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

Transkript

1

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

3 Výukový program: Moderní komunikační technologie 1 6 Mobilní rádiové sítě Cíl modulu: vysvětlení principu zpracování signálu v obecném radiokomunikačním systému seznámení se základními principy používanými v radiokomunikačních systémech seznámení s evropským standardem pro mobilní komunikace GSM, s mobilními systémy 2,5 generace HSCSD, GPRS a EDGE a systémem 3. generace UMTS základní popis systému pro bezšňůrové telefony DECT a systémů pro paging ERMES a RDS vysvětlení principu přenosu dat prostřednictvím bezdrátových sítí WiFi seznámení s principy družicové komunikace, popis vybraných družicových sítí a navigačního systému GPS Návod na práci s modulem: Jednotlivé kapitoly tohoto modulu jsou zpřístupněny prostřednictvím záložek. Bližší vysvětlení některých zkratek a odborných termínů je dostupné pomocí hypertextového odkazu. Každá podkapitola má osnovu a stručnou anotaci. Osnova: 6.1 Úvod 6.2 Základní koncepce a používané techniky radiokomunikačních systémů 6.3 Mobilní radiotelefonní systémy 6.4 Systémy pro bezšňůrové telefony 6.5 Systémy pro paging 6.6 WiFi 6.7 Družicové komunikační systémy

4 2 Modul 6: Mobilní rádiové sítě 6.1 Úvod Anotace: V této kapitole budou uvedeny základní pojmy z oblasti šíření rádiových vln. Na základě rozdělení kmitočtového spektra bude možno začlenit příslušné rádiové sítě a systémy do uvedených kmitočtových pásem. Dále bude uvedeno možné rozdělení radiokomunikačních systémů dle různých hledisek. V závěru kapitoly bude nastíněna problematika zpracování signálu od jeho zdroje až po koncový stupeň. Osnova: Rozdělení kmitočtového spektra Rozdělení radiokomunikačních systémů Obecné schéma radiokomunikačního systému V současné době dochází k prudkému rozvoji informačních a komunikačních technologií. Neustále stoupají požadavky na kvalitu služeb a jejich maximální dostupnost. Vysokorychlostní datové komunikace spojené s neustále narůstajícími požadavky na přenosovou kapacitu zásadním způsobem ovlivnily telekomunikační trh. Novým požadavkem, který se v několika posledních letech velice rychle prosazuje, je mobilita uživatele. Uživatel již nechce být vázán doma na pevnou přípojku, ale chce využívat telekomunikační služby kdekoli, nezávisle na připojení do sítě. Tuto mobilitu uživatele lze zajistit použitím rádiových prostředků. Tento modul je věnován problematice mobilních rádiových sítí. Jedná se o velice obsáhlou oblast, která úzce souvisí s přístupovými sítěmi. Z tohoto důvodu jsou některé bezdrátové mobilní systémy a technologie uvedeny v modulu 5. Tento modul je zaměřen zejména na nejrozšířenější a nejpopulárnější systém současnosti systém GSM. Další informace o mobilních rádiových sítích, jenž jsou zde popsány, lze nalézt v [1], [2], [3], [4], [5], [6] a [7] Rozdělení kmitočtového spektra Radiokomunikační systémy využívají k přenosu informace volné prostředí (volný prostor), ve kterém je informace přenášena od vysílače k přijímači prostřednictvím rádiových vln. Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vlnění v kmitočtovém pásmu 10 khz až 3000 GHz, což odpovídá vlnovým délkám v rozsahu 30 km až 0,1 mm. Vzájemný vztah mezi vlnovou délkou λ a kmitočtem vlny f je dán vztahem c λ = (6.1) f kde c je rychlost šíření elektromagnetických vln ve volném prostoru c m/s ( km/s).

5 Výukový program: Moderní komunikační technologie 3 Základní rozdělení rádiových vln podle jejich kmitočtu a vlnové délky je stanoveno Radiokomunikačním řádem a je uvedeno v tabulce 6.1. Tab. 6.1 Kmitočtová pásma rádiových vln kmitočet délka vlny symboly český název 3-30 khz km VLF velmi dlouhé khz 10-1 km LF dlouhé khz m MF střední 3-30 MHz m HF krátké MHz 10-1 m VHF velmi krátké MHz 10-1 dm UHF ultra krátké 3-30 GHz 10-1 cm SHF centimetrové GHz 10-1 mm EHF milimetrové GHz 1-0,1 mm - - Elektromagnetické vlny se šíří přímým směrem. V přírodních podmínkách je však směr a charakter šíření ovlivněn různými jevy, jako odraz, lom, difrakce nebo interference. Rádiové vlny se šíří vzhledem k popsaným fyzikálním jevům rovnoběžně k zemskému povrchu, přímočaře nebo prostřednictvím odrazů od troposféry (ve výšce cca 10 km) či ionosféry (ve výšce cca 50 km). V každém kmitočtovém pásmu existují rozdílné fyzikální podmínky šíření rádiových vln. Z toho potom vyplývá i účel využití příslušného pásma Rozdělení radiokomunikačních systémů Radiokomunikační systémy lze rozdělit podle různých hledisek. Podle způsobu realizace rádiového spojení je dělíme na jednosměrné a obousměrné, podle použité technologie na analogové a digitální, podle prostředí na pozemní a družicové, podle struktury použitých sítí na systémy buňkové a nebuňkové atd.. Velice důležité je hledisko mobility, podle kterého rozdělujeme radiokomunikační systémy na stacionární spojení mezi pevnými body na zemském povrchu mobilní jeden případně oba účastníci vzájemné komunikace se mohou pohybovat Pomocí mobilních systémů lze tedy účastníkům vzájemné komunikace poskytnout tzv. pohyblivé služby (pozornost bude věnována pozemní pohyblivé službě). Mobilní systémy, které tyto služby zajišťují, se proto také někdy nazývají systémy pozemní pohyblivé služby. Podle možnosti přístupu široké veřejnosti k jejich službám je dělíme na veřejné a neveřejné, jak je uvedeno na obrázku 6.1. SYSTÉMY POZEMNÍ POHYBLIVÉ SLUŽBY veřejné neveřejné buňkové radiotelefonní sítě bezšnůrové telefony vyhledávací sítě (Paging) bezdrátové sítě LAN (WLAN) speciální sítě Obr. 6.1 Rozdělení pozemních mobilních rádiových systémů

6 4 Modul 6: Mobilní rádiové sítě U veřejných systémů má přístup k jejich službám široká veřejnost podobně jako v případě klasické telefonní sítě. Neveřejné systémy jsou většinou provozovány uživatelem (firmou) jen pro vlastní potřebu, popř. může provoz pro uživatele zajišťovat servisní organizace. Jsou určeny pro uzavřené skupiny uživatelů, jako jsou bezpečnostní složky, hasiči, záchranná služba, energetika, ale i stavební podniky, dopravní podniky atd Obecné schéma radiokomunikačního systému Na obrázku 6.2 je znázorněno obecné schéma radiokomunikačního systému. Toto schéma lze aplikovat především na systémy digitální, tedy např. na digitální buňkové radiotelefonní systémy, na družicové digitální radiokomunikační systémy apod.. Pokud se však v tomto schématu vypustí některé bloky (kodéry a dekodéry), je použitelné i pro vývojově starší analogové systémy. Toto schéma lze po menších úpravách rovněž aplikovat i na systémy s jinými komunikačními kanály, např. s metalickými spoji, s optickými spoji apod.. Na vstupu vysílače je zdroj signálu (např. mikrofon), který přeměňuje přenášenou informaci, jež může mít v obecném případě původně charakter neelektrické veličiny, na elektrický signál. V následujícím kodéru zdroje signálu dochází nejdříve k digitalizace signálu (pokud neměl již předtím digitální podobu) a poté se podrobují vlastnímu zdrojovému kódování. Tím se v nich potlačuje redundance (nadbytečnost, resp. větší množství dat, než je nezbytné pro přenos informace vzhledem ke ztrátám v komunikačním kanálu) a irelevance (nepodstatná informace), což se projeví ve snížení přenosové rychlosti na výstupu kodéru zdroje. Proces zdrojového kódování se také označuje jako komprese dat. diskrétní sdělovací kanál vysílač spojitý sdělovací kanál přijímač volné prostředí modulátor demodulátor kodér kanálu dekodér kanálu kodér zdroje dekodér zdroje zdroj signálu koncový stupeň Obr. 6.2 Obecné schéma radiokomunikačního systému

7 Výukový program: Moderní komunikační technologie 5 V následujícím kodéru kanálu je signál zabezpečen proti chybám při přenosu. K binární užitečné informační sekvenci se naopak určitá redundantní složka přidává. Ta je potom využívána k potlačení rušivého působení šumu a interferencí, způsobujících chybovost přenosu. Nedílnou součástí kanálového kódování bývá tzv. prokládání (interleaving), jehož cílem je zabezpečit signál proti shlukům chyb. Uvedeným dvojím kódováním se získává digitální signál s potlačenou redundancí a irelevancí a se zvýšenou odolností proti faktorům způsobujícím chybovost. Ten dále vchází do modulátoru, kde se digitální signál moduluje pomocí vhodného digitálního modulačního způsobu (formátu) na vysokofrekvenční nebo na mikrovlnnou nosnou vlnu. Modulace je obecně definována jako proces, při němž se některý parametr této nosné vlny (amplituda, kmitočet, fáze) mění v rytmu modulačního signálu. V určitém rádiovém prostředí je potom možné přenášet na nosných vlnách s různými kmitočty velké množství zcela nezávislých modulačních signálů. Zcela obecně lze tedy definovat optimální modulátor jako funkční blok, který co nejlépe přizpůsobuje přenášený modulační signál k parametrům následujícího rádiového komunikačního kanálu. Komunikačním kanálem se obecně rozumí fyzikální prostředí, sloužící k přenosu signálu mezi vysílačem a přijímačem. Rádiový komunikační kanál je specifikován určitými parametry, které mohou mít jednak náhodný charakter (náhodný šum, náhodné rušení, vícecestné šíření signálu, různé typy úniků apod.) a jednak nenáhodný charakter (doba šíření signálu kanálem, jeho fázový posuv apod.). Na přijímací straně je signál nejprve demodulován. Na výstupu demodulátoru se objevuje signál, shodující se zpravidla až na rozličná zkreslení a šum se signálem na výstupu kodéru kanálu vysílače (rozhoduje na základě přijatého signálu o vyslaných znacích). Následující dekodér kanálu na základě znalosti algoritmu kanálového kódování a s využitím ochranné redundantní informace obsažené v přijímaném signálu provádí rekonstrukci originální informační sekvence. Dekodér zdroje, zařazený za dekodér kanálu, realizuje inverzní operace vůči kodéru zdroje. Redundantní informace, potlačená v kodéru zdroje, má charakter predikovatelné veličiny a může být ve zdrojovém dekodéru opět doplněna. Naproti tomu irelevance, jednou odstraněná ze signálu, je nenávratně ztracena a nelze ji žádným způsobem obnovit. V koncovém stupni přijímače potom konečně dochází k případnému převodu elektrického signálu na neelektrickou výstupní informaci (převod může realizovat např. reproduktor apod.). Kontrolní otázky 1. Jak velké musí být překážky v pásmu ultra krátkých vln, aby došlo k odrazu rádiových vln? 2. Objasněte pojem redundance a relevance v souvislosti s hovorovými signály?

8 6 Modul 6: Mobilní rádiové sítě 6.2 Základní koncepce a používané techniky radiokomunikačních systémů Anotace: V této kapitole bude vysvětlena koncepce a techniky používané u radiokomunikačních systémů. Větší pozornost bude věnována buňkové (celulární) struktuře a principu přepojování spojení tzv. handoveru, který s touto strukturou bezprostředně souvisí. Osnova: Způsoby přenosu Přístupové techniky Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace Handover Způsoby přenosu V radiokomunikačních systémech se používají různé způsoby přenosu. Podle toho, v jakém směru probíhá komunikace mezi dvěmi účastníky, rozlišujeme následující způsoby přenosu: simplexní přenos (simplex) komunikace mezi účastníky je uskutečněna pouze v jednom směru a je pro ni vyhrazen pouze jeden kanál (využití např. distribuce informací, rádiový paging atd.) poloduplexní přenos (poloduplex) komunikace probíhá na jednom kanále oběma směry, které je však třeba přepínat (využití např. rádiová pojítka policie, taxislužby atd.). plněduplexní přenos (duplex) komunikace probíhá současně oběma směry, v každém směru přenosu je vyhrazen jeden kanál. Podle toho, jakým způsobem je provedeno oddělení směrů přenosu, rozdělujeme duplexní přenos na: kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) oddělení směrů přenosu je provedeno v kmitočtové oblasti, každý směr má přidělen jiný rádiový kanál (každý v jiném kmitočtovém pásmu), které spolu tvoří tzv. duplexní pár (využití např. radiotelefonní systémy). časový duplex TDD (Time Division Duplex) oddělení směrů přenosu je provedeno v časové oblasti, každému směru je přiřazen jeden časový úsek (timeslot) v rámci jednoho rádiového kanálu (využití např. bezšňůrové telefony).

9 Výukový program: Moderní komunikační technologie Přístupové techniky Tyto techniky určují, jakým způsobem sdílí více účastníků rádiové prostředí. V podstatě se jedná o metody, které rozdělují přenosové médium na jednotlivé kanály, které pak účastníci používají ke komunikaci. V současné době existují tyto základní metody mnohonásobného přístupu: FDMA (Frequency Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s frekvenčním dělením TDMA (Time Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s časovým dělením CDMA (Code Division Multiple Access) mnohonásobný přístup s kódovým dělením U mnohonásobný přístupu FDMA má každý účastník systému přidělené určité kmitočtové pásmo (rádiový kanál), které ve stejnou dobu nemůže používat jiný účastník. Nevýhodou je malé využití přenosové kapacity kanálu. Různí účastníci tedy mohou využívat systém současně ve stejnou dobu, každému je však přiřazen jiný rádiový kanál. Tato metoda se používala v nejstarších analogových systémech. U mnohonásobného přístupu TDMA je každému účastníkovi přidělen v určitém rádiovém kanálu pouze krátký časový úsek (timeslot), který je součástí tzv. TDMA rámce, který se cyklicky opakuje. Vzhledem k tomu, že přenos neprobíhá spojitě v čase, ale ve stejně dlouhých, pravidelně se opakujících časových úsecích, vyžaduje tato metoda složitější časovou synchronizaci. Různí účastníci tedy využívají stejný rádiový kanál systému, avšak každý v jiném časovém úseku. Tato metoda je použitelná pouze v digitálních systémech. Technika mnohonásobného přístupu CDMA je založena na technologii rozprostřeného spektra. Jednotliví účastníci jsou rozlišeni individuálním pseudonáhodným kódem, který se na vysílací straně používá k rozprostření vysílaného signálu do širokopásmové podoby. Používané kmitočtové pásmo mohou sdílet nejen ostatní účastníci systému, ale i jiné systémy pracující na odlišných principech. Na přijímací straně se ze směsi signálu vybere na základě znalosti kódu účastníka požadovaný signál. Přístup CDMA vyžaduje složitou synchronizaci. Různí účastníci tedy využívají ve stejném okamžiku stejný rádiový kanál, ale jsou od sebe rozlišeni individuálními kódy. V praktických aplikacích je přidělené kmitočtové pásmo rozděleno metodou FDMA na rádiové kanály, ve kterých jsou pak metodou TDMA respektive CDMA vytvořeny jednotlivé účastnické kanály Buňková struktura systémů pro mobilní komunikace Moderní systémy pro mobilní komunikaci používají buňkovou (celulární) strukturu. Území, které chceme pokrýt signálem (např. území jednoho státu), je rozděleno na velké množství malých oblastí tzv. buněk. Pro buňkové systémy je typické tzv. mnohonásobné opakování kmitočtu. Sousední buňky nemohou z důvodu rušení používat stejné kmitočty, vzdálenější buňky však ano. Buňky, které používají různé kmitočty, vytváří tzv. svazek buněk, který se na daném území opakuje a proto je možné tímto způsobem s omezeným kmitočtovým pásmem pokrýt nekonečně rozlehlé území. Celá situace je znázorněna na obrázku 6.3a.

10 8 Modul 6: Mobilní rádiové sítě 2R O 4 5 překrývání buňek 3sektory 6 sektorů a) b) Obr. 6.3 Mnohonásobné využití kmitočtů, překrývání a sektorizace buněk Obsluhovaná oblast je rozdělena na 14 buněk, které vytvářejí 2 svazky po 7 buňkách. Uprostřed každé buňky je umístěna základnová rádiová stanice BTS (Base Transceiver Station) pracující s určitou skupinou rádiových kanálů, která svým signálem pokrývá oblast této buňky a zajišťuje spojení mobilních účastníků nacházejících se v této buňce se systémem. Např. první buňce prvního svazku jsou přiděleny rádiové kanály č. 1 až 10, druhé buňce kanály č. 11 až 20, atd., až poslední sedmé buňce prvního svazku kanály č. 61 až 70. Všech 70 kanálů tohoto svazku je však možné opět využít v dalším sousedním svazku. Aby se v uvedeném příkladu vzájemně nerušil rádiový provoz v buňkách využívajících stejné rádiové kanály, musí být jejich vzdálenost rovna přibližně pětinásobku ekvivalentního poloměru buňky. Vzájemná vazba mezi poloměrem buňky R, počtem buněk ve svazku N a příslušném odstupu dvou buněk stejných frekvencí sousedních svazků O je dána vztahem O = R 3N (6.2) Svazek může obsahovat různý počet buněk (např. 3, 7, 9). Větší počet buněk způsobuje menší rušení, protože rušící buňky jsou relativně dále. Popsaný způsob rozdělení rádiových kanálů do jednotlivých buněk svazku, kdy každá základnová stanice má přístup pouze k omezenému počtu rádiových kanálů svazku se nazývá pevné přidělování kanálů FCA (Fixed Channel Allocation). Toto rozdělení však není nejefektivnější, neboť může nastat situace, kdy v jedné buňce svazku bude nedostatek volných rádiových kanálů, zatímco rádiové kanály v jiné buňce téhož svazku nebudou stoprocentně využity. Uvedený problém se řeší tzv. dynamickým přidělováním kanálů DCA, DCS (Dynamic Chanell Allocation, Selection). V tomto případě má každá základnová stanice přístup ke všem kanálům svazku. Jejich použití však závisí na tom, zda volný rádiový kanál není zrovna využíván v sousední buňce, což musí být zjištěno monitorováním provozu v okolních buňkách. Další zvýšení kapacity sítě lze provést tzv. sektorizací buněk nebo překrýváním buněk (obrázek 6.3b). Při sektorizaci buněk se každá buňka rozdělí na 3 nebo 6 kruhových výsečí tzv. sektorů, ve kterých je zajištěno spojení s mobilní stanicí pomocí příslušné dvojice vysílač-přijímač a směrových antén. Tak se zvýší počet kanálů jedné buňky na trojnásobek resp. šestinásobek a jednotlivé kanály se mohou na daném území opakovat častěji. Buňky mají menší rozměry a základnové vysílače tak vystačí s menšími výkony. Při překrývání buněk je do přetížené buňky přidána další základnová stanice využívající kanály sousedních

11 Výukový program: Moderní komunikační technologie 9 buněk. Výkon vysílače této základnové stanice je omezen, takže svým signálem pokrývá pouze část území původní buňky a nedochází k interferencím se signály sousedních buněk. Buňková struktura je velice flexibilní co se týče kapacity systému. Kapacitu lze regulovat velikostí buněk. Buňky nejsou stejně velké nejen z důvodů různého terénu, ale jejich velikost se mění podle předpokládané hustoty provozu a předpokládaného počtu účastníků. Rozlišujeme: makrobuňky velké buňky o poloměru až desítek km, používají se ve venkovských a příměstských oblastech s malou hustotou provozu. mikrobuňky malé buňky s poloměrem do 1 km, používají se v oblastech s větším provozem, např. v centru měst. pikobuňky velice malé buňky o poloměru menším než 50 metrů, používají se v místech s vysokou koncentrací uživatelů, např. nádraží, obchodní domy, buňky v poschodích nad sebou ve výškových budovách, aj. buňky deštníkového typu (umbrella cells) zvláštní typ buněk, které vykrývají nepokryté části území mezi menšími pikobuňkami nebo mikrobuňkami. U makrobuněk je poměrně jednoduché předvídat hustotu provozu. Pro mikrobuňky a pikobuňky je toto určení obtížnější. Se zmenšujícím se poloměrem buněk rovněž prudce rostou požadavky na handover, protože k němu dochází mnohem častěji Handover Handover je přepnutí spojení mezi mobilní stanicí MS (Mobile Station) a BTS během komunikace z jednoho rádiového kanálu na jiný. Dochází k němu na základě rádiové nebo síťové příčiny, když systém vyhodnotí nový rádiový kanál jako kvalitnější (např. změna buňky, špatná kvalita rádiového kanálu - rušení, velká vzdálenost (zpoždění); rozdělení zatížení, optimalizace vysílacího výkonu atd.). Většinou k handoveru dochází na hranicích mezi buňkami. Důležité je, která část systému činí rozhodnutí o handoveru, která část provádí měření a jaký je průběh přepínacího procesu. Podle průběhu přepínacího procesu rozdělujeme handover na Tvrdý systém nejdříve odpojí MS z původního kanálu a teprve potom ji připojí na nový kanál. Při přepnutí dochází ke krátkému přerušení spoje (do 100 ms), což při přenosu hovorového signálu účastník nepostřehne, avšak při přenosu datových signálů může přepnutí způsobit ztrátu informace. Tento typ handoveru je využit např. u systému GSM. Seamless (bezešvý) nejdříve se vytvoří spojení na novém kanálu (po určitou krátkou dobu existuje paralelní spojení na dvou kanálech) a teprve pak je původní kanál odpojen. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT. Měkký mobilní stanice je neustále připojena na všechny dostupné základnové stanice (minimálně 2) a spojení se uskutečňuje paralelně po všech kanálech (zvýšené nároky na kapacitu sítě). Při pohybu MS v síti se některá spojení ruší a jiná vznikají. Připojení na více BTS způsobuje větší nároky na kapacitu sítě. Tento typ handoveru využívají např. radiotelefonní systémy 3. generace UMTS.

12 10 Modul 6: Mobilní rádiové sítě Podle toho, která část systému provádí měření kvality spojení, rozhoduje o handoveru a řídí jej, rozdělujeme handover do následujících skupin: Sítí řízený handover NCHO (Network Controlled Handover) Měření kvality kanálu provádí pouze BTS a na základě výsledků měření signálu provádí rozhodnutí o přepnutí. Na MS nejsou kladeny žádné požadavky. Nejčastěji se používá v analogových systémech. Handover řízený mobilní stanicí MCHO (Mobile Controlled Handover) Měření kvality všech kanálů provádí MS i BTS. Rozhodnutí o přepnutí provádí MS, která je předá do systému a ten zajistí provedení přepnutí. V tomto případě rostou technické nároky na MS. Tento typ handoveru je využit např. u systému DECT. Sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice MAHO (Mobile Assisted Handover) MS neustále měří velikost signálu sousedních BTS a výsledky měření předává servisní BTS (ke které je zrovna připojena). Současně MS i BTS provádí měření kvality probíhajícího spojení. Na základě naměřených údajů provádí systém rozhodnutí o uskutečnění handoveru. Tento typ handoveru je využit např. u systému GSM. Kontrolní otázky 1. Kolik může být uskutečněno současných spojení v systému využívající principu FDMA v případě, kdy daný systém využívá pásmo o šířce 25 MHz s odstupem rádiových kanálů 200 khz? 2. Jaká musí být minimální vzdálenost mezi buňkami využívající stejné kmitočty rádiových kanálů v případě použití svazku buněk, který je tvořen 12 buňkami o průměru 3OO m? 3. Co může způsobit použití tvrdého handoveru při přenosu dat?

13 Výukový program: Moderní komunikační technologie Mobilní radiotelefonní systémy Anotace: V této kapitole bude stručně popsán vývoj radiotelefonních systémů. Velká pozornost bude věnována systému GSM, jeho architektuře, zpracování signálu a otázkám souvisejících s jeho zabezpečením. Rovněž zde budou popsány způsoby, jakými lze v mobilních radiotelefonních sítích zabezpečit přenos dat. Závěr této kapitoly je věnován základnímu popisu systému UMTS, který je v současné době vývojově nejmodernějším systémem. Osnova: Generace radiotelefonních systémů Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové úrovně Architektura systému GSM Zpracování signálu v systému GSM Zabezpečení v systému GSM Přenos dat v mobilních sítích Vývojové trendy UMTS Generace radiotelefonních systémů Radiotelefonní systémy nabízející obdobné služby jako pevné sítě mají oproti těmto sítím jednu obrovskou výhodu a tou je mobilita uživatelů. Proto jsou často označovány jako mobilní sítě. Celosvětový vývoj těchto systémů je obecně rozdělen do několika generací: 1. generace jednalo se o analogové systémy určené pro hlasové služby využívající přístupovou metodu FDMA. Mezi tyto systémy patří např. skandinávský systém NMT (Nordic Mobile Telephone), americký systém AMPS (Advanced Mobile Phone System), britský systém TACS (Total Access Communications System) či německý systém C generace - jedná se o digitální systémy využívající přístupovou metodu TDMA a digitální modulační techniky. K hlavním výhodám patří efektivnější využití přidělených kmitočtových pásem, vyšší provozní kapacita, vyšší kvalita spojení, vysoká úroveň zabezpečení, rozšíření sortimentu nabízených služeb a zavedení mezinárodního roamingu. Mezi tyto systémy patří např. evropský standard GSM (Global System for Mobile Communication), americké systémy ADC (American Digital Cellular) označované taky jako IS-54 a IS-95 (Interim Standard) či japonský systém JDC (Japan Digital Cellular). Přehled základních světových standardů, spolu s uvedením jejich základních technických parametrů, je pro analogové systémy 1. generace uveden v tabulce 6.2 a pro digitální systémy druhé generace je uveden v tabulce ,5. generace tato generace tvoří jakýsi přelom mezi systémy druhé generace, jež se orientují na hlasové služby a systémy 3. generace, které se orientují především

14 12 Modul 6: Mobilní rádiové sítě na služby datové. Nejedná se tedy o nové systémy, ale o zdokonalení stávajících systémů druhé generace, která umožňují operátorům nabídnout vysokorychlostní přenos dat pro koncové uživatele. Tyto systémy jsou blíže popsány v kapitole generace v této generaci digitálních systémů je hlavní důraz kladen na vysokorychlostní přenos dat. V Evropě se třetí generace sítí nazývá UMTS (Universal Mobile Telephony System), v Americe se používá také název CDMA Systému UMTS je věnována kapitola Tab. 6.2 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 1. generace Systém AMPS TACS C 450 NMT 450 NMT 900 Kmitočtový rozsah [MHz] , , , , Odstup rádiových kanálů [khz] ,5 Počet rádiových kanálů Kmitočtový odstup FDD [MHz] Využití na území Amerika Austrálie JV Asie Afrika Evropa Afrika JV Asie Německo Portugalsko Evropa Afrika JV Asie Evropa Afrika JV Asie Tab. 6.3 Základní světové standardy radiotelefonních systémů 2. generace Systém GSM IS 54 IS 95 JDC Mnohonásobný přístup FDMA / TDMA FDMA / TDMA FDMA / CDMA FDMA / TDMA Kmitočtový rozsah [MHz] Duplex FDD FDD FDD FDD Odstup rádiových kanálů [khz] Digitální modulace GMSK (BT = 0,3) π /4 QPSK QPSK, OQPSK π /4 QPSK Zdrojové kódování RPE - LTP VSELP QCELP VSELP Přenosová rychlost [kbit/s] ,6 4,8 2,4 1,2 8 Počet účastnických kanálů v rádiovém kanálu 8 3 není fixní 3 Kanálové kódování konvoluční 1/2 konvoluční 1/2 konvoluční 1/2, 1/3 CRC Přenosová rychlost [kbit/s] 270,833 48,6 1228,8 42

15 Výukový program: Moderní komunikační technologie Systém GSM, rozdělení kmitočtového pásma, výkonové úrovně Digitální systém GSM patří k druhé generaci veřejných radiotelefonních systémů. Podněty k vývoji tohoto Evropskému standardu vznikly na počátku osmdesátých let v organizaci CEPT (Conference of European Post and Telekommunications Administrations), sdružující poštovní a telekomunikační správy západoevropských zemí. Na vypracování standardu GSM se podílel také Evropský telekomunikační standardizační institut ETSI (European Telecommunications Standard Institute). První část doporučení tzv. Phase 1 byla vydána v roce V současné době se tento systém ve velké míře využívá také k přenosu datových signálů. Rozdělení kmitočtového pásma Základní primární systém GSM, označovaný také jako PGSM (Primary GSM) nebo GSM 900, má přidělené kmitočtové pásmo 890 MHz až 960 MHz. Toto pásmo je rozděleno na dvě části: MHz pro spojení MS BTS, tzv. směr uplink MHz pro spojení BTS MS, tzv. směr downlink Je zde tedy použit přístup FDMA a kmitočtový duplex FDD. Základnové stanice vysílají na vyšším kmitočtu duplexního páru, jehož rozteč je 45 MHz. Uvnitř každého pásma je vytvořeno 124 rádiových kanálů. Šířka pásma jednotlivých rádiových kanálů je 200 khz. Zbylá 125. část je rozdělena na poloviny (2 x 100 khz), které tvoří oddělovací úseky na horním a na dolním konci každého pásma. Pro číslo rádiového kanálu, které může nabývat hodnot od 1 do 124, se používá označení ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Systém PGSM používá tedy 124 duplexních kanálů. Kmitočet nosné pro uplink f CUL (n) i downlink f CDL (n) lze určit ze vztahů f CUL ( n) = , 2 n [MHz], (6.3) ] f CDL ( n) = f CUL ( n) + 45 [MHz, (6.4) kde n = ARFCN, pro něž platí 1 n 124. Rozdělení pásma na jednotlivé rádiové kanály je naznačeno v tabulce 6.4. V každém rádiovém kanálu je metodou TDMA vytvořeno 8 časových intervalů TS (Time Slot) nebo-li timeslotů (účastnických kanálů), které tvoří rámec TDMA (TDMA Frame). Celkový počet účastnických duplexních kanálů je 124 x 8 = 992. Rozdělení rádiových a účastnických kanálů je přehledně naznačeno na obrázku 6.4.

16 14 Modul 6: Mobilní rádiové sítě Tab. 6.4 Rozdělení kmitočtového pásma systému PGSM n f CUL [MHz] f CDL [MHz] 1 890,2 935, ,4 935, ,6 935, ,8 935, ,0 936, ,2 959, ,4 959, ,6 959, ,8 959,8 Kmitočet 577 μs 200 khz f 6 f 5 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 f 4 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 f 3 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 f 2 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 f 1 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TDMA rámec 4,615 ms čas Obr. 6.4 Rádiové a účastnické kanály v systému GSM Rozšířená verze systému GSM, označovaná jako EGSM (Extended GSM) navýšila kapacitu systému o 50 duplexních kanálů. Kmitočtová pásma, která využívá systém PGSM, jsou na spodních okrajích rozšířena o 10 MHz. Ochranný úsek 100 khz na spodních koncích obou pásem se posunul o 10 MHz níže. Kmitočet nosné pro uplink se určí ze vztahů f CUL ( n) = , 2 n [MHz], kde 0 n 124 (6.5) f CUL ( n) = ,2 ( n 1024) [MHz], kde 975 n (6.6) Pro kmitočet nosné f CDL (n) platí vztah (6.4).

17 Výukový program: Moderní komunikační technologie 15 Systém GSM 1800, označován rovněž jako DCS-1800 (Digital Cellular System 1800), používá kmitočtová pásma 1710 MHz až 1785 MHz pro uplink a 1805 MHz až 1880 MHz pro downlink. Stejným způsobem je v těchto pásmech umístěno 374 rádiových kanálů s odstupem 200 khz (2992 účastnických kanálů. Stejně jako u obou předchozích systémů jsou na horních a spodních okrajích obou pásem opět oddělovací úseky 100 khz. Rozteč duplexního páru je 95 MHz. Kmitočty nosných pro uplink a downlink se určí ze vztahů f CUL ( n) = ,2 ( n 511) [MHz], kde 512 n 885 (6.7) f CDL ( n) = f CUL ( n) + 95 [MHz]. (6.8) Výkonové úrovně V tabulce 6.5 jsou uvedeny výkonové úrovně MS a BTS, jenž jsou rozděleny do několika výkonových tříd. Minimální výkon mobilní stanice je 20 mw (13 dbm). Tab. 6.5 Výkonové úrovně v systému GSM Výkonová třída Maximální výkon MS Maximální výkon BTS 1 20 W (43 dbm) 320 W (55 dbm) 2 8W (39dBm) 160 W (52 dbm) 3 5W (37dBm) 80 W (49 dbm) 4 2W (33dBm) 40 W (46 dbm) 5 0,8W (29dBm) 20 W (43 dbm) 6-10 W (40 dbm) 7-5 W (37 dbm) 8-2,5W (34dBm) Uvedené výkony představují maximum. K minimalizaci interferencí a redukci spotřeby je výkon jak na MS tak na BTS adaptivně nastaven vždy jen na takovou úroveň, která stačí pro udržení požadované kvality spojení, kritériem je bitová chybovost BER (Bit Error Rate). Výkon MS je řízen BTS po 13 rámcích (60 ms). Ruční MS patří do třídy 4, vozidlové a přenosné MS mohou patřit do třídy 2. V tabulce 6.5 je uveden maximální vyzářený výkon BTS připadající na jeden rádiový kanál. Střední výkon připadající na jeden kanál TDMA (jeden účastnický kanál) vyzářený BTS je tedy osminový. Pro GSM - Phase 2, jsou maximální výkony základnových stanic určených pro mikrobuňky a pikobuňky menší. Dělí se do tříd: M1 0,25 W (24 dbm) M2 0,08 W (19 dbm) M3 0,03 W (14 dbm) Maximální výkon mobilní stanice je 2,5 mw (4 dbm).

18 16 Modul 6: Mobilní rádiové sítě Architektura systému GSM Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval přístup i do jiných sítí. Na obrázku 6.5 je znázorněna architektura systému GSM. Skládá se ze tří tzv. subsystémů: Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystém) Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) Operační podpůrný subsystém OSS (Operation Support Subsystem) Mobilní účastníci BSS NSS BTS EIR AUC BTS BSC TRAU F BTS BTS BTS BSC TRAU HLR C SS7 MSC D B IWF VLR Externí sítě BTS BTS OSS ADC BTS BSC TRAU NMC BTS Q3(X.25) OMC Mobilní stanice MS Um A-bis A Obr. 6.5 Architektura systému GSM Samotné MS jsou autonomní součásti systému GSM, nenáleží však k žádnému ze tří uvedených subsystémů. Pod pojmem mobilní stanice se rozumí ve smyslu Specifikací GSM nejen vlastní vysílač/přijímač (označovaný také jako mobilní uživatelská či účastnická stanice, nebo terminál resp. tranceiver), ale navíc ještě předplatitelský identifikační modul, resp. karta SIM (Subscriber Identity Module), která tuto stanici odemyká. Mobilní stanice obsahuje vysokofrekvenční část (modulátor, demodulátor, směšovače, duplexer) obvody pro zpracování signálu v základním pásmu (převod A-D a D-A, funkce zdrojového a kanálového kódování) řídící mikroprocesorové obvody a paměti obvody styku s obsluhou (klávesnice, displej, sluchátko, mikrofon) rozhraní pro připojení periferních zařízení, např. počítače napájecí zdroj

19 Výukový program: Moderní komunikační technologie 17 Bez vložené karty SIM je MS nefunkční, výjimku představuje pouze tzv. tísňové volání na známé lince 112, které lze uskutečnit i bez této karty. SIM karta obsahuje čip s mikroprocesorem, pamětmi RAM a ROM, ve kterých jsou uloženy důležité uživatelské informace, které umožňují systému GSM ověřit před poskytnutím jakékoliv služby, vyžadované určitým účastníkem, jeho autenticitu (totožnost). Karta SIM bývá v provedení telefonní karta nebo v provedení zásuvný modul (plug-in). MS je jednoznačně identifikována pomocí čísla IMEI (International Mobile Equipment Identity), které je uloženo v její paměti. MS provádí celou řadu funkcí (zabezpečení, kódování, šifrování a přenos hovorových a datových signálů, naladění na požadovaný kmitočet, zajištění funkce ekvalizace, nastavení časového posuvu, sledování kvality spojení, sledování výkonu a kvality signálu v sousedních buňkách pro optimální handover a zasílání výsledků do sítě apod.). Subsystém základnových stanic BSS Tento subsystém, který je nazýván též rádiový subsystém tvoří: Základnové stanice BTS (Base Tranceiver Stations) zajišťují rádiové spojení s mobilními stanicemi MS. Uvnitř každé buňky je obvykle umístěna jedna BTS, která má nejčastěji 3 až 5 rádiových kanálů (24 až 40 účastnických kanálů). Každá BTS je identifikována kódem BSIC (Base Station Identification Code). Základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controller) řídí větší počet BTS, obvykle několik desítek a výjimečně až stovek. Stará se např. o kmitočtovou správu a handover. Transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit) slouží pro přizpůsobení bitových rychlostí, může realizovat také převod formátů signálů PCM apod.. Síťový přepojovací subsystém NSS Subsystém NSS, který se označuje také jako mobilní resp. radiotelefonní ústředna, představuje hlavní (pevnou) část GSM sítě. Realizuje především přepojovací (spínací funkce), podobně jako jej uskutečňuje klasická telefonní ústředna. Tento subsystém můžeme souhrnně označit jako funkční celek, který řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM a mezi účastníky externích telekomunikačních sítí. Subsystém NSS realizuje ještě celou řadu specifických úloh spojených s mobilitou účastníků. Jediný subsystém NSS v praxi zajišťuje radiotelefonní provoz na území, na němž žije několik stovek tisíc obyvatel (v ČR cca NSS/operátora). Tento subsystém tvoří: Radiotelefonní ústředna MSC (Mobile Switching Centre) je nadřazena nad systémem BSC a tvoří spínací prvek v síti (směrování hovorů z jednoho BSC do druhého, do jiné MSC, zajišťuje výstavbu pojení). Umožňuje propojení mobilní sítě do jiných externích sítí, jenž je zajištěno pomocí radiotelefonní ústředny s označením GMSC (Gateway MSC). O spolupráci MSC s jinými sítěmi se stará jednotka spolupráce IWF (Inter-Working Functionality), jenž je součásti MSC. Návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register) je databáze uchovávající a obnovující data o cizích účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí v dané oblasti. Je do ní zkopírována většina položek z HLR. Uchování zmíněných dat je zde však jen dočasné a ruší se v případě, kdy takový účastník opustí danou oblast.

20 18 Modul 6: Mobilní rádiové sítě Domovský lokační registr HLR (Home Location Register) je databáze uchovávající důležité informace o všech účastnících příslušejících domovsky do oblasti dané ústředny NSS. HLR lze rozdělit na dvě oblasti. V první jsou uložena neměnná data (uživatelský profil, předplacené služby), ve druhé se ukládají dynamicky se měnící data (poloha, kde se právě MS nachází důležité pro příchozí hovory, zda právě hovoří atd.). Tato účastnická data slouží především pro výstavbu spojení a vytváření služeb. Každý účastník je zde označen unikátním číslem mezinárodní identity mobilního účastníka IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Centrum autentičnosti AuC (Authenticity Centre) je součástí HLR, uchovává účastnické klíče nezbytné pro zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní. Obsahuje klíče pro ověřování autentičnosti každého účastníka zaznamenaného v registrech HLR a VLR (před zahájením komunikace ověřuje AuC totožnost každého účastníka). Obsahuje šifrovací klíče, podle nichž se šifruje každý účastnický signál přenášený rádiovým rozhraním; tento klíč je individuální pro každého účastníka a navíc se mění s časem, takže ochrana přenášených dat je v systému GSM velmi dokonalá. Registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register) tento registr identifikuje zcizené nebo neoprávněně užívané MS, a to na základě dat jež tyto stanice vysílají a jež nesouhlasí s údaji obsaženými v registrech HLR a VLR. V paměti MS (ne v paměti SIM karty) je uložena její mezinárodní identifikace v podobě sériového čísla přístroje IMEI, jenž může být použita ke kontrole při sestavování spojení (přes signalizační kanál zaslána k MSC). Lze ji využít ke zjištění ukradené MS. Operační podpůrný subsystém OSS Jeho úkolem je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM, a to především za podpory systémových techniků, provádějících monitorování, diagnostiku a opravy poruch jednotlivých složek systému apod.. Do toho subsystému mají přístup výhradně zaměstnanci daného operátora. Operační subsystém OSS provádí kontrolu a údržbu veškeré technologie (hardwaru) daného systému, podílí se na managementu účastníků GSM, tedy provádí jejich registraci, řeší otázky tarifování apod., podílí se na managementu mobilních stanic, tyto stanice např. monitoruje, dále zjišťuje stanice porouchané apod. Uvedené funkce plní v subsystému OSS tři funkční jednotky. Je to především: Provozní a servisní centrum OMC (Operation and Maintenance Centre) centralizovaný bod pro dohled, zpracování analýzy a konfiguraci managementu pro celou síť. Monitoruje a provádí údržbu všech bloků MS, BTS, BSC a MSC v rámci daného systému GSM. Snaží se zabezpečit bezporuchový provoz tím, že identifikuje chybnou část a hledá náhradní režim. Centrum managementu (řízení) sítě NMC (Network Management Centre) je odpovědné za administraci, údržbu, integritu dat, za obnovu síťových parametrů, za nahrávání softwaru a dat do síťových prvků a databází. Administrativní centrum ADC (Administrative Centre).

21 Výukový program: Moderní komunikační technologie 19 Externí složky systému GSM Všechny tři výše uvedené subsystémy (kromě mobilních stanic) se také označují jako fixní podpůrné složky systému GSM nebo jako jeho infrastruktura. Systém GSM při plnění svých funkcí však musí spolupracovat se třemi externími složkami. Prvou z nich jsou uživatelé systému, označovaní také jako účastníci nebo-li předplatitelé (subscribers), kteří využívají mobilní stanice. Další externí složkou systému GSM jsou operátoři, což jsou společnosti angažující se v oblasti telekomunikačního podnikání. Ti systém GSM budují a provozují, řídí ho tedy jak z hledisek ekonomických a finančních, tak i z hledisek technických. Účtují účastníkům poskytované služby, vydávají a evidují karty SIM, zajišťují technický servis infrastruktury systému apod.. Třetí kooperující externí složkou systému GSM jsou externí telekomunikační sítě. K těm náleží především: veřejná komutovaná telefonní síť PSTN (Public Switching Telecommunication Network), digitální sítě integrovaných služeb ISDN (Integrated Services Digital Network), veřejné datové sítě s přepojováním okruhů CSPDN (Circuit Switched Public Data Network), veřejné datové sítě s přepojováním paketů PSPDN (Packed Switched Public Data Network) a jiné veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Network). Rozhraní v systému GSM Na obrázku 6.5 jsou vyznačena rovněž i příslušná rozhraní mezi jednotlivými funkčními bloky systému GSM. Mezi mobilními stanicemi MS a základnovými stanicemi BTS se nachází rádiové rozhraní U m (někdy označované jako I/F). Mezi stanicemi BTS a řídící jednotkou BSC se nachází tzv. rozhraní A bis. Mezi řídící jednotkou BSC a mobilní ústřednou MSC je potom rozhraní A, užívající signalizační systém č.7 SS7 (Signaling System No.7). Ten podporuje komunikaci mezi základnovými stanicemi BSS a mobilní ústřednou MSC, jakož i přenos síťových sdělení mezi individuálními účastníky a ústřednou MSC. Další rozhraní jsou rovněž definována mezi jednotlivými funkčními bloky subsystému NSS a OSS Zpracování signálu v systému GSM Zdrojové kódování V systému GSM se používá jedna z moderních parametrických metod zdrojového kódování, označovaná zkratkou RPE-LTP (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction). Tento kodek byl vybrán z celkem 20 návrhů z 9 zemí Evropy. Na základě hodnocení kvality výsledného hovorového signálu a dále schopnosti transkódování. Pro efektivní činnost kodéru musí být na jeho vstup přiveden speciálně upravený digitalizovaný hovorový signál. Výstupní přenosová rychlost kodéru pro hovorový signál je 13 kbit / s. Podrobný popis této metody je příliš komplikovaný, proto budou dále uvedeny pouze základní údaje. Analogový hovorový signál v pásmu Hz je po filtraci vzorkován s kmitočtem 8 khz a segmentován do časových rámců 20 ms, jak je uvedeno na obrázku 6.6. V analogově

22 Modul 6: Mobilní rádiové sítě digitálním převodníku se vytvoří v každém rámci 160 vzorků, z nichž každý je kódován 13 bity, tj.do 8192 úrovní. Bitová rychlost na vstupu kodéru je tedy kbit / s =. Procesem kódování jsou potom tyto segmenty převedeny na digitální hovorové rámce po 260 bitech. Každý rámec obsahuje 47.4 = 188 bitů tzv. excitačního signálu, z něhož se v dekodéru přijímače rekonstruuje požadovaný výstupní signál a = 72 bitů reprezentujících koeficienty digitálních filtrů. Celkem 260 bitů za 20 ms představuje výstupní přenosovou rychlost signálu 13 kbit/s. Tyto bity jsou dále přeskupeny a uspořádány do skupin vhodných pro následující ochranné kanálové kódování. Analogový hovorový signál 20 ms Časové segmenty 20 ms 260 bitů Kódovaný signál RPE/LTP Ia Ib II celkem ( ) bitů Přeskupení bitů celkem 456 bitů Konvoluční kódování rychlost 1/2, omez. délka 5 A B C 57 Dělení na skupiny Diagonální prokládání Zdrojové a kanálové kódování hovorového signálu v celulárním radiotelefonním systému GSM Obr. 6.6 Zpracování signálu v systému GSM Kanálové kódování Z celkového počtu 260 bitů hovorového rámce délky 20 ms, jsou však pro rekonstrukci signálu na přijímací straně některé bity důležitější a některé méně důležité. 260 bitů je proto rozděleno na tři části, tzv. třída Ia, třída Ib a třída II, které jsou podle své důležitosti kódovány s různým stupněm zabezpečení. K nejdůležitějších 50 bitům třídy Ia se přidají 3 paritní bity, které usnadňují detekci nekorigovatelných chyb v přijímači. Ke 132 bitům třídy Ib jsou přidány 4 koncové nulové bity. Zbylých 78 bitů třídy II se přenáší bez zabezpečení. Je pak vytvořen blok o celkovém počtu bitů třídy I (50 + 3) + ( ) = 189 bitů, který je podroben protichybovému konvolučnímu kódování s kódovým poměrem R = 1/2

23 Výukový program: Moderní komunikační technologie 21 a omezovací délkou působení K = 5, čímž dojde k rozšíření tohoto bloku. Na výstupu konvolučního kodéru dostáváme = 378 bitů. Zbývajících 78 bitů se přiřadí k zakódovaným bitům, čímž vznikne blok o 456 bitech, odpovídající časovému segmentu 20 ms. Ochranným kódováním dojde k navýšení přenosové rychlosti zakódovaného signálu z původních 13 kbit/s na ,8 kbit / s =. Prokládání (Interleaving) Aby bylo v systému GSM dosaženo co největší odolnosti vůči rušivému působení shluků chyb, je konvoluční kódování kanálu doplňováno ještě tzv. prokládáním (interleavingem). Každý blok s délkou 456 bitů, vytvořený kanálovým kódováním, se rozdělí na 8 skupin po 57 bitech. Ty jsou metodou diagonálního prokládání proloženy s posledními čtyřmi skupinami předchozího bloku a prvními čtyřmi skupinami následujícího bloku, jak je zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6. V takto upraveném signálu však dvě sousední 57 bitové skupiny přísluší vždy již nikoliv jedinému, nýbrž dvěma různým blokům. Aby se narušily sousedské relace mezi po sobě jdoucími bity, využívají bity prvního bloku např. sudé pozice uvnitř určité dvojice proložených bitových skupin, kdežto bity druhého bloku zaujímají pozice liché atd.. Podrobněji je prokládací proces znázorněn na obrázku 6.7. Bloky A, B a C náleží jednomu hovorovému signálu a reprezentují úseky hovoru v délce 20 ms následující těsně za sebou, takže černé obdélníky reprezentují skupiny 2.57 = 114 bitů příslušející jednomu hovorovému signálu. Z obrázku vyplývá, že každému hovoru je přidělen jen určitý časový úsek (timeslot) v tzv. rámci TDMA, který se pravidelně opakuje. Detail prokládacího procesu je naznačen ve spodní části obrázku a vyplývá z něj, že jednotlivé bloky po 57 bitech jsou proloženy bit po bitu, tedy trochu jinak než je zjednodušeně naznačeno na obrázku 6.6. Jak je patrné, prokládáním se změní pořadí bitových skupin, jež spolu původně sousedily. Jestliže potom v rádiovém pozemním kanálu dojde k typickému vzniku shluku chyb, budou postižené bity náležet do různých bitových skupin kódovaného signálu. Po inverzní operaci, prováděné v přijímači před dekódováním kanálu a označované jako inverzní prokládání (deinterleaving), se tím získá signál, u něhož chybné bity zakódovaného signálu již spolu nesousedí. Jinak řečeno, shluk chyb vytvořený na rádiové trase, byl takto převeden na rozptýlené osamocené chyby. Takové chyby však následující konvoluční dekodér kanálu již velmi efektivně koriguje. Účinnost kanálového kódování totiž obecně roste se slábnoucím stupněm korelace mezi chybami a právě k této dekorelaci chyb prokládání výrazně napomáhá.

24 22 Modul 6: Mobilní rádiové sítě Blok dat 456 bitů řádků A B C Rámec TDMA C B C B C B C B... C B C B... B 57 bitů 57 bitů Obr. 6.7 Detail prokládacího procesu Vytváření burstů (časových oken) Dvě sousední bitové skupiny, příslušející dvěma různým blokům, obsahují v uvažovaném režimu přenosu hovorových signálů celkem 2.57 = 114 bitů. Po doplnění dvou 57 bitových skupin nesoucích vlastní informaci (hovor, data, řídící signály) o 26 bitů zkušební (tréninkové) sekvence, dále o 2 bity řídící, dvě trojice koncových (okrajových) bitů a 8,25 bitů ochranných, dostáváme základní jednotku přenosu v systému GSM označovanou názvem burst. Tréninková sekvence dat je pravidelně vysílána uprostřed každého burstu pro zajištění funkce ekvalizace (na základě příjmu této posloupnosti se nastavují ekvalizační filtry). Na obrázku 6.8 jsou zobrazeny různé typy burstů. Rámec TDMA 4,615 ms Normální burst Burst pro kmitočtovou korekci Synchronizační burst Prázdný burst Přístupový burst 3 57 (data) SF 26 (tr. sekvence) SF 57 (data) 3 8, (nulové bity) 3 8, (data) 64 (tr. sekvence) 39 (data) 3 8, (tr. sekvence) 3 8, (tr. sekvence) 36 (data) 3 68,25 Obr. 6.8 Typy burstů

25 Výukový program: Moderní komunikační technologie 23 V systému GSM existuje pět druhů burstů: Normální burst NB (Normal Burst) je určen pro přenos hlasu, dat a většiny signalizace. Je tvořen dvěmi datovými poli o délce 57 bitů obsahujících užitečnou informaci, tréninkovou sekvencí dat TS (Training Sequence) o délce 26 bitů (používané tréninkové sekvence jsou uloženy v paměti každé mobilní stanice, která je využívá pro funkci ekvalizace), dvěmi trojicemi koncových (okrajových) bitů TB (Tail Bits), které obsahují vždy pouze 0, dvěmi řídícími bity SF (Stealing Flag) udávající, zda je v burstu přenášen hovorový signál nebo řídící informace a ochrannou dobu GP (Guard Period), o kterou se může burst časově posunout ve vyhrazeném timeslotu. Tato situace může nastat v důsledku zpoždění signálu při pohybu mobilní stanice během komunikace (snížení nepřesnosti při okamžiku vysílání rámce, které vznikají vlivem měnící se doby šíření signálu pohybující se MS). Bitová perioda signálu v rádiovém kanálu je T b 1 1 = = 3,692 μs. (6.9) f bc Okrajové bity tedy reprezentují ochrannou dobu 8,25.3,692 = 30,459 μs. Uvažujeme-li rychlost šíření signálu v = m / s, odpovídá ochranné době změna vzdálenosti mezi MS a BTS d = 9, 14 km. Druhým důvodem pro zavedení ochranné doby je nutnost rychlého nárůstu a poklesu výkonu vysílače, který pracuje v impulzním (burstovém) režimu. Toleranční výkonový diagram (Power Ramping Time Mask) je pro normální burst nakreslen na obrázku 6.9. Je vidět, že nárůst i pokles výkonu vysílače musí splňovat určitá kriteria, aby signál nepronikal do sousedních timeslotů a nerušil sousední účastnické kanály. Burst pro kmitočtovou korekci FB (Frequency Correction Burst) tento burst obsahuje samé nuly, používá se pro kmitočtovou synchronizaci mobilní stanice. Synchronizační burst SB (Synchronization Burst) tento burst má rozšířenou tréninkovou sekvenci na 64 bitů a nemá řídící bity. Délka datových polí je 39 Bitů. Používá se pro časovou synchronizaci mobilní stanice a je vysílán vždy za burstem pro kmitočtovou korekci. Prázdný burst DB (Dummy Burst) má stejnou strukturu jako normální burst s tím rozdílem, že na datových pozicích jsou přenášeny přesně známé sekvence 1 a 0. V případě potřeby je zasílán k MS, avšak nenese žádnou informaci. Souvisí s měřením intenzity elektromagnetického pole při přechodu z jedné buňky do sousední (handover).