Konvergence mobilních sítí

Konvergence mobilních sítí Vypracoval: Horák Martin

OBSAH Úvod....2 1. MOBILNÍ TELEFONÍ SÍT Ě.......3 1.1. Vývoj veřejných mobilních komunikací 3 1.2. GENERACE PRVNÍ 1G.....3 1.3. GENERACE DRUHÁ 2G...3 1.3.1. Kmitočtové pásmo 4 1.3.2 Struktura sítí druhé generace..5 1.3.3. Př enos dat v síti GSM.7 1.3.3.1. HSCSD...8 1.3.3.2. GPRS (2,5G).8 1.3.3.3. EDGE 11 1.4. GENERACE TŘETÍ 3G...13 1.4.1. UMTS...16 1.4.1.1. Kmitočtové pásmo systému UMTS..16 1.4.1.2. Struktura buněk UMTS...17 1.4.1.3. Struktura sít ě UMTS...18 1.4.1.3.1. Přístupová sí ťutran. 19 1.4.1.3.2. Rozhraní Iu...19 1.4.1.3.3. Páteřní sí ť(jádro cít ě) CN...20 1.4.1.4. Př enosové rychlosti v UMTS.. 21 1.4.2 CDMA 2000...22

Úvod Od roku 1876 kdy Graham Bell (3. 3. 1847-2. 8. 1922) vynálezem telefonu odstartoval rozvoj v oblasti telekomunikační techniky, prošel tento obor neuvěřiteln ě rychlím a dynamickým vývojem. Vždy ťpřed pár léty jsme mě li na stole bakelitovou krabici v podob ě telefonu a dnes nosíme běžně telefon v kapse u kalhot. Zrychlující se tempo životního stylu osmdesátých let, dalo vzniknout prvním mobilním analogovým sítím, které realizovaly základní telefonní služby přes rádiové prostředí. Stoupající oblíbenost mobilních buňkových systém ů si vyžádala nejrůznější změny těchto systém ů, tak aby bylo možné uspokojit široké množství vlastník ů mobilních stanic. Analogové systémy př ešly na digitální a zejména s rozvojem internetu se objevily nové požadavky na přenos dat. Dnes se nacházíme ve fázi, kdy se klasické mobilní sít ě, konstruované především pro realizaci hlasových služeb stávají pro moderního člově ka z hlediska dosahovaných přenosových rychlostí nedostatečné. Za tímto vývojovým trendem stojí popularizace tzv. multimédií. Požadavek na př enos hlasu a obrazu, jako datového toku v reálném čase nás dává na milost mobilním telefonním sítím budoucnosti na jejichž milníku se práv ě nacházíme.

1. MOBILNÍ TELEFONÍ SÍTĚ 1.1. VÝVOJ VEŘEJVÝCH MOBILNÍCH KOMUNIKACÍ Postupem času veřejná mobilní telefonní sí ť, tak jako pevná telefonní sí ť, prošla určitým vývojem.od první generace, kde hlas byl přenášen na analogovém principu se přešlo ke generaci druhé, již pln ě digitální a se vzrůstajícím zájmem uživatel ů o přenos dat se druhá generace přizp ůsobila i pro poskytování datových služeb.v současné dob ě kdy stále vzrůstá zájem o datové služby se nalézáme v počátečním stádiu zavádění mobilních systém ů třetí generace. Zájem o přenos dat na bázi protokolu IP demonstruje obrázek obr.1 Internet protocol will dominate the future < 1995 1999 2002 2005 IP PSTN IP PSTN IP PSTN PSTN Obr.1 1.2. GENERACE PRVNÍ 1G V sedmdesátých letech se budováním buňkových sítí, započal dynamický rozvoj analogových mobilních radiotelefonních sítí a služeb, s nimi spojených, označovaných jako první generace (1G). Mobilní systém první generace byl poprvé nasazen ve Spojených Státech Amerických, kde byl i vyvinut, v podob ě mobilní sít ě AMPS (Advaced Mobile Phone System). Krátce na to byly nasazovány další mobilní systémy v Evrop ě, které však byly budovány na národní úrovni z čehož plyne jejich vzájemná nekompatibilita. Problém nekompatibility částečn ě řeší systém NMT (Nordic Mobile Telephone), pásmo 450 MHz, vyvinutý skandinávskými zeměmi: Finskem, Švédskem, Norskem, Islandem a Dánskem. I přesto,že systém NMT nabízel účastníkům pohyb mezi sítěmi různých provozovatel ů tzv. roaming nestal se celoevropským systémem. U nás od 12. září 1991 dodnes provozuje sí ťnmt společnost Eurotel Praha spol. s.r.o.

1.3. GENERACE DRUHÁ 2G Popularita mobilních sítí a poskytování hlasových služeb měla za následek stoupající počty účastník ů a s tím související vzrůst nedostatku kapacity mobilní sít ě. Proto Konference evropských správ a pošt CEPT (Konference of European Post and Telecommunications) vytvořila standardizační slupinu digitální buňkové sít ě, která by nahradila, GSM (Grope Speciál Mobile), jejíž úkolem byl vývoj nové evropské mobilní národní, vzájemn ě nekompatibilní systémy 1G a umožnila tak bezproblémový pohyb uživatelů mezi sítěmi různých provozovatel ů.na navrhovaný systém byly hlavn ě kladeny následující požadavky: Velmi dobrá kvalita přenášené řeči Podpora mezinárodního roamingu Frekvenční hospodárnost ISDN slučitelnost 1 Vytvoření evropského digitálního standardu (1989) reprezentovaného systémem GSM nepřineslo paradoxn ě zlepšení efektivity kmitoč tového pásma, jako jednoho z hlavních požadavk ů, ale i přesto dobře navržený a propracovaný standard postupn ě splnil očekávání ekonomická i technická a stal se globáln ě nejúspěšnějším systémem, kde dnešní počet uživatel ů sítí GSM provozovaných po celém svět ě překro čil magickou hranici jedné miliardy. GSM není ovšem jediným mobilním systémem 2.generace který byl úspěšn ě uveden do provozu.nesmíme zapomínat, že nap ř. ve Spojených Státech Amerických se také na evoluci mobilních systém ů piln ě pracovalo a výsledkem je přechod od AMPS, systému 1.generace, k digitalizovanému AMPS označovaném jako D-AMPS, který krom ě už zmíněné digitalizace přinesl i trojnásobné zvýšení kmitočtového pásma. Nicmén ě úspěšnost Amerických systém ů na celosvětovém trhu je podstatn ě menší. 1.3.1. Kmitočtové pásmo GSM900 GSM1800 Systém GSM 900 obr.2 má vyhrazená dv ě kmitočtová pásma o šířce 2x25 MHz. Pro tzv. UPlink to jsou kmitočty 890-915 MHz a pro DOWNlink kmitočty 935-960 MHz.Je umožněn pln ě duplexní př enos FDD s duplexním odstupem 45MHz a kmitočtová pásma pro oba směry přenosu se dále dělí metodou FDMA (Frequency Division Multiple Access) na 125 kanál ů pro každý směr, kde kanál č.0 se nepoužívá pro přenos hovor ů.využitelné kanály jsou tedy kanály č.1-124 a šířka každého kanálu je 200 khz.metoda TDMA (Time Division Multiple Access) dále dělí jednotlivé

rádiové kanály na časové sloty 1-8, kde každý slot tvoř í jeden uživatelský kanál.z čehož plyne i kapacita pro daný frekvenční rozsah 124x8 = 992 duplexních kanál ů. obr.2 Protože, se kapacita sít ě GSM900 ukázala jako nedostačující bylo nutné stávající GSM rozšířit o další kmitočtová pásma a vzniká tak systém GSM1800 vycházející ze standard ů GSM s koncepcí pro nasazení buněk malých rozměr ů.gsm1800 se od pů vodního GSM900 liší v použitém kmitočtovém pásmu UPlink 1710-1785 / DOWNlink 1805-1880, které poskytuje kapacitu 375 radiových kanál ů.šířka přiděleného kmitočtového pásma je tedy 75MHz a duplexní odstup 95MHz. 1.3.2 Struktura sítí druhé generace Celý systém digitální buňkové telefonní sít ě je členěn do tří základních tzv. subsystém ů: BSS subsystém základnových stanic NSS síťový spojovací subsystém OSS operační subsystém a časem prošel určitým vývojem od GSM Phase1 až po dnešní GSM Release 99, který tvoří jakýsi přechod mezi mobilními systémy druhé a třetí generace.

BSS N SS BTS BS C TC BTS MSC/ VLR GMS C BSC TC PSTN BTS BSS SS7 EI R H LR/ A uc OMC NM C OSS ADC obr.3 struktura sít ě GSM Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) Subsystém základnových stanic obsahuje jednu nebo několik základnových stanic BTS (Base Transceiver Station), které zprostředkovávají komunikaci př es rádiové rozhraní Air s mobilní stanicí MS (Mobile Station).Dosahované rychlosti na tomto rozhraní jsou 33,8 kbps pro jeden kanálový interval, z čehož samotná hovorová data po zdrojovém kódování dosahují rychlosti 13 kbps. Jako řídící jednotka určená pro obsluhu a koordinaci základnových stanic slouží základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controler). Hlavní funkce této jednotky jsou přidělování přenosových prostředk ů,příd ělování kmitočt ů, řízení výkonu, management handoveru a kontrola paggingu. Rozhraní Abis může být realizováno pomocí optického nebo metalického vedení. Často kvů li špatné dostupnosti základnových stanic v terénu nebo omezení ze strany různých organizací pro ochranu přírody nebo památkových objekt ů je nutné rozhraní realizovat pomocí radioreléových spoj ů. Transkodér TC (Transcoder) je síťová jednotka, která zajišťuje přizp ůsobení přenosové rychlosti z 16 kbps na 64 kbps a převod kódovaných hovorových dat do standardního datového toku tvořeného PCM modulací (rozhraní A )

BSC TC M SC/ VLR BTS Air Abi s Ater A obr.4 rozhraní BSS Síťový spojovací subsystém NSS (Network Switching Subsystem) Jeho hlavním cílem jsou spojovací funkce a realizace poskytovaných služeb.jako jeden z hlavních blok ů NSS je mobilní radiotelefonní ústředna, označovaná jako MSC (Mobile Switching Centre). Jedna se zde o klasickou telefonní ústřednu doplně nou o další funkce plynoucí z mobility účastnických stanic.nejvýznamnější funkce této ústředny jsou: sestavování a směrování hovorů tarifikace řízení doplňkových služeb komunikace s HLR komunikace s VLR dohled nad Hannoverem dohled nad BSC jednotkami NSS využívá zpravidla několik radiotelefonních ústř eden a pro komunikaci s okolními telefonními sítěmi je pro tyto účely vyhrazena tzv.gmsc (GatewayMSC) ústředna. Dalšími bloky síťového spojovacího subsystému druhé generace jsou identifikační databáze. Domovský registr HLR (Home Location Registr). Jde o blok obsahující databázi, v niž jsou uchovávány informace o všech uživatelích sít ě daného operátora. Jeho součástí je také centrum autentičnosti AuC (Authentication Centre), kde jsou uloženy bezpečnostní klíče pro ověřováni totožnosti účastník ů a šifrovací klíče pro zabezpečení rádiového rozhraní.správnost identifikace uživatele je ověřována na základ ě algoritm ů A3 a A8 někdy také nazývaných A38 nebo Comp128. Rádiové rozhraní je šifrováno proti odposlechu algoritmem A5.Opět uvedu přehled nejdůležitějších funkcí domovského registru. identifikace uživatele za pomocí - MSISDN - IMSI

- LMSI informace o poloze uživatele uživatelské služby - základní - doplňkové autentizace uživatele pomocí tripletů informace zvané Message Waiting Data pro službu SMS parametry související s IN platformou Návštěvnícký registr VLR (Visitor Location Regist). Jde o databázi uchovávající dočasn ě aktuální informace o účastnících, kteří jsou momentáln ě obsluhováni ústřednou jejíž součástí je práv ě tato databáze. Stručný obsah a funkce VLR: identifikace uživatele poloha uživatele (LA, Cell Id) uživatelské služby autentifikace uživatele Návštěvnícký registr plní tedy podobnou funkci jako domovský registr,ale opustí-li účastník oblast zpravovanou ústřednou, data jsou po uplynutí určitého časového intervalu vymazána. Na základě myšlenky vytvořit databázi, která by umožňovala potlač it kriminalitu v oblasti mobilních telefon ů a zárove ň také umožnila identifikaci samotné účastnické stanice byl vytvořen registr mobilních zař ízení EIR (Equipment Identity Registr) uchovávající databázi v níž jsou uložena data obsahující hardwarové adresy(imei) mobilních terminál ů.celá databáze je členěna do tzv. white listu (obsahuje adresy mobilních stanic, které mají povolen přístup do sít ě operátora), gray listu (adresy jímž je věnována speciální péče operátora) a black listu (úč astník s IMEI patřícím do tohoto seznamu má odmítnut přístup do sít ě). Operační a podpůrný subsystém OSS (Operation and Support Subsystém) Tento subsystém zajišťuje dohled nad výše uvedenými subsystémy a řídí jejich provoz. Proto aby mohl vykonávat tyto funkce je nezbytné aby obsahoval tyto bloky: Provozní a servisní centrum OMC (Operational and Maintenance Centre) Centrum pro ízení sít NMC (Network Management Centre) ř ě Administrativní centrum ADC (Administrative Centre)

1.3.3. Př enos dat v síti GSM I když, mobilní digitální sí ť GSM byla původn ě vyvinuta pro potřebu spojování hovor ů, vývoj na telekomunikačním trhu ukázal, že by se mobilní komunikace měli dát i dalším vývojovým směrem a to, že by měli realizovat stále se zvyšující poptávku po datových přenosech. Je důležité si však uvědomit, že poskytování datových služeb je velmi ovlivněno práv ě původním účelem pro který byla GSM si ť realizována.lidský hlas je nejprve převeden do digitální podoby za pomocí vzorkování. Aplikací zdrojového kódování se nám podaří výrazn ě omezit datový tok obsahující hovorovou informaci z 64 kbps na 13 kbps a protože je z důvodu rušivých vliv ů vyskytujících se na přenosové cest ě nutné hovorové data zabezpečit proti výskytu chyb, využívá se kanálové kódování,které zvyšuje objem dat přenesených za jednu sekundu na 22,8 kbit. Další režijní náklady zajišťující čist ě funkci GSM činí 11 kbps a dohromady s hovorovými daty tak tvoří kapacitu 33,8 kbps potřebnou pro jeden rádiový kanál. Z této úvahy tedy i také vychází první princip přenosu dat zvaný CSD (Circuit Switched Data), kde je přenášen užitečný datový tok 9,6 kbps. Režie na zabezpečení datového toku 9,6 kbps zvyšují objem přenesených dat o 13,2 kbps a pridáním redundantních dat, které opět zajišťují činnost GSM dostáváme datový tok 33.8 kbps na jeden rádiový kanál (timeslot). 1.3.3.1. HSCSD Technologie HSCSD 2 (High Speed Circuit Switch Data) se opírá o výše jmenovaný princip př enosu dat rychlostí 9,6 kbps. Změnou softwaru, který má na starosti přenosové protokoly a opravu chyb, lze docílit zvýšení přenosové rychlosti užitečného datového toku pro jeden rádiový kanál na 14,4 kbps. Zabezpečení takového datového toku pak činí 8,4 kbps a přidání servisních bit ů dostáváme opět celkovou přenosovou rychlost rádiového kanálu 33,8 kbps. Další zvyšování přenosové rychlosti docílíme současným použitím několika rádiových kanál ů.omezení maximální přenosové rychlosti na 64 kbps je obecn ě dáno vlastnostmi rozhraní A, kde jsou hovorové kanály 16 kbps (do nichž jsou data vkládána a přenášena přes rozhraní Abis, Ater) sluč ovány v síťovém prvku TC na přenosovou rychlost 64 kbps a vkládány do rámce PCM, který je přenášen přes toto rozhraní. Slučování radiových kanál ů může být prováděno dvěma způsoby a to bu ď symetricky, kde je přidělen stejný počet kanál ů v obou směrech přenosu a nebo asymetricky, kdy se počet přidělených kanál ů v jednotlivých směrech přenosu liší. U nás jako jediný poskytovatel této služby je společnost Eurotel, která nabízí využití 4 rádiových kanál ů, kde lze volit mezi symetrickou variantou přenosu 2+2 nebo asymetrickou 3+1.Využití přenosu dat technologií HSCSD, jak jsem již zmínil na začátku, nevyžaduje žádné hardwarové zásahy do již realizované GSM sít ě ze strany provozovatele sít ě a celý přechod je realizován zakoupením vhodného softwarového vybavení. 1.3.3.2. GPRS (2,5G)

GPRS (General Paket Radio Systém) je technologie, která se stala jakým si mezníkem přenosu dat v mobilních komunikacích. Mezníkem v tom smyslu, že dosud byla realizace datových služeb uskutečňována metodou přepojování okruh ů na rozdíl od nových možností, které nabízí GPRS technologie a to konkrétn ě přenos dat pomocí metody přepojování paket ů. Implementace GPRS si vyžádala poměrn ě velké hardwarové zásahy do struktury mobilní sít ě provozovatele a všeobecně je označována jako sí ť2,5. generace (2,5G). Do sít ě GSM byly přidány tyto základní síťové prvky: PCU (Packet Controller Unit) Touto síťovou jednotkou jsou rozšířeny základnové řídící jednotky BSC a její základní funkcí je konverze dat v podob ě paket ů na tzv. PCU rámce které putují z BSC do BTS čili po rozhraní Abis. Jako další funkce je implementace protokolu RLC/MAC SGSN (Surving GPRS Support Node) Jedná se o analogii MSC, která však pracuje na principu přepojování paket ů.provádí autentizaci a identifikaci uživatel ů využívajících paketové datové služby, funkce mobility managementu, obsluhuje uživatele přihlášené do GPRS sít ě nacházející se v jejím dosahu a provádí směrování datových paket ů. GGSN (Gateway GPRS Support Node) Slouží jako interface mezi externími sítěmi založenými na paketovém přenosu dat( IP, X.25) a také jako účinná ochrana FireWall proti neoprávněnému vniknutí či napadení sít ě mobilního operátora. Slouží také ke zpracování dat pro tarifikaci mobilních účastník ů a jako podpora pro DHCP nebo RADIUS server. Může zastávat také funkci Border Gatewaye, která slouží k vzájemnému propojení se sítí jiného operátora a umožňuje tak realizaci roamingu. BSS MSC/ VLR GMS C N SS BT S BS C PCU TC HLR/ Au C PSTN BTS SS7 EI R BSC TC BTS PCU SGSN GGSN I P X.2 5 BSS OSS OM C NM C ADC

Obr.5 struktura GPRS sítě MS C/ VLR D HL R/ Au C A Gs Gr Gc BS S SGSN GG SN Gb Gn SGS N Gn GGS N Gp Gf E I R Jiné PLMN Signalling and Data Transfer Interface Signalling Interface obr.6 rozhraní v GPRS síti Stručný přehled protokol ů na rozhraní G Rozhraní Protokol Gb BSSGP směrování dat mezi SGSN a BSS (založen na FR) Gc MAP využit pokud GGSN požaduje informace o poloze MS Gf MAP př ístup SGSN k informacím pro ověření přístupu hardwarového vybavení uživatele do sít ě operátora Gn GTP Obdoba protokolu TCP/IP Gr MAP př ístup SGSN k informacím o profilu uživatele v HLR tab.1 Přenosové rychlosti GPRS Chceme-li stanovit přenosové rychlosti u systému GPRS je nutné opě t vycházet z limitace rychlosti na rádiovém rozhraní, která činí 33,8 kbps na jeden rádiový kanál. Při odečtení datového toku 11kbps potřebného pro zajištění přenosu servisních informací, je maximální hranice datové rychlosti radiového kanálu 22,8 kbps. GPRS potom na základ ě vyhodnocené kvality přenosové cesty zvolí metodu zabezpečení vysílaných dat. Je zřejmé, že pro kvalitní přenosové cesty bude

použito kódování dat s menší redundancí a u cest vykazujících velké chybovosti tomu bude právě naopak.proto se zavádí tzv. kódová schémata, která jsou definována podle tabulky tab.2. Třída CS - 1 9,6 CS - 2 13,4 CS - 3 15,6 CS - 4 21,4 Přenosová rychlost [kbps] tab.2 Celková přenosová rychlost se potom provede výpočtem kde je třeba vynásobit příslušné použité kódové schéma s počtem přidělených timeslot ů mobilní stanici. Pro ideální případ vychází maximální přenosová rychlost 171,2 kbps tj. 8 x 21,4(CS-1) kbps. Bohužel a č je tato rychlost udávána ve většin ě prezentací různých společností, nejde fyzicky takovéto rychlosti dosáhnout z důvodu potřeby obsadit jeden z radiových kanál ů servisními daty, umožňujícími změnu směru přenosu dat. Také konstrukce dnešních mobilních stanic, které umí sdružovat maximáln ě 5 timeslot ů, neumožňuje plné využití přenosových rychlostí a omezení jsou i ze strany operátora, který definuje ve své síti zpravidla jen první dv ě kódová schémata. 1.3.3.3. EDGE Technologie EDGE (Enhance Data rates for GSM Evolution) má své historické poč átky v roce 1997, kdy švédská firma Ericsson předložila evropské standardizační komisy ETSI návrh na dosažení vyšších přenosových rychlostí u datových přenos ů v síti GSM. Protože cestou, kde se zvýšení přenosových rychlostí dosahovalo snížením velikosti redundance vznikající při zabezpečení užitečné informace, se už dále nedalo pokračovat firma Ericsson rozpracovala návrh na změnu způsobu modulace nosného kmitočtu, kde původní modulace GMSK (Gaussan Minimum Shift Keying) byla nahrazena osmistavovou fázovou modulací 8-PSK (eight-phase-shift Keying). Přestože je tato technologie prohlášena dle ITU (International Telecommunication Union) v roce 2000 za mezinárodní standard pro sít ě třetí generace 3G, je spíše považována za přechod od generace druhé ke generaci třetí označována tedy stejn ě jako GPRS generací 2,5 nebo dokonce jako 2,75G. Poprvé byla v ČR tato nová technologie rychlých dat uvedena do provozu teprve nedávno operátorem T-Mobile 8.listopadu 2004. Rádiové rozhraní Rádiové rozhraní bylo navrhováno tak aby v sítích GSM bylo dosahováno vyšších přenosových rychlostí s ohledem na minimální náklady na změnu stávající sít ě. Tohoto se podařilo dosáhnout jak jsem již výše zmiňoval účinnější modulační metodou 8-PSK. Zůstává tedy stále časové dělení TDMA na osm timeslot ů a i šířka jednotlivých přenosových kanál ů 200kHz. Fyzické změny které

si, ale tento přechod vyžádá se týkají účastnických terminál ů a základnových stanic, práv ě z toho důvodu, že tato zařízení musí být schopna správn ě zpracovat signál novou modulační metodou. Požadavek na linearitu Nový typ modulace klade požadavek na linearitu výkonových zesilova čů základnových stanic. Problém u těchto výkonových stup ňů, ale nepředstavuje jen obtížnější technickou realizaci samotného zesilovače, což se promítne na cen ě takového zařízení, ale také vyzařovaný tepelný výkon.proto se provádí redukce výkonu v rozmezí 2 až 5 db. Jak už jsem zmínil, použití modulace 8-PSK si vyžádalo tedy nejen úpravy základnové stanice ale i změnu technického řešení koncového mobilního terminálu.edge počítá se dvěma třídami stanic: Protože se vychází z asymetrického přenosu dat, kde největší množství datového toku se předpokládá ve smě ru od základnové stanice k uživatelské stanici (downlink) bude v tomto směru použita modulace 8-PSK.Ve směru opačném, tedy od koncového terminálu k základnové stanici (uplink) se bude využívat pro přenos modulace GMSK Pro oba směry (uplink i downlink) se bude používat modulace 8-PSK. Přenosové rychlosti EDGE Zatímco u systému GPRS připadá na jeden kanálový interval (timeslot) přenosová rychlost přibližn ě 20 kbps změnou modulace jak ukazuje obr.7 je možné dosáhnout při zachování symbolové rychlosti 271 kbd až trojnásobku dosahované rychlosti GPRS, 59,2 kbps na jeden timeslot. GPRS modulace GMSK EDGE modulace 8PSK Q (0,1,0) Q 1 (0,0,0) (0,0,1) (0,1,1) (1,1,1) I I 0 (1,0,1) (1,1,0) (1,0,0) 1 bit per symbol 3 bits per symbol Obr.7 modulace GMSK vs.8psk

Jak už známe z GPRS teoreticky může být uživateli nabídnuto až osm kanálových intervalů současn ě a jednoduchým výpočtem, který byl zmiň ován už v odstavci o GPRS dojdeme k hodnot ě 171,2 kbps pro GPRS a 473,6 kbps pro technologii EDGE. Rychlost dat záleží především na počtu přidělených timeslot ů (vytížení sít ě) a také na vzdálenosti přijíma če od základnové stanice a kvalit ě přenosové cesty. Průměrná rychlost připojení by se měla pohybovat okolo 100 až 150 kbps. Rychlost toku dat je závislá také na použitém kódovacím schématu. Čím vyšší kódovací schéma je použito, tím vyšších rychlostí na jeden timeslot je možné dosáhnout. Kódovací schéma je jako u GPRS odvozeno od kvality přenosové cesty a celý systém je schopen plynule mě nit toto schéma s měnícími se přenosovými podmínkami (link adaptation). Zatímco GPRS nabízí pouze čtyři kódovací schémata označ ená jako CS1 až CS4, u EDGE je možné využít až devět kódovacích schémat. Jejich označ ení je MCS1 až MCS9. Protože je při použití EDGE možné mě nit nejen kódovací schémata, ale také modulaci, schémata MCS1 až MCS4 využívají klasické modulace GMSK, u schémat MCS5 až MCS9 je pak použit novější typ 8- PSK. Přehledn ěji tyto kódová schémata obou technologií porovnává obr.8. orb.8 srovnání kódovacích schémat Přínosy plynoucí ze zavedení technologie EDGE, které byly vyhodnoceny na základ ě simulací firmy Ericsson jsou následující: zvýšení př enosové rychlosti v sítích GSM až na 384 kbps a více pro cca 3% uživatel ů, 144 kbps a více pro cca 97% uživatel ů. shodné pokryti území jako pře zavedením EDGE, aniž bylo třeba měnit použitý kmitočtový plán možnost plynulého zavedení dalších služeb velmi efektivní cesta přechodu od GSM (se zavedenou službou GPRS) ke sítím 3G. 1.4. GENERACE TŘETÍ 3G

Za počátkem vzniku sít ě třetí generace stála myšlenka vytvořit jednotnou globální mobilní síť umožňující celosvětový roaming a podporu multimediálních služeb. Historie vývoje sít ě třetí generace sahá až do roku 1986, kdy se ITU (International Telecommunication Union) se svými poradenskými sbory CCIR a CCITT začala vážn ě zabývat myšlenkou na již zmiňovaný globální systém pod názvem FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systém). S odhadem vývoje a zkušenostmi se sítěmi první a druhé generace byly vybrány následující požadavky, které by měl budoucí systém 3G splňovat. Požadavky uživatel ů na služby: zvýšení kvality hlasových služeb (až na úrove ň CD kvality) poskytování datových kanál ů a přenosovou rychlostí až do 2 Mbit/s poskytování služeb paketových sítí poskytování několika připojení souběžn ě (pro získání různých služeb najednou) možnost posílat multimediální zprávy a přenos velkých objem ů dat jednotný přístupový bod ke službám nízká cena služeb možnost platby za množství přenesených dat a za kvalitu poskytnutých služeb Požadavky uživatel ů na vlastnosti systému: vysoké zabezpečení proti odposlechu a proti neoprávněnému získávání dat třetí osobou národní a mezinárodní roaming (mobilita terminál ů) uživatelská mobilita - možnost přístupu do sít ě přes libovolný vhodný terminál (založené na použití úč astnických karet podobné jako SIM v GSM) jeden společný účet pro různé služby Požadavky uživatel ů na terminály: malá hmotnost a relativn ě nízká cena snížení vysílacího výkonu mobilních terminálů zvýšení doby hovoru a pohotovostního režimu na jedno dobytí baterie mobilní terminály musí být schopné pracovat s různými radiovými rozhraními (vícepásmové) integrace různých elektronických zař ízení (multimediální telefon s kamerou a obrazovkou, fax, GPS, atd.) stejné uživatelské prostředí nezávislé na síti a poloze terminálu Požadavky operátor ů a výrobc ů na systém:

efektivnost využití spektra flexibilita systému při implementaci nových služeb možnost evoluce ze systém ů 2G obousměrná kompatibilita jednotlivých standard ů 3G V roce 1992 dochází ke změn ě struktury ITU a její původní pracovní sbory byly pozměněny na ITU-R (přebírá činnost CCIR /International Radio Consultative Committee/ ) a ITU-T. Zároveň v tomto roce dochází ke změn ě označení budoucí sít ě třetí generace. Těžko foremné FPLMTS nahradil stručnější a komerčnější název IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000) a a č nebyla ješt ě stanovena technologie, jakou má být celý systém realizován byla pro jeho účely vyhrazena pásma 1885-2025MHz a 2110-2200MHz. Do rivalských pozic se dostal evropský systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) zastupovaný firmou Ericsson a Cdma2000 reprezentované americkým triem Qualcomm, Motorola, Lucent. Z důvodu předčasného rozprodání frekvenčních pásem a technickým problémům realizace takovéto globální sít ě ve Spojených Státech Amerických, se ustoupilo z jednotného mobilního systému a z deseti podaných návrh ů,které splňovaly podmínky, kladené na mobilní systém 3G, bylo vybráno pět specifikací, které dnes tvoří IMT-2000 obr.9. obr.9 specifikace IMT- 2000 IMT- DS IMT-DS reprezentovaný W-CDMA s pozemním rádiovým přístupem do UMTS zvaným UTRA (UMTS Terestrial Radio Access) využívající frekvenční duplex FDD(Frequency Division Duplex), který př ijala, spolu s Japonskem, ETSI jako evropsko japonský standard. IMT- MC Tento systém je označovaný jako CDMA 2000 a řeší zpě tnou kompatibilitu s americkými mobilními systémy druhé generace, reprezentovanými nap ř. systémem IS-95 ve variant ě A i B. IMT- TC Je standard vyvinutý čínskou akademií telekomunikač ních technologií ve spolupráci s německou firmou Siemens, která je autorem TD-CDMA. TD-CDMA je časov ě dělený duplex využívající nepárového spektra, kde čínská akademie přidala synchronizaci terminál ů pro omezení interferencí mezi směry přenosu uplinkem a downlinkem.

IMT- SC Je americký standard UWC-136 (Universal Wireless Communications) založený na vícenásobném př ístupu s časovým dělením TDMA, jehož vývoj se opírá o technologii EDGE. Standard je zejména vhodný pro operátory s nedostatkem frekvenčního spektra pro sít ě třetí generace nebo operátory, kteří nezískali 3G licenci. IMT- FT Specifikace identická s evropským standardem pro bezšňůrové telefony DECT. Stav harmonizace systému druhé generace ke generaci třetí zachycuje obrázek uvedeny i jednotlivé standardizační organizace zodpovědné za dané technologie. obr.10, kde jsou GSM UWCC CDG ETSI T 1 TIA 2G (10 kbps) GSM TDMA (IS-136) cdma (IS-95 A) One 2,5G (64-14 4 kbps) GPRS IS -95 B EDGE 2,5G (384 k - 2Mbps) W-CDMA UWC - 136 cdma2000 1x / 3x 3GPP UWCC 3GPP2 obr.10 harmonizace 2G na 3G. Dále se budu věnovat evropskému standardu UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systém) vycházejícího z doporučení IMT-DS (International Mobile Telecommunications - Direct Sequence) založeném na WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). 1.4.1. UMTS 1.4.1.1. Kmitočtové pásmo systému UMTS Jak už jsem zmínil výše, v dubnu roku 1992 Světový administrativní kongres pro rádio WARC (World Administrative Radio Conference) vymezil pro FPLMTS kmitočtové pásmo 1885-2025 MHz

a 2110-2200 MHz, jehož součástí je i pásmo 1980-2010 MHz a 2170-2200 MHz obr.11, určené pro družicovou část systému tř etí generace. V zemích CEPT je celé frekvenční spektrum, kromě pásma 1885-1900 MHz, vyhrazeno pro systém UMTS. Zmiňované pásmo 1885-1900 je již vyhrazeno pro současný bezšňů rový mobilní systém DECT, s kterým se však také počítá, jako s jednou z přístupových technik pro UMTS. obr.11 přidělené spektrum WARC 92 Pro pozemní přístup do UMTS sít ě jsou tedy určeny tyto pásma: 1900-1980 MHz 2010-2025 MHz 2110-2170 MHz a pro satelitní přístup MSS (Mobile Satellite Service) do sít ě UMTS pásma následující: 1980-2010 MHz 2170-2200 MHz Celkový pohled rozdělení frekvenčního spektra pro UMTS je znázorněno na obr.12 obr.12 celosvětové rozdělení kmitočt ů pro 3G V roce 2000, byly k již uvedeným frekvenčním pásmům pro IMT-2000 schváleny ješt ě další. Stalo se tak na konferenci WRC-2000 v Istanbulu. Jedná se o nová pásma 1710-1885 MHz a 2520-2670 MHz. Dále byl schválen záměr použít také frekvence, které jsou již dnes vyhrazeny pro mobilní komunikace v pásmu 806-960 MHz. Tato nová frekvenční pásma jsou rezervována z

důvodu předpokládaného velkého zájmu o mobilní komunikace a mohou být použity globálně nebo pouze v jednotlivých regionech obr.13. obr.13 rozšíření frekvenčního spektra UMTS 1.4.1.2. Struktura buněk UMTS UMTS jako mobilní sí ť třetí generace představuje, jak už jsem zmiňoval, filosofii univerzální globální mobilní sít ě. To znamená, že aby byly splněny vytyčené cíle UMTS, je nutné, aby přístup do této sít ě byl pokud možno co nejmén ě technologicky omezen,tedy nebyl vázán na jednu konkrétní př ístupovou technologii. Z uvedené filosofie pak vyplívá hned několik výhod a to jak velice dobrá dostupnost takovéhoto systému, tak i vznik mnoha nových poskytovaných služeb. Přístupových technologií pro sí ť 3G mů že být v budoucnu celá řada a některé jsou dnes předmětem intenzivního vývoje. Jako příklad bych zde rád uvedl systém DECT (Digital European Cordless Telephone), bezdrátové sít ě WLAN (Wireless Local Area Network) podle doporučení 802.11 nebo také bezdrátové sít ě HIPERLAN (HIgh PERformance LAN). K pokrytí těžko dostupných území by systém UMTS měl také využívat veřejné družicové služby VDS. Takováto integrace přístupových technologií si vyžádala vytvořit tzv. hierarchickou strukturu buněk HCS (Hierarchical Cell Structure) a umožnit použití handoveru mezi těmito buňkami. Domácí buňky Již z názvu vyplývá, že se jedná o buňky pokrývající jednotlivé domácnosti nebo nap ř. státní úřady a kanceláře.dosah těchto buněk nebude velký řádov ě metry až desítky metr ů a realizovány by mě li být ve spolupráci s technologiemi Bluetooth a DECT. Pikobuňky Jsou určené hlavn ě pro pokrytí nákupních center, továrních hal a prostor kde bude dostačující pokrytí buňkami o poloměru 100m. Realizace technologiemi DECT a WLAN. Mikrobuňky Buňky nasazené do městské zástavby a hust ě osídlených oblastí s poloměrem pokrytí voleným podle potřeby cca od 500 do 1000 metr ů. Makrobuňky Zabezpečí pokrytí okrajových částí měst a venkova. Poč ítá se s rozměry od 3 do 8 km.

Megabuňky Jde o buň ky satelitního systému, které by pokrývali lokality s extrémn ě nízkou hustotou osídlení, kde by se operátorovi nevyplatilo budovat pevné rádiové stanice a nebo budování těchto stanic je z hlediska nedostupnosti terénu nemožné. obr.14 hierarchická struktura buněk pro globální pokrytí 1.4.1.3. Struktura sít ě UMTS Struktura sít ě UMTS je navrhována tak, aby tvořila plynulý přechod mezi sítěmi druhé a třetí generace. UMTS v takovéto podob ě je popsána v doporučení ETSI (později převzala 3GPP) pro fázi 1, označ ovanou jako Release 99. Následující fáze Release 5 a v budoucnu Release 6,7 směř ují k sjednocení sít ě pro jednotný přenos dat pomocí paket ů. UMTS obr.15 je logicky rozdělena na sí ť rádiového přístupu RAN (Radio Access Network) a na páteřní sí ť CN ( Core Network). Z dů vodu kompatibility se sítěmi druhé generace je core network, nazývané také jádro sít ě, rozděleno do tzv. domén. Domény jsou dv ě a každá splňuje určité požadavky na systém UMTS první fáze. Doména označovaná CS (Circuit Switch) zachovává funkce mobilních systémů druhé generace v podob ě přenosu hlasových služeb pomocí přepojování okruh ů a druhá doména PS (Packet Switch) slouží pro realizaci datových a hlasových služeb pomocí přepojování paket ů. Kvůli požadavku na nezávislý vývoj přístupové a páteřní sít ě, bylo také nutné vytvořit nové dostatečn ě flexibilní rozhraní Iu obr.17. Pro přístup mobilních účastník ů ke službám poskytovaných páteř ní sítí pomocí rádiového rozhraní se v Releasu 99 definuje přístupová sít UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) obr.16.

Uživatelský identifika modul ční Mobilní terminál Rádiová psíť řístupová Páte síť řné Externí sítě UIM-MT Uu Iu obr.15 1.4.1.3.1. Přístupová sí ťutran Poskytuje uživatelům mobilních stanic př ístup k službám páteřní sít ě pomocí rádiového prostředí a plní dv ě základní funkce. zprostředkování rádiového přenosu řízení a přidělování rádiových prostředků Podobn ě jako GSM je přístupová sí ť rozdělena, logicky, na síťové rádiové subsystémy RNS (Radio Network Subsystem) a ty obsahují základní stavební prvky sít ě, kterými jsou základnová stanice, v terminologii UMTS, zvaná Node B a řídící jednotka rádiové sít ě RNC (Radio Network Controller). Funkce obou prvk ů jsou podobné jako u systému GSM. CN Iu Iu RNS R NC RNC RNS Iur Iub Iub Iub Node-B Node-B Node-B

obr.16 1.4.1.3.2. Rozhraní Iu Rozhraní Iux jak ukazuje obr.16 bylo vytvořeno pro přenos uživatelských a servisních dat. Rozhraní je tedy schopné přenášet současn ě signalizaci i data a protokoly na těchto rozhraních jsou na základ ě obsahu informace obsažené ve zpráv ě děleny na dv ě roviny. První rovinou je rovina rídící CP (Control Plane) a druhou je rovina uživatelská UP (User Plane). Celá přístupová sí ť využívá na těchto rozhraních technologii ATM. Rozhraní Iu definované mezi přístupovou a páteřní sítí je rozdělováno podle typu domény na rozhraní Iu-CS (doména přepojování okruh ů) a Iu-PS (doména s přepojováním paket ů) jak ukazuje obr.17. URAN R NC I u -CS I u -PS M SC/ VL R SGSN Doména CS Doména PS CN Obr.17 1.4.1.3.3. Páteřní sí ť(jádro cít ě) CN Jádro sít ě se svým složením síťových prvk ů ani funkcí celého systému CN nijak významn ě neliší od mobilního systém ů GSM 2,5 generace. To co řadí tento systém v podob ě první fáze do sítí 3G je rádiová přístupová sí ť, které spravuje větší šířku frekvenčního pásma a tak dosahuje větších kapacit a rychlostí než systémy předchozí generace a proto bych chtěl ješt ě jednou upozornit, že mobilní sí ťumts první fáze je přechod na mobilní sí ťtř etí generace zhlediska efektivního využití stávajících zdroj ů. Což pro provozovatele takovéto sít ě znamená značné ušetření investic vložených do budování sít ě třetí generace. Páteřní sí ť CN zajišťuje spojovací funkce (propojení účastník ů, směrování paket ů), udržuje a aktualizuje důležité uživatelské informace jako jsou nap ř. poloha uživatele, bezpečnost a billing, umožň uje spojení i s dalšími sítěmi a to jak sítěmi konkurenčních mobilních operátor ů, tak se sítěmi nap ř. ISDN, PSTN, X.25 a IP obr.18. Na obr.19. je znázorněno propojení sítí dvou operátor ů pomocí brány BG (Bordur Gateway) a rozhraní Gp.

GSM BSS 3 G M SC/ V LR GMSC BTS BTS BSC TC PCU RN S A Iu-CS Gs EI R D HLR / AuC PSTN Node- B RNC Gb Iu-PS Gr 3 G SGSN Gn GGS N Ge Gi I P X.2 5 Iub CN Obr.18 struktura sít ě 3G Domovská síť 3G SGSN IPpáte síťř ní BG GGSN Gi Gp I P X.25 Navštívená síť 3G SGSN IPpáte síťřní BG GGSN Gp Obr.19 propojení sítí dvou operátorů 1.4.1.4. Přenosové rychlosti v UMTS Možné dosahované rychlosti pro systém UMTS popisuje obr.20, který na vodorovné ose naznačuje mobilitu účastníka a ose svislé dosahovanou přenosovou rychlost která by měla být v ideálním případ ě ve svém maximu 2 Mbps. Nejmenších přenosových rychlostí tj. cca 144 kbps by měly dosahovat rychle se pohybující mobilní účastníci, kde dosažení výších přenosových rychlostí je z fyzikálního hlediska velmi obtížné. Pokrytí hust ě zalidněných oblastí, jako jsou

městské aglomerace by mělo přinést rychlosti okolo 384 kbps a př enosové rychlosti v budovách a místnostech, kde se předpokládá statické umístění terminálu by měly dosahovat cca 2 Mbps. Obr.20 postavení UMTS mezi mobilními systémy 1.4.2. CDMA 2000 Jedná se o mobilní systém s odstupem kanál ů 1,25 MHz a reprezentuje rodinu technologií, která obsahuje CDMA 2000 1X a CDMA 2000 1xEV. CDMA 2000 1X Zdvojnásobuje kapacitu pro službu př enosu hlasu v CdmaOne sítích a umožňuje přenos dat maximální rychlostí 153 kbps (Release 0) a 307 kbps (Release 1) metodou přepojování paket ů. Zde bych ješt ě rád uvedl, že se jedná o americký standard a navazuje na technologie IS-95 A a B ( 2G/2.5G ) obr.21 označované hlavn ě v dokumentech CDG (CDMA Digital Group) jako CdmaOne. IS - 95 je světov ě první mobilní sítí, kde bylo použito přístupové metody CDMA a ze sítí druhé generace je vlastn ě sítí jedinou. Je velmi rozšířená ve Spojených Státech Amerických a některých evropských státech jako je nap ř. Polsko, Rumunsko, Ukrajina a Rusko.

obr.21 CDMA 2000 1xEV V tomto případ ě se opět technologie dělí na: CDMA 2000 1xEV - DO Tato technologie je koncipována jen pro služby s přenosem dat. Proto je také označována jako DO což značí Data Only. U nás je tato sí ťod 2. Srpna 2004 provozována společností Eurotel tab.3 na frekvenci 450 MHz, která je společ ná s dnes již čím dál tím mén ě využívanou sítí NMT. Sí ťjak jsem se již zmínil je koncipována pro přenos dat a tak se nabízí myšlenka zda je možné využít stávajících technologií VoIP doplněných vhodným softwarovým telefonem jako muže být nap ř. Skype, k přenosu hlasu. Dosahovaný ping jak jsem se dočetl č iní 120 150 ms a k mému překvapení přenos hlasu zde není problémem. tab.3 CDM 2000 provozované u nás CDMA 2000 1xEV - DV Poskytuje integraci hlasu a současn ě vysokorychlostní přenos datových multimediálních služeb do rychlosti 3,09 Mbps. A č se toto velké číslo zdá velmi optimistické nesmíme zapomenout, že se

mobilní stanice dě lí s ostatními uživateli o přenosové prostředky. Krom ě počtu uživatelů př ihlášených k jedné stanici, odstupu signálu od šumu a rychlosti pohybu stanice ovlivňuje rychlost mnoho dalších aspekt ů. Pro koncového uživatele mobilní stanice bude skutečná rychlost pouhým zlomkem z uváděné rychlosti. Oba systémy jak CDMA 2000 1xEV tak i CDMA 2000 1xEV jsou zpětn ě kompatibilní se systémy CDMA 2000 1X a CdmaOne. Struktura sít ě CDMA 2000 HLR / AuC PSTN BT S MSC/ VLR AAA s er ver BS C BTS I W F BT S I P rout er I P obr.22 struktura sít ě CDMA 2000