Post on 25-Jan-2016
description
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 !