EWOLUCJA SYSTEMÓW TELEFONII KOMÓRKOWEJ

Transkrypt

1 mgr inż. Robert Krawczak Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji ul. Gen. S.Kaliskiego 2, Warszawa tel.: , fax: , Konferencja naukowo-techniczna Dzisiejsze spojrzenie na spuściznę Nikoli Tesli, Warszawa, Muzeum Techniki, listopada 2007 r. EWOLUCJA SYSTEMÓW TELEFONII KOMÓRKOWEJ 1. Geneza systemów radiokomunikacji ruchomej Pierwsze systemy radiokomunikacji ruchomej powstawały na potrzeby związane z zapewnieniem łączności organizacjom bezpieczeństwa i porządku publicznego (wojsko, policja). Wykorzystywały sieci radiowe tworzone w oparciu o mobilne wersje radiostacji lub radiotelefonów. Początek zastosowań cywilnych szacowany jest na lata 50-te [3], w których po raz pierwszy na szeroką skalę zaczęto wdrażać je w przedsiębiorstwach komunikacyjnych (w szczególności korporacjach taksówkowych) oraz ratownictwie (straż pożarna, pogotowie ratunkowe). Były to oczywiście rozwiązania oferujące wyłącznie analogową transmisję sygnału mowy. Najczęściej stanowiły wydzielone sieci z pokryciem radiowym o charakterze wyspowym w obrębie dużych aglomeracji oraz sieci organizowane doraźnie na czas transportu. Do lat 70- tych jedynymi zmianami, jakie dotyczyły tych systemów było zwiększanie obszarów pokrycia, niewielkie zmiany konstrukcyjne urządzeń wynikające z postępu technologicznego oraz tendencje do tworzenia stacjonarnych punktów styku z klasyczną siecią telefoniczną. Wiele wad tych rozwiązań (pokrycie radiowe, pojemność systemu oraz m.in. parametry urządzeń abonenckich waga, rozmiary, czas pracy itp.) spowodowały powstanie nowej rodziny - systemów przywoławczych, których wprowadzenie przypada na rok Ich zadaniem było dostarczenie informacji jednokierunkowo do abonenta systemu, jednakże proste odbiorniki mogły działać zdecydowanie dłużej, były tanie w produkcji, a bardzo duży zasięg zapewniały sieci radiofoniczne dodające informacje przywoławcze do emitowanego sygnału radiowego. 2. Systemy pierwszej generacji Koniec lat 70-tych spowodował implementację dotychczasowych rozwiązań w postaci rozszerzenia możliwości stacjonarnych systemów telefonicznych. Bazując na rozbudowanej sieci telefonii przewodowej można było osiągnąć łączność z abonentami mobilnymi poprzez dodanie podsystemu stacji bazowych zapewniających komunikacją bezprzewodową na dużych obszarach. Sukcesy pierwszych takich systemów zaowocowały powstaniem standardów telefonii komórkowej pierwszej generacji takich jak: Radiocom 2000 (opracowany w 1980 roku we Francji i w pełni funkcjonujący od roku 1986), NMT (opracowany w końcu lat 70-tych i uruchomiony w 1981 roku na terenie państw skandynawskich), AMPS (opracowany w połowie lat 70-tych i uruchomiony w 1978 roku w Stanach Zjednoczonych) [3]. Dalszej ewolucji ulegały także do-

2 tychczasowe rozwiązania radiotelefoniczne, które przerodziły się w systemy trankingowe dzięki opracowaniu w końcu lat 70-tych standardu MPT. Na terenie Europy największą popularność zdobył system skandynawski NMT. W Polsce, w 1992 roku wdrożony został w wersji NMT 450i. Jest to system analogowy przystosowany do pracy w paśmie 450 MHz. Stanowi połączenie rozwiązań zaczerpniętych z oryginalnego systemu NMT 450 oraz jego nowszej wersji przeznaczonej na wyższy zakres częstotliwości NMT 900. Najważniejsze różnice pomiędzy NMT 450, a NMT 450i dotyczą: wykorzystania przesunięcia 20 (z oferowanych 180) kanałów częstotliwościowych w inny zakres, modyfikacji protokołów sygnalizacji w kanale radiowym, wyświetlania w terminalu kodu obszaru centralowego, wprowadzenia kompandorów zapewniających poprawę jakości transmisji sygnałów mowy, zastosowania procedury identyfikacji abonenta. Elementy składowe systemu stanowią: centrala systemu radiokomunikacyjnego MTX - odpowiedzialna za sterowanie ruchem w podsystemie obsługującym abonentów ruchomych i dołączenie do publicznej sieci telefonicznej, stacje bazowe - zapewniające komunikację central MTX ze stacjami ruchomymi MS poprzez interfejs radiowy, stacje ruchome MS terminale będące urządzeniem abonenckim. MT PSTN MT Rysunek 1. Architektura systemu NMT Zakres usług oferowanych przez system NMT jest w porównaniu do nowoczesnych systemów cyfrowych bardzo ubogi i obejmuje: transmisję głosu, także trójstronną, transmisje danych i faksów 600 bit/s, przesyłanie sygnalizacji DTMF, realizację połączeń priorytetowych (kosztem zajętości zasobów), pocztę głosową,

3 wymianę wiadomości SMS (bez wyzwalania po zmianie statusu abonenta na aktywny) i prezentację numeru abonenta wywołującego (wybrane terminale), obsługę kodów sieci (zarządzanie przekazywaniem połączeń). Udogodnienia zawarte w terminalach NMT są w zasadzie podobne jak w rozbudowanych telefonach przewodowych. Ze względu na skromne usługi zapewniane przez sieć oraz stosunkowo wysokie wówczas ceny terminali i usług nie były wyposażane w powszechne dzisiaj dodatki. Rysunek 2. Telefony standardu NMT450 Aktualnie wykorzystywana jest wersja NMT 450i+ systemu. Platforma plus pozwala niezauważalnie dla użytkownika wymieniać numer identyfikacyjny SIS telefonu z centralą, nie wymaga blokowania kanału na czas realizacji transmisji danych, i pozwala na uzyskiwanie szybkości do 9600 bit/s, ułatwia zestawianie połączeń konferencyjnych. System ma funkcjonować do roku 2010, obecnie w większości przypadków zapewnia łączność na terenach, na których ze względów ekonomicznych nie opłaca się budować linii przewodowych (oddalone pojedyncze instalacje abonenckie) lub gdzie jest to niemożliwe (obszary morskie). 3. Systemy drugiej generacji Popularność analogowych systemów telefonii komórkowej, silny rozwój systemów specjalizowanych takich jak systemy przywoławcze i trankingowe oraz postęp technologiczny umożliwiający konstruowanie urządzeń całkowicie cyfrowych spowodował, że pod koniec lat 80-tych rozpoczęto prace nad nową generacją systemów. Miały one zapewnić całkowicie nową jakość usług eliminując wady rozwiązań analogowych, implementując standardy zapożyczone z innych systemów oraz wprowadzając nowe usługi. Dla abonenta oznaczało to znaczący wzrost atrakcyjności rozwiązań mobilnych, poprawę dostępności, jakości i bezpieczeństwa usług oraz miniaturyzację urządzeń. Zastosowanie zaawansowanych technik wielodostępu pozwoliło także na zdecydowane zwiększenie pojemności sieci. Skutkiem tego było funkcjonowanie w latach 90-tych wielu systemów cyfrowych m.in. komórkowych: GSM, DCS, IS-95, D-AMPS, PDC, trankingowych TETRA i TETRAPOL, przywoławczych ERMES i telefonii bezprzewodowej DECT. Na obszarze europejskim rozpoczęto uruchamianie systemu GSM w roku 1989, rok po opublikowaniu pierwszej wersji standardu (faza 1) zorientowanej na jednozakresową pracę umożliwiającą transmisję

4 głosu. W Polsce sieć GSM uruchomiona została w roku 1996, co umożliwiło instalację jej w tzw. fazie 2 rozwoju (wersja 900 i 1800 MHz z usługą transmisji danych). Początkowo wyróżniano poszczególne zakresy oznaczając je GSM, DCS i PCS. Ostatecznie, z uwagi na różnice występujące jedynie w parametrach radiowych przyjęto jednolite nazewnictwo (aktualnie: GSM 400, GSM 700, GSM 850, GSM 900, E-GSM, GSM 1800, GSM 1900, GSM-R). Podstawowe zmiany dotyczące możliwości systemu w stosunku do rozwiązań pierwszej generacji obejmują: oddzielenie funkcji telefonu od uprawnień użytkownika (karta SIM), kodowanie cyfrowe głosu, integrację podstawowych usług z siecią (przesyłanie faksu, krótkich wiadomości tekstowych, poczta głosowa, identyfikacja numeru dzwoniącego abonenta), rozszerzenie możliwości usługi transmisji krótkich wiadomości (EMS), wprowadzenie dodatkowych elementów infrastruktury sieci odpowiedzialnych za przechowywanie i śledzenie informacji o położeniu terminala, pomocne w utrzymywaniu odpowiedniej jakości transmisji podczas przemieszczania się abonenta, zapewnienie możliwości korzystania z usług w obcych sieciach GSM (roaming), zwiększenie efektywności wykorzystania pasma (FDMA+TDMA oraz możliwości pracy w szczelinach połówkowych - do 16 rozmów na jednej częstotliwości), wprowadzenie procedur zwiększających bezpieczeństwo (szyfrowanie transmisji w kanale radiowym, kontrola numeru IMEI, zabezpieczenie dostępu poprzez PIN). Elementy składowe systemu fazy 2 stanowią [1]: centrala systemu MSC lub centrala z funkcją sprzęgu tranzytowego i obsługi rejestrów abonentów obcych GMSC - odpowiedzialna za zestawianie połączeń i koordynacje współpracy pomiędzy elementami sieci oraz współpracę z publiczną siecią telefoniczną, rejestr stacji własnych HLR - przechowujący informacje o abonentach, którzy należą do danej sieci (numer IMSI, MSISDN, informacje o wykupionych usługach, informacje o centrali MSC, które aktualnie obsługuje abonenta i informacje o jego statusie), rejestr stacji obcych - przechowujący informacje o abonentach, którzy w danym momencie znajdują się na obszarze obsługiwanym przez centralę nie będącą centralą macierzystą, centrum uwierzytelniania AuC przechowujące dane abonentów sieci, na podstawie których dokonuje uwierzytelnienia numeru IMSI, centrum obsługi komunikatów SMSC - biorące udział w przesyłaniu komunikatów SMS i EMS pomiędzy abonentami oraz przechowujące wiadomości, które nie mogły być w danej chwili dostarczone, sterowniki stacji bazowych C - odpowiedzialne za zarządzanie parametrami poszczególnych stacji bazowych, przydział zasobów radiowych oraz śledzenie jakości rozmowy, a także transmisję danych pomiędzy stacjami bazowymi i pozostałymi elementami sieci,

5 stacje bazowe - zapewniające komunikację ze stacjami ruchomymi MS poprzez interfejs radiowy, stacje ruchome MS terminale będące urządzeniem abonenckim. SMSC C MSC C PSTN GMSC C HLR AuC Rysunek 3. Architektura systemu GSM faza 2 SMSC C MSC C PSTN SGSN GMSC C HLR AuC GGSN IP Rysunek 4. Architektura systemu GSM faza 2+ W toku kontynuacji prac nad standardem GSM wprowadzono możliwość transmisji danych w szczelinach połączonych (HSCSD) oraz tzw. inteligentny roaming (CAMEL). Zapożyczono także roz-

6 wiązania z zakresu transmisji pakietowej stosowane w sieciach komputerowych standaryzując transmisję GPRS - dodano węzły: SGSN kontrolujący ruch i uwierzytelnianie terminali od strony sieci IP oraz GGSN działający jako router łączący sieć GPRS z otoczeniem IP. Ponadto w sterowniki stacji bazowych wbudowano jednostki PCU (ang. Packet Control Unit) przydzielające terminalom GPRS kanały radiowe, odpowiedzialne za prawidłową obsługę ruchu pakietowego w radiowej części sieci. Zakres usług oferowanych przez system GSM jest zdecydowanie bogatszy od tych, które mogły zaoferować systemy pierwszej generacji. Wynika to z faktu współdziałania z sieciami IP oraz wykorzystywania bardzo dobrych procedur zarządzających zasobami. Najciekawsze z nich prócz wymienionych wcześniej obejmują: dostęp do sieci Internet, serwisy WAP, informację o lokalizacji abonenta, usługi strumieniowej transmisji video, lokalne serwisy informacyjne, wiadomości MMS, realizację płatności elektronicznych. Dla większości abonentów aktualnie oferowane przez system GSM usługi są wystarczające, zwłaszcza, gdy pod uwagę weźmiemy zastosowanie technologii EDGE pozwalającej obecnie na uzyskanie szybkości transmisji do 296 kbit/s (5 kanałów, schemat kodowania MCS-9). Szeroki zakres usług dostępnych w systemie GSM spowodował znaczącą rozbudowę funkcji telefonów. Pojawiły się funkcje notatnikowe, budziki, dodatkowe media łączności (IrDA, Bluetooth), obsługa poczty elektronicznej, przeglądarki HTML, odtwarzacze video i wiele innych związanych bardziej z informatyką oraz rozrywką. Rysunek 5. Telefony systemu GSM fazy 2

7 Rysunek 6. Telefony systemu GSM fazy Systemy trzeciej generacji Generacja druga oprócz wprowadzenia techniki cyfrowej szczególny nacisk położyła na modyfikację sieci szkieletowej (ang. Core Network) stąd powstanie szeregu równoległych standardów. Stanowi to problem dla abonenta, który oczekiwałby zaawansowanych usług, ale przy korzystaniu z jednego terminala w dowolnym miejscu globu. Dlatego wprowadzono w systemach trzeciej generacji segment satelitarny stanowiący rodzaj komórki parasolowej obejmującej swym zasięgiem tereny niedostępne dla naziemnych stacji bazowych. Ponadto przewidziano możliwość transmisji szerokopasmowej definiując nowe rozwiązania sieci radiowej (ang. Radio Access Network) wykorzystującej technikę WCDMA. Podstawowe zmiany dotyczące możliwości systemu w stosunku do rozwiązań drugiej generacji obejmują: globalny zasięg łączności, nowe procedury zabezpieczeń: szyfrowania, autentykacji abonenta i sieci, kontroli integralności danych zwiększenie maksymalnej szybkości transmisji do 2 Mbit/s, zaawansowane usługi lokalizacyjne i nawigacyjne, rozbudowane usługi multimedialne (wideotelefon, wideokonferencje, telewizja, radio, muzyka), zwiększenie efektywności wykorzystania pasma (różne techniki wielodostępu oraz kodowanie adaptacyjne i zaawansowane sterowanie mocą). Trzecia generacja systemów telefonii komórkowej wprowadza do architektury systemu elementy [2]: podsystem satelitarny SS odpowiedzialny za pokrycie globalne usługami, kontrolery radiowe RNC - odpowiedzialne za zarządzanie parametrami węzłów dostępu radiowego (stacji bazowych), przydział zasobów radiowych, kontrolę jakości transmisji, węzły dostępu radiowego Node-B - zapewniające komunikację z urządzeniami ruchomymi UE poprzez interfejs radiowy WCDMA, wyposażenia abonenckie UE dowolne urządzenia zawierające terminale UMTS.

8 SS Node-B SMSC Node-B C MSC RNC PSTN SGSN GMSC C HLR AuC GGSN IP Rysunek 7. Architektura systemu UMTS Koegzystencja systemów GSM i UMTS spowodowała kolejną rozbudowę funkcjonalności telefonów. Oprócz zaawansowanych funkcji zarządzania informacjami terminale zapewniają możliwości stanowiące dopełnienie usług transmisji multimedialnych i usług lokalizacyjnych. W najnowszych produktach trudno znaleźć taki, który nie posiada wbudowanego aparatu fotograficznego, kamery, odtwarzacza plików multimedialnych każdy z nich jest obecnie urządzeniem wielofunkcyjnym. Rysunek 8. Telefony z możliwością pracy w standardzie UMTS

9 5. Światowe tendencje rozwojowe systemy kolejnych generacji Celem rozwoju sieci telekomunikacyjnych w kierunku sieci następnej generacji NGN (ang. Next Generation Network) jest konwergencja usług telefonicznych z transmisją danych zapewniana przez szybkie wielousługowe sieci szkieletowe. Różnica szybkości transmisji pomiędzy systemami drugiej i trzeciej generacji nie jest znacząca dla abonentów ruchomych i często niewystarczająca dla dynamicznie rozwijających się technologii. Dlatego w kolejnych systemach położony zostanie nacisk przede wszystkim na większą integrację urządzeń wykorzystujących różne standardy (WiMAX, Wi-Fi, WCDMA) oraz zwiększenie szybkości transmisji do 155 Mbit/s w zakresach mikrofalowych do 60 GHz. Zastosowana zostanie technika MIMO (ang. Multiple Input Multiple Output), Wzrost efektywności widmowej uzyskany zostanie także dzięki stosowaniu skomplikowanych modulacji wyższego rzędu a szerokie pasmo pracy dzięki technice OFDM (ang. Orthogonal Frequency Division Multiplexing). W dziedzinie terminali możemy oczekiwać dalszej miniaturyzacji, zwiększenia pojemności obsługiwanej pamięci, wprowadzenie na szeroką skalę technologii OLED, wbudowywania bardziej zaawansowanych urządzeń multimedialnych. Literatura: 1. K. Wesołowski, Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa 1998; 2. J. Kołakowski, J. Cichocki, UMTS System telefonii komórkowej trzeciej generacji, WKŁ, Warszawa 2003; 3. S. Tabbane, Handbook of Mobile Radio Networks, Artech House Publisher, London 2000;