Jacek Okolewski. praca dyplomowa magisterska. Promotor: dr inż. Michał Morawski. Dyplomant: Jacek Okolewski nr albumu

Transkrypt

1 Jacek Okolewski praca dyplomowa magisterska Promotor: dr inż. Michał Morawski Dyplomant: Jacek Okolewski nr albumu Łódź, wrwesień 2007 r.

2 Wykaz skrótów Wykaz tabel Wykaz rysunków Wstęp Cel i zakres pracy DDstęp dd łącza radidwegd w sieci GSM DDstęp dd łącza radidwegd w sieci UMTS MDbilnDść stacji ruchdmej w sieciach GSM i UMTS TechnDlDgia GPRS TechnDlDgia EDGE Transmisja pakietdwa w pddstawdwej wersji systemu UMTS TechnDlDgia HSDPA TechnDlDgia HSUPA PrzyszłDść pakietdwej transmisji danych w sieciach kdmórkdwych Wyniki symulacji PDdsumDwanie BibliDgrafia ZawartDść załączdnej płyty CD

3 16QAM 3GPP 8PSK AMC APN ARQ ATM BPSK BSSGP CDMA CS-1 DNS DS-SS EDGE EGPRS FDD FDMA FEC GGSN GMSK GPRS GSM RF GSM GTP HARQ HCR HSDPA HSPA HSUPA IEEE 16 State Quadrature Amplitude Modulation 3rd Generation Partnership Project Octagonal Phase Shift Keying Adaptive Modulation and Coding Access Point Name Automatic Repeat request Asynchronous Transfer Mode Binary Phase Shift Keying Base Station Subsystem GPRS Protocol Code Division Multiple Access Coding Scheme 1 (analogicznie CS-2, CS-3 oraz CS-4) Domain Name System Direct Sequence Spread Spectrum Enhanced Data rates for GSM Evolution Enhanced General Packet Radio Service Frequency Division Duplexing Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Gateway GPRS Support Node Gaussian Minimum Shift Keying General Packet Radio Service GSM Radio Frequency Global System for Mobile Communications GPRS Tunnelling Protocol Hybrid Automatic Repeat request High Chip Rate High-Speed Downlink Packet Access High-Speed Packet Access High-Speed Uplink Packet Access Institute of Electrical and Electronics Engineers 3

4 IP Internet Protocol IR Incremental Redundancy LCR Low Chip Rate LLC Logical Link Control LTE Long-Term Evolution MAC Medium Access Control MBWA Mobile Broadband Wireless Access MCS-1 Modulation and Coding Scheme 1 (analogicznie MCS-2,, MCS-9) MIMO Multiple Input Multiple Output NS-2 Network Simulator version 2 NSAPI Network layer Service Access Point Identifier OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PCU Packet Control Unit PDP Packet Data Protocol PPP Point-to-Point Protocol QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RLC Radio Link Control SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SGSN Serving GPRS Support Node SIR Signal to Interference Ratio SNDCP Sub Network Dependent Convergence Protocol TCP Transmission Control Protocol TD-CDMA Time-Domain Code-Domain Multiple Access TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access TFI Temporary Flow Identifier UDP User Datagram Protocol UMTS Universal Mobile Telecommunications System USF Uplink State Flag WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WRAN Wireless Regional Area Networks XOR exclusive OR 4

5 Tabela 1. Tabela 2. Tabela 3. Tabela 4. Tabela 5. Tabela 6. Tabela 7. Schematy kodowania używane w sieci GPRS wraz z oferowanymi przez nie szybkościami transmisji Klasy opóźnień zdefiniowane w GPRS Wybrane atrybuty poszczególnych klas QoS zdefiniowanych w systemie UMTS Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w GPRS Schematy modulacji i kodowania używane w sieci EDGE wraz z oferowanymi przez nie szybkościami transmisji Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSDPA Kategorie stacji ruchomych zdefiniowane w HSUPA 5

6 Rysunek 1. Schemat ideowy FDMA, TDMA oraz CDMA Rysunek 2. Struktura ramki TDMA oraz tworzenie kanału fizycznego w systemie GSM Rysunek 3. Hierarchia ramek wyższego rzędu w systemie GSM Rysunek 4. Rodzaje pakietów w systemie GSM Rysunek 5. Przykładowa realizacja procedury twardego przeniesienia połączenia w systemie UMTS Rysunek 6. Przykładowa realizacja procedury dodania łącza podczas miękkiego przeniesienia połączenia w systemie UMTS Rysunek 7. Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS Rysunek 8. Stos protokołów GPRS Rysunek 9. Struktura wieloramki GPRS Rysunek 10. Schemat ideowy bloku radiowego GPRS Rysunek 11. Schemat ideowy 2-milisekundowej podramki HSDPA Rysunek 12. Schemat ideowy transmisji MIMO Rysunek 13. Opóźnienie wprowadzane przez łącze radiowe w sieci GPRS pakiety ping wysyłane w odstępie 0,5 s Rysunek 14. Opóźnienie wprowadzane przez łącze radiowe w sieci GPRS pakiety ping wysyłane w odstępie 5 s Rysunek 15. Transport TCP w sieci GPRS dobre warunki transmisyjne w łączu radiowym Rysunek 16. Transport TCP w sieci GPRS przeciętne warunki transmisyjne w łączu radiowym Rysunek 17. Transport TCP w sieci GPRS złe warunki transmisyjne w łączu radiowym Rysunek 18. Transport TCP w sieci GPRS wpływ mobilności stacji ruchomej Rysunek 19. Transport TCP w sieci UMTS oscylacje przepustowości 6

7 Ogólna idea systemu komórkowego była znana już w latach 40-tych XX wieku [1], jednak dopiero w latach 80-tych ubiegłego stulecia system ten doczekał się praktycznej realizacji na większą skalę [2]. W systemie komórkowym cały obszar łączności radiowej podzielony jest na podobszary zwane komórkami (ang. cells), w których stacje ruchome (ang. mobile stations) obsługiwane są przez pojedyncze stacje nadawczo-odbiorcze zwane stacjami bazowymi (ang. base stations) [3]. Zastosowanie struktury komórkowej na znacznym obszarze wymaga co prawda złożonej infrastruktury sieci z wieloma stacjami bazowymi, lecz rozwiązanie to posiada również wiele zalet [3]. Mniejszy obszar łączności może być obsługiwany przez stację bazową posiadającą nadajnik o zmniejszonej mocy [3]. Dzięki temu, zmniejszeniu ulega obszar zakłóceń nadajnika pojedynczej stacji bazowej [3]. Również stacje ruchome mogą posiadać nadajniki o mniejszej mocy, co przy zasilaniu bateryjnym tych urządzeń wiąże się z wydłużeniem czasu ich działania. Stacje bazowe, które znajdują się poza swoimi obszarami zakłóceń, mogą wykorzystywać te same zakresy częstotliwości, a to skutkuje znacznym wzrostem pojemności systemu mierzonej liczbą jednocześnie obsługiwanych połączeń [3]. Pojemność systemu można również zwiększyć dzieląc komórki dookólne na komórki sektorowe [1]. Pozwala to na zmniejszenie liczby masztów antenowych, a co za tym idzie także kosztów infrastruktury [1]. Możliwość zmian cech poszczególnych obszarów łączności, takich jak wielkość czy kształt, jak również liczby i rozmieszczenia tych obszarów w systemie, pozwala na dopasowanie struktury sieci do warunków propagacji fal radiowych oraz potrzeb użytkowników [3]. Transmisja radiowa zapewnia użytkownikom systemu komórkowego mobilność [3]. Stacje ruchome mogą przemieszczać się w obrębie obszaru składającego się z wielu komórek. Ważnym zagadnieniem technicznej realizacji systemu komórkowego stały się więc procedury przenoszenia połączeń pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi [3]. Duża wrażliwość łącza radiowego na różnego rodzaju zakłócenia oraz zjawiska propagacyjne jest poważnym mankamentem tego rodzaju transmisji i w znacznej mierze ogranicza jej szybkość [3]. Poszczególne etapy rozwoju systemów komórkowych są nazywane generacjami [3]. Rosnąca popularność jaką zyskały w latach 80-tych XX wieku systemy komórkowe pierwszej 7

8 generacji (1G) działające w technologii analogowej oraz mała pojemność tych systemów przyczyniły się do intensywnych prac nad opracowaniem nowych rozwiązań [2]. Na początku lat 90-tych ubiegłego stulecia miał miejsce prawdziwy przełom w dziedzinie systemów komórkowych [3]. Wprowadzono systemy komórkowe drugiej generacji (2G) działające w technologii cyfrowej [3]. Zastosowanie technologii cyfrowej wiązało się ze zwiększeniem bezpieczeństwa transmisji, opracowaniem nowych technik wielodostępu zwiększających zarówno pojemność systemów jak i efektywność transmisji oraz przybliżyło odległe dotychczas perspektywy rozwoju nowych usług opartych o transmisję danych [3]. Największą popularność wśród systemów komórkowych drugiej generacji zyskał system GSM [3]. W 1990 roku ogłoszono fazę 1 specyfikacji systemu GSM, a dwa lata później uruchomiono pierwszy komercyjny system GSM [1]. Ogłoszona w 1995 roku faza 2 standardu GSM poszerzyła zakres usług poprzedniej wersji systemu [1]. Dalsze prace nad rozwojem standardu GSM zaowocowały ogłoszeniem w 1997 roku fazy 2+ [1]. Rok później opublikowano specyfikację technologii GPRS służącej do pakietowej transmisji danych, która została zdefiniowana jako część fazy 2+ standardu GSM [1]. Transmisja pakietowa GPRS oferowała wystarczającą przepustowość, by możliwe było zwiększenie zakresu usług dostępnych dla użytkowników systemu GSM o takie usługi, jak na przykład połączenia konferencyjne wykorzystujące transmisję obrazów czy dostęp do Internetu [1]. Transmisja pakietowa dała możliwość naliczania opłat na podstawie ilości przesłanych danych w przeciwieństwie do transmisji z komutacją łączy, gdzie opłaty naliczane były na podstawie czasu trwania połączenia [1]. Ostatnim etapem rozwoju pakietowej transmisji danych w ramach standardu GSM było wprowadzenie w 2000 roku technologii EDGE, której maksymalna szybkość transmisji była blisko trzykrotnie większa w stosunku do możliwości jakie oferowała technologia GPRS [10]. Dalszy etap rozwoju systemów komórkowych to wprowadzenie systemów trzeciej generacji (3G), które pozwoliły na transmisję danych o znacznie większej szybkości w stosunku do możliwości systemów poprzedniej generacji [3]. Dzięki temu użytkownicy systemów trzeciej generacji zyskali możliwość korzystania z usług o nowej, multimedialnej jakości [3]. Wśród systemów trzeciej generacji najbardziej istotnym dla Europy jest system UMTS [3]. Pierwsza wersja specyfikacji nowego systemu UMTS Release 99 została opublikowana w 2000 roku, a rok później uruchomiona została pierwsza sieć komercyjna [3]. Dalsze prace 8

9 nad rozwojem systemu zaowocowały opracowaniem kolejnych wersji UMTS. W 2001 roku zakończono prace nad wersją oznaczoną jako UMTS Release 4, a rok później opublikowano wersję UMTS Release 5, zawierającą specyfikację technologii transmisji pakietowej HSDPA [3]. W 2005 ukończono kolejną wersję systemu UMTS Release 6 [19], w której zawarto specyfikację technologii transmisji pakietowej HSUPA [13]. Pierwsze komercyjne sieci wykorzystujące technologię HSDPA pojawiły się pod koniec 2005 roku, a wykorzystujące HSUPA mają być dostępne jeszcze przed upływem 2007 roku [13]. Obecnie trwają prace nad kolejną wersją systemu UMTS Release 7 [19]. 9

10 Celem pracy jest zapoznanie się ze współczesnymi technologiami pakietowej transmisji danych stosowanych w rozległych, bezprzewodowych sieciach telekomunikacyjnych GSM i UMTS. Zakres pracy obejmuje wybrane zagadnienia związane z dostępem do łącza radiowego w sieciach GSM i UMTS, opis procedur przenoszenia połączeń pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi (stosowanych ze względu na przemieszczanie się stacji ruchomych w tych sieciach) oraz zasady działania technologii pakietowej transmisji danych GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA i HSUPA. W pracy zamieszczono także wyniki opracowanych symulacji, których celem było zbadanie z jakimi parametrami (pasmo, opóźnienie jitter) można mieć do czynienia w rzeczywistych implementacjach tych technologii. Symulacje te przeprowadzono z wykorzystaniem symulatora NS-2 [20]. 10

11 Techniki wielodostępu pozwalają na wspólne użytkowanie zasobów radiowych [3]. Dzięki nim wielu użytkowników może wspólnie korzystać z dostępnego zakresu częstotliwości [3]. Na Rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy trzech podstawowych technik wielodostępu, które są wykorzystywane we współczesnych sieciach komórkowych. W sieciach GSM dostęp do łącza radiowego jest realizowany w oparciu o dwie techniki wielodostępu wielodostęp częstotliwościowy FDMA oraz czasowy TDMA [1]. Rysunek 1. Schemat ideowy FDMA, TDMA oraz CDMA Technika wielodostępu częstotliwościowego FDMA jest najstarszą techniką współużytkowania zasobów radiowych [3]. Polega na podziale dostępnego zakresu częstotliwości na pasma, zwane kanałami częstotliwościowymi, które są zajmowane na czas trwania wymiany danych [3]. W sieciach GSM łącze radiowe zapewnia połączenie typu pełen dupleks (ang. full duplex) [1]. Wykorzystywaną techniką dupleksową w tych sieciach jest dupleks częstotliwościowy FDD, w którym do transmisji wykorzystuje się pary kanałów częstotliwościowych [1], a każdemu kierunkowi transmisji odpowiada odrębny kanał [2]. W sieciach GSM dostępny zakres częstotliwości został podzielony na dwa przedziały [1]. Jeden z nich składa się z kanałów do transmisji w górę od stacji ruchomej do stacji bazowej, a drugi z kanałów do transmisji w dół od stacji bazowej do stacji ruchomej [1]. Przedziały te są rozmieszczone w ten sposób, że kanały do transmisji w górę są położone na 11

12 niższych częstotliwościach niż kanały służące do transmisji w dół [1]. Na krańcach każdego przedziału znajdują się pasma ochronne o szerokości 100 khz [1]. Dzięki standardowi GSM można tworzyć sieci działające w różnych pasmach, jednak szerokość kanałów częstotliwościowych jest taka sama dla wszystkich tych sieci i wynosi 200 khz [1]. W przypadku sieci GSM działających w paśmie 900 MHz kanały w górę leżą w przedziale częstotliwościowym MHz, a kanały w dół są umieszczone w przedziale MHz [1]. Dla sieci GSM 900 określono 124 pary kanałów dwukierunkowych, które są przesunięte względem siebie o tzw. odstęp dupleksowy o szerokości 45 MHz [1]. W sieciach GSM działających w paśmie 1800 MHz kanały w górę leżą w przedziale częstotliwościowym MHz, natomiast kanały w dół są umieszczone w przedziale MHz [1]. W przypadku sieci GSM 1800 kanały dwukierunkowe stanowią 374 pary o odstępie dupleksowym 95 MHz [1]. Technika wielodostępu czasowego TDMA polega na podziale czasu transmisji na przedziały zwane szczelinami, które są cyklicznie przydzielane użytkownikom korzystającym z tego samego kanału częstotliwościowego [3]. W sieciach GSM każdy z kanałów częstotliwościowych o szerokości 200 khz dzielony jest w dziedzinie czasu na tak zwane ramki TDMA [1], których struktura została zilustrowana na Rysunku 2. Każda ramka składa się z ośmiu szczelin czasowych, ponumerowanych od 0 do 7 [1]. Pojedyncza szczelina ma długość około 577 µs, a czas trwania jednej ramki TDMA wynosi w przybliżeniu 4,615 ms [1]. Cyklicznie powtarzające się szczeliny czasowe w ramach jednego kanału częstotliwościowego tworzą osiem kanałów fizycznych [1]. Jeden kanał fizyczny pozwala na przesłanie co 4,615 ms bloku bitów zwanego pakietem (ang. burst) [1]. Ponieważ w sieciach GSM czas transmisji jednego bitu wynosi około 3,69 µs, więc pojedyncza szczelina czasowa pozwala na transmisję pakietu o długości 156,25 bitów [1]. Sieci GSM zapewniają transmisję w pełnym dupleksie, jednak dzięki technice TDMA nie jest konieczne, aby odbiór i nadawanie były realizowane w tym samym czasie [1]. Transmisja pakietów w obu kierunkach, pomiędzy stacją ruchomą a stacją bazową, odbywa się w szczelinach czasowych o tym samym numerze, które są przesunięte względem siebie zarówno w dziedzinie częstotliwości o odstęp dupleksowy, jak i w dziedzinie czasu o odstęp równy czasowi trwania trzech szczelin [1]. Oznacza to, iż stacja ruchoma nadaje z opóźnieniem równym 1,731 ms w stosunku do czasu, w którym odbiera informacje od stacji bazowej [1]. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenie nadawczo-odbiorcze stacji ruchomej nie 12

13 musi być wyposażone w układ dupleksera, a to skutkuje zmniejszeniem jego wagi, kosztów produkcji oraz wydłużeniem czasu pracy przy zasilaniu bateryjnym [1]. Rysunek 2. Struktura ramki TDMA oraz tworzenie kanału fizycznego w systemie GSM W systemie GSM, oprócz organizacji kanału fizycznego opartej na podstawowej ramce TDMA, zdefiniowano również ramki wyższego rzędu [1]. Ich struktura została przedstawiona na Rysunku 3. Kolejny poziom w porównaniu do podstawowej ramki TDMA, tworzy wieloramka (ang. multiframe) [1]. W systemie GSM można wyróżnić dwa rodzaje wieloramek wieloramki 26-ramkowe oraz wieloramki 51-ramkowe [1]. Następny poziom w hierarchii ramek wyższego rzędu tworzy superramka (ang. superframe) [1]. Ma ona długość 1326 ramek TDMA [1]. Może więc zawierać albo 51 wieloramek 26-ramkowych, albo 26 wieloramek 51-ramkowych [1]. Najwyższy poziom w organizacji ramkowej systemu GSM zajmują hiperramki (ang. hyperframe), które są złożone z 2048 superramek [1]. Rysunek 3. Hierarchia ramek wyższego rzędu w systemie GSM 13

14 W sieciach UMTS dostęp do łącza radiowego może być realizowany w oparciu o jedną z dwóch technik wielodostępu technikę szerokopasmowego wielodostępu kodowego WCDMA z rozpraszaniem bezpośrednim oraz technikę szerokopasmowego wielodostępu czasowo-kodowego TD-CDMA [3]. Przewiduje się, że w najbliższych latach TD-CDMA będzie techniką rzadziej realizowaną w praktycznych zastosowaniach [3], dlatego też zostanie ona przedstawiona w tym rozdziale bardzo pobieżnie, a w dalszej części pracy wszystkie zagadnienia związane z sieciami UMTS będą dotyczyć wyłącznie sieci wykorzystujących WCDMA. Technika WCDMA wykorzystywana w sieciach UMTS jest techniką wielodostępu kodowego CDMA z rozpraszaniem bezpośrednim, stosowaną w szerokim paśmie transmisji wynoszącym 5 MHz [3]. Schemat ideowy techniki wielodostępu CDMA został przedstawiony na Rysunku 1. Wielodostęp kodowy CDMA pozwala wielu użytkownikom sieci na transmisję w tym samym paśmie oraz w tym samym czasie [3]. Rozróżnienie transmitowanych informacji jest możliwe dzięki technice rozpraszania bezpośredniego DS-SS, która polega na wymnażaniu ciągu bitów informacyjnych przez szybkozmienny ciąg pseudolosowy zwany ciągiem rozpraszającym [3]. W efekcie otrzymuje się szybkozmienny ciąg wynikowy zwany sekwencją rozproszoną, w której jednemu bitowi informacji odpowiada wiele bitów ciągu rozpraszającego zwanych czipami [3]. Aby odtworzyć ciąg bitów informacyjnych w odbiorniku, otrzymana sekwencja rozproszona wymnażana jest przez zsynchronizowany ciąg rozpraszający [3]. W sieciach UMTS wykorzystujących WCDMA długość ciągu rozpraszającego jest zmienna i może wynosić od 4 do 512 czipów [3]. Zastosowanie techniki DS-SS powoduje poszerzenie pasma sygnału, jednak z drugiej strony w takim paśmie można w tym samym czasie przesyłać wiele sygnałów oraz istnieje możliwość wykorzystania tych samych kanałów częstotliwościowych w sąsiednich komórkach przy zastosowaniu różnych zestawów ciągów rozpraszających [3]. W sieciach UMTS wykorzystujących wielodostęp WCDMA stosowaną techniką dupleksową jest dupleks częstotliwościowy FDD [3]. Kanały w górę leżą w przedziale częstotliwościowym MHz, kanały w dół są umieszczone w przedziale MHz, a odstęp dupleksowy wynosi 190 MHz [3]. Transmisja w sieciach UMTS 14

15 opartych na WCDMA odbywa się w sposób ciągły [3]. W dziedzinie czasu jest ona podzielona na cyklicznie powtarzające się ramki trwające po 10 ms [3]. Pojedyncza ramka czasowa składa się z piętnastu szczelin o długości 666,7 µs, z których każda umożliwia przesłanie 2560 czipów [3]. Wykorzystanie struktury ramkowo-szczelinowej ma jedynie na celu określenie czasowej organizacji transmisji powtarzających się bloków informacji i nie jest związane z zastosowaną techniką wielodostępu [3]. Technika TD-CDMA jest połączeniem wielodostępu czasowego TDMA i kodowego CDMA, sygnały pochodzące od różnych użytkowników są oddzielone zarówno w dziedzinie czasu jak i kodu [4]. W sieciach UMTS realizowanych w oparciu o TD-CDMA wykorzystywaną techniką dupleksową jest dupleks czasowy TDD, w którym para kanałów dwukierunkowych leży w tym samym kanale częstotliwościowym, lecz każdy z nich znajduje się w innej szczelinie czasowej [3]. Transmisja w tych sieciach jest podzielona w dziedzinie czasu na cyklicznie powtarzające się ramki o długości 10 ms i może odbywać się w jednym z dwóch trybów HCR lub LCR [3]. Transmisja HCR wykorzystuje kanały częstotliwościowe o szerokości 5 MHz [3]. Każda ramka w trybie HCR składa się z piętnastu szczelin czasowych po 666,7 µs, a w każdej szczelinie możliwe jest przesłanie 2560 czipów [3]. W trybie LCR szerokość kanału częstotliwościowego wynosi 1,6 MHz, a ramka czasowa podzielona jest na dwie podramki [3]. Każda podramka składa się z siedmiu szczelin czasowych o długości 675 µs, a w pojedynczej szczelinie możliwe jest przesłanie 684 czipów [3]. Sieci UMTS, w których dostęp do łącza radiowego oparty jest na technice TD-CDMA, działają w pasmach MHz oraz MHz [3]. Długość ciągu rozpraszającego nie jest stała w tych sieciach i może wynosić od 1 do 16 czipów [3]. Niezwykle ważnym zagadnieniem dla systemów realizowanych w oparciu o wielodostęp kodowy CDMA jest regulacja mocy. Celem tej procedury jest optymalizacja poziomu emitowanego sygnału w zależności od zmieniających się warunków ruchowych i propagacyjnych występujących w łączu radiowym [3]. Ponieważ optymalizacja ta dotyczy zarówno sygnałów emitowanych przez nadajniki stacji ruchomych jak i bazowych, więc umożliwia ona uzyskanie założonej jakości transmisji przy przesyłaniu danych w obu kierunkach w górę oraz w dół [3]. Idealna regulacja mocy w pojedynczej komórce ma miejsce, gdy sygnały docierające od stacji ruchomych do stacji bazowej mają równe poziomy [3]. W rzeczywistych sieciach radiowych występują jednak błędy regulacji mocy, które mają 15

16 wpływ na jakość odbioru [3]. Gdy poziom sygnału odbieranego jest wyższy od założonego, jakość odbioru ulega polepszeniu, w przeciwnym przypadku ulega pogorszeniu [3]. Ponieważ w sieciach z rozpraszaniem widma CDMA współdzielonym przez wielu użytkowników zasobem jest moc sygnału [4], więc sieci te są niezwykle wrażliwe na błędy regulacji mocy. W sieciach tych sygnały emitowane od lub do innych użytkowników, zarówno w tej samej komórce jak i komórkach sąsiednich, są traktowane przez pojedynczą stację ruchomą jako zakłócenia [3]. Stacje ruchome znajdujące się w bliskich odległościach od stacji bazowej, poprzez emisję sygnałów o zbyt dużych poziomach mocy, są w stanie zagłuszyć sygnały pochodzące od stacji położonych dalej [3]. Powoduje to zmniejszenie pojemności systemu [3]. Wielkość pojedynczej komórki w takim systemie jest zależna od liczby obsługiwanych w danej chwili użytkowników [3]. Im więcej obsługiwanych użytkowników, tym mniejszy rozmiar komórki [3]. W sieciach UMTS można wyróżnić trzy procedury regulacji mocy [3]. Pierwszą z nich jest regulacja mocy w pętli zewnętrznej. Ma ona na celu określenie wartości kryterium regulacji dla pozostałych procedur w taki sposób, aby uzyskać założoną jakość transmisji [3]. Druga procedura regulacji mocy w pętli otwartej jest stosowana wtedy, gdy stacja ruchoma lub bazowa rozpoczyna transmisję danych [3]. Trzecia procedura szybkiej regulacji mocy w pętli zamkniętej ma bezpośredni wpływ na poziom nadawanego sygnału, gdy połączenie radiowe jest już ustanowione [3]. Kryterium regulacji stanowi w tym przypadku stosunek mocy sygnału użytecznego do zakłóceń SIR [3]. 16

17 Transmisja radiowa zapewnia użytkownikom systemu komórkowego mobilność [3]. Stacje ruchome mogą być obsługiwane w dowolnym miejscu komórki wchodzącej w skład systemu [3]. Ze względu na dużą wrażliwość łącza radiowego na różnego rodzaju zakłócenia oraz zjawiska propagacyjne, transmisja tego rodzaju wymaga stosowania mechanizmów poprawiających efektywność wykorzystania zasobów radiowych [3]. Faktyczna postać tych mechanizmów dla sieci GSM i UMTS jest w dużej mierze zależna od rodzaju stosowanej w danej sieci techniki dostępu do łącza radiowego. Wynikający z zastosowania wielodostępu czasowego TDMA impulsowy charakter transmisji w sieciach GSM powoduje, iż bardzo ważnym zagadnieniem staje się właściwa synchronizacja czasowa pomiędzy pakietami [1]. Informacje przesyłane pomiędzy stacją ruchomą a stacją bazową docierają do celu z pewnym opóźnieniem, którego wartość jest wprost proporcjonalna do odległości, w jakiej znajdują się obie te stacje [1]. Aby nie dopuścić do interferencji międzyszczelinowych (sytuacji, w których szczeliny czasowe, przyznane znajdującym się w różnych odległościach stacjom ruchomym, nakładają się na siebie po dotarciu do stacji bazowej), w sieciach GSM stosuje się mechanizm nadawania z wyprzedzeniem [3]. Sygnał, który ma dotrzeć do stacji bardziej oddalonej, jest nadawany wcześniej niż sygnał przeznaczony dla stacji położonej w bliższej odległości [3]. W celu określenia wartości wymaganego wyprzedzenia czasowego, stacja bazowa oblicza przesunięcie czasowe pomiędzy odebraniem pakietu od stacji ruchomej a jej własnymi pakietami [1]. Następnie obliczona wartość przesyłana jest do stacji ruchomej [1]. W sieciach GSM ochronę przed zakłóceniami oraz zjawiskami propagacyjnymi pogarszającymi jakość transmisji zapewnia odpowiednia struktura przesyłanych informacji, wśród których można wyróżnić pięć typów pakietów [1]. Ich budowę zilustrowano na Rysunku 4. 17

18 Oznaczenia: D pole informacyjne, TS sekwencja treningowa, T bity krańcowe, GP odstęp ochronny, SF znaczniki, liczba pod danym polem oznacza jego rozmiar w bitach. Rysunek 4. Rodzaje pakietów w systemie GSM Dzięki sekwencji treningowej, znanej zarówno w stacji ruchomej jak i w stacji bazowej, możliwe jest korygowanie zniekształceń odbieranego sygnału będących wynikiem zjawiska propagacji wielodrogowej [1]. Zastosowany pomiędzy pakietami odstęp ochronny zapewnia pewien przedział dopuszczalnego błędu dla ustalonej wartości wyprzedzenia czasowego [1]. Jedynym typem pakietu służącym do przesyłania danych wykorzystywanych przez użytkowników sieci GSM jest pakiet podstawowy [1]. Pozostałe typy pakietów są wykorzystywane do celów sygnalizacyjnych [1]. Pierwszy z nich to pakiet korekcji częstotliwości umożliwiający synchronizację częstotliwości w stacji ruchomej z częstotliwością stacji bazowej [1]. Drugi typ pakietu to pakiet synchronizacyjny, który służy do synchronizacji ramkowej stacji ruchomej ze stacją bazową [1]. Kolejnym typem pakietu jest pakiet dostępu wysyłany przez stację ruchomą w celu zgłoszenia żądania dostępu do sieci GSM [1]. Ostatnim typem pakietu jest pakiet pusty, którego budowa jest zgodna ze strukturą pakietu podstawowego [1], jednak zamiast informacji użytecznej pakiet ten zawiera pseudolosową sekwencję bitów [3]. 18

19 W sieciach UMTS, dzięki zastosowaniu techniki wielodostępu kodowego WCDMA, możliwe stało się wykorzystanie zjawiska propagacji wielodrogowej do poprawy jakości odbioru [3]. W sieciach tych używa się odbiorników wielokanałowych typu RAKE, w których poszczególne kanały odbierają repliki sygnału użytecznego [3]. Następnie, po wprowadzeniu odpowiednich opóźnień i korekcji, sygnały te są sumowane [3]. Uzyskana w ten sposób jakość odbioru jest lepsza niż w przypadku odbioru jednokanałowego [3]. Zastosowanie w sieciach UMTS struktury ramkowo-szczelinowej powoduje, iż odbiór transmitowanych danych jest możliwy tylko wtedy, gdy odbiornik jest synchronizowany czasowo z nadajnikiem [3]. Synchronizacja ta przebiega w dwóch etapach [3]. W pierwszym etapie stacja ruchoma odbiera znaną, identyczną dla wszystkich komórek sieci sekwencję bitów, która jest cyklicznie nadawana przez stację bazową w każdej szczelinie czasowej [3]. Dzięki temu możliwe jest ustalenie początków szczelin [3]. W ostatnim etapie synchronizacji czasowej stacja ruchoma podejmuje próbę zdekodowania ciągów bitów nadawanych przez stację bazową [3]. W tym celu porównuje odbierane ciągi ze znanymi sekwencjami dla różnych przesunięć czasowych [3]. Po znalezieniu właściwej sekwencji jest w stanie określić grupę kodową oraz początek ramki [3]. Oprócz opisanej w poprzednim rozdziale procedury regulacji mocy, ważnym zagadnieniem będącym konsekwencją wykorzystania w sieciach UMTS techniki wielodostępu WCDMA, jest synchronizacja ciągów kodowych [3]. Synchronizacja ta jest możliwa dzięki przeprowadzanej przez stację ruchomą analizie danych, które są nadawane przez stację bazową [3]. Dane te zawierają znaną w odbiorniku stacji ruchomej sekwencję bitów [3]. Przed wysłaniem sekwencja ta jest kodowana przy pomocy ciągu kodowego, który należy do ustalonej w ostatnim etapie synchronizacji czasowej grupy kodowej [3]. Stacja ruchoma dekoduje otrzymywane dane przy pomocy kolejnych ciągów kodowych [3]. Porównując otrzymane wyniki ze znaną sekwencją bitów ustala, który z tych ciągów jest używany przez stację bazową [3]. W sieciach komórkowych mobilność stacji ruchomych to nie tylko dowolność położenia w obszarze pojedynczej komórki, lecz również możliwość przemieszczania się w obrębie obszaru składającego się z wielu komórek. Niezwykle ważnym zagadnieniem dotyczącym technicznej realizacji systemu komórkowego są więc procedury przenoszenia połączeń (ang. handover) pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi [3]. W sieciach GSM jedyną wykorzystywaną procedurą tego typu jest twarde przenoszenie połączeń (ang. hard handover) [3]. Cechą charakterystyczną tej procedury jest to, że przed ustanowieniem nowego 19

20 połączenia konieczne jest zerwanie łączności w zwalnianym kanale [3]. W sieciach UMTS oprócz twardego przenoszenia stosuje się również procedurę miękkiego przenoszenia połączeń (ang. soft handover), w której istnieje okres czasu jednoczesnego wykorzystania przez stację ruchomą zarówno zwalnianego jak i nowego kanału częstotliwościowego [3]. Typowe przeniesienie miękkie ma miejsce wtedy, gdy kanały wykorzystywane podczas przeniesienia należą do innych stacji bazowych [3]. Możliwe są też sytuacje, w których kanały te należą do sektorów tej samej stacji bazowej (ang. softer handover) lub należą one do różnych komórek i sektorów jednej ze stacji bazowych (ang. soft-softer handover) [3]. Rysunek 5. Przykładowa realizacja procedury twardego przeniesienia połączenia w systemie UMTS Przykład realizacji procedury twardego przeniesienia połączenia w systemie UMTS zamieszczono na Rysunku 5. W przedstawionej sytuacji połączenie jest przenoszone ze stacji bazowej SB1 do stacji bazowej SB2 pracującej w innym kanale częstotliwościowym [3]. Procedura rozpoczyna się od alokacji zasobów radiowych w docelowej stacji bazowej [3]. Po otrzymaniu komunikatu RADIO LINK SETUP REQUEST (1) stacja bazowa SB2 aktywuje nadajnik oraz odbiornik na zadanych kanałach i przesyła do sterownika sieci radiowej (ang. radio network controller) potwierdzenie (2) [3]. Następnie sterownik sieci radiowej przesyła do stacji ruchomej komunikat PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION (3), w którym znajdują się dane opisujące nowy kanał fizyczny [3]. Po otrzymaniu komunikatu stacja 20

21 ruchoma zwalnia dotychczas wykorzystywane zasoby i rozpoczyna proces synchronizacji ze stacją bazową SB2 na nowoprzydzielonych kanałach [3]. Po zakończeniu tego procesu stacja ruchoma przesyła do sterownika sieci radiowej komunikat PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE (4), po odebraniu którego sterownik sieci radiowej inicjuje zwolnienie zasobów w dotychczas wykorzystywanej stacji bazowej SB1 (5)(6) [3]. Rysunek 6. Przykładowa realizacja procedury dodania łącza podczas miękkiego przeniesienia połączenia w systemie UMTS Algorytm miękkiego przeniesienia połączenia wykorzystuje dwie procedury [3]. Pierwszą wykonywaną procedurą jest procedura dodania łącza (ang. link addition) [3]. Po niej wykonywana jest druga procedura zwolnienie łącza (ang. link removal) [3]. Na Rysunku 6 przedstawiono uproszczony przykład realizacji miękkiego przeniesienia połączeń w sieci UMTS, w którym dla zachowania przejrzystości zamieszczona została wyłącznie procedura dodania łącza. W omawianym przypadku podjęto decyzję o dodaniu do zestawu aktywnego (ang. active set), czyli zbioru komórek w których stacja ruchoma realizuje połączenie, obszaru łączności obsługiwanego przez stację bazową SB2, przy czym zbiór aktywny składał się dotychczas wyłącznie z jednej komórki obsługiwanej przez stację bazową SB1 [3]. Proces rozpoczyna sterownik sieci radiowej od wysłania do dodawanej stacji bazowej komunikatu RADIO LINK SETUP REQUEST (1) [3]. W odpowiedzi stacja bazowa SB2 uruchamia kanał o zadanych w komunikacie parametrach, rozpoczyna odbiór na tym kanale i wysyła 21

22 potwierdzenie do sterownika sieci radiowej (2) [3]. Następnie sterownik sieci radiowej przystępuje do uruchomienia zasobów w sieci stałej dla przenoszonego połączenia, po którym stacja bazowa SB2 rozpoczyna nadawanie [3]. W kolejnym kroku sterownik sieci radiowej poprzez stację bazową SB1 przesyła do stacji ruchomej komunikat ACTIVE SET UPDATE (3) zawierający dane stacji bazowej SB2 [3]. Stacja ruchoma zestawia połączenie do nowej stacji bazowej [3]. Proces ten kończy wysłanie przez stację ruchomą do sterownika sieci radiowej komunikatu ACTIVE SET UPDATE COMPLETE (4) [3]. 22

23 Technologia GPRS reprezentuje ewolucję standardu GSM. Rozszerza zakres jego usług o możliwość transmisji danych w trybie pakietowym. Pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów systemowych w porównaniu do transmisji z komutacją łączy [1]. Łącza radiowe przydzielane są na żądanie i pozostają zajęte wyłącznie na czas transmisji danych [1]. Dzięki temu pojedynczy kanał fizyczny może być wykorzystywany przez wielu użytkowników, którzy przesyłają lub odbierają dane w różnym czasie [1]. Ponadto kanały fizyczne do transmisji w górę i w dół są wykorzystywane jako niezależne zasoby [1]. W czasie gdy jedna szczelina czasowa wchodząca w skład pary dupleksowej służy pewnej stacji ruchomej do odbierania pakietów w łączu w dół, odpowiadająca jej szczelina w łączu w górę może być wykorzystana przez inną stację ruchomą do nadawania danych [1]. Zastosowanie w GPRS transmisji wieloszczelinowej, polegającej na przydzieleniu użytkownikowi więcej niż jednej szczeliny czasowej w ramce TDMA, pozwoliło natomiast na znaczne zwiększenie szybkości transmisji w porównaniu do możliwości jakie oferowały klasyczne sieci GSM [3]. Ewolucja standardu GSM w kierunku GPRS niesie za sobą konieczność przeznaczenia pewnej części dostępnych zasobów radiowych dla ruchu pakietowego, przy czym należy pamiętać, iż im więcej kanałów fizycznych będzie przeznaczonych dla transmisji pakietowej, tym mniej dostępnych będzie kanałów rozmownych [5]. Dlatego też niezwykle ważnym zagadnieniem w sieciach GSM/GPRS jest współdzielenie szczelin czasowych pomiędzy usługami wykorzystującymi transmisję pakietową a usługami działającymi w środowisku z komutacją łączy [5]. Strategia alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS powinna uwzględniać zmiany w czasie zarówno natężenia ruchu pakietowego jak i zmiany ilości aktywnych połączeń głosowych [5]. Jeśli ilość rozmów w sieci wzrasta, ważnym zagadnieniem staje się wówczas utrzymywanie wystarczającej ilości wolnych zasobów, aby możliwe było przyjmowanie kolejnych połączeń głosowych [5]. Analogiczna sytuacja ma miejsce dla wzrastającej liczby połączeń z komutacją pakietów, przy czym dodatkowo bardzo istotna jest tutaj optymalizacja sposobu przydzielania wolnych kanałów radiowych [5]. Wynika to 23

24 z faktu, iż jeśli stacja ruchoma ma mieć przydzielonych kilka szczelin czasowych, to muszą one ze sobą sąsiadować oraz leżeć w tym samym paśmie częstotliwościowym [5]. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo alokacji sąsiednich szczelin czasowych, można zarezerwować pewną pulę zasobów radiowych wyłącznie dla połączeń z komutacją łączy, kolejną pulę tylko dla transmisji pakietowych oraz trzecią pulę dla obu rodzajów ruchu [5]. Wówczas algorytm alokacji zasobów radiowych może wyglądać następująco [5]: Jeśli w sieci ma być ustanowione nowe połączenie głosowe, wówczas przyznawany jest mu kanał fizyczny należący do puli zasobów przeznaczonej dla połączeń z komutacją łączy, przy czym zakłada się ponadto, iż pula ta jest niepusta [5]. Pozwala to na przydzielanie zasobów należących do wspólnej puli innym użytkownikom GPRS podczas trwania połączenia głosowego [5]. Jeśli w sieci ma być ustanowione nowe połączenie głosowe, a pula zasobów radiowych dla połączeń z komutacją łączy jest wyczerpana, wtedy potrzebny kanał fizyczny przydzielany jest ze wspólnej puli [5]. Ważnym zagadnieniem jest w tym przypadku unikanie przypadkowego przydzielania zasobów dla obu rodzajów ruchu [5]. W tym celu zasoby należące do wspólnej puli mogą być alokowane w obrębie pojedynczej ramki TDMA dla połączeń z komutacją pakietów od strony prawej do lewej (co oznacza, iż kolejno przydzielane są szczeliny o coraz niższych numerach), natomiast dla połączeń z komutacją łączy od strony lewej do prawej (co oznacza, iż kolejno przydzielane są szczeliny o coraz wyższych numerach) [5]. Omawiana sytuacja została przedstawiona na Rysunku 7. W ostatnim przypadku, w którym przy ustanawianiu nowego połączenia głosowego obie pule są puste, nadchodzące połączenie głosowe jest albo odrzucane, albo potrzebne zasoby zostają mu przydzielone kosztem uprzedniego zwolnienia części zasobów radiowych należących do puli przeznaczonej dla transmisji pakietowych [5]. W analogiczny sposób przeprowadzana jest alokacja kanałów fizycznych dla ruchu pakietowego [5]. Przedstawiony mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS jest bardzo elastyczny i pozwala na płynne zarządzanie zasobami przeznaczonymi dla ruchu pakietowego [5]. Tylko od operatora danej sieci zależy dobór właściwego rozmiaru poszczególnych pul [5]. W początkowym etapie wprowadzania do sieci komórkowej GSM technologii GPRS, strategia alokacji zasobów radiowych preferuje z pewnością wykorzystanie niewielkiej puli kanałów fizycznych przeznaczonej dla ruchu pakietowego, lecz gdy z czasem natężenie ruchu GPRS w sieci znacząco wzrośnie, wówczas niewątpliwie zwiększeniu musi ulec również rozmiar rozważanej puli [5]. 24

25 Rysunek 7. Mechanizm alokacji zasobów radiowych w sieciach GSM/GPRS Transmisja pakietowa GPRS korzysta z infrastruktury sieci GSM [5]. Aby zintegrować technologię GPRS z istniejącą architekturą GSM, wprowadzono nowe rodzaje węzłów GGSN oraz SGSN. Tworzą one sieć szkieletową (ang. backbone network), opartą na protokole IP [9], w której przesyłane dane tunelowane są za pomocą protokołu GTP [10]. Szczegółowe informacje na temat stosu protokołów GPRS zamieszczono na Rysunku 8. Kolejnym nowym elementem wprowadzonym w trakcie implementacji GPRS jest jednostka PCU, która jest typowo zlokalizowana w stacji bazowej lub kontrolerze stacji bazowych [11]. Węzły GGSN pełnią w sieci GPRS funkcję bram [3]. Zapewniają współpracę z sieciami zewnętrznymi, ukrywając jednocześnie przed nimi infrastrukturę wewnętrzną sieci GPRS [10]. Przechowują dane pozwalające na wyznaczanie pakietom tras do węzłów SGSN, a następnie do stacji ruchomych [3]. Kiedy GGSN odbiera dane adresowane do konkretnego użytkownika, sprawdza czy jego adres jest aktywny. Jeśli tak, to przekazuje dane do SGSN, który obsługuje stację ruchomą danego użytkownika. Jeśli adres nie jest aktywny, to dane są odrzucane [10]. Węzły SGSN realizują procedury związane z obsługą poszczególnych stacji ruchomych [3]. Rejestrują użytkowników w sieci GPRS, są również odpowiedzialne za zarządzanie ich mobilnością [10]. Przechowują informacje związane z położeniem stacji ruchomych oraz zajmują się ich aktualizacją [3]. Gromadzą dane dotyczące aktywnych połączeń, takie jak adresy stacji ruchomej czy adresy bram do sieci zewnętrznych [3]. Kiedy stacja ruchoma wysyła dane do sieci zewnętrznej, w pierwszej kolejności trafiają one do SGSN, który przekazuje je dalej do odpowiedniego GGSN [10]. Węzły SGSN zajmują się również konwersją protokołu IP, wykorzystywanego w sieci szkieletowej, na protokoły 25

26 SNDCP i LLC, które są używane do komunikacji pomiędzy SGSN i stacjami ruchomymi [10]. Jednostka PCU zarządza ruchem pakietowym w radiowej części sieci GPRS [5]. Wyodrębnia, które spośród wysyłanych przez stację ruchomą danych są przeznaczone dla sieci z komutacją łączy, a które mają trafić do sieci pakietowej [12]. Zajmuje się również przydzielaniem kanałów fizycznych dla stacji ruchomej, która zgłosiła żądanie dostępu do sieci GPRS [8]. Warto w tym miejscu wspomnieć, iż procedura dołączenia do domeny pakietowej (ang. GPRS attach) inicjowana jest przez stację ruchomą poprzez wysłanie do węzła SGSN specjalnego komunikatu z żądaniem dołączenia (ang. attach request), zawierającego między innymi identyfikator stacji ruchomej, dane określające możliwości terminala oraz identyfikator obszaru rutowania (ang. routing area identification), w obrębie którego stacja ostatnio przebywała [3]. W celu przekazania do węzła SGSN informacji o rezygnacji stacji ruchomej z usług domeny pakietowej lub też poinformowania stacji ruchomej przez SGSN o odebraniu jej możliwości dostępu do tej domeny, wykonywana jest natomiast procedura odłączenia od domeny pakietowej (ang. GPRS detach) [3]. Odłączenie użytkownika od sieci GPRS może nastąpić w wyniku przesłania do stacji ruchomej lub sieci komunikatu z żądaniem odłączenia (ang. explicit detach) bądź też w sposób domyślny bez informowania stacji ruchomej o tym fakcie (ang. implicit detach) [3]. W tym drugim przypadku przyczyną odłączenia może być polecenie pochodzące z sytemu zarządzania, zdarzenie zgłoszone przez licznik czasu bądź też wystąpienie w sieci awarii [3]. Po odłączeniu stacji węzeł SGSN może, w zależności od implementacji, albo natychmiast usunąć wszystkie dane związane z zakończoną transmisją, albo przechowywać je przez zadany okres czasu, dzięki czemu możliwe jest znaczne uproszczenie procedury ponownego dołączenia użytkownika do sieci [3]. 26

27 Oznaczenia: NS* usługa sieciowa (ang. network service), na przykład Frame Relay, ATM czy IP. Rysunek 8. Stos protokołów GPRS Aby stacja ruchoma mogła określić, w których szczelinach czasowych powinna wysyłać i odbierać swoje dane, jednostka PCU przyznaje jej na czas transmisji dwa identyfikatory USF oraz TFI [8]. Parametry te są umieszczane w nagłówku każdego pakietu, który jest przesyłany do stacji ruchomej. Parametr TFI identyfikuje zasoby przyznane stacji ruchomej dla transmisji łączem w dół [8]. Stacja ruchoma porównuje wartości pola TFI w odbieranych pakietach z wartością przyznanego jej identyfikatora TFI. Jeżeli wartości te są sobie równe, oznacza to, iż dany pakiet jest adresowany właśnie do niej. Ponieważ identyfikator TFI jest pięciobitowy, więc pojedynczy kanał fizyczny służący do transmisji w dół może być teoretycznie współdzielony przez maksymalnie 32 użytkowników sieci GPRS [8]. Pole USF identyfikuje zasoby przyznane stacji ruchomej dla transmisji danych w górę [8]. Stacja ruchoma porównuje wartości pola USF w odbieranych pakietach z wartością przyznanego jej USF. Jeżeli wartości te są sobie równe, oznacza to, iż może wysłać swoje dane. Ponieważ pole USF składa się z trzech bitów, więc jest ono w stanie zaadresować osiem szczelin czasowych [8]. Jeżeli jedna z tych szczelin jest używana przez 27

28 stacje ruchome do zgłaszania żądań dostępu do sieci GPRS, to wtedy pojedynczy kanał fizyczny służący do transmisji w górę może być teoretycznie współdzielony przez maksymalnie siedmiu użytkowników [8]. Technologia GPRS rozszerza zdefiniowaną w standardzie GSM hierarchię ramek wyższego rzędu o nowy rodzaj wieloramek wieloramki 52-ramkowe, które nie do końca pasują do koncepcji superramek [9]. Wynika to z faktu, iż maksymalna liczba wieloramek GPRS wchodzących w skład superramki nie jest liczbą całkowitą i wynosi 25,5 [6]. Struktura wieloramki GPRS została przedstawiona na Rysunku 9. Oznaczenia: B0, B1,, B11 bloki radiowe, S ramka sygnalizacyjna. Rysunek 9. Struktura wieloramki GPRS Pojedyncza wieloramka 52-ramkowa jest podzielona na 12 bloków radiowych, które stanowią podstawową jednostkę alokacji zasobów radiowych w sieci GPRS [6]. Schemat ideowy bloku radiowego GPRS został przedstawiony na Rysunku 10. Każdy z bloków radiowych jest czterokrotnym powtórzeniem tego samego slotu czasowego w czterech kolejnych ramkach TDMA [6]. W każdej wieloramce GPRS znajdują się również cztery ramki TDMA służące do sygnalizacji [6]. Rysunek 10. Schemat ideowy bloku radiowego GPRS 28

29 W sieci GPRS dane użytkowników mogą być kodowane za pomocą jednego z czterech schematów kodowania (ang. coding schemes): CS-1, CS-2, CS-3 lub CS-4. Poszczególne schematy kodowania zapewniają różne poziomy ochrony przeciwko błędom transmisji [5]. Schemat CS-1 zapewnia najwyższy, podczas gdy CS-4 gwarantuje najniższy poziom ochrony [5]. Wysoki poziom ochrony na błędy transmisji gwarantuje mniejszą liczbę retransmisji podczas przesyłania bloków informacji użytkownika. Dzięki temu całkowity czas transmisji ulega skróceniu. Jednak z drugiej strony im wyższy poziom ochrony danego schematu kodowania, tym bardziej zwiększa się ilość nadmiarowych informacji dodawanych do oryginalnych danych. Informacje te również muszą być przesłane. Powoduje to, iż dane użytkownika są wtedy transmitowane z mniejszą przepustowością [5]. Szczegółowe informacje dotyczące szybkości transmisji oferowanych przez poszczególne schematy kodowania zamieszczono w Tabeli 1. Schemat kodowania Szybkość transmisji [kbit/s] CS-1 9,05 CS-2 13,4 CS-3 15,6 CS-4 21,4 Tabela 1. Schematy kodowania używane w sieci GPRS wraz z oferowanymi przez nie szybkościami transmisji W celu zapewnienia bezpieczeństwa transmisji, pakiety w sieciach GPRS są przesyłane w postaci zaszyfrowanej, przy czym wszelkie operacje związane z szyfrowaniem danych są realizowane na poziomie protokołu LLC [8]. Każda ramka LLC, zanim zostanie podzielona na bloki radiowe, jest poddawana procedurze szyfrowania kluczem symetrycznym [5]. Faktyczna realizacja tej procedury polega na wykonaniu operacji XOR pomiędzy bitami wchodzącymi w skład danej ramki LLC a pewnym ciągiem bitów stanowiącym klucz [5]. Do wygenerowania klucza wykorzystywany jest algorytm A5 [5], który jest zaimplementowany zarówno w stacji ruchomej jak i po stronie węzła SGSN [8]. Dane użytkowników sieci GPRS są więc przesyłane w postaci zaszyfrowanej nie tylko w interfejsie radiowym, jak to ma miejsce w klasycznych sieciach GSM z komutacją łączy, lecz są zabezpieczone przed niepowołanym dostępem również podczas transmisji pomiędzy stacją bazową a węzłem SGSN [8]. 29

30 Technologia GPRS określa wymagania stawiane poziomom jakości QoS transmisji pakietowej w postaci zestawu atrybutów [10]. W początkowych wersjach systemu (Release 97/98) są to następujące klasy atrybutów [5]: klasa pierwszeństwa (ang. precedence class), klasa niezawodności (ang. reliability class), klasa szczytowej przepustowości (ang. peak throughput class), klasa średniej przepustowości (ang. mean throughput class), klasa opóźnienia (ang. delay class). Klasa pierwszeństwa określa priorytet pakietu [5], który może przyjąć jedną z trzech wartości: niski poziom pierwszeństwa (ang. low precedence level), zwykły poziom pierwszeństwa (ang. normal precedence level) lub wysoki poziom pierwszeństwa (ang. high precedence level) [10]. W przypadku pogorszenia jakości transmisji pakiety o niższym poziomie pierwszeństwa są odrzucane jako pierwsze [1]. Klasa niezawodności wskazuje natomiast na prawdopodobieństwo wystąpienia takich błędów transmisji jak: zgubienie pakietu, dostarczenie sekwencji pakietów w nieodpowiedniej kolejności, uszkodzenie przesyłanych danych czy dwukrotne dostarczenie tego samego pakietu [10]. Klasa szczytowej przepustowości określa z kolei maksymalną oczekiwaną szybkość transmisji (od 8 do 2048 kbit/s) [5]. Klasa średniej przepustowości przedstawia oczekiwania odnośnie średniej szybkości przesyłania danych (od 0,22 bit/s do 111 kbit/s) [5]. Klasa opóźnienia określa dopuszczalne wartości średniego i 95-procentowego opóźnienia transmisji, w zależności od długości przesyłanych pakietów [1]. Na opóźnienie to składają się: czas oczekiwania na dostęp do kanału radiowego (w łączu w górę lub w dół ), opóźnienia związane z transmisją poprzez interfejs radiowy oraz opóźnienia związane z transmisją poprzez infrastrukturę sieci GPRS [1]. Opóźnienia wprowadzane przez sieci stałe lub inne stacje ruchome nie są uwzględniane [1]. Szczegółowe informacje dotyczące klas opóźnień zdefiniowanych w GPRS zamieszczono w Tabeli 2. 30

31 Długość pakietów Klasa 128 bajtów 1024 bajty Średnie Średnie 95% opóźnienie opóźnienie opóźnienie 95% opóźnienie 1 0,5 s 1,5 s 2 s 7 s 2 5 s 25 s 15 s 75 s 3 50 s 250 s 75 s 375 s 4 nie podaje się Tabela 2. Klasy opóźnień zdefiniowane w GPRS W późniejszej wersji systemu GPRS (Release 99) zmieniono dotychczasowy zestaw atrybutów określający wymagania QoS na identyczny do tego, który został zdefiniowany dla standardu UMTS [5]. Można zatem wyróżnić następujące klasy QoS (zwane również klasami ruchu) [10]: klasa konwersacyjna (ang. conversational class), klasa strumieniowa (ang. streaming class), klasa interaktywna (ang. interactive class), klasa drugoplanowa (ang. background class). Podstawowym kryterium przynależności do danej klasy usług jest jej wrażliwość na opóźnienia transmisji [3]. Dwie pierwsze klasy opisują wymagania stawiane usługom realizującym transmisję w czasie rzeczywistym [3]. Klasą najbardziej wrażliwą na opóźnienia transmisji jest klasa konwersacyjna [10]. Pozostałe klasy przewidziano głównie do realizacji dostępu do Internetu, przy czym klasa interaktywna wymaga szybszej transmisji w odpowiedzi na polecenia użytkownika [3]. Do klasy drugoplanowej należą usługi realizowane w tle, na przykład czy pobieranie plików danych [3]. Poszczególne klasy QoS zdefiniowane w systemie UMTS mogą być scharakteryzowane za pomocą pokaźnego zestawu atrybutów, przy czym nie wszystkie z tych atrybutów muszą być w danej klasie określone [3]. Przykładowe wartości podstawowych atrybutów zamieszczono w Tabeli 3. 31

32 Klasa QoS Maksymalna Gwarantowana Opóźnienie przepływność przepływność transmisji konwersacyjna do określenia < 100 ms strumieniowa do określenia ( < 2048 bit/s) < 280 ms interaktywna ( < 2048 bit/s) drugoplanowa nie definiowana nie definiowana Tabela 3. Wybrane atrybuty poszczególnych klas QoS zdefiniowanych w systemie UMTS Transmisja pakietowa GPRS definiuje 29 kategorii stacji ruchomych, które są określane mianem klas wieloszczelinowych (ang. multislot classes) [6]. Szczegółowe informacje na temat poszczególnych kategorii zostały zamieszczone w Tabeli 4. Kategorie te określają konfigurację transmisji wieloszczelinowej, w tym między innymi maksymalną ilość szczelin czasowych przeznaczonych dla transmisji w dół oraz w górę [6]. Wśród wszystkich kategorii stacji ruchomych można ponadto wyróżnić dwa typy urządzeń typ 1 oraz typ 2 [6]. Przynależność danej stacji ruchomej do typu 1 oznacza, iż nie jest ona w stanie w tym samym czasie nadawać oraz odbierać informacji [6]. Stacje ruchome typu 2 są z kolei przeciwieństwem urządzeń typu 1, gdyż umożliwiają przeprowadzenie równoczesnej transmisji danych w obu kierunkach, zarówno od jak i do stacji bazowej [6]. W sieciach GSM/GPRS zachodzi dodatkowo konieczność dalszego podzielenia wszystkich stacji ruchomych na trzy rozłączne klasy urządzeń klasę A, klasę B oraz klasę C [6]. Stacje ruchome klasy A pozwalają na jednoczesną pracę w obu rodzajach sieci, zarówno GSM jak i GPRS [6]. Natomiast urządzenia należące do klasy B mogą być co prawda równocześnie podłączone do sieci GSM oraz GPRS, ale nie mogą jednocześnie pracować w obu tych sieciach [6]. Do kategorii C należą z kolei stacje ruchome, które w danym czasie mogą być podłączone wyłącznie do jednego rodzaju sieci albo GSM, albo GPRS, przy czym wybór preferowanej sieci może być dokonany ręcznie przez użytkownika [10]. Przyjmując, iż transmisja danych odbywa się przy sprzyjających warunkach transmisyjnych (bez retransmisji i bez współdzielenia kanałów z innymi użytkownikami), przy jednoczesnym wykorzystaniu wszystkich ośmiu szczelin czasowych ramki TDMA oraz schematu kodowania CS-4, maksymalną osiąganą teoretycznie przepustowość w sieci GPRS można wyznaczyć jako 8*21,4 kbit/s czyli 171,2 kbit/s. 32