Seminární práce z předmětu MOBILNÍ KOMUNIKACE Srovnání technologií GPRS/EDGE a CDMA 2000 Jméno : Ročník : 5 / obor TT Datum : 15.5. 2005
1. Popis technologií V současné době lze pro datové přenosy využít tři resp.dvě mobilní technologie GPRS/EDGE a CDMA 2000. Tyto technologie se řadí do tzv. generace 2,5, CDMA 2000 je někdy též zařazováno do 3.generace. Ačkoliv GPRS/EDGE a CDMA2000 1x EV-DO jsou systémy technologicky zcela odlišnými a také řada parametrů služeb je výrazně rozdílná, často dochází k jejich porovnávání. 1.1. GPRS (General Packet Radio Service) V síti GSM jsou dva základní přístupy k datovým přenosům. První z nich je technologie CSD(HSCSD) Circuit Switched Data. Jak název vypovídá, jedná se o technologii založenou na přepojování okruhů. Přenosová rychlost je zde 14,4 kbit\s. Pokud uvažujeme zdokonalenou technologii HSCSD High Speed Circuit Swtitched Data, která združuje více timeslotů najednou, dosáhneme pro 8 timeslotů teoretické maximální rychlosti 115,2 kbit/s. Druhým přístupem je využití paketové komunikace pomocí technologie GPRS. Jednotlivá data jsou segmentována do paketů, které jsou opatřeny záhlavím a ty jsou pak přenášeny sítí ve volných slotech. Pro tyto přenosy není třeba vytvářet trvalé spojení mezi koncovými body, tak jak tomu bylo u CSD. Pakety jsou sítí směrovány na základě informací v záhlaví a jejich cesta se liší dle vytížení a kapacity sítě. Hlavní výhodou je efektivnější využití přenosové kapacity, která není trvale vyhrazena, ale je dynamicky přidělována podle potřeby. Z výše napsaného vychází i způsob tarifikace, což je další výhoda oproti HSCD. V GPRS není tarifikovaná doba spojení, ale pouze přenesený objem dat. Nevýhodami je nutnost úprav stávající sítě pro technologie GPRS a s tím spojené náklady. Největší změnou pro zavedení GPRS technologie je přeložení jedné další sítě, fungující na principu přepojování paketů, přes stávající páteřní část mobilní sítě. Struktura celé sítě GSM uzpůsobené pro GPRS je na obr.1. Obr.1. Architektura sít ě GSM doplněná sítí GPRS 2
K základnových stanicím BTS, řídícím jednotkám BSC a centrálním ústřednám MSC je třeba přidat novou překryvnou síť s novými řídícími prvky. U GPRS je využita dvoustavová Gaussovská modulace s minimální zdvihem GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) a kombinace TDMA/FDMA přístupu. Pro vysílání z mobilní stanice (uplink) je vyhrazeno frekvenční pásmo 890-915 MHz, pro příjem (downlink) pásmo 935-960 MHz. Obě pásma jsou frekvenčně multiplexována. Vznikne tak 2x124 frekvenčních pásem (rámců) o šířce 200 khz. Každý rámec je časově dělen do 8 time slotů. Stanovení přenosové rychlosti u GPRS vychází z toho, že v jednom slotu je dispozici maximálně 22,8 kbit/s, z které část připadá na zabezpečení přenášených dat vůči chybám. Výpočet rychlosti připojení vychází z počtu použitých timeslotů (lze zjistit z GPRS třídy telefonu) a použitého schématu kódování viz tabulka 2a a 2b. Rychlost na Reálné max. Schéma timeslot [kbit/s] [kbit/s] CS-1 9,05 6,7 CS-2 13,4 10 CS-3 15,6 12 CS-4 21,4 16,7 Třída GPRS Počet timeslotů Tab. 2a Kódová schémata GPRS download Počet timeslotů upload 1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 4 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5 Max. počet timeslotů současně Tab. 2b Třídy GPRS Telefony mají často podporovaný počet timeslotů udán číslem, např.: 4+1. Znamená to, že pro download jsou k dispozici 4 timesloty a pro upload 1. Pokud tedy používáte kódování CS-2 (max. 10 kbit/s) a 4 timesloty, potom výsledná rychlost je 10kbps x 4 = 40kb/s. Sestavení spojení (připojení) se pohybuje kolem 10 sekund. Čím vyšší je číslo kódování, tím je přenos náchylnější k chybám (a je proto velmi závislý na kvalitě signálu). Se snižujícím se číslem kódováni klesá rychlost, ale přenos se stává spolehlivějším. Maximální dosažitelná rychlost GPRS vychází z teoretického předpokladu užití všech 8 3
slotů současně a zároveň dosažení optimálních podmínek šíření signálu, kdy lze užít kódové schéma CS-4. 1.2. EDGE (Enhanced Data Rates for GSM(Global)Evolution) Technologie EDGE je vlastně pouze upgradem stávající technologie GPRS, to lze ostatně přímo vyčíst z použité zkratky EDGE, kterou lze do češtiny přeložit jako Zvýšené přenosové rychlosti pro GSM(globální) evoluci. U EDGE jsou využity stejné šířky pásma jako u GPRS, zvýšení rychlosti je zde dosaženo pomocí osmistavové fázové modulace PSK (Eight-Phase-Shift Keying), která souběžně pracuje s dosavadní GMSK. S 8-PSK je možné poskytnout vyšší datové rychlosti s obecně menším pokrytím než poskytuje modulace GMSK, která se zase hodí pro rozlehlé oblasti. EDGE využívá 9 kódovacích schémat oproti čtyřem u GPRS. Stejně jako u GPRS lze různá kódová schémata používat v různých příjmových podmínkách. V dobrých podmínkách je možné omezit opravné kódy a přenášet více dat, při horších se naopak přenáší méně dat a více opravných kódů. Při využití všech 8 timeslotů se teoreticky dostáváme na maximální přenosovou rychlost 473,6 kbit/s, v praxi se ale nedá počítat s tím, že se bude využívat více jak 4 TS. Proto se uvádí teoretické přenosová rychlost 236,8 kbit/s. Běžně se dosahuje přenosové rychlosti cca 150 kbit/s, to je zhruba trojnásobek reálné přenosové rychlosti GPRS. Schém Rychlost na a timeslot [kbit/s] Typ modulace MCS-1 8,8 GMSK MCS-2 11,2 GMSK MCS-3 14,8 GMSK MCS-4 17,6 GMSK MCS-5 22,4 8-PSK MCS-6 29,4 8-PSK MCS-7 44,8 8-PSK MCS-8 54,4 8-PSK MCS-9 59,2 8-PSK Tab. 3 Kódovací schéma EDGE Aby bylo možné EDGE zprovoznit, do BTS musí být vložen nový transceiver, jednotka, která je schopna zajistit nový druh modulace. Na BTS i BSC musí být také instalován SW, který umí pracovat s novým protokolem přenosu paketů. Do zbytku sítě není třeba jakkoliv zasahovat. EDGE standardy lze rozdělit do tří oblastí: - standardy fyzické vrstvy (definice modulace a schémat kódování),změny v protokolu pro ECSD, změny v protokolu pro EGPRS. Vzhledem k tomu, že v ČR dva ze tří operátorů vůbec technogii HSCSD nedisponují, využívá se u nás technologie EGPRS, pro kterou se ale již vžil obecný název EDGE. 1.3. CDMA 2000 1xEV-DO 4
CDMA je zkratka anglického výrazu Code Division Multiple Access, kterou lze přeložit jako kódové dělení přenosových kanálů. Základním principem funkce CDMA je umožnění současné komunikace více uživatelů v rámci jednoho frekvenčního pásma pomocí kódování pseudonáhodným číslem. Standard CDMA 2000 zahrnuje více standardů mezi které patří 1xRTT(hlas+data do 144 kbit/s nebo do 307 kbit/s), 1xEV-DV(=evolution-data+voice - hlas+data až do 3,1 Mbit/s) a konečně 1xEV-DO(=evolution-data only pouze datové služby do 2,4 Mbit/s - Rev.0), pro který se rozhodl v ČR operátor Eurotel. Označení 1x přitom znamená, že CDMA je jednofrekvenční sítí, kde všichni uživatelé komunikují na stejném kanálu 1,25 MHz širokém. V UMTS se pro srovnání využívají varianty WCDMA se šířkou kanálu 5 MHz. CDMA lze využívat v různých frekvenčních pásmech od 450 MHz do 2100 MHz, v ČR je CDMA provozováno v pásmu 450 MHz, na kterém je provozována analogová mobilní síť NMT. Významnou výhodou pásma 450 MHz je potřeba nižšího počtu základnových stanic. Systém CDMA 2000 EV-DO však nepoužívá kód na rozlišení mezi jednotlivými uživateli, tak jak je v CDMA obecně definováno. Kódem jsou zde odlišeny celé skupiny uživatelů komunikující s konkrétní BTS (u GPRS/EDGE je to řešeno pomocí FDMA). Jednotlivý uživatelé se potom o kapacitu BTS dělí časově. Zatímco u EDGE lze poměrně lehce předvídat přenosové rychlosti, tak v síti 1xEV- DO je jasná pouze přenosová rychlost dostupná na jeden sektor ta je teoreticky 2457,6 kbit/s, přičemž reálné hodnoty, kterých Eurotel při testování dosahoval byly 2,2 Mbit/s. Tato přenosová kapacita je však rozdělena mezi všechny uživatele v daném sektoru s tím, že jeden uživatel může získat přenosovou rychlost nejvýše 800 kbit/s. Pokud bychom měli v jednom sektoru 10 uživatelů, lze poměrně reálně dosáhnout přenosové rychlosti okolo 200 kbit/s pro každého z nich. Reverse link (uplink) používá však jen první 3 schémata, jeho rychlost tak končí na 153,6 kbps. Při využití externí antény dodávané s modemem, jejím uzemnění a dobrém odstupu signálu od šumu lze dlouhodobě opravdu dosahovat rychlostí okolo 150 kbit/s. Maximální přenosová rychlost [kbps] Počet slotů na paket Velikost paketu [b] Typ modulace 38,4 16 1024 QPSK 76,8 8 1024 QPSK 153,6 4 1024 QPSK 307,2 2 1024 QPSK 307,2 4 2048 QPSK 614,4 1 1024 QPSK 614,4 2 2048 QPSK 921,6 2 3072 8PSK 1228,8 1 2048 QPSK 1228,8 2 4096 16QAM 1843,2 1 3072 8PSK 2457,6 1 4096 16QAM Tab. 4 Schémata a typy modulací u CDMA 2000 EV-DO 2. Srovnání technologií 5
Jak bylo již zmíněno v odstavci 1.2., EDGE (přesněji EGPRS) je pouze upgradem známého řešení GPRS. Je tedy očividné, že EDGE má ve všech směrech lepší nebo minimálně stejné parametry jako GPRS, proto se v tomto odstavci omezím spíše na srovnání EDGE a CDMA 2000 1xEV-DO.Srovnání EDGE a CDMA můžeme provádět podle různých kritérií : Přenosová rychlost : Reálné přenosová rychlost pro download se u EGPRS pohybuje v rozmezí 150 200 kbit/s. U 1XEV-DO je tato rychlost o trochu lepší a pohybuje se kolem 200 250 kbit/s. Výhodou u EDGE je ale fakt, že pro každého uživatele je zajištěna stabilnější datová kapacita než u CDMA. Na rozdíl od toho u CDMA není výsledná přenosová rychlost vůbec zaručena a je závislá na počtu aktivních uživatelů, což v hustě obydlených oblastech může činnit velké potíže. Pokud se podíváme na upload u obou systémů, musíme konstatovat, že uplink u EDGE je nesrovnatelně pomalejší (kolem 20 kbit/s), což znemožňuje uploady velkých souborů na FTP či odesílání objemných mailů. Oproti tomu CDMA dosahuje pro uplink slušných rychlostí okolo 150 kbit/s (při využití externí uzemněné antény dodávané s modemem). Opět však u CDMA vše závisí na počtu aktivních uživatelů. Rychlost odezvy : Nepříjemným dědictvím technologie EDGE je zachování stejné rychlosti odezvy jako nabízí GPRS, tedy kolem 700-800 ms, CDMA má zhruba kolem 150 200 ms.tento parametr je rozhodující pro služby v reálném čase, jako je například vzdálené připojení, online hry,internetová telefonie a streamované video. Proto je provoz u CDMA velice stabilní a lze zde využít streamované video a teoreticky také IP telefonii (s příchodem Rev.A), což u EDGE kvůli dlouhým odezvám možné není. Uživatel + roaming: EDGE je rozšíření stávající mobilní sítě, tedy jedním přístrojem je možné volat i přenášet data. Přechod mezi EDGE, které je zatím dostupné především ve městech, a GPRS, které je k dispozici téměř ve všech oblastech, je plynulý. CDMA je samostatná datová síť, pro kterou je nutné mít samostatný datový modem.. Jelikož je technologie GPRS/EGPRS založena na GSM sítích, které jsou provozovány v mnoha státech, je toto připojení ideální pro všechny uživatele, kteří často cestují mimo ČR a používají v zahraničí datovou komunikaci. Rovněž je toto připojení ideální pro uživatele, kteří vyžadují téměř 100% dostupnost signálu po celé zemi. GPRS je dostupné u všech tří mobilních operátorů, EDGE je prozatím dostupné v některých lokalitách. V celosvětovém měřítku ohlásili zavedení EDGE přes 100 operátorů ve více jak 60 zemích světa. CDMA je technologie, kterou provozuje v pásmu 450 MHz pouze společnost Eurotel a proto zde není umožněn roaming.cdma lze doporučit uživatelům, kteří příliš necestují, případně cestují mezi několika pevnými lokalitami, kde je dostupnost signálu zajištěna (např. zaměstnání doma chata ). V místech dobrého pokrytí signálem toto připojení uspokojí i náročné uživatele vyžadující rychlou komunikaci. Vzhledem k tomu, že modem pro CDMA komunikaci je vybaven akumulátorem, je provoz možný i v místech s nedostupným připojením na rozvodnou elektrickou síť. Přestože CDMA je obecně mobilní technologií, ve variantě 1xEV-DO se spíše využívá jako alternativa k pevnému připojení. 6
Koncové terminály : K využívání EDGE stačí mít mobilní telefon s jeho podporou ty zatím dodává pouze Nokia, konkrétně modely 3200, 3220, 5140, 6170, 6220, 6230, 6630, 6820, 7200, 7260 a 7270. SonyEriccsson by měl v nejbližší době začít prodávat EDGE telefony také. Protože služba vychází z GPRS, není třeba v mobilu nic speciálně nastavovat; telefon se sám přepíná mezi přenosy EDGE a GPRS podle jejich dostupnost. Pokud uživatel předpokládá opravdu velký mobilní datový provoz, je vhodné zakoupit specializované datové terminály (pro notebooky v provedení PC-card). U CDMA je k dispozici jediné externí zařízení připojitelné prostřednictvím USB kabelu. K modemu je možné připojit výkonnou externí anténu pro zlepšení signálu. V brzké době by měl být rovněž k dispozici model vhodný pro notebooky ve formě PC card. Náklady na vybudování sítě: Jak již bylo zmíněno, implementace EDGE do sítě GSM/GPRS je poměrně snadná a vyžaduje nižší náklady než tomu je u CDMA, kde investice činila kolem půl miliardy korun. Dosah : Výhodou CDMA je velký dosah signálu od základnové stanice až 54 km, a výborné vlastnosti pro pokrytí v členitém terénu i uvnitř budov. Dosah technologie EGDE není definován radiovým dosahem signálu, ale tím, kdo nabízí lepší signál než mají ostatní BTS (tzv. best server), což je ve velkoměstském prostředí řádově sto či dvě stě metrů od BTS, málokdy však výrazně víc. Zvětšování kapacity sítě : Právě velikost buněk je ale zároveň nevýhodou CDMA nelze dosáhnout takové četnosti vysílačů jako u EDGE, navíc je pro stavbu každé CDMA buňky nutné povolení od Českého telekomunikačního úřadu. U EDGE je oproti tomu snadnější zvyšování kapacity sítě i četnosti pokrytí buněk Pokrytí : Pokrytí CDMA se dle očekávání zatím soustředilo na komerčně zajímavé oblasti větších měst. Velkou výhodou CDMA je jeho současný náskok v pokrytí (70% populace), EDGE tak velké pokrytí ještě nedosahuje. Očekává se však, že bude postupem času implementováno do celé sítě nebo alespoň její drtivé většiny tedy asi 99% populace. Statistiky současného GPRS provozu navíc operátorovi poradí, kam s EDGE dříve a kam s ním nespěchat. Druhý úhel pohledu však pro CDMA znamená zásadní nevýhodu. Uživatel EDGE má k dispozici dnešní téměř 100% pokrytí GPRS a tak se mu téměř nemůže stát, že by se na internet nepřipojil. CDMA se navíc potýká s problémy s kmitočtovou koordinací se sousedními státy a proto pokrytí v pohraničních městech, jako je např. Znojmo, Břeclav, Opava nebo Třinec je zatím ještě otázkou. 7
Ceny služeb : Všichni operátoři nabízí připojení pomocí EDGE za sejné tarify jako je tomu u GPRS, tedy např. u T-Mobile za tarif označený jako Data Unlimited uživatel zaplatí měsíčně 699,-Kč(831,81,- Kč s DPH), CDMA od Eurotelu je nabízeno pod označením Data Express Nonstop a měsíčně vyjde na 899,-Kč(1069,-Kč s DPH). Vedle toho je ještě nutné investovat do koncových zařízeních. Modem pro CDMA stojí 9995 Kč včetně DPH, při závazku tzv. minimálního měsíčního plnění 555,- Kč po dobu jednoho roku jej lze zakoupit za 2995,- Kč. Mobilní telefony podporující EDGE jsou zastoupeny ve všech cenových kategoriích a s ohledem na náročnost uživatele se cena pohybuje od 1Kč (dotovaný telefon) až po cca 20.000,-Kč. 3. Závěr Jak ukazuje předešlé srovnání, nelze říci, která z technologií jednoznačně vítězí. Vše záleží na individuální potřebě uživatele. EDGE je technologie navazující na mimořádně úspěšný systém GSM/GPRS, který má i do budoucna zaručené své místo na slunci (vzhledem k široké oblibě hlasových služeb GSM a nepříliš velké ochotě operátorů zavádět UMTS.) Přesto však technologie EDGE naráží na své technologické hranice, které lze jen velice těžko posouvat k vyšším rychlostem. Systém CDMA 2000 1xEV-DO oproti tomu může dosahovat výrazně vyšších rychlostí (zvláště po zavedení standardu Rev.A). V současné podobě však nelze jeho reálné rychlosti vůbec předpovídat, protože vlivem přetížení často dochází k poklesu rychlosti až na absolutní minimum. Navíc zvolené pásmo 450 MHz odsouvá tuto technologii do bezděčné izolace a nezbývá než doufat, že se i někdo z ostatních evropských států pro toto řešení rozhodne. Lze tedy říci, že ani CDMA není jistě to, co mnozí očekávali. 8