ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechniká katedra radioelektroniky Radiové rozhraní UMTS-TDD HDSPA Semestrální bakalářský projekt Student: Vedoucí práce: Petr Horák Ing. Karel Mikuláštík únor 2006
P r o h l á š e n í Prohlašuji, že jsem semestrální bakalářský projekt Radiové rozhraní UMTS TDD HDSPA vypracoval samostatně a použil k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím v seznamu přiloženém k semestrální bakalářské práci. Nemám námitky proti půjčování, zveřejnění a dalšímu využití práce, pokud s tím bude souhlasit katedra radioelektroniky.... podpis studenta V Praze dne...
Obsah 1. Úvod...2 2. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)...5 2.1. Struktura UMTS sitě...7 2.2. Modulace v UMTS...9 3.UMTS-FDD(Frequency Division Duplex)...10 4. UMTS-TDD(Time Division Duplex)...11 5. HDPSA (High-Speed Downlink Packet Access)...14 6. Měření prostřednictvím zapůjčeného modemu...18 7. Závěr...24 8. Seznam použité literatury...25 1
1. Úvod Z historického hlediska nejsou mobilní sítě, i když se to na první pohled nezdá, zas až tak něčím nový. První komerční mobilní síť se objevila v Nizozemí již v roce 1949 pod názvem OLN (Openbaar Landelijk Net). Tato siť nebyla ničím převratným neboť měla pouze 2600 uživatelů, spojování bylo možné pouze přes operátorku a hovory byly simplexní (hovořit mohl pouze jeden člověk). Asi jako první mobilní sítí založenou na celularním systému v pravém slova smyslu lze považovat sít, která byla provozována v japonském Tokiu od roku 1979. Jako první z Evropy, kdo začat provozovat analogovou sít první generace, byly Skandinávské země, které ji uvedli pod označením NMT. Konkrétně šlo o síť švédského operátora Televerket (dnešní Telia). Pracovala v kmitočtovém pasmu okolo 450 MHz. Od té doby dochází k výraznému rozmachu mobilních sítí po cele Evropě. Tímto výrazným rozmachem bylo přijetí standardu GSM, který nastoupit počátkem 90.let. Cílem GSM bylo dosažení jednoho unifikovaného standardu pro celou Evropu, čehož bylo úspěšně dosaženo. V České republice seskutečná historie GSM začala psát od roku 1996, kdy došlo k udělení licencí a k budování prvních sítí. Na rozdílnou cestou se vydalo USA s první generací sítí, které byly podporovány pouze standardem AMPS. Hlavním znakem těchto analogových systémů je jejich orientace na hlasové služby. Tyto radiotelefonní systémy používali povětšinou analogovou frekvenční modulaci FM, eventuelně analogovou fázovou modulaci PM. Jako přístupové techniky je použito systému FDMA (Frequency Division Multiple Access). Nevýhodou těchto systémů byla především nízká kvalita přenosu hlasu, malé zabezpečení proti odposlechu, zneužití a neefektivní využití přiděleného frekvenčního pásma. Z důvodu neslučitelnosti systémů není možný mezinárodní roaming (volný mezinárodní pohyb účastníka). V tomto systému je každému uživateli přiřazena určitá část radiofrekvenčního (RF) spektra. FDMA povoluje pouze jednoho uživatele na jeden kanál. Uživatel má kanál přiřazen pouze pro sebe na 100% času. První digitální systém byl v USA uveden do provozu v roce 1991. Byl to IS-54, který využíval technologii mnohonásobného přístupu TDMA a jeho nová verze dodávající přídavné služby (IS-136) byla do provozu uvedena v roce 1996. Požadavky na komunikaci se stále zvyšují a tak vývoj jde neúprosně dál. Odstále menších, lehčích a hezčích telefonů očekáváme malé zázraky. Byly vynalezeny a zprovozněny nové technologie (HSCSD, WAP, GPRS atd.). Skok oproti původním sítím je v některých případech již tak velký, že někdy hovoříme o sítích tzv. dvou a půlté generace. Podíváme-li se na vše 2
podrobněji, zjistíme, že to, oč tu běží, je stále větší náročnost nových služeb na datovou kapacitu a propustnost sítě. Hrubé srovnání výkonnosti užívaných technologií je uvedeno v tabulce 1. Telefon se již nepoužívá pouze k přenosu hlasu. Před pár lety jsme objevili užitečnost používání zpráv SMS. Ze služby původně zamýšlené pouze jako upozornění na vzkaz ve hlasové schránce se vyvinul nový způsobu komunikace, který již dnes bereme jako samozřejmost. Proč bychom však měli zůstávat u strohých SMS a relativně pomalých datových přenosů? A proto stále na svět přichází nové, lepší a propracovanější služby (Data, Fax, WAP), které lidem v současné době ulehčují a zpříjemňují život. Dnešní sítě však na takovéto zatížení nebyly stavěny a tak se hledalo komplexní řešení. Tím mají být tzv. mobilní sítě třetí generace, zkráceně 3G. Čas potřebný pro přenos datového bloku v závislosti na použité technologii znázorňuje graf na obr. 1. Pro jejich technické označení se užívá zkratka UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Standardizace probíhá na půdě ETSI a stane se též specifikací IMT-2000 pro mezinárodní telekomunikační unii ITU (International Telecommunication Union). Prací okolo UMTS se zabývá sdružení UMTS-forum sdružující zástupce výrobců mobilní infrastruktury, operátorů, společností IT, konzultačních společností, vlád a dalších subjektů. UMTS je mobilní komunikační systém nabízející datové přenosy o velké rychlosti, který má umožnit komerčně 3
dostupné doposud nevídané služby: videopřenosy v televizní kvalitě, přístup k Internetu, zábavu, globální roaming atd. Požadavky na rychlý přístup k informacím se stále zvyšují. Z těchto potřeb plynou další požadavky na mobilní sítě, k nimž patří zejména: vysokorychlostní komunikační služby a datové přenosy, technická podpora pro nespojité přenosy IP (Internet Protocol) a pro spojité datové přenosy (videokonference), nové způsoby účtování za poskytnuté služby (objem dat, čas), vyšší kapacita sítě, nové technologie pro další rozšiřování sítě (každý uživatel bude potřebovat daleko více kapacity v porovnání s dnešní potřebou), současné datové a hlasové přenosy (uživatel bude moci například používat Internet a telefonovat zároveň bez potřeby druhého přístroje). Z technického hlediska by parametry sítí 3G měly splňovat následující kritéria: rychlosti datových přenosů 2 Mb/s pro stojící nebo pro pohybující se objekty do maximální rychlosti 10 km/h, datové přenosy s rychlostí 384 kb/s pro rychle se pohybující objekty (max. 120 km/h), integrace mobilní, pevné i satelitní komunikace, globální roaming s jedním přístrojem, použití frekvencí v pásmu 2000 MHz. 4
2. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Jak již bylo řečeno, jedná se o bezdrátový telekomunikační systém třetí generace(3g), který zahrnuje propojení hlasových a datových služeb. Tento systém je založený na kódovém oddělení přenášených kanálů používá přístupovou metodu WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access širokopásmová CDMA). Pro přenos využívají sítě UMTS dvou duplexních technik - přenosové módy FDD (Frequency Division Duplex) a TDD (Time Division Duplex). Obr. 2.1. Frekvenční pásma pro UMTS Varianta WCDMA-FDD používá frekvence: 2110 2170 MHz pro downlink (vysílání z BS na UE) na obrázku pásmo č.6 1920 1980 MHz pro uplink (vysílání z UE na BS) - na obrázku pásmo č.3 Varianta WCDMA-TDD používá frekvence, které jsou umístěny po stranách pásma WCDMA- FDD pro uplink: 1900 1920 MHz na obrázku pásmo č.2 šířka pásma 20 MHz - 2010 2025 MHz na obrázku pásmo č.5 šířka pásma 15 MHz Část spektra je určena pro družicovou část systému UMTS - MSS (Mobile Satellite Service - Mobilní družicová služba): 1980-2010 MHz na obrázku pásmo č.4 2170-2200 MHz na obrázku pásmo č.7 5
Pro systém DECT, který je v Evropě provozován, je rezervováno pásmo 1885-1900 MHz na obrázku pásmo č.1. Duplexní techniky použité systémem UMTS jsou vhodné pro různé druhy přenosu. -časově dělený duplex TDD (nepárová pásma ) je vhodný pro asymetrické vysokorychlostní datové přenosy a pokrytí hlavně uvnitř budov -frekvenční duplex FDD (párová pásma ) je zase vhodnější pro velkoplošné pokrytí a symetrické středně rychlé datové služby, ale je mnohem náročnější na regulaci výkonu na straně mobilního telefonu i základnové stanice Systém UMTS je evropská varianta IMT-2000. Na následujícím obrázku je naznačeno obsazení spektra pro systémy 3G, jak jej doporučuje ITU (doporučení WRC-92) a obsazení spektra v jednotlivých částech světa. Nejproblematičtější je situace v USA, kde je část spektra vyhrazená pro systémy 3G již obsazena systémy 2G PCS (Personal Communication System osobní komunikační systém). Zde se počítá s nasazením technologie EDGE, která umožní přenos multimedií a většího objemu dat. Tím bude učiněn krok k systémům 3G. Drobné omezení spektra je rovněž v Japonsku, kde dolní konec spektra v rozsahu 1893,5 1919,6 MHz používají PHS systémy (Personal Handyphone System osobní systém pro příruční telefony). Obr. 2.2. Rozložení frekvenčních pásem v jednotlivých částech světa 6
2.1. Struktura UMTS sitě Síť UMTS je tvořena dvěmi základními částmi: -jádrem CN (Core Network), představující ústřednovou část -rádiovou částí (UTRAN Universal Terrestial Radio Access Network) Obr.2.3. UMTS-struktura blokově Jádro sítě CN je rozděleno na dvě domény, a to:doména CS s přepojováním okruhů (Circuit Switched Domain) a doména PS s přepojováním paketů (Packet Switched Domain). Tyto dvě domény některé části sdílejí, jiné náleží pouze jedné doméně. Doména CS obstarává přenos hlasu a CS dat. Zajišťuje spojení do ostatních sítí jako je klasická pevná veřejná telefonní síť nebo pevná digitální síť ISDN. Doména PS má na starosti paketový přenos dat a spojení do sítí jakou je Internet nebo Intranet. Její součástí je SGSN (Serving GPRS Support Node), plnící funkci managementu mobility, ověřování totožnosti, šifrování a tarifikace a směrování paketové komunikace GPRS přes GGSN (Gateway GPRS Support Node) do IP sítě. Hlavní funkcí CN je spojování hovorů a směrování paketů. Existuje několik možných provedení CN, jednotným požadavkem však je dostatečná přenosová kapacita. Součástí této páteřní sítě jsou také databázové funkce a funkce síťového managementu. Přístupová síť UTRAN je částí systému, se kterým prostřednictvím rádiového rozhraní komunikují jednotlivé 7
uživatelské terminály. Samozřejmě ani v systému UMTS není možná komunikace jednotlivým mobilních stanic přímo mezi sebou. Rádiová část UTRAN se skládá ze sady několika RNS (Radio Network Subsystem). RNS tvoří RNC (Radio Network Controller) a jeden či více Node B. Node B představuje analogii BTS (Base Transceiver Station) v systému GSM, jedná se tedy o anténu vytvářející rádiové spojení s koncovými zařízeními. RNC je pak analogické BSC (Base Station Controller). BSC spravuje jednu nebo více BTS, řídí přidělování frekvencí, předávání hovorů mezi buňkami apod. Obr.2.4.UMTS-struktura Sítˇ UMTS se skládá z jednotlivých částí. Mezi těmito částmi byly definovány jednotlivá rozhraní Iu (mezi CN a UTRAN) a Uu (mezi UTRAN a UE). V porovnání se systémem GSM páteřní síti (jádru) CN odpovídá síťový spojovací subsystém NSS. Subsystém základnových stanic BSS systému GSM odpovídá subsystému radiové sítě RNS (Radio Network Subsystem). Každý RNS obsahuje jeden RNC, přičemž každý RNC ovládá několik základnových stanic BS. Mezi RNC a BS bylo definováno rozhraní Iub. Novým prvkem, který nebyl v GSM, je rozhraní Iur mezi jednotlivými RNC (slouží k signalizaci mezi jednotlivými RNC). Díky tomuto rozhraní bude RAN schopná kompletně zajistit management rádiové sítě a nebude tím pádem vznášet dál požadavky na transportní část sítě. 8
Při každém uskutečněném spojení pracuje jeden subsystém RNS jako tzv. Serving RNS (obsluhující). Jedná se o RNS, který v průběhu spojení komunikuje s CN. V případě přechodu účastníka do oblasti jiného RNS, slouží tento nový RNS jako tzv. Drift RNS. Úkolem Drift RNS je podpora pro Serving RNS tím, že dodává rádiové prostředky v době, kdy spojení mezi UTRAN a mobilním terminálem vyžaduje použití buněk, kontrolovaných tímto RNS. V případě, že Drift RNS má přímé připojení k CN, může později převzít úlohu Serving RNS. Přístupová síť má stejně jako GSM buňkovou strukturu. Využívá 4 typy obsluhovaných oblastí. Od poloměru 10m až po 6km a přenosové rychlosti 2 Mbit/s do 144 kbit/s se jednotlivé buňky dělí na pikobuňka, mikrobuňka a makrobuňka. Z tohoto členění je patrné, že uživatel může být obsluhován buňkou z kterékoliv úrovně. Každá úroveň má však za úlohu pokrýt jiný typ uživatelů (co se týče mobility a požadované přenosové rychlosti). Například máme-li uživatele, který se pohybuje pomalu, obsluhovaného mikrobuňkou, tak tento uživatel nám může nasednout do auta. Systém následně na základě určení rychlosti (např. podle toho, jak často musí provádět handover) přepne obsluhu buňce do vyšší úrovně makrobuňce. 2.2. Modulace v UMTS V závislosti na kavalitě signálu v UMTS systému se mění modulace a počet bitů na paket. Teoretické přenosové maximum na jedné nosné je 2,4 Mb/s při modulaci16qam, která přichází na řadu při velmi dobrém signálu, resp. jeho odstupu odinterferujících Node B. Naopak nejrobustnější modulací je QPSK, se kterou sektor NodeB posílá data rychlostí 384 kb/s, nicméně dokáže tak, i pokud má mobilní terminálsignál o neuvěřitelných 11,5 db slabší než interferenční. Důležité je, že nikoliv sílasignálu, ale právě jeho odstup od interferujícího je určující pro výběr modulace a tím i rychlosti přenosu. Na českém trhu nabízí technologii UMTS pouze dva operátoři. Eurotel nabízí ji nabízí ve formě FDD ( datové přenosy i hovor )a T-mobil ve formě TDD(datové přenosy). 9
3.UMTS-FDD(Frequency Division Duplex) Jedná se o jednu z možných variant UMTS, která je založena na frekvenčním oddělení kanálu(tj. uplink a downlink používá odlišný kanál). Sítě UMTS-FDD jsou rozšířeny po celém světě, slouží k běžným telefonním hovorům, videohovorům a datovým přenosům maximální rychlostí až 384 kb/s. Je možné v nich používat klasické 3G telefony. U nás tuto síť spustil Eurotel 1.prosince 2005. Obr. 3.1. Grafické znázornění frekvenčního dělení pásma Využíván je pro pokrytí městské a venkovské zástavby a nabízí vysoký stupeň mobility. Přenosová rychlost módu FDD se mění na základě aktuální potřeby uživatele. Většinu spektra pro UMTS využívá právě režim FDD, doporučeno však je kombinovat párové a nepárové frekvence. 10
4. UMTS-TDD(Time Division Duplex) Je to další varianta UMTS, která je založena časovém dělení (tj. uplink a downlink používá jeden kanál, ve kterém se oba směry střídají v čase). Síť UMTS-TDD jsou určeny výhradně k datovým přenosům a mobilnímu vysokorychlostnímu připojení k internetu teoretickou rychlostí až 2,2 Mb/s. V praxi je běžně dosažitelnou rychlostí 600-800 kb/s. V České republice tuto síť provozuje T-Mobile pod obchodním názvem Internet 4G a k připojení musíte využít modem a datovou kartu od tohoto operátora. V současné době je služba dostupná v Praze, a to v pásmu 1.9 GHz. Toto pásmo umožňuje v městských aglomeracích poskytnout významně vyšší kapacitu sítě a za lepších podmínek než nižší frekvenční pásma.uživatelé této služby tak mohou počítat s přenosovou rychlostí směrem k uživateli(downlink) až 1024 Kbps a směrem od uživatele(uplink) 256 Kbps. Obr. 4.1. Grafické znázornění časového dělení pásma Pro režim TDD využívá UTRA (UMTS Terrestrial Radio Acces) jako metodu mnohonásobného přístupu širokopásmovou W-CDMA v kombinaci s časovým rozdělením vzestupných a sestupných tras. Jde tedy o kombinaci TDMA/CDMA a metoda je nazvána TD-CDMA (Time Division CDMA). Mnoho parametrů (délka rámce, počet časových intervalů,..) je zde shodných s režimem FDD, některé se odlišují. Výhodou tohoto režimu je jednoduché vytvoření asymetrické komunikace, kdy je v každém směru použita jiná přenosová rychlost. Zde (stejně taká v režimu FDD) jsou informace přenášeny v rámcích o době trvání 10 ms. Rámce jsou dále rozděleny na 15 časových intervalů (slotů) o délce 0,667 ms, které jsou přiděleny různým uživatelům. 11
Protože je zde využita duplexní technika TDD, mohou být některé časové intervaly v rámci použity pro sestupnou trasu, jiné pro trasu vzestupnou. Dělení mezi těmito směry je proměnlivé a je vždy nastavováno podle aktuální situace, pouze první časový slot slouží vždy pro trasu sestupnou. V celém rámci se může nacházet jeden bod změny směru (Single Switching Point) nebo může být směr komunikace měněn několikrát (Multiple Switching Points). Na obrázku je znázorněno několik příkladů rozdělení časových intervalů pro jednotlivé směry komunikace včetně dvou krajních případů. Obr. 4.2. Příklady rozděleni časových intervalů Vedle tohoto časového dělení je zde uvnitř časových intervalů pro další oddělení jednotlivých kanálů použito rozprostírajících kódů (maximálně 16). V rámci jednoho slotu je tak umožněna současná komunikace na více uživatelských kanálech. Obr.4.3. Rozdělení pásma pro více uživatelů 12
Existují dvě možnosti přidělování kódu uživatelům: - více kódů s konstantním rozprostřením (Multi Code with Fixed Spreading): Přenosová rychlost v rámci jednoho časového intervalu je stále stejná a přenosová kapacita pro konkrétního uživatele v tomto slotu je zvyšována přidělováním dalších kódů, které jsou pak používány současně. Tyto kódy mohou být přiděleny jednomu uživateli nebo mohou být rozděleny mezi uživatelů více. -veden kód s proměnlivým rozprostřením (Single Code with Variable Spreading): Opět jsou různým uživatelům v rámci jednoho časového slotu přidělovány různé rozprostírající kódy, ale jeden uživatel má vždy přidělen pouze jediný kód. Jestliže uživatel požaduje větší přenosovou rychlost, je zvýšena přenosová rychlost tohoto časového intervalu, tedy snížen rozprostírající faktor přiděleného kódu. Přenášené bity jsou tedy v režimu TDD opět děleny do rámců a časových intervalů, jak ukazuje následující obrázek. V jednotlivých časových intervalech jsou dále bity přenášeny v blocích, označovaných pojmem burst. Každý burst obsahuje řídicí informace a uživatelská data rozprostřená rozprostírajícím kódem. Na závěr každého burstu je vložena ochranná doba (Guard Period). Počet přenášených bitů tedy závisí na rozprostírajícím faktoru, definován je pouze počet čipů. Definovány jsou dva základní typy burstů podle počtu přenášené informace v datové části a ve vložené části pro řídicí informace (midamble). 13
-Burst typu 1 - může být použit na vzestupné i sestupné trase nezávisle na počtu uživatelů v časovém intervalu -Burst typu 2 - může být použit na vzestupné trase při počtu uživatelů v časovém slotu menším než 4 a sestupné trase nezávisle na počtu uživatelů v časovém intervalu Režim TDD je určen především pro pokrytí městské zástavby, míst kde je vysoká koncentrace uživatelů a kde je potřeba nabídnout vysokou přenosovou rychlost. Pokrývá tedy většinou pouze malé oblasti (mikrobuňky a pikobuňky). Ideálně se hodí pro vyšší přenosové rychlosti až do 2 Mbit/s při malé mobilitě. Díky schopnosti zvládnout asymetrický tok dat se tento režim dokonale hodí pro bezdrátový přístup do podnikových sítí. 5. HDPSA (High-Speed Downlink Packet Access) Ve zkratce lze říci, že se jedná o vylepšenou a rozšířenou verzi UMTS-TDD. Je to technologie, která nabídne nejen vyšší přenosové rychlosti, ale také lepší propustnost sítě. High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) je protokol mobilní telefonie označovaný také jako technologie 3,5G tříapůltá generace. Objevil se v Release 5 standardu UMTS. HSDPA je dostupné jak pro UMTS FDD tak pro UMTS TDD. HSDPA zvyšuje podstatně přenosovou rychlost pro downlink. Rychlost UMTS Release 99 (Release 3) je pouze 384 kbit/s. HSDPA je založeno na několika inovacích architektury sítě, díky nimž se dosahuje nižšího zpoždění, rychlejších reakcí na změnu kvality kanálu a zpracování H-ARQ, tedy Hybrid automatic repeat request, hybridního automatického požadavku na opakování přenosu. Další změny jsou provedeny přímo na rádiové části sítě, tedy na RNC (Radio Network Controler) a Node B (základnová stanice). Hlavní změnou, která přispívá ke zrychlení toku dat a odstranění zpoždění a rozptylu, je přesunutí některých úkolů ze samotného RNC na Node B. Základnové stanice se nyní namísto RNC starají o plánování a řízení přímo na Vrstvě 1, většina funkcí MAC důležitých právě pro zpoždění a rozptyl dat je z RNC v Release 5 přesunuta na NodeB. Díky tomu data urazí kratší trasu před tím, než se dekódují a třeba se zjistí, že něco není s nimi v pořádku a že je potřeba poslat je znovu. Snižují se tím nároky na dobu jejich přenosu, ale i na RNC, naopak je potřeba výkonnější hardware NodeB. MAC (Medium Access 14
Control, Řízení přístupu k médiu) se v Release 5 nově nazývá MAC-HS, čímž dává tato funkce najevo, že je dislokování na NodeB. Určitým problémy mohou nastat při řízeni výkonu. Mobilní stanice používající CDMA pracují na stejné frekvenci a proto se přímo mezi nimi může vyskytovat rušení. Kdyby dvě stanice, různě vzdálené od základnové stanice, vysílaly stejným vysílacím výkonem, uživatelé blíže základnové stanici by nad vzdálenějšími dominovali a signál vzdálených uživatelů by byl velmi silně rušen. Tento problém je nutno vyřešit právě vhodným řízením vysílacího výkonu jednotlivým mobilních stanic. Dalším přínosem je potom menší spotřeba energie mobilní stanicí a zvýšení kapacity sítě. Řízení vysílacího výkonu (Power Control) je velmi důležitou činností uvnitř systému UMTS mezi mobilními stanicemi a základnovými stanicemi Node B. Vysílací výkon může být regulován ve dvou směrech, a to uplink - vysílá mobilní stanice a downlink - vysílá NodeB. Řízení výkonu má dva zkladní principy: a) Zpětná uzavřená smyčka (Closed Loop Power Control) b) Zpětná otevřená smyčka (Open Loop Power Control) Díky HSDPA bude u W-CDMA sítí (tedy evropského UMTS) teoreticky možné nabízet sdílené rychlosti maximálně 14,4 Mbit/s (maximální rychlost na jednu buňku), efektivní rychlosti budou podstatně nižší a při startu HSDPA se očekává, že mobilní terminál budou schopny využívat rychlosti maximálně do 1,8 Mbit/s. Rychlost 14,4 Mbit/s pro jedno zařízení se nedá v dohledné době očekávat při této rychlosti by totiž terminál (telefon) musel najednou používat 15 kódů současně a všechny timesloty čímž by pro sebe zabral celou kapacitu jednoho sektoru. Podstatnou změnou prochází ovšem i komunikační kanály. Oproti původnímu kanálu WCDMA (UMTS), kde posílání dat mezi dvěma stanicemi probíhalo v zásadě na jednoúčelové lince DCH (Dedicated Channel), se transportní kanál pro HSDPA změnil. Pro tento případ byl vytvořen nový typ: HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel). Tento kanál efektivně využívá dostupné frekvence, na kterých přenáší data společně po paketech. Tyto pakety se poté pomocí určitých algoritmů dělí mezi jednotlivé uživatele. 15
Obr. 5.1.Naznačené schéma sdíleného kanálu HS-DSCH v porovnání s běžnými kanály UMTS Ve zkratce jde říci, že zvýšení rychlosti a výkonu je u HSDPA založeno na 3 základních faktorech: - AMC (Adaptive Modulation and Coding) Jedná se v podstatě o přizpůsobení modulace a kódováni. Tento systém umožní rychlé a efektivní přidělení prostoru jednotlivým uživatelům, aniž by je vzájemně omezil. Princip této metody spočívá zjednodušeně v tom, že je nejdříve obsloužen uživatel, který má nejlepší kvalitu signálu, aby zbytečně nezahlcoval síť. Na pozadí těchto metod stojí složité programy a algoritmy. - Fast Scheduling (Rychlé plánování) Je to funkce pro řízení toku dat, která má na starost sbírat informace od uživatelů a přeposílat je tam, kde jsou potřeba a naopak. Jednotlivé stanice mezi sebou vzájemně komunikují, aby věděly, kterým směrem se koncový uživatel nejrychleji dostane ke svým datům a jakou nejlepší cestou je možné data uživateli poskytnout. - Fast Retransmission (Rychlé obnovení přenosu) Při náhlém přerušení přenosu se systém snaží toto přerušení obsloužit na nejbližším možném místě a v nejkratším čase. Pokud je to možné, pokusí se obnovit i přenášená data. Princip je založen pouze na programovém vybavení. 16
Velice významným krokem, kterým se HSDPA vyznačuje je snížení prodlevy mezi jednotlivými přenosy. Výrobce garantuje jakousi minimální dobu, která je přibližně 150 ms. Tento údaj je ale spíše orientační. Ve skutečnosti, při rovnoměrně zatíženém kanálu, se doba prodlevy pohybuje trochu výše. Obr. 5.2. Doba zpoždění u jednotlivých technologií Podle dostupných informací již dochází k praktickým testům jak HSDPA druhé generace tak i HSUPA (označuje se jako UMTS R6). Dosahované výsledky jsou, tvrdím se říci, velice slušné. Testování probíhalo ve Vídni na testovací síti společnosti Ericsson. V mobilním kontejneru byla umístěna základnová stanice spolu s RNC (Radio Network Controller). Mobilní terminály pro UMTS R6 budou k dispozici pravděpodobně až v roce 2007. Ericsson proto na testování a předvádění sítě používá vlastní terminál. Jaké jsou tedy reálné dosahované rychlosti? Nejprve začnu uplinkem, který se stabilně držel na hladině 1,3 Mbps a ve špičkách dosahoval současné teoretické maximální hranice 1,5 Mbps. Downlink již byl o něco zajímavější. Nejvyšší dosahované rychlosti se pohybovaly těsně pod hranicí 11 Mbps. 14,4 Mbps se nepodařilo docílit ani když vozidlo stálo na místě. Ohromující bylo, že se rychlost v dlouhodobých průměrech stabilně držela v rozmezí 5 až 7 Mbps, a to i při jízdě rychlostí 50 km/h, a poměrně často dosahovala 10 Mbps, když ovšem vozidlo skoro stálo. Velice zajímavých výsledků dosahovala letace, která se pohybovala okolo 45ms, což rozhodně není špatné. 17
6. Měření prostřednictvím zapůjčeného modemu a SIM karty (T-Mobile "4G") Úkol měření: Prostřednictvím zapůjčeného modemu a SIM karty (T-Mobile "4G") proveďte měření přenosové rychlosti v závislosti na intenzitě signálu základnové stanice. Modem Balení obsahuje kromě modemu také dva kabely, které slouží k propojení zařízení s počítačem. Můžete si vybrat: jeden z kabelů má konektor USB, druhý patří do zdířky u síťové karty. V balení nechybí ani návod k instalaci modemu a ovladačů, které najdete na přiloženém CD, a podmínky služby. Modem je pochopitelně přenosný, nepostradatelná je proto také baterie a nabíječka. V balení najdete také šikovný stojan, který umožní postavit modem na výšku. Stojan lze pevně uchytit dvěma přísavkami. Obr. 6.1.Modem s podstavou Obr. 6.2. Kompletní balení Do modemu se vkládá klasická karta SIM s tarifem pro službu Internet 4G. Dá se používat jak v síti 4G, tak i v běžné GSM. Přednostně je samozřejmě určená k použití v modemu, můžete ji však také vložit do telefonu a volat s minutovou sazbou 7,14 Kč do všech sítí v rámci ČR nebo posílat SMS zprávy za 2,02 Kč. S tarifem Premium si navíc můžete užívat neomezeného GPRS/EDGE připojení, včetně wapu. U nižšího programu se za data v síti GSM platí. Technické parametry modemu: - rozměry 120 84 40 mm - baterie má kapacitu 650 mah (při nepřetržitém stahování nejvyšší rychlostí modem vydržel zhruba 1,5 hodiny) Instalace modeme je jednoduchá: nainstalovat software, jedním z kabelů propojit modem s počítačem, systém už modem automaticky vyhledá a spustit instalaci programu, který počítá 18
přenesená data a zobrazuje aktuální rychlost datových přenosů. Po přihlášení do sítě proběhne diagnostika signálu. Najdeme si místo s jeho největší intenzitou a instalace je hotova. Obr. 6.3. Ověřování uživ. informací Obr. 6.4. Přihlášení do sítě Současný modem je a bude možné použít pouze v Praze, kde UMTS poběží na jiné frekvenci než na zbylém území ČR. Duální modemy se objeví v průběhu tohoto roku, kdy se také bude rozšiřovat pokrytí. Výhoda modemu je, že se přes něj v případě absence signálu UMTS připojíte i přes běžné GPRS/EDGE. Součástí balíčku je také software T-Mobile Communication Centre, který zaznamenává rychlost přenosů a objem přenesených dat. Obr.6.5. Sowtware Communication Centre Obr. 6.6. Grafické znázornění objemu přenesených dat 19
Postup při měření Měření probíhalo na třech různých místech v budově ČVUT FEL. Prvním místem byla chodba na 4.patře před laboratoří radioelektroniky. Druhou zastávkou mého měření bylo 0.parto před bočním vchodem do budovy a posledním místem bylo nejvyšší patro, tj. 8.patro budovy u laboratoří telekomunikací. Prvním krokem byl přístup k hyperterminálu, díky němuž jsem mohl sledovat,na kterou základnovou stanice BTS je modem připojen, intenzitu přenášeného signálu, dobu odezvy(ping), ale třeba i stav baterie. Komunikace s terminálem probíhala prostřednictvím AT příkazů. Jednotlivé příkazy: At+creg = 2.nastavení módu 2 At+creg?.. identifikace BTS(CID) na které je modem přihlášen +LAC At+csq..intenzita signálu At+cbc..stav baterie Komunikaci jsem prováděl také přes příkazový řádek, kde jsem pomocí příkazu ping sledoval jednotlivé doby zpoždění. Druhým krokem bylo přihlášení k serveru dab.feld.cvut.cz prostřednictvím FTP klienta. Vyčlenil jsem si dva soubory o velikostech 200kB pro download a 50kB pro upload. Pomoci ftp klienta jsem nejdříve stáhl první soubor pro download a následně jsem na daný server poslal soubor pro upload. Při obou těchto přesunech jsem sledoval přenosovou rychlost a dobu přenesení požadovaného souboru. Výsledky měření jsou v následujících tabulkách pro jednotlivá místa měření. Poznámka k příkazu, který jsem nejvíce využíval, tj. At+csq: AT+CSQ - Kvalita signálu Kvalita rádiového spojení mezi modulem GSM a základní stanicí se liší v závislosti na podmínkách prostředí. Pomocí tohoto příkazu zjistíte informace o současné kvalitě příjmu. AT+CSQ Příkaz AT+CSQ AT+CSQ=? Výsledek Zobrazí aktuální obdržené hodnoty. Zobrazí seznam hodnot, které představují intenzitu signálu a chyby.přijmu 20
AT+CSQ, AT+CSQ=? Příkaz AT+CSQ Výsledný kód +CSQ: <přijatý stupeň>, <přijaté chyby> <přijatý stupeň> 0-113 dbm nebo méně 1-111 dbm 2..30-109..-53 dbm 31-51 dbm nebo větší 99 Neznámý nebo nemůže být detekován <přijaté chyby> Rozsah parametrů. 99 Neznámý nebo nemůže být detekován. Naměřené hodnoty: Poznámka k naměřeným hodnotám: Naměřená přenosová rychlost je průměrnou hodnotou po dobu přenosu. Pingy byly měřeny dvakrát, při každém měření dochází k výpisu čtyř hodnot, které byly změřeny postupně za sebou, výsledná hodnota je aritmetickým průměrem. Doba přenosu byla vypsána daným přenosovým programem. Chodba-4.patro Rychlost přenosu: Doba přenosu: Download (200kB): 100kB/s 2,1s Upload (50kB): 22kB/s 2, 3s Ping: 144ms 638ms 97ms 113ms 115ms 240ms 105ms 270ms průměr: 115,25ms 315,5ms Intenzita signálu pomoci příkazu at+csq (měřena třikrát, tj. před, během a po měření ): 26, 99, -84, -95,5 15, 99, -95, -97,3 16, 99, -93, - 97,3 21
Přízemí 0.patro Rychlost přenosu: Doba přenosu: Download (200kB): 66,67kB/s 3,5s Upload (50kB): 12,2 kb/s 4,2s Ping: 65ms 67ms 114ms 573ms 104ms 142ms 91ms 182ms průměr: 93,5ms 241ms Intenzita signálu pomoci příkazu at+csq (měřena třikrát, tj. před, během a po měření ): 17, 99, -92, -101,4 18, 99, -92, -101,4 18, 99, -93, -101,4 Chodba 8.patro (Zde jsem měřil přenosovou rychlost dvakrát, při druhém měření jsem nasměroval modem co nejvíce k základnové stanici) Rychlost přenosu: Doba přenosu: Download (200kB): 72,5 kb/s 2,9 s Upload (50kB): 25,2 kb/s 2,2 s Rychlost přenosu: Doba přenosu: Download (200kB): 220kB/s 1 s Upload (50kB): 55 kb/s 1 s Ping: 801ms 423ms 204ms 325ms 325ms 285ms 361ms 215ms průměr: 422,8ms 312ms 22
Intenzita signálu pomoci příkazu at+csq (měřena třikrát, tj. před, během a po měření ): 17, 99, -91, -88,4 20, 99, -90, -95,4 44, 99, -67, -76,5 V průběhu měření docházelo k nepravidelnému přepínaní mezi dvěmi základnovými stanicemi s označením 0384 a 0043. Komunikace s těmito základnovými stanicemi se střídala jak při uploadu tak při downloadu, a tak nelze přesně určit která BTS je výhodnější pro jednotlivý směr přenosu. Obr. 6.7. Přenosové rychlosti na jednotlivých místech 23
7. Závěr UMTS je technologii, která určitě výrazným způsobem ovlivní budoucnost mobilní komunikace. Bezdrátová širokopásmová síť UMTS TDD (u nás nabízí T-mobil) zajistí uživatelům jeden z nejrychlejších mobilních přístupů k Internetu v Evropě. I proto byl zvolen název služby Internet 4G, protože nabízí technologii, která je o generaci napřed před ostatními, dnes používanými postupy. Na rozdíl od UMTS FDD (u nás nabízí Eurotel) se v případě technologie TDD jedná o síť, která je optimalizována pouze pro datové, nikoliv hlasové přenosy. Tato specializace tak umožňuje dosáhnout mnohem vyšších přenosových rychlostí než u ostatních mobilních technologií. Uživatelé služby Internet 4G tak mohou počítat s přenosovou rychlostí směrem k uživateli až 1024 Kbps a směrem od uživatele 256 Kbps. Na rozdíl od UMTS, které je již nabízeno jak v západní Evropě tak ve velké části světa, je technologii HSDPA něčím novým. V současné době probíhají testy a zkoušky, a doposud tuto technologii nikdo nerealizoval. Dovoluji si tvrdit, že HSDPA je krokem zase trošku jiným směrem, který snad časem přinese zkvalitnění mobilní komunikace. Vrátím-li se k mému měření, dovoluji si tvrdit, že celkové měření proběhlo úspěšně, i když se během měření vyskytly drobné problémy. Na jedná straně se mi vcelku slušně podařilo prozkoumat technické parametry a vlastnosti Modemu do T-mobile a podívat se, jak se mění přenosové rychlosti v závislosti nejen na místě a vzdálenosti příjmu od základnové stanice, ale taká na změně počasí a druhu prostředí. Tohoto jevu (vliv počasí) jsem si nejvíce paradoxně všímal při posledním měření, kde byly přenosové rychlosti největší. Zprvu jsem ale doufal, že tyto hodnoty budou ještě vyšší. Bylo to na místě, kde byl přímý viditelný kontakt se základnovou stanicí. Tento jev přisuzuji změně venkovních podmínek (venku se začalo kazit počasí a mírně poprchalo). Druhá stránka věci, kterou považuji za problematickou je fakt, že během měření docházelo často k selhání spojení se serverem. Práce se soubory tak byla často přerušena a mohlo dojít k jejich poškození na přijímací straně. 24
8. Seznam použité literatury [1] H.Holma, A.Toskala: GSM, WCDMA for UMTS, John Wiley & sons 2000 [2] R.Steele, C.C.Lee, P.Gould: GSM, cdmaone and 3G Systems, John Wiley & sons 2001 [3] http://www.3gpp.org/ [4] http://tomas.richtr.cz/mobil [5] http://www.umts.wz.cz/mob_radio_site_3g/ [6] http://www.gsmworld.com/ [7] M. Kuboš, Semestrální práce, Sítě 3G, jejich perspektivy, kmitočtová pásma [8] http://www.ipwireless.com/ 25
26