Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Wykład 3,4 Marcin Tomana WSIZ 2003
Ogólna Tematyka Wykładu Telefonia cyfrowa Charakterystyka oraz zasada działania współczesnych sieci komórkowych Ogólne zasady przetwarzania sygnałów w sieciach komórkowych Transmisja danych w systemach GSM Telefonia komórkowa 3G - UMTS Technologie SMS, MMS Praktyczny monitoring sieci GSM [2/49]
Materiały do wykorzystania Książka autorstwa B.Mandzij, M.Tomana Bezprzewodowe Sieci Komputerowe, WSIZ 2001 Witryna edukacyjna WSIZ autorstwa M.Tomana http://www.bsk.tomana.net Gazeta NetWorld (numery:7/97, 5/99, 3/01 10/02, 1/03) Witryny w internecie: www.gsm.org www.gnokii.org [3/49]
Telefonia cyfrowa DECT Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Marcin Tomana ()
Zasada działania telefonii bezprzewodowej DECT
Charakterystyka systemu DECT (Digital Enhanced Codless Telecommunications) Transmisja na odległość kilkuset metrów od stacji bazowej (możliwe od kilkunastu metrów do kilku kilometrów) Najczęściej stosowany jako bezprzewodowy telefon domowy Możliwe stosowanie jako dostęp do LAN Uzupełnienie systemów komórkowych Stacje bazowe tworzą mikrokomórki [6/49]
Architektura Systemu DECT CCFP (Central Control Fixed Part) centrum sterowania RFP (Radio Fixed Parts) stacje bazowe PP (Portable Parts) stacje ruchome Część stała CCFP Do innych systemów telekomunikacyjnych RFP RFP RFP PP PP PP PP PP PP PP PP PP PP Części ruchome [7/49]
Charakterystyka techniczna Pasmo częstotliwości 1880-1900MHz 10 kanałów częstotliwościowych o szerokości 1,728MHz Kanał dzielony jest na 12 szczelin czasowych dla każdego kierunku Dwukierunkowość uzyskuje się metodą podziału czasu (TDD) Czas trwania szczeliny 417ms. (365ms - informacje, 52ms przedział ochronny) 480 bitów w szczelinie (324 bitów danych) [8/49]
Struktura ramek TDMA [9/49]
Transmisja mowy w DECT 13-bitowy przetwornik A/C Częstotliwość próbkowania 8kHz Kodowanie z wykorzystaniem adaptacyjnej, różnicowej modulacji impulsowo-kodowej (ADPCM) Przepływność kodera 32kbit/s Przepływność strumienia 1,152Mbit/s Modulacja metodą GMSK Dopuszczalna prędkość poruszania się stacji ruchomej to 20km/h [10/49]
Przydział kanałów w DECT Zasada dynamicznego przydziału kanałów Stacja ruchoma przegląda całe dostępne pasmo i dostraja się do najlepiej odbieranej stacji bazowej i ustala najlepszy kanał fizyczny tej stacji. Stacja bazowa przydziela wolny kanał. Stacja ruchoma może znaleźć lepszy kanał i zgłaszać żądanie Istnieje możliwość zmiany stacji bazowej Przydzielanie wielu kanałów W transmisji danych cyfrowych do 552kbit/s [11/49]
Zastosowania DECT Mieszkanie prywatne 2-8 telefonów, przekazywanie połączeń, bezpłatny interkom Biuro swobodne przemieszczanie się pracowników, połączenie wewnętrzne Przyłącza do LAN Systemy radiowego dostępu abonenckiego SRDA syst. o podwyższonej mocy (250mW) dla rozległego środowiska wiejskiego o małej gęstości ruchu [12/49]
PODSUMOWANIE 1. Ogólna charakterystyka systemu 2. Architektura systemu DECT 3. Charakterystyka techniczna systemu DECT 4. Przydział kanałów w DECT 5. Transmisja mowy w DECT 6. Zastosowania DECT
Sieci komórkowe GSM Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Marcin Tomana ()
Zasada działania sieci komórkowej GSM
Charakterystyka GSM (Global System for Mobile Communications) Sieci komórkowe są odmianą systemów telefonii cyfrowej Główne przeznaczenie to transmisja głosu (w postaci cyfrowej) Duża dostępność, niskie koszty sprzętu i usług [16/49]
Zasada działania sieci komórkowych Zajmowane pasmo częstotliwości radiowych podzielono na zbiór częstotliwości nośnych Obszar działania sieci podzielone na fragmenty (komórki) Każda komórka zawiera stację bazową Różne komórki wykorzystują różne częstotliwości nośne (1 komórka 1-16 częstotliwości) Terminal komórkowy porównuje poziom sygnału z różnych komórek Łącze dwukierunkowe z rozdziałem częstotliwości dla kierunku w dół i w górę [17/49]
Elementy funkcjonalne systemu GSM Stacje ruchome ME (ME+SIM) ME (Mobile Equipment), SIM (Subscriber Identity Module) Centrala systemu ruchomego MSC MSC (Mobile Switching Centre) komutacja między abonamentami Centrala transportowa GMSC GMSC (Gateway Mobile Station Switching Centre) komutacja między abonamentami sieci zewnętrznych Rejestry stacji własnych i obcych HLR (Home Location Register), VLR (Visitors Location Register) informacja o położeniu terminala Centrum Identyfikacji AuC AuC (Authentification Centre) identyfikacja abonenta Rejestr identyfikacji wyposażenia EIQ EIQ (Equipment Identification Register) identyfikacja stacji Centrum eksploatacji i utrzymania OMC utrzymanie zasad eksploatacji oraz utrzymanie w stanie roboczym systemu [18/49]
Architektura systemu GSM [19/49]
Wersje systemu GSM Wersja Szerokość pasma [MHz] Liczba kanałów Numeracja kanałów, n Częstotliwość widma kanałów [MHz] GSM900 25 124 1 do 124 w górę : 890 + 0,2 n w dół : 935 + 0,2 n GSM1800 75 374 512 do 885 w górę : 1805 + 0,2 (n 511) w dół : 1710 + 0,2 (n 511) E-GSM 35 174 975 do 1023 w górę : 890 + 0,2 (n 1024) w dół : 935 + 0,2 (n 1024) System GSM1900 jest analogiczny do 1800 tylko że wykorzystuje częstotliwości o 100Mhz wyższe [20/49]
Charakterystyka techniczna GSM Szerokość pasma częstotliwościowego kanału to 200kHz Przedziały ochronne o szerokości 100kHz W kanale 8 kanałów rozmówniczych Jednostki transmisji to ramki TDMA Największa dopuszczalna prędkość stacji ruchomej to 250km/h (GSM900) i 130km/h (GSM1800) W kanałach fizycznych kanały logiczne dla: sygnałów mowy i sterujących, danych użytkownika, inf. wewn. GSM [21/49]
Ramki TDMA w GSM (Time Division Multiple Access) Ramka TDMA 8 szczelin czasowych w określonym kanale częstotliwości Długość ramki 4,615ms Długość szczeliny - 577µs W poszczególnej szczelinie pakiet 148bitów Czas trwania pakietu to 546µs Odstęp ochronny pomiędzy pakietami to ok. 30µs [22/49]
Pakiety w ramkach TDMA Pakiet podstawowy sygnały mowy lub dane Pakiet korekcji częstotliwości synchronizacja częstotliwości terminala Pakiet synchronizujący synchronizacja ramkowa Pakiet odstępu ustalenie odległości od stacji oraz wyprzedzenia przy nadawaniu Pakiet zastępczy [23/49]
Budowa hiperramek TDMA Wieloramka 26 ramek z sygnałem mowy lub 51 ramek z sygnałami sterującymi Superramka 1326 ramek (51 wieloramek mowy lub 26 wieloramek sterujących) Hiperramka 2048 superramek Czas trwania ok. 3.5h [24/49]
Transmisja głosu w sieciach komórkowych GSM
Transmisja głosu w GSM Niewielka przepływność strumienia binarnego efektywne wykorzystanie zasobów radiowych Jakość transmisji porównywalna z systemami analogowymi (przy transmisji głosu) Ograniczenie transmisji w momentach, gdy abonent jest chwilowo nieaktywny [26/49]
Etapy przetwarzania sygnału mowy w GSM Sygnał mowy Digitalizacja i kodowanie mowy Kodowanie kanałowe Przeplot Szyfrowanie Modulacja Kanał radiowy Demodulacja Rozszyfrowanie Rozplot Dekodowanie kanałowe Dekodowanie mowy [27/49]
Digitalizacja sygnału mowy Ograniczenie pasmowe (do 4kHz) Próbkowanie z częstotliwością 8kHz (okres T=125µs) Próbki są kwantowane w 13bitowym przetworniku A/C Przepływność strumienia na wyjściu przetwornika A/C to 104kbit/s (8000 13) Dzielony na bloki po 160 próbek fragment mowy 20ms (ramki sygnału mowy) Kompresja mowy do strumienia 13kbit/s Każdy fragment mowy o długości 20µs to ramka 260 bitów na wyjściu (50 ramek/sek.) [28/49]
Kodowanie kanałowe Zabezpieczenie przesyłanej informacji przed wpływem zakłóceń Wprowadzenie bitów dodatkowych do wykrywania i poprawy błędów Całkowicie inny w transmisji danych i mowy Z wejściowych 260 bitów robi się 456 bitów Przepływność z 13kbit/s robi się 28,8kbit/s Nazwa grupy bitów liczba bitów zabezpieczenie liczba bitów po kodowaniu klasa I a 50 kod blokowy i kod (50+3) 2=106 splotowy klasa I b 132 kod splotowy 132 2=264 bity O 4 kod splotowy 4 2=8 Klasa II 78 78 Razem: 260 bitów Razem: 456 bitów [29/49]
Modulacja w systemie GSM Binarna modulacja GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) binarne kluczowanie częstotliwości z gaussowskim kształtowaniem impulsów z ciągłą fazą Wielowartościowa modulacja na obecnym poziomie technologicznym niemożliwa Ramki TDMA na wejściu to 1250bitów przepływność 270,8kbit/s [30/49]
Transmisja danych w sieciach komórkowych GSM
Transmisja danych w sieciach GSM Ogólny przypadek z wykorzystaniem modemów analogowych - 9,6kbit/s Gdy transmisja do terminali cyfrowych ISDN to również konwersja do 9,6kbit/s Gdy abonenci w ramach 1 centrali MSC to transmisja 12kbit/s [32/49]
Podstawy transmisji w GSM Inne kodowanie kanałowe Standardowa prędkość 9,6kbit/s (V.32) Stopa błędów nie gorsza niż 10-3 Przez zastosowania kodowania protekcyjnego możliwe 14,4kbit/s (V.32bis) Wykorzystywana 1 szczelina w ramce TDMA zajętość pasma taka jak przy zwykłej rozmowie z terminala [33/49]
Standard HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Możliwość wykorzystania wielu szczelin czasowych w ramce TDMA Prędkość zwielokrotniona (np. przy 3 szczelinach to 43,3kbit/s) Zmniejszenie pojemności sieci [34/49]
Pakietowa transmisja GPRS (General Packet Radio Service) Nazywany GSM Faza 2+ Standardowo oraz w HSCSD wykorzystywana jest komutacja kanałów (ograniczenie pojemności sieci) GPRS to transmisja pakietowa czyli komutacja pakietów Wykorzystywana sieć tylko podczas transmisji Pasmo może być ograniczane przez stacje bazowe Prędkość maksymalna to 171,2kbit/s 4 różne typy kodowania kanałów: CS1,CS2,CS3, CS4 o przepływn. 9.05, 13.4, 15.6, 21.4kbit/s [35/49]
Telefonia komórkowa 3G UMTS (Universal Mobile Telecomunication System) Rozwiązuje problemy zapotrzebowania na szybką transmisję Utrzymano ewolucyjne przejście z systemów 2G do 3G Hierarchiczna infrastruktura komórek (nawet do 500km w satelitarnej wersji) Wiele typów transmisji danych Przepływność nawet do 2Mbit/s przy małych komórkach [36/49]
Charakterystyka techniczna UMTS Pasmo w pięciu zakresach Przypuszcza się że zapotrzebowanie na kolejne pasma wzrośnie wielokrotnie Pasmo o szerokości 170MHz dla segmentu naziemnego 1885-1980Mhz, 2010-2025Mhz, 2110-2170Mhz Pasmo o szerokości 60Mhz dla segmentu satelitarnego 1980-2010Mhz, 2170-2200Mhz [37/49]
Usługi dodatkowe w sieciach GSM Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Marcin Tomana ()
Wiadomości SMS (Short Message Service) Największy sukces wśród usług dodatkowych Operatorzy stacjonarni również wprowadzają takie usługi Maksymalnie 160 znaków (140 bajtów przy 7bitowym kodowaniu) Przekaz przez centrum obsługi wiadomości (SC Service Center) Słowniki T9 zwiększają ruch o 25% Możliwy przekaz rozsiewczy (SMS-CB) [39/49]
Aspekty techniczne transmisji SMS Specyfikacja ETSI GSM 03.38 v.7.0.0. Osobny specjalny kanał sygnalizacyjny (zwykle 9,6kbit/s) Czas trwania przesyłu zależny od zajętości kanału sygnalizacyjnego Liczba kanałów oraz ich prędkość zależna od operatora i może się zmieniać wewnątrz sieci Dłuższe wiadomości dzielone na pakiety autonomicznie transmitowane przez sieć [40/49]
Klasy SMS Klasa 0 SMSy bezpośrednio na ekran telefonu (inf. o poczcie, serwisy informacyjne) Klasa 1 SMSy do telefonu komórkowego (loga, dzwonki, itp.) Klasa 2 SMSy do karty SIM normalne wiadomości Klasa 3 przekazy do innych urządzeń połączonych za pomocą kabla [41/49]
Wiadomości EMS (Enchanced Message Service) Przekaz grafiki, animacji, dźwięku Transmisja przy pomocy serii SMS nawet do 255 Nie wymaga rozwoju infrastruktury - jedynie nowszych telefonów Różne kodowania grafiki różnych producentów telefonów NOKIA nie obsługuje EMS [42/49]
Wiadomości MMS (Multimedia Message Service) Pełne przekazy multimedialne wysokorozdzielcza kolorowa grafika, video, dobry dźwięk Transmisja przy pomocy GPRS Przy wysłaniu na telefon nie obsługujący MMS odbierany jest SMS z linkiem w internecie do pełnego przekazu [43/49]
PODSUMOWANIE 1. Charakterystyka i architektura systemu GSM 2. Elementy funkcjonalne systemu GSM 3. Charakterystyka techniczna GSM 4. Ramki TDMA 5. Transmisja sygnału mowy 6. Szybka transmisja danych w GSM - HSCSD 7. Pakietowa transmisja danych GPRS 8. Telefonia komórkowa 3G UMTS 9. Usługi dodatkowe w sieciach GSM
Monitoring sieci GSM Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Marcin Tomana ()
Podstawowe pojęcia BTS (Base Transceiver Station) stacja nadawczo odbiorcza HR (Half Rate Traffic) wolniejsza transmisja (do 6,5kbit/s) FR (Full Rate Traffic) normalny tryb EFR (Enhanced FR) lepsze kodowanie lepsza jakość rozmowy [46/49]
Przykład odczytu netmonitor funkcja #01 CH RxL TxPwr TS TA RQ RLT C1 C2 CHT CH numer kanału częstotliwości TS numer szczeliny TDMA CHT wykorzystywany kanał tryb transmisji (SEAR=szukanie sieci, CBCH=kanał broadcast, TFR=rozmowa w trybie FR, TEFR=rozmowa w trybie EFR, F144=transmisja 14,4kbit/s, F96=transmisja 9,6kbit/s, SDCC=sygnalizacja, również sms TA informacja o ile wcześniej ma być wysyłany sygnał -> odległość od BTS (od TA*550m do (TA+1)*550m) [47/49]
Przykład odczytu netmonitor funkcja #02 PM RAR Ro BC RelR QLF CRO TO PenT H MAIO HSN BC Numer identyfikacyjny komórki (z BTS) H skakanie po częstotliwościach (czy różne częstotliwości na nadawania i odbierania) [48/49]
Pokaz praktyczny transmisji danych oraz monitoringu Bezprzewodowe Sieci Komputerowe Marcin Tomana ()