Vývoj mobilních sítí 2G a 2.5G

Článek se zabývá vývojem standardizace mobilních sítí 2G a 2.5G s přihlédnutím k dalšímu vývoji k sítím 3G. Důraz je kladen zejména na implementaci datových přenosů a kvality služby QoS. Je předpokládána základní znalost technologie GSM, GPRS a principů datových přenosů.

Standardizace mobilních sítí

Vývoj mobilních digitálních sítí začal v 80.letech 20.století, kdy byla pod hlavičkou organizace CEPT zformována skupina GSM mající na starosti vývoj celoevropského standardu pro digitální mobilní komunikaci. Zodpovědnost za vydávání standardů přešla koncem 80.let na Evropský standardizační institut ETSI. S postupem doby přebrala další vývoj sítí GSM a GPRS organizace 3GPP, která má na starosti standardizaci mobilních systémů 3G. Tento postup byl motivován snahou koordinovat další společný vývoj mobilních sítí 2G a 3G.
Standardy GSM jsou vydávány ve verzích označovaných jako Release. Jedná se soubor funkcionalit, které musí síť a koncové terminály podporovat. Zhruba po jednom roce je verze zmrazená, tzn. že již nelze provádět jakékoliv změny, aby mohli výrobci nové změny implementovat do své technologie. Jednotlivé verze spolu s daty zmrazení ukazuje tabulka 1.

Phase 1	Phase 2	Release 96	Release 97	Release 98	Release 99	Release 4	Release 5	Release 6
1992	1995	1997	1998	1999	2000	2001	2002	2004

Tab. 1 Průběh standardizace

Implementace datových přenosů

V první fázi byly mobilní sítě koncipovány hlavně pro hovorové přenosy. Ukázalo se ale, že na stále masivnější využíván datových přenosů musí reagovat i provozovatelé mobilních sítí. Nejprve se začaly v mobilních sítích využívat datové přenosy s přepojováním okruhů s přenosovou rychlostí 9,6kbit/s. V dalším kroku došlo ke zvýšení přenosové rychlosti na 14,4kbit/s díky snížení redundantní informace v podobě ochranných kódů.
Větší zlom v mobilní komunikaci představovalo zavedení technologie HSCSD, která poskytovala svým uživatelů přenosovou rychlost kolem 57kbit/s. Nicméně stále se jednalo o okruhově orientovaný přenos nevhodný pro IP komunikaci.
Další krok na cestě za vyššími přenosovými rychlostmi představuje technologie GPRS. Poskytuje koncovým uživatelů přenosové rychlosti dosahující v reálné sítí až 80kbit/s, přičemž se jedná o přenos s přepínáním paketů. Mobilní sítě s technologií GPRS se označují v odborné literatuře jako mobilní sítě 2,5G. Technologie GPRS využívá na rádiovém rozhraní dvoustavovou modulaci a dosahované přenosové rychlosti představují maximum, které lze na rádiovém rozhraní získat.
Pro další navýšení přenosové rychlosti bylo nezbytné použít na rádiovém rozhraní více-stavovou modulaci. Konkrétně se jedná o osmistavovou fázovou modulaci označovanou jako 8-PSK. Technologie využívající tuto modulaci se nazývá EDGE a poskytuje koncovým uživatelům reálné přenosové rychlosti kolem 150kbit/s. Pro rádiovou přístupovou síť se v tomto případě používá akronym GERAN. Komunikace je založena na vícenásobném přístupu s časovým TDMA a frekvenčním FDMA dělením.

Phase 1

Ve verzi Phase 1 byly obsaženy standardní služby známe koncovým uživatelům z fixních sítí, protože snahou bylo co nejrychlejší nastartování komerčního provozu mobilní sítě. Mezi uvedené služby patří:

• Hovorová služba
• Mezinárodní roaming
• Oruhově orientované datové přenosy do 9,6kbit/s
• Doplňkové služby (přesměrování hovorů, zakázání hovorů)
• SMS

Z hlediska koncových GSM zařízení byly specifikovány věci týkající se rádiového rozhraní, např. frekvenční skákání (frequency hopping) a šifrování.

Phase 2

V rámci této specifikace byly implementovány některé další doplňkové služby, jako jsou identifikace volajícího, přidržení hovoru, konferenční hovor, atd. V této fázi je již zřetelná konvergence ke spektru služeb nabízených v sítích ISDN.
Zpracování hovorového signálu bylo doplněno kodekem HF (Half Rate) s výstupní přenosovou rychlostí 11,4kbit/s, který na úkor kvality hovorového signálu zvyšoval kapacitu rádiového rozhraní z hlediska maximálního počtu přenášených hovorových spojení. Strukturu GSM sítě podle této verze ukazuje Obrázek 1.

Obr. 1 GSM síť

Release 96

Tato specifikace byla zmrazená na počátku roku 1997.Hlavním přínosem této specifikace bylo zavedení datových přenosů HSCSD.

Datové přenosy

Ukázalo se stávající dostupné přenosové rychlosti jsou nedostatečné pro nejen pro běžný přístup k internetu, ale i pro základní webové aplikace. Do této doby měl koncový uživatel k dispozici přenosovou rychlost do 9,6kbit/s. V rámci zvyšování přenosových rychlostí došlo díky omezení korekčních a detekčních kódů ke zvýšení na 14,4kbit/s v rámci jednoho kanálového intervalu. Technologie HSCSD umožňuje rezervaci více kanálových intervalů pro jednoho uživatele a poskytuje tak přenosovou rychlost dosahující až 57kbit/s (4x14,4kbit/s) v jednom směru. Počet sloučených kanálových intervalů může být v obou směrech (od BTS, k BTS) stejný, v případě symetrické konfigurace, nebo se může lišit, v případě asymetrické konfigurace.
Nicméně platí dvě omezení. První omezení spočívá v maximální dosažitelné přenosové rychlosti v jednom směru, která je 64kbit/s, potažmo v maximálním počtu sloučených kanálových intervalů. Tento limit plyne z technických parametrů ‚A' rozhraním mezi BSC a MSC, které je tvořeno na fyzické vrstvě rámci PCM30/32. Z výše uvedeného vyplývá, že maximální počet sloučených kanálových intervalů může být 4.
Druhé omezení vyplývá z technických parametrů současných mobilních telefonů, které jsou schopné poslouchat maximálně 5 kanálových intervalů, tedy dostupné konfigurace pro asymetrický přenos jsou např. 3+2 nebo 4+1.

Release 97/98

Datové přenosy HSCSD představovaly důležitý posun ve vývoji mobilních sítí. Stále se ale jedná o spojově orientované přenosy neefektivně využívající rádiové přenosové prostředky a nevhodné pro aplikace s nepravidelným posíláním dat. Tento nedostatek řeší paketové přenosy GPRS.

Paketové přenosy

Služba GPRS zavádí paketové přenosy do mobilních sítí. Zavedení této služby ovšem vyžadovalo mnohem rozsáhlejší a nákladnější zásahy nejen do struktury GSM sítě, ale také do mobilních zařízení, viz Obrázek 2.

Obr.2 GPRS síť

V rámci GPRS již dochází k efektivnímu přidělování přenosových prostředků, tzn. že přenosové prostředky jsou mobilní stanici přiděleny pouze tehdy, pokud má data k odeslání nebo pokud přijímá data. Na rozdíl od HSCSD nedochází k trvalému blokování přenosových cest.

Přenosové rychlosti

Z hlediska uživatele jsou ovšem důležité přenosové rychlosti, které lze získat. Výsledná přenosová rychlost závisí na dvou faktorech, a to způsobu kódování dat CS a počtu alokovaných kanálových intervalů.
V GPRS jsou definovány čtyři typy kódování dat na rádiovém rozhraní. Jednotlivá kódování se liší v robustnosti zabezpečení dat. Základní přehled ukazuje Tabulka 2.

Kódové schéma	CS-1	CS-2	CS-3	CS-4
Přenosová rychlost [kbit/s]	8	12	14	20
Poměr C/I [dB]	6	9	12	17

Tab.2 Kódová schémata

Jednotlivá kódová schémata poskytují různé přenosové rychlosti, v závislosti právě na způsobu zabezpečení. Na rádiovém rozhraní je dispozici fyzický kanál s přenosovou rychlostí 22,8kbit/s. Podle použité robustnosti zabezpečení pak zbývá přenosová rychlost na uživatelská data, jak ukazuje Obrázek 3.

Obr.3 Přenosové rychlosti

Kriterium pro použití kódovacího schématu, je poměr C/I. Při dostatečném poměru C/I, tedy při kvalitním GSM signálu, je možné použít až CS-4. Pokud by data byla přenášena pomocí CS-4 i při nekvalitním signálu, docházelo by vlivem retransmisí k výraznému poklesu výsledné přenosové rychlosti.
Počet alokovaných kanálových intervalů je přidělován ze strany sítě podle na základě požadavků uživatele. Každý GPRS mobilní telefon obsahuje ve své technické specifikaci mimo jiné parametr ‚Multislot Class', který určuje, kolik kanálových intervalů v jakém směru je schopen telefon zpracovat, viz Tabulka 3.

Multislot Class	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Downlink	1	2	2	3	2	3	3	4	3	4	4	4
Uplink	1	1	2	1	2	2	3	1	2	2	3	4
Sum	2	3	3	4	4	4	4	5	5	5	5	5

Tab.3 Multislot Class

Důležitý parametr představuje také maximální počet alokovaných kanálových intervalů, tedy součet kanálových intervalů přidělených ve směru od BTS a k BTS. Pro současné mobilní telefony platí omezení pěti přidělených kanálových intervalů celkem. Důvod ukazuje Obrázek 4.

Obr.4 Maximální počet kanálových intervalů

V sítích GSM/GPRS jsou frekvenčně odděleny dopředný a zpětný směr přenosu pásmem 45MHz. Z tohoto důvodu musí mobilní telefon během komunikace stále přelaďovat. Na přeladění mezi směry potřebuje čas zhruba jeden kanálový interval, tj. 577µs a dále mobilní stanice proměřuje výkonové úrovně okolních základnových stanic, na což potřebuje čas dalšího kanálového intervalu. Ve výsledku mobilní stanice potřebuje tedy celkem tři kanálové intervaly na režijní věci týkající se vlastní komunikace.
V reálném provozu může mobilní telefon při konfiguraci 4+1 dosahovat ve zpětném směru přenosové rychlosti až 80kbit/s, nicméně běžné přenosové rychlosti se pohybují okolo 40kbit/s v závislosti na kvalitě signálu a vytížení aktuální buňky.

Datové profily

S přenosy dat GPRS sítí úzce souvisí PDP kontext. Jedná se o datový uživatelský profil obsahující informace nezbytné pro vlastní přenos dat, např. APN, IP adresa, QoS profil. PDP kontext je udržován v mobilním telefonu, SGSN a GGSN. Mobilní telefon může mít podle standardu aktivováno několik PDP kontextů s různou IP adresou a různým QoS profilem. Smyslem aktivace více PDP kontextů je rozlišení dat příslušejících různým aplikacím a podle QoS profilu jim přidělit přenosové prostředky v BSS části, viz Obrázek 5.

Obr.5 PDP kontexty

QoS profil definovaný Release 97/98 obsahuje pět atributů, kterými lze nastavit parametry datového přenosu:

• Precedence (priorita)
• Max. throughput (maximální propustnost)
• Mean throughput (průměrná propustnost)
• Delay (zpoždění)
• Reliability (spolehlivost)

V této verzi není standardizována přímá výměna informací mezi SGSN a BSS týkající se použitého QoS profilu. Z tohoto důvodu se dozví BSS část, jakým způsobem má posílat data, až ze signalizačních informací obsažených v záhlaví posílaných dat.

Release 99

V této verzi došlo k implementaci mechanismů pro zlepšení podpory QoS v BSS části a dále k zavedení sekundárních PDP kontextů. V rámci konvergence s mobilními sítěmi 3G byl pro 2,5G sítě přijat koncept QoS parametrů pro UMTS. Další výraznou změnu představuje zavedení technologie EDGE poskytující reálné přenosové rychlosti kolem 150kbit/s.

EDGE

Technologie EDGE představuje další krok na cestě k mobilním sítím 3G. Zvyšuje dosažitelné přenosové rychlosti na rádiovém rozhraní mezi mobilním telefonem a základnovou stanicí. Princip spočívá ve využití vícestavové modulace 8-PSK. Přenášený symbol je vyjádřen 3 bity, přenosová rychlost tak vzroste 3x. Stejně jako u GPRS technologie, jsou zde definována kódová schémata. Dostupné přenosové rychlosti, které je možné získat z jednoho kanálového intervalu ukazuje Obrázek 6.

Obr.6 Kódová schémata

Jedná se o změnu ve fyzické vrstvě, kterou lze využít nejen v GPRS přenosech, ale také v okruhově orientovaných přenosech HSCSD. Datové přenosy jsou pak označovány jako EGPRS nebo ECSD. Při praktické realizaci to znamená pouze zásahy do BSS části sítě, viz Obrázek 7.

Obr.7 EDGE

Datové profily

V Release 99 došlo k zásadní změně ve správě PDP kontextů a podpoře QoS v BSS části. V předchozích verzích mohl mít uživatel aktivováno více PDP kontextů, ale každý měl svou vlastní IP adresu, protože IP adresa představovala kritérium pro rozdělování příchozích IP paketů v GGSN do jednotlivých logických tunelů, viz Obrázek 5.
Tato verze zavádí paketové filtry rozdělující příchozí pakety podle obsahu. Lze tedy rozlišit například přicházející IP pakety nesoucí data pro ftp přenos od dat pro videokonferenci a dále je přenášet příslušným QoS profilem, viz Obrázek 8. V praxi to znamená, že v GGSN musí být přečteno celé záhlaví všech příchozích paketů.

Obr.8 PDP kontexty

Každý PDP kontext má přiřazen jeden soubor paketových filtrů nazýván TFT. Tento soubor může obsahovat jeden až osm filtrů, z nichž každý má přidělenou prioritu v rámci všech filtrů spadajících pod jednu IP adresu. Na příchozí pakety jsou aplikovány filtry podle priority dokud nedojde ke shodě a paket je odeslán do příslušného logického tunelu s definovanými QoS parametry přenosu.
Každý paketový filtr je sestaven z jednoho až sedmi atributů. Některé atributy si mohou navzájem odporovat, proto jsou definované doporučené kombinace, viz Tabulka 4.

Atribut	Kombinace
	I.	II.	III.
Source Address and Subnet Mask	X	X	X
Protocol Number (IPv4) / Next Header (IPv6)	X	X	-
Destination Port Range	X	-	-
Source Port Range	X	-	-
IPSec SPI	-	X	-
TOS (IPv4) / Traffic Class (IPv6) and Mask	X	X	X
Flow Label (IPv6)	-	-	X

Tab.4 Atributy paketových filtrů

Efektivnější mapování QoS parametrů do BBS části je zajištěno prostřednictvím BSS PFC (BSS Packet Flow Context), který je sestaven při aktivaci PDP kontexu, viz Obrázek 9.

Obr.9 BSS Packet Flow Context

BSS PFC obsahuje QoS parametry pro rádiové rozhraní, ale ve své podstatě se jedná o stejné parametry obsažené v PDP kontextu. Jsou definovány tři základní profily, a to pro SMS, signalizaci a best effort. Pokud posílaná data nepatří ani do jedné skupiny, je vytvořen nový PFC s příslušnými QoS parametry. Další data obsahují ve svém záhlaví pouze identifikátor PFC, který má být použit.

QoS parametry

V Release 99 došlo k převzetí QoS parametrů určených pro sítě UMTS. Dosud bylo rozlišováno pět parametrů:

• Precedence (priorita)
• Max. throughput (maximální propustnost)
• Mean throughput (průměrná propustnost)
• Delay (zpoždění)
• Reliability (spolehlivost)

V rámci UMTS bylo při standardizaci QoS parametrů přihlíženo k vlastnostem rádiového rozhraní. Mechanismy pro zajištění spolehlivého přenosu musí být dostatečně robustní, aby se vyrovnaly s přenosovými vlastnostmi rozhraní. Jsou rozlišovány čtyři třídy QoS:

• Conversational (konverzační)
• Streaming (kontinuální)
• Interactive (interaktivní)
• Background (na pozadí)

Hlavní kritérium pro rozlišení toho, kterou třídu QoS má aplikace použít, spočívá v citlivosti aplikace na časové zpoždění.
Konverzační a kontinuální třídy jsou určené pro multimediální aplikace v reálném čase, např.videokonference. Zbývající dvě třídy poskytují profily pro aplikace týkající se hlavně přenosu dat, tzn. ftp přenosy, web apod.

Závěr

Z vývoje mobilních sítí je patrný odklon od čistě hovorových služeb k službám datovým. S tím ovšem souvisí zcela jiný způsob posuzování kvality služeb poskytovaných koncovým uživatelům.
S rozšiřováním multimediálních služeb musí být mobilní siť schopná poskytnout přenosové cesty s takovými parametry, které by vyhověli požadavkům aplikace. Zaručení přenosových parametrů v mobilních sítích je předmětem dalšího studia standardizačních komisí.

Použité zkratky:

AMR	Adaptive Multiple Rate
APN	Access Point Name
BSS	Base Station Subsystem
CEPT	The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations
EDGE	Enhanced Data rates for GPRS Evolution
EFR	Enhanced Full Rate
ETSI	European Telecommunications Standard Institute
FDMA	Frequency Division Multiple Access
FR	Full Rate
GERAN	GSM/EDGE Radio Access Network
GGSN	Gateway GPRS Support Node
GPRS	General Packet Radio Service
GSM	Global System for Mobile communication
HR	Half Rate
HSCSD	High Speed Circuit Switched Data
PDP	Packet Data Profile
PFC	Packet Flow Context
QoS	Quality of Service
SGSN	Serving GPRS Support Node
TDMA	Time Division Multiple Access
UMTS	Universal Mobile Telecommunications Systems
UTRAN	UMTS Terrestrial Radio Access Network
WCDMA	Wide Code Division Multiple Access<

Literatura:

[1]	3GPP TS 44.060 rel4
[2]	3GPP TS 44.060 rel5
[3]	3GPP TS 44.060 rel6
[4]	3GPP TS 23.060 rel99
[5]	Halonen T.: GSM, GPRS and Edge performance, Wiley, 2004