TRANSMISJE DANYCH W

SIECIACH KOMÓRKOWYCH

2G,3G,PROTOKOŁY

GPRS,EDGE,HSPA

Prezentację przygotowali:

TELEFONIA
KOMÓRKOWA



To infrastruktura telekomunikacyjna (oraz
procesy związane z jej budową i eksploatacją),
umożliwiająca abonentom bezprzewodowe
połączenia na obszarze złożonym z
tzw. komórek (ang. cells), obszarów
kontrolowanych przez
poszczególne anteny stacji bazowych.
Charakterystyczną cechą tego
typu telefonii jest zapewnienie użytkownikowi
mobilności, może on zestawiać połączenia (oraz
połączenia mogą być zostawione do niego) na
terenie pokrytym zasięgiem radiowym
związanym ze wszystkimi stacjami bazowymi w
danej sieci.

TRANSMISJE DANYCH W
SIECIACH KOMÓRKOWYCH 2G



 

Pierwsze prace nad systemami drugiej
generacji (2G) rozpoczęto na początku lat
osiemdziesiątych XX wieku. Głównym założeniem było
opracowanie standardu, który umożliwiłby korzystanie z
usług dużej liczbie użytkowników oraz pozwoliłby, m.in.
na budowę sieci opartej na strukturze zróżnicowanych
wielkościowo komórek. Ważną kwestią była także duża
liczba kanałów, cyfrowa transmisja rozmów z
zabezpieczeniami przed podsłuchem, znacznie
poprawiona jakość transmisji oraz niski koszt budowy i
utrzymania sieci. Niezbędna była globalna uniwersalność
systemu, czyli zaoferowanie klientowi usług innych
operatorów, gdy znajdował się ona poza granicami sieci
(kraju) jego macierzystego operatora, czyli tzw. roaming
międzynarodowy, także na innych kontynentach.

CZYM JEST DOKŁADNIE 2G?

Sama nazwa 2G jest skrótem nadanym w branży dla drugiej generacji technologii
opierającej się na bezprzewodowej komunikacji telekomunikacyjnej. Za prekursora
wdrażania tego systemu na szerszy rynek uważa się Finlandię, która dzięki firmie
Radiolinia , która w drugim kwartale 1991 roku uruchomiła 2G obsługiwane w standardzie
GSM. GSM to Global System for Mobile Communications jest to najpopularniejszy obecnie
standard telefonii komórkowej. Sieci komórkowe oparte na tym systemie mają możliwość
oferowania usług związanych z połączeniami głosowymi, transmisją danych
umożliwiających dostęp do Internetu oraz wielorakich wiadomości w formie tekstowej lub
multimedialnej.W porównaniu do 1G , zaoferowana przez Finlandczyków siec komórkowa
2G pozwalała na znaczne polepszenie walorów użytkowych telefonów komórkowych
dodając do nich wiele funkcji, które dziś uważamy za obecne w telefonii od zawsze. W
Polsce system ten został wdrożony w roku 1996.W przeciwieństwie do swojego
analogowego poprzednika , 2G pozwala na przesyłanie dźwięku drogą cyfrową , co
umożliwia prowadzenie wielogodzinnych rozmów wysokiej w wysokiej jakości odbiorze.
Wdrożono również funkcję wysyłania krótkich wiadomości w formacie tekstowym (Short
Message System – SMS). Aby odróżnić nowo powstały system od przestarzałej technologii,
konieczne było opracowanie wielu rozwiązań użytkowych i zniwelowanie wad, które
dyskwalifikowały dalsze używanie analogowej sieci 1G. W nowym standardzie zawARTO
roaming międzynarodowy aby pozwolić użytkownikom komunikować się nawet po
opuszczeniu terytorium własnego kraju, jak również zwiększono transmisję danych, która
przy rosnącej liczbie użytkowników telefonii stawała się w coraz większym stopniu
niewystarczająca. Aby zapewnić większy komfort klientom korzystającym z tej technologii
w telefonie, zwiększono odporność odbiorników na zakłócenia powstające w czasie
rozmowy i wprowadzając zabezpieczenia transmisji sygnału, utrudniając tym samym
możliwość podsłuchania treści konwersacji przez osoby niepowołane.

TRANSMISJA DANYCH W
SIECI 2G



W sieciach pierwszej generacji systemy wielodostępu, czyli współdzielenia
zasobów radiowych przez wielu użytkowników, opierały się na technice FDMA
(ang. Frequency Division Multiple Access)( W metodzie tej, całkowite pasmo,
które przeznaczone jest do transmisji, podzielone zostaje na przedziały
częstotliwości tzw. kanały o określonej szerokości, które mogą być używane w
indywidualnej transmisji między dwoma dowolnymi użytkownikami systemu).



W systemie drugiej generacji przesyłana informacja jest przekształcona na
postać cyfrową, co pozwoliło m.in. na zastosowanie szczelin czasowych
(ang. timeslot). Są to okresowo powtarzające się odcinki czasu, w których
dane mogą być wysyłane przez danego użytkownika. Technika, określana jako
TDMA (ang. Time Division Multiple Access), pozwoliła znacznie zwiększyć
liczbę użytkowników korzystających z łącza radiowego w danym paśmie
częstotliwości.



W technice TDMA dostęp do medium transmisyjnego podzielony jest w czasie
na szczeliny czasowe. Użytkownikowi na potrzeby transmisji przydzielana jest
pewna liczba szczelin czasowych. Transmisja danych nie jest więc ciągła.
Zalety tej techniki



zwiększa efektywność wykorzystania medium transmisyjnego



pozwala na dynamiczny przydział zasobów



odbiornik znając czas wystąpienia swojej szczeliny czasowej może przechodzić
w stan uśpienia w czasie pomiędzy swoimi szczelinami

Porównanie techniki wielodostępu do medium transmisyjnego FDMA, TDMA

ZALETY TELEFONII W SYSTEMIE 2G



Sygnały cyfrowe w tym systemie mogły być skompresowane , a nawet
zwielokrotnione w celu uzyskania lepszej jakości i dokładności przekazu głosowego
,niże ten który został uzyskany w przypadku telefonii analogowej



Zastosowanie systemów cyfrowej obsługi połączeń pozwoliło na zastosowanie
mniejszych i bardziej efektywnych podzespołów w aparatach przenośnych , co z
kolei skutkowało zmniejszaniem się i polepszaniem parametrów oferowanych
telefonów komórkowych



Możliwe było używanie mniejszej mocy emisyjnej przekaźników, co przyczyniło się
do znacznej poprawy warunków zdrowotnych i obniżenie zagrożenia występowania
raka oraz zapalenia opon mózgowych pośród używających telefonów komórkowych



Przejście na system oparty całkowicie na rozwiązaniach cyfrowych i odrzucający
technologię analogową pozwalał na wdrożenie takich usług jak wysyłanie
wiadomości tekstowych czy dostęp do skrzynki elektronicznej z poziomu aparatu
telefonicznego



Rozwiązanie 2G przyczyniło się także do wzrostu bezpieczeństwa i prywatności
abonentów sieci Telefony komórkowe działające w oparciu o cyfrowe przesyłanie
danych były w o wiele mniejszym stopniu narażone na podsłuchanie rozmowy i
naruszenie prywatności rozmówców. Warto równie wspomnieć ,że sieć 1G nie
posiadała w ogóle takich zabezpieczeń ,czyniąc podsłuchiwanie jedną z
najczęstszych metod wykradania poufnych informacji.



Technologia cyfrowa w telefonach komórkowych pozwalała również na
wyeliminowanie pogłosu oraz statycznych zakłóceń czy zakłóceń występujących w
tle, czyniąc przesyłany dźwięk czystszym i wyraźniejszym.

WADY TELEFONII W
SYSTEMIE 2G



W rozwiązaniu tym występowały jednak również wady, co w dalszych
latach wymusiło konieczność modernizacji ,a w końcu przejścia na wyższe
generacje świadczonych usług telekomunikacyjnych



W przypadku miast i wsi o niewielkim zasięgu i dostępie do najbliższego
przekaźnika, praktycznie niemożliwe było wykonanie połączenia. Problem
ten uważano za główną bolączkę telefonii 2G , nawet po późniejszym
wdrożeniu wyższych i efektywniejszych częstotliwości przesyłowych



Sieć 2G była bardzo zależna na działanie warunków atmosferycznych i
pogodowych, wpływających na jakość i możliwość wykonywania połączeń.
W przypadku dobrych warunków, siec cyfrowa spełniała swoje zadanie o
wiele lepiej, zapewniając wysoką jakość przeprowadzanej rozmowy. Gdy
jednak warunki się pogorszały , przesył analogowy pozwalał na dalsze
stabilne prowadzenie rozmowy, natomiast sieć cyfrowa wykazywała
zakłócenia i okazjonalne problemy w przekazie danych.

Gdy telefonia cyfrowa w obecnym wymiarze przestała spełniać właściwie
wymagane funkcje i zadania, zaczęto opracowywać całkowicie nową
technologię, nazwaną trzecią generacją sieci bezprzewodowych (w skrócie
3G) . Jednak zanim to nastąpiło, miejsce miały jeszcze dwa unowocześnienia
istniejącej drugiej generacji.

TELEFONIA

KOMÓRKOWA

TRZECIEJ

GENERACJI

(3G)

CO TO JEST ?



Jest to telefoniczna sieć cyfrowa telefonii komórkowej, która bazujące
na rozwiniętych w stosunku do 2.5G standardach i technologii trzeciej
generacji z rodziny standardów IMT-2000. Dzięki poszerzonej
pojemności sieci umożliwia ona wprowadzenie dodatkowych usług
wykorzystujących transmisję wideo oraz transmisję pakietową
(komutacje pakietów). Transfer danych wynosi 384 Kb/s co oznacza że
jest on prawie siedem razy szybszy od standardowego połączenia
telefonicznego.



Najpopularniejszą w Europie technologią 3G jest UMTS, czyli Universal
Mobile Telecommunications System. Początkowo UMTS zapewniał
prędkość pobierania do 384 kb/s (wersja R99). Standard ciągle
rozwijano, co zaowocowało wdrożeniem rodziny HSPA (High Speed
Packet Access).



Dwie wykorzystywane także już nad Wisłą technologie to High Speed
Downlink Packet Access (HSDPA) i High Speed Uplink Packet Access
(HSUPA). W zależności od wersji HSPA pozwala na uzyskiwanie
prędkości pobierania do 3,6, 7,2 czy 14,4 Mb/s i wysyłania do 5,8 Mb/s.

KOMUTACJA PAKIETÓW

Jest to sposób transmisji danych
polegający na dzieleniu strumienia
danych na kawałki (pakiety), a następnie
wysyłaniu ich za pomocą łączy
komunikacyjnych pomiędzy węzłami
sieci. Każdy pakiet podlega osobnemu
trasowaniu (czyli wyznaczaniu trasy i
wysłaniu nią pakietu danych) - może
podążać do celu ścieżką niezależną od
wcześniejszych pakietów.

CECHY KOMUTACJI
PAKIETÓW:



odporność na uszkodzenia sieci
(uszkodzone urządzenia są po prostu
omijane)



możliwość docierania pakietów w
przypadkowej kolejności (ze względu
na różne ścieżki transmisji)



opóźnienia związane z
buforowaniem pakietów w routerach



duża przepustowość efektywna sieci

TECHNOLOGIA 3G

RÓŻNICE MIĘDZY 2G A

3G

W odróżnieniu od systemu telefonii

drugiej generacji GSM, w których

dominującą usługą miała być usługa

głosowa, a następnie rozwinięte o

transmisję pakietową w oparciu o

standardy GPRS oraz EDGE (zwane

też systemem 2.5G) w systemach 3G

od momentu rozpoczęcia

projektowania zakładano

„równoprawne” świadczenia różnych

usług jak transmisja dźwięku, wideo i

transmisji danych (pakietowa).

General Packet Radio Service



GPRS jest technologią bezprzewodowego
przesyłu danych stosowaną w sieciach
telefonii komórkowej, opierającą się o metodę
pakietową. Głównym założeniem leżącym u
podstaw GPRS jest podział transmitowanych
danych na odrębne pakiety, zamiast
dotychczas stosowanej metody transmisji
ciągłej. Użytkownik płaci w niej za faktycznie
wysłaną lub odebraną ilość bajtów, a nie za
czas, w którym połączenie było aktywne.

Zalety:



Zwiększenie maksymalnej przepustowości połączenia do ok. 80 kbit/s.



Obniżenie kosztów korzystania z połączenia pracującego w technologii GPRS –
dane przesyłane w postaci pakietów powodują, że nie ma konieczności
utrzymywania stale otwartego połączenia, niezależnie od ilości danych
oczekujących na transmisję lub ich braku. Łączne zostaje nawiązane tylko w
momencie pojawienia się kolejnego pakietu danych do przesłania, po
zakończeniu transmisji połączenie jest przerywane. Takie rozwiązanie
umożliwia naliczanie opłat za ilość przesłanych danych, a nie za czas trwania
połączenia.



Obniżenie wymagań dotyczących przepustowości sieci komórkowej. Z punktu
widzenia operatora użytkownik korzystający z łączności sieciowej nie zajmuje
przez cały czas połączenia dostępnego pasma, ale zwalnia je po wysłaniu, bądź
odebraniu kolejnego pakietu. Zwolnione pasmo może zostać w tym momencie
przydzielone innemu użytkownikowi oczekującemu na transmisję danych.



Powyższe dwie cechy pociągają za sobą kolejną zaletę – użytkownik końcowy
może cały czas korzystać z usług opartych o komunikacją wykorzystującą
technologię GPRS ponosząc przy tym znikome koszty. Nie ma zarazem
konieczności utrzymywania stałego połączenia lub mało komfortowego
zrywania i nawiązywania kolejnych połączeń.



Możliwość wykorzystania istniejącej już infrastruktury technicznej sieci GSM,
bez konieczności dokonywania jej modernizacji lub tworzenia nowej sieci od
podstaw.



GPRS nazywany jest "technologią" 2.5 G.
Operatorzy sieci GSM wdrażają ją, aby móc
zaoferować swoim abonentom możliwość
pakietowej transmisji danych. Stworzona w tym
celu sieć szkieletowa (ang. Core Network),
składająca się z elementów SGSN, GGSN i
wewnętrznej sieci IP (zobacz rozdział
Architektura), może posłużyć do obsługi
abonentów w sieciach 3G, które będą
sukcesywnie zastępować tradycyjne sieci GSM
(oczywiście konieczne będzie jej przeskalowanie
ze względu na zwiększony transfer danych).



W przypadku GPRS medium transmisyjnym są fale
radiowe nadawane i odbierane przez stację bazową
(BTS). Każda ze stacji obsługuje kilka częstotliwości
głównych, na każdej częstotliwości zdefiniowane jest 8
tzw. szczelin czasowych, czyli okresów czasu
umożliwiających transmisję pojedynczego bloku danych.
Dla potrzeb GPRS możliwe jest jednoczesne przydzielenie
do 4 szczelin na potrzeby komunikacji pomiędzy stacją
bazową a terminalem (telefonem).  Każda ze szczelin
stanowi odrębny kanał komunikacyjny o ściśle określonej
przepustowości, uwarunkowanej wynegocjowanym
algorytmem kodowania kanałowego. Wykorzystywane są
4 wspomniane algorytmy, CS1 o przepustowości do
9.05kbit/s, CS2 – 13,4 kbit/s, CS3 – 15,6 kbit/s oraz CS4 –
21,4 kbit/s. Maksymalna łączna przepustowość łącza jest
uzależniona od najsłabszego zastosowanego algorytmu
kodowania i wynosi jego czterokrotność.



Po włączeniu do sieci i nawiązaniu połączenia telefon otrzymuje
swój unikatowy identyfikator TFI (Temporary Flow
Indentity), który jest wykorzystywany zarówno do sygnowania
własnych pakietów, jak również porównywania sygnatur
pakietów nadawanych przez BTS. Zgodność identyfikatorów
oznacza pakiet przeznaczony dla danego urządzenia. Jeśli
urządzenie ma zamiar nadać własne dane, najpierw muszą one
zostać podzielone na pakiety. Każdy z pakietów otrzymuje
znacznik określający jego kolejność, dzięki czemu urządzenie
odbiorcze będzie w stanie odtworzyć odebrane dane. Nadajnik
wysyła dane w momencie pojawienia się wolnej szczeliny
czasowej. Takie rozwiązanie ułatwia organizację komunikacji,
bowiem nie występuje tutaj konieczność każdorazowej
negocjacji wykorzystywanych niskopoziomowych protokołów
transmisyjnych, ustawień modemów ani adresacji, jak również
kanał komunikacyjny otwiera się wyłącznie na czas transmisji,
zwalniając go dla potrzeb innych urządzeń w czasie
bezczynności. Ewentualny konflikt pomiędzy dwoma lub
większą liczbą urządzeń nie spowoduje utraty danych, a jedynie
może wpłynąć na efektywną przepustowość łącza.



Na bazie technologii GPRS można utworzyć medium
transmisyjne umożliwiające połączenia wykorzystujące takie
protokoły jak TCP/IP, PPP lub X.25. Szczególnie często
wykorzystywany jest protokół TCP/IP, dzięki  niemu
użytkownicy mogą uzyskać dostęp do internetu lub sieci
firmowych, korzystać z takich usług, jak wideokonferencje,
dostęp do faksu lub poczty elektronicznej, komunikatorów
internetowych itp. Protokół PPP jest zazwyczaj
wykorzystywany do emulacji modemu przez telefon komórkowy
– funkcja taka pozwala na podłączenie telefonu do komputera i
umożliwienie tunelowania protokołu IP w sieci GSM,
zapewniając tym samym dostęp do internetu z komputera.
Inną, rzadziej stosowaną możliwością udostępnianą przez
protokół PPP jest korzystanie z urządzeń technicznych takich
jak bankomaty, czytniki, mierniki itp. korzystające z tego
właśnie protokołu. Wykorzystanie protokołu X.25 jest
praktycznie zerowe z uwagi na przejęcie praktycznie całej jego
funkcjonalności przez protokół TCP/IP i częściowo PPP.

ELEMENTY SIECI GPRS



Elementy istniejące w klasycznej sieci
GSM:



Stacja bazowa – do transmisji GPRS używane
są stacje bazowe wykorzystywane w
klasycznej sieci GSM. Należy tylko dokonać
aktualizacji oprogramowania stacji bazowej
(zwykle robi się to zdalnie z poziomu
Kontrolera Stacji Bazowych), co umożliwi jej
obsługę nowych rodzajów kanałów radiowych
oraz nowego sposobu kodowania sygnału.



BSC – Base Station Controller (Kontroler Stacji Bazowych)
to element sieci GSM kontrolujący zazwyczaj od
kilkudziesięciu do kilkuset stacji bazowych. Obecnie BSC
dostarczane są z oprogramowaniem obsługującym
zarówno klasyczną transmisję głosu w GSM jak i
transmisję danych GPRS. Podczas uruchamiania usług
GPRS, dokonuje się konfiguracji samych kontrolerów i
obsługujących ten rodzaj transmisji stacji bazowych,
dodatkowo w BSC umieszczany jest specjalny sprzęt
komputerowy Packet Control Unit (PCU), który
odpowiedzialny jest za obsługę ruchu pakietowego.
Niektórzy dostawcy oferują Package Control Unit jako
osobny element sieci, może on być podłączony wtedy do
kilku BSC.



MSC/VLR – Mobile Switching Centre to centrale
telefoniczne biorące udział w zestawianiu
połączeń głosowych w GSM. Z każdym MSC
związany jest Visitor Location Register, baza
danych, która przechowuje między innymi
położenie abonenta w postaci Location Area (LA,
zobacz tabelkę obok). Sieć GSM może być
skonfigurowana tak, aby pomiędzy MSC a siecią
szkieletową GPRS był ustanowiony interfejs
wykorzystywany do powiadamiania abonenta o
nadchodzących rozmowach, w momencie, gdy
dokonuje transmisji pakietowej.



HLR – Home Location Register to baza
danych przechowująca informacje o
abonentach mających subskrypcję w danej
sieci. Część informacji związana jest z
subskrypcją funkcjonalności GPRS: IMSI,
MSISDN, adres SGSN (SS7 i IP), które
kontroluje obszar, na którym znajduje się
abonent, informacja czy SMS-y mają być
przesyłane za pomocą GPRS, QoS, informację
o usługach związanych z GPRS bazujących na
platformie sieci inteligentnych i inne.



SCP – Service Control Point to główny
element platformy związanej z sieciami
inteligentnymi[4]. Może być na nim
umieszczony na przykład serwis, który
zarządza naliczaniem opłat za korzystanie z
transmisji GPRS użytkownikom rozliczającym
się w systemie Prepaid.



Elementy dodane podczas implementacji
GPRS:



SGSN- Serving GPRS Support Node jest elementem
sieci GPRS odpowiedzialnym za zarządzanie
terminalami znajdującymi się na kontrolowanym przez
siebie terenie. Teren ten podzielony jest na Routing
Area (zobacz tabelkę obok). Jeśli terminal zmieni
położenie i znajdzie się w innym Routing Area, fakt ten
zostanie odnotowany w SGSN. Element ten jest też
odpowiedzialny za uwierzytelnianie terminala
włączającego się do sieci. Podczas transmisji
uczestniczy w przesyłaniu pakietów (w obie strony)
pomiędzy terminalem a siecią GPRS. Liczba SGSN w
sieci zależy od ruchu pakietowego generowanego
przez abonentów.



GGSN – Gateway GPRS Support Node jest elementem
sieci działającym jak router łączący sieć GPRS i
zewnętrzną sieć (np. Internet lub sieć LAN
użytkownika). Gdy użytkownik terminala chce
skorzystać z zasobów zewnętrznej sieci, GGSN
przydziela mu numer IP (z własnej puli numerów lub
dostarczony przez serwer z zewnętrznej sieci),
dodatkowo na czas sesji aktywuje tzw. PDP context
który zawiera numer IMSI terminala, przydzielony mu
numer IP oraz adres IP SGSN, które kontroluje obszar,
na którym znajduje się użytkownik. PDP context
będzie przydatny podczas trasowania pakietów
przychodzących z zewnętrznej sieci.



PCU – Packet Control Unit jest odpowiedzialny za
prawidłową obsługę ruchu pakietowego w
radiowej części sieci. Przydziela terminalom
GPRS kanały radiowe (zobacz rozdział Interfejs
radiowy), buforuje dane przesłane przez SGSN,
forwarduje je do odpowiedniej stacji bazowej
dodając informację, która umożliwi terminalowi
zidentyfikowanie 'swoich' danych. PCU może być
(w zależności od dostawcy) zaimplementowany
jako dodatkowy sprzęt w BSC bądź jako
niezależny element sieci obsługujący jedno lub
więcej BSC.

KONIEC