Martin Šrotýř srotyr@fd.cvut.cz TELEKOMUNIKACE GSM Martin Šrotýř srotyr@fd.cvut.cz

Agenda NMT GSM GPRS EDGE UMTS

Co je NMT NMT – Nordic Mobile Telephony (1 G) – Finsko, Švédsko, Norsko, Dánsko – vývoj 70.léta, první síť 1981 analogová buňková radiotelefonní síť umí přenášet nejen hlas ale i textové zprávy DMS (Data and Messaging Service) – na základě dodatečného vývoje klasická telefonie s přepojováním okruhů

Architektura NMT a použité techniky FM – frekvenční modulace FDMA – Frequency Division Multiple Access Vysílací pásmo ZS: 463-467,5 MHz Vysílací pásmo MS: 453-457,5 MHz Šířka kanálu: 25 kHz Počet kanálů: 180

NMT vs. GSM NMT GSM analog. digital. Šířka kanálu: 25 kHz 200 kHz Počet uživatelů v 1 kanálu: 1 8 Max. přenosová rychlost: 0,4 kbps 76,8 resp.115,2 kbps + velké procento pokrytí území - velmi dobré šíření rádiových vln - relativně nízká kapacita sítě - žádné šifrování - snadný odposlech

NMT u nás Frekvence: 450 MHz Provozovatel: Eurotel Rok spuštění: 1991 Rok ukončení: 2006 Dnes: datové přenosy CDMA

Co je to GSM GSM - Global System for Mobile communications (2 G) digitální buňková radiotelefonní síť umí přenášet nejen hlas ale i textové zprávy SMS a data (fax, obrázky, internet, …) klasická telefonie s přepojováním okruhů

Historie GSM V roce 1982 CEPT zakládá skupinu GSM (Group Special Mobile) navrhnutý systém musel splňovat kritéria: Kvalitní a bezpečný přenos lidské řeči Nízká cena vybavení a služeb Podpora mezinárodního roamingu Frekvenční hospodárnost ISDN slučitelnost Efektivitu v budoucnosti Kompatibilnost s ostatními systémy

Historie GSM 1988 - CEPT začal tvořit GSM specifikace 1989 - byla odpovědnost za standardizaci tohoto systému přesunuta na Evropský telekomunikační normalizační institut (ETSI) 1990 byla specifikace Phase 1 sítě GSM prohlášena standardem 1992 - první funkční GSM operátor “Oy Radiolinja Ab” ve Finsku 1996 – první GSM síť v ČR (Eurotel) 1999 – první GPRS síť v ČR (Eurotel)

ETSI standardy GSM Phase 1 Phase 2 základní hlasové a faxové/datové služby mezinárodní roaming předávání a blokování hovorů služba SMS SIM karta a šifrování Phase 2 přidané specifikace identifikace volaného a volajícího přidržení a zaparkování hovoru konferenční hovory uzavřené skupiny uživatelů rozšířené možnosti datových služeb

ETSI standardy GSM Phase 2+ přidané specifikace privátní číslovací plány propojitelnost s jiným standardy mobilních sítí více profilů služeb vícenásobné číslo 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Phase 1 Phase 2 Phase 2+ Myšlenka Vývoj Implementace

Druhy GSM systémů GSM – 900 890 – 915 MHz 935 – 960 MHz EGSM 880 – 915 MHz 925 – 960 MHz GSM – 1800 1710 – 1785 MHz 1805 – 1880 MHz DCS – 1800 GSM – 1900 1850 – 1910 MHz 1930 – 1990 MHz DCS – 1900 PCS – 1900

Základní parametry GSM Šířka kanálu: 200 kHz Počet uživatelů v 1 kanálu: až 8

Použité techniky FDD - Frequency Division Duplex vytvoření duplexního páru (UPL/DWL) TDMA – Time Division Multiple Access využítí opakujícího se časového úseku – timeslotu (TS) 1 frekvence (kanál) = 8 TS teoretický počet hovorů v jeden okamžik GSM – 900 = 992 (868 ~ 7 TS) EGSM = 1392 DCS – 1800 = 2992 DCS – 1900 = 2392

Buňková síť Možnost opětovného využití stejných frekvencí po určité vzdálenosti. Mezi buňkami využívajícími stejné kanály musí být vzdálenost cca pětinásobek ekvivalentního poloměru buňky => sdružování kanálů do pravidelně se opakujících vzorů tzv. clusterů (svazků) Teoreticky stačí 7 frekvencí resp. 7 skupin radiových kanálů k pokrytí libovolného území.

Typy buněk Principem buňkové sítě (cellular network) je rozdělení území na tzv. buňky (cell). Buňkou nazýváme území pokryté jedním anténním systémem ZS. Typy používaných buněk závisí na hustotě populace daného území: pikobuňky (do 50 m) – pro místa s velkým provozem, obchodní zóny, městská zástavba, metro (DCS) mikrobuňky (do 1 km) – pro místa s menším provozem, městská zástavba (DCS, GSM) makrobuňky (max. 35 km) – pro místa s malým provozem, venkov (GSM)

Typy buněk Všesměrové buňky ZS má anténní systém vysílající všesměrově (typicky makrobuňky) Sektorové buňky jeden anténní systém obsluhuje několik (typicky 3) buněk (typicky mikrobuňky)

Sektorizace buněk Princip sektorizace buněk představuje značnou úsporu

Architektura sítě Síť lze po technické stránce rozčlenit na 4 základní systémy: Mobile Station (MS) - mobilní stanice Base Station Subsystem (BSS) - subsystém základnových stanic Network and Switching Subsystem (NSS) - síťový a spojovací subsystém Operating and Maintanance Subsystem (OMS) – subsystém řízení a údržby

Systém MS Mobilní stanice (MS) se skládá ze dvou částí: Terminál - vlastní telefon zabezpečuje „trvalé“ radiové spojení se systémem BSS zajišťuje komunikaci s účastníkem a zprostředkovává realizaci služeb provádí kódování a dekódování vysílaných a přijímaných informací karta SIM (Subscriber Identity Module) přináší nezávislost uživatele na konkrétním terminálu zajišťuje autentifikaci a podílí se na šifrování

Systém BSS BTS (Base Transceiver Station) radiové spojení s MS modulaci a demodulaci signálu kódování a opravu chyb měření signálu atd. BSC (Base Station Controller) – Modul řídící několik BTS funkce spojené s mobilitou účastníka handover a rozložení účastníků na jednotlivých fyzických radiových kanálech řízení výkonu stanic a time advance

Systém NSS Systém NSS je spojovací síť podobná síti ISDN. MSC (Mobile Switching Centre) telefonní ústředna jakou známe z pevných sítí MSC (Gateway MSC) zajišťuje spojení s vnějšími tlk. a datovými sítěmi

Architektura GSM

Systém NSS HLR (Home Location Register) - centrální databáze účastníků daného operátora obsahuje IMSI (International Mobile Subscriber Identity) MSISDN (Mobile Station ISDN Number) - telefonní číslo účastníka adresu VLR, na které se právě účastník nachází další pomocné údaje o účastníkovi (předplacené služby atd.) VLR (Visitor Location Register) databáze mobilních „návštěvníků“, kteří se momentálně nachází v oblasti působnosti daného MSC AuC (Authentication Center) je autentifikační centrum, které s použitím klíče z HLR ověřuje účastníka proti klíči v jeho SIM kartě EIR (Equipement Identity Center) je databáze všech telefonů umožňuje např. blokování telefonu po jeho zcizení

Systém OMS Je centrálním počítačovým systémem, který komunikuje s většinou prvků sítě GSM a umožňuje operátorovi jejich centrální správu a dohled nad jejich funkcí. OMC (Operating and Maintanance Center) okamžité řízení a údržba sítě spíše regionálního charakteru realizuje rozhodnutí NMC NMC (Network Management Center) dlouhodobější řízení a plánování sítě jako celku (stahuje statistiky a měření) kolektuje alarmy sítě sledování zatížení a plánování rozšiřování kapacit

Datové služby v GSM (2G) CSD - Circuit Switched Data nejstarší typ přenosu dat v GSM pracující na principu přepojování okruhů -> stejná priorita jako hovor schéma 1+1 (1 TS pro upl a 1 TS pro dwl) malé rychlosti 9,6 kbps resp. 14,4 kbps HSCSD - High Speed Circuit Switched Data (2G/ 2,5G) stejný princip jako u CSD -> stejná priorita jako hovor sdružování TS + efektivnější využívání volných TS možnost asymetrického přenosu dat 18 tříd HSCSD - třída 6 2+2, 3+1

CSD vs. HSCSD CSD HSCSD obsazení celého kanálu obsazení celého kanálu Možnost sdružování TS: ne ano Přenosová schémata (upl + dwl): 1+1 dle třídy možno až 8+8 Max. přenosová rychlost: 9,6 resp. 14,4 kbps 76,8 resp.115,2 kbps

Průběh „okruhového“ datového spojení (CSD/HSCSD)

Co je to GPRS GPRS - General Packet Radio Service (2,5 G) Paketový přenos dat v síti GSM Snadná implementace – nutnost nových MS Zvýšení přenosových rychlostí a kapacity Sdílení kanálů pro HSCSD a GPRS Hovor má přednost před daty

GSM vs. GPRS GSM GPRS obsazení celého kanálu paketový přenos Ideální: pro přenos hlasu a videa pro „burst“ přenosy Platím: za všechny mi přidělené kanály pouze tolik, kolik přenesu Kapacita sítě - jeden kanál může využít: 1 účastník až 12 účastníků Max přenosová rychlost: 76,8 kbps 171,2 kbps

Použité techniky modulace GMSK (Gaussovská modulace s minimálním zdvihem) proměnná schémata přenosu - sdružování TS 3+1, 2+2, 4+1, 3+2 apod. alokace TS pouze při přenosu dat 4 třídy kódování Třída přenosová rychlost uživatelská rychlost CS-1 9,05 kbps 6,7 kbps CS-2 13,4 kbps 10 kbps CS-3 15,6 kbps 12 kbps CS-4 21,4 kbps 16,7 kbps

GPRS Architektura

SGSN – Serving GPRS Support Node Zařízení obsluhující GPRS provoz v GSM sítích (ověřování totožnosti, šifrování a tarifikace) Supluje MSC Je spojena s BSC Počítá prošlá data pro následný billing Konvertuje protokol sítě GSM do „IP“ Komunikace s GGSN na otevření požadavku o spojení zákazníka

GGSN – Gateway GPRS Support Node Brána mezi GPRS sítí a Internetem Routing dat do internetu nebo korporátních sítí Routing paketů z externích sítí do MS Kolektuje charging data a provozní statistiky Přiděluje IP adresu na základě požadavku zákazníka, resp. nastavení v HLR

Co je to EDGE EDGE – Enhanced Data for GSM Evolution (2,5 G) - někdy též označováno jako EGPRS (enhanced GPRS) Paketový přenos dat v síti GSM Zvýšení přenosových rychlostí a kapacity oproti GPRS Hovor má přednost před daty

Použité techniky modulace 8-PSK 9 tříd kódování MCS-1 až MCS-9 proměnná schémata přenosu - sdružování TS 3+1, 2+2, 4+1, 3+2 apod. alokace TS pouze při přenosu dat

EDGE vs. GPRS Změna kódování Náročná implementace (výměna BTS) Vyšší rychlosti GPRS EDGE Přenosová rychlost v (1 TS): 22,8 kbps 62,9 kbps Uživatelská rychlost (1 TS): 20 kbps (CS-4) 59,2 (MCS-9) Max. uživatelská rychlost (8 TS): 160 kbps 473,6 kbps

Průběh paketového datového spojení (GPRS/EDGE) GPRS attach PDP kontext GPRS detach

Služby poskytované v GSM Telefonie - klasické volání, 112, faksimilie Datové služby - viz výše SMS MMS VAS - informační služby (aktuality, sport, ekonomika, atd.) uvítací melodie distribuce pozadí, témat, her a melodií do MS bankovní služby navigační služby

Služby poskytované v GSM MMS SMS

Co je to UMTS UMTS – Universal Mobile Telecommunications System (3 G) paketový vysokorychlostní přenos dat hovor / videohovor jsou data větší kapacita než u GSM možnost handoveru mezi UMTS a GSM při přetížení GSM může převzít hovor UMTS síť

Pásma UMTS párové pásmo 1920 – 1980 MHz a 2110 – 2170 MHz nepárové pásmo 1910 – 1920 MHz 2010 – 2025 MHz šířka kanálu: 5 MHz

Použité techniky WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access FDD - Frequency Division Duplex pro párové pásmo 1920 - 1980 MHz (upl) 2110 - 2170 MHz (dwl) TDD – Time Division Multiple Duplex pro nepárové pásmo

GSM + GPRS vs. UMTS GSM + GPRS UMTS Ideální: pro přenos hlasu a dat pro vysokorychlostní přenosy Plusy: masovost a cena nové služby a aplikace Mínusy: rychlost cena Pokrytí: celoplošné místně (ostrůvky) Přenosová rychlost: max. 384 kbps až 2 Mbps

Architektura UMTS

Architektura UMTS UMTS GSM Node-B  BTS RNC  BSC Propojení UTRAN a stávající GSM sítě Každé RNC (Radio Network Controller) se propojí s SGSN – zařízení obsluhující GPRS provoz v GSM sítích MSC, na kterých se provede upgrade

Node-B Obsahuje rádiové přijímače a vysílače, anténní systém obsluhující jednu nebo více buněk a slouží jako jednotka, zprostředkující přenos dat mezi rádiovým rozhraním na jedné straně a pozemní fixní částí sítě na straně druhé. Kódování fyzických kanálů Modulace / Demodulace Ochrana proti chybám Vysílání / Příjem Řízení výkonu

RNC Kontroluje a ovládá funkčnost několika základnových stanic Node-B. RNC má na starost přidělování rádiových kanálů a je důležitou jednotkou sledující a registrující mobilitu účastníka. Řízení rádiových prostředků Přidělování rádiových kanálů Kontrola přístupu (zabezpečení) Šifrování Řízení handoveru Řízení výkonu RNC Node-B

UMTS Core Network (CN) spojovací funkce (propojení účastníků, směrování paketů) udržuje a aktualizuje důležité uživatelské informace (poloha, bezpečnost, účtování) zajišťuje spojení do dalších sítí (ISDN, X.25, PSTN, Internet, ...) 3 domény: s přepojováním okruhů (CSD) s přepojováním paketů (PSD) pracuje na protokolu IP firewall Cell Broadcast

Datové služby - srovnání

Datové služby - shrnutí Tarifikace za strávený čas CSD - jeden kanál rychlost 9,6 kbit/s HSCSD - spojení několika logických kanálů v síti GSM - rychlost 43,2 kbit/s downlink, 14,4 kb/s uplink (3+1) Tarifikace podle přenesených dat GPRS - přenos dat po paketech - rychlost teoreticky 172 kbit/s, reálně kolem 53,6 kbit/s EDGE - zvětší poměr přenosu dat kanálu na 48 kbit/s, současně 8 kanálů - rychlost teoreticky 384 kbit/s UMTS - 384 kbit/s až 2 Mbit/s (rychle se pohybující účastníci 144 kbit/s) - HSDPA až 14,4 Mbit/s

Datové služby – vývoj, požadavky Rozvoj IT a multimediálních služeb zvyšuje požadavky na přenosové technologie Dochází ke zrychlování tempa vývoje mobilních technologií Nástup technologie 4. generace Definice 4. generace dle ITU rychlost stahování dat 100 Mb/s za pohybu a 1Gb/s v klidovém stavu

4. generace - LTE LTE – Long Term Evolution (3,9G) downlink 172,8 Mbps, uplink 57,6 Mbps LTE Advanced (4G) naplnění cílů ITU – downlink přes 1Gbps (teoreticky) Vývoj mobilních sítí z oddělené oblasti přepojování okruhů(CS) a přepojování paketů(PS) k jediné společné síti IP (využití VoIP) OFDM (Orthogonal Freqency Division Multiplexing) Signál je vysílán na vícero nosných frekvencích a tím se zvyšuje jeho odolnost vůči rušení (interferenci). Další využití OFDM: DVB –T, A DSL, PLC, WiMAX

Architektura LTE

LTE - EPC EPC – Evolvent Packet Core nová páteřní síť LTE na paketovém principu spojování základ transformace IP technologií do mobilních sítí podporuje přenos hlasu přes IP - VoIP

LTE v ČR Problémy s nasazením technologie (rok 2012): Kmitočtová pásma (1800, 1900, 2600MHz) – aukce (nutná změna zákona o e-komunikacích) Koncová zařízení – dostatek zařízení na trhu Finanční a technologická náročnost – přestavba sítí tel. operátorů (cca 60-140 Mbit/s na jednu základnovou stanici)

Aukce LTE v ČR Celkově firmy za získané frekvenční spektrum zaplatily: Telefónica: 2,802 miliard korun T-Mobile: 2,614 miliard korun Vodafone: 3,113 miliard korun Celkový zisk do státního rozpočtu: 8,529 miliard korun Další účastníci: Sazka Revolution Mobil

Aukce LTE v ČR

Děkuji za pozornost !