Jak funguje mobilní telefonní síť

O mobilních telefonních sítích se často hovoří jako o celulárních sítích. První celulární síť pro mobilní tel...


O mobilních telefonních sítích se často hovoří jako o celulárních sítích. První
celulární síť pro mobilní telefony v České republice v roce 1991 vybudovala
společnost EuroTel na standardu NMT. V roce 1996 vydal ČTÚ další 2 licence na
systém standardu GSM. Do výstavby GSM sítě EuroTel investoval celkem 20,6 mld.
Kč, což je o 40 % více než investoval Radiomobil do své sítě Paegas. Díky tomu
síť EuroTelu GSM Global dnes představuje celulární GSM síť s největší kapacitou
v ČR využitelnou i pro rychlé datové přenosy. Pojďme se nyní podrobněji
podívat, jak vlastně funguje celulární síť pro mobilní telefony.
Síť standardu NMT se ve své struktuře a technologii výrazně odlišuje od sítí
standardu GSM. Zatímco systém GSM využívá frekvenci 900 MHz nebo 1 800 MHz, v
síti NMT je signál přenášen na frekvencích v pásmu 450 MHz. EuroTel provozuje
sítě v obou standardech. NMT síť pod obchodním označením T!P a GSM síť pod
názvem EuroTel GSM Global. Každá z nich nabízí určité výhody. Například signál
sítě NMT se díky nižší frekvenci šíří daleko lépe než signál GSM. Náklady na
vybudování NMT sítě jsou několikrát nižší než u GSM sítě a díky tomu může
EuroTel svým zákazníkům nabídnout mobilní telefonování prostřednictvím sitě T!P
za výrazně nižší ceny.
GSM systém využívá digitální přenos hlasu a GSM telefony jsou většinou menší a
lehčí. (I když dnešní NMT telefony jsou výrazně menší a lehčí než první modely
pro GSM). Možná právě to byl důvod, proč se většina uživatelů rozhodla právě
pro GSM. I my se proto budeme podrobněji věnovat struktuře a popisu fungování
GSM sítě.
Síť složená z buněk
Jak síť standardu NMT, tak i GSM jsou založeny na tzv. celulární struktuře.
Znamená to, že celé obsluhované území je rozděleno na buňky (cely). Tyto buňky
si můžeme představit jako stejně velké šestiúhelníky, přičemž uvnitř každé
buňky je umístěna základnová stanice. Několik navzájem sousedících buněk
vytváří svazek, kde jsou každé z nich přiděleny kmitočtové kanály, které se
nesmí opakovat u ostatních buněk téhož svazku.
Spojení mezi systémem základnových stanic BSS, jež jsou rozmístěny po celém
území republiky, a síťovým a spínacím systémem NSS (radiotelefonními
ústřednami), je dnes provedeno přenosovými systémy, které přenášejí signály
jednotlivých hovorů do ústředen. Ty mají obdobnou funkci jako telefonní
ústředny v pevné telefonní síti.
Když vysílač základnové stanice pokrývá signálem o určitém kmitočtu spolehlivě
oblast o poloměru R, může způsobit rušení ještě ve vzdálenosti pětinásobné,
tedy 5 R. Proto tentýž kmitočet může být znovu použit až u buňky, která se od
tohoto vysílače nachází dále než ve vzdálenosti rovné 5 R (tedy pěti poloměrům).
Standardy
Aby určitá technologie měla šanci na úspěch na trhu v podobě konkrétních
výrobků a služeb, které poskytují různé konkurenční firmy, je nezbytné nejdříve
definovat standard pro danou technologii. Standardizační skupina pro Global
System for Mobile communication (GSM) byla založena již v roce 1982 vytvořila
specifikace pro panevropský digitální celulární radiotelefonní systém GSM na
frekvenci 900 MHz. Ta byla později rozšířena také na kmitočtovou oblast 1 800
MHz. Celá tato komplikovaná procedura se pro Evropu ukázala jako velmi
prozíravá, neboť systém GSM se rozšířil po celém kontinentu a díky roamingovým
dohodám mezi jednotlivými operátory mohou zákazníci jednoho z nich využívat i
sítě ostatních operátorů. Evropská síť je celistvá a netrpí roztříštěností jako
mobilní sítě v jiných světadílech, jež jsou založeny na několika různých
standardech. Roztříštěností standardů nyní trpí např. Severní Amerika, kde s
mobilními komunikacemi začali dříve, než byl definován standart pro GSM. Nyní
jednotliví operátoři provozují různé mobilní telefonní sítě na různých vzájemně
nekompatibilních standardech a zavedení GSM je pro ně finančně neúnosné.
Celulární sítě standardu NMT využívá i řada dalších operátorů v Evropě právě
pro jejich relativně nízké náklady. Díky technologickým omezením však nelze
využívat mezinárodní roaming. Uživatelé sítě EuroTelu T!P však mohou jako
jediní využívat roamingu na Slovensku.
NMT standard se stále rozvíjí. Nyní už např. umožňuje zasílání krátkých
textových zpráv stejně jako SMS u GSM telefonů a brzy by tato služba měla být
dostupná i našim uživatelům sítě EuroTel T!P. To, že NMT standard pro celulární
sítě není mrtvou větví, potvrdil i NMT kongres, pořádaný letos v dubnu v Praze.
Infrastruktura
Systém GSM je veřejný radiotelefonní systém, což znamená, že je dostupný
jednotlivým účastníkům, kteří mohou pomocí mobilních telefonů (mobilních
rádiových stanic) navazovat spojení s účastníky mobilních radiotelefonních sítí
jak svého, tak i dalších operátorů, a samozřejmě i s uživateli pevné veřejné
telefonní sítě (PSTN). Celý systém se skládá ze 3 základních prvků: systému
základnových stanic BSS (Base Station Subsystem), síťového a spínacího systému
NSS (Network Switching Subsystem) a z operačního a podpůrného systému OSS
(Operation and Support System). Na obrázku Blokové schéma GSM sítě vidíte
rozmístění a propojení jednotlivých částí sítě GSM.
Systém základnových stanic BSS
Systém základnových stanic BSS se skládá z velkého množství základnových
rádiových stanic BTS (Base Transceiver Station), zajišťujících vlastní rádiové
spojení s mobilními telefony, a z řídicí jednotky BSC (Base Station
Controller), která řídí provoz rádiového rozhraní, přidělování rádiových kanálů
jednotlivým mobilním telefonům a řízení handoveru (pokud právě přecházíte nebo
přejíždíte během hovoru z území jedné základnové stanice na území jiné, vysílač
i přijímač mobilu musejí být přeladěny na jiné kanály, na kterých pracuje
základnová stanice na novém území tomuto automatickému přepnutí se říká
handover). Mobilní telefon nepřetržitě měří intenzitu signálů okolních
základnových stanic BTS a naměřené údaje předává přes základnovou stanici, se
kterou právě komunikuje, do BSC, kde se rozhodne, zda je nutno provést handover
či nikoliv. Jedna řídicí jednotka BSC má zpravidla na starosti ovládání
několika desítek základnových stanic BTS.
Síťový a spínací systém NSS
Tento systém je v podstatě radiotelefonní ústředna, která provádí všechny
funkce obdobně jako běžná telefonní ústředna pevné sítě. Jde o funkční blok,
který řídí komunikaci mezi uživateli GSM sítě, ale i mezi uživateli dalších
externích komunikačních sítí. Tento systém se skládá z několika částí. Jeho
srdcem je spínací jednotka MSC (Mobile services Switching Centre). Ta plní
všechny spínací funkce, provádí koordinaci navazování spojení mezi všemi
účastníky systému. Operátor nemusí mít ústřednu MSC pouze jednu, ale může jich
provozovat hned několik (jsou spolu propojeny).
Domovský registr HLR (Home Location Register) je vlastně databáze, kde jsou
shromážděny údaje o všech zaregistrovaných zákaznících GSM operátora především
jde o údaje o požadovaných a poskytovaných službách každému jednotlivému
zákazníkovi.
Ověřovací jednotka AuC (Authentication Centre) provádí autorizaci identity
uživatele a zajišťuje důvěrnost každého hovoru.
Registr identifikace mobilních zařízení EIR (Equipment Identity Register) je
databáze obsahující informace o identifikačních číslech mobilních terminálů a
má sloužit k zabránění neoprávněného používání mobilních stanic.
Další databází v systému NSS je registr návštěvníků VLR (Visitor Location
Register), který je zpravidla spojen s každou jednotkou MSC. Jsou zde uloženy
informace, jež potřebuje jednotka MSC, aby mohla obsloužit uživatele, kteří se
právě v oblasti MSC nacházejí. Jedná se o dočasnou kopii informací HLR.
Operační a podpůrný systém OSS
Administrativní úlohy v síti na nejvyšší úrovni provádí jedno nebo několik
center pro provoz a údržbu OMC (Operation and Maintenance Centre) a center pro
řízení sítě NMC (Network Management Centre). OSS řídí provoz a údržbu všech GSM
zařízení. Monitoruje stav všech zařízení v síti. Je to počítačové řídicí
centrum celého systému, kam se sbíhají všechny údaje z celého systému, na
jejichž základě je systém řízen.
Zpracování signálu
Spojení mezi mobilním telefonem a základnovou stanicí probíhá prostřednictvím
rádiových vln šířících se vzduchem (tzv. rádiové rozhraní). Nastává jejich
mnohocestné šíření, jež je způsobeno odrazy od různých předmětů a budov. Tak
dorazí k mobilnímu telefonu nebo základnové stanici hned několik vln z různých
směrů a ještě k tomu s různým časovým posunem. Šíření vln je poměrně často
sužováno úniky, takže se zhoršuje kvalita signálu a jeho chybovost se zvyšuje.
Dále se musí brát v úvahu vzdálenost mobilního telefonu od základnové stanice,
která je pokaždé jiná, podle toho, kde se mobilní uživatel právě nachází. Při
návrhu celého systému GSM bylo třeba vzít všechny tyto vlastnosti v potaz.
Na následujících řádcích je stručný popis několika úprav signálu, jež se
provádějí v mobilním telefonu předtím, než je signál vyslán do éteru. Mobilní
telefon volaného účastníka pak provede dekódování a upraví signál do původního
stavu.
Kódování zdroje signálu
Mluvením do mikrofonu mobilního telefonu vzniká analogový elektroakustický
signál, jejž je třeba převést z analogové do digitální podoby. Ke kódování se
používá jedna z moderních parametrických metod kódování, která se jmenuje
RPE-LTP (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction). Toto kódování je
poměrně složité, poněvadž příslušně obvody zde musejí provádět 1,5 milionu
operací za vteřinu. Když porovnáme digitalizovaný telefonní signál, jenž má
rychlost 64 Kb/s, s tímto signálem, kódovaným metodou RPE-LTP, vystačí tento
pouze s rychlostí 13 Kb/s při zachování stejné kvality přenosu.
Kódování kanálu
V kódování zdroje signálu bylo účelem odstranit přebytečné informace, aby byl
datový tok co nejrychlejší. Zde u kódování kanálu jde naopak o vkládání dalších
redundantních informací, které se potom na druhé straně po přenosu přes rádiové
rozhraní využijí k detekci a opravě chyb.
Některé metody kódování kanálu:
ŇKonvoluční kódování se využívá k opravě chyb. Každý informační bit je vysílán
vícekrát v kombinaci s jinými bity. Tím se sice podstatně zvětší množství
přenášených informací, ale na druhé straně v dekodéru přijímače je možno
opravovat případné chyby v datovém toku. Metoda je účinná hlavně při
odstraňování osamocených chybných bitů.
ŇU Fireho kódu se také informační bity doplňují určitým počtem redundantních
bitů ty se dopočítávají aplikací pravidel součtu exclusive or. Používá se
společně s předcházejícím konvolučním kódováním a je účinnější naopak při
detekci a opravě shluků chyb.
ŇJednoduché paritní kódy jde o běžné doplnění informace paritními bity, kdy je
v přijímači parita kontrolována.
Prokládání
Prokládání (interleaving) slouží k získání co největší odolnosti proti shlukům
chyb. Z informačních bitů se vytvoří bloky jdoucí za sebou. Bloky se posléze
prokládají, čímž se změní pořadí skupin bitů, které spolu původně sousedily.
Principiálně jsou shluky chyb, jež vznikly na rádiové trase, převáděny na
rozptýlené osamocené chyby.
Ekvalizace
Rádiový signál šířící se rádiovým rozhraním, je často zkreslován kvůli
nepříznivým vlivům, jako jsou odrazy, součet vln, rozptyl apod. Rádiový kanál
je považován za časově proměnný filtr. K informačním bitům je přidána tzv.
tréninková sekvence dat. Ta projde rádiovým rozhraním a je porovnána v
přijímači se správnou sekvencí uloženou v jeho paměti. Při jejich porovnání se
zjistí zkreslení signálu, které nastalo při cestě vzduchem, a posléze se
přijímač pokusí odstranit deformaci pomocí inverzního digitálního filtru, jenž
dá signál pokud možno do původního stavu.
Časové rámce TDMA
Bity jsou posléze sestaveny do burstů. Základní burst trvá 15/26 ms. Spojením 8
burstů vznikne jeden časový rámec TDMA. Každý z těchto 8 burstů patří jednomu
hovoru, takže transceiver (vysílač-přijímač) základnové stanice, pracující na
jednom kmitočtu, umí přenést najednou 8 hovorů. Základnové stanice se pak osadí
takovým počtem transceiverů (TRX), aby zvládly provoz v dané lokalitě.
Společnost EuroTel již spustila službu HSCSD, která využívá až 4 kanály pro
jednoho zákazníka, který chce přenášet data rychlostí až 43,2 Kb/s. Sdružení
kanálů je možno kombinovat podle charakteru přenosu. HSCSD a dalším
technologiím pro přenos dat jako je GPRS se však věnujeme podrobněji na jiném
místě této přílohy.
Časový předstih
Zvláště při větší vzdálenosti mobilního telefonu od základnové stanice může mít
doba šíření vln vliv na zpoždění signálu. Protože na jednom kmitočtu musí do
sebe přesně zapadnout 8 burstů, kdy každý je součástí jednoho hovoru, je třeba
vyslat signály ze vzdálenějších mobilů od základnové stanice s předstihem.
Závěrem
V tomto krátkém článku jsme vám chtěli v kostce představit některé technologie,
využívané u celulárních GSM sítí na jejich vítězném tažení světem
telekomunikací. Protože systém GSM je poměrně otevřený, můžeme se těšit na
aplikaci nových technologií, zejména pak v oblasti datových přenosů.
Definice standardu GSM se pochopitelně neustále rozvíjí podle možností, které
nabízejí nové technologie. Již nyní se ukazuje, že GSM nelze považovat za
jediný a poslední standard pro mobilní komunikaci. Na obzoru se rýsuje standard
UMTS. O přidělování licence v tomto standardu již hovoří k vládám členských
států i platné směrnice EU a stejná pravidla se budou vztahovat i na Českou
republiku. Můžeme se tedy těšit na další bouřlivý rozvoj mobilních komunikací.
0 1179 / pen

Síť pod dohledem
Navštívili jsme s naším fotografem místo, kam se většina mobilních telefonů
EuroTelu nikdy nepodívá. Ale tady tým specialistů 24 hodin denně sleduje, zda
obě sítě EuroTelu pracují bez závad. Dohledové centrum sítě společnosti EuroTel
někdy jeho zaměstnanci přezdívají "malý Houston". Možná proto, že svým
uspořádáním připomíná kosmické řídicí středisko NASA.
Dohledové centrum sítě EuroTel byste marně hledali v hlavní budově EuroTelu. Je
totiž ukryto v Ústřední technologické budově Českého Telecomu, která je
nervovým centrem velké části telekomunikací celé ČR. Krom Telecomu a EuroTelu
zde mají umístěnou technologii např. i velcí internetoví poskytovatelé.
Po nezbytné bezpečnostní proceduře nás vedoucí Dohledového centra provedl
bludištěm chodeb, bezpečnostních sektorů a po jízdě výtahem s jedním přestupem
se před námi otevřely poslední dveře a vstoupili jsme do místnosti s velkou
projekční plochou a řadami počítačů. Na projekční ploše svítí krom řady čísel
velká mapa České republiky posetá svítícími body. Co bod, to jedna základnová
stanice.
Co když svítí červená
Na projekční ploše operátoři sledují jednotlivé údaje, z ústředen, centra
krátkých textových zpráv tzv. SMS centra a dalších částí sítě. Zelená označuje
provozní údaje, oranžová se objeví, jestliže některý parametr přesáhne
nastavený interval a červená indikuje možné problémy. Přerušené spojení,
výpadek dodávky energie apod.
Zodpovědný specialista okamžitě začne pracovat na odstranění problému. Přímo ze
svého pracoviště může na dálku otestovat funkci ústředny třeba v Ostravě. Pokud
je nutný přímý zásah na místě, záznam o problému se pomocí informačního systému
předává okamžitě technikům v daném regionu, kteří vyjíždějí na dané místo. Ve
většině případů od okamžiku rozblikání se červeného signálu do odstranění
problému technikem na místě uplyne jen několik desítek minut. O bezchybný
provoz sítě se u EuroTelu starají nejen specialisté v Dohledovém centru v Praze
na Žižkově, ale po celé republice jsou v pohotovosti dnem i nocí technici,
kteří jsou připraveni okamžitě zasáhnout.
EuroTel provozuje dvě mobilní telefonní sítě T!P a GSM Global, které pokrývají
více než 99 % populace. Síť EuroTelu GSM Global představuje největší GSM
mobilní síť v ČR, co do počtu základnových stanic i počtu celulárních buněk.
Obě mobilní sítě neustále kontroluje tým specialistů a řeší případné závady
dříve, než by mohli zákazníci zaznamenat jakékoli snížení kvality služeb.
Dohledové centrum sítě společnosti EuroTel patří k nejmodernějším svého druhu v
Evropě. Nejen nejmodernější technologie, ale především znalosti specialistů
EuroTelu a pracovní nasazení techniků, kteří jsou trvale v pohotovosti,
zaručují maximální spolehlivost sítě mobilních telefonů.

SouperSound je obchodní označení pro technologii digitalizace hlasu v GSM síti
označovanou EFR (Enhanced Full Rate), kterou používá v ČR ve své síti EuroTel.
Na rozdíl od běžně používané technologie FR (Full Rate) lze pomocí technologie
SuperSound přenášet lidský hlas v lepší kvalitě než prostřednictvím pevné
telefonní linky. Kódovací algoritmus u Supersoundu je optimalizován tak, aby
byly přeneseny i informace o barvě hlasu vyjadřující emoce.

Sítě společnosti EuroTel
Sítě společnosti EuroTel pokrývají více než 99 % populace České republiky. Síť
GSM EuroTelu je největší v České republice, co do počtu základnových stanic.
Díky tomu nabízí největší kapacitu využitelnou i pro datové přenosy a vykazuje
špičkové kvalitativní parametry. Podíl přerušených hovorů (CDR) dosáhl
maximálně 1,2 % a pouze 1,3 % hovorů se nepodaří navázat (CBR).

Frequency hopping
Tato technologie umožňuje lépe využít přidělené frekvence při stavbě sítě např.
s hustší sítí základnových stanic, s lepší kvalitou pokrytí. EuroTel začal tuto
technologii využívat jako první operátor v ČR již v květnu roku 1998. Frequency
hopping využívá toho, že v systému GSM mají jednotlivé nosné vlny odstup 200
kHz, přičemž každá z nich přenáší 8 nezávislých účastnických kanálů (hovorů).
Aby se zamezilo vlivu úniku signálu, a efektivně se znovu využily frekvence
rádiových kanálů, nevyužívá určitý kanál po dobu hovoru pouze jednu nosnou
vlnu, ale podle určitých pravidel přeskakuje v pravidelných časových
intervalech mezi více nosnými frekvencemi.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.