Datové přenosy GPRS, EDGE

37MK Datové přenosy GPRS, EDGE Semestrální práce Martin Štorek 17. 5. 2007

Obsah 1 Jak přenášet data v sítích GSM... 2 2 Základní rozdělení datových přenosů v GSM... 2 2.1 CSD (Circuit Switched Data)... 2 2.2 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)... 3 2.3 GPRS (General Packet Radio Service)... 3 2.3.1 Modulace... 4 2.3.2 Kódová schémata... 5 2.4 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)... 5 2.4.1 Modulace... 6 2.4.2 Kódová schémata... 7 3 Závěr... 7 Seznam použitých zdrojů... 9

1 Jak přenášet data v sítích GSM Mobilní sítě GSM jsou digitální. To znamená, že se vše přenáší v digitální podobě. Samotný přenos mezi mobilní stanicí (telefonem či jiným druhem terminálu) a základnovou stanicí, který se odehrává prostřednictvím rádiových vln, je ale ve své podstatě analogový. Proto i sítě GSM musí používat vhodné techniky modulace, pomocí kterých namodulují digitální data na analogový signál, který je skutečně šířen éterem. Toto je ovšem interní záležitostí GSM, která není zvenku patrná. Na mobilní síť GSM můžeme proto z vnějšku pohlížet jako na čistě digitální síť. Budeme-li chtít využít síť GSM k datovému přenosu, pak je zapotřebí předávat jí data již přímo v digitální podobě a nechat ji, ať se postará o další přenos. [2] 2 Základní rozdělení datových přenosů v GSM 2.1 CSD (Circuit Switched Data) Jde o nejstarší a základní typ nepaketového přenosu dat, který vychází z přenosu hlasu, kdy je pro každý datový přenos vyhrazen samostatný kanál (jeden pro příjem, druhý pro vysílání). Datový přenos CSD funguje na principu přepojování okruhů (obr. 2.1). To znamená, že mezi příjemcem a odesílatelem vzniká souvislá přenosová cesta s vyhrazenou přenosovou kapacitou. Rychlost komunikace dosahuje 9,6 kbps. V případě kvalitního signálu je možné dosáhnout rychlosti až 14,4 kbps. [2] BTS BSC MSC BSC BTS MS Obr. 2.1: Schéma spojení v síti s komutací okruhů MS MS mobilní stanice (Mobile Station) BTS základnová stanice (Base Transceiver Station) BSC řídící základnová jednotka (Base Station Controler) MSC ústředna (Mobile Switching Centre) 2

2.2 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Datové přenosy HSCSD jsou vylepšenou formou technologie CSD. Pro jeden přenos lze najednou použít více slotů a dosáhnout tak v ideálním případě rychlosti až 115,2 kbps (při použití všech 8 slotů jednoho kanálu najednou). Datový přenos může být symetrický (data proudí oběma směry stejně rychle) nebo asymetrický (data proudí v jednom směru rychleji). Nevýhodou HSCSD je, že sloty zabrané pro přenos jsou blokovány po celou dobu spojení a nelze je již jinak využít. Tím se snižuje kapacita GSM sítě. Záleží proto na operátorovi konkrétní sítě pro jaké třídy (z 18 možných) se rozhodne. [2] 2.3 GPRS (General Packet Radio Service) Spojování s komutací okruhů (CSD) je ve většině případů pro přenos dat méně výhodné. Vybudované spojení je obsazené i při požadavku na malý datový provoz. To sice poskytuje účastníkovi rychlou odezvu při přenosu, ale pro provozovatele sítě je nevýhodné, že takto neefektivně využívaný okruh je blokován pro potřeby dalších účastníků sítě. Z toho vyplývá, že takovýto způsob komunikace není optimální ani pro účastníka - provozovatel sítě takovouto službu příslušně tarifikuje. Proto se GSM síť rozšířila tak, aby bylo možné používat přenos s komutací paketů. Tato nadstavba dostala označení GPRS. Rozšíření v podstatě spočívá v implementování další sítě, která využívá pouze stávající rádiové rozhraní. Řídící základnová jednotka (BSC) je doplněna o jednotku PCU (Packet Control Unit), která zajišťuje správu přenosových prostředků pomocí protokolů RLC/MAC (Radio Link Control, Medium Access Control) a konverzi paketů na rámce. Další přidanou entitou je SGSN (Serving GPRS Support Node) odpovědná za řízení spojení s mobilní stanicí, autentifikaci, interakci s částmi GSM sítě (VLR, HLR), účtování a konverzi protokolů mezi IP a protokoly užívanými mobilní stanicí. Rozhraní mezi externí IP sítí tvoří zařízení GGSN (Gateway GPRS Support Node), které zajišťuje směrování paketů, alokaci IP adres a slouží jako Firewall. Toto rozšíření sítě je poměrně rozsáhlé, síť se začala označovat jako 2,5G. [1] 3

BTS BSC MS PCU SGSN GGSN internet Obr. 2.2: Schéma spojení v síti s komutací paketů GPRS MS mobilní stanice (Mobile Station) BTS základnová stanice (Base Transceiver Station) BSC řídící základnová jednotka (Base Station Controler) PCU jednotka řízení paketizace (Packet Control Unit) SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node 2.3.1 Modulace V GSM/GPRS síti se používá modulace (resp. klíčování) GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). GMSK je typem diferenčního fázového klíčování. Vysílání log. 1 resp. log. 0 je reprezentováno kladnou resp. zápornou změnou hodnoty fáze. V rámci jedné vysílací periody je tedy možný jeden ze dvou stavů fáze kladný nebo záporný přírůstek. To znamená, že modulační rychlost je rovna rychlosti přenosové. Hodnota modulační rychlosti je dána použitou šířkou kanálu v rámci FDMA přístupu (Frequency Division Multiple Access). Navýšení přenosové rychlosti je tedy možné jen zvýšením počtu symbolů vysílaných během vysílací periody (jednotkového intervalu). [1] 4

Im 1 Re 0 Obr. 2.3: GSMK klíčování pro GPRS 2.3.2 Kódová schémata Pro GPRS byla definována čtyři kódová schémata, označovaná CS1 až CS4 (Coding Scheme). Jednotlivá kódová schémata se liší množstvím ochranných informací. Tyto redundantní informace zajišťují správný příjem dat i při zvýšené chybovosti. A právě na základě chybovosti, dané rušením na rádiovém kanálu, se jednotlivá kódová schémata nasazují. Při silném rušení je nutné použít robustní kódové schéma CS1, které, na rozdíl od CS2 a CS3, používá kromě konvolučního kódování v poměru 1:2 i další přídavné kontrolní bity. Naproti tomu kódové schéma CS4 používá jen slabou ochranu. To mu umožňuje přenést větší množství užitečných dat, ovšem jen v případě příznivých podmínek na rádiovém kanálu. [1] 2.4 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) Dalším evolučním stadiem sítě je právě technologie EDGE. Jedná se o rozšíření GPRS sítě. Využije se stávající struktura GPRS a tentokrát se změní především rádiová část sítě. Změna spočívá také ve vylepšení stávajících protokolů, to však znamená pouhý softwarový upgrade. Hlavní zlepšení spočívá v přidání jednotky EDGE TRU (EDGE TRansceiver Unit), která umožňuje využít modulace 8PSK s vyšším počtem stavů. EDGE je tedy pouze doplňkem GPRS sítě a nemůže fungovat samostatně. EDGE používá vylepšené protokoly v rámci systému základnových stanic BSS (Base Station System) nicméně dále v síti není mezi GPRS a EDGE rozdíl, obě technologie využívají stejné protokoly a stejné entity (SGSN a GGSN), to jen zdůrazňuje, že EDGE je jen doplňkem stávající GPRS sítě. [1] 5

GPRS BTS EDGE TRU BSC PCU EDGE SGSN GGSN internet Obr. 2.4: Schéma spojení v síti s komutací paketů EDGE BTS základnová stanice (Base Transceiver Station) BSC řídící základnová jednotka (Base Station Controler) PCU jednotka řízení paketizace (Packet Control Unit) EDGE TRU jednotka podporující 8PSK (EDGE Transceiver Unit) SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node 2.4.1 Modulace EDGE zavádí osmistavové fázové klíčování 8PSK (8 Phase Shift Keying), které splňuje požadavky na zachování šířky kanálu a na interferenci s vedlejšími kanály stejně jako GMSK, a umožňuje tedy integraci EDGE do existujících frekvenčních plánů GSM sítě. V rámci 8PSK jsou tři po sobě následují bity mapovány do jednoho symbolu. Přenosová rychlost je tedy trojnásobná vůči GMSK. Na druhou stranu je třeba zdůraznit, že zvýšení počtu stavů zároveň vede ke snížení odolnosti proti rušení. Vzdálenost mezi jednotlivými symboly se totiž sníží a přijímač má tak ztíženou úlohu při detekci jednotlivých stavů. Při dobrých podmínkách na rádiovém rozhraní to neznamená problém, avšak při zhoršených podmínkách to způsobuje komplikace. [1] 6

Im 101 100 001 110 Re 000 111 010 011 Obr. 2.5: 8PSK klíčování pro EDGE 2.4.2 Kódová schémata Pro EDGE je dáno devět modulačních kódových schémat (MCS Modulation Coding Scheme). Jejich účel je stejný jako u kódových schémat pro GPRS. Modulační kódová schémata se navíc liší kromě množství ochranných dat typem použité modulace (resp. klíčování). Při nevýhodných podmínkách na rádiovém kanálu totiž není efektivní používat klíčování 8PSK a velké množství ochranných dat. Je výhodnější použít klíčování GMSK, které je díky své robustnosti odolné vůči rušení samo o sobě. Proto jsou si kódová schémata CS1 až CS4 nápadně podobná s modulačními kódovými schématy MCS1 až MCS4. Drobné rozdíly spočívají v odlišných velikostech záhlaví, jenž umožňují u EDGE provádět resegmentaci. [1] 3 Závěr Výhodou paketového přenosu dat je možnost snadné integrace dat různé povahy do jednoho přenosového systému. Jednoduše řečeno lze po síti přenášet data obecně multimediální povahy. Díky vyšším přenosovým rychlostem lze relativně dobře uskutečňovat přenos videa, využívat služeb e-mailu, faxovat, nebo třeba prohlížet internetové stránky. Pokud budeme srovnávat přenosové rychlosti obou technologii, tak při dobrých podmínkách na rádiovém rozhraní, dosahuje GPRS přenosové rychlosti na jeden timeslot (TS) maximálně 20 kb/s, zatímco EDGE poskytuje maximální přenosovou rychlost 59,2 kb/s. Tzn. že při použití mobilního telefonu s třídou číslo 10 je možno zabrat 4 + 2 7

timesloty (download + upload), současně pouze 5 timeslotů. Z tohoto vyplývá, že výsledná maximální teoretická přenosová rychlost směrem k uživateli bude pro GPRS rovna 80 kb/s a pro EDGE rovna 236,8 kb/s. V běžném provozu je dosahováno většinou polovičních přenosových rychlostí. Nevýhodou obou technologii je zpoždění při přenosu paketů, které dosahuje řádově i několika stovek milisekund. Z tohoto důvodu nejsou vhodné např. pro službu přenosu hlasu VoIP (Voice over IP). 8

Seznam použitých zdrojů [1] Úloha 33E přenos dat v mobilních sítích, www.comtel.cz [2] VELICKÝ, T. Datové přenosy po GSM sítích, technologie HSCSD, GPRS a UMTS. [diplomová práce]. [3] www.mobilmania.cz [4] http://cs.wikipedia.org/wiki/ 9