SVEUILITE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ELEKTROTEHNIKI FAKULTET OSIJEK

Zlatko Cingel

MOBILNE KOMUNIKACIJE ZA PRIJENOS PODATAKA

SEMINARSKI RAD

Osijek, 2010.1

SADRAJ2.1. Nastanak GSM-a....................................................................4 2.2. Razvoj GSM-a........................................................................4 2.3. Tehnike karakteristike GSM-a...............................................5 2.4. Arhitektura GSM mree..........................................................6 Slika 2.1: Arhitektura GSM mree.................................................7 3.1. Nastanak GPRS-a..................................................................8 3.2. Faze razvoja GPRS-a..............................................................9 Tablica 3.1: Faze razvoja GPRS-a..................................................9 3.3. Tehnike karakteristike GPRS-a.............................................9 3.4 Arhitektura GPRS-a...............................................................10 Slika 3.2: Modifikacije postojee mree za prilagodbu GPRS-a......11 4.1. Nastanak UMTS-a ...............................................................14 4.2. Razvoj UMTS sustava ..........................................................14 4.3. Tehnike karakterisitike UMTS-a .......................................15

Slika 4.1: . Arhitektura UMTS mree............................................17 Slika 5.1: Brzine prijenosa..........................................................19 6.1. RAZVOJ HSDPA....................................................................20 Slika 6.1: Razvoj mobilnih sustava i njihove brzine prijenosa podataka....................................................................................21 6.2. TEHNIKE KARAKTERISTIKE HSDPA......................................21 Tabela 6.1: Pokazuje nam razliite propusne brzine ostvarene na osnovi modulacije.......................................................................22

2

1. UVODSve vea potreba ljudi za neprekidnim komuniciranjem s okolinom, dovela je do ekspanzije pokretnih mobilnih mrea i njihovih usluga. Razlog takve ekspanzije je injenica da su mobilne usluge postale pristupane svim ljudima i da su cijene usluga sve nie i nie zbog masovne upotrebe. Poto su zahtjevi korisnika sve vei, usluge koje pruaju mobilne mree su sve zahtjevnije. Zbog toga dolazi do evolucije 3. generacije mobilnih mrea i nastanka HSDPA tehnologije, koja prua impresivnije performance. U drugom, treem i etvrtom poglavlju su opisane mobilne celularne mree, GSM (Global System for Mobile communications), GPRS (General Packet Radio Switching) i UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Peto poglavlje opisuje problematiku prijenosa preko celularnih mrea, nedostatke 2. i 3. generacije mobilnih mrea. esto poglavlje opisuje HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) paketski prijenos podatka, razvoj i tehnike karakteristike HSDPA.

2. GSM (Global System for Mobile communications)3

2.1. Nastanak GSM-aUbrzani razvoj analogne celularne tehnologije poeo je 1980. godine, a poto je svaka zemlja razvijala svoj zasebni sustav, sustavi su bili nekompatibilni. Poetkom 1982. godine odrana je konferencija Europskih pota i telekomnikacijske uprave (CEPT Conference of European Post and Telecommunications Administrations) koja je imala zadatak razviti digitalni mobilni sustav. Taj sustav trebao je podravati sljedee kriterije: meunarodni roaming otvoreno suelje izmeu mrenih elemenata bolju kvalitetu telefonije i odreene ISDN funkcionalnosti

2.2. Razvoj GSM-a1989. godine razvoj GSM-a preuzeo je Europski institut za telekomunikacijske norme (ETSI - European Telecommunications Standards Institute). Obavljena je prva faza za specifikaciju GSM standarda koja je podravala: brzine od 13 kb/s odnosno 22.8 kb/s za prijenos digitalnog govora telefax grupe 3 brzina od 9.6 kb/s za prijenos podataka prijenos kratkih poruka SMS (Short Message Service), te niz dodatnih funkcionalnosti i VAS usluga Prva komercijalna GSM mrea putena je u uporabu 1991. godine. Do kraja 1993. godine u 22 zemlje bilo je 36 GSM mrea i vie od milijun pretplatnika. 1997. godine bilo je 55 milijuna pretplatnika, a danas GSM koristi vie od 3 milijarde ljudi u vie od 212 zemalja. GSM je sloen sustav, a to govori injenica da su njegove preporuke pisane na vie od 8000 stranica. GSM sustav je u cjelovitosti digitaliziran, a to doputa poveanje broja korisnika, kvalitete, upotrebu dodatnih servisa i da je spojiv sa drugim sustavima.

Faza 2 specifikacije GSM standarda uvodi usluge kao to su: "polovine brzine" od 6.5 kb/s odnosno 11.4 kb/s za prijenos govora (kapacitet sustava se udvostruio)4

identifikacija pozivajue linije zatvorene skupine korisnika i dr.

GSM specifikacijom faze 2+ obuhvaa se: GSM sustav radi na novim frekvencijskim podrujima: 1800 MHz i 1900 MHz radi se u vie frekvencijskih podruja (multiband) razvoj suelja za pristup iz drugih mrea/standarda (npr. DECT) GSM uvodi IN funkcije uklapanje GSM-a i satelitskih usluga globalnog pozicioniranja (GPS) novi standardi prijenosa podataka s veom propusnou (GPRS, IDA, HSCSD) Nova tehnika rjeenja i razvoj novih standarda omoguili su uinkovitije i jeftinije posluivanje prometa. Korisnika se nastoji privui kroz ponudu osnovnih i dodatnih usluga, koji je prvi put u mogunost da moe birati mobilnog operatera. Daljni razvoj GSM-a mijea se sa razvojem tree generacije mobilnih sustava (UMTS) i govori se o GSM/UMTS arhitekturi, koja ima dva razliita radiopristupa sa zajednikom mrenom osnovom. To su GSM radiopristup i UMTS radiopristup.

2.3. Tehnike karakteristike GSM-aGSM koristi TDMA (Time Division Multiple Access) i frekvencijski multiplex. Frekvencijsko podruje za vezu mobilne jedinice bazna stanica je 890 - 915 MHz a za vezu bazne stanice mobilna jedinica je 935 - 960 MHz. Kod GSM sustava irina frekvencijskog pojasa je 25 MHz, on se dijeli na 125 kanala i svaki od njih ima frekventni opseg od 200 kHz. Zahvaljujui GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) modulaciji, gubitak informacije u okolnim kanalima je neznatan i minimalan. Odvojene frekvencije za prijem/predaju signala omoguuju laki dvosmjerni prijenos. Pojedinani kanali su podijeljeni na viestruke okvire (26 okvira). Okviri su podijeljeni svaki na 8 vremenskih raspora, vremenski raspori su opet podijeljeni na 8 polja. Vremenski raspori traju 0.57 ms i omoguuju protok od 156.25 bita informacije. Od 8 vremenskih raspora jedan je za slanje, drugi za primanje, dok je ostalih est vremenskih raspora slui za slanje kontrolnih signala.5

Skakanje frekvencije upotrebljava se da interferenciju smanji na prihvatljivu razinu. Ona ima prednost u tome da smetnja moe biti smanjena, ako je smetajui signal sadran samo u uskom dijelu spektra signala preko kojeg eljeni signal skae. GSM sustav trenutno podrava rad na 22.8 kb/s jednosmjerno (full rate) i 11.4 kb/s dvosmjerno (half rate).

2.4. Arhitektura GSM mreeSvaka GSM mrea moe se podijeliti u 3 glavna dijela: mobilna stanica, podsustav bazne stanice i podsustav mrene stanice. Mobilna stanica sadri upravljaku jedinicu, primopredajnik i sustav antene. Mobilna stanica sadri karticu koja se zove SIM (Subscriber Identity Module) kartica. SIM kartica omoguuje da se usluge GSM-a mogu koristi na bilo kojem ureaju, jer je pretplatniki broj pridruen SIM kartici, a ne ureaju. Svaka SIM kartica ima svoj IMSI (International Mobile Subscriber Identity) broj, kojim se korisnik registrira u sustavu. Korisnik na svom ureaju moe svoju karticu zatiti ifrom PIN broj (Personal Identification Number), koja e ga zatititi od neovlatenog koritenja mobilnog ureaja.

Podsustav bazne stanice sadri dva dijela: primopredajnu baznu stanicu (BTS - Base Transceiver Station) i upravljaki dio bazne stanice (BSC - Base Station Controller). Primopredajni ureaji koji su u baznoj stanici svojim uinkovitim dometom definiraju elije te usklauju postupke radio prijenosa sa mobilnom stanicom.

Podsustav mrene stanice centralni element mrenog podsustava je mobilni servisni komutacijski centar MSC (Mobile Station Communication), koji je zaduen za registraciju korisnika, provjeru autentinosti i usmjerava pozive korisnika (roaming). Unutar mrenog podsustava koristi se SS7 (Signaling System) protokol za prijenos signala, a on se koristi u telefoniji i ISDN (Integrated Services Digital Network) mreama.

6

Slika 2.1: Arhitektura GSM mree

7

3. GPRS (General Packet Radio Service)3.1. Nastanak GPRS-aTo je standard za beinu komunikaciju, koji omoguava slanje i primanje informacije pokretnom mreom, koristei velike brzine. Standardiziran je u Europskom institutu za telekomunikacijske standarde - ETSI (European Telecommunications Standards Institute) 2000. godine. Jednako je uinkovit za male snopove podataka (e-mail, web-browsing), kao i za ogromne koliine podataka. Spada u tzv. 2.5G generaciju, koja oznaava vaan iskorak iz druge u treu generaciju mobilnih ureaja. GPRS je ustvari dodatak, koji omoguava komunikaciju komutacijom paketa (packet switching) u GSM (Global System for Mobile Communications) sustavima, baziranima na vremenskom multipleksu - TDMA-u (Time Division Multiple Access). GPRS rezervira radio resurse samo onda kada poiljaoc ima podatke za poslati, inae frekvencije ostaju slobodne za koritenje od strane drugih korisnika. GPRS donosi poboljanje kvalitete usluga slanja podataka, s aspekta pouzdanosti, brzine i podrke. Nove aplikacije razvijene na osnovi GPRS-a proirile su mreu korisnika mobilnih ureaja, a pruateljima usluga omoguile poveanje raznovrsnosti sadraja koje nude. Meutim, te nove usluge poveavaju zahtjeve na kapacitet radio resursa. Jedan od naina kako ublaiti te zahtjeve jest koritenje istih radio resursa za sve mobilne stanice. Da bismo mogli shvatiti trini potencijal GPRS-a u vrijem kad se GPRS pojavio, vano je poznavati prodor GSM mree na trite. To je ilustrirano slikom 3.1.:

Slika 3.1: Rast broja korisnika GSM mree

8

3.2. Faze razvoja GPRS-aRazvoj GPRS usluge ukljuuje standardizaciju, razvoj infrastrukture, probnu mreu, sklapanje ugovora, osposobljavanje terminala, razvijanje aplikacija Faze razvoja GPRS-a dane su u tablici 3.1.

Tablica 3.1: Faze razvoja GPRS-a GPRS Phase 1 ukljuivao je: standardne paketne usluge dostavljanja, (npr. pointto-point), podrku za CS1 i CS2 sheme kodiranja kanala, podrku za B i C klasu mobilnih ureaja, usluge bazirane na GSM-u (npr. SMS over GPRS), statiku i dinamiku alokaciju IP adrese, anonimni pristup, te sigurnost (autentifikacija i ifriranje). GPRS phase 2 donio je: poboljanu kvalitetu usluge QoS (Quality of Service), pristup intranetu, GPRS pretplatu, grupni poziv, te point-tomultipoint uslugu.

3.3. Tehnike karakteristike GPRS-a

9

GPRS korisniku omoguuje znatno veu brzinu i neposrednost pri prijenosu podataka, kao i mnotvo novih aplikacija koje su prije pojave GPRS-a bile nezamislive u beinoj komunikaciji. Fiziki, radio-suelje GPRS-a sastoji se od promjenjivog broja vremenskih okvira, izmeu 1 i 8. Ovisno o broju okvira koji se koriste, postiu se brzine od 9.6 kb/s, uz jedan okvir, do teoretski maksimalnih 171.2 kb/s, uz koritenje svih 8 vremenskih okvira. To je oko 3 puta bri prijenos podataka od onog kojeg koriste fiksne telekomunikacijske mree, i oko 10 puta bri prijenos od usluga unutar GSM mree, koja radi na principu komutacije kanala (circuit switching). Omoguavajui bri i efikasniji prijenos podataka, GPRS znatno smanjuje cijenu usluga, u odnosu na SMS (Short Message Service) i komutaciju kanala. GPRS unapreuje postojee veze, omoguujui da informacija bude poslana ili primljena istog trenutka (neposredno) im se ukae potreba. Nije potrebna dial-up modemska veza. Zbog toga se GPRS korisnike deklarira kao stalno spojene (always connected). Neposrednost (immediacy) je prednost GPRS-a i SMS-a u odnosu na usluge koje koriste komutaciju kanala. GSM mrea zasnovana je na komutaciji kanala (circuit switching). GPRS standard ju nadograuje sueljem zasnovanim na komutaciji paketa (packet switching). Nadogradnja je izvedena vrlo elegantno, tako da mreni operateri trebaju dodati samo nekoliko novih infrastrukturnih vorova i nadograditi softver pojedinih mrenih elemenata. Informacija se i prije slanja i prije primanja razdvaja u pakete. Komutacija paketa je poput slagalice; slika koju slagalica prikazuje, u tvornici je razdijeljena na komadie i spremljena u kutiju. Tijekom transporta od tvornice do korisnika, komadii slagalice se potpuno pomijeaju. Kada ih korisnik istrese iz kutije i sloi, ponovo se dobije ona ista slika koja je i bila poslana. Dakle, svaki komadi uvijek pae na svoje jedinstveno mjesto, samo se mijenjaju nain transporta i redoslijed slaganja. Internet je najpoznatiji primjer komutacije paketa. GPRS u beine komunikacije uvodi nove aplikacije, koje do sada nisu bile ostvarive npr.: pristup internetu, e-mail, fax, chat, e-commerce i online-banking, GPS, automatizacija doma....

3.4 Arhitektura GPRS-a10

GPRS moemo smatrati nadogranjom 2G GSM mree. Ta nadogradnja pokuava iskoristiti ve postojee elemente GSM mree, to je vie mogue. Naravno, da bi se kvalitetno izgradila mrea zasnovana na komutaciji paketa, potrebno je izgraditi neke nove mrene elemente, protokole i suelja. GPRS zahtijeva modifikaciju nekolicine postojeih mrenih elemenata, kako je prikazano na slici 3.2.

Slika 3.2: Modifikacije postojee mree za prilagodbu GPRS-aArhitektura GPRS-a prikazana je na slici 3.3, a u poglavljima koja slijede, opisana je funkcija svakog pojedinog mrenog vora i suelja te arhitekture.

Slika 3.3: Arhitektura GPRS-a11

Mobilna stanica MS (Mobile Station) sastoji se od pretplatnikog terminala, MT (Mobile Terminal), i terminalske opreme, TE (Terminal Equipment). MT eterom komunicira s BSS-om (Base Station System). Osim toga, MT osigurava funkcionalnost GPRS-a, jer sadri programsku podrku kojom se povezuje sa SGSN-om (Serving GPRS Support Node). TE je, najee, raunalo spojeno na MT. Mobilne stanice GPRS uslugamapristupaju pomou SIM (Subscriber Identity Module) kartice koja podrava GPRS.

Base Station System BSS. Ve je spomenuto da je u BSS-u za prilagodbu GPRS-a potrebno nadograditi BTS (Base Transceiver Site) i BSC (Base Station Controller), te uvesti potpuno novu komponentu, jedinicu za kontrolu paketa, PCU (Packet Control Unit). BTS se modificira kako bi podrao nove sheme kodiranja kanala, koje donosi GPRS. BSC proslijeuje pozive, one ostvarene komutacijom kanala na MSC, a one ostvarene komutacijom paketa na SGSN (pomou PCU). Svaki BSC moe se povezati samo s jednim SGSN-om. Serving GPRS Support Node SGSN. Uloga SGSN-a u GPRS arhitekturi ekvivalentna je ulozi MSC/VLR vora u postojeoj GSM arhitekturi. SGSN povezuje BSS sa GSGNom (Gateway GPRS Support Node). Da bi mogao posluivati MS, SGSN uspostavlja tzv. MM kontekst (Mobility Management context), koji mobilnoj stanici prua sigurnosne informacije. Za povezivanje podataka iz MS-a i GGSN-a, uspostavljen je PDP kontekst (Packet Data Protocol context). Njegova aktivacija omoguava GGSN-u prepoznavanje MS-a, te otvara komunikaciju prema vanjskim mreama. SGSN podrava informacije MM/PDP konteksta samo onda kad je MM stanje mobilne stanice READY ili STANDBY. Gateway GPRS Support Node - GGSN je veinom pod ingerencijom rutera, koji podrava funkcije klasinog gatewaya, kao to su: objavljivanje pretplatnikih adresa, mapiranje adresa, povezivanje i tuneliranje paketa, prikazivanje poruka, te brojanje paketa. GGSN omoguava ifriranje, mobility management, naplaivanje i skupljanje statistikih informacija (zapisi o stanju rauna). Aktivaciju PDP konteksta, GGSN koristi za tuneliranje paketa od prikopanih mobilnih stanica prema odgovarajuim SGSN vorovima, a slui kao suelje prema vanjskim12

mreama (internetu, GPRS usluge drugih providera, korporacijski intranet). HLR (Home Location Register) sadri baze podataka, koje slue za povezivanje MS-a s odgovarajuim GGSN-ovima, auriranje SGSN-a o spojenim ili odspojenim MS-ovima, te pohrana fiksnih IP adresa. Bazama podataka u HLR-u mogu pristupiti i SGSN i GGSN, pomou IMSI (International Mobile Subscriber Identity) kljua, koji jedinstveno identificira svaki MS. MSC/VLR (Mobile Services Switching Center / Visitor Location Register) sadri podatke o tome koji SGSN trenutno posluuje MS. On izravno kontaktira s SGSN-om, traei od njega informaciju.

13

4. UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)4.1. Nastanak UMTS-aNastankom 3. generacije mobilnih sustava osnovna ideja bila je ujediniti ine i beine sustave, satelitske mree u univerzalni irokopojasni multimedijski pokretni sustav. Zahtjevi nove mree bili su: bolje preformanse mree (poveanje kapaciteta mree, vee brzine prijenosa), poboljanje kvalitete usluge (kvaliteta kao u fiksnoj mrei), viemedijske usluge. ETSI (Europski Institut za Telekomunikacijske Standarde) definirao je standard za sustav tree generacije mobilnih mrea nazvan UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), koji radi na frekvencijskom podruju 2000 MHz. Osnovan je UMTS forum - meunarodno tijelo za promoviranje tree generacije UMTS mobilnih mrea i usluga. UMTS je vie kao nastavak GSM-a, nego kao njegova zamjena. UMTS je spojio tri podruja usluga koja su dosada bila odvojena: Audio/video/data podruje (radio i TV sadraj na zahtjev) Konvencionalno telekomunikacijsko podruje (govor, ISDN usluge) Raunalno podruje usluga (igre, Multimedia, Internet sadraji)

4.2. Razvoj UMTS sustavaPrvo izdanje razvoja UMTS sustava je Release 99, a najvanije odlike su mu da se temelji na W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) tehnologiji, a u primjeni je od 1999. godine. Drugo izdanje razvoja UMTS sustava je R4. Najvanija odlika mu je da u jezgrenoj mrei razdvaja paketsku i kanalsku domenu, a primjenjuje se od 2001. godine. Novo izdanje razvoja UMTS sustava je R5 koji se primjenjuje od 2003. godine, a najvanije odlike su: prvo izdanje koje ukljuuje IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem), uvoenje viemedijskih usluga i IP-a u UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access) pristupnoj mrei i SIP (Session Initiation Protocol) koji se koristi kao glavni protokol signalizacije. Uvodi se upravljanje kvalitetom usluge, napredno upravljanje uslugama i njihova naplata, te HSDPA. etvrto izdanje razvoja UMTS sustava je R6, a14

najvanije odlike su uklapanje s WLAN-ovima (Wireless Local Area Network), uvoenje MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), HSUPA i napredniji naini naplate. Nastaju poboljanja u upravljanju kvalitete usluga, uslugama trenutnog poruivanja, prisutnosti, PoC-a (Proof of concept) i MMS-a (Multimedia Messaging Service). Peto izdanje razvoja UMTS sustava je R7 kojem je najvanija odlika da se kroz IMS dodaje irokopojasni fiksni pristup uz osiguranu kvalitetu usluge te glatko prebacivanje govornog poziva izmeu paketske (IMS - WLAN) i kanalne domene. U R8 izdanju razvoja UMTS sustava koje je u tijeku, najvanija odlika je prelazak na IP (Internet Protocol) mreu. Uvodi se sustav javnog upozoravanja, viemedijske konferencije u IMS-u, te razrada dugorone evolucije 3G mree.

4.3. Tehnike karakterisitike UMTS-aUMTS omoguava velike brzine prijenosa, prijenos govora, podataka i multimedije uz osobnu pokretljivost i velike brzine, komutaciju paketa i kanala, asimetrini i simetrini prijenos. Kvaliteta govora u UMTS-u jednaka je kvaliteti govora u fiksnoj mrei, istodobno se prua vie usluga, u pokretu ima brzi pristup Internetu. UMTS je ujedinjen s fiksnom mreom i koegzistencijalan je s 2. generacijom mrea (prebacivanje poziva iz GSM-a u UMTS). UMTS zahtijeva da se izmjeni pristupna radijska mrea. Za daljnje irenje broja aplikacija koje mogu funkcionirati uinkovito, UMTS koristi sofisticiranu kvalitetu usluge za podatke koji omoguuju etiri osnovnih prometnih klasa: Konverzacijska - stvarno vrijeme interaktivnih podataka sa kontroliranom irinom frekvencijskog pojasa i minimalnim kanjenjem govora preko IP ili video konferencija Streaming (prijenos podataka strujanjem) trajni podaci sa kontroliranom irinom frekvencijskog pojasa i malim kanjenjem kao to su muzika i video Interaktivna - back-and-forth podaci bez kontrolirane irine frekvencijskog pojasa i malim kanjenjem, kao to je pretraivanje Weba Pozadinska - nii prioritet podataka odnosno nestvarno vrijeme kao serijski prijenos15

Svaka prometna klasa ima bitne zahtjeve s obzirom na kanjenje, broj greaka koji je dozvoljen pri prijenosu i brzini prijenosa koja je maksimalna i garantirana. UMTS omoguava brzinu prijenosa u svim uvjetima do 144 kb/s (udaljeni krajevi, slaba naseljenost), u otvorenom prostoru brzine prijenosa su do 384 kb/s (prigradska podruja, srednja naseljenost). U gradskom podruju brzina prijenosa je do 2 Mb/s (velika naseljenost), a u zatvorenom podruju brzina prijenosa je 2 Mb/s. UMTS koristi viestruku CDMA radio pristupnu tehnologiju, gdje istovremeno svi mogu koristiti istu frekvenciju, a korisnici su odvojeni razliitim kodom. Poetna korist UMTS ukljuuje veliku iskoristivost spektralnog pojasa za podatke i govor, paralelno govornu i podatkovnu sposobnost za korisnike, veliku korisniku gustou koja moe biti podrana sa malom cijenom infrastrukture, te podrava veliku irinu frekvencijskog pojasa podatkovnih aplikacija. Operatori isto mogu koristiti njihov cijeli slobodni spektar za kombiniranje glasnovnih i podatkovnih usluga. Osim toga, operatori e moi koristiti zajedniku jezgru mree koja podrava viestruki radijski pristup, ukljuujui GSM, GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) i WCDMA. Ta zajednika jezgra mree moe koristiti iste mrene elemente kao GPRS, ukljuujui SGSN (Service GPRS Suported Node), GGSN (Gatway GPRS Support Node), MSC i HLR (Home Location Registar), a zove se Multi-radio UMTS mrea. Ona daje operatorima maksimalnu fleksibilnost u pruanju razliitih usluga preko njihovih podruja pokrivenosti. UMTS-ova radijsko pristupna mrea sastoji se od bazne stanice koja je odreena vorom B (odgovarajui na GSM bazni odailja sustava) koji spaja radijsku mreu sustavima (odgovarajui na GSM bazni odailja sustava).

16

Slika 4.1: . Arhitektura UMTS mree

17

5. PROBLEMATIKA CELULARNIH MREAProblem 2. generacije mobilnih mrea (2G) predstavljao je slabiji digitalni signal u manje naseljenim podrujima koji nije bio dovoljan da dosegne elijski toranj (to moe biti problem na 2G sustavu razvijenom na viim frekvencijama, no ipak ne predstavlja problem na 2G sustavu koji je razvijen na niim frekvencijama). Nacionalni propisi u velikoj mjeri se razlikuju izmeu zemalja koje diktiraju gdje sve 2G moe biti razvijena. Analogan signal ima blago opadajuu krivulju, dok kod digitalnog signala krivulja raste. Ovo moe biti prednost, ali i nedostatak. Pod dobrim uvjetima, digitalni signal zvuati e bolje, dok e pod neto loijim uvjetima analogni signal biti statian, a digitalni imati gubitke signala. Ako se uvjeti pogoraju, digitalni signal e u potpunosti podbaciti, izbacivanjem poziva i nerazumljivou, dok e analogni polagano postajati loiji te e najee zadrati poziv i dozvoliti nekoliko rijei da prou. Iako digitalni pozivi tee da budu slobodni od statikih i okolnih buka, raspon zvuka kojeg oni prenose je ogranien. Iako je 3. generacija mobilnih mrea (3G) uspjeno predstavljena korisnicima diljem svijeta, postojali su neki problemi: skupe ulazne naknade za 3G servisne licence, brojne razliitosti u uvjetima licenciranja, visoki iznos duga trenutno podranog od strane telekumunikacijskih kompanija, to predstavlja izazov za izgradnju potrebne infrastrukture za 3G. Nedostatak dravne potpore koja podrava financijski problematine operatere, trokovi 3G telefona, nedostatak otkupnih 2G mobilnih korisnika za nove 3G beine usluge. Nedostatak pokrivenosti za nove usluge, visoke cijene 3G mobilnih usluga u nekim zemljama, ukljuujui pristup Internetu, trenutni manjak korisnika potrebnih za 3G glasnovne i podatkovne usluge runih ureaja i visoka snaga upotrebe.

18

Slika 5.1: Brzine prijenosa

19

6. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)6.1. RAZVOJ HSDPANovi korak u razvoju telekomunikacijskih sustava je HSDPA tehnologija, koja se jo naziva i 3.5G generacija, ime smo polako krenuli u razvoj etvrte generacije mobilnih sustava. HSDPA tehnologija predstavlja poboljanje brzine u prijenosu podataka, uz poboljanje brzine, smanjeno je kanjenje video i audio uitavanja (download) i drugih mapa podataka, to nam prua ugodno koritenje aplikacija u stvarnom vremenu (real-time applications). High Speed Downlink Packet Access veliko je dostignue nadogradnje WCDMA tehnologije za pakete podataka koji predstavljaju najviu brzinu od 14 Mb/s i to e vjerovatno poveati prosjenu propusnost brzine oko 1 Mb/s faktor do 3.5 puta vii nego kod WCDMA tehnologije. HSDPA poveava spektralnu uinkovitost istog faktora. HSDPA je u cjelovitosti kompatibilan sa WCDMA tehnologijom. Bilo koja aplikacija razvijena u WCDMA tehnologiji raditi e i kod HSDPA. HSDPA e imati znatno nie vrijeme ekanja, a oekuje se da e to biti blizu 100 ms. HSDPA postie veliku brzinu preko slinih tehnika koje poveavaju djelovanje EDGE preko GPRS-a, ukljuujui modulaciju vieg reda, kodiranje varijabli i dodavanje redundancije, kao i preko dodavanja novih utjecajnih tehnika kao to je brzo rasporeivanje. HSDPA vodi WCDMA do najveeg potencijala za pruanje irokopojasnih usluga, a za to je definirana najvia propusnost elijskih podataka. HSDPA tehnologija donosi promjene koje ukljuuju proirenje UMTS prometnih kanala na silaznoj vezi s fizikim i logikim kanalima koji su namjenjeni za HSDPA promet. Promjene su napravljene i u protokolarnom sloju promjenom modulacijske tehnike (AMC Adaptive Modulation and Coding) koja odluuje na temelju povratnih informacija o kvaliteti kanala koja je modulacijska tehnika i shema kodiranja najbolja. Uinkovitost HSDPA tehnologije temelji se i na novoj tehnici retransmisije podataka brzom hibridnom automatskom zahtjevu za ponovno slanje paketa (H-ARQ Fast Hybird Automatic Repeat Request) koji omoguava najbolje radio uvjete za prijenos podataka.

20

Slika 6.1: Razvoj mobilnih sustava i njihove brzine prijenosa podataka

HSDPA postie svoju uinkovitost preko sljedeih radio znaajki: velike brzine kanala podijeljene na kodnu i vremensku domenu kratki prijenos vremenskog intervala (TTI) brzo rasporeivanje via modulacija brza veza podeenja brzi hibrid automatskog ponavljanja zahtjeva (ARQ )

Vii spektar uinkovitosti i via brzina ne samo da omoguavaju nove klase aplikacija, nego i podravaju da veliki broj korisnika koristi mreu. Najvanije svojstvo HSDPA je brzi prijenos podataka i brza prilagodba veze u promjenjivim radio uvjetima.

6.2. TEHNIKE KARAKTERISTIKE HSDPAHSDPA koristi kanale podataka velikih brzina nazvane High Speed-Downlink Shared Channels (HS-DSCH). Do 15 od tih mogu funkcionirati u 5MHz WCDMA radio kanalu. Svaki od njih ima fiksan imbenik rasprenja koji iznosi 16. Prijenos podataka korisnika dodijeljen je jednom ili vie takvih kanala za kratak prijenos vremenskog intervala od 2 ms, koji je bitno manji od intervala kortitenog u WCDMA tehnologiji koji iznosi od 10 do 20 ms. Mrea moe prilagoditi koji korisnici su prikljueni kojem HSDSCH svake 2 ms. Rezultat je da su izvori dodijeljeni u isto vrijeme (TTI interval) i21

kodnim domenama (HS-DSCH kanalima). Brzo rasporeivanje iskoritava kratki TTI (Transmission Time Interval) za dodjeljivanje kanala korisnicima koji imaju bolje trenutne uvjete kanala, bolje nego u round-robin stilu. Budui da se uvjeti kanala mijenjaju prilino sluajno izmeu korisnika, veina korisnika moe koristiti optimalne radijske uvjete, zato u upotrebi moe moe biti optimalna propusnost podataka. Sustav takoer prua mogunost da svaki korisnik dobije minimalnu razinu propusnosti podataka. Rezultat je odreeno proporcionalno prosjeno rasporeivanje. HSDPA koristi oboje modulacije koritene u WCDMA tehnologiji tj. kvadratnu digitalnu faznu modulaciju (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying), a pod dobrim radijskim uvjetima, naprednu modulacijsku shemu, 16 ortogonalno amplitudnu modulaciju (16 QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation). Dobrobit 16 ortogonalne amplitudne modulacije (16 QAM) je da su etiri bita podataka poslana u svaki radijski simbol za razliku od dva bita u kvadratnoj digitalnoj faznoj modulaciji (QPSK). 16 ortogonalna amplitudna modulacija (16 QAM) poveava propusnost podataka, dok je kvadratna digitalna fazna modulacija (QPSK) doputena pod svim nepovoljnim uvjetima. Ovisno o uvjetima radio kanala, razliite razine unaprijednog ispravljanja pogreke (uvjeti kanala) mogu isto biti upotrebljene.Modulation Coding Rate Throughput with 5 codes 600kb/s 1.2 Mb/s 1.8 Mb/s 2.4 Mb/s 3.6 Mb/s 4.8 Mb/s Throughput with 10 codes 1.2 Mb/s 2.4 Mb/s 3.6 Mb/s 4.8 Mb/s 7.2 Mb/s 9.6 Mb/s Throughput with 15 codes 1.8 Mb/s 3.6 Mb/s 5.4 Mb/s 7.2 Mb/s 10.7 Mb/s 14.4 Mb/s

QPSK

1/4 2/4 3/4

16 QAM

2/4 3/4 4/4

Tabela 6.1: Pokazuje nam razliite propusne brzine ostvarene na osnovi modulacije Na primjer, tri etvrtine stupnja kodiranja znai da su tri etvrtine odaslanog bita korisniki bitovi, a da je jedna etvrtina pogreka za ispravljanje bitova. Postupak odabira i ubrzanog auraranja optimalne modulacije te stupnja kodiranja su odreeni kao brza veza podeenja.22

Sljedea tehnika HSDPA je odreena kao brzi hibrid automatskog ponavljanja zahtjeva (Fast hibrid ARQ - Automatic Repeat reQuest). Hibrid se odnosi na proces ponovnog spajanja podataka koji su poslani sa ranijim prijenosom podataka te da se povea uspjenost dekodiranja. Fast se odnosi na mehaniko ispravljanje pogreaka budui da je realiziran vorom B (zajedno sa rasporeivanjem i vezom podeenja), za razliku od upravljakog dijela bazne stanice u GPRS/EDGE. Upravljanje i reagiranje na stvarno vrijeme radio varijante u baznoj stanici za razliku od internog mrenog vora koji smanjuje kanjenja i daljnjeg poboljanja cjelokupnog protoka podataka. Koristei pristup koji je opisan, HSDPA poveava maksimalni protok podataka. Korisnicima prua bolju uinkovitost mree pod optereenim uvjetima, bre izvravanje aplikacija, vei domet aplikacija koje djeluju bolje, te poveanje produktivnosti. Istraivai i programeri unato HSDPA-ovim sposobnostima rade na dodatnom poboljanju. Prvi ureaji podravati e 5 kodova sa maksimalnom brzinom od 3.6 Mb/s. Sljedei ureaji podravati e deset do petnaest kodova sa maksimalnom brzinom od 10.7 Mb/s. Ostala poboljanja ukljuuju dvofaznu raznolikost prijama i postojanost izjednaivaa u mobilnim ureajima. Ovakva unaprijeenja dogoditi e se jednu ili dvije godine poslije poetnog razvijanja HSDPA. Simulacije prikazuju na daljno unaprijeenje brzine podataka korisnika i kapacitete mree. Gore navedene znaajke e poveati uinkovitost HSDPA s faktora 2.5 na faktor 3.5. u odnosu na WCDMA Rel' 99. Daljnja evolucija maksimalne brzine podataka HSDPA moe biti postignuta sa vie multiple-input multiple output (MIMO - Multiple-input multipleoutput) antenskim tehnikama u 3GPP (3rd Generation Partnership Project) Rel`6. Nikakve promjene nisu potrebne u mreama, osim poveanja kapaciteta u infrastrukturi koja omoguuje veu irinu frekvencijskog pojasa. Atraktivnost HSDPA je ta da je potpuno usklaen sa WCDMA tehnologijom i moe biti razvijen samo kao softverska nadogradnja novim WCDMA mreama. Ovaj pristup je ve dokazan kao veoma uinkovit u nadgradnji GPRS-a na EDGE. HSDPA, koji koristi mnoge sline dokazane radio tehnike koje EDGE primjenjuje na GPRS, ista je strategija primjenjena kod WCDMA. WCDMA omoguava stabilnu osnovu dok HSDPA isporuuje daljna unaprijeenja radijskog kanala. Vei kapacitet prijenosne mree i vee brzine prijenosa imaju oni korisnici koji se nalaze u podrujima s boljim uvjetima ime se postie efikasnije zauzee kanala. HSDPA ostvaruje poboljanu kvalitetu komunikacije s kraja na kraj (end-to-end), ime se ubrzalo vrijeme za preuzimanje podatka (download), veu maksimalnu brzinu prijenosa (do 14 Mb/s). Za 50% mu je smanjeno vrijeme ekanja (latencija), koja sada iznosi oko 75 ms i ima vei kapacitet 3 do 4 puta.23

7. ZAKLJUAKKako zahtjevi i oekivanja korisnika i operatera stalno rastu, tako e se i tehnologije razvijati. Bolje perfotmanse bi omoguile poveanje brzine prijenosa, poboljano pruanje usluge i manje trokove za korisnike i operatera. Evoluciju tehnologije potiu korisnici koji zahtjevaju vee mogunosti sustava. Kroz seminar smo pokazali nekoliko standarda za prijenos podataka od najstarijih (GSM) do najnovijih (HSDPA). HSDPA je svojim brzinama nadmaio sve standarde 2. i 3. generacije mobilnih komunikacija, a svojim performansama se pribliio xDSL tehnologijama. HSDPA tehnologija se nalazi izmeu 3. i 4. generacije mobilnih sustava, pa se razvojem HSDPA tehnologije polako poeli pribilavati 4. generaciji mobilnih sustava koji e svojim preformansama jo vie poboljati kvalitetu mobilnih usluga (vee brzine prijenosa podataka, smanjeno vrijeme ekanja, vei kapacitet mree, smanjenj trokova i krae vrijeme uspostave veze).

24

LITERATURA[1] URL:http://www.uwcc.org/PDFs/rysavy_data_sept2004.pdf [2] URL: http://www.ericsson.com/hr/etk/revija/Br_2_2006/radijska_mreza.pdf [3] URL: http://en.wikipedia.org/wiki/3G [4] URL: http://en.wikipedia.org/wiki/2G [5] URL: http://www.t-mobile.hr/0/00-50-10-10-00.asp?id=121&kategorija=pr [6] URL: http://www.suvremena.hr/2233.aspx [7] URL: http://www.t-mobile.hr/4/40-70-35-15-00.asp [8] URL: http://www.t-mobile.hr/4/40-20-60-30-00.asp [9] URL: http://www.telfon.net/tehnologije/arhitektura.php [10]URL:http://www.nokia.com/NOKIA_COM_1/Press/Press_Events/Nokia_Technology _Media_Briefing/LTE_Press_Backgrounder.pdf [11] URL: http://en.wikipedia.org/wiki/GSM [12] URL: http://misnt.indstate.edu/harper/Students/GPRS/GPRS.html [13] URL: http://www.webopedia.com/TERM/G/GPRS.html [14] URL: http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/2004/gprs-dzrno.PDF [15] URL: http://www.searchmobilecomputing.techtarget.com/definition/GPRS [16] URL: http//www.matica.hr/Vijenac/Vij184.nsf/AllWebDocs/GPRS [17] URL: http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/2004/gprs-dzrno.PDF

25