenosu dat zde existuje podpora datových i hlasových služeb, podpora různorodých služeb na základě zabudované podpory QoS, nabídka až 3 synchronních hlasových kanálů (se spojením) a přenos dat v asynchronním nebo synchronním režimu. Protokol LMP (Link Manager Protocol) je zodpovědný za: úkoly managementu sítě, vytváření spojení mezi stanicemi, autentizace a šifrování, řízení úsporných režimů napájení, monitorování stavu zařízení v rámci pikosítě. Protokol L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol): poskytuje datové služby základní vrstvy (baseband) vyšším vrstvám, pracuje paralelně s LMP, je zodpovědný za přenos užitečných dat, poskytuje službu se spojením i bez spojení, poskytuje služby segmentace a opětovného sestavení dlouhých paketů, dojednává parametry QoS, neobsahuje žádné mechanismy pro detekci chyb (kontrola chyb až na úrovni aplikační vrstvy). Protokol SDP (Service Discovery Protocol) pracuje nad L2CAP: je nezbytný pro zajištění dostupných služeb v síti je základem pro vytvoření relativně jednoduchých sítí ad hoc. Protokol RFCOMM Protocol (Radio Frequency Communication) je součásti specifikace ETSI, podporuje emulaci sériového portu RS232 (dvoubodového spoje přes sériový port), až 64 sériových portů mezi dvěma zařízeními.

14 12 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Zařízení Bluetooth podporují jeden nebo více tzv. profilů. Všechny profily závisí na základním profilu GAP (Generic Access Profile), který definuje: základní pravidla a podmínky propojení zařízení, navázání spojení Bluetooth a kanálů L2CAP, úrovně bezpečnosti. Profily tedy jinými slovy definují soubor instrukcí, pomocí nichž mohou 2 zařízení komunikovat, určují, které části z celé specifikace se při dané službě využijí a pro koncová zařízení definují druh dat a způsob komunikace. Profily specifikují způsob, jakým může aplikační software přistupovat k různým vrstvám protokolové architektury. Ve většině případů to zahrnuje také rozhraní pro programování aplikací API (Application Programming Interface) Využití Bluetootth Prvotní myšlenkou využití Bluetooth byly aplikace pro domácí sítě. V současné době převládá využití v podobě komunikace mezi mobilními zařízeními (PDA, telefony apod.) a periferními zařízeními (zejména tiskárnami) či počítači pro sdílení a přenos souborů, tisk a pro komunikaci se spotřební elektronikou a domácí spotřebiči. 1.2 ZigBee ZigBee je označení pro bezdrátový komunikační standard poskytující nenákladnou a nízkopříkonovou komunikaci mnoha zařízení na vzdálenost až stovek metrů, určený zejména pro monitorování a řízení systémů. O specifikaci ZigBee se stará aliance ZigBee Alliance [4], která sdružuje všechny významné firmy, které se podílejí na jeho vývoji. Mezi nejvýznamnější charakteristické vlastnosti ZigBee je možno uvést: malá a jednoduchá bezdrátová zařízení (senzory) a jejich domácí a průmyslové aplikace, aplikace s menšími přenosovými rychlostmi kbit/s nemající přísné nároky na kvalitu služby, nahodilé (ad hoc) propojení mobilních, přenosných i pevných zařízení, zařízení s nízkou provozní spotřebou výdrž baterie typu AA i několik let Vývoj standardu Vývoj standardu je možno shrnout následovně: rok 1997 počátek vývoje ZigBee, rok 2003 první standard , rok 2005 konečná podoba specifikace standardu , rok 2006 vývoj standardu : rozšíření v pásmu 868 MHz o přenosové rychlosti 100/250 kbit/s pásmo 915 MHz rozšíření na 30 kanálů

15 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 13 4 typy fyzických vrstev 3 typy založené na DSSS s použitím BPSK nebo O- QPSK, pro pásmo 868/915 MHz volitelná alternativa s BSK a ASK založené na PSSS (Paralel Sequence Spread Spectrum), rok 2007 standard a, který rozšiřuje možnosti fyzické vrstvy: fyzická vrstva UWB (Ultra Wide Band) je rozdělena na tři pásma pásmo pod 1 GHz, pásmo 3-5 GHz a pásmo 6-10,6 GHz fyzická vrstva CSS (Chirp Spread Spectrum) využívá pásmo 2450 MHz Oproti předchozímu standardu došlo k následujícím změnám: rozšíření o přenosovou rychlost 851 kbit/s, vytvoření přístupu UWB, vytvoření 14 překrývajících se pásem CSS, vytvoření 16 kanálů UWB v pásmech MHz a 3,1-10,6 GHz, rok 2009 standard c, který definuje nové frekvenční pásmo MHz pro Čínu, rok 2009 standard d, který definuje nové frekvenční pásmo MHz pro Japonsko Topologie sítě Síť ZigBee rozeznává dvě kategorie zařízení [3]: RFD (Reduced-Functionality Device) zařízení může komunikovat pouze s koordinátorem (v topologii hvězda), nemůže se stát koordinátorem, FFD (Full-Functional Device) zařízení může komunikovat s jakýmkoli zařízením v síti jakékoli topologie, může se stát koordinátorem. Z hlediska topologie se naskýtají nejrůznější varianty: topologie typu hvězda (star topology) řízením je pověřen jedno zařízení tzv. koordinátor PAN (Personal Area Network) a ostatní pracují jako koncová zařízení, topologie typu strom (tree topology) úprava topologie typu hvězda, topologie typu mesh (mesh topology) kombinace obou předchozích, bod-bod P2P (Peer to Peer). Vytvořená síť může propojovat od několika až po tisíce zařízení. Příklady topologie sítě ZigBee jsou naznačeny na Obr. 1.8.

16 14 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obr. 1.8: Topologie sítě ZigBee Použitá topologie sítě úzce souvisí s energetickou náročností jednotlivých uzlů této sítě. Z tohoto důvodu se jeví jako výhodné použít topologii typu hvězda nebo strom, které jsou z tohoto pohledu mnohem méně náročné než sítě typu mesh. Dosah sítě koresponduje s maximální délkou jednotlivých skoků mezi dvěma sousedními uzly. Vzdálenost mezi dvěma uzly sítě se pohybuje od 10 do 100 m v závislosti na typu prostředí, použité anténě a využitém kmitočtovém pásmu. V sítích ZigBee je důležitá adresace, která slouží k jednoznačné identifikaci zařízení v síti. Jsou zde podporovány dva možné typy adres: plná (dlouhá) adresa má délku 64 bitů a umožňuje provozovat až zařízení, kde první adresa (0x ) je určena pro koordinátora sítě a poslední (0xFFFFFFFF) pro broadcast, na které naslouchají všechna zařízení v síti, zkrácená adresa má délku 16 bitů umožňuje v jedné síti provozovat zařízení. Každá sestavená síť je pro potřeby rozlišení překrývajících se sítí dále identifikována 16 bitovým identifikátorem PAN ID (Personal Area Network ID), díky kterému lze paralelně provozovat až sítí. Z hlediska topologie se používají dva režimy adresace: adresa sítě a identifikace zařízení (topologie hvězda), identifikátor zdroje/cíle (komunikace P2P) Protokolová architektura Protokolová architektura ZigBee je znázorněna na Obr Standard definuje fyzickou a linkovou vrstvu modelu OSI. Vyšší vrstvy modelu OSI (síťovou a transportní) definuje ZigBee Alliance. Zákaznické aplikace v aplikační vrstvě modelu OSI pak definuje zákazník potažmo výrobce zařízení OEM (Original Equipment Manufacturer).

17 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 Obr. 1.9: Protokolová architektura ZigBee Fyzická vrstva určuje způsob konkrétní fyzické bezdrátové komunikace. Pracuje v pásmech ISM (Industry, Science and Medical): pásmo 2,4 GHz (2,4-2,2835 MHz) v tomto pásmu je možno vytvořit 16 kanálů (č ) s odstupem 5 MHz o rychlosti 250 kbit/s (celosvětové použití), pásmo 915 MHz ( MHz) v tomto pásmu je možno vytvořit 10 kanálů (č. 1-10) s odstupem 2 MHz o rychlosti 40 kbit/s (Amerika), pásmo 868 MHz (868,3 MHz) v tomto pásmu je možno vytvořit 1 kanál (č. 0) o rychlosti 20 kbit/s, Evropa. V kmitočtových pásmech 868 a 915 MHz se na této vrstvě používá modulace BPSK (Binary Phase Shift Keying) a v pásmu 2,4 GHz modulace O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying). Pro samotný přenos se pak využívá principu přímé sekvence rozprostřeného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Pro přístup na kanál se pak využívá metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and optional time slotting). Linková (spojová) vrstva MAC (Media Access Control) definuje již samotnou komunikaci mezi jednotlivými zařízeními (uzly sítě) prostřednictvím rámců. Celkem jsou definovány čtyři typy komunikačních rámců, které se využívají buď pro přenos užitečných dat, nebo k režijním účelům souvisejícím se sestavením, správou a řízením sítě: Datový rámec (Data Frame) rámec pro přenos užitečné informace pro všechny datové přenosy. Rámec pro signální zprávy od koordinátora (Beacon Frame) tento rámec se používá k synchronizaci zařízení v síti a je využíván hlavně při konfiguraci sítě v módu, v němž umožňuje uvádění klientských zařízení do spánkových režimů s extrémně sníženou spotřebou. Potvrzující rámec (Acknowledgement Frame) tento rámec je využitelný pouze pro potvrzovanou komunikaci na úrovni MAC. Příkazový rámec (Command Frame) slouží pro potřeby centralizovaného konfigurování, nastavení a řízení klientských zařízení v síti.

18 16 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Standard rozlišuje tři typy datového provozu: periodický definovaný aplikací (např. pro senzory), občasný rychlost definovaná aplikací nebo externí stimulací (např. vypínač osvětlení), opakovaná kritická data vyžadují krátké zpoždění a alokaci časových úseků. V rámci podvrstvy MAC působí management napájení napomáhající zajištění minimální spotřeby zařízení (napájení bateriemi nebo ze sítě). Na Obr je uveden formát datového rámce paketu PPDU (PLCP Protocol Data Unit), který se skládá: z části dodané vrstvou MAC (MPDU) - obsahuje mimo přenášených dat (až 104 B) i informaci o adrese přijímací stanice, pořadové číslo datového paketu, řízení rámce a kontrolní mechanismus rámce FCS (Frame Check Sequence), z části dodané fyzickou vrstvou (SHR a PHR) - obsahuje potřebné informace pro správný fyzický přenos paketu (preambuli pro časovou synchronizaci přijímače, informaci o začátku rámce informace a o délce rámce). Obr. 1.10: Formát datového rámce Příkazový rámec se od datového rámce liší tím, že v části vymezené pro přenos dat se přenáší příkazy. Potvrzovací rámec naopak tuto část úplně vypouští a jeho důležitá role spočívá v potvrzení vysílajícímu zařízení o bezchybném přijetí informace. Nad vrstvami standardu IEEE se nachází síťová vrstva NWK (NetWorK layer) a struktura pro aplikační vrstvu APL (APplication Layer). Úkolem síťové vrstvy je připojování k síti a odpojování od sítě, zabezpečení přenosu a směrování paketů. Rozlišujeme různé úrovně zabezpečení od nulového zabezpečení přes zabezpečení prostřednictvím přístupových seznamů až po autentizaci a šifrování s využitím 32 až 128 kryptografického algoritmu AES (Advanced Encryption Standard). Různé možnosti zabezpečení umožňují široký výběr podle typu aplikace podle požadavků na objem přenášených dat či životnost baterie Úkolem této vrstvy je dále nalezení zařízení v rámci jednoho přeskoku. V případě koordinátora sítě je odpovědná za start sítě a přiřazování adres nově začleněným zařízením. Aplikační vrstva protokolu ZigBee se skládá z pomocné aplikační podvrstvy APS (Application Support Sublayer), objektů ZigBee ZDO (ZigBee Device Object) a uživatelských aplikačních objektů. Podvrstva APS umožňuje párování zařízení podle poskytovaných služeb a požadavků. Úkolem objektů ZigBee je definovat roli jednotlivých zařízení v rámci sítě (koordinátor, směrovač nebo koncové zařízení) a spravovat poskytované služby.

19 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Využití ZigBee Standard ZigBee nelze chápat jako konkurenční standard k již zavedeným komunikačních standardům v sítích PAN, jakým je např. Bluetooth, ale jako jejich doplněk rozšiřující oblasti nasazení. Využití nalézá zejména při jednodušších bezdrátových komunikacích nenáročných na hardware, přenosové rychlosti a napájení (aplikace s bateriovým napájením). Nižší přenosová rychlost poskytuje těmto sítím vyšší odolnost proti rušení, a tak s výhodou nalézají uplatnění v průmyslu. Mezi příklady jejich využití můžeme uvést řízení budov (odemykání a otvírání dveří, zapínání/vypínání přístrojů a zařízení v domácnosti, řízení osvětlení, klimatizace apod.), bezdrátovou komunikaci senzorů, řízení motorů a regulátorů, bezdrátovou komunikaci počítačových periferií (klávesnice, myš apod.) či oblast zabezpečovacích systémů (chipové přístupové karty, bezdrátové klávesnice, senzory apod.).

20 18 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 2 Rádiové sítě WLAN Bezdrátové přístupové lokální sítě WLAN (Wireless Local Area Network) představují jakési rozšíření či alternativu k existujícím metalickým sítím LAN v rámci budov. Tyto sítě si získaly postupem času velkou popularitu a uplatnění v mnoha oblastech. V této kapitole bude pozornost věnována sítím WiFi a DECT. 2.1 WiFi Pod zkratkou WiFi (Wireless Fidelity) je označována rodina bezdrátových komunikačních standardů pracující v bezlicenčních pásmech ISM. Kompatibilitu jednotlivých zařízení standardu zajišťovala zpočátku aliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Aliance), která se v roce 2003 přejmenovala na alianci WiFi [5] Vývoj standardů Vývoj standardu s uvedením základní charakteristiky jednotlivých vývojových verzí je možno shrnout následovně: rok 1997 definován první standard s označením IEEE pásmo 2,4 až 2,485 GHz, přenosová rychlost do 2 Mbit/s (1 nebo 2 Mbit/s), fyzická vrstva princip FHSS nebo DSSS, IR. rok 1997 definován standard IEEE b pásmo 2,4 až 2,485 GHz, přenosová rychlost až 11 Mbit/s (dle rušení dynamická změna rychlosti 11; 5,5; 2; 1 Mbit/s), fyzická vrstva princip DSSS. rok 1999 definován standard IEEE a pásmo 5,15 až 5,725 GHz přenosová rychlost až 54 Mbit/s (54; 48; 36; 24; 18; 12; 9; 6), fyzická vrstva princip OFDM. rok 2003 definován standard IEEE g pásmo 2,4 až 2,485 GHz, přenosová rychlost až 54 Mbit/s (54; 48; 36; 33; 24; 18; 12; 9; 6; 11; 5,5; 2; 1), fyzická vrstva modulace 64-QAM, princip OFDM nebo DSSS pro zpětnou kompatibilitu s b. rok 2009 definován standard IEEE n pásmo 2,4 až 2,485 GHz a 5,15 až 5,725 GHz, přenosová rychlost do 600 Mbit/s, fyzická vrstva princip OFDM, MIMO (Multiple Input Multiple Output). rok 2013 definován standard IEEE ac pásmo 5 GHz,

21 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 přenosová rychlost do 1 Gbit/s, šířka pásma n x 20 MHz (až 80 MHz adaptivní změna šířky pásma), fyzická vrstva použití modulace až 256-QAM a 8x8 MIMO, OFDM, zpětná kompatibilita. rok 2014? příprava standardu IEEE ad na jehož vzniku se podílí aliance WiGig (Wireless Gigabit Alliance) založena v roce 2009 pásmo 60 GHz, přenosová rychlost do 7 Gbit/s Topologie sítě Bezdrátová lokální síť WiFi může obsahovat čtyři hlavní druhy tzv. fyzických komponent sítě [6]: distribuční systém představuje páteřní síť potřebnou pro realizaci rozsáhlejších sítí, která se používá k přesměrování datového toku na stanici skutečného určení podle její aktuální polohy v síti (ve většině případů se jako páteřní síť pro přenos dat mezi přístupovými body používa Ethernet), přístupový bod AP (Access Point) přemostění mezi kabelovou a bezdrátovou sítí, poskytuje bezdrátový přístup k distribučnímu systému, stanice jakékoliv fixní či mobilní zařízení (počítač, notebook, smartphone apod.) využívající pro komunikaci síť WiFi. bezdrátové médium obecně volné prostředí (přenosové médium), které by se dalo z technického pohledu charakterizovat dostupnými rádiovými frekvencemi pro přenos dat. Skupina stanic, které spolu komunikují, označujeme jako základní soubor služeb BSS (Basic Service Set). Tyto stanice pak spolu vytváří základní stavební blok sítě , jejichž vzájemná komunikace probíhá v oblasti vymezené průnikem jejich dosahu, kterou nazýváme základní služební oblast BSA (Basic Service Area). Propojením více BSS prostřednictvím páteřní sítě (distribučního systému) pak můžeme vytvořit tzv. rozšířený soubor služeb ESS (Extended Service Set). Propojením více BSA je pak vytvořena rozšířená služební oblast ESA (Extended Service Area). Síť WiFi může pracovat ve dvou základních konfiguracích: ad hoc, infrastruktura. Nezávislé sítě ad hoc (viz Obr. 2.1) jsou realizovány jednotlivými spolu přímo komunikujícími stanicemi nezávisle na prostředníkovi. V tomto případě není potřebné realizovat pro zajištění komunikace žádnou podpůrnou síťovou infrastrukturu. Tato varianta je vhodná zejména pro zajištění rychlého spojení dvou či více stanic pro potřeby nárazového přenosu dat, které se většinou zřizují dočasně na omezenou dobu. Nevýhodou této varianty je potřeba správné konfigurace této sítě na straně jednotlivých stanic.

22 20 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obr. 2.1: Síť WiFi typu ad hoc Infrastrukturní sítě (viz Obr. 2.2) představují sítě s distribučním systémem využívajícím pro zajištění komunikace mezi stanicemi prostředníka v podobě fixního přístupového bodu, který funguje jednak jako základnová stanice (vysílač) a jednak jako datový most. Každá stanice pak komunikuje pouze s přístupovým bodem, v jehož oblasti pokrytí signálem (buňce) se nachází. Přístupové body jsou pak vhodně rozmístěny tak, aby zajišťovaly pokud možno nejoptimálnější pokrytí požadované oblasti či prostor signálem takto vytvořené sítě. Pro potřebu zajištění mobility uživatelů bez ztráty spojení je potřebné, aby se oblasti pokrytí sousedních přístupových bodů částečně překrývali. Obr. 2.2: Síť WiFi typu infrastruktura Mimo výše uvedené je možno pro komunikaci využít i sítě typu mesh, kde každý přístupový této sítě je propojen se všemi nebo alespoň s částí ostatních přístupových bodů.

23 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Protokolová architektura Protokolová architektura WiFi je znázorněna na Obr Standard definuje fyzickou a linkovou (spojovou) vrstvu modelu OSI. Obr. 2.3: Protokolová architektura WiFi Fyzická vrstva je rozdělena do dvou podvrstev: protokol konvergence fyzické vrstvy PLCP (Physical Layer Convergence Protocol, Procedure) - tato podvrstva zajišťuje detekci nosné a rozhraní k nižší vrstvě PMD. Obsahuje informace o podporované rychlosti, síle signálu, použitém kanálu, frekvenci kanálu, velikosti hlavičky atd., podvrstva závislá na fyzickém médiu PMD (Physical Media Dependent) tato podvrstva zajišťuje modulaci a kódovaní signálu. Fyzická vrstva tedy definuje typ použitého modulace a použitou techniku spektra (rozprostření spektra). Sítě WiFi pro svou činnost využívají modulace QPSK, BPSK, 16- QAM a 64-QAM. V případě techniky rozprostření spektra se v současné době můžeme setkat se třemi způsoby řešení fyzické vrstvy [6]: Frekvenční proskoky (přeskakování, skákání) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) celé pásmo je rozděleno na 79 kanálů o šířce 1 MHz. Na každém kanále se vysílá (přenáší data jeden nebo více paketů) po dobu 400 ms. Minimálně 2,5 krát za sekundu tak dojde ke změně vysílací frekvence, čímž se významným způsobem minimalizuje případné rušení. Každá ze 79 frekvencí musí být využita minimálně jednou za 30 s. Teoreticky je v tomto případě možno současně provozovat až cca 26 nezávislých sítí (pseudonáhodných posloupností). Přímá sekvence rozprostření spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum ) vysílač přeměňuje tok dat (bitů) na tok symbolů (jeden nebo více bitů), které jsou modulovány digitálním kódem (násobeny pseudonáhodnou šumovou sekvencí) jehož kódová rychlost je několikanásobně vyšší než přenosová rychlost informačního signálu. Jeden prvek tohoto pseudonáhodného kódu se označuje jako tzv. čip (chip). Podle délky použité sekvence se tak uměle zvyšuje potřebná šířka pásma. V případě DSSS se jedná o rozprostření signálu do většího pásma o šířce 22 MHz (802.11b).

24 22 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Ortogonální frekvenčně dělený multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) v tomto případě dochází k převodu vstupního vysokorychlostního sériového datového toku na řadu pomalejších paralelních datových toků, které jsou modulovány na jednotlivé subnosné kmitočty. Vytvoří se tak velké množství úzkých kanálů s výslednou rychlostí přenosu dat, která je pak dána součtem všech kanálů. (802.11a/g/n/ac). Jak již bylo uvedeno, sítě WiFi využívají pro svou činnost bezlicenční pásma ISM 2,4 GHz a 5 GHz. Dostupné rádiové frekvence v pásmu 2,4 GHz, jež využívají standardy b, g a n, jsou uvedeny v Tab Tab. 2.1: Dostupné rádiové frekvence v pásmu 2,4 GHz V tomto pásmu je definováno celkem 14 rádiových kanálů s odstupem 5 MHz. Z důvodu rozdílného přístupu ve využívání tohoto pásma v jednotlivých zemích (viz Tab. 2.2 [6]) se pak liší i možnosti využití a rozšiřitelnost tohoto systému v těchto zemích. Ve většině evropských zemí je tak v případě standardu b možno využít vždy pouze 3 kanály o šířce 22 MHz, které se vzájemně nekryjí. Jedná se o kanály číslo 1, 6, a 11 (případně 2, 7, a 12 nebo 3, 8, a 13). U standardu g/n jsou to pak kanály číslo 1, 5, 9 a 13 s šířkou 20 MHz nebo kanály číslo 3 a 11 s šířkou 40 MHz. V České republice je maximálně povolený ekvivalentní vyzářený výkon EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power, Effective Isotropic Radiated Power) pro všechny standardy stanoven na hodnotu 100 mw (20 dbm). Tab. 2.2: Využití rádiových frekvencí pásma 2,4 GHz ve světě Dostupné rádiové frekvence v jednotlivých zemích pro pásmo 5 GHz, jež využívají standardy a a n, jsou uvedeny v Tab V České republice je prvních 8 kanálů (č. 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60 a 64) vyčleněno pouze pro vnitřní využití s maximálně povoleným výkonem EIRP = 200 mw. Zbylých 11 kanálů je možno provozovat v rámci vnitřního i venkovního využití s maximálně povoleným výkonem EIRP = 1 W s regulací výkonu (automatickou změnou výkonu) nebo výkonem EIRP = 500 mw bez regulace výkonu. V rámci standardu n je možno vytvořit až 19 vzájemně se nepřekrývajících kanálů, nebo 9 kanálů s šířkou 40 MHz.

25 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 Tab. 2.3: Dostupné rádiové frekvence v pásmu 5 GHz Dosažitelná přenosová rychlost u sítí WiFi souvisí na mnoha faktorech. V prvé řadě je pro potřebu stanovení uživatelské rychlosti od udávané maximální přenosové rychlosti pro daný standard odečíst tzv. režie (řízení, management sítě). Sítě WiFi navíc pracují v režimu polovičního duplexu, kdy zařízení WiFi buď data vysílá, nebo je přijímá. Přenosová rychlost je u sítí WiFi rovněž nepřímo úměrná vzdálenosti dané stanice od přístupového bodu a platí tedy, že s rostoucí vzdálenosti nám přenosová rychlost klesá. Důležitou roli rovněž hraje přímá viditelnost mezi komunikujícími stanicemi a tedy vliv prostředí (šíření uvnitř budov vliv zdí a reflektorů, šíření ve venkovním prostředí vliv zástavby, stromů) a v neposlední řadě i vliv počasí. Významný vliv na přenosovou rychlost a samotnou kvalitu spojení má rušení způsobené buď jinými zařízeními WiFi nebo zařízeními jiných sítí pracujícími ve stejném frekvenčním pásmu (Bluetooth či ZigBee). V této souvislosti je nutné rovněž upozornit na možnost vzniku rušení způsobeného mikrovlnnými troubami, jež pro svou činnost využívají frekvenci 2,45 GHz. Dalším omezením pro sítě WiFi v České republice jsou radary Českého hydrometeorologického úřadu, pracující na frekvencích 5620 MHz a 5640 MHz, kdy dle nařízení Českého telekomunikačního úřadu ČTÚ musí provozovatelé zařízení WiFi zablokovat možnost využití na těchto rádiových kanálech. Důležitou vrstvou pro činnost sítí WiFi je linková (spojová) vrstva, která mimo jiné definuje strukturu MAC rámce, přístupovou metodu k přenosovému médiu, multiplexaci protokolů vysílaných na MAC vrstvu, zabezpečení (CRC) a šifrování spojení (WEP, WPA). Linková vrstva se skládá ze dvou podvrstev: podvrstva ovládání (protokol) logického řízení spoje LLC (Logical Link Control) tato podvrstva zajišťuje přenos fyzických datových rámců na konkrétní médium, řízení toku dat a kontrolu chyb, podvrstva ovládání (protokol) přístupu k médiu MAC (Medium Access Control) tato podvrstva slouží jako rozhraní mezi fyzickou vrstvou a zařízením WiFi, je zodpovědná za přenos dat, přidružení stanice k síti (asociation), autentizaci, utajení dat a management napájení. Podvrstva MAC nabízí několik přístupových mechanismů (režimů komunikace): Standardní mechanizmus zvaný funkce distribuované koordinace DCF (Distributed Coordination Function) - tento mechanismus je založen na mechanismu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), kdy stanice hlídá stav přenosového média (naslouchá, zda nevysílá někdo jiný). Pro zabránění kolize vkládá mezi vysílanými rámci mezeru DIFS (Distributed InterFrame Space). Je-li po uplynutí tohoto definovaného časového úseku (mezery) médium volné, vyšle stanice paket, v opačném případě odloží přenos (odklad vysílání backoff) a nadále

26 24 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava monitoruje médium. Interval odkladu vysílání si každá stanice volí náhodně z intervalu mezi nulou a velikostí tzv. okna sváru CW (Contention Window). I přesto však nadále může dojít ke kolizi a proto se velikost tohoto okna sváru v následujících kolizích neustále zdvojnásobuje až do situace, kdy je médium volné a stanice může vysílat. Přijímací stanice po obdržení paketu čeká po dobu SIFS (Short InterFrame Space), která je kratší než DIFS a následně vyšle potvrzení o přijetí paketu. Tento jednoduchý mechanismus DCF je vhodný pro asynchronní datové přenosy bez podpory QoS, garance zpoždění a šířky pásma. Virtuální naslouchací mechanismus RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) tento mechanismus se používá v případech tzv. skrytého uzlu, kdy stanice neslyší vysílání všech stanic v síti (stanice na sebe nevidí, nejsou ve vzájemném dosahu signálu). Stanice nejdříve příjemci vyšle zprávu (požadavek) RTS, která obsahuje informace o zdrojové a cílové stanici a předpokládané délce trvání přenosu a čeká na obdržení zprávy CTS, jež potvrzuje zdrojové stanici délku očekávaného vysílání. Stanice, které slyší tyto pakety RTS nebo CTS si nastaví pomocí svého interního časovače tzv. virtuální naslouchání NAV (Network Allocation Vector) na dobu trvání přenosu oznámenou v paketu a po tuto dobu považují médium za obsazené. Kanál je považován za volný v případě, že stanice nedetekuje žádný aktivní signál a časovač NAV vyprchal. Pokud je tedy médium volné, dostává zdrojová stanice potvrzující paket CTS, že může po stanovenou dobu vysílat. Tento mechanismus je vhodný pro delší pakety. Volitelný mechanismus přístupu zvaný funkce koordinace jedním bodem PCF (Port Coordination Function) v případě tohoto mechanismu přenosové médium přiděluje přístupový bod na základě definovaného typu obsluhy popř. priorit. Přístupové body periodicky vysílají rámce typu beacon, kterými se všem stanicím v síti sdělují specifické parametry pro identifikaci a management. Volná doba mezi vysíláním těchto rámců (beacon) je přístupovým bodem rozdělena na dobu bez boje o médium (contention-free) a dobu, kdy probíhá boj o médium (contention). Tím je umožněno stanicím s prioritou dat získat na základě této výzvy povolení ke garantovanému vysílání po dobu, kdy nemusí o médium bojovat. Pro potřeby ohlášení intervalu bez kolizí pro stanice s prioritou vysílání používá tento mechanismus interval PIFS (PCF InterFrame Space), který je kratší než DIFS, ale delší než SIFS. Mechanismus PCF je určen pro synchronní datové přenosy pro sítě s přístupovými body. Rozlišujeme tři základní druhy rámců: datové rámce (Data frames) uživatelská data, řídící rámce (Control frames) - nutné pro fungování přístupové metody (CSMA/CA) na sdílené médium, rámce pro správu (Management frames). Obecná struktura rámce je znázorněna na Obr Rámec je složen z hlavičky MAC (MAC header) obsahující informace o přenášených datech, těla rámce (frame body)

27 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 obsahujícího samotná přenášená data a kontrolního součtu CRC (Cyclic Redundancy Code). Obecný rámec MAC se skládá z těchto polí [6]: FC (Frame Control) obsahuje informace o verzi protokolu a typu rámce (datový, řídící, kontrolní), Duration/ID Duration Value představuje délku trvání rámce používanou pro výpočet doby rezervace přenosového média pomocí NAV (jinými slovy definuje dobu vysílání), ID je tzv. identifikátor stanice používaný pro funkci úspory energie, ADD1 ADD4 představují čtyři adresní pole, jež obsahují adresy zdroje, cíle, přenašeče a přijímače v závislosti na poli FC, SC (Sequence Control) slouží k eliminaci duplicit (duplicitních rámců), obsahuje číslo rámce a pořadí fragmentu v rámci, Frame body-data nemá pevně danou délku, obsahuje přenášená data, FCS (Frame Check Sequence) obsahuje kontrolní součet CRC Využití WiFi Obr. 2.4: Obecná struktura rámce WiFi Sítě WiFi dnes nalézají uplatnění zejména pro přístup k Internetu jak v domácím prostředí, tak i na veřejných místech v podobě vybudovaných přístupových bodů tzv. hot spotů (hot spots), které svým signálem pokrývají různá veřejná prostranství a místa, kde se očekává zvýšený zájem uživatelů o tuto službu. Významné uplatnění nalezly tyto sítě rovněž v podobě realizace podnikových a domácích sítí. 2.2 DECT Pojem bezšňůrové telefony lze definovat jako soubor technických prostředků poskytujících uživatelům mobilitu na vzdálenost od několika desítek do několika stovek metrů v okolí pevné části (fixní základnová rádiová stanice) za pomocí přenosné části (mobilní stanice). Systémy pro bezšňůrové telefony CT (Cordless Telephone) se využívají jak k přenosu hovorových, tak i datových signálů. Důležitou funkcí bezšňůrových telefonů je tedy možnost komunikace mezi základnovou stanicí a mobilní (pohyblivou) stanicí (handy, handset). Poskytují stejnou nabídku služeb jako klasické pevné telefony (např. zkrácená volba, vypnutí mikrofonu, podpora služeb ISDN apod.). Uplatnění našly tyto systémy zejména v těchto aplikacích: v domácnostech jako náhrada běžného telefonního přístroje (pevné linky), v podnicích jako bezšňůrové pobočkové ústředny, pro realizaci služby telepoint (bezšňůrový telefonní automat mobilní obdoba telefonní budky), pro výstavbu bezdrátových účastnických smyček WLL (Wireless Local Loop), pro vytváření personálních komunikačních sítí.

28 26 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Rozdělení systémů Systémy pro bezšňůrové telefony lze rozdělit na analogové a digitální [7]. Mezi analogové systémy patří: CT0 jedná se o nejjednodušší bezšňůrové telefony s analogovým systémem používající kmitočtové pásmo do 100 MHz, přístup FDMA, kmitočtový duplex FDD a kmitočtovou modulaci FM. Tento standard je méně odolný proti rušení, má dosah 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 (včetně ČR), bylo použití takových přístrojů zakázáno. V současné době se již používá zabezpečení pomocí automaticky nastavovaných bezpečnostních kódů. CT1 tento evropský standard z roku 1983 používá kmitočtové pásmo MHz a MHz, ve kterém je vytvořeno 40 duplexních rádiových kanálů o šířce 25 khz. Přístup k systému je opět FDMA, využívá kmitočtový duplex FDD a modulace FM má maximální zdvih 5 khz. Používá se automatický výběr kanálů a přenos je zabezpečen proti odposlechu a neoprávněnému napojení cizích účastníků (1 milión kódů). V tomto standardu dochází 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 MHz a MHz, který využívá 80 rádiových duplexních kanálů. Bohužel tato pásma zasahují do rozšířeného kmitočtového pásma 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 (na každém kanálu dochází k časovému střídání časových slotů a to tak, že každému směru přenosu je vyhrazena 1 ms). CT2+ tato modifikace systému CT2 byla vytvořena v Kanadě. Systém pracuje v kmitočtovém pásmu MHz, 5 ze 40 rádiových kanálů je využito pro přenos signalizace. Na každém z těchto 5 rádiových kanálu 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 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

29 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 27 modulován pomocí modulace GFSK. Poněvadž se evropské země dohodly na jiném standardu, nedošlo k jeho rozšíření. DECT tento systém technologicky navazuje na 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 Systém DECT Systém DECT (Digital European Cordless Telecommunication, Digital Enhanced Cordless Telecommunication) se používá pro přenos hovorových i datových signálů. Jedná se o evropský standard pracující v pásmu MHz. O rozvoj tohoto systému se stará tzv. DECT Forum [8]. Tento systém používá kombinovaný přístup FDMA/TDMA a časový duplex TDD. V systé mu DECT rozlišujeme tři typy způsobů paketového přenosu: dvojité okno (doubleslot) obsahující 904 bitů, plné okno (fullslot) obsahující 2 x 424 bitů, poloviční okno (halfslot) obsahující 4 x 184 bitů. Většinou se používá způsob přenos označovaný jako plné okno. V tomto případě paket o velikosti 424 bitů má dobu trvání 368,1 µs. Mezi dvěma pakety se používá mezera s ochrannou dobou cca 48,6 µs pro zamezení překrývání paketů. V přiděleném kmitočtovém pásmu je umístěno 10 rádiových kanálů s odstupem nosných 1,728 MHz. Metodou TDMA je v jednom rádiovém kanálu vytvořeno 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 rámec TDMA s dobou trvání 10 ms a je rozdělen na 24 časových úseků (timeslotů). Každý timeslot má dobu trvání 0,417 ms a obsahuje 480 bitů. Prvních 12 timeslotů je vyhrazeno pro přenos od základnové stanice k mobilní stanici (downlink) a druhých 12 timeslotů pro opačný směr (uplink). Jedná se 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 Obr. 2.5 [7]. Dva proškrtnuté timesloty odpovídají jednomu duplexnímu kanálu. V každém timeslotu se přenáší celkem 480 bitů, rozdělených mezi synchronizační pole S, datové pole D, testovací pole Z a ochrannou dobu. Pole S má délku 32 bitů (prvních 16 bitů, tzv. preambule, se využívá pro bitovou synchronizaci a zbývajících 16 bitů se využívá pro rámcovou synchronizaci přijímače). Do datového pole D se vkládají logické kanály. Toto pole má délku 388 bitů a je složeno z pole A (64 bitů) a pole B (324 bitů). Pole A má přenosovou rychlost 4,8 kbit/s a 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, že se v řídícím slově vyskytne chyba, dojde k jeho opakování. Pole A je stejné pro chráněný i nechráněný formát dat. Záhlaví pole A je dále rozděleno na čtyři části (TA, Q1, Q2 a BA). 4ást TA je tvořena 3 bity, které definují zprávu v řídícím poli A. Bity Q1 a Q2 nesou informaci o kvalitě přijímaného signálu. Zbývající 3 bity BA definují zprávu v poli B (např. zda se jedná o zabezpečený nebo nezabezpečený přenos 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

30 28 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava účastnického signálu a 4 bity tvoří zabezpečovacího pole X, které je použito jak pro chráněný tak i pro nechráněný formát dat. Pomocí těchto paritních bitů v poli X 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. Obr. 2.5: Rámcová struktura systému DECT Každý rámec obsahuje celkem bitů ( bitů). Poněvadž doba jeho trvání je 10 ms, vychází přenosová rychlost signálu v rádiovém kanálu 11520/ =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 se docílí sloučením několika timeslotů. Architektura systému obsahuje několik bloků [9]. 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

31 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 29 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 Obr 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). Obr. 2.6: 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).

32 30 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 3 Rádiové sítě WMAN - WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je dalším krokem na cestě k širokopásmovému připojení. Rozšiřuje širokopásmový bezdrátový přístup BWA (Broadband Wirelles Access) na nová místa a na delší vzdálenosti a výrazně snižuje náklady na zavádění širokopásmového připojení do nových oblastí. WiMAX nabízí větší rozsah a šířku pásma než jiné dostupné širokopásmové bezdrátové přístupové technologie jako Wi-Fi (Wireless Fidelity) a UWB (Ultra Wideband) a poskytuje bezdrátovou alternativu pro překlenutí tzv. poslední míle. Díky vyspělým technologiím, vyššímu vysílacímu výkonu a použití směrových antén nabízí velký dosah signálu. Maximální dosažitelná vzdálenost mezi základnovou stanicí a klientskou jednotkou je u WiMAXu závislá na řadě faktorů. V případě využití maximálního možného vysílacího výkonu na základnové stanici lze teoreticky vytvořit spoj na přímou viditelnost LOS (Line of Sight) až na 50 km a spoj bez přímé viditelnosti NLOS (Non Line of Sight) řádově na několik kilometrů. Reálné dosažitelné vzdálenosti se pohybují kolem 20 km (LOS) a okolo 3 až 5 km (NLOS), ve výjimečných případech i více v závislosti na konkrétní lokalitě. 3.1 Standardizace Pod komerčním názvem WiMAX označuje rodinu standardu průmyslové sdružení WiMAX Forum [10] plnící funkci certifikačního orgánu testujícího kompatibilitu a interoperabilitu produktů založených na standardech IEEE [11]. Cílem tohoto sdružení, které má v současné době několik stovek členů (výrobci zařízení, obchodní organizace, síťoví operátoři, poskytovatelé služeb, výzkumná pracoviště a další instituce), je standardizační proces, který má zajistit, aby širokopásmové bezdrátové technologie od různých výrobců vzájemně spolupracovaly. V rámci standardizační instituce IEEE jsou sítě označovány jako WMAN (Wireless MAN). Vývoj standardů je možno shrnout následovně: 90. léta minulého století počátky snah IEEE ve využití bezdrátové komunikace v metropolitních sítích s dosahem desítek kilometrů. rok 2001 první schválený standard ( IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems) určený pro širokopásmový bezdrátový přenos typu PMP (Point to MultiPoint) na přímou viditelnost v pásmu GHz s maximální kapacitou 134 Mbit/s. Tento standard se nicméně nakonec ukázal jako neúspěšný. rok 2003 standard a (Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz) pracující v pásmu 2-11 GHz a měnící modulační schéma OFDMA pro použití spojení bez přímé viditelnosti (základ pro řešení bezdrátového pevného přístupu).

33 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 31 rok 2004 standard d ( IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems) označovaný jako tzv. fixní WiMAX slaďuje a zahrnuje všechny předchozí změny a verze standardu Jedná se o standard využívající kmitočty 2-11 GHz (bez nutnosti přímé viditelnosti), v topologii PMP s kapacitou do 75 Mbit/s a dosahem km. Tato norma již obsahuje zajištění jak potřebné bezpečnosti komunikace, tak podporu pro kvalitu služby QoS. rok 2005 standard e ( IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems - Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands) označovaný jako tzv. mobilní WiMAX. Ve skutečnosti však specifikuje fixní a mobilní přístup, a jedná se proto o univerzální WiMAX (neslučitelný s původní variantou ). Využívá kmitočtová pásma 2-6 GHz (viz Tab. 3.1), podporuje mobilní uživatele do rychlosti 120 km/h s přenosovou kapacitou 3-5 Mbit/s. Při tomto typu připojení si uživatele předávají jednotlivé základnové stanice, přičemž při rychlostech nad 60 km/h dochází ke snižování kapacity připojení. Zásadním doplňkem e je funkce předávání uživatelů mezi základnovými stanicemi a technologie S-OFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA vylepšuje výkonnost v prostředích bez přímé viditelnosti (NLOS), protože umožňuje rozdělit signál do více pomalejších podkanálů, což zvyšuje odolnost mobilní varianty sítě WiMAX vůči rušení a zkreslení signálu putujícího více cestami. Tato specifikace je dnes platnou normou pro WMAN (802.16) a nahrazuje celou řadu dřívějších neúspěšných specifikací. Tab. 3.1: Pracovní frekvence pro WiMAX (802.16e) V Tab. 3.2 je uvedeno srovnání vlastností standardů WiMAX z let 2001 až 2005.

34 32 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Tab. 3.2: Vlastnosti standardů WiMAX ( ) rok 2009 standard (IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems) tato norma je revizí standardu a a dále zahrnuje doplňky schválené do roku 2009 (IEEE /Cor1-2005, f-2005 a g rok 2009 standard j (IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1: Multihop Relay Specification) - specifikuje fyzickou vrstvu (OFDMA) a spojovou vrstvu (MAC) pro podporu provozu radioreléových stanic RS (Relay Station) v sítích WiMAX v licenčních pásmech, jejichž úkolem je zvýšení spolehlivosti přenosu a rozšíření pokrytí. rok 2011 standard m (IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 3: Advanced Air Interface) nabízí oproti do té doby platné normě pro univerzální WiMAX (fixní i mobilní) další vylepšení a celou řadu variant, od podpory malé až po plnou mobilitu, o různé přenosové kapacitě (minimální rychlost 100 Mbit/s ve směru downlink pro vysoce mobilní uživatele a až 1 Gbit/s pro fixní uživatele, což je základní podmínka pro zařazení tohoto systému do kategorie mobilních systémů 4. generace konkurence standardům LTE) pro různá uživatelská prostředí, a díky kvalitnější podpoře kvality služby a výkonnosti také multimediální aplikace s vysokým rozlišením. To vše díky využití OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a řešení MIMO (Multiple Input Multiple Output) pro více uživatelů a více přenosových kanálů na fyzické vrstvě. Navíc specifikace podporuje femtobuňky (malé domácí/kancelářské základnové stanice), samoorganizující sítě a radioreléové stanice (bezdrátové přepojovače relay). rok 2012 standard (IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems) tato norma nahrazuje standardy , a Specifikuje rádiové rozhraní včetně fyzické a spojové vrstvy

35 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 33 pro zajištění služeb v pevných a mobilních širokopásmových bezdrátových přístupech typu PMP. rok 2012 standard p-2012 (IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems--Amendment 1: Enhancements to Support Machine-to- Machine Applications) vylepšuje komunikaci přímo mezi zařízeními v licenčních pásmech na podporu snížení jejich spotřeby, zvýšení počtu obsluhovaných uživatelů jednou základnovou stanicí, efektivního přenosu shlukových transakcí a vylepšené autentizace. rok 2013 standard n (IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems--Amendment 2: Higher Reliability Networks) vylepšuje rádiové rozhraní OFDMA pro podporu vyšší spolehlivosti sítí. Standardizace sítí WiMAX se zaměřuje zejména na mobilní variantu [12], od které se v budoucnu očekává větší rozšíření. Mobilní sítě WiMAX nabízejí tzv. škálovatelnost a síťovou architekturu poskytující velkou flexibilitu v možnostech sítě a rozšíření nabídky služeb. Mezi nejvýznamnější charakteristické vlastnosti podporované mobilní variantou sítě WiMAX patří [12]: Vysoká rychlost přenosu dat Zařazení anténní techniky MIMO (Multiple Input Multiple Output) spolu s flexibilními subkanálovými schématy, pokročilé metody kódování a modulace umožňují podporu vysokých přenosových rychlostí v obou směrech přenosu (downlink a uplink). Kvalita služby Základním předpokladem architektury IEEE MAC je QoS (Quality of Service). Možnost definování priorit přenášených dat, minimální rezervovaná a maximální trvalá přenosová rychlost, maximální latence, vytváření subkanálů a použitá signalizace poskytují flexibilní mechanismus pro optimální plánování prostoru, frekvenčních a časových zdrojů na rádiovém rozhraní. Zabudovaná podpora řízení kvality služeb, které umožňuje na těchto spojích provozovat například IP telefonii nebo přenášet video v reálném čase a v dostatečné kvalitě. Škálovatelnost Vzhledem k rozdílnostem ve využívání frekvenčního spektra v různých zemích světa je systém navržen tak, aby bylo možné kanály škálovat v rozsahu 1,25-20 MHz v souladu s místními požadavky a předpisy, což mimo jiné umožňuje přizpůsobení se situaci v různých geografických oblastech (např. poskytování optimálního přístupu k internetu ve venkovských oblastech či zvýšení kapacity mobilního širokopásmového připojení v příměstských oblastech). Bezpečnost Bezpečnostní funkce jsou založeny na nejmodernějších mechanizmech, jakými jsou ověřování EAP (Extensible Authentication Protocol), šifrování AES-CCM (Advanced Encryption Standard-Counter-mode CBC (Cipher Block Chaining) MAC (Message Authentication Code)) a kontrolní systémy CMAC (Cipher-based Message Authentication Code) a HMAC (Hash-based Message Authentication Code). Mobilita Mobilní WiMAX podporuje optimalizovaný handover (přepojení spojení uživatelské stanice mezi různými základnovými stanicemi) s latencí menší než

36 34 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 50 milisekund, čímž je možno zajistit aplikace v reálném čase jako je např. provoz VoIP bez degradace služby. Diverzitní příjem Podpora diverzitního příjmu, která podstatně zlepšuje šíření a hlavně zpracování signálu při spojích bez přímé viditelnosti. Možnost využít této vlastnosti prakticky vyžaduje pouze připojení další rádiové jednotky na základnové stanici (při již existující instalaci). Využívá se zde tzv. časová diverzita ve směru downlink a tzv. prostorová diverzita ve směru uplink. To v praxi přináší podstatné zlepšení pokrytí při spojích NLOS a jejich stabilitu. Jako další podstatná výhoda tohoto řešení je redundance sítě WiMAX. Pokud nastane porucha na jedné rádiové jednotce, dojde pouze k výpadku diverzity (diverzitní větve), ale bezdrátové spojení bude stále funkční a klienti nezaznamenají žádný výpadek. Systém radioreléových stanic RS Radioreléové stanice jsou rovněž označovány jako mobilní převaděče resp. opakovače s více skoky MMR (Mobile Multihop Relay). Převaděče zde plní především svou základní funkci, tj. zlepšují spojení mezi základnovou stanicí a mobilními účastnickými stanicemi, které se nacházejí v zastíněných oblastech, na okrajích buněk případně za jejich hranicemi, uvnitř domů apod. Nasazením stanic RS se zvětšuje plošná hustota fixní infrastruktury, čímž se nejen zlepšuje pokrytí obsluhované oblasti, ale zvyšuje se i provozní kapacita systému. Zavedení RS je výhodné i z ekonomického hlediska neboť jejich pořizovací a provozní cena je podstatně nižší než cena základnových stanic. Funkce stanic RS v sítích WiMAX dovoluje rozšířit přímé spojení mezi základnovou a mobilní stanicí o přenos v tzv. oportunistické nebo kooperativní formě (Opportunistic/Cooperative Forwarding). Mobilní účastnické stanice navíc umožňují sestavit distribuovaný systém MIMO, využívající všechny vysílací antény základnových a radioreleových stanic na straně jedné a všechny přijímací antény mobilní účastnické stanice na straně druhé k vytvoření více nezávislých přenosových cest s nekorelovanými úniky. Hybridní opakování přenosu HARQ (Hybrid Automatic Repeat Query) Na rozdíl od prostého ARQ se u HARQ chybně přenesená data v přijímači neeliminují, nýbrž se zde ukládají do databáze tzv. inkrementální redundance a při každém dalším opakovaném přenosu se vzájemně kombinují, a to do okamžiku, kdy chybovost přenosu klesne pod stanovenou mez. Tím se do přenosu zavádí výrazná časová diverzita, která ve svých důsledcích zvyšuje přenosovou rychlost a zlepšuje pokrytí. Parametry HARQ jsou zde voleny tak, že zaručují funkci při vysokých rychlostech mobilních účastnických stanic, např. pro WiMAX e je to rychlost do 120 km/h. K dalšímu výraznému zlepšení funkce HARQ přispívá zavádění stanic RS. Funkce takovéhoto systému HARQ s asistencí RS je znázorněna na Obr [12].

37 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 35 Obr. 3.1: Architektura WiMAX se stanicí RS při asistenci HARQ Základnová stanice vyšle směrem k RS i účastnické stanici počáteční paket a žádá tyto bloky o potvrzení jeho úspěšného přijetí. Pokud RS toto potvrzení odešle a účastnická stanice neodpovídá, resp. signalizuje špatné spojení, je trasa BS-SS zřejmě právě postižena únikem. Neúspěšný přenos směrem k SS je tedy nutno opakovat a to běžnou formou vyslání uvažovaných paketů ve formě HARQ. Toto opakované vysílání se však uskuteční na pokyn BS ze stanice RS, neboť trasa RS- SS pravděpodobně bude moci zajistit spolehlivější přenos než přímá trasa BS-SS. Podpora přenosu stanicí RS tudíž zvětšuje spolehlivost přenosu oproti běžnému HARQ. Podpora techniky více antén Jedním z nejúčinnějších prostředků pro zajištění zvýšení spolehlivosti rádiového přenosu je technika více antén. Ta se u mobilního WiMAXu uplatňuje ve všech třech obvyklých módech, tj. módu prostorové diversity SD (Space Diversity), v módu prostorového multiplexu MIMO (Multiple Input Multiple Output) a v módu formování směrového svazku BF-MIMO (Beam Forming MIMO). Techniky MIMO lze obecně provozovat ve variantě s jediným uživatelem SU-MIMO (Single User MIMO) a ve variantě s více uživateli MU- MIMO (Multi User MIMO). V případě SU-MIMO může být rozvrhován v rámci jediné zdrojové jednotky pouze jediný uživatel, v případě MU-MIMO lze rozvrhovat v rámci zdrojové jednotky více uživatelů. 3.2 Architektura sítě V sítích WiMAX se můžeme setkat s topologií typu bod-bod PP (Point to Point), bod-mnoho bodů PMP (Point to MultiPoint) a typu mesh. Povinně musí být v sítích WiMAX implementována topologie PMP (Obr. 3.2), zatímco implementace topologie mesh je volitelná. Topologie PMP je založena na klasické buňkové struktuře sítě, kdy se jednotlivé účastnické stanice připojují přímo ke stanici základnové. U mesh topologie v porovnání s PMP je umožněna i přímá komunikace mezi účastnickými stanicemi.

38 36 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obr. 3.2: Architektura sítě WiMAX Architektura sítě WiMAX se typicky skládá ze dvou částí: Základnová stanice BS (Base Station) BS je tvořena z indoorové části zahrnující potřebnou technologii a ze stožáru s anténou. Základnová stanice typicky pokrývá svým signálem území o poloměru cca 10 km (teoreticky může základnová stanice pokrývat oblast o okruhu až 50 km). Každý bezdrátový uzel v oblasti pokryté signálem by měl být schopen přístupu k Internetu. Základnové stanice používají vrstvu řízení přístupu k přenosovému médiu MAC (Medium Access Control) a přiděluje uživatelům šířku pásma ve směru uplink i downlink podle jejich potřeb. Základnová stanice je připojena k veřejným sítím pomocí optických vláken, metalických kabelů, mikrovlnným spojem nebo jiným vysokorychlostním spojením typu PP, který se označuje jako páteřní (backhaul). Účastnické stanice SS (Subscriber Station) označované rovněž jako přijímače CPE (Customer Premise Equipment) Tyto stanice mohou mít samostatnou anténu (tj. přijímací obvody a anténa jsou samostatné moduly) nebo se může jednat o samostatný box nebo o kartu PCMCIA, která je umístěna v notebooku nebo počítači. Přístup k základnové stanici je podobný přístupu k bezdrátovému přístupovému bodu AP v síti WiFi, nicméně pokrytí je v případě signálu WiMAX větší. Pro připojení obytných nebo obchodních uživatelů k základnové stanici se ve většině případů používá topologie typu PMP (NLOS). Účastnická stanice obvykle obsluhuje budovu (obchodní nebo obytnou) pomocí kabelové nebo bezdrátové sítě LAN. Jedním z hlavních důvodů dřívějšího většího rozšíření BWA byly náklady související s cenou a instalací účastnických stanic. Proprietární systémy BWA byly zpočátku převážně typu LOS a vyžadovaly pro potřeby zprovoznění vysoce kvalifikovanou pracovní sílu. S příchodem technologie WiMAX a konceptu jednodušší instalace účastnických stanic se zdá být tento problém vyřešen. Páteřní spoj (backhaul) se používá pro připojení účastnických míst/lokalit k sobě navzájem a připojení hodně vzdálených základnových stanic. Základnová stanice nabízí účastnickým stanicím konektivitu PMP. Tuto mohou využít jak v případě spojení bez přímé viditelnosti (NLOS) tak v případě spojení s přímou viditelností (LOS). Tato spojení se

39 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 37 označují jako tzv. poslední míle. Páteřní spoj se týká jak připojení AP zpět k poskytovateli, tak připojení od poskytovatele k páteřní síti. Jako páteřní spoj se může použít jakákoliv technologie a přenosové médium za předpokladu, že připojí systém k páteřní síti. Ve většině implementací systému WiMAX je možné mezi sebou propojit více základnových stanic za použití vysokorychlostních páteřních mikrovlnných spojů. To rovněž umožňuje roaming účastníka WiMAX z oblasti pokryté jednou základnovou stanicí k druhé základnové stanici, podobně jako u roamingu v mobilních radiokomunikačních systémech. Standardy mobilního WiMAXu využívají buňkovou plošnou architekturu typu PMP. Účastnické stanice komunikují s nejbližší základnovou stanicí a jejím prostřednictvím vstupují do příslušné mobilní sítě. Vedle těchto buňkových struktur se u standardu WiMAX začínají využívat rovněž rádiové sítě typu mesh WMN (Wireless Mesh networks) [12], které na rozdíl od buňkových sítí umožňují přímé spojení mobilních účastnických stanic. Základními prvky sítě WMN jsou tzv. fixní uzly/přístupové body (access points), které realizují úlohu retranslačních stanic a směrovačů mesh (mesh routers). Některé z těchto uzlů plní navíc funkci vstupních bran (mesh gateway) umožňující účastníkům přístup k různým externím sítím, nejčastěji k fixním subsítím internetu (IP subnetworks). Vnější přístup však mohou zajišťovat rovněž základnové stanice. Účastníci sítě WiMAX pak komunikují mezi sebou a také s ostatními sítěmi pomocí mobilních účastnických stanic, zde nazývaných jako mobilní uzly (mobile nodes). Ty působí nejen jako běžné účastnické stanice, ale mohou být využívány podobně jako fixní směrovače mesh. Mezi hlavní výhody sítí WiMAX realizovaných na bázi WMN patří: Relativně stabilní topologie vhodná pro budování širokopásmových bezdrátových sítí různých velikostí a v různých lokalitách. Vysoká spolehlivost díky koncepci redundantních spojů v případě poruchy určitého uzlu mohou ostatní uzly pokračovat v komunikaci buď přímo, nebo prostřednictvím více mezilehlých uzlů. Jejich vzájemná rádiová komunikace se realizuje technikou jednoho nebo i více skoků (singlehop, multihop). Při spojení na delší vzdálenosti mezilehlé uzly kompenzují útlumy předchozích tras. Na základě svých znalostí sítě rovněž realizují směrování procházejících informací. Možnost jednoduchého rozšiřování sítě oproti buňkovým sítím umožňuje velmi rychlé a relativně levné prostorové rozšiřování sítě bez potřeby budování komplikované infrastruktury. 3.3 Referenční model Standard definuje pouze první dvě vrstvy sedmivrstvého referenčního modelu RM-OSI (Reference Model - Open System Interconnection) [13]: fyzická vrstva (PHY) úkolem této vrstvy je sestavení a rozpad fyzického spojení a hlášení trvalých chyb na datových okruzích, spojová vrstva (MAC) úkolem této vrstvy je řízení komunikace datových okruhů a zabezpečení přenášených dat. Implementace vyšších vrstev je svěřena především výrobcům potřebných technologií.

40 38 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Fyzická vrstva Z důvodu co nejefektivnějšího využití frekvenčního spektra síť WiMAX podporuje oba typy duplexních módů (viz Obr. 3.3): Duplexní mód s frekvenčním dělením FDD (Frequency Division Duplex) směr od základnové k účastnické stanici DL (downlink) a směr od účastnické k základnové stanici UL (uplink) je oddělen ve frekvenční oblasti. Tento mód je výhodnější pro kmitočtovou koordinaci v zemích, které udělují individuální povolení k využití kmitočtu pro lokální poskytovatele. Duplexní mód s časovým dělením TDD (Time Division Duplex) sestupný směr DL a vzestupný směr UL přenosu dat je oddělen v časové oblasti. V tomto módu je celá šířka kanálu v jednu chvíli vždy využívána buď pro uplink nebo pro downlink. Hlavní výhodou TDD je, že umožňuje uživatelské definování šířky pásma pro uplink a downlink. U FDD je šířka pásma pevně dána a nedá se ovlivnit. Obr. 3.3: Duplexní módy v síti WiMAX WiMAX podporuje několik druhů fyzické vrstvy, nicméně ve většině případů se jedná o následující: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) fyzická vrstva založená na principu ortogonálního frekvenčně děleného multiplexu, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) případně S-OFDMA (Scalable-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) fyzická vrstva založená na principu ortogonálního frekvenčně děleného mnohonásobného přístupu. Princip OFDM spočívá v použití několika stovek až tisíců nosných kmitočtů. V případě sítě WiMAX se používá 256 nosných kmitočtů, což znamená, že datový tok celého kanálu se rozdělí na 256 dílčích datových toků. V závislosti na aktuálních podmínkách pro šíření signálu (viz Obr. 3.4) jsou nosné dále modulovány různě robustními modulacemi (BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM). Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních.

41 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 39 Obr. 3.4: Adaptivní modulace Pro potřeby eliminace mezisymbolové interference ISI (Inter Symbol Interference) je u principu OFDM využíván tzv. cyklický prefix (předpona) CP (Cyclic Prefix), který je tvořen z několika posledních vzorků symbolu OFDM. Tento prefix CP je v časové oblasti reprezentován ochranným intervalem GT (Guard Time), který se nachází mezi sousedními přenášenými symboly OFDM. Tím je zachována ortogonalita jednotlivých nosných a usnadnění synchronizace (viz Obr. 3.5) [13]. Princip OFDM je rovněž vysoce odolný vůči časové disperzi, kterou způsobuje mnohocestné šíření vln. Z tohoto důvodu není potřeba na straně účastnických stanic (v přijímačích) používat složitého principu ekvalizace. Obr. 3.5: Tvorba cyklického prefixu Při použití principu OFDMA je frekvenční pásmo rovněž rozděleno na úzké subkanály (nosné). Oproti OFDM je však možné jednotlivé nosné v jednom časovém okamžiku přiřadit více uživatelům (viz Obr. 3.6). Celkové pásmo je v případě OFDMA rozděleno do M skupin obsahujících N nosných (subkanálů), kdy každý subkanál je vyhrazen pro jednoho uživatele (viz Obr. 3.6). Jednotlivé nosné, jež tvoří jeden subkanál, se pak nenachází v jedné části frekvenčního spektra, ale jsou rozprostřeny po celé jeho šířce. Tento princip nám dovoluje dynamicky vybírat pro uživatele nejméně rušená pásma a tedy i dynamicky vybírat efektivnější typ modulace (viz Obr. 3.4). Přístup OFDMA také umožňuje poměrně snadnou adaptaci moderních anténních technik s více anténami ve vysílači resp. v přijímači. Tyto nové koncepce se realizují ve formě prostorové diverzity nebo prostorového multiplexu a také v podobě antén s řízenými směrovými diagramy (svazky). Princip OFDMA rovněž nabízí možnost snadné adaptivní volby šířky pásma a tedy i přenosových rychlostí uživatelů systému.

42 40 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Obr. 3.6: Porovnání OFDM a OFDMA U mobilní sítě WiMAX se v obou směrech přenosu (downlink i uplink) používá tzv. škálovatelný přístup S-OFDMA, který umožňuje měnit šířku pásma rádiového kanálu v rozmezí 1,25 až 20 MHz. Těchto hodnot se dosahuje změnou rozměru transformace IFFT/FFT, realizující modulaci a demodulaci OFDM. Ke každému užitečnému symbolu se přidává cyklický prefix, zajišťující odolnost vůči mnohacestnému šíření Spojová vrstva MAC Tato vrstva zajišťuje zejména následující funkce: zabezpečení přenosu, efektivní sdílení média, sestavení, údržbu a rozpad spojení, alokace zdrojů, podpora kvality služeb. Přenos dat mezi BS a účastnickými stanicemi probíhá prostřednictvím tzv. rámců. Vzhledem k tomu, že v sítích WiMAX musí být povinně implementována topologie PMP, a tato musí být podporována všemi zařízeními, v následujícím výkladu bude popsán pouze rámec pro tuto topologii. V módu PMP lze použít jak časové dělení TDD, tak i frekvenční dělení FDD. Obr. 3.7 zobrazuje zjednodušenou obecnou strukturu rámce pro režim TDD (odlišnost rámce FDD spočívá pouze v tom, že sestupný a vzestupný směr přenosu není oddělen časově, ale frekvenčně). Struktura rámce je tedy obdobná s tím, že: v případě TDD se mezi jednotlivé subrámce vkládají časové intervaly TTG (Transmit/receive Transition Gap) a RTG (Receive/transit Transition Gap), které anténě umožňující přejít z vysílacího módu do módu přijímacího a naopak. v případě FDD je nutné mezi sestupným a vzestupným směrem přenosu vložit ochranné pásmo, čímž se jednotlivé směry nebudou vzájemně rušit.

43 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 41 Obr. 3.7: Struktura rámce MAC v módu PMP při užití přenosu TDD Každý rámec je zde rozdělen na dva subrámce a to subrámec sestupné trasy DL a subrámec vzestupné trasy UL. Každý rámec respektive subrámec DL musí začínat tzv. preambulí (Preamble), určenou pro účely časové a frekvenční synchronizace a měření přenosových parametrů rádiového kanálu. Za ní následuje záhlaví FCH (Frame Control Header), které popisuje délku a vlastnosti několika následujících datových bloků (informace o konfiguraci rámců, typu kódování apod.) označených jako DL data. Subrámec UL začíná vždy kolizním intervalem rozděleným do několika dílčích intervalů (slotů) umožňujících novým stanicím vstup do sítě a stávajícím stanicím žádat o přidělení přenosových prostředků. Poté následují jednotlivé datové bloky od účastnických stanic (UL data). Obr. 3.8: Struktura rámce systému WiMAX e v režimu časového duplexu TDD Podrobněji je celá situace znázorněna na Obr. 3.8 [12]. Za záhlavím následují pole protokolů pro přístup na média, a to pro sestupnou trasu DL MAP (DownLink Media Access Protocol) a vzestupnou trasu UL MAP (UpLink Media Access Protocol). Protokol DL MAP se využívá k alokaci rádiových zdrojů pro účastnickou stanici SS na trase downlink, protokol UL MAP potom slouží k alokaci rádiových zdrojů pro účastnickou stanici SS ve směru uplink. V rámci protokolů DL MAP a UL MAP jsou mimo jiné přenášeny informace

44 42 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava definující typ modulace a kódování aplikovaných na každý datový blok UCD (Uplink Channel Descriptor) a DCD (Downlink Channel Descriptor). Poté již následuje přenos účastnických dat ve směru downlink, který se uskutečňuje ve formě několika datových bloků (burstů), z nichž každý má přidělen svůj soubor logických subkanálů (subnosných OFDM) a svůj časový interval uvnitř daného subrámce DL. Subrámec vzestupné trasy UL začíná kanálem UL ACK (UL Acknowledgement) určeným pro systém H-ARQ a kanálem Ranging, využívaným ve smyčce zpětné vazby pro nastavení časových, frekvenčních a výkonových relací ve vysílači. Kanál rychlé zpětné vazby CQICH (Channel Quality Indicator Channel) je určen k přenosu indikátoru o stavu kanálu od SS k BS. Účastnická data jsou opět přenášena ve formě několika nezávislých burstů. 3.4 Srovnání sítí WiMAX s WiFi a LTE Od prvního schváleného standardu WiMAX již uplynulo více než deset let a v současné době se pracuje na jeho dalších vylepšeních. WiMAX se stává poměrně vážným konkurentem jak buňkovým sítím HSPA a LTE (WWAN), tak částečně i lokálním sítím WiFi (WLAN). Sítě WiMAX se často srovnávají se sítěmi WiFi. Mezi hlavní rozdíly v případě těchto dvou technologií lze zařadit: Oblast využití obě sítě sice využívají stejné řešení PMP, ale liší se v cílové oblasti jejich nasazení. Sítě Wi-Fi jsou určeny spíše pro vnitřní prostředí (indoor) a jsou primárně navrženy k používání v menších bezdrátových sítích obvykle interního charakteru (WLAN). Jedná se většinou o pokrytí areálů, kde se počítá, že provozovatel a samotní účastnící budou jedna společnost nebo komunita. Naproti tomu sítě WiMAX jsou určeny pro venkovní prostředí (outdoor) a jsou koncipovány jako rozlehlé širokopásmové bezdrátové sítě WMAN. Tyto sítě užívají spíše poskytovatelé internetového připojení ISP (Internet Service Provider) a telekomunikační operátoři a proto je zde implementována podpora QoS. Stabilita rádiového spoje - při rostoucí rychlosti a vzdálenosti klientského zařízení dochází u sítě Wi-Fi ke snižování parametru odstupu nosná/šum SNR. Naopak síť WiMAX díky funkci automatického řízení vysílacího výkonu ATPC (Automatic Transmit Power Control) automaticky reguluje vysílací výkon a udržuje hodnotu parametru SNR na maximální možné úrovni. Díky tomu je rádiové spojení stabilní i při pohybu uživatelského zařízení a měnících se rádiových podmínkách. Přenosovou kapacitu lze rozdělit mezi desítky uživatelů a každému z nich garantovat stabilní přenosovou rychlost. Každému uživatelskému zařízení lze rovněž přidělit jinou šířku pásma dle potřeby konkrétního uživatele. Reálná propustnost obou sítí koreluje s kvalitou rádiového spoje síť Wi-Fi postupně snižuje svoji reálnou propustnost, až dojde k výpadku celého spoje. Naopak síť WiMAX garantuje své parametry i při pohybu. Porovnáme-li sítě WiMAX s mobilními buňkovými sítěmi LTE (Long Term Evolution) nalezneme zde značnou podobnost z hlediska technické implementace, jak ukazuje Tab. 3.3.

45 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 43 Tab. 3.3: Srovnání WiMAX s LTE Oba systémy rovněž vykazují podobné výsledné vlastnosti a tak je možno na ně za určitých podmínek pohlížet jako na konkurenční systémy. Hlavním rozdílem je mimo jiné oblast využití, kdy sítě LTE jsou koncipovány pro pokrytí rozsáhlejšího území (WWAN). Z hlediska dosažitelných přenosových rychlostí pak oba systémy splňují podmínku pro zařazení mezi sítě 4. generace.

46 44 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 4 Rádiové sítě WWAN Tato skupina bezdrátových sítí zajišťuje komunikaci uživatelů v rozsáhlých geografických oblastech. Jedná se o licencované sítě s rozsáhlou infrastrukturou založenou na plošné buňkové (celulární) architektuře, jež jsou provozovány mobilními operátory. Tyto sítě pokrývají svým signálem oblasti téměř celého státu či kontinentu v závislosti na jeho osídlení (obydlených oblastech). Typickou vlastností těchto sítí je mobilita uživatelů, kterým je umožněno využívat telekomunikační služby kdekoli, nezávisle na připojení do sítě. Mobilní rádiové sítě využívají k přenosu informace volné prostředí (volný prostor), ve kterém je informace přenášena od vysílače k přijímači prostřednictvím rádiových vln. Pracují v pásmu ultra krátkých vln UHF (Ultra High Frequency), ve kterém je šíření výrazně ovlivňováno četnými odrazy od překážek. Toto pásmo je v posledních letech dominantně využíváno různými mobilními sítěmi. Vývoj standardů mobilních sítí generace je uveden v Tab Tab. 4.1: Vývoj standardů mobilních sítí Tato kapitola se bude přehledově věnovat všem čtyřem generacím mobilních sítí (NMT, GSM, UMTS a LTE), jež byly či v současné době jsou provozovány mobilními operátory v České republice. 4.1 Analogové sítě 1. generace V případě analogových sítí 1. generace se jednalo o analogové vzájemně neslučitelné systémy (nemožnost mezinárodního roamingu) určené pro hlasové služby využívající přístupovou metodu FDMA. Před více než třiceti lety byl definován standard mobilních sítí první generace NMT, nicméně je potřeba se v krátkosti zmínit rovněž o sítích, které jim předcházely. První komerčně spuštěná bezdrátová síť, kterou je možno zařadit mezi sítě nulté generace (0G), byla finská síť označená zkratkou ARP (AutoRadioPuhelin), což v překladu znamená autorádiotelefon. Přestože se jednalo o buňkovou síť, nebylo zde možno přepojovat spojení mezi jednotlivými buňkami. Jednalo se tedy spíše o jakousi síť separátních vysílačů/přijímačů, se kterými bylo možno navázat spojení, vyskytoval-li se uživatel v jejich dosahu. Síť byla spuštěna v roce 1971 a dosáhla 100 % geografického pokrytí v roce 1978 se 140 funkčními základnovými stanicemi. Síť ARP byla vypnuta na konci roku 2000 [14].

47 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 45 Obdobně jako ve Finsku vznikaly podobné analogové sítě i v ostatních zemích viz Obr. 4.1 [14], jmenovitě: německá síť B-Netz ( ) pracující na frekvenci 150 MHz, americký systém MTS (Mobile Telephone System) provozovaný v letech zpočátku na frekvencích 35 MHz, později na frekvencích 150 a 455 MHz, IMTS (Improved Mobile Telephone Service), rozšíření standardu MTS, japonský systém AMTS (Advanced Mobile Telephone System) z roku1979 pracující na frekvencích okolo 900 MHz, český systém AMRAD (Automatizovaný Městský RADiotelefon) z roku1983 pracující na frekvencích okolo 160 MHz, norský systém veřejné pozemní mobilní telefonie OLT (Offentlig Landmobil Telefoni) z roku1966 pracující na frekvencích okolo 160 MHz, a švédský systém MTD (Mobiltelefonisystem D) z roku1971 pracující na frekvencích okolo 450 MHz; později byl tento systém spuštěn rovněž v Norsku a Dánsku a umožňoval mezinárodní roaming. Obr. 4.1: Analogové sítě nulté generace NMT Síť NMT (Nordisk MobilTelefoni, Nordic Mobile Telephony) vznikla jako náhrada skandinávských sítí nulté generace ARP a MTD. Tato síť byla spuštěna roku 1981 ve Švédsku a Norsku a v roce 1982 také ve Finsku a Dánsku. Roku 1991 byla síť NMT spuštěna i v tehdejší ČSFR (Československé federativní republice). Síť NMT byla prvotně specifikována pro použití v okolí kmitočtu 450 MHz a z tohoto důvodu se tato síť označovala jako NMT-450. Mezi základní parametry této sítě lze uvést: vysílací pásmo ,5 MHz směrem k uživateli (downlink) a vysílací pásmo ,5 MHz směrem od uživatele (uplink), 180 kanálů o šířce 25 khz, metoda mnohonásobného přístupu FDMA (Frequency Division Multiple Access), vysílací výkon základnové stanice BTS (Base Ttransceiver Station) až 50 W, u automobilové stanice typicky 15 W a pro uživatelskou stanici 1,5 W, duplexní přenos,

48 46 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava analogová síť (hovor nebyl kódován digitálně, byla použita frekvenční modulace FM, nezabezpečené hovory (nebylo použito kódování, hovory mohly být odposlouchávány libovolným přijímačem FM, naladěným na vhodnou frekvenci). Od roku 1999 však bylo možné použít tzv. skrambling (pokud jej základnová i uživatelská stanice podporovaly a dohodly se na jeho použití při sestavení hovoru), signalizace modulována modulací MSK (Minimum Shift Keying) s přenosovou rychlostí signalizace 1200 bit/s, velikost buňky od 1,8 do 40 km, měkký handover, čas handoveru cca 1 sekunda. V roce 1986 byla uvedena specifikace NMT-900, jejíž hlavním přínosem bylo znásobení počtu dostupných kanálů, tedy navýšení kapacity sítě. V parametrech sítě došlo k následujícím změnám: rozšíření vysílacích pásem na frekvence MHz ve směru downlink a MHz ve směru uplink (viz obrázek 2.4), změna vzdálenosti hovorových kanálů (duplexní pár) z 10 na 45 MHz, navýšení počtu dostupných kanálů o 1000 kanálů při zachované šířce 25 khz, snížení vysílacího výkonu základnové stanice na max. 25 W, u automobilové stanice na 6 W a u uživatelské stanice na 1 W, změna velikosti buňky na 2 až 20 km, snížení času pro handover na 0,3 sekundy. Architektura sítě NMT byla založena na buňkové struktuře, kdy území pokryté signálem bylo rozděleno na jednotlivé buňky. Základnové stanice, které byly umístěny obvykle uprostřed každé buňky, byly připojeny pomocí rádiové linky nebo čtyřdrátovými telefonními linkami k radiotelefonní ústředně MTX (Mobile Telephone Exchange). Jednotlivé ústředny mohly být připojeny k pevné telefonní síti PSTN (Public Switched Telephone Network). Jejich vzájemné propojení se provádělo čtyřdrátovými telefonními linkami Další systémy 1. generace Další z analogových sítí první generace je americká síť AMPS (Advanced Mobile Phone System), vyvíjená v 70. letech 20. století a poprvé použita v Chicagu v roce Postupem času se dále rozšířila v USA, Kanadě, Mexiku, Jižní Americe, Austrálii a v Izraeli. Výrazem TACS (Total Access Communication System) či ETACS (European TACS), na Obr. 4.2 [14], jsou označeny evropské varianty systému AMPS používané v několika evropských zemích jako Rakousko, Irsko, Itálie, Španělsko a Velká Británie. V Německu došlo k nahrazení analogové sítě B-Netz jiným standardem, tzv. C-Netz (Funktelefonnetz-C), označovaným i jako C 450. Tato síť dosáhla maxima na začátku 90. let s počtem zákazníků okolo 800 tisíc. Vypnutí této sítě se datuje k Síť C-Netz byla provozována rovněž v Portugalsku. Ve Francii byla v pásmu okolo frekvence 400 MHz v provozu síť RadioCom 2000 společně se sítí NMT-F (Nordic Mobile Telephone "Français").

49 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 47 Obr. 4.2: Vybrané evropské mobilní sítě první generace V Tab. 4.2 [9] je uveden přehled základních světových standardů analogových systémů 1. generace s uvedením jejich základních technických parametrů. Tab. 4.2: Základní světové standardy analogových systémů 1. generace 4.2 Digitální sítě 2. generace Zatímco nultá generace mobilních sítí ověřila funkčnost a použitelnost celého konceptu mobilních sítí, tak první generace přinesla ve vyspělých zemích poměrně velké množství zákazníků. Protože se jednalo o drahou technologii, prvními uživateli sítě byli firemní zákazníci a movitější občané. Se zlevněním mobilních stanic se technologie postupně stávala dostupnou i pro ostatní skupiny obyvatelstva. Mobilní analogové sítě však měly jisté nevýhody, mezi které lze zařadit zejména možnost odposlechu a nemožnost použití tzv. mezinárodního roamingu. Sítě druhé generace se proto zaměřily hlavně na vyřešení těchto problémů Síť GSM V Evropě bylo sjednocení požadavků trhu a telekomunikačních společností svěřeno evropskému telekomunikačnímu úřadu CEPT (Conference Europeenne des Postes et Telecommunications). Ten dal vzniknout skupině GSM (Groupe Spécial Mobile), jejímž úkolem bylo vyvinout digitální komunikační radiový systém pracujícím na frekvencích v okolí 900 MHz. Mezi hlavní požadavky, jež byly kladeny na nově vyvíjený systém, byla podpora mobility a zavedení mezinárodního roamingu, vyšší provozní kapacita, vyšší kvalita spojení, vysoká úroveň zabezpečení proti odposlechu, rozšíření sortimentu nabízených služeb a součinnost se sítěmi ISDN. Vznikl mobilní systém pojmenovaný dle této skupiny GSM

50 48 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava (používající zprvu původní sousloví, které bylo poté změněno na Global System for Mobile communications). První evropská síť GSM byla spuštěna ve Finsku v roce O další rozvoj systému se pak dále staral evropský standardizační institut ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Základní verze sítě GSM nesoucí označení PGSM (Primary GSM) byla určena pro provoz v okolí kmitočtu 900 MHz a lze ji charakterizovat následovně: dvě vysílací pásma o šířce 25 MHz MHz ve směru uplink a MHz ve směru downlink; pozdější rozšířený standard EGSM (Extended GSM) tato pásma rozšiřuje o 10 MHz na MHz a MHz, 124 kanálů (174 kanálů v E-GSM) o šířce 200 khz, kombinovaná metoda mnohonásobného přístupu FDMA (Frequency Division Multiple Access) / TDMA (Time Division Multiple Access), kdy je na každém rádiovém kanále vytvořeno 8 účastnických kanálů (timeslotů), vysílací výkon základnové stanice BTS až 50 W a mobilní stanice max. 2 W, plně digitální síť s duplexním přenosem používající modulaci GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying), která omezuje přenášený výkon v postranních pásmech a tím snižuje interferenci mezi účastníky, zabezpečená síť s potřebou autentizace účastníka na principu výzva-odpověď (challenge-response) a následným šifrováním komunikace šiframi A5/1 nebo A5/2, velikost buňky od cca 50 m do 35 km, handover MAHO, který je řízený za spoluúčasti mobilní stanice. Síť GSM používá modulaci GMSK se symbolovou rychlostí 270,833 kbit/s a rozestupem kanálů 200 khz (FDMA). Protože se sousední kanály překrývají, viz Obr. 4.3 [14], tento standard nedovoluje použití sousedících kanálů ve stejné buňce. Obr. 4.3: Frekvenční dělení v síti EGSM Standard obecně definuje několik přenosových pásem od 400 MHz až po 1990 MHz (většina pásem byla definována v pozdějších standardech spadajících do generace 2,5 G). Odstup kanálů vždy zůstává na hodnotě 200 khz a rozestup kanálu příchozího a odchozího směru (downlink/uplink) je 45 MHz (PGSM, EGSM) nebo 95 MHz v případě sítě GSM 1800 označované rovněž jako DCS 1800 (Digital Cellular Service). Každý duplexní pár těchto kanálů (dowlink/uplink) je identifikován tzv. číslem ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Síť GSM 1800 má k dispozici dvě vysílací pásma o šířce 75 MHz, pásmo

51 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO MHz ve směru uplink a pásmo MHz ve směru downlink; ve kterých je vytvořeno celkem 374 rádiových kanálů. V rámci procesu sestavení spojení, během probíhající komunikace i po jejím skončení je mezi mobilní a základnovou stanicí přenášeno množství různých účastnických a řídících informací, na základě kterých jsou rozlišovány různé logické kanály. Logické kanály jsou sdružovány do kanálů fyzických, které jsou definovány číslem timeslotu a číslem rádiového kanálu (ARFCN). Logické kanály jsou v síti GSM rozděleny na provozní (přenosové) TCH (Traffic Channel) a řídící (signalizační) kanály CCH (Control CHannel). Provozní kanály jsou určeny k přenosu hovorových a datových signálů. Signalizační kanály slouží k přenosu řídících a informačních údajů souvisejících se sestavením, udržením a rozpadem spojení a pro potřeny zajištění doplňkových služeb. 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 [9]: použití karty SIM (Subscriber Identity Module), anonymita účastníka a místa pobytu pomocí přechodného označení účastníka (TMSI), ověření totožnosti účastníka (autentizace), diskrétnost dat na rádiovém rozhraní pomocí zakódování (šifrování dat). Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval přístup i do jiných sítí. Na Obr. 4.4 [14] je znázorněna architektura systému GSM. Skládá se ze tří tzv. subsystémů: Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) tento subsystém, který je nazýván rovněž jako rádiový subsystém, poskytuje a spravuje přenosové cesty mezi mobilními stanicemi a síťovým subsystémem NSS. Subsystém BSS obsahuje základnové stanice BTS (Base Tranceiver Station) zajišťující rádiové spojení s mobilními stanicemi MS (Mobile Station), základnové řídící jednotky BSC (Base Station Controller), které řídí větší počet BTS (obvykle několik desítek až stovek) a transkódovací jednotky TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit), které slouží pro přizpůsobení bitových rychlostí, převod formátů signálů PCM apod. Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) tento subsystém, který se označuje také jako mobilní resp. radiotelefonní ústředna, představuje hlavní (pevnou) část sítě GSM, která realizuje především přepojovací (spínací funkce), řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM a mezi účastníky externích telekomunikačních sítí. Tento subsystém tvoří radiotelefonní ústředna MSC (Mobile Switching Centre), která zajišťuje směrování hovorů z jednoho BSC do druhého, do jiné MSC, zajišťuje výstavbu spojení. Dále obsahuje domovský lokační registr HLR (Home Location Register), což je databáze uchovávající důležité informace o všech účastnících příslušejících domovsky do oblasti dané ústředny NSS a návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register), což je databáze uchovávající a obnovující data o cizích účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí

52 50 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava v dané oblasti. Rovněž se zde nachází centrum autentičnosti AuC (Authenticity Centre), jehož funkce souvisí se zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní, Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) a centrum krátkých textových zpráv SMSC (Short Message Service Center). Operační podpůrný subsystém OSS (Operation Support Subsystem) do tohoto subsystému mají přístup výhradně zaměstnanci daného operátora. Úkolem tohoto subsystému je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM. Tento subsystém obsahuje provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance Centre) nazývaný rovněž jako dohledové centrum, které se používá pro vzdálené centralizované řízení provozu a procesy údržby celé sítě, tedy monitorování a provádění údržby všech bloků MS, BTS, BSC a MSC v rámci daného systému GSM. Centrum managementu (řízení) sítě NMC (Network Management Centre) je pak odpovědné za administraci, údržbu, integritu dat, za obnovu síťových parametrů, za nahrávání softwaru a dat do síťových prvků a databází. Posledním funkčním blokem tohoto subsystému je administrativní centrum ADC (Administrative Centre). Obr. 4.4: Architektura sítě GSM V každém ze subsystémů sítě GSM jsou mezi jednotlivými bloky a uzly definována rozhraní. Pro datové přenosy jsou nejvíce svazující a omezující rozhraní v subsystému BSS. Jedná se o tato rozhraní: Um rádiové rozhraní mezi mobilní a základnovou stanicí. Na tomto rozhraní je dosahována max. hrubá přenosová rychlost jednoho kanálu 22,7 kbit/s. Abis rozhraní mezi základnovou stanicí BTS a řídícím uzlem BSC. Většinou je provedeno spojem typu DS-1 (T1) nebo E1 okruhově orientovaném a časově děleném multiplexu TDM (Time Division Multiplexing) po optickém, metalickém nebo rádiovém (mikrovlnném) médiu. Přenosová rychlost jednoho časového kanálu je 64 kbit/s, tedy celková rychlost jednoho spoje včetně řízení je 2048 kbit/s. Počet spojů E1 je většinou od čtyř až po 32. A rozhraní mezi řídícím uzlem BSC a mobilní ústřednou MSC. Toto rozhraní je použito pro přenos dat ze subsystému BSS do subsystému NSS a většinou

53 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 51 realizováno optickými spoji typu PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) nebo SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Základní typ datového přenosu specifikovaný v prvních fázích vývoje sítě GSM je nazýván jako okruhově orientovaný přenos dat CSD (Circuit Switched Data). Jedná se o spojení typu bod-bod. U přenosů tohoto druhu vzniká po ustanovení mezi oběma stranami souvislá přenosová cesta s předem vyhrazenou a garantovanou přenosovou kapacitou kanálu. Pro přenos se používá jeden timeslot s hrubou přenosovou kapacitou 33,8 kbit/s, z této je 11 kbit/s využito k zajištění funkčnosti samotné sítě GSM a dalších 13,2 kbit/s je rezervováno pro režii mechanismů zajištujících spolehlivost přenosů, tedy pro kanálové kódování. Zbývajících 9,6 kbit/s je k dispozici pro čistý datový tok. Nevýhodou tohoto typu spojení je jeho nízká rychlost, dlouhá doba sestavení spojení a tarifikace, kdy účastník platí i za dobu, během které se nepřenášejí žádná data. Výhodou tohoto způsobu přenosu dat ovšem byla jeho relativně jednoduchá implementace Další systémy 2. generace V Americe byl analogový systém AMPS převeden do digitální podoby D-AMPS (Digital AMPS). Tento zaštiťuje dva standardy, tzv. IS-54 (Interim Standard-54) a IS-136, který vylepšoval původní IS-54 a přidával například podporu datových přenosů CSD. Dalším americkým standardem byl systém IS-95 uvedený do provozu v roce 1993, který již v této době používal kombinovaného přístupu TDMA/CDMA. V Tab. 4.3 [9] je uveden přehled vybraných základních světových standardů digitálních systémů 2. generace s uvedením jejich základních technických parametrů. Tab. 4.3: Základní světové standardy digitálních systémů 2. generace Mezi další systémy 2. generace můžeme zařadit japonské systémy známé pod označením PDC (Personal Digital Cellular) či JDC (Japan Digital Cellular).

54 52 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 4.3 Digitální sítě 2,5. a 2,75. generace Vývoj sítí druhé generace představoval zejména změny v architektuře sítí a implementaci nových služeb. Tato generace tvoří jakýsi přelom mezi systémy druhé generace, jež se orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především na služby datové. Nejedná se tedy o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících systémů druhé generace, která umožňují operátorům nabídnout vyšší rychlosti pro přenos dat pro koncové uživatele. Navýšení přenosových rychlostí řeší systémy 2,5 a 2,75 generace, které umožňují přenos datových signálů přenosovými rychlostmi desítky až stovky kbit/s. Systém GSM byl původně navržen především pro přenos hovorových signálů a ve své základní variantě umožňuje i přenos datových signálů s přenosovou rychlostí až 9,6 kbit/s, která však přestala vyhovovat tehdejším požadavkům HSCSD Standard HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) z roku 1997 představuje vysokorychlostní přenos dat s přepojováním okruhů umožňující maximální teoretickou přenosovou rychlost 57,6 kbit/s. Umožňuje přenos dat v síti GSM vyšší rychlostí bez nutnosti hardwarového zásahu do její architektury. HSCSD používá nové kanálové kódovací metody, které zvyšují přenosovou rychlost v jednom kanálu z běžných 9,6 kbit/s (rychlost platná pro klasický přenos dat v síti GSM) na 14,4 kbit/s. Dále umožňuje kombinaci timeslotů, kdy sdružením až 4 timeslotů lze vytvořit kanál s přenosovou rychlostí 57,6 kbit/s. Hlavní výhoda HSCSD, oproti jiným nově uvedeným druhům přenosu dat, spočívá v relativně jednoduchém, levném a rychlém způsobu implementace rychlejších přenosů dat v síti GSM, protože je nutné provést pouze malé úpravy na zařízeních v síti (implementace nového softwaru). Uživatelské stanice ovšem musí být vylepšeny tak, aby podporovaly přenos využívající více timeslotů najednou GPRS První zkoušky všeobecné paketové rádiové služby GPRS (General Packet Radio Service) proběhly v roce 1998 a první veřejný datový přenos pak v roce Specifikaci tohoto systému vypracoval evropský standardizační telekomunikační institut ETSI. Vzhledem k tomu, že systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, je nutné doplnit jak mobilní stanici, tak i další částí systému GSM o nové funkční bloky, jak je znázorněno na Obr. 4.5 [14].

55 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 53 Obr. 4.5: Architektura sítě GPRS V rámci architektury sítě GSM byla přidána nová třída síťových prvků zvaná podpůrné uzly GPRS, zkráceně GNSs (GPRS Support Nodes). Tyto podpůrné uzly GSNs zodpovídají za doručení a směrování datových paketů mezi mobilními stanicemi a vnějšími datovými paketovými sítěmi: Podpůrný uzel přechodu (brány) GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) jedná se o standartní směrovač, jehož úkolem je zajišťovat komunikaci sítě GPRS s jinými paketovými sítěmi, např. se sítí Internet (chová se jako rozhraní k externím paketovým sítím). 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. Mezi jeho úkoly patří směrování a přenos paketů, funkce připojení/odpojení MS a jejich autentifikace a také správa logických spojení. 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. Síť GPRS může obsahovat velké množství uzlů SGSN a GGSN, které jsou vzájemně propojené páteřní sítí. GPRS umožňuje navýšení maximální teoretické přenosové rychlosti na 171,2 kbit/s a to za předpokladu, že MS použije všech 8 timeslotů bez korekce chyb. Na rádiovém rozhraní byly pro kódování signálu specifikovány pro GPRS čtyři různé kódovací systémy CS (Coding Scheme), viz Tab. 4.4 [9]. Kódovací systém CS1 představuje nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám, zatímco kódovací systém CS4 má velice nízkou odolnost vůči chybám, zato však umožňuje dosáhnout nejvyšší přenosové rychlosti. Rychlost přenosu zejména závisí na úrovni rušení v rádiovém prostředí. Síť GPRS zpočátku své existence využívala především volnou kapacitu hovorových kanálů GSM. Pro zabezpečení potřebné přenosové kapacity bylo však potřebné rozšířit síť o kanály vyhrazené jen pro přenosy GPRS. Při samotném přenosu dat se v GPRS používá stejná modulace, stejná frekvenční pásma, stejná infrastruktura a stejná pravidla jako v síti GSM. Tab. 4.4: Systémy kódování GPRS Mobilní stanice musí podporovat vždy všechna čtyři kódová schémata, při reálném přenosu ovšem záleží také na technologii základnové stanice a nastavení ze strany operátora (obsazení počtu timeslotů). Podle počtu použitelných timeslotů ve směru uplink a downlink pak rozlišujeme různé třídy GPRS. V praxi je nejužívanější konfigurací třída 10 (4+1, 4 timesloty pro směr downlink a 1 timeslot pro směr uplink), což je zpravidla maximální

56 54 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava konfigurace podporovaná sítí. Výhodou GPRS oproti HSCSD je vyšší přenosová rychlost, kratší doba sestavení spojení a tarifikace podle množství přenesených dat EDGE Další vývoj sítě GSM přinesl Release 98. Zlepšena byla podpora kvality služeb QoS (Quality of Service) v subsystému základnových stanic BSS, nově byla zavedena možnost přenosu multimediálních zpráv MMS (Multimedia Messaging Service), ale hlavně byly specifikovány rychlejší datové přenosy v podobě tzv. zdokonalení datových přenosů pro rozvoj GSM označovaného jako EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Standart EDGE podporuje paketový přenos dat a umožňuje navýšení maximální teoretické přenosové rychlosti na hodnotu 384 kbit/s. Této vyšší rychlosti je dosaženo použitím jiné digitální modulace. Využití tohoto standardu proto vyžaduje zásah do hardwarového řešení BTS i MS. Rozeznáváme: ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) zdokonalení datových přenosů s přepojováním okruhů, nebo-li vylepšené HSCSD, EGPRS (Enhanced General Packet Radio System) zdokonalení datových přenosů s přepojováním paketů, neboli vylepšené GPRS, které nalezlo širší uplatnění než ECSD, a proto je následující text věnován této variantě standardu EDGE. Na rozdíl od zmíněných datových přenosů EDGE nepoužívá pouze modulaci GMSK, ale i osmi stavovou modulaci 8-PSK, viz Obr. 4.6 [14]. Jeden přenesený symbol tak reprezentuje 3 bity, čímž se až 3 krát navyšuje teoretická přenosová rychlost. Obr. 4.6: Modulace GMSK a 8-PSK V rámci zachování kompatibility se systémem GSM je při komunikaci dle EDGE většina parametrů fyzické vrstvy shodná s původní specifikací GSM, tedy odstup nosné 200 khz a také složení rámce TDMA. Bylo zde definováno 9 modulačních a kódových schémat MCS (Modulation and Coding Scheme) kombinující nastavení jednotlivých parametrů podle aktuální kvality rádiového spojení, jak je uvedeno v Tab 4.5. Nová kódová schémata využívající stávající modulaci GMSK (MCS-1 až MCS-4) jsou odlišná od kódových schémat CS-1 a CS-2 systému GPRS.

57 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 55 Tab. 4.5: Systémy kódování EGPRS Třídy EGPRS jsou shodné s třídami systému GPRS a obdobně jako u služby GPRS je i v případě EGPRS v praxi nejužívanější konfigurace třídy Digitální sítě 3. generace Nedostatkem sítí druhé generace byla stále nedostatečná přenositelnost, konkrétně odlišnost digitálních sítí evropských, amerických a japonských. Specifikace jednotného standardu, stejně jako specifikace rychlejších datových přenosů a aplikace IP protokolu, se staly hlavními předpoklady mobilních sítí třetí generace (3G), které vzhledem k vysokému počtu zákazníků a množství technologie musely vycházet z již provozovaných sítí 2G. Ty však byly vzájemně tak odlišné, že se původně plánovaný jednotný standard sítě 3G, zvaný IMT-2000 (International Mobile Telephony ) rozpadl na celou rodinu standardů 3G. V Evropě se třetí generace sítí nazývá UMTS (Universal Mobile Telephony System), v Americe se používá také název CDMA 2000 (vývoj ze systému IS-95). V této generaci digitálních systémů je hlavní důraz kladen na vysokorychlostní přenos dat se zaměřením na multimediální služby. Systém UMTS je evropskou formou sítě 3G vyvíjenou nejprve organizací ETSI. Poté vývoj plně přešel pod partnerský projekt 3GPP (3rd Generation Partnership Project) standardizačních organizací států Evropy, Japonska, Severní Ameriky a Jižní Koreje. Specifikační proces pro datové přenosy byl založen na: definování nové přístupové sítě UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) včetně nových prvků a rozhraní, minimalizování změn v páteřní síti, vytvoření vyspělého rozhraní mezi těmito částmi sítě, podpoře rychlých datových přenosů a pokročilých služeb, postupný přechod k aplikaci protokolu IP v síti, integraci stávajících služeb sítě GSM. Architektura systému UMTS vychází ze systému GSM, základní dělení sítě zůstalo shodné, došlo pouze k odlišnému pojmenování jednotlivých částí. Přístupová síť, která musela být vzhledem k provozování tohoto systému na jiných frekvencích vybudována zcela nově, se nazývá UTRAN. Tato část sítě je tvořena základnovými stanicemi, tzv. Node B (uzly B), ke kterým jsou přes rádiové rozhraní připojené mobilní stanice UE (User Equipment). Základnová stanice Node B je připojena ke kontroléru RNC (Radio Network

58 56 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Controler). Řídící kontrolér RNC a jím ovládané stanice Node B dohromady tvoří rádiový subsystém RNS (Radio Network Subsystem). Rádiová přístupová síť je spojena s páteřní sítí CN (Core Network), které umožňuje okruhově orientované přenosy CS (Circuit Switched), i paketově orientované přenosy PS (Packet Switched). Architekturu a vzájemné propojení systému UMTS a systému GSM 2,5G lze vidět na Obr. 4.7 [14]. Obr. 4.7: Architektura sítě UMTS Systém UMTS lze charakterizovat následovně: metoda mnohonásobného přístupu CDMA, kdy jednotliví uživatelé vysílají na stejné frekvenci, ale jsou od sebe odděleni unikátním kódem, a to ve dvou formách: širokopásmové W-CDMA (Wideband CDMA), tedy tzv. UMTS-FDD (UMTS- Frequency Division Duplex), kde je odchozí a příchozí směr provozu oddělen frekvenčně, nejpoužívanější způsob sítě UMTS se dvěma párovými pásmy o šířce 60 MHz na frekvencích MHz pro směr uplink a pásmo MHz pro směr downlink časově dělené TD-CDMA (Time Division CDMA), tedy tzv. UMTS-TDD (UMTS- Time Division Duplex), kde je odchozí a příchozí směr provozu oddělen časově, používá dvě vyčleněná nepárová spektra MHz a MHz šířka rádiového kanálu 5 MHz, modulační technika QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), plně digitální duplexní síť, handover v systému UMTS je definován v několika podobách, přenosová rychlost závislá na rychlosti pohybu mobilního uživatele s teoretickým maximem 2 Mbit/s. UMTS dále počítá zejména s využitím rádiového spektra v kmitočtových pásmech MHz a MHz pro družicové pohyblivé služby MSS (Mobile Satellite Services). Finální rozdělení frekvenčního pásma pro UTRA/FDD (Universal Terrestrial Radio Access) je definován v technické specifikaci ETSI TS , jejíž poslední verze definuje 26 párových pásem.

59 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Digitální sítě 3,5. a 3,9. generace Během vývoje sítě UMTS bylo předvídáno, že datový provoz v této síti bude následovat trend zažitý z pevných sítí, tedy obecnou dominantnost provozu IP (Internet Protocol). V rámci projektu skupiny 3GPP byl proto spuštěn koncept označovaný jako All IP, tedy postupný vývoj sítě k přenosu IP paketů od uživatele k cíli přes síť UMTS bez zbytečných překódování. V páteřní síti byl v rámci specifikace Release 5 specifikován IP multimediální podsystém IMS (IP Multimedia Subsystem), jehož cílem bylo v rámci architektury UMTS umožnit kontrolovaný a řízený přenos multimediální komunikace (provoz IP prostřednictvím paketově přepínané domény UMTS). Pozornost byla tedy dále zaměřena na přístupovou síť UTRAN. V důsledku uskutečněných změn souvisejících s řízením výkonu společného paketového kanálu se ověřily potenciální možnosti rádiového rozhraní při aplikaci dalších vylepšení, které byly následně specifikovány jak pro směr downlink, tak i pro směr uplink. Nové verze specifikací Release 5 a Release 6 přináší do UMTS modifikace ve formě HSPA (High Speed Packet Access) vedoucí k vyšší přenosové rychlosti a lepší propustnosti sítě. Pod společné označení HSPA, představující sítě 3,5G, spadají dvě technologie: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) vysokorychlostní paketový přístup ve směru downlink, vyšší datová propustnost, redukce zpoždění, max. teoretická přenosová rychlost 10 Mbit/s. HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pojmenování HSUPA vzešlo od firmy Nokia, sdružení 3GPP namísto toho používá termín vylepšený uplink EUL (Enhanced Uplink). V principu jde o aplikaci metod a technik použitých v HSDPA pro směr uplink. vysokorychlostní paketový přístup ve směru uplink, zvýšení kapacity a propustnosti, redukce zpoždění, max. teoretická přenosová rychlost 5,74 Mbit/s. V rámci HSPA došlo zejména k zavedení adaptivní modulace a kódování AMC (Adaptive Modulation and Coding) dle aktuálních podmínek v rádiovém kanálu (QPSK, 16-QAM) a hybridní metody s automatickou žádostí o opakování datových bloků HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), která v sobě zahrnuje dva mechanismy, tedy mechanismus korekce chyb FEC (Forward Error Correction) a automatickou ºžádost o opakování ARQ (Automatic Repeat Request). Cílem techniky HARQ je zejména zlepšení efektivity a tedy i dostupné přenosové rychlosti rádiového kanálu v případě detekce chyb. V souvislosti s 3,5 generací mobilních sítí je potřeba se zmínit o standardu E-EDGE (Evolved/Evolution EDGE), který by se dal volně přeložit jako tzv. vyvinuté Jedná se o přídavné rozšíření standardu GSM v rámci 3GPP, které dále rozšiřuje možnosti EDGE a to tak, že ve výsledku je teoreticky možné dosáhnout přenosové rychlosti přes 1 Mbit/s a zpoždění okolo 80 ms. Vylepšení těchto vlastností bylo dosaženo pouhými softvérovými změnami v přístupové síti. Vzhledem k tomu, že tento typ komunikace vyžadoval použití nových koncových zařízení s podporou tohoto standardu a vzhledem k tomu, že výrobci nepředstavili jediný mobilní přístroj, který by jej podporoval, tento standard se nakonec nedočkal praktického uplatnění a tak ani nebyly prakticky ověřeny dosažitelné přenosové rychlosti.

60 58 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Další skupina mobilních sítí, označovaná jako 3,9G, sice představuje vývojové vylepšení sítí 3,5G, ale ještě zcela nesplňuje požadavky na sítě čtvrté generace 4G. Do této kategorie můžeme zařadit sítě HSPA+ a LTE (Long Term Evolution), jejichž specifikace jsou založeny na posledních dostupných technologických inovacích. V případě sítí HSPA+ (Release 7) se jedná o specifikaci, jež dále zdokonaluje a vylepšuje původní systémy HSDPA a HSUPA. Vývoj této sítě, známé rovněž pod označenímo Evolved HSPA byl ukončen na konci roku Mezi tato vylepšení můžeme zařadit: použití techniky více vstupů, více výstupů MIMO (Multiple Input MultipleOutput) jde o multi-anténní systém používaný v oblasti bezdrátových sítí, viz Obr. 4.8 [14]. Tento systém používá více antén, které musí být rozmístěny v určité konkrétní vzdálenosti od sebe. Rádiová komunikace za pomocí techniky MIMO využívá vícecestné šíření signálu ke zvýšení propustnosti a dosahu nebo ke snížení počtu bitové chybovosti přenosu. Tyto systémy dokážou díky většímu počtu antén správně interpretovat a vyhodnotit přijatá data. Konfigurace je často udávána jako počet vysílacích prvků x počet přijímacích prvků nebo naopak. Obr. 4.8: Technika MIMO v konfiguraci N x M použití efektivnějších modulací vyšších řádů ve směru uplink i ve směru downlink, možnost implementace architektury All-IP, která specifikuje připojení základnové stanice Node B do sítě operátora přes standardní gigabitový ethernet, což vede k urychlení provozu. V kombinaci všech výše uvedených principů je možno dosáhnout ve směru uplink přenosové rychlosti až 22 Mbit/s a ve směru downlink přenosové rychlosti až 56 Mbit/s. Pod pojmem LTE (Long Term Evolution), který je možno doslovně přeložit jako dlouhodobý rozvoj je označován projekt skupiny 3GPP (Release 8 a Release 9), který se zabývá vývojem v oblasti rádiové části přístupové sítě UTRAN. Jeho protějškem zabývajícím se vývojem jádra sítě EPC (Evolved Packet Core) je projekt SAE (System Architecture Evolution). LTE a SAE dohromady tvoří tzv. vyvinutý paketový systém EPS (Evolved Packet System), jak je znázorněno na Obr. 4.9 [14]. Systém EPS představuje v souvislosti se specifikací kompletně nového rádiového rozhraní a vývoje v přístupové a páteřní části sítě, významný krok v mobilní komunikaci.

61 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 59 Obr. 4.9: Architektura sítě LTE Mezi hlavní rysy standardu LTE patří: zlepšení výkonnosti docílené použitím ortogonálního multiplexu s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ve směru downlink. Jedná se o přenosovou techniku pracující s rozprostřeným spektrem až 20 MHz, kdy je signál vysílán na několika stovkách až tisících nezávislých nosných kmitočtech, což zvyšuje šanci na nejlepší přizpůsobení se aktuálním podmínkám v daném frekvenčním pásmu (každá samostatná nosná je modulována modulacemi QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM), čistě paketový systém, kde hlavní roli přebírá protokol IP (unifikace architektury), jednodušší architektura sítě, kdy jako jediný uzel přístupové sítě E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) figuruje základnová stanice enode B (evolved Node B) - tímto se také snížil počet rozhraní (S1, X2), podpora proměnné šířky pásma: 1,4; 3; 5; 10; 15 a 20 MHz, využití technologie MIMO, velmi nízké latence (časy sestavení spojení a přenosová zpoždění jsou velmi krátké), maximální přenosová rychlost datových kanálů je 86,4 Mbit/s ve směru uplink a 326,4 Mbit/s ve směru downlink, zpětná kompatibilita a spolupráce se sítěmi GSM, UMTS a CDMA2000. Na systém LTE se poprvé pohlíží jako na celosvětovou technologii, která by měla dostát požadavkům systému IMT Je tomu tak proto, že společnosti stojící za technologií CDMA2000 upustili od vývoje konkurenčního standardu zvaného UMB (Ultra Mobile Broadband) podporovaného především firmou Qualcomm a přiklonili se k technologii LTE. Cílem UMB bylo dosažení přenosové rychlosti 275 Mbit/s ve směru downlink a 75 Mbit/s ve směru uplink. Plánováno bylo použití OFDM, variabilní šířka spektra a architektura plně založená na protokolu IP.

62 60 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 4.6 Digitální sítě 4. generace Každá generace sítí sebou přináší jistou zásadní změnu, která změní povahu nabízené služby. Touto změnou byla: při přechodu ze sítí 1G na 2G digitalizace sítí, při přechodu ze sítí 2G na 3G zaměření na multimédia, při přechodu ze sítí 3G na 4G architektura All-IP plně založená na protokolu IP. Požadavky na sítě 4G specifikovala organizace ITU-R v doporučení IMT Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced): přenosová rychlost 100 Mbit/s pro pohyblivý mobilní přístup a 1 Gbit/s pro tzv. nomadický přístup (komunikace, možný přesun a opětovná komunikace na jiném místě s žádným nebo minimálním pohybem mobilní stanice během komunikace), využití variabilního frekvenčního pásma o minimální hodnotě 40 MHz, využití ortogonálního multiplexu s kmitočtovým dělením OFDM. Prvním z kandidátů na mobilní síť 4G je tzv. pokročilé LTE označované jako LTE-A (LTE Advanced). Jedná se o rozšíření stávající sítě LTE, která nevyhovuje požadavku na síť 4G v poskytovaných rychlostech a šířce variabilního spektra, a se kterou by měla být zpětně kompatibilní. První specifikace je uvedena v 3GPP jako tzv. Release 10 následována dalším vylepšením ve specifikaci Release 11. LTE-A přináší nové vlastnosti jako sdružování nosných frekvencí, tzv. CA (Carrier Aggregation), kdy celková variabilní šířka pásma může dosáhnout až k 100 MHz. Toto pásmo se skládá z mnohonásobných základních frekvenčních bloků CCs (Component Carriers) o šířce např. 20 MHz, které jsou zpětně kompatibilní s původním LTE. Příklad možného sdružování nosných frekvencí je znázorněn na Obr [14]. Přidělení jednotlivých nosných pak podporuje současné použití sousedních i nesousedních frekvencí, včetně asymetrického uspořádání FDD. Obr. 4.10: Sdružování nosných frekvencí v síti LTE-A Další připravovanou verzí standardu skupiny 3GPP (Release 12 a Release 13) je standard mobilní sítě označovaný jako LTE-B, jehož cílem je zejména vylepšení stávajících technik MIMO a zavedení techniky LTE-Hi (LTE Hotspot improvements and small cells) a Multi-RAT Operations, což je koncept sloučení více technologií (nap. LTE, UMTS, HSPA a EDGE) do jedné antény a jedné základnové stanice.

63 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 61 Až tisíckrát větší kapacitu systému by pak měl přinést standard LTE-C, jehož uvolnění se předpokládá v roce 2020 v rámci specifikace Release 14 a Release 15. Další sítí, kterou je možné zařadit mezi sítě 4G je síť WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), které je věnována kapitola 3.

64 62 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 5 Digitální rozhlasové vysílání Vznik rozhlasového vysílání se datuje do desátých let minulého století. První zvukový rozhlasový přenos byl uskutečněn v roce 1910 z Metropolitní opery v New Yorku. Pravidelné rozhlasové vysílání bylo zahájeno v roce 1922 v Anglii (vysíláním stanice BBC). Na území České republiky (tehdejšího Československa) bylo vysílání zahájeno 18. května 1923 ve 20:15 hod ze skautského stanu v Praze-Kbelích vysíláním stanice Radiojournal (viz Obr. 5.1) [15]. Obr. 5.1: Rozhlasový autobus značky Tatra z roku 1935 V prvopočátcích rozhlasu byl signál modulován amplitudovou modulací (AM) a přenášen zejména na dlouhých a středních vlnách. Šířka kanálu byla 9 khz a vyzářené výkony se pohybovaly ve stovkách kw. Vysílací věže byly tvořeny vysokými příhradovými stožáry (samonosnými nebo kotvenými na patním izolátoru). Jedním z prvních byl vysílač Liblice A umístěný nedaleko od Českého Brodu u Prahy (viz Obr. 5.2) [15]. V roce 1959 bylo spuštěno frekvenčně modulované (FM) vysílání. Do 60. let minulého stolení spadají počátky stereofonního vysílání. V roce 1958 se začal vysílat rozhlas v pásmu VKV a to pouze v tzv. východním pásmu VKV OIRT (66-73 MHz). Od prosince 1984 se začalo vysílat i na tzv. západním pásmu VKV CCIR (87,5-108 MHz). Kmitočtový rastr je nastaven na 200 khz (v některých zemích, jako např. v Itálii, se díky velkému počtu stanic používá rastr 50 khz). Obr. 5.2: Vysílací věže vysílače Liblice A Stejně jako v devadesátých letech minulého století, kdy proběhla digitalizace televizního vysílání (v České republice byla digitalizace ukončena v roce 2011), stejně tak

65 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 63 dochází k digitalizaci rozhlasové vysílání, které existuje v několika digitálních variantách. Posluchač v dnešní době považuje za samozřejmost audio formát v digitální podobě s poměrně vysokou kvalitou (zvukové formáty mp3, ogg atd.). V tomto směru má možnost příjmu streemovaných online internetových rádií. Zde je ovšem jeden podstatný handicap a tím je mobilita. Pokud má posluchač u mobilního operátora zaplacen datový tarif, má možnost poslechu oblíbené stanice kdekoliv, kde je k dispozici signál mobilní datové sítě. Použití datového tarifu a online webových rádií ovšem není nejefektivnější způsob, jak přiblížit nejen k mobilnímu posluchači rozhlas v digitální kvalitě. Provozovatelé rozhlasových stanic a distributoři rozhlasového signálu se již od konce 80. let sdružují pod hlavičkou organizace Eureka 147, která položila základ digitalizace rozhlasových pásem. V následujícím výčtu budou představeny nejperspektivnější používané standardy digitálního rozhlasového vysílání. 5.1 Vysílání v pásmech DV, SV a KV Zdálo by se, že oblasti dlouhých (DV), středních (SV) a krátkých (KV) vln, tedy v oblasti pod 30 MHz, jsou již v dnešní době z pohledu rozhlasového vysílání opuštěné a nevyužívané. Opak je však pravdou a tato kmitočtová pásma v současné době zažívají období renesance. Je však zřejmé, že stávající analogové amplitudové modulace (AM) jsou nevyhovující a je zde potřebné aplikovat nové číslicové principy DRM Provozovatelé pozemního rozhlasového vysílání AM, operátoři jejich sítí, zástupci výzkumných pracovišť, včetně výrobců součástkové základny a podpůrné technologie si tuto skutečnost dobře uvědomovali. Na mezinárodní konferenci v Ghanzou v Číně bylo v roce 1998 schváleno ustavení mezinárodní platformy pro vývoj a rozvoj digitálního rozhlasového vysílání v kmitočtových pásmech DV, SV a KV pod označením DRM (Digital Radio Mondiale). Zde byl podepsán ustavující dokument The Digital AM Memorandum of Understanding. Následovně byl v Holandsku 10. září 1998 původní dokument nahrazen tzv. smlouvou konsorcia DRM (Consortium Agreement) a zároveň zde bylo ustanoveno sdružení s názvem Konsorcium DRM. V září 2001 evropský standardizační telekomunikační institut ETSI (European Telecommunications Standards Institute) uveřejnil technickou specifikaci systému pro digitální vysílání ETSI-TS : Digital Radio Mondiale, System Specification, ve kterém je tento systém doporučen pro použití v rozhlasových kmitočtových pásmech do 30 MHz. Souběžně s DRM byl v USA vyvíjen podobný systém pod názvem IBOC společností ibiquity. Oba systémy byly přijaty ITU-R v říjnu 2002 jako Doporučení ITU-R BS : Digital Sound Broadcasting Below 30 MHz [16]. Česká republika je zastoupena skupinou HCCF (High Frequency Coordination Konference). Prostřednictvím DRM se v současné době vysílá ve více než 30 zemích světa. DRM je standard, který vznikl jako digitální náhrada analogového rozhlasového vysílání na stávajících dlouhých, středních a krátkých vlnách. U DRM dochází k digitalizaci vysílání na kmitočtech, které byly doposud využívány pro analogové vysílání s amplitudovou modulací. Zpočátku se jednalo o kmitočty do 30 MHz, v poslední variantě se DRM kmitočtově rozšířilo až do 120 MHz se zachováním šířky kanálu. Vysílání DRM (podobně jako ostatní digitální vysílací systémy) využívá několik zásadních principů digitalizace signálu a jeho vysílání, tj. vlastní převod analogového zdrojového signálu na digitální, datovou kompresi digitálního signálu a kódovaný ortogonální frekvenční multiplex COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Možnou šířku vysílacího kanálu 9

66 64 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava nebo 10 khz (v režimu simulcast 4,5/5 khz) zabere mnoho subnosných, kde každá z nich je digitálně modulována nejčastěji modulací QAM. Typický datový tok se pohybuje od 4,5 do 30 kbit/s. Počet subnosných, počet stavů modulace a celkové obsazení pásma se liší v různých konkrétních případech. Výsledný signál se pak lineárně zesiluje a vyzařuje anténou. V oblasti převodu audiosignálu na komprimovaný digitální se používá několik kompresních algoritmů: MPEG-4 AAC (Moving Picture Experts Group, Advanced Audio Coding) jeden z nejpokročilejších formátů komprese zvuku o středních až vyšších přenosových rychlostech používaný v rámci DRM pro vysílání hudby. MPEG-4 CELP (Moving Picture Experts Group, Code-Excited Linear Prediction) formát komprese zvuku o nižších přenosových rychlostech používaný v rámci DRM pro vysílání mluveného slova. MPEG-4 HVXC (Moving Picture Experts Group, Harmonic Vector Excitation Coding) formát komprese zvuku o velmi nízkých přenosových rychlostech (jednotky kbit/s) pro vysílání mluveného slova, používající ještě větší redukci datového toku než MPEG-4 CELP. Všechny kodeky mohou být volitelně kombinované s využitím metody replikace pásma frekvenčního spektra SBR (Spectral Band Repplication), díky níž je možné prostřednictvím pomocného signálu přeneseného v bitovém toku DRM rekonstruovat část zvukového signálu, kterou nelze v omezeném spektru přenést. Vysílání DRM neprobíhá v multiplexech, každá stanice má samostatnou frekvenci. Mimo přenos zvuku DRM umožňuje také přenos textu a statických obrázků [10.4]. Multiplex DRM obsahuje tři typy logických kanálů: FAC (Fast Access Channel) - nese informaci o použité šířce radiového kanálu a o parametrech přenášeného multiplexu DRM, umožňuje identifikaci multiplexu. SDC (Service Description Channel) - přenáší podrobnější popis dat nesených kanálem MSC potřebný pro jejich dekódování. MSC (Main Service Channel) - prostřednictvím kanálu MSC přenáší užitečná data pro 1-4 služby (audio, data). Kanálové kódování je na logické kanály aplikováno nezávisle. Nejrobustnější zabezpečení proti chybám má kanál FAC. Vztah mezi odolností přenášeného datového toku a jeho objemem dat udává kódový poměr konvolučního kodéru a použitá modulace jednotlivých nosných kmitočtů OFDM (lze použít QPSK, 16-QAM, případně 64-QAM). Jednotlivé vysílací módy používají různý počet subnosných kmitočtů s různým vzájemným frekvenčním odstupem. Data z kanálů FAC, SDC a MSC jsou na ně směrována (mapována) dle DRM standardem určeného scénáře [10.5]. Skládání jednotlivých kanálů je zobrazeno v blokové struktuře vysílací strany, jak je znázorněno na Obr. 5.3 [17].

67 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 65 Obr. 5.3: Blokové schéma vysílacího řetězce DRM Obdobně jako jiné progresivní digitální standardy (např. DVB), tak i DRM využívá k modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) respektive COFDM (Coded OFDM). COFDM pracuje v módech A, B, C a D vzájemně se lišící robustností, délkou ochranného intervalu a bitovým tokem. Nejméně robustní je mód A s nejvyšší přenosovou kapacitou, který se používá v pásmu DV a SV. Mód B je určen pro standardní, C pro obtížné a D pro extrémní krátkovlnné přenosy. COFDM používá soustavu 84 (mód D) až 216 (mód A) subnosných kmitočtů, které jsou v kanále umístěny s malým rozestupem tak, aby se co možná nejméně vzájemně ovlivňovaly. Každá z nosných představuje jeden ze subpřenosových kanálů, která je modulována pomocí 16-QAM nebo 64-QAM, pro pomocné signály se používá QPSK. Tímto způsobem se sériový datový přenos přemění na paralelní s nižší přenosovou rychlostí a větší délkou symbolu. Přenosový systém je modifikovatelný podle podmínek šíření a požadované šířky pásma. Lze použít: 16-QAM přenos na krátkých vlnách (špatné podmínky pro šíření), 64-QAM standardní mód, 256-QAM přenos na dlouhých a středních vlnách (maximální kvalita). Další nespornou výhodu při tomto způsobu vysílání je vytvoření ochranného intervalu GI (Guard Interval), který se přidává k vysílanému symbolu. Ochranný časový interval definujeme dobu, při které nepřijímáme žádný symbol. Tímto způsobem efektivně eliminujeme různé přeslechy a odrazy přijímaného signálu. (mód A: GI=2,6 ms; mód D: GI=7,3 ms) [10.4]. Lze konstatovat, že v některých případech se vícecestné šíření může projevit kladně. Nutno dodat, že tato metoda umožní při plánování vysílacích sítí použít více vysílačů pracujících na stejném kmitočtu, tzv. jednofrekvenční sítě SFN (Single Frequency Network). Jak bylo dříve uvedeno, DRM využívá několik desítek subnosných kmitočtů. Ty jsou uspořádány do dvou základních skupin. Základní skupina (Kernel Group), která se vysílá stále a je při přenosu nepostradatelná. Základní skupina obsahuje 96 subnosných kmitočtů a má frekvenční šířku 3200 Hz. Některé subnosné se nemodulují. Tato skupina obsahuje signály nezbytné pro samotné vysílání. Jedná se o kmitočtovou referenci, časovou synchronizaci, referenční úroveň a signály sloužící pro nastavení přijímače (tzv. piloty). Dále pak 576 symbolů zvukové či obrazové modulace. Doplňkové skupiny - každá tato skupina obsahuje 11 subnosných po 33,333 Hz (11 x 33,33 = 366,6 Hz). Vysílá se 72 zvukových/obrazových symbolů a 5 symbolů dat. Jeden symbol má délku 30 ms.

68 66 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Šířka přenášeného pásma je pak odvozena od počtu přenášených skupin Hz 96 nosných základní skupina, 4666,6 Hz 140 nosných základní skupina + 4 doplňkové, 9065,6 Hz 272 nosných základní skupina + 16 doplňkových. S tím souvisí i užitečný datový tok, který je závislý na počtu přenášených nosných (viz Tab 5.1). Tab. 5.1: Datové toky DRM [kbit/s] Vytvoření skupin sub-nosných vln je dále výhodné v tom, že umožní použít skupinové prokládání (interleaving). Tím se zlepší odolnost systému proti poruchám. V závislosti na kmitočtovém pásmu, ve kterém systém pracuje a denní době se volí krátké, střední nebo dlouhé prokládání. Dalším vylepšením, se který DRM přichází je tzv. režim simulcast. DRM je navrženo tak, že umožňuje současné analogové a digitální vysílání. Vysílá se buď s oběma postranními pásmy (DSB), nebo na KV s jedním postranním pásmem (SSB). Tenhle způsob vysílání vhodně řeší nasazení digitálního vysílání. Počítá se s určitým přechodovým obdobím, kdy se bude současně vysílat analogově i digitálně. Situace v obou postranních pásmech je naznačena na Obr. 5.4 [18]. Obr. 5.4: Obsazení spektra v případě režimu simulcast DRM+ V roce 2005 bylo rozhodnuto zahájit inovaci systému DRM s cílem rozšíření působnosti až do 120MHz. Výzkumné práce a testy byly ukončeny v 2009 [18]. Ve srovnání s DRM umožňuje DRM+ expanzi do dalších rozhlasových pásem ohraničených kmitočtem až do 174 MHz. DRM+ se liší pouze jinou volbou rádiových a kódovacích parametrů. Šířka kanálů je

69 Rádiové sítě I pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO khz, spektrum OFDM zabírá 96 khz a užitečný datový tok dosahuje kbit/s v závislosti na zvolené míře robustnosti. Vylepšení standardu umožňuje v souvislosti s výrazně vyšším datovým tokem docílit s audio kodekem MPEG-4 HE-AAC-v2 zvukovou kvalitu CD. DRM+ počítá s možností využití následujících frekvenčních pásem: I.TV pásmo (47 68 MHz), OIRT VKV-FM pásmo (65,8 74 MHz), Japonské FM pásmo (76 90 MHz), CCIR VKV-FM pásmo (87,5 108 MHz), III. TV pásmo ( MHz) Souhrn přínosů DRM/DRM+ Zavedení DRM bezesporu přináší spoustu výhod. Za zásadní a důležité lze považovat následující body: Hlavní výhoda tohoto systému spočívají v tom, že díky podmínkám šíření rádiových vln kmitočtů pod 30 MHz, jsou provozovatelé rozhlasového vysílání schopni dosáhnout v podstatě libovolného území na zeměkouli. Stejně tak oblasti DV a SV nejsou bez budoucnosti, neboť v těchto kmitočtových pásmech je možno dosáhnout rovnoměrného pokrytí, bez výrazných signálových stínů a to za použití jednoduché přijímací antény. Použití DRM do značné míry potlačuje efekty vzniklé nestabilitou ionosféry a mnohonásobným šířením, čímž umožňuje kvalitní poslech i ve členitém terénu či v dopravních prostředcích. To je dáno typem modulace COFDM, kterou DRM využívá. Pro potlačení mnohacestného šíření je použit ochranný interval GI. DRM má možnost nastavení tohoto parametru, který ovlivňuje odolnost signálu na úkor jeho kvality, ve 4 stupních od 2,666 ms pro vysílání na SV/DV prostřednictvím přízemní vlny až po 7,333 ms pro dálkové trasy šíření na KV. V souvislosti s použitím GI může být realizována SFN, což umožňuje provozovateli sítě digitálních vysílačů používat jeden kmitočet pro celou síť. Mezi vysílači nevznikají interference, naopak výsledný signál dvou sousedních vysílačů se dokonce může sečíst a ve výsledku posílit. Další výhodou tohoto systému je nižší vysílací výkon při pokrytí stejného území jako u analogového vysílání AM (až o 6-9 db). Této významné redukce energie pro vysílání DRM (tím i redukce provozních nákladů) je dosaženo nižším potřebným poměrem úrovně užitečného signálu k šumu pozadí. DRM disponuje i datovým kanálem pro přenos doplňkových informací (zpravodajství, programový průvodce, předpověď počasí, dopravní situace, informace o mnohojazyčném vysílání atd.). DRM umožňuje vysílání v hybridním/smíšeném módu (simulcast). Lze využít i dvou sousedních kanálů (20 khz), viz Obr Předností DRM je zachování současného kanálového/kmitočtového rastru na DV, SV, KV. Tím není nutno žádné nové kmitočtové plánování jako v případě T-DAB.

70 68 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava 9/10 khz - normální režim (mono), 18/20 khz - sdružení dvou sousedních kanálů (stereo), 4,5/5 khz - smíšený provoz (simulcast). Obr. 5.5: Spektrum smíšeného vysílání V neposlední řadě je to i přiměřeně vysoká kvalita přenášeného signálu. Audio kmitočtové pásmo, dynamika signálu a jeho odstup k šumu pozadí jsou plně srovnatelné nejen s VKV-FM ale i s poslechem hudebního CD. Toho se docílí vhodným výběrem použitého zdrojového kódování. DRM používá kombinaci tří kodeků, pro hudbu MPEG-4 HE-AAC (High Efficiency - Advanced Audio Coding) doplněný o SBR (Spectral Band Replication) a pro hlas kodeky MPEG-4 CELP, MPEG-4 HVXC. Tímto se dosáhne vysoké kvality signálu při datovém toku 22 kbit/s (stereo 48 kbit/s). Obr. 5.6: Reálné frekvenční spektrum smíšeného digitálního signálu (vpravo) a analogového AM (vlevo) I když je na první pohled vidět, že tato technologie přináší posluchači spoustu výhod, je zde stále několik problémů. Za největší přetrvávající problém lze považovat nedostatek cenově dostupných přijímačů, čímž DRM zatím zaostává za konkurenčním T-DAB. Drtivá většina posluchačů DRM používá tzv. software radio (SDR), kdy se využije upraveného přijímače AM a počítače s příslušnou aplikací. V přijímači AM je nutno změnit/konvertovat mezifrekvenci MF (obvykle ze 455 khz na 10 khz). Takto upravený mezifrekvenční signál se přivede přímo na vstup zvukové karty. Softvérová aplikace poté zajistí dekódování a demodulaci. Blokové schéma přijímače SDR je uvedeno na Obr Jak je patrno, tento stacionární způsob příjmu není úplně ideální, jelikož se při jeho použití nedoceňují kvality DRM. Jen pozvolna se objevují přijímače, které již DRM podporují. Často se jedná o dražší přijímače disponující více technologiemi (DRM/T-DAB/FM/AM pracující na DV, SV, KV i VKV). Je ovšem jen otázkou času, kdy se najde schopný výrobce, který dokáže nasytit trh levnými a spolehlivými DRM přijímači.