Velký článek o moderních mobilních datových sítích
12/05/2006 12:00:56 AM

V České republice jsou v současnosti mobilní datové sítě mimořádně populární. Jaké všechny sítě máme dnes vlastně k dispozici a na jaké sítě se můžeme těšit? Je na tom lépe s mobilním internetem Česko, nebo Slovensko? A jak jednotlivé technologie vlastně fungují?

Pakety a zase pakety
Všechny mobilní datové sítě současnosti již přešly výhradně na paketové přenosy neboli na datové přenosy, které zatěžují přenosové pásmo pouze a tehdy, když je potřeba nějaká data přenášet. Původně dominovaly mobilním sítím přenosy na bázi přepojování okruhů, kdy se dala sice garantovat přenosová rychlost, ale platilo se (logicky), podobně jako u hlasových hovorů, za strávený čas. Zatím poslední mobilní technologií, která využívala tuto koncepci, byla HSCSD (High Speed Circuit Switch Data), se kterou se můžete ještě stále setkat v některých sítích GSM včetně české firmy O2.

Obrovská výhoda paketových datových přenosů také spočívá v tom, že není potřeba provádět tzv. handover. Pokud při probíhající komunikaci vyjede mobilní stanice ze signálu jedné základnové stanice, přihlásí se automaticky k jiné a začne posílat data tam. V síti je pouze potřeba mít server, který si uchovává informace o aktuální poloze uživatele, aby při probíhajícím přenosu dat mohla síť při změně základnové stanice plynule pokračovat.

Rádiové rozhraní
Při rozvoji mobilních datových sítí hrají klíčovou roli v zásadě tři faktory – šířka přenosového pásma, metoda vícenásobného přístupu, která je využita, a v neposlední řadě pak modulace signálu. Ta určuje počet bitů, které je možné v jeden okamžik přenést. V současných mobilních datových sítích se můžeme setkat s kombinacemi následujících technik:
FDMA (Frequency Division Multiple Access) odlišuje jednotlivé kanály podle frekvence jejich nosné vlny. Jeden kanál tak může například používat nosnou vlnu o frekvenci 900 MHz, jiný 920 MHz atd. Velice podobný systém se využívá i pro duplexní režim, kdy je pro komunikaci „mobilní stanice – základnová stanice“ vyhrazen jeden kanál a pro opačný směr zase jiný. Tato technika se pak nazývá FDD (Frequency Division Duplex).
TDMA (Time Division Multiple Access) odlišuje jednotlivé kanály podle času. Každý uživatel má v daném kanálu vyhrazen určitý časový okamžik, kdy komunikuje se základnovou stanicí pouze a jedině on. Obdobný systém se využívá i pro duplexní režim, kdy se v čase (obvykle velice rychle) střídá směr mobilní stanice – základnová stanice a směr opačný. Tato technika se pak nazývá TDD (Time Division Duplex), případně také ping-pong (tento název se používá zejména ve fixních sítích).
CDMA (Code Division Multiple Access) využívá relativně široké kanály (v mobilních sítích obvykle násobky 1,25 MHz či 5 MHz). Užitečný signál je v tomto případě kódován unikátním kódem, který rozprostře signál po celé šíři spektra přenosového kanálu. Díky tomu je možné, že na jednom kanále v jednom okamžiku komunikuje víc uživatelů najednou.
OFDM(A) (Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Multiple Access) vytvoří v rámci jednoho přenosového kanálu několik tisíc subkanálů, ve kterých paralelně přenáší informace.


Základnovou stanici lze bez problému umístit i do interiéru budov. (klikněte pro větší obrázek)

Volba rádiového rozhraní má také kritický vliv na latenci neboli RTT (Round Trip Time), což je doba, která uplyne mezi odesláním požadavku na zaslání dat z mobilní stanice a jejich doručením k mobilní stanici. Tato doba je kritická zejména pro dvě aplikace – on-line hry a IP telefonii. Důležitou roli hraje však i při surfování na webu.

Sítě minulé a současné
Pojďme se podívat tedy na to, s jakými mobilními datovými sítěmi se v současnosti můžeme setkat a jak tyto sítě v principu fungují:
GPRS
Jedná se de facto o nadstavbu pro sítě GSM. Síť GPRS (General Packet Rádio Service) sdílí se sítí GSM základnové stanice (BTS), datový spoj mezi BTS a kontrolérem základnových stanic (BSC) fungující na protokolu A.bis a částečně i BSC. K BSC je totiž připojena PCU (Packet Control Unit), která umožňuje řídit paketové datové přenosy na připojených BTS. Od PCU dále jsou již původní GSM síť a připojená GPRS zcela oddělené a sdílejí spolu pouze některé síťové prvky z tzv. jádra sítě, jako je BGW (Billing Gateway – účtovací brána), HLR (Home Location Register – databáze účastníků) a případně i další prvky.

GPRS síť se pak skládá z uzlu SGSN (Serving GPRS Support Node), který zprostředkovává spojení mezi GPRS sítí a klíčovými prvky GSM sítě a řídí GPRS provoz v dané části sítě, a brány GGSN (Gateway GSN), která zprostředkovává spojení mezi GPRS sítí a internetem.Stejně jako GSM síť používá i GPRS kanály o šířce 200 kHz rozdělené na celkem 8 timeslotů (pevných časových úseků o délce trvání 0,577 ms – TDMA) a s duplexním režimem FDD. Jako modulace je využit GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

Přenosová rychlost činí maximálně 21,4 Kb/s na timeslot a v jednom směru je možné spojit až 4 timesloty. Latence se pohybuje v rozmezí 800 až 1 500 ms. Přenosová rychlost závisí na volbě kódovacího schématu, která určuje, kolik bitů a v jakém složení se v daném timeslotu má použít na přenos užitečné informace a kolik na opravný kód.


EDGE
Technologie Enhanced Data for GSM/GPRS Evolution původně měla provést inovaci jak GSM, tak GPRS sítě. Nakonec zůstalo pouze u inovace GPRS sítě. Hlavní inovace spočívá ve změně modulace na 8PSK (8 Phase Shift Keying) a náhrady původních 4 kódovacích schémat za 9 modulačních a kódovacích schémat, která jsou nově rozdělena do tří skupin podle toho, pro jak kvalitní příjem signálu je lze použít. Maximální přenosová rychlost stoupla na 59,2 Kb/s na timeslot, přičemž je možné v jednom směru použít až 4 timesloty najednou. Latence se pohybuje v rozmezí 600 až 1 000 ms.
UMTS
Sítě UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) v praxi tvoří pouze novou část sítě připojenou ke stávající GPRS, případně GSM/GPRS síti. V praxi je UMTS reprezentováno jako takzvaný UTRAN (UMTS Terrestrial Rádio Access Network), což je nové rádiové rozhraní pro jádro původní GSM/GPRS sítě. UTRAN se skládá ze základnových stanic Node B a jejich kontrolérů RNC (Rádio Network Controller). Ty jsou pak připojeny k SGSN z původní GPRS potažmo EDGE sítě a případně také k MSC (Mobile Switching Centre) což je obdoba telefonní ústředny v GSM sítích.

UMTS používá CDMA a kanály široké 5 MHz. Existují však dvě varianty UMTS lišící se podle použitého duplexního režimu. Nejčastější varianta je UMTS FDD, což je právě to UMTS, které podporují běžné mobilní telefony a které v Česku nabízí firma O2. UMTS FDD nabízí paketové datové přenosy a hlasové služby a videotelefonii na bázi přepojování okruhů.

Druhá varianta – TDD – poskytuje pouze paketové datové přenosy a v ČR se s ní setkáte v nabídce společnosti T-Mobile pod názvem Internet 4G. O přenosových rychlostech v sítích UMTS si povíme dále.

Přenosové rychlosti a latence se u UMTS poměrně výrazně liší v závislosti na variantě standardu. První varianta UMTS R99 v praxi dosahovala rychlostí 120/50 Kb/s (z teoretických 384/64 Kb/s) s latencemi podobnými jako u EDGE. UMTS R4, které třeba u nás nabízí firma O2, pak zvýšilo reálné rychlosti na 350/350 Kb/s (z teoretických 384/384 Kb/s), přičemž hodnota latence činí přibližně 200 až 300 ms.

Cisco-Linksys 3G/UMTS WLAN router


Není UMTS jako UMTS. V současné době jsou jen v České republice v provozu u firmy O2 hned dvě varianty UMTS – UMTS R4 a UMTS R5, T-Mobile pak provozuje UMTS R5 ve variantě TDD. Pro UMTS R5 se přitom často, zejména z marketingových důvodů, používá spíše název podle jedné z technologií, které tento standard obsahuje – HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). HSDPA je technologie, jež mírnou úpravou rádiového rozhraní (jedná se o softwarový upgrade sítě) umožňuje dosahovat rychlosti oproti existující 384 Kb/s až 14,4 Mb/s.

HSDPA v současné době existuje celkem ve 4 standardizovaných variantách. V rámci UMTS R5 je počítáno s HSDPA Phase I ve verzích SoC I (rychlost do 1,8 Mb/s nabízí O2 u nás) a SoC II (rychlost do 3,6 Mb/s, nabízejí oba slovenští operátoři). V novějším standardu UMTS R6, který se do živého provozu dostane na přelomu let 2007/2008, je pak standardizováno i HSDPA Phase II ve verzích SoC I (7,2 Mb/s) a SoC II (14,4 Mb/s).

UMTS R6 navíc přichází i se zrychlením uplinku (směru od uživatele), a to z dosavadních 384 Kb/s na 1,8 Mb/s u HSUPA Phase I SoC I. Také toto zrychlení je dosaženo úpravou rádiového rozhraní a nese název HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). U HSUPA je také již jasno o rychlosti u SoC II, která bude opět dvojnásobná – tedy 3,6 Mb/s - a má být definitivně standardizována v rámci UMTS R7.
Velkým přínosem UMTS R6 má být také snížení latencí pod hranici 50 ms.
CDMA2000 1xEV-DO
Tyto sítě, jak vyplývá již z názvu, využívají technologii CDMA, a to na kanále 1,25 MHz. Použitých modulací signálu je v případě první varianty – Rev. 0 - hned několik - QPSK, 8PSK, 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Přenosová rychlost se pak odvíjí podle zvolené modulace, velikosti paketu (1 024, 2 048, 3 072 nebo 4 096 bitů) a počtu slotů na paket (1, 2, 4, 8 nebo 16). Maximální přenosová rychlost na tzv. forward linku (směru k uživateli) činí 2,457 Mb/s. Na reverzním linku (směru od uživatele) je to 153,6 Kb/s. Forward link je sdílený mezi více uživateli, a to ve formě TDMA – tedy vyhrazených časových úseků pro jednotlivé uživatele. Latence se pohybuje v rozmezí 120 až 200 ms. Síť CDMA2000 1xEV-DO Rev. 0 u nás provozuje firma O2.

CDMA2000 1xEV-DO (1x EVolution Data Only) sítě, pokud jsou stavěny na zelené louce, na rozdíl od těch výše uvedených nevyžadují žádnou složitou architekturu. Jednotlivé základnové stanice jsou připojeny přímo k centrálnímu serveru, který obstarává přihlašování uživatelů a konektivitu k internetu. Jedná se tedy de facto o čistě IP síť s rádiovým rozhraním.
(klikněte pro větší obrázek)

CDMA2000 1xEV-DO je však původně 3G nadstavba pro starší sítě CDMA2000 1X, které poskytují klasické hlasové služby a paketové přenosy o rychlosti 144 Kb/s. V takových sítích funguje CDMA2000 1xEV-DO jako nové rádiové rozhraní, podobně jako UMTS pro sítě GSM/GPRS.

Kromě Rev. 0 existuje také novější varianta Rev. A, která se v současné době začíná nasazovat, a Rev. B. Rev. A nabízí rychlost až 3,1/1,8 Mb/s při latenci pod 50 ms. Rev. B má přinést vedle kanálů o šířce 1,25 MHz také možnost využívat jejich násobky. Na jeden kanál má nabídnout při modulaci 64QAM až 4,9 Mb/s. V maximální konfiguraci 15×1,25 MHz (20 MHz) to má být 73,5 Mb/s. Rev. B má být k dispozici na přelomu let 2007/2008.

FLASH-OFDM
Sítě FLASH-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff OFDM) patrně již nebudou nově nasazovány. Společnost, která tyto sítě vyráběla – Flarion – byla totiž odkoupena společností Qualcomm, která dodává čipsety pro CDMA2000 1xEV-DO a drží klíčové patenty na UMTS alias W-CDMA (Wideband CDMA). FLASH-OFDM nabízí přenosovou kapacitu 3,2 Mb/s směrem k uživateli a 900 Kb/s směrem od uživatele, a to při latenci zhruba 25 ms.

Jednu z mála sítí FLASH-OFDM na světě zprovoznila T-Mobile Slovensko. FLASH-OFDM používá 1,25 MHz kanály a dosahuje reálně latencí okolo 25 ms. Flarion vyvinul také inovovanou variantu FlexBand, která pracovala s kanály o šířce 1,25 MHz nebo 5 MHz a jež nabízela při 5 MHz rychlost přenosu dat až 15,9/1,8 Mb/s. Tato technologie ale asi již nikdy nebude uvedena na trh. Struktura sítě je totožná s CDMA2000 1xEV-DO s tím rozdílem, že základnové stanice standardně přímo podporují i rozhraní Ethernet.

Mobilní WiMax

Wireless Broadband (WiBro) byl původně vyvíjen jako samostatný standard výlučně pro Jižní Koreu pro pásmo 2,3 GHz, které zde bylo lokálně uvolněno pro obecné využití. WiBro však byl upraven do té formy, že odpovídá požadavkům rodiny standardů IEEE 802.16, a tudíž jej lze začlenit pod mobilní WiMax – tedy standard IEEE 802.16e, který by měl být letos finalizován.

IEEE 802.16e počítá s přenosovými rychlostmi až 70 Mb/s na 20MHz kanál a kanály bude možné kombinovat v násobcích 1,25 MHz nebo 5 MHz. IEEE 802.16x používá jako metodu rozdělení pásma OFDMA, přičemž nejvyšší rychlosti má být dosahováno s modulací 64QAM. Latence se má pohybovat pod 25 ms a první sítě mají spatřit světlo světa na přelomu let 2007/2008. Struktura sítě má být přitom obdobná jako u CDMA2000 1xEV-DO Rev. 0 a FLASH-OFDM – tedy IP síť, kde mobilní WiMax bude zabezpečovat čistě pouze rádiové rozhraní.
IP telefonie

Snižování latencí samozřejmě přináší poměrně zajímavou otázku – jak to bude s IP telefonií v mobilních sítích. IP telefonii otevřeně podporuje zatím pouze FLASH-OFDM a CDMA2000 1xEV-DO Rev. A, případně i UMTS TDD. Tyto technologie nabízejí nástroje k tomu, aby bylo možné upřednostňovat na rádiovém rozhraní VoIP před ostatními daty a nabízejí i dostatečné přenosové rychlosti, a tudíž lze zajistit i přijatelně kvalitní telefonní službu.

IPWireless (UMTS TDD) i Flarion (FLASH-OFDM) mají k dispozici dokonce i mobilní IP telefony. Obě zmíněné technologie totiž nic jiného než paketové přenosy neumí, a tak pro ně výrobci představili i IP telefony využívající protokol SIP. T-Mobile CZ i T-Mobile SK, které tyto technologie nasadily, však uvedené telefony nenabízejí a nabízet ani nebudou, neboť hlasové služby jim zajišťuje GSM síť (potažmo u slovenského T-Mobilu UMTS FDD síť).

Otázka IP telefonie je však mnohem širší – na její zprovoznění totiž není potřeba nezbytně nutně IP telefon. Postačí notebook, PDA či chytrý telefon s příslušnou aplikací. Zatímco fixní operátoři se s IP telefonií již víceméně smířili a sami ji i aktivně nabízejí, tak mobilní operátoři, kteří na hlasové telefonii dnes vydělávají nesrovnatelně více, se s tím příliš smířit nehodlají. Už se tak ozývají i výhrůžky, že VoIP bude v mobilních sítích blokováno apod. Nicméně například Hutchinson – mezinárodní operátor 3G sítí Three – však již podepsal exkluzivní smlouvu s firmou Skype a chystá se po příchodu UMTS R6 začít nabízet (patrně placenou) IP telefonii. Důvod je přitom prostý – u UMTS FDD je poměrně finančně náročné a neefektivní nabízet hlasové služby prostřednictvím přepojování okruhů. IP telefonie s moderními hlasovými kodeky je totiž mnohem méně náročná jak na potřebné přenosové pásmo, tak na řízení provozu.

Blízká budoucnost

V následujících třech letech mobilní sítě přestanou kralovat českému internetu jak v rychlostech, tak v pokrytí, či dokonce v poměru cena/výkon. Fixní sítě v čele s ADSL2+ a internetem přes kabelovou TV si své prvenství (především v rychlosti) udrží poměrně dlouho a nadále budou vylepšovat i poměr cena/výkon. Mobilní datové sítě se tak v České republice pozvolna začnou používat zejména pro mobilní účely, přičemž nový boom jejich využití můžeme čekat až po roce 2008, kdy přijdou nové, výše zmiňované technologie.

Foto: IDG

Autor: Martin Zikmund / Pat

Vytištěno z www.computerworld.cz
dne: 10/11/2008 05:22:19 PM