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 TDMA TDMA

Nasazeno Evropa, USA 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

110 111 112 113 114

108100 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

0

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

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 77

TDMA rámecčas

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

0 1 2 3 4 5 6 7

3 time-sloty odstup

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

13 kbps 33,8 kbps22,8 kbps

slot / hovorový kanál

Režie GSM sítěZabezpečovací

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)

„třísektorová“ BTS

BSC

BSS

MSC

BSC BSC

Propojení do jiných sítí (pevných i mobilních)

GMSC

Hovor v GSM síti

MSC

BSC BSC

HLR

AuC

VLR

EIR

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…

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, žeMS je schopna přijímat i vysílat současně)

• Záleží také na nastavení sítě, priority jsou zpravidla:1. Hlasové hovory

2. Požadavky HSCSD

3. Požadavky GPRS

TřídaMax. počet slotů

TypDown Up

1 1 1 2 1

2 2 1 3 1

3 2 2 3 1

4 3 1 4 1

5 2 2 4 1

6 3 2 4 1

9 3 2 5 1

10 4 2 5 1

12 4 4 5 1

13 3 3 6 2

18 8 8 16 2

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

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 aktuálníchpodmínek a podle toho, co nabízí síť

• Schopnost boundlování time-slotů je opět dánatřídou zařízení

• EDGE – zavádí 8-mi stavovou fázovou modulaci– Potenciálně 3 rychlejší

– Mění radiovou část sítě upgrade HW BTS

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

TřídaMax. počet slotů

Down Up

1 1 1 2

2 2 1 3

3 2 2 3

4 3 1 4

5 2 2 4

6 3 2 4

7 3 3 5

8 4 1 5

9 3 2 5

10 4 2 5

11 4 3 5

12 4 4 5

13 3 3 -

14 4 4 -

15 5 5 -

16 6 6 -

28 8 6 -

29 8 8 -

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