Vestavné mikropočítačové systémy 13. Týden – bezdrátové komunikace III (2G sítě – GSM)

Generace mobilních sítí 1G – analogové, frekvenční pásmo je rozděleno na jednotlivé kanály pomocí techniky frekvenčního multiplexu (FDM/FDD) v USA: AMPS – Advance Mobile Phone Service v Evropě: NMT – Nordic Mobile Telephone ve Velké Británii: TACS – Total Access Control Systém (upravený AMPS) 2G – digitální, kanály jsou využívány technikou časového multiplexu (TDM/TDD nebo TDM/FDD), kanál je rozdělen na tzv. time-sloty, hlas se přenáší v digitální podobě v Evropě: GSM – šířka kanálu 200 kHz v USA: IS-95 a IS-136 (D-AMPS) v Japonsku: PDC 2,5G – neoficiální označení pro systémy 2G, které podporují také přenos dat 3G – sítě primárně zaměřené na vysokorychlostní přenosy (hlas, video, data)

Budování mobilních sítí Mobilní sítě fungují v licenčních pásmech; Operátoři licencí získají omezený počet frekvencí; Počet operátorů je omezen počtem dostupných frekvencí; Operátor musí pokrýt „neomezenou“ plochu s omezeným počtem frekvencí  využívají buňkový (celulární) princip: Pokrývaná plocha je rozdělena na dílčí části – buňky; V sousedních buňkách se nesmí použít stejné frekvence; Frekvence se mohou opakovat v nesousedních buňkách; Velikost a hustota buněk není pevně dána, vyvíjí se v čase podle potřeby, kde je větší provoz, tam operátor „zahušťuje“.

Přenos dat v mobilních sítích SMS – krátké textové zprávy 140 bajtů, 160 znaků (7-mi bitové kódování) adresát nemusí být v době odeslání dostupný, síť bufferuje zprávy až několik dní CSD (Circuit Switched Data) – tzv. přepojování okruhů Okruh je pro účastníky alokován po celou dobu přenosu  zaručená šířka pásma , účtuje se doba spojení ; Původní technologie 2G pro přenos digitalizovaného hlasu se použije pro přenos dat; HSCSD (High Speed CSD) – sdružování time-slotů  zrychlení. GPRS (General Packet Radio Service) – tzv. přepojování paketů Vyžaduje rozšíření architektury 2G sítě; Pásmo není alokováno, dostupná přenosová kapacita se mění s okamžitým zatížením sítě  nezaručená šířka pásma , účtuje se množství přenesených dat ; EDGE technologie specifikuje nové kódovací schéma (modulace), které umožňuje přenést více dat v rámci time-slotu. 3G sítě – širokopásmový přenos dat

Mobilní sítě 2. generace (2G) Frekvence jsou děleny na kanály technikou frekvenčního multiplexu – FDMA Sdílení kanálu více účastní se realizuje technikami: TDMA – časový multiplex CDMA – kódový multiplex (širší kanály než u TDMA) Pro zajištění obousměrného přenosu se používají techniky: FDD – uplink probíhá na jiném kanále než downlink TDD – uplink probíhá v jiném time-slotu než downlink GSM IS-95 IS-136 PDC Pásmo 900 a 1800 MHz (Evropa), 1900 MHz (USA) 800 a 1500 MHz Dělení pásma TDMA CDMA Nasazeno Evropa, USA USA Japonsko

Síť GSM Šířka kanálu je 200 kHz Pásmo 900 MHz se dělí na: 124 kanálů pro uplink (890  915 MHz) 124 kanálů pro downlink (935  960 MHz) Jednotliví operátoři mají přidělenou pouze část ze 124 kanálů Kanál je rozdělen na 8 time-slotů 1 2 3 4 5 6 7 TDMA rámec čas 110 111 112 113 114 108 100 101 102 103 104 105 106 97 98 99 109 120 121 122 123 124 115 116 107 117 118 119 50 60 51 52 53 54 55 56 57 58 59 70 61 62 63 64 65 66 67 68 69 80 71 72 73 74 75 76 77 78 79 90 91 81 92 82 93 83 94 84 95 85 96 86 87 88 89 10 20 1 11 21 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 30 31 22 32 23 33 24 34 25 35 26 27 28 29 40 41 42 43 44 45 46 36 47 37 48 38 49 39 O2 T-Mobile Vodafone Armáda Měřící kanál O2 Měřící kanál T-Mobile

Hlasové hovory v GSM síti Skupina 26 TDMA rámců tvoří tzv. „multirámec“, ten trvá 120 ms Time-slot tedy trvá 120 ms / 26 / 8 = 0,577 ms Hlasový hovor zabírá 1 time-slot v obou směrech (uplink i downlink) Vysílání z mobilní stanice je posunuto o 3 time-sloty GSM kodek produkuje datový tok 13 kbps 1 2 3 4 5 6 7 3 time-sloty odstup 13 kbps 33,8 kbps 22,8 kbps slot / hovorový kanál Režie GSM sítě Zabezpečovací údaje

Architektura GSM sítě Síť GSM je budována na buňkovém principu V jednotlivých buňkách jsou umístěny tzv. BTS (Base Transceiver Station) Několik BTS je napojeno jeden společný řadič – BSC (Base Station Controller) GSM síť je řízena mobilní telefonní ústřednou – MSC (Mobile Switching Centre) MSC ovládá řadiče BSC a jejich prostřednictvím jednotlivé BTS Propojení do sítí ostatních operátorů zprostředkovává tranzitní ústředna – GMSC (Gateway Mobile Switching Centre) BSC BSS MSC Propojení do jiných sítí (pevných i mobilních) GMSC „třísektorová“ BTS O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

Hovor v GSM síti MSC BSC HLR AuC VLR EIR O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

CSD – Circuit Switched Data Stejnou technologií, která se ve 2G sítích používá pro přenos hlasu, se přenáší data Fungování sítě se nemění, jde o přenos na principu přepojování okruhů, dvoubodový spoj Rychlost Bez dalších opatření 9,6 kbps (nejbližší normovaná rychlost k 13 kbps), v ČR nabízí všichni operátoři; S redukovaným objemem zabezpečovacích dat (detekce a korekce chyb) se lze dostat na 14,4 kbps, v ČR nabízí pouze O2 (nezaručená informace!); Efektivní (skutečně dosahovaná) rychlost závisí na kvalitě signálu; Rychlost lze dále zvyšovat tzv. boundlováním time-slotů – HSCSD, viz dále… O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

HSCSD – High Speed CSD Varianta CSD, která využívá sdružování time-slotů, tzv. channel boundling Přenos probíhá na více time-slotech současně Rychlost je příslušným násobkem počtu time-slotů Zpravidla se provozuje v nesymetrickém režimu – jiný počet time-slotů pro uplink a jiný pro downlink Stále jde o princip přepojování okruhů, nabízí jen vyšší rychlost Nevyžaduje změnu HW sítě, v ČR nabízí jen O2 (nezaručená informace!) Rychlost je dána třídou zařízení (typ 2 předpokládá, že MS je schopna přijímat i vysílat současně) Záleží také na nastavení sítě, priority jsou zpravidla: Hlasové hovory Požadavky HSCSD Požadavky GPRS Třída Max. počet slotů Typ Down Up  1 2 3 4 5 6 9 10 12 13 18 8 16 O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

GPRS – General Packet Radio Service HSCSD pracuje na principu přepojování okruhů  alokuje time-sloty po celou dobu spojení i když se právě nepřenáší žádná data nešetrné vůči omezeným zdrojům sítě GPRS pracuje na principu přepojování paketů  když se nepřenáší data, nespotřebovává time-sloty síť může současně obsloužit více uživatelů umožňuje trvalé připojení do sítě (always-on) negarantuje propustnost, ta je závislá na okamžitém zatížení sítě nejprve se přidělují time-sloty pro hlas, pak pro CSD a co zbude, to je k dispozici pro GPRS, operátor obvykle rezervuje 1 až 2 time-sloty pro GPRS GPRS vyžaduje změnu HW sítě nový prvek sítě – GSN (GPRS Support Node), v podstatě jde o směrovač nové způsoby kódování data mezi MS a BTS  upgrade SW BTS O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

GPRS kódovací schémata Kódovací schémata se liší v tom, jak rozdělují „hrubou“ přenosovou rychlost 22,8 kbps mezi užitečná data a zabezpečení Vyšší kódovací schéma vyžaduje lepší podmínky MS si kódovací schéma volí samo podle aktuálních podmínek a podle toho, co nabízí síť Schopnost boundlování time-slotů je opět dána třídou zařízení EDGE – zavádí 8-mi stavovou fázovou modulaci Potenciálně 3 rychlejší Mění radiovou část sítě  upgrade HW BTS Třída Max. počet slotů Down Up  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 - 14 15 16 28 29 Kódovací schéma CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Max. kbps na 1 time-slot 9,05 13,4 15,6 21,4 Max. kbps při využití všech 8-mi time-slotů 72,4 107,2 124,8 171,2 O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)

Přístup k internetu přes GPRS MS se přihlašuje k tzv. „přístupovému bodu“, který mu zprostředkovává přístup do Internetu APN (Access Point Name) Je bránou do Internetu, vede z něj tunel do sítě ISP Definuje vlastnosti připojení (statické/dynamické přidělení IP adresy, NAT, QoS, apod.) Mobilní operátor může nabízet více APN s různými podmínkami a cenou GPRS síť síť ISP APN Internet IP adresa od ISP O2 – cca 20 MSC, 100 BSC, > 3000 BTS, > 7000 buněk, asi 2x GMSC (tranzitní ústředna)