TELEKOMUNIKACEGSM

Martin Šrotýřsrotyr@fd.cvut.cz

Agenda

• NMT• GSM• GPRS• EDGE• UMTS

2

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

3

Co je NMT

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

4

NMT vs. GSM

NMT GSManalog. digital.

Šířka kanálu: 25 kHz 200 kHzPočet uživatelů v 1 kanálu: 1 8Max. 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

5

NMT u nás

• Frekvence: 450 MHz• Provozovatel: Eurotel• Rok spuštění: 1991• Rok ukončení: 2006• Dnes: datové přenosy CDMA

6

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

7

Historie GSM

1. 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

8

Historie GSM

2. 1988 - CEPT začal tvořit GSM specifikace

3. 1989 - byla odpovědnost za standardizaci tohoto systému přesunuta na Evropský telekomunikační normalizační institut (ETSI)

4. 1990 byla specifikace Phase 1 sítě GSM prohlášena standardem

5. 1992 - první funkční GSM operátor “Oy Radiolinja Ab” ve Finsku

6. 1996 – první GSM síť v ČR (Eurotel)

7. 1999 – první GPRS síť v ČR (Eurotel)

9

ETSI standardy GSM

Phase 1

• základní hlasové a faxové/datové služby

• mezinárodní roaming• předávání a blokování hovorů• služba SMS• SIM karta a šifrování

10

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

11

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 MHzDCS – 1800

GSM – 1900 1850 – 1910 MHz 1930 – 1990 MHzDCS – 1900 PCS – 1900

12

Základní parametry GSM

13

GSM 890 - 915 124 20 935 - 960 124 45EGSM 880 - 915 174 10 925 - 960 174 45DCS 1710 - 1785 374 20 1805 - 1880 374 95PCS 1850 - 1910 299 20 1930 - 1990 299 80

počet kanálů

duplexní rozpětí [MHz]

uplink downlinknázev šířka pásma

[MHz]počet kanálů

volné pásmo [MHz]

šířka pásma [MHz]

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 = 1392DCS – 1800 = 2992DCS – 1900 = 2392

14

Buňková síť

Možnost opětovného využití stejnýchfrekvencí po určité vzdálenosti.

Mezi buňkami využívajícími stejné kanály musí být vzdálenost ccapětinásobek ekvivalentního poloměru buňky => sdružováníkanálů do pravidelně se opakujících vzorů tzv. clusterů (svazků)

Teoreticky stačí 7 frekvencí resp. 7 skupin radiových kanálů k pokrytí libovolného území.

15

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)

16

Typy buněk

• Všesměrové buňky ZS má anténní systém vysílající všesměrově (typicky makrobuňky)

• Sektorové buňky jeden anténní systém obsluhuje několik (typicky 3) buněk (typicky mikrobuňky)

17

Sektorizace buněk

Princip sektorizace buněk představuje značnou úsporu

18

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

19

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

20

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 atd.

21

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

22

Architektura GSM

23

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 telefonůumožňuje např. blokování telefonu po jeho zcizení

24

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

25

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

26

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

27

Průběh „okruhového“ datového spojení (CSD/HSCSD)

28

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

29

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

30

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 kódováníTřída přenosová rychlost uživatelská rychlostCS-1 9,05 kbps 6,7 kbpsCS-2 13,4 kbps 10 kbpsCS-3 15,6 kbps 12 kbpsCS-4 21,4 kbps 16,7 kbps

31

GPRS Architektura

32

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

33

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

34

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

35

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

36

EDGE vs. GPRS

• Změna kódování

• Náročná implementace (výměna BTS)

• Vyšší rychlosti

37

GPRS EDGEPřenosová 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

38

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

39

Služby poskytované v GSM

MMS

40

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

41

Pásma UMTS

• párové pásmo 1920 – 1980 MHz a

2110 – 2170 MHz

• nepárové pásmo 1910 – 1920 MHz a

2010 – 2025 MHz

• šířka kanálu: 5 MHz

42

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

43

GSM + GPRS vs. UMTS

GSM + GPRS UMTSIdeální:

pro přenos hlasu a dat pro vysokorychlostní přenosyPlusy:

masovost a cena nové služby a aplikaceMínusy:

rychlost cenaPokrytí:

celoplošné místně (ostrůvky)Přenosová rychlost:

max. 384 kbps až 2 Mbps

44

Architektura UMTS

45

Architektura UMTS

UMTS GSM

Node-B BTS

RNC BSC

Propojení UTRAN a stávající GSM sítěKaždé RNC (Radio Network Controller) se propojí s

SGSN – zařízení obsluhující GPRS provoz v GSM sítích MSC, na kterých se provede upgrade

46

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

47

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

48

Node-B

RNC

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

49

Datové služby - srovnání

50

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

51

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

52

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

53

Architektura LTE

54

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

55

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)

56

Aukce LTE v ČR

57

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

58

Děkuji za pozornost !