Porównanie technologii pakietowego przesyłania danych w sieciach telefonii komórkowej

WYŻSZA SZKOŁA BIZNESU W DĄBROWIE GÓRNICZEJ Wydział Zarządzania, Informatyki i Nauk Społecznych PRACA DYPLOMOWA LICENCJACKA / INŻYNIERSKA Damian Twardowski Porównanie technologii pakietowego przesyłania danych w sieciach telefonii komórkowej Praca licencjacka/inżynierska napisana pod kierunkiem: dr inż. Marcin Blachnik Dąbrowa Górnicza, Styczeń 2010 2

Spis treści 1.Wstęp... 4 2.Geneza GSM... 6 2.1. System GSM... 7 2.2.Transmisje w GSM... 8 2.3.Architektura sieci GSM... 10 3.GPRS... 13 3.1. GSM a GPRS... 14 3.2.Transmisja w GPRS... 16 3.3.Kodowanie... 17 3.4.Architektura sieci GPRS... 18 3.5.Zastosowania... 20 4. EDGE... 21 4.1.Transmisja w EDGE... 22 4.2.Terminale... 24 4.3.Budowa sieci wspomagającej transmisję w technologii EDGE... 25 4.4. Przyszłość EDGE... 26 5.Geneza UMTS... 27 5.1.Rozwój telefonii 3G(UMTS)... 28 5.2.UMTS,następca systemów 2G... 30 5.3.Architektury szkieletowe w sieci UMTS... 31 5.4. Mobilność Systemu... 34 5.5.Usługi i transmisja informacji w systemie UMTS... 35 6.HSDPA... 39 7.HSUPA... 41 8. Metodologia pomiarów pakietowego przesyłania danych... 43 8.1.Pomiary statyczne... 43 8.2.Pomiary dynamiczne... 45 8.3 Analiza wyników pomiarów... 49 9.Podsumowanie... 53 Wykaz Rysunków... 54 Wykaz Tabel... 55 Bibliografia... 56 3

1.Wstęp Na świecie z telefonów komórkowych korzysta obecnie kilkadziesiąt milionów osób. Urządzenie to służy do komunikowania się z innym za pośrednictwem fal radiowych oferując, jednocześnie coraz to nowsze funkcje, bez których ciężko było by sobie wyobrazić wszelkiego rodzaju wymianę informacji. Aby umożliwić zarówno transmisję danych jak i głosu stworzono całą sieć przekaźników, pozwalających na zwiększenie mocy sygnału niezbędnego do przeprowadzenia transmisji i pokrycia efektywnym zasięgiem jak największych obszarów państw. W telekomunikacji używa się terminu Komutacja pakietów ; jest to sposób transmisji danych polegający na tym, że strumień danych jest dzielony na kawałki (pakiety), które następnie są wysyłane za pomocą łączy komunikacyjnych pomiędzy różnymi węzłami sieci. Każdy pakiet podlega osobnemu trasowaniu; każdy pakiet może podążać do celu własną ścieżką. Cechami komutacji pakietów wynikających z trasowania są: odporność na uszkodzenia mogące występować wewnątrz sieci zwiększona przepustowość sieci przesyłanie pakietów w przypadkowej kolejności opóźnienia wynikające z przetrzymywania wewnątrz pamięci routera pakietów Technologia ta została wykorzystana w wielu różnych aplikacjach, w tym również w Internecie, dokładniej w stosie protokołów internetowych (TPC/IP). Rozwój Internetu spowodował wymuszenie postania technologii mobilnego dostępu do sieci. Dzięki temu powstał taki standard jak Wi-Fi. Jednak technologia Wi-Fi ma kilka wad a najpoważniejszą z nich jest ograniczony zasięg, dlatego też rozpoczęto prace nad dostępem do sieci Internet poprzez wykorzystanie istniejących już infrastruktur telefonii komórkowej. Niniejsza praca będzie dotyczyć właśnie porównania technologii mobilnego dostępu do Internetu za pomocą systemów telefonii komórkowej. 4

Celem pracy jest porównanie technologii umożliwiających transmisje danych, a także porównanie prędkości przesyłania danych dla systemów GSM i UMTS. Praca swoim zakresem obejmuje: 1. Opis systemów umożliwiających komunikacje oraz wymianę danych pomiędzy użytkownikami korzystającymi telefonów komórkowych. 2. Wyszczególnienie oraz opis technologii wykorzystywanych w systemach GSM oraz UMTS. 3. Przeprowadzenie pomiarów badających prędkość transmisji dla wysyłania oraz pobierania danych w czasie postoju oraz podczas przemieszczania się odbiorcy usług. 4. Zadanie ograniczono do weryfikacji funkcjonalności dla protokołu TCP, z pominięciem protokołu UDP. Rozdział 2 został poświęcony standardowi telefonii komórkowej GSM. Zawiera o genezę standardu jak również, architekturę sieci wraz z opisem jej podzespołów, a także usługi jakie są dostępne dla abonentów korzystających z GSM. W rozdziałach 3 i 4 opisane zostały technologie korzystające/oparte o GSM. W rozdziałach znajdują się schematy struktury szkieletowej sieci, opis interfejsu radiowego, oraz sposoby kodowania wykorzystywane podczas różnych szybkości transmisji. Rozdział 5 podporządkowany jest technologii UMTS. W skład rozdziału wchodzi przede wszystkim geneza systemu jak również rozwój standardu od momentu jego zaistnienia na świecie. Rozdziały 6 i 7 przedstawiają informacje dotyczące technologii użytych w standardzie UMTS tj. HSDPA oraz HSUPA. W rozdziale 8 umieszczono tabele pomiarowe, dzięki którym można prześledzić szybkość transmisji danych w obu standardach GSM oraz UMTS. 5

2.Geneza GSM Początki prac nad systemem telefonii komórkowej 2G zapoczątkowano już w latach 80tych. A dokładniej w 1982 roku, kiedy to CEPT (Conference Europeenne des Posters ef Telekomunications), powołał grupę osób GSM (Groupe Specjale Mobile), których zadaniem było stworzenie wspólnej sieci dla całej Europy. Do pracy systemu, porozumienie CEPT przyjęło częstotliwość 900MHz. Pod koniec roku 1982 w Sztokholmie miało miejsce pierwsze spotkanie grupy GSM. Pierwsza sieć GSM[17] została uruchomiona w 1991 roku w Finlandii przy współpracy z Lars Magnus Ericsson. Pierwsze działające sieci obsługiwały tylko transmisję głosu, w 1994 roku dodano do nich także możliwość przesyłania danych [31]. Prace zespołu GSM nabrały rozmachu w połowie lat osiemdziesiątych, kiedy okazało się że część analogowych systemów komórkowych działających w Europie w ciągu kilku lat zbliży się do granicy swojej pojemności. Pojawiły się próby rozwiązań tymczasowych, m.in. poprawiono przejęcie przez systemy analogowe części zakresów częstotliwości zarezerwowanych dla przyszłego standardu ogólnoeuropejskiego [37]. Rozwój GSM można przedstawić w 3 fazach: Phase 1 [6] Zawierała transmisje głosowe, SMS (Short Message Service; Krótka wiadomość tekstowa; max 160 a w przypadku użycia polskich znaków max ilość spada do 70), umożliwienie roamingu. Stworzono prototypy urządzeń radiowych, przeprowadzano badania nad optymalnym sposobem dostępu do sieci [31]. 25 czerwca 1987 roku Rada Europejska wydała dyrektywę nakazującą zarezerwowanie częstotliwości 890 915 i 935 960 MHz na potrzeby nowego cyfrowego systemu łączności [24]. Phase 2 [6] Zawierała CLIP (Calling Line Identification Procedures), umożliwiał on identyfikacja numeru dzwoniącego abonenta, wstrzymanie rozmowy, połączenie oczekujące, serwisy informacyjne oraz bardziej wydajniejsze korzystanie z Internetu, implementacja wydajniejszego algorytmu kodowania mowy. 6

Prace nad fazą 2 specyfikacji zakończyły się w 1995 roku. W tym momencie GSM opisany był ponad 150 dokumentami. Dzięki specyfikacjom firmy zajmujące się rynkiem telekomunikacyjnym zyskały szerokie pole w tworzeniu różnych usług dla swoich klientów. Faza 2 zawierał następujące główne aspekty[33]: połączenie specyfikacji GSM 900 i DCS 180 w jeden dokument (opisujący standard, wymagania oraz parametry dla każdego systemu) dodanie nowych definicji związanych z transmisją radiową standaryzacja opcjonalnych średnich prędkości kodowania mowy usprawnienia wiadomości tekstowych SMS zaawansowane właściwości karty SIM Faza 2 była kompatybilna z faza 1. Phase 2+ [6,33] Dopiero po zaprezentowaniu systemu GSM w fazie1 i 2, abonenci domagali się więcej nowych usług. Uwzględniono technologie przesyłania danych High Speed Circuit Switched Data oraz CAMEL (Customised Application for Mobile network Enhanced Logic); funkcjonalność sieci umożliwiającą pełny roaming [31] (umożliwia korzystanie z sieci obcych operatorów, w momencie gdy abonent znajduje się np. poza granicą swojego kraju). 2.1. System GSM Tworząc GSM opierano się o sieć ISDN (Integrated Services Digital Network; Cyfrowa Sieć stacjonarna z Integracją Usług). Celem było umożliwienie pełnej mobilność u abonenta sieci. Obecnie w systemie GSM stosuje się pasmo 900 MHZ i 1800MHz (w Amerykach występują pasma 850 MHz oraz 1900MHz). Podobieństwa pomiędzy ISDN a GSM: obie posiadają cyfrowe centrale telefoniczne w celu transmisji danych lub głosu wykorzystują ten sam rodzaju łącza usługi zintegrowane z siecią roaming 7

Projektując schemat sieci GSM wzięto pod uwagę: elementy zapisujące informacje o abonencie i jego aktualnym miejscu utrzymanie połączenia w czasie przemieszczania się użytkownika możliwość wykorzystania technologii FDMA[5,17] (wielodostęp z podziałem częstotliwości) i TDMA[5,17] (wielodostęp z podziałem czasowym), do nawiązania komunikacji telefonu z siecią swobodne poruszanie się pomiędzy stacjami pracującymi na różnych zakresach (GSM 400 do 1900) 2.2.Transmisje w GSM Projektując system 2G GSM, nie przewidziano że system ten spotka się z tak ogromnym zainteresowaniem. Miał on bowiem umożliwić transmisji mowy pomiędzy użytkownikami sieci. Jednak z czasem okazało się to niewystarczające. GSM nie mógł sprostać coraz to większym wymaganiom dotyczących polepszenia jakości sygnału mowy, jak również możliwości łączenia się z siecią Internet. Analogowe kanały radiowe zastąpiono cyfrowymi, przez co polepszyła się zarówno jakość sygnały mowy oraz umożliwiły transmisje danych pomiędzy użytkownikami i to ze znacznie większą prędkością. Transmisja mowy W czasie wykonywania połączenia Kontroler Stacji Bazowych otrzymuje raporty pomiarowe (informacje o sile i jakości sygnału). Dzięki tym raportom Kontroler Stacji Bazowych może przyznać częstotliwość innej stacji bazowej w momencie kiedy sygnał aktualnego połączenia stanie się zbyt słaby. W porównaniu z sieciami stacjonarnymi (kablowymi), transmisja w telefonii komórkowej ograniczona jest ze względu na: Ograniczone pasmo częstotliwości Zakłócenia transmisji interfejsu radiowego[14] 8

Transmisja danych Dzięki wykorzystaniu (High Speed Circuit Switched Data)[14], prędkość transmisji danych w systemie GSM osiągnęła wartość 14.4 kb/s. Na potrzeby transmisji można było przydzielić cztery szczeliny czasowe, umożliwia to osiągnięcie prędkości rzędu 57,6 kb/s. Tego typu rozwiązania miały jednak podstawową wadę: na czas połączenia przyznawane były całe kanały cyfrowe, użytkownik zajmował je nawet w momencie, gdy nie wysyłał ani nie odbierał danych, było to więc rozwiązanie kosztowne [15]. Transmisja wiadomości (Messaging) Umożliwia wysyłanie prostych wiadomości tekstowych SMS lub kombinacji wiadomości tekstowych i multimedialnych MMS. Stała się najbardziej lubianą formą kontaktowania się pomiędzy abonentami. Jeśli odbiorca wiadomości jest poza zasięgiem sieci lub ma wyłączony telefon, system zapamiętuje wiadomość przeznaczoną dla niego. Jest to tzw. mechanizm Zapamiętaj i Pokaż później (ang. Store and Forward). SMS można dostarczać równolegle z prowadzoną transmisją mowy [37]. 9

2.3.Architektura sieci GSM Rysunek 1.Struktura sieci GSM Źródło.[37] Elementy sieci zapewniające korzystanie z usług telekomunikacyjnych [6,17,34]: MS (Mobile Station, Stacja Ruchoma), inaczej jest to telefon komórkowy (terminal) zdolny do odbierania sygnałów nadawanych bądź wysyłanych. BTS (Base Transceiver Station, Stacja nadawczo odbiorcza); element sieci, który jest interfejsem pomiędzy telefonem komórkowym a siecią GSM. Dzięki systemowi anten transmituje i odbiera na kilku częstotliwościach [30]. Służy jako dodatkowy element w sterowniku BSC, stacji bazowej, centrali MSC. 10

BSC (Base Station Controller, Kontroler Stacji Bazowych); element sieci, odpowiedzialnym za zarządzanie stacjami bazowymi, transmisję danych pomiędzy stacjami bazowymi a resztą sieci, odpowiedzialne również za przydzielanie telefonowi wolnej szczeliny na odpowiedniej częstotliwości oraz za śledzenie jakości rozmowy [15]. MSC (Mobile Switching Centre, Centrala Systemu Ruchomego); odpowiada za zestawianie połączeń i koordynuje współpracę pomiędzy elementami sieci [30].Dodaktowo centrala opdowiada za weryfikację terminala (sprawdzanie numeru seryjnego), sprawdzanie tożsamości (identyfikację) abonenta, zarządzanie położeniem (aktualizacje położenia abonenta w sieci) przy pomocy rejestrów danych HLR i VLR [37]. Ze względu na zapotrzebowanie dla szybkiego dostępu do sieci, liczba centrali ciągle jest zwiększana. HLR (Home Location Register, Rejestr Stacji Własnych); baza danych zawierająca informacje o abonentach danego operatora. Informacje mogą dotyczyć m.in.: o aktualnego status abonentów o wykupionych usług VLR (Visitor Location Registers, Rejestr Gości innych Stacji); zawiera informacje o abonentach na danym obszarze obsługiwanym przez dana centralę MSC [37]. Podczas wprowadzania systemu GSM, rejestry VLR i HLR muszą ze sobą współpracować np. podczas wyszukiwania odpowiedniej drogi aby nawiązać polaczenie z telefonem abonenta. EIR (Equipment Identification Register, Rejestr Identyfikacji Urządzenia); rejestr identyfikacji w której zawarte są numery seryjne używanych stacji ruchomych [37]. Daje możliwość operatorom blokowania danego telefonu np. w przypadku zgłoszenia kradzieży. SMSC (Short Message Service Center, Centrum Krótkich Wiadomości); odbiera, przechowuje i przekazuje wiadomości od i do abonentów komórkowych [37]. 11

GMSC (Gateway Mobile Switching Centre, Centrala Dostępowa Systemu Ruchomego); jej zadanie polega na kierowaniu przychodzących do sieci GSM połączeń do odpowiedniej centrali MSC, która w danym momencie obsługuje wzywanego abonenta [37]. Gdy centrala GMSC chce uzyskać informacje o położeniu abonenta wysyła zapytanie do HLR. AuC (Authentication Centre, Centrum Uwierzytelnienia Użytkownika); realizuje funkcje związane z bezpieczeństwem systemu przed niepowołanym dostępem. Zabezpiecza przed podsłuchaniem transmisji danych przesyłanych w kanale radiowym oraz kontroluje i zapobiega próbom połączeń na koszt innych abonentów [37]. Dodatkowo w sieci można umieścić takie elementy jak: SCP - Service Control Point [15] SDP - Service Data Point [15] FNR - Flexible Number Register [30] 12

3.GPRS General Packet Radio Service; technologia GSM przeznaczona do transmisji głosu oraz danych. Technologia GPRS umożliwia przesyłanie danych z prędkością w przedziale 30-80 kb/s. GPRS nazywane jest często technologią 2.5G, ponieważ stanowi element ewolucji GSM w drodze do sieci w standardzie 3G [32]. W świecie telefonii komórkowej istnieje takie pojęcie jak Sieć GPRS. Jest to grupa Stacji Bazowych wykorzystywanych w GSM, których zadaniem jest przede wszystkim umożliwienie przeprowadzenia transmisji głosowej. Ponadto umożliwiają łączenie się telefonicznej sieci radiowej z sieciami zewnętrznymi opartymi na protokole IP, a także komunikowanie się z innym sieciami komórkowymi. Pakietowy sposób przesyłania informacji oznacza, że użytkownicy mogą być połączeni z Internetem przez cały dzień (nie blokując łącza), a wysyłać i odbierać dane tylko wtedy, kiedy zachodzi potrzeba [10]. Zaletą GPRS-u jest to, że użytkownik nie płaci za czas połączenia z Internetem, lecz za ilość pobranych bądź wysłanych pakietów danych. Podstawowe założenia związane z technologią GPRS zawarto w specyfikacji 3GPP : Technologia ma umożliwiać przesyłanie danych pomiędzy dwoma punktami (Point- To-Point) lub rozsyłanie ich do większej ilości odbiorców (Point-To-Multipoint), Do transmisji danych pomiędzy telefonem komórkowym a siecią operatorzy mogą wykorzystywać istniejącą sieć radiową używaną do transmisji głosu w systemie, GSM. Wewnątrz sieci GSM, centrale (MSC) używane do komutowania połączeń głosowych nie będą angażowane w przesyłanie danych, powstanie niezależna sieć, której elementy będą odpowiedzialne za komutację pakietów i za kontakt z zewnętrznymi sieciami (w tym z Internetem). Elastyczność w kształtowaniu taryf: sprzedaż usług korzystających z transmisji GPRS może bazować na naliczaniu opłat za ilość odebranych i przesłanych danych, na stałej, periodycznej opłacie, może również być zależna od źródła, z którego pobierane są dane [12]. 13

3.1. GSM a GPRS Dla technologii GPRS zawartej w GSM Sieci GSM i GPRS korzystają ze wspólnej sieci radiowej [32]. Ze względu na urządzenia (terminale), dzięki którym możliwa jest wymiana danych, specyfikacja 3GPP podzieliła je na 3 klasy: Klasa A urządzenia znajdujące się w tej klasie umożliwiają jednoczesne korzystanie z GPRS i GSM w tym samym czasie. Terminal musi mieć wbudowany układ nadawczo-odbiorczy. Umożliwia nawiązywanie połączeń głosowych, gdy użytkownik jest podłączony do Internetu bez żadnych przerw podczas pracy. Klasa B Podobnie jak w przypadku Klasy A, daje możliwość połączeń z siecią GPRS oraz GSM. Jednakże gdy realizowane jest połączenie głosowe(gsm), usługa transmisji danych (GPRS) jest w tym momencie niemożliwa do zrealizowania. Obecnie na rynku znajduje się bardzo duża liczba telefonów znajdujących się w tej klasie. Klasa C urządzenia należące do tej klasy mogą być zarejestrowane tylko w jednej sieci GPRS lub GSM, przy czym nie mogą odbierać wydarzeń z obu sieci w tym samym momencie. Urządzenia należące do tej klasy umożliwiają transmisję danych, a wykonywanie połączeń głosowych w tym czasie nie jest możliwe. Ta klasa jest powszechnie stosowana przez modemy GPRS, które nie są wykorzystywane do połączeń głosowych. Powyższe klasy terminali zostały podzielone ze względu na możliwość jednoczesnej współpracy z GSM. 14

Poniższa tabela przedstawia najczęściej stosowane klasy oraz parametry w jakich pracuje terminal. Każda klasa ma określoną ilość slotów dostępną do abonenta jak i od niego. Ogólna liczba slotów nie może przekroczyć odpowiedniej wielkości aktywnych slotów. Klasa Sloty do Sloty od Aktywne Maksymalna prędkość transferu abonenta abonenta sloty danych 2 2 1 3 8-12 kb/s upload 16-24 kb/s do pobrania 4 3 1 4 8-12 kb/s upload 24-36 kb/s do pobrania 6 3 2 4 24-36 kb/s upload 24-36 kb/s do pobrania 8 4 1 5 8-12 kb/s upload 32-40 kb/s do pobrania 10 4 2 5 16-24 kb/s upload 32-48 kb/s do pobrania 12 4 4 5 32-48 kb/s upload Tabela 1.Zestawienie klas GPRS i EDGE Źródło: http://www.mobile-phones-uk.org.uk/gprs.htm 32-48 kb/s do pobrania 15

3.2.Transmisja w GPRS Cyfrowy sygnał wysyłany z telefonów dociera poprzez stacje bazowe do ich kontrolera, gdzie jest rozdzielany; sygnał związany z połączeniami głosowymi jest przesyłany do sieci szkieletowej stworzonej na bazie central MSC, a ruch pakietowy przesyłany jest do sieci szkieletowej GPRS [29]. Podczas wykonywania połączenia lub transmisji, użytkownikowi przydzielana jest określona częstotliwości, która zawiera 8 szczelin czasowych. Maksymalnie technologia GPRS wykorzystuje tylko 4 szczeliny. Pierwsza szczelina przesyła dane związane z rozmową przez około 0,577 ms, to samo dotyczy kolejnych i tak aż do ostatniej używanej szczelin, następnie transmisja ta jest powtarzana co pewnie okres czasu. Może się zdarzyć, że każda ze szczelin będzie zawierać dane z kilku transmisji. Dla transmisji głosowej szczeliny czasowe przydzielane są od 1 do 8 (transmisja w górę ), dla transmisji danych szczeliny przydzielane są odwrotnie od 8 do1 (transmisja w dół ). Daje to możliwość operatorom komórkowym na bardziej optymalne wykorzystanie usług (4 szczeliny są używane, a pozostałe szczeliny mogą zostać dynamicznie użyte przez terminal w chwili gdy nie obsługują innych połączeń). Rysunek 2.Szczeliny czasowe w interfejsie radiowym Źródło. http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=plik:szczeliny_czasowe_w_gsm.png&file timestamp=20060805161103 Ilość szczelin czasowych przeznaczonych dla transmisji w stronę stacji bazowej oraz dla odbierania transmisji wysyłanej przez stację bazową zależy od klasy terminala [32]. 16

Dodatkowym sposobem wpływającym na zwiększenia liczby użytkowników korzystających z Internetu w tym samym czasie, było umożliwienie przydzielenia jednej szczeliny do kilku urządzeń obsługujących połączenia np. głosowe. 3.3.Kodowanie W standardzie GPRS przyjmuje się cztery różne schematy kodowania kanałowego, od CS-1 do CS-4.W przypadku EDGE jest on rozszerzony do CS-9. Aby transmisja była możliwa do przeprowadzenia na maksymalnych wartościach, dla każdego kanału radiowego, niezbędny byłby brak zakłóceń, czego niestety nie da się uniknąć Specyfikacja 3GPP określa 4 schematy kodowania, które przedstawiono w poniższej tabelce. Kodowania CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Maksymalna Przepływowość Pojedynczego Kanału (kbit/s) 9.05 13.4 15.6 21.4 Tabela 2.Schematy kodowań zdefiniowane w GPRS Źródło: [26], str. 91 Podstawowa różnica pomiędzy schematami polega na liczbie bitów przesyłanych dodatkowo w celu korekcji błędów. Wyboru używanego sposobu kodowania dokonuje stacja bazowa sieci GSM/GPRS [26]. Różnica pomiędzy kodowaniami może mieć spore znaczenie, niech za przykład posłużą kodowania CS-1 oraz CS-4. Kodowanie CS-1 posiada najwolniejszy transfer, ale za to umożliwia najlepszą korekcje błędów i może być stosowane wszędzie gdzie istnieje zasięg GSM. 17

Kodowanie CS-4 posiada najszybszy transfer, ale jest ograniczone do obszarów, gdzie siła i jakość sygnału jest najwyższa [32]. 3.4.Architektura sieci GPRS Aby korzystanie z GSM było możliwe po wprowadzeniu technologii GPRS, niezbędne było dokonanie zmian z strukturze sieci. Rysunek 3.Struktura sieci GPRS Źródło. http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=plik:gprs_network_architecture1.png&filetimest amp=20060730120729 Elementami pozostawionym z klasycznej sieci GSM są: VLR MSC HLR 18

BSC SCP (Service Control Point, Serwisowy Punkt Kontrolny); główny element platformy związanej z sieciami inteligentnymi. Może być na nim umieszczony na przykład serwis, zarządzający naliczaniem opłat za korzystanie z GPRS [11]. Nowymi elementami wprowadzonymi do sieci w celu umożliwienia korzystania z GPRS: PCU (Packet Control Unit, Kontroler Przesyłanych Pakietów); odpowiada za prawidłową obsługę ruchu pakietowego w części radiowej sieci. Przydziela terminalom GPRS kanały radiowe, buforuje dane przesłane przez SGSN, przesyła je do odpowiedniej stacji bazowej dodając informację, która umożliwi terminalowi zidentyfikowanie danych [11]. SGSN (Serving GPRS Support Node); pośredniczy w dostępie do zasobów sieciowych na rzecz MS (Mobile Station, Telefon komórkowy). Umożliwia również obsługę zestawień połączeń w GPRS oraz umożliwia współpracę z GSM GGSN (Gateway GPRS Support Node); jest nadrzędnym elementem siei GPRS, może współpracować z GMSC znajdującym się w sieci GSM. GGSN posiada funkcje niezbędne do: połączeń z zewnętrznym sieciami (działa jak router), zabezpiecza dostęp do sieci zewnętrznych poprzez sprawowani kontroli, zarządza sesjami. Współpracuje z sieciami opartymi na protokołach IP. Gdy użytkownik terminala chce skorzystać z zasobów sieci, GGSN przydziela mu numer IP (z własnej puli numerów), kontroluje obszar, na którym znajduje się użytkownik [11]. współpracuje z sieciami opartymi na protokołach IP. 19

3.5.Zastosowania Wprowadzenie technologia GPRS umożliwiło operatorom komórkowym na znaczne zwiększenie usług oferowanych swoim abonentom. Dostęp do Internetu lub transmisja danych nie miała by jednak szans zaistnienia gdyby nie wprowadzono technologii HSCSD[18,26], która znacznie polepszyła korzystanie z nowych usług korzystających z sieci Internet. Protokoły transmisji bezprzewodowej GPRS, oparte na protokołach internetowych IP, łatwo dają się komponować z istniejącymi protokołami IP sieci stacjonarnej stosowanymi zarówno do transportu głosu pakietowego (VoIP), jak i do transmisji danych [10]. Poniższy rysunek przedstawi resztę usług oferowanych dla abonentów sieci dla technologii GPRS. Rysunek 4. Zakres zastosowań transmisji GPRS Źródło: http://itpedia.pl/images/3/31/186_technol17_gprs_4.jpg Dla porównania w technologia EDGE, dzięki ulepszonemu systemowi kodowania wewnątrz sieci radiowej, udało się doprowadzić do zwiększenia prędkości transmisji danych. 20

4. EDGE Enhanced Data for GSM Evolution jest następcą technologii GPRS. Teoretyczna maksymalna szybkość połączenia EDGE wynosi 473,6 kbit/s, faktycznie uzyskiwane prędkości są rzędu 230 kbit/s, uzyskiwana poprzez zastosowanie wydajniejszej techniki modulacji (8PSK[2]) na wybranych szczelinach czasowych [9]. W stosunku do GPRS, zmiany miały miejsce w interfejsie radiowym w sposobie zmiany szybkości przesyłania danych zależnych od warunków pogodowych. EDGE pozwala na korzystanie z większości mobilnych usług multimedialnych, lecz nie wymaga, tak jak w przypadku UMTS, całkowitej przebudowy infrastruktury operatora jak i zupełnie nowych terminali (telefonów), a jedynie stosunkowo niewielkich modyfikacji infrastruktury już istniejącej [9]. Dzięki wprowadzeniu EDGE abonenci zyskali dodatkowe możliwości: szybszy czas dostępu do Internetu korzystanie z transmisji strumieniowych (muzyka, filmy, programy sportowe i informacyjne, relacje z koncertów itp.) połączenia audio-video gry on-line W Wersji7, EDGE, nazywany także EGPRS2 został zaprezentowany jako oferujący jeszcze większe prędkości transmisji danych poprzez mechanizmy takie jak redukcja czasu opóźnienia, użycie podwójnego kanału do pobierania, a także nowsze techniki modulacji zwiększające szybkość transmisji podczas przemieszczania się. 21

4.1.Transmisja w EDGE Dla transmisji danych w technologii GPRS i EDGE zastosowano modulację GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) oraz modulacja 8-PSK (8 Phase Shift Keying). Wykorzystanie tych modulacji pozwala na udostępnienie większej prędkości, jednak kosztem tej operacji jest zwiększona wrażliwość na warunki transmisji. Poniższa tabela przedstawia typy modulacji wraz z ich prędkościami w szczelinach dla poszczególnych rodzajów kodowania. Rodzaj kodowania Typ modulacji Przepływność szczeliny (kb/s) Sprawność kodowania Szybkość kodowania nagłówka MCS-9 8PSK 59,2 1,0 0,36 MCS-8 8PSK 54,4 0,92 0,36 MCS-7 8PSK 44,8 0,76 0,36 MCS-6 8PSK 27,2 0,49 0,33 MCS-5 8PSK 22,4 0,37 0,33 MCS-4 GMSK 17,2 1,0 0,53 MCS-3 GMSK 13,6 0,80 0,53 MCS-2 GMSK 11,2 0,66 0,53 MCS-1 GMSK 8,8 0,53 0,53 Tabela 3.Tabela modulacji i kodowania dla EDGE Źródło: http://itpedia.pl/index.php/edge 22

Do transmisji danych technologia EDGE umożliwia wykorzystanie 4 szczelin czasowych dla przesyłania w kierunku stacji bazowej bądź w kierunku terminala. Jedna szczelina może być wykorzystana przez kilka osób jednocześnie, natomiast sam sygnał dobierany jest na podstawie aktualnie panujących warunków[8]. Rysunek 5.Schemat transmisji radiowej w technologii EDGE Źródło. http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=plik:transmisja_edge.svg&filetimestamp=200705 13200925 W GSM dla technologii EDGE transmisja danych następuje poprzez: RLC (Radio Link Contro) warstwa, w której sprawdzana jest poprawność transmisji oraz inicjowana retransmisja w przypadku błędów w analizowanych blokach danych [4]. (MAC) Media Access Control - z warstwą związane są procedury synchronizujące korzystanie wielu terminali z tych samych kanałów radiowych oraz umożliwiające terminalowi nadawanie i odbieranie w kilku kanałach [4] warstwy fizycznej wybór metody kodowania danych zostaje wybrany bezpośrednio przed ich wysłaniem. 23

4.2.Terminale Obecnie, na całym świecie jako terminale umożliwiające nawiązywanie połączeń z Internetem służą telefony komórkowe i modemy na kartach PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association Międzynarodowe Stowarzyszenie Producentów Kart Pamięci dla Komputerów Osobistych); coraz częściej możemy spotkać się z modemami na USB (wygląd identyczny jak pamięci przenośne USB popularne,,pendrive ). Rozróżniamy 3 klasy terminali GPRS/EDGE przedstawione przez 3GPP: Klasa A[8] - jednoczesna obsługa transmisji związanych z komutacją łączy w GSM, jak i z komutacją pakietów EDGE. Klasa B[8] użytkownik za pomocą terminala (telefon komórkowy) może łączyć się z siecią poprzez GPRS lub EDGE, może również wykonywać nasłuchiwanie kanału radiowego dla (połączenie przychodzących, przesyłania danych, przesłanie sms). Klasa C umożliwia na korzystanie wzajemnie lub razem technologii GPRS i EDGE. W przypadku obsługiwania transmisji obu rodzajów podczas włączania się do sieci automatycznie lub manualnie jest ustawiany w tryb związany z obsługą tylko jednego rodzaju transmisji [8]. 24

4.3.Budowa sieci wspomagającej transmisję w technologii EDGE Rysunek 6.Schemat sieci wspomagającej EDGE Źródło. http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=plik:gprs_edge_network_general_view_(pl).svg &filetimestamp=20070513193057 Elementy wykorzystane w Siecie wspomagającej EDGE: Stacja bazowa taka sama jak w przypadku technologii GSM. Niezbędne jest dokonanie aktualizacji oprogramowania, które zapewni możliwość korzystania z EDGE, a także umożliwi wykorzystanie modulacji 8-PSK[2]. BSC - Base Station Controller (Kontroler Stacji Bazowych) sprawuje kontrolę nad kilkudziesięcioma stacjami bazowymi wchodzącym w skład GSM. PCU - Packet Control Unit odpowiedzialny za prawidłową obsługę ruchu pakietowego podczas połączenia do sieci GSM. Jest powiązany z BSC. 25

SGSN- Serving GPRS Support Node zarządzanie terminalami na kontrolowanym przez siebie terenie. Element ten śledzi położenie użytkownika telefonu i zapewnia bezpieczeństwo oraz zdalny dostęp. SGSN wykorzystany został również w sieci UMTS. GGSN - GPRS Gateway Support Node. Wspomaga funkcję routing w EDGE, podczas łączenia z siecią GPRS. Aby skorzystać z zasobów zewnętrznej sieci, GGSN przydziela adres IP użytkownikowi. 4.4. Przyszłość EDGE EDGE umożliwi pokrycie większej ilości regionów, w których abonent do tej pory nie miał możliwości korzystania z systemów 3G, poprzez integrację z WCDMA. Docelowo będzie to wspólna chociaż niejednorodna technicznie infrastruktura komórkowa, korzystająca z wielu standardów technologii mobilnych: GSM/GPRS/EDGE oraz WLAN i WCDMA. Jej alternatywą jest jedynie czysty UMTS z podwójnym trybem dupleksu w dziedzinie częstotliwości FDD oraz czasu TDD - stosowanych w zależności od środowiska i mobilności użytkownika [7]. Zgodnie ze specyfikacją 3GPP w interfejsie radiowym uwzględnia się jego wykorzystanie do: umożliwienie transmisji poprzez dwie częstotliwości, na pojedynczej możliwe są maksymalnie 5 szczelin czasowych nowe rodzaje i schematy kodowania oraz kodowanie podniesienie prędkości w pojedynczej szczelinie do 100kb/s wprowadzenie podwójnych układów odbiorczych W porównaniu z technologią EDGE koszt wdrażania technologii 3G (UMTS) jest znacznie większy. Aby obniżyć inwestycje i przyspieszyć proces wprowadzania technologii UMTS do produkcji, dostawcy telekomunikacyjni łączą się w korporacje, których zasadniczym celem jest wspólna praca nad rozwojem sprzętu dla systemów radiowych UMTS w najbliższej przyszłości [7]. 26