Mobilní sítě

Autor: Z. Pikhart <pikhart(at)hotmail.com>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Mobilní sítě, Vydáno dne: 28. 07. 2004

Specifickou oblast tvoří mobilní sítě, které zahrnují vedle přístupové radiové části i celou infrastrukturu sítě pro poskytování služeb v určité oblasti. Je uveden přehled mobilních systémů s důrazem na připravovanou 3.generaci.

Veřejné mobilní sítě jsou používány již cca 20 let. Po celou tuto dobu procházejí bouřlivým rozvojem a jejich vývoj se neustále zrychluje, v poslední době se velmi rozšiřují dokonce na úkor sítí pevných. Současným trendem je zejména rozšiřování možností datové komunikace a přístupu na Internet.

První generace mobilních systémů

První generaci mobilních systémů lze charakterizovat jako analogové radiotelefonní mobilní systémy, které využívají na radiovém rozhraní (uživatel – síť) FDMA (Frequency Division Multiple Access) a modulaci FM (Frequency Modulation). Příkladem těchto systémů jsou systémy NMT (Nordic Mobile Telecommunication, nebo Nordic Mobile Telephony). NMT systémy se nejvíce používají v Evropě ve Skandinávských státech. První sítě s tímto systémem byly zprovozněny na začátku osmdesátých let. NMT systémy využívají na radiovém rozhraní frekvencí v pásmu 450 nebo 900 MHz. Zajímavou vlastností těchto systému, je že na rozdíl od řady dalších systémů první generace umožňují mezinárodní roaming.

Dalším systém první generace je AMPS (Advanced Mobile Phone System/Service American Mobile Phone Standard), který našel uplatnění zejména v USA a Jižní Americe. Sítě tohoto typu se používají od poloviny osmdesátých let. AMPS pracuje na radiovém rozhraní (uživatel-síť) ve frekvenčním pásmu 800 MHz.

Druhá generace mobilních systémů

Druhou generaci mobilních systému lze charakterizovat jako digitální buňkové mobilní radiotelefonní systémy. Typickým příkladem tohoto systému je GSM (Global System for Mobile Communication). V porovnání se systémy první generace jde o pokročilejší způsob komunikace vyznačující se hlavně vyšší kapacitou systému, vysokou odolností proti odposlechu a rušení (dáno typem použité modulace a kódováním), možností jednoduché realizace mezinárodního roamingu, menšími a úspornějšími terminály, větší nabídkou funkcí, větší kompatibilitou s pozemními systémy i družicovými a v tomto výčtu by bylo možné dále pokračovat. Systémy GSM se ve světě používají od roku 1992. Jejich rozšíření není omezeno pouze na jeden světadíl či jeho část.

Pro GSM se využívá různých frekvenčních pásem 900, 1800, 1900 MHz a podle používaného pásma se často hovoří o GSM900, GSM1800 (někdy nazývano DCS 1800 - Digital Cellular System), GSM1900 (někdy nazýván PCS 1900 – Personal Communication System). Nejdříve bylo navrženo GSM900, poté bylo ve Velké Británii modifikováno na GSM1800 – důvodem bylo umožnit na trh vstup dalšího provozovatele (nedostatek frekvencí v původním pásmu). GSM1900 je nejmladší odnož, která vznikla v USA, protože toto pásmo bylo v USA volné a tudíž potenciálně lehce využitelné. Principy, typy rámců, protokoly používané všemi výše uvedenými odnožemi GSM jsou shodné, jediná odlišnost je právě ve frekvenčním pásmu používaném pro přenos signálu mezi mobilní stanici a sítí, tedy na radiovém rozhraní. V GSM se na radiovém rozhraní používá pro každý rádiový kanál ještě časové dělení a princip TDMA (Time Division Multiple Access). Tento princip se nazývá “TDMA over FDMA“ (Frequency Division Multiple Access). V TDMA rámci se přenáší kromě užitečných dat od několika uživatelů také řídící informace.

Z hlediska přenosu dat je na tom druhá generace mnohem lépe než první generace. Druhá generace používá již z principu pro přenos hlasu v celé síti digitální tvar signálu. Základní rychlost mezi mobilní stanici a sítí je 13 kbit/s obousměrně. Tento kanál lze bez větších potíží užít pro přenos dat, běžně rychlostí 9,6 kbit/s.

Rozšíření druhé generace mobilních systémů

Dále se často hovoří o dvou a půlté generaci (někdy také 2+), tedy vylepšených mobilních systémech druhé generace. Tyto systémy jsou charakteristické digitálním přenosem signálu v rámci celé sítě s možností vyšších přenosových rychlostí než 9,6 Kbit/s a případně využitím paketového způsobu přenosu GPRS (General Packet Radio Service). Zavádí do prostředí mobilních systémů IP protokol s přímým standardizovaným připojením do Internetu teoreticky až rychlostí 192 kbit/s. Do této skupiny lze zařadit i GSM s rychlým přenosem dat pomocí přepojování okruhů HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). HSCSD umožňuje přenosové rychlosti až 57,6 Kbit/s (součet v obou směrech přenosu) zabráním více než jednoho časového intervalu v rámci TDMA – v současnosti maximálně čtyři časové intervaly rozdělené asymetricky na tři směrem k mobilnímu terminalu a jeden směrem od terminálu k základnové stanici (3+1) nebo symetricky 2+2. Přepojování okruhů je vhodné tam, kde je potřebný souvislý tok dat.

Další zvyšování přenosových rychlostí je možné použitím systému EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution). Technologie, jež je v současnosti ve fázi standardizace institutem ETSI (European Telecommunications Standards Institute), představuje konečný vývoj datových komunikací uvnitř standardu GSM. V porovnání s konvenčním GSM je zde použit jiný druh modulace (8 PSK – Phase Shift Keying). Celkové bitové rychlosti datových přenosů se pohybují kolem 384 Kbit/s. EDGE je vhodné zejména pro provozovatele GSM sítí bez licence na sítě třetí generace, kteří chtějí nabídnout poměrně rychlé datové přenosy.

Třetí generace mobilních systémů

Pro označení třetí generaci mobilních systémů se používá zkratka UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Jejich standardizace probíhá na půdě ETSI a stane se také specifikací IMT-2000 pro mezinárodní telekomunikační unii ITU. IMT-2000 bylo dříve označováno složitě FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System), v roce 1995 bylo přejmenováno na již zmíněné IMT-2000, zejména kvůli těžko vyslovitelné zkratce. Jde o systémy, které budou pracovat v 2 GHz pásmu a které sjednotí různé bezdrátové přístupové technologie současnosti do jedné pružné a výkonné infrastruktury schopné nabídnout široký rozsah multimediálních služeb s garantovanou kvalitou. V praxi to znamená plnou mezinárodní interoperabilitu a přístup k pokročilým službám, jako jsou např. videokonference a datové přenosy 384 Kbit/s s plnou mobilitou (v dopravních prostředcích do 120 km/hod) a až 2 Mbit/s s omezenou mobilitou (pohyb chůzí méně než 10 km/hod).

Systém třetí generace UMTS by měl podporovat všechny služby zamýšlené pro pevné širokopásmové sítě (B-ISDN). Na rozhraní mezi mobilní stanicí a sítí se bude využívat pro přenos dat na principu CDMA (Code Division Multiple Access). Jedná se o metodu, kde je možné celé frekvenční pásmo ve stejném čase sdílet více účastníky pomocí kódového dělení. Účastníci budou komunikovat se sítí za využití WATM (Wireless Asynchronous Transfer Mode), které umožňuje garantovat požadovanou kvalitu služby. Zajímavá vlastnost UMTS je také to, že jako první systém umožňuje mezinárodní handover.

Následující tabulka sumarizuje přenosové rychlosti využitelné pro uživatele dosažitelné různými systémy.


Technologie

Komerčně zprovozněno

Přenosové rychlosti

GSM

1992

9,6 kbit/s

HSCSD

1999

57,4 kbit/s

GPRS

2000

192 kbit/s

EDGE

2001

384 kbit/s

UMTS

2002

144kbit/s až 2 Mbit/s

V další tabulce jsou uvedeny přehledně systémy jednotlivých generací spolu s frekvenčními pásmy, které používají na rozhraní uživatel-síť.


Generace - systém

Frekvenční pásmo (MHz)

1. generace

NMT

AMPS

TACS

 

450;900

800

900

2. generace

GSM

 

900;1800;1900

3. generace

UMTS (IMT-2000)

 

2000



Struktura sítě třetí generace

Struktura UMTS sítě je tvořena třemi subsystémy, jak je uvedeno na obrázku. Na nejvyšší úrovni bude použita ATM páteřní síť (Core Network - CN), dále pak směrem k uživatelům radiová pozemní přístupová síť (UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN), a konečně uživatelé budou přistupovat k UMTS síti pomocí uživatelských terminálů (User Equipment - UE).

mobil1

Frekvenční pásma pro radiové rozhraní

Frekvenční spektrum vyhrazené pro UMTS je uvedeno na obrázku. Podkladem pro tento obrázek je výsledek jednání ETSI skupiny SMG (Special Mobile Group) z konce ledna 1998, na kterém bylo přijato rozhodnutí v otázce radiového rozhraní pro UMTS.

mobil2

Pásmo

Rozsah

Šířka

pásmo 1

1885 – 1900 MHz

15 MHz

pásmo 2

1900 - 1920 MHz

20 MHz

pásmo 3

1920 - 1980 MHz

60 MHz

pásmo 4

1980 - 2010 MHz

30 MHz

pásmo 5

2010 - 2025 MHz

15 MHz

pásmo 6

2110 - 2170 MHz

60 MHz

pásmo 7

2170 - 2200 MHz

30 MHz


V květnu 2000 byla schválena další frekvenční pásma použitelná pro UMTS resp. IMT-2000 [7]. Stalo se tak na konferenci WRC-2000 (World Radiocommunication Conference) v Istambulu. Jedná se o nová pásma 1710-1885 MHz a 2500-2690 MHz. Dále byl schválen záměr použít pro UMST také frekvence, které jsou již dedikovány pro mobilní komunikace – jde o frekvence v pásmu 806-960 MHz. Pro satelitní složku mobilní sítě 3. generace bylo rozhodnuto použít pásmo pod 3 GHz.

Pro nepárová pásma (duplex s časovým dělením TDD-Time Divison Duplex) byla pro UMTS vybrána technologie TD-CDMA (Time Division CDMA), která je vhodná pro asymetrické vysokorychlostní datové přenosy, pokrytí hlavně uvnitř budov. Pro párová pásma (duplexem s frekvenčním dělením FDD-Frequency Division Duplex) byla vybrána pro UMTS technologie W-CDMA (Wideband-CDMA), která je zase vhodnější pro velkoplošné pokrytí pro hlasové a středně rychlé symetrické datové služby, ale je mnohem náročnější na regulaci výkonu na straně mobilního telefonu i sítě.

Protokoly pro radiové rozhraní

Protokolová architektura UMTS vychází ze sedmivrstvového referenčního modelu OSI. V protokolovém sloupci UMTS pro UU rozhraní, který je díky složitosti celé technologie vícerozměrný (podobně jako referenční model B-ISDN Broadband Integrated Service Digital Network) můžeme najít protokoly známé z dřívějších technologií, jako

Byly však zavedeny zcela nové protokoly, jako je RANAP (Radio Access Network Applicatio Part).

Vrstva ATM byla použita nejen pro páteřní síť, ale také pro síť přístupovou – radiovou mezi mobilní stanicí a sítí, označovaná jako WATM – Wireless ATM [5]. Důvodem je kompatibilita s páteřní sítí a schopnost podpory multimediálních služeb se zaručenou kvalitou. WATM je nadstavbou klasického ATM, z toho plyne, že WATM zahrnuje všechny klíčové funkce ATM. Všechny zpracovávané informace jsou rozděleny do buněk o délce 53 oktetů (48 oktetů užitečná informace, 5 oktetů záhlaví). Řídicí mechanismus sítě přiděluje uživateli síťové zdroje tak, jak bylo dohodnuto při sestavovaní spojení (požadovaná rychlost, QoS - Quality of Service atd.)

Další vývoj

Hlavní služby, které se přepokládají v UMTS bude rychlé mobilní připojení k Internetu a rozličné multimediální služby (např. videokonference). Díky integraci různých sítí bude snadno možné využít služeb těchto sítí v jakékoli pokryté oblasti. Rychlost faktického rozšiřování sítí 3. generace bude záviset na mnoha faktorech, zejména na ceně, za kterou budou provozovatelé schopni nabídnout koncovým uživatelům nové služby.

Systémy třetí generace se budou rozvíjet dále, dle rostoucích požadavků bude dále zvyšována přenosová rychlost, kterou může mobilní účastník využít (nad prvotně plánované 2 Mbit/s). O různých trendech pojednává např. [4]. Jedním z nich je použití tzn. prostorové dělení SDMA (Space Division Multiple Access). Jedná se o způsob přenosu, kdy pro komunikaci mezi mobilním terminálem a základnovou stanicí se využívá úzký rádiový svazek (directive beams). Tento přístup řeší problémy s nedostatkem frekvencí. Jedno frekvenční pásmo lze pak v rámci jedné buňky použít vícekrát. Pomocí SDMA se přepokládá podpora datové rychlosti do 25 Mbit/s. Další možností na zvyšování přenosových rychlostí, tentokrát ve spojení s technikou EDGE, je použití WOFDM (Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Pro tuto filozofii přístupu, která je v podstatě alternativou k W-CDMA použitého pro UMTS, jsou předpokládány přenosové rychlosti do 10 Mbit/s.

Literatura

[1] B.H.Walke: Mobile Radio Networks, John Willey & sons, 1999

[2] G.Heine: GSM Networks, Artech House, 1999

[3] S.M.Redel, M.K.Weber, M.W.Oliphant: GSM and Personal Communication handbook, Artech House, 1998

[4] IEEE Communication Magazine, Vol. 37, No. 11, November °1999

[5] A.Čižmár, L.Doboš: Základné otázky bezdrotových a mobilných ATM sietí, Telekomunikace, č. 7-8, 1999, s. 18-21

[6] A.A.Beutmueller: UMTS: použijte nebo zapomeňte, Telekomunikace a podnikání, č. 6, 2000, s. 47

[7] http://www.umts-forum.org/

[8] http://www.3gpp.org/

[9] http://www.mobil.cz/