3. Generácia mobilných technológií

BAKALÁRSKA PRÁCA

TOMÁŠ GERTHOFER

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií a Multimédií

Študijný odbor:

TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci bakalárskej práce: Ing. Peter Poloha

Stupeň kvalifikácie: Bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: 6.6.2008

ŽILINA 2007

ABSTRAKT

Táto práca pojednáva o technológií UMTS (Univerzálny mobilný telekomunikačný

systém). Popisuje architektúru siete, prístupové metódy a ich princíp na akom pracujú.

V práci je načrtnutý vývoj systému UMTS. Ďalej práca opisuje situáciu na trhu a pokrytie vo

svete a na Slovensku.

ABSTRACT

This work discus about UMTS technology (Universal mobile telecommunication

system). He describes network architecture, access methods and their fundamentals which

working. In work is described evolution of UMTS system. Also work relate aspect on market

and coverage no world and in Slovakia.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií a multimédií

_____________________________________________________________________

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - BAKALÁRSKA PRÁCA Priezvisko, meno: Tomáš Gerthofer.....................akademický rok: 2007/2008..

Názov práce: 3. Generácia mobilných technológií ..

......................................................................................................................................

...............................................................................................................................…...

Počet strán: 44 Počet obrázkov: 26 Počet tabuliek: 1

Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Použitá lit.: 17

Anotácia:

Táto práca pojednáva o technológií UMTS (Univerzálny mobilný telekomunikačný systém).

Popisuje architektúru siete, prístupové metódy a ich princíp na akom pracujú. V práci je

načrtnutý vývoj systému UMTS. Ďalej práca opisuje situáciu na trhu a pokrytie vo svete a na

Slovensku.

....................................................................................................................................................

Anotácia v cudzom jazyku:

This work discus about UMTS technology (Universal mobile telecommunication system). He

describes network architecture, access methods and their fundamentals which working. In

work is described evolution of UMTS system. Also work relate aspect on market and

coverage no world and in Slovakia.

......................................................................................................................................

Kľúčové slová:

Universal mobile telecommunication system, radio access network, handover, node B,

mobile equipment, wideband code division multiple access, core network, channel, 3G sieť,

rádiové rozhranie, kanál, bunková sieť, prístupové metódy, základňová stanica

..

....................................................................................................................................

Vedúci práce: Ing. Peter Poloha

Recenzent práce : .......................

Dátum odovzdania práce: 6.6.2008

OBSAH

ÚVOD........................................................................................................................................1 CIEĽ RIEŠENIA .....................................................................................................................2 1. UMTS – UNIVERZÁLNY MOBILNÝ TELEKOMUNIKAČNÝ SYSTÉM.......3

1.1. EVOLÚCIA 2G SIETÍ A VÝVOJ ŠTANDARDOV UMTS............................3 1.1.1. GSM ..................................................................................................................4 1.1.2. GPRS .................................................................................................................5 1.1.3. SLUŽBY POSKYTOVANÉ SIEŤAMI 3. GENERÁCIE ............................6

1.2. ARCHITEKTÚRA SYSTÉMU UMTS..................................................................7 1.2.1. OPORNÁ SIEŤ ................................................................................................8 1.2.2. UTRAN – RÁDIOVÁ PRÍSTUPOVÁ SIEŤ ...............................................12 1.2.3. PREPÍNANIE SPOJENIA (HANDOVER) .................................................15 1.2.4 RIADENIE VÝKONU...................................................................................17

2. PRÍSTUPOVÉ METÓDY........................................................................................20 2.1. RÁDIOVÉ ROZHRANIE ....................................................................................20

2.1.1. FREKVENČNÉ SPEKTRUM ......................................................................20 2.1.2 KANÁLY RÁDIOVEJ PRÍSTUPOVEJ SIETE.........................................22 2.1.3. UTRA VRSTVOVÝ MODEL PROTOKOLOV.......................................28

2.2. VIACNÁSOBNÝ PRÍSTUP V UMTS .................................................................30 2.3. WCDMA (UTRA/FDD).........................................................................................34 2.4. TD-CDMA (UTRA/TDD)......................................................................................35 2.5. HSPA .......................................................................................................................37

2.5.1. HSDPA ............................................................................................................37 2.5.2. HSUPA ............................................................................................................38

2.6. POROVNANIE ......................................................................................................38 ZÁVER....................................................................................................................................42 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY ...............................................................................43

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABUĽIEK

Obr.: 1.1. Rozdelenie technológií pre bezdeôtové služby..................................................... 3 Obr.: 1.1.1. Architektúra siete GSM .................................................................................... 4 Obr.: 1.1.2. Architektúra siete GPRS................................................................................... 6 Obr.: 1.2.a Bloková štruktúra UMTS.................................................................................. 7 Obr.: 1.2.b Sieťové prvky a rozhrania siete UMTS ............................................................ 8 Obr.: 1.2.1. Oporná sieť ....................................................................................................... 9 Obr.: 1.2.2. Rádiová prístupová sieť .................................................................................. 13 Obr.: 1.2.3. Typy prepojení spojenia (Handover) .............................................................. 16 Obr.: 1.2.4. Otvorená slučka regulácie výkonu v TDD systéme........................................ 18 Obr.: 2.1. Uu Rádiové rozhranie ......................................................................................... 20 Obr.: 2.1.1. Frekvenčné spektrum...................................................................................... 21 Obr.: 2.1.2.a Hierarchia kanálov v UTRAN .................................................................... 22 Obr.: 2.1.2.b FDD zostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály.............................. 27 Obr.: 2.1.2.c FDD vzostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály............................ 27 Obr.: 2.1.2.d TDD zostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály.............................. 27 Obr.: 2.1.2.e TDD vzostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály............................ 28 Obr.: 2.1.3. Vrstvový model protokolov UTRA ................................................................ 30 Obr.: 2.2.a. Princip FDMA, TDMA a CDMA................................................................... 31 Obr.: 2.2.b. Princíp modulácie v DS-CDMA (použitie ortogonálneho kódu) ................... 32 Obr.: 2.2.c. Princip FH (Frekvenčné skoky) ...................................................................... 33 Obr.: 2.2.d. Úzkopásmová interferenčná rezistencia ......................................................... 34 Obr.: 2.3. Vzostupný a zostupn kanál v UTRA/FDD ......................................................... 35 Obr.: 2.4. Rôzne konfigurácie rámca - Uplink/Downlink časové okná .............................. 36 Obr.: 2.6.a. Závislosť prenosovej rýchlosti od pohybu...................................................... 40 Obr.: 2.6.b. Celosvetový nárast 3G užívateľov.................................................................. 40 Obr.: 2.6.c. 3G/WCDMA Mapa pokrytia .......................................................................... 41

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

ATM Asynchronous Transport Mode (Asynchrónny prenosový mód)

AICH Acquisition Indicator CHannel (Akvizičný indikačný kanál)

AMC Adaptive Modulation and Coding (Adaptívna modulácia a kódovanie)

AP-AICH CPCH Access Preamble Acquisition Indicator CHannel (Akvizičný indikačný

kanál CPCH prístupovej preambule)

AS Access Stratum (Prístupová vrstva)

AuC Autentification Center (Autentifikačné centrum)

BCCH Broadcast Control CHannel (Broadkastový riadiaci kanál)

BER Bit Error Ratio (bitová chybovosť)

BCH Broadcast CHannel (Broadkastový kanál)

BLR Block Error Ratio (Chybovosť blokov)

BMC Broadcast and Multicast Control (Riadenie broadcastu a multicastu)

BRAN Broadband Radio Access Network (Širokopásmová rádiová prístupová sieť)

BSC Base Station Controller (Ovládač základňovej stanice)

BSS Base Station Subsystem (Subsystém základňových staníc)

BTN Back-To-N (Návrat k N)

BTS Base Transciever Station (Základňová vysielacia stanica)

CAC Call Admission Control (Riadenie prístupu volania)

CCCH Common Control CHannel (Spoločný riadiaci kanál)

CCTrCH Coded Composite Transport Channel (Kódovaný kompozitný transportný

kanál)

CD/CA-ICH CPCH Collision-Detection/Channel-Assignment Indicator CHannel (detekcia –

kolízie/pridelenie – kanálu CPCH indikačný kanál

CDMA Code Division Multiple Access (Viacnásobný prístup s kódovým delením)

CM Connection Management (Manažment spojenia)

CN Core Network (Oporná sieť)

CPCH Common Packet CHannel (Spoločný paketový kanál)

CPICH Common Pilot CHannel (Spoločný pilotný kanál)

CRNC Controlling Radio Network Controller (Riadiaci rádiový sieťový ovládač)

CSICH CPCH Status Indicator CHannel (Indikačný kanál CPCH stavu)

CTCH Common Traffic CHannel (Spoločný prenosový kanál)

CUG Closed User Group (Úzka užívateľská skupina)

DCCH Dedicated Control CHannel (Vyhradený riadiaci kanál)

DCH Dedicated CHannel (Vyhradený kanál)

DPCCH Dedicated Physical Control CHannel (Vyhradený fyzický riadiaci kanál)

DPDCH Dedicated Physical Data CHannel (Vyhradený fyzický dátový kanál)

DPCH Dedicated Physical CHannel (Vyhradený fyzický kanál)

DSCH Downlink Shared CHannel (Zostupný spoločný kanál)

DTCH Dedicated Traffic CHannel (Vyhradený prenosový kanál)

EIR Equipment Identity Register (Register identity zariadenia)

ETSI European Telecommunication Standardization Institute (Európsky

telekomunikačný štandardizačný úrad)

FACH Forward Access CHannel (Priamy prístupový kanál)

FCS Fast Cell Selection (Rýchla bunková selekcia)

FDMA Frequenci Division Multiple Access (Frekvenčne delený viacnásobný prístup)

FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access (Slobodný mobilný multimediálny

prístup)

GERAN GSM/EDGE Radio Access Network (GSM/EDGE Rádiová prístupová sieť)

GGSN Gateway GPRS Support Node (Podporný uzol brány GPRS)

GLR GSM Localization Register (GSM lokalizačný register)

GMM GPRS Mobility Management (GPRS manažment mobility)

GMSC Gateway MSC (Brána MSC)

GPRS General Packet Radio Services (Všeobecná paketová rádiová služba)

GSM Global System for Mobile communication (Globálny Systém pre Mobilné

komunikácie)

HARQ Hybrid Automatic Repeat request (Hybridné automatické opakovanie

požiadavky)

HLR Home Location Register (Databáza domácich účastníkov)

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access (Vysokorýchlostný zostupný paketový

prístup)

HS-DPCCH Uplink Dedicated Control CHannel for HS-DSCH (Vzostupný vyhradený

riadiaci kanál pre HS-DSCH)

HS-DSCH High-Speed Downlink Shared CHannel (Vysokorýchlostný zostupný zdieľaný

kanál)

HSPA High-Speed Packet Access (Vysokorýchlostný paketový prístup)

HS-PDSCH High-speed Physical Downlink Shared CHannel (Vysokorýchlostný zostupný

zdieľaný fyzický kanál)

HS-SCCH Shared Control CHannel for HS-DSCH(Zdieľaný riadiaci kanál pre HS-DSCH)

HS-SICH Shared Information CHannel for HS-DSCH (Zdieľaný informačný kanál pre

HS-DSCH)

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access (Vysoko-rýchlostný vzostupný paketový

prístup)

IMEI International Mobile Equipment Identity (Medzinárodné identifikačné číslo

mobilnej stanice)

IMSI International Mobile Subscriber Identity (Medzinárodné identifikačné číslo

účastníka)

IMT-2000 International Mobile Telecommunication (Medzinárodné mobilné

telekomunikácie)

ITU International Telecommunication Union (Medzinárodná telekomunikačná

únia)

LMSI Local Mobile Station Identity (identita mobilnej stanice)

MAC Medium Access Control (Riadenie prístupu na médium)

MBMS Multimedial Broadcast Multicast Service (Multimediálna broadkastova

multikastova služba)

MM Mobility Management (Manažment mobility)

MSC Mobile Switcging Center (Mobilné prepojovacie centrum)

MSISDN Mobile Station International ISDN number (ISDN číslo mobilnej stanice)

MSRN Mobile Station Roaming Number (Roamingové číslo mobilnej stanice)

NAM Network Access Mode (Sieťový prístupový mód)

NAS Nonaccess Stratum (Neprístupová vrstva)

NSS Network Switching Subsystem (Sieťový prepájací subsystém)

OMC Opreations and Maintenance Centrum (centrum prevádzky a údržby)

P-CCPCH Primary Common Control Chysical CHannel (Primárny spoločný riadiaci

fyzický kanál)

PCCH Paging Control CHannel (Vyhľadávací riadiaci kanál)

PCPCH Physical Common Packet CHannel (Spoločný fyzický paketový kanál)

PCU Packet Control Unit (Paketová riadiaca jednotka)

PDCP Packet Data Convergence Protocol (Protokol paketovej dátovej konvergencie)

PDP Packet Data Protocol (Paketový dátový protokol)

PDSCH Physical Downlink Shared CHannel (Fyzický zostupný zdieľaný kanál)

PCH Paging CHannel (Vyhľadávací kanál)

PICH Paging Indicator CHannel (Indikačný kanál vyhľadávania)

PLMN Private Land Mobile Network (Privátna pozemná mobilná sieť)

PNBSCH Physical Node B Synchronization CHannel (Fyzický synchronizačný kanál

Uzla B)

PRACH Physical Random Access CHannel (Fyzický kanál náhodného prístupu)

PSTN Public Switched Telephone Network (Verejná telefónna sieť s prepojovaním

okruhov)

PUSCH Physical Uplink Shared CHannel (Fyzický zdieľaný vzostupný kanál)

RACH Random Access CHannel (Kanál náhodného prístupu)

RAN Radio Access Network (Rádiová prístupová sieť)

RLC Radio Link Control (Riadenie rádiového spoja)

RNC Rodio Network Controler (Ovládač rádiovej siete)

RNS Radio Network Subsystem (rádiový sieťový subsystém)

RRC Radio Resources Control (Riadenie rádiových zdrojov)

S-CCPCH Secondary Comon Control Physical CHannel (Primárny spoločný riadiaci

fyzický kanál)

SGSN Serving GPRS Support Node (Obslužný uzol pre GPRS)

SHCCH SHared channel Control CHannel (Zdieľaný riadiaci kanál)

SCH Synchronizatoin CHannel (Synchronizačný kanál)

SIR Signal-to-Interference Ratio (pomer signál/šum)

SIR Signal to Interference Ratio (Pomer signál/interferencie)

SM Session Management (Manažment relácií)

SR Selective Repeat (Selektívne opakovanie)

SSDT Side-Selection Diversity Transmit (Polohovo – vybraná rôznorodosť prenosu)

SW Stop and Wait (Stoj a čakaj)

TD-CDMA Time Division - Code Division Multiple Accessje (Časovo delený – kódovo

delený mnohonásobný prístup)

TDMA Time Division Multiple Access (Časovo delený viacnásobný prístup)

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity (Dočasný kód mobilného účastníka)

TRAU Transcoding and Rate Adaption Unit (Transkódovacia a adaptačná jednotka)

UMTS Universal Mobile Telecommunication System (Univerzálny mobilný

telekomunikačný systém)

USIM UMTS Subscriber Identity Module (Modul identifikácie účastníka)

USRAN UMTS Satelite Radio Access Network (UMTS satelitná rádiová prístupová

sieť)

UTRAN UMTS Trerstrial Radio Access Network (Rádiová prístupová sieť)

VLR Visitor Location Register (Databáza hosťujúcich účastníkov)

W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access (Širokopásmový kódovo delený

mnohonásobný prístup)

ÚVOD

Rozvoj trhu so širokopásmovými službami úzko súvisí s rozvojom s rozvojom

technológií, ktoré umožnili riešenie problému širokopásmového prístupu cez prístupové siete

pôvodne určené na prenos úzkopásmových hlasových a dátových služieb.

Univerzálny Mobilný Telekomunikačný Systém UMTS (Universal Mobile

Telecomunication System) je jedna z technológií 3. generácie mobilných sietí. V súčasnosti

je dostupná prevažne v západnej Európe. Telekomunikačné spoločnosti na Slovensku túto

technológiu zaviedli v roku 2006 a v súčasnosti je dostupná pre 60% populácie. Na vývoj 3G

technológií mali vplyv hlavne neustáli dopyt po širokopásmových službách, vytvorenie

celosvetového štandardu ktorý by konvergoval mobilné a pevné siete. Vývoj štandardov

začal už v polovici 80. rokoch. Medzinárodná telekomunikačná únia ITU (International

Telecomunicatoin Union) definovala štandard pre systémy tretej generácie IMT-2000

(International Mobile Telecommunication) a Európsky telekomunikačný štandardizačný úrad

ETSI definoval UMTS. 3. generácia bezdrôtových sietí sa vyvinula z 2. generácie, ktorej

dominantnou technológiou je GSM (Global mobile System for Mobile comunication) a 2,5.

generácie GPRS (General Packet Radio Services). GSM bola navrhnutá na prenos hlasu

a hlasové služby. GPRS je nadstavba do siete GSM, ktorá zabezpečuje prenos dát.

1

CIEĽ RIEŠENIA

V tejto práci sa budem zaoberať 3. generáciou mobilných telekomunikačných

systémov, konkrétne technológiou UMTS a jej prístupovými metódami. V prvej kapitole

popíšem históriu a vývoj štandardov pre UMTS. Štruktúru siete, služby poskytované sieťami

3. generácie (hlasové, dátové, videohovor, mobilná TV a pod.). V druhej kapitole podrobne

popíšem prístupové metódy a ich princíp, na akom pracujú. Aké majú technické parametre

a kde sa používajú. A nakoniec porovnám prístupové metódy z rôznych hľadísk:

prenosových rýchlostí, použitia, frekvenčných pásiem. Do porovnania zahrniem aj

technológie 2. generácie GSM a jej evolučnej nadstavby GPRS.

2

1. UMTS – UNIVERZÁLNY MOBILNÝ

TELEKOMUNIKAČNÝ SYSTÉM

1.1. EVOLÚCIA 2G SIETÍ A VÝVOJ ŠTANDARDOV UMTS

Hlavné dôvody na vývoj sietí 3. generácie sú: rastúci dopyt po širokopásmových

službách, vytvorenie celosvetového štandardu, konvergencia pevných a mobilných sietí

s využitím existujúcej infraštruktúry 2. generácie. Systémy 3. generácie sú určené na

poskytovanie globálnej mobility so širokou škálou služieb zahŕňajúc telefonovanie,

posielanie správ, stránkovanie, internetové a širokopásmové dáta. Štandardy pre 3. generáciu

mobilných sietí sa začali vyvíjať už v polovici 80. rokov medzinárodnou telekomunikačnou

úniou ITU a európskym telekomunikačným štandardizačným úradom ETSI. ITU pracovala

na systéme FPLMTS neskôr nazvaný IMT-2000 a ETSI pracovala na systéme UMTS.

Situáciu v Európe zjednodušuje jednotný štandard opornej siete GSM. V roku 1999 ITU

vybrala päť technológií pre bezdrôtové služby:

- širokopásmové CDMA (WCDMA)

- CDMA 2000 (vyvinuté z CDMA IS – 95)

- TD – CDMA / TD – SCDMA (časovo delené CDMA a časovo delené synchrónne

CDMA)

- UWC – 136 (vyvinuté z IS – 136)

- DECT

1Obr.: 1.1. Rozdelenie technológií pre bezdeôtové služby

3

V roku 1998 bol sformovaný Third Generation Partnership Project (3GPP) aby pokračoval na

prácach technickej špecifikácie UMTS. 3GPP mal päť hlavných UMTS štandardizačných

oblastí: Rádiová prístupová sieť, Oporná sieť, Terminály, Aspekty služieb a systémov,

GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network).

1.1.1. GSM

GSM je bunková sieť druhej generácie. Vývoj sa začal na začiatku osemdesiatych

rokov dvadsiateho storočia v Európe. Bola vytvorená špeciálna skupina Groupe Special

Mobile (GSM), ktorá pracovala na vývoji siete. Neskôr táto skupina bola presunutá do

inštitútu ETSI. Prvá sieť bola spustená v roku 1991 vo Fínsku.

GSM je najúspešnejší z bunkových systémov druhej generácie, ktorý bol prijatý nielen

v Európe ale aj v Ázijsko-pacifickom regióne a v Amerike. V súčasnosti má GSM

technológia 81% podiel na globálnom trhu s bunkovými systémami druhej generácie.

Technické parametre a architektúra siete

GSM sieť pracuje v štyroch rôznych frekvenčných pásmach. Najčastejšie v 900 MHz

a 1800 MHz, ale v niektorých amerických krajinách sú používané 850 MHz a 1900 MHz

pásma. GSM využíva kombináciu FDMA a TDMA multiplexu. Pre vzostupný a zostupný

smer sú vytvorené dve 25 MHz široké frekvenčné pásma so 124 frekvenčnými kanálmi

v každom. Kanály sú oddeľované 200 kHz ochrannými pásmami. Frekvenčný kanál je ďalej

rozdelený na 8 časových kanálov.

2Obr.: 1.1.1. Architektúra siete GSM

4

Na obrázku 1.1.1. je zobrazená architektúra siete GSM. Sieť sa skladá z dvoch hlavných

domén: Subsystém základňových staníc BSS (Base station subsystem) a Sieťovým

prepájacím subsystémom NSS (Network switching subsystem).

BSS obsahuje základňovú stanicu BTS (Base transciever station), ktorá

sprostredkováva rádiové spojenie s mobilnými stanicami, a ovládač základňovej stanice BSC

(Base station controller), ktorý riadi rádiové zdroje pre jednu alebo viacej BTS.

NSS je oporná sieť systému GSM. Pracuje na princípe prepojovania okruhov

a obsahuje množstvo databáz (databázy sú popísané v kapitole 1.2.1. Oporná sieť pretože sú

v podstate rovnaké aké používa systém UMTS). Hlavným prvkom NSS je rádiotelefónna

ústredňa MSC (Mobile switching centre). MSC sa stará o smerovanie hovorov v sieti.

Hovory idúce z/do iných sietí sú smerované cez GMSC (brána MSC). Ďalším významným

prvkom v systémoch druhej generácie je transkódovacia a adaptačná jednotka TRAU

(Transcoding and rate adaption unit). Jednotka TRAU konverguje reč (16 kbit/s prenášanej

z mobilnej stanice cez BTS a BSC do MSC) na štandardný 64 kbit/s tok pre prenos cez

PSTN alebo ISDN sieť. Aj keď TRAU je vlastne logicky časť BSS, obvykle je umiestňovaná

blízko MSC, čo má značný dopad na redukciu prenosových nákladov.

1.1.2. GPRS

Všeobecná paketová rádiová služba GPRS (General packet radio service) je paketovo

orientovaná mobilná dátová sieť dostupná užívateľom systému GSM. Mobilné siete druhej

generácie kombinované s GPRS sú považované za 2,5-tú generáciu.

Architektúra siete a technické parametre

Sieť GPRS využíva rovnaké rádiové rozhranie ako GSM (tie isté frekvenčné pásma,

modulácie, frekvenčné skoky, štruktúra rámcov). Režim prenosu s prepojovaním paketov si

vyžiadal zmeny v infraštruktúre siete GSM. Bolo pridaných niekoľko nových sieťových

prvkov vyžadovaných v GPRS chrbticovej sieti a nová databáza GSM lokalizačný register

GLR (GSM localization register).

5

3Obr.: 1.1.2. Architektúra siete GPRS

Do základňových staníc bola vložená nová entita Paketová riadiaca jednotka PCU (Packet

control unit), ktorá riadi prenos GPRS cez rádiové rozhranie. V chrbticovej sieti GPRS sú

dva smerovacie prvky: Obslužný uzol pre GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node ) a

Podporný uzol brány GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node ), ktoré smerujú paketové

dáta. SGSN zabezpečuje spojenie s BSC a smeruje dáta v rámci siete, tiež vykonáva

autentifikáciu a manažment mobility. GGSN slúži ako brána do cudzích sietí.

GPRS poskytuje prenosové rýchlosti 56 až 114 kbit/s.

1.1.3. SLUŽBY POSKYTOVANÉ SIEŤAMI 3. GENERÁCIE

UMTS poskytuje okrem služieb prevzatých z 2.G sietí aj nové služby spojené

s nárastom prenosových rýchlostí a zdokonalením mobilných staníc (väčšia pamäť, kamera,

veľký displej). Nové širokopásmové služby spojené s prenosom multimediálnych dát ako sú

napríklad mobilná TV alebo video na požiadanie sú sprostredkované pomocou MBMS

multimediálnej broadkastovej multikastovej služby (Multimedial broadcast multicast

service).

MBMS je služba sprostredkovávaná prostredníctvom sietí GSM a UMTS.

Infraštruktúra ponúka možnosť využiť vzostupný kanál pre interakciu medzi poskytovateľom

a užívateľom, čo nieje možné v obvyklých broadkastových sieťach ako napríklad konvenčná

6

televízia. MBMS používa pre prenos opornou sieťou spojenia typu bod – bod alebo bod –

viac bodov. MBMS bol štandardizovaný v 3GPP a prvá fáza štandardizácie sa objavila

v UMTS odporúčaní 6.

1.2. ARCHITEKTÚRA SYSTÉMU UMTS

UMTS sieť pozostáva z CN opornej siete (Core Network), ktorá používa zdokonalené

sieťové prvky siete GSM, a UTRAN rádiovej prístupovej siete (UMTS Terestrial Radio

Access Netkork), ktorá je vybudovaná na spôsobe prenosu ATM vrátane rozhrania Iu. UE

User Equipment (UMTS mobilný terminál) je pripojený k prístupovej sieti UTRAN cez

rádiové rozhranie Uu, ktoré pracuje na princípe CDMA. Na obrázku 1.2.a sú znázornené

základné domény siete.

4 Obr.: 1.2.a Bloková štruktúra UMTS

UMTS mobilný terminál obsahuje USIM (UMTS Subscriber Identity Module). Táto čipová

karta obsahuje špecifické užívateľove informácie a verifikačný kľúč k overení užívateľovho

prístupu do siete. Táto karta je vložená do slotu v mobilnom termináli a je jedným

z operačných elementov terminálu.

Podrobná štruktúra siete je zobrazená na obrázku 1.2.b , kde sú znázornené sieťové

prvky a rozhrania. V sieti sa využívajú rôzne spôsoby prenosu dát. RNS rádiový sieťový

subsystém (Radio Network Subsystem), ktorý je súčasťou RAN, zabezpečuje medzi

účastníkom a RNC ovládač rádiovej siete (Rodio Network Controler) spojovo orientovaný

prenos. Ďalej tento tok smeruje, buď do MSC (Mobile Switcging Center) ak ide o spojovo

orientovaný prenos, alebo do SGSN (Serving GPRS Support Node) ak ide o prenos na

7

princípe prepojovania paketov. Oporná sieť je prepojená s vonkajšími sieťami pomocou

príslušných brán. GMSC (Gateway MSC) spája opornú sieť s verejnou telefónnou sieťou

PSTN (Public Switched Telephone Network). GGSN (Gateway GPRS Support Node) spája

opornú sieť s IP sieťami.

5 Obr.: 1.2.b Sieťové prvky a rozhrania siete UMTS

Sieť umožňuje spoločnú koexistenciu systémov UMTS a GSM, pričom oporná sieť

obsluhuje dva nezávislé prístupové podsystémy. RNS podsystém pre UTRAN, a BSS (Base

Station Subsystem) podsystém pre GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network).

1.2.1. OPORNÁ SIEŤ

Oporná sieť UMTS vychádza z modifikovanej siete GSM. Je rozdelená na 2 časti, na

časť s prepojovaním paketov a spojovo orientovanú časť. Obe časti CN opornej siete

8

používajú tú istú RAN rádiovú prístupovú sieť. Rozhranie medzi CN a RAN (Iu - rozhranie)

je delené na rozhranie pre spojovo orientovanú časť CN (IuCS – Circuit Switched) a na

rozhranie pre časť CN s prepojovaním paketov (IuPS – Packet Switched).

6 Obr.: 1.2.1. Oporná sieť

MSC – Rádiotelefónna ústredňa (Mobile Switching Centre)

MSC je spojovo orientovaný uzol v CN, ktorý zabezpečuje spojovo orientovaný prenos. Tá

istá MSC môže byť použitá na spojenia GSM-BSS a UTRAN. MSC je pripojená

k nasledujúcim prvkom opornej siete:

- Prepojenie s pevnou PSTN sieťou prostredníctvom brány GMSC (Gateway MSC)

- Prepojenie s ostatnými MSC cez rozhranie E. Týmto rozhraním si MSC

vymieňajú dáta pri prepínaní spojenia (handover), keď mobilná stanica prechádza

z jednej MSC oblasti pokrytia do druhej.

- Pripojenie k SGSN cez Gs rozhranie

- Pripojenie k rôznym registrom opornej siete (HLR, EIR, AUc)

- VLR je fyzicky implementovaná do MSC, ich prepojenie je na logickej úrovni

prostredníctvom rozhrania B

9

Hlavné rozdiely medzi MSC a telefónnou ústredňou v pevných sieťach spočíva v tom, že

MSC zodpovedá za prideľovanie rádiových zdrojov, v mobilnej povahe účastníkov, vo

vykonávaní nasledujúcich procedúr:

- procedúry vyžadované pre lokálnu registráciu

- procedúry vyžadované pri prepájaní spojenia (handover)

GMSC – Bránová MSC (Gateway Mobile Switched Centre)

Je to MSC ktorá sa nachádza medzi sieťou PSTN a inou MSC v sieti. Jej funkciou je

smerovanie prichádzajúcich volaní na príslušnú MSC po tom ako si vytiahne z HLR potrebné

informácie. Ak operátor dovolí prístup do HLR z cudzie siete, potom určenie bránovej MSC

nieje nevyhnutné a z druhej siete môžu volania smerovať priamo na príslušnú MSC sami.

V praxi to je možné, ak sú všetky MSC zároveň aj GMSC v PLMN (Private Land Mobile

Network).

VLR – Databáza hosťujúcich účastníkov (Visitor Location Register)

VLR obsahuje informácie o hosťujúcich mobilných staniciach v oblasti pokrytia MSC. VLR

obsahuje veľa rovnakých informácií ako databáza domácich účastníkov HLR (Home

Location Register). Rozdiel je v tom že informácie vo VLR sú dočasné, zatiaľ čo HLR je

miesto na permanentné uloženie informácií. Účastnícke dáta vo VLR zahŕňajú nasledujúce

informácie:

- Medzinárodné identifikačné číslo účastníka IMSI (International Mobile

Subscriber Identity)

- ISDN číslo mobilnej stanice MSISDN (Mobile Station International ISDN

number)

- Roamingové číslo mobilnej stanice MSRN (Mobile Station Roaming Number)

- Dočasný kód mobilného účastníka TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

- Lokálna identita mobilnej stanice LMSI (Local Mobile Station Identity)

- Lokalita kde bol účastník zaregistrovaný

- Identita SGSN kde bol účastník zaregistrovaný

- Posledná známa poloha a počiatočná poloha mobilnej stanice

HLR – Databáza domácich účastníkov (Home Location Register)

HLR je trvalý register užívateľských dát. Je tu uložený každý informačný profil účastníka.

PLMN sieť obsahuje jeden alebo niekoľko registrov HLR. Záleží to na počte mobilných

10

účastníkov, na kapacite registrov a na organizácií siete. Permanentne uložené dáta zahŕňajú

okrem iných aj:

- Medzinárodné identifikačné číslo účastníka IMSI (International Mobile

Subscriber Identity)

- MSISDN (číslo adresára mobilnej stanice (+41-1234.654321))

- Informácie o kategórii mobilnej stanice

- Prípadné roamingove obmedzenia

- Členské dáta úzkej užívateľskej skupiny CUG (Closed User Group)

- Dodatočné servisné parametre

- Sieťový prístupový mód NAM (Network Access Mode), ktorý určuje či má

účastník prístup do: GPRS siete, nie-GPRS siete, alebo oboch

Ak je podporované GPRS, sú do HLR zahrnutú adresy paketových dátových protokolov PDP

(Packet Data Protocol) a nasledujúce dočasné dáta:

- Lokálna identita mobilného účastníka LMSI

- Číslo MSC

- Číslo VLR (identita VLR, kde ja aktuálne zaregistrovaný účastník)

AuC Autentifikačné centrum (Autentification Center)

Autentifikačné centrum je združené s HLR. Fyzicky existuje AuC len s príslušným HLR.

Rozhranie H medzi nimi nieje štandardizované. V AuC sú uložené: užívateľov autentifikačný

kľúč a IMSI. AuC vysiela dáta potrebné pre autentifikáciu a šifrovanie cez HLR do VLR

a SGSN ktorý si potrebujú overiť mobilnú stanicu.

EIR Register identity zariadenia (Equipment Identity Register)

EIR ukladá medzinárodné identifikačné číslo IMEI používané v systéme. EIR obsahuje tri

oddelené zoznamy:

1. White list: IMEI zariadení ktoré sú v poriadku

2. Black list: IMEI zariadení nahlásených ako ukradnuté

3. Gray list: IMEI zariadení ktoré majú nejaké problémy (napr. Poruchový softvér)

EIR musí obsahovať minimálne White list. Black list a jeho kontrola nieje povinná a to

umožňuje používať ukradnuté mobilné telefóny v nemej zabezpečených sieťach. Typicky sa

v PLMN sieťach používa jeden register EIR, ktorý je prepojený so všetkými HLR v sieti.

11

SGSN Obslužný GPRS podporný uzol (Serving GPRS Support Node)

SGSN je centrálny sieťový prvok v sieti s prepojovaním paketov. Zahŕňa dva typy

informácií:

1. Účastnícke informácie

- IMSI

- Dočasné identity

- PDP adresy

2. Lokálne informácie

- bunku alebo smerovú oblasť, kde je mobilná stanica zaregistrovaná

- VLR číslo

- GGSN adresu alebo každú GGSN pre ktorú existuje PDP kontext

SGSN je pripojená k UTRAN cez rozhranie IuPS.

GGSN Podporný uzol brány GPRS (Gateway GPRS Suppotr Node)

GGSN korešponduje s GMSC v spojovo orientovanej sieti. Pokiaľ GMSC smeroval len

príchodziu prevádzku, GGSN musí smerovať prevádzku v opačnom smere. GGSN si udržuje

tieto dáta:

- Užívateľské informácie

- IMSI

- PDP adresy

- Lokálne informácie

- SGSN adresy, kde je mobilná stanica zaregistrovaná

GGSN prijíma informácie z HLR a SGSN.

1.2.2. UTRAN – RÁDIOVÁ PRÍSTUPOVÁ SIEŤ

UTRAN je nová rádiová prístupová sieť navrhnutá pre systém UMTS. Jej úlohou je

zabezpečiť spojovo orientovaný prenos medzi mobilným terminálom a opornou sieťou. Sieť

UTRAN je založená na koncepte siete GERAN. V budúcnosti by ďalšie implementácie

zahŕňali aj širokopásmovú rádiovú prístupovú sieť BRAN (Broadband Radio Access

Network) a UMTS satelitnú rádiovú prístupovú sieť USRAN (UMTS Satelite Radio Access

Network). UTRAN sa skladá z rádiových sieťových ovládačov RNC (Radio Network

12

Controller) a uzlov B (základňové stanice). Spolu tvoria rádiový sieťový subsystém RNS

(Radio Network Subsystem), ako to je znázornené na obr.: 1.2.2.

7Obr.: 1.2.2. Rádiová prístupová sieť

Iub a Iur sú vnútorné rozhrania siete UTRAN. Zabezpečujú spojenie medzi uzlom B a RNC

(Iub). Rozhranie medzi dvomi RNC (Iur), sa využíva pri prepájaní spojenia.

RNC Rádiový sieťový ovládač (Radio network controler)

RNC je centrálny uzol v rádiovej prístupovej sieti a ovláda jeden alebo niekoľko uzlov B.

K opornej sieti je pripojený cez rozhrania IuCS (pripojenie k MSC pre spojovo orientovaný

prenos) a IuPS (pripojenie k SGSN pre prenos s prepojovaním paketov). Rozhranie ktoré

spája dve RNC (Iur) je iba na logickej úrovni a priame fyzické spojenie nieje nevyhnutné.

Komunikácia Iur rozhraním sa uskutočňuje cez opornú sieť. RNC vykonáva tieto funkcie:

1. Riadenie prístupu volania CAC (Call Admission Control): Prenosová technológia

CDMA poskytuje veľké množstvo kanálov na rádiovom rozhraní i keď nemôžu byť

všetky použité v rovnakom čase. Dôvodom sú problémy s interferenciou, ktorá

narastá so zväčšujúcim sa počtom použitých kanálov. V dôsledku toho musí RNC

počítať s aktuálnym prevádzkovým zaťažením pre jednotlivé bunky. Na základe

týchto informácií sa CAC rozhodne či úroveň interferencie je priateľná a potom

13

požiadavke na obsadenie kanála vyhovie alebo, ak je to nevyhnutné, zamietne

volanie.

2. Riadenie rádiových zdrojov: RNC riadi rádiové zdroje v pripojených bunkách. Toto

zahŕňa plánovanie využívania kanálov s ohľadom na interferenciu, riadenie priorít.

3. Vybudovanie a rozpad spojenia na podvrstve RLC (Radio Link Control): RNC je

zodpovedný za nastavenie, udržanie a uvolnenie rádiovej nosnej. Nastavenie rádiovej

nosnej je porovnateľné s vytvorením logického dátového spojenia, kde nieje udané či

sa jedná o spojovo orientované alebo paketovo prepájané dáta počas prenosu cez

rádiovú nosnú.

4. Pridelenie kódu: CDMA kódy v UMTS sú manažované podľa stromu kódov. RNC

prideľuje časť tohto stromu kódov každej mobilnej stanici a môže ich meniť počas

spojenia.

5. Riadenie výkonu: Je dôležité pre správne a efektívne fungovanie CDMA siete, kde

vysielací výkon všetkých užívateľov je riadený. Rýchle riadiace procesy vykonáva

uzol B, ale cieľové riadiace hodnoty sú stanovené v RNC. Riadenie sa vykonáva na

základe odmeraných hodnôt interferencií, informácií z ostatných buniek,

a v niektorých prípadoch, udalostí za hranicou RNC.

6. Rozvrhovanie paketov: Počas paketového dátového prenosu niekoľkých staníc sú

zdieľané rovnaké zdroje na rádiovom rozhraní. RNC má za úlohu cyklicky

prideľovať vysielaciu kapacitu individuálne každej stanici a v rovnakom čase

zjednávať o kvalite služieb.

7. Prepojenie spojenia (handover): Je založený na meraní hodnôt uzlom B a UE. RNC

detekuje či iná bunka nieje lepšia pre prebiehajúce spojenie. Ak sa RNC rozhodne pre

prepojenie spojenia, tak preberá zodpovednosť za signalizáciu s novou bunkou

a informuje mobilnú stanicu o novom kanále.

8. SRNS premiestnenie: Je možné ak sa mobilná stanica pohybuje von z oblasti

manažovanej RNC. V tomto prípade druhé RNC prevezme kontrolu nad spojením.

9. Šifrovanie: Dáta prichádzajúce z pevných sietí, vysielané cez rádiové rozhranie sú

šifrované v RNC.

10. Konverzia protokolov: RNC musí spracovať komunikáciu medzi CN, susednými

RNC a pripojenými uzlami B.

11. ATM prepojovanie: Komunikácia medzi RNC a ostatnými pripojenými sieťovými

prvkami je obvykle založená na ATM cestách. RNC musí byť schopné prepínať

a spájať ATM spojenia aby umožnil komunikáciu medzi rôznymi uzlami.

14

12. Prevádzka a údržba: Je vykonávaná príslušnými administratívnymi funkciami

v sieťovom manažmente. Potrebné dáta musia byť prenesené cez príslušné rozhrania

do OMC centrum prevádzky a údržby (Opreations and Maintenance Centrum).

Uzol B (Node B)

Uzol B je sieťový prvok ktorý obsluhuje jednu alebo viacero buniek. Je pripojený k RNC

prostredníctvom rozhrania Iub (prenos je uskutočňovaný ATM okruhmi) a zároveň pripája

účastníkov do siete cez rádiové rozhranie Uu, preto je vyžadovaná podpora WCDMA

a ATM. Niektoré riešenia ponúkajú ATM spojovacie pole a služby pre emuláciu ATM

okruhov pre podporu kombinovaného prenosu 2G a 3G prevádzky. Existujú tri typy uzlov B

odpovedajúce dvom UTRA módom: UTRA-FDD uzol B, UTRA-TDD uzol B a Dual-mode

uzol B, ktorý môže používať oba módy súčastne.

1.2.3. PREPÍNANIE SPOJENIA (HANDOVER)

Mobilná stanica dokáže udržať spojenie v bunkovej sieti keď sa z oblasti pokrytia

jednej bunky do druhej. Procedúra, ktorá prepojí spojenie z jednej základňovej stanice na

druhú, sa nazýva handover (prepojenie spojenia). Je možné vykonať prepojenie spojenia aj

vtedy, keď nieje vyžadovaná zmena základňovej stanice ale len zmena rádiových zdrojov.

Prepojenie spojenia v systémoch CDMA a TDMA sa principiálne líši. Kým v TDMA je

prepnutie spojenia krátka procedúra a normálny stav si nevyžaduje prepojenie, v CDMA je

situácia dramaticky odlišná. Pri komunikácií so sieťou, môže UE stráviť veľkú časť času

spojenia v stave mäkkého prepájania.

15

8Obr.: 1.2.3. Typy prepojení spojenia (Handover)

V UMTS sú vykonávané prevažne tieto tri typy prepojenia spojenia (pozri obrázok 1.2.3.):

1. Tvrdé prepojenie (Hard handover): Spojenie je tvrdo prepnuté počas určitého času.

Všetky staré rádiové spoje sú v UE odstránené predtým ako sú zavedené nové rádiové

spoje. Táto metóda je používané v UTRA-TDD, prechod do novej bunky sa uskutoční

v priebehu jedného časového rámca.

2. Mäkké prepojenie (Soft handover): Mobilná stanica komunikuje simultánne

s viacerými sektormi (najviac tromi) z rôznych uzlov B. dáta sú rozdelené v RNC,

vysielané cez uzly B a zlúčené v UE. Dáta vysielané účastníkom prijímajú všetky

zúčastnené uzly B a posielajú ich do RNC, kde sú tieto dátové toky zlúčené a poslané

do CN ako jeden. Názov mäkkého prepojenia vyplýva z faktu, že tu nieje pevný

prepínací bod, namiesto toho je spojenie prenesené z jednej základňovej stanice do

druhej. Nová základňová stanica spočiatku k prenosu prispieva len veľmi málo, avšak

pri pohybe UE do novej bunky, predpokladaná nová základňová stanica preberá

zodpovednosť za spojenie. Nakoniec je spojenie so starou základňovou stanicou

ukončené a UE opúšťa režim mäkkého prepájania.

3. Mäkšie prepojenie (Softer handover): Je špeciálna verzia mäkkého prepojenia, kde

je komunikácia paralelná cez viacero sektorov jedného uzla B. výhodou je že

kombinovanie dátových tokov je vykonávané v uzle B a do RNC je prenášaný len

jeden dátový tok.

16

Obecne môžeme rozlišovať medzi vnútrobunkovým a mimo bunkovým prepojením. Pre

UMTS sú špecifikované nasledovné typy prepojenia spojenia:

- Prepojenie 3G – 3G (medzi UMTS a inými 3G systémami)

- FDD mäkké/mäkšie prepojenie

- FDD interfrekvenčné tvrdé prepojenie

- FDD/TDD prepojenie (zmena bunky)

- TDD/FDD prepojenie (zmena bunky)

- TDD/TDD prepojenie

- Prepojenie 3G – 2G (prepojenie do GSM)

- Prepojenie 2G – 3G (prepojenie z GSM)

1.2.4 RIADENIE VÝKONU

Regulácia výkonu je v systémoch CDMA veľmi dôležitá pre úspešnú činnosť.

Regulácia je potrebná na elimináciu problému blízkeho – vzdialeného účastníka (near – far

problem), ktorý vzniká pri rovnakom vysielacom výkone účastníkov, rôzne vzdialených od

základňovej stanice. Signál od najbližšieho UE je prijímaný s maximálnym výkonom, čo

zapríčiňuje saturáciu prijímačov spracovávajúcich slabšie signály (od vzdialených UE).

Rozdiel výkonov signálov prijatých od blízkeho a vzdialeného účastníka môže byť až 100

dB.

Na regulovanie výkonu sa používajú tri metódy: otvorená slučka, zatvorená slučka

a vonkajšia slučka.

Hlavné ciele regulácie výkonu:

- Obmedziť výkon signálu základňovej stanice v priestore bunky (obmedzenie

šírenia interferenčných signálov z bunky)

- Kompenzovať degradáciu kanála (krátkodobé úniky, a tlmenie signálu)

- Optimalizácia spotreby energie a životnosti batérie v UE

- Minimalizovanie elektromagnetických emisií (zdravie, rušenie iných prístrojov)

17

Otvorená slučka regulácie výkonu (Open loop)

Otvorená slučka pracuje bez spätnej väzby, UE meria výkon prijatého pilotného signálu

v kanále CPICH, odhadne tlmenie kanálu a podľa toho nastaví svoj vysielací výkon.

S rastúcou vzdialenosťou od základňovej stanice je výkon pilotného signálu slabší.

Nevýhodou metódy je nepresný odhad tlmenia. Výhodná je vysoká rýchlosť regulačnej

slučky, najmä pri náhlych výkyvoch tlmenia (napríklad pri vystúpení z tieňa budovy).

9Obr.: 1.2.4. Otvorená slučka regulácie výkonu v TDD systéme

Otvorená slučka sa používa len vo vzostupnom smere. V systémoch W-CDMA sa používa

len pri vstupe účastníka do novej bunky. V systémoch s časovým duplexom môže byť

metóda otvorenej slučky použitá ako hlavná metóda regulácie výkonu, používa sa napríklad

v TD-CDMA.

Zatvorená slučka regulácie výkonu (Closed loop)

Zatvorená slučka pracuje so spätnoväzobnými informáciami, ako sú merania výkonu, pomer

signál/interferencie alebo bitová chybovosť. Pre regulovanie výkonu vo vzostupnom smere,

základňová stanica vykonáva časté merania pomeru signál/interferencie SIR (Signal – to –

interference ratio) na prijímaných signáloch od každej mobilnej stanice. Tieto hodnoty sú

porovnané s prahovou hodnotou SIR a ak je výkon mobilnej stanice vysoký alebo nízky, je

vyslaný príkaz na adekvátne zníženie alebo zvýšenie výkonu. Pre regulovanie výkonu

v zostupnom smere, merania vykonáva mobilná stanica a výsledky odošle do základňovej

stanice, ktorá potom rozhodne či je potrebné zmeniť svoj vysielací výkon. Tieto úlohy sú

vykonané 1500-krát za sekundu. Rýchla regulácia výkonu je veľmi efektívna pre pomaly

18

a stredne rýchlo sa pohybujúcich účastníkov. Avšak s nárastom účastníka sú výhody

znižované.

Vonkajšia slučka regulácie (Outer loop)

Vonkajšia slučka je vždy implementovaná v RNC rádiovej prístupovej siete. Je zodpovedná

za nastavenie prahových hodnôt pre zatvorenú slučku. Tieto hodnoty sa časom menia ale

nemusia byť nastavované tak rýchlo ako merania v zatvorenej slučke. Prahové hodnoty sú

v skutočnosti odvádzané požadovanej bitovej chybovosti BER (Bit error ratio) alebo

z chybovosti blokov BLR (Block error ratio). Pri prenose dát sú nejaké chyby očakávané, pri

bezchybovom prenose je predpokladané vysielanie UE s vysokým výkonom. Na

zrealizovanie tejto metódy regulácie výkonu musia mobilné stanice pred odoslaním dát,

vypočítať kontrolný súčet.

Táto metóda sa používa v systémoch CDMA vo vzostupnom smere (regulácia výkonu

mobilných staníc), pretože umožňuje ďalej znížiť vnútrobunkovú interferenciu, ktorá určuje

kapacitu bunky.

19

2. PRÍSTUPOVÉ METÓDY

2.1. RÁDIOVÉ ROZHRANIE

Rádiové rozhranie v mobilných rádiových sieťach sa vo všeobecnosti popisuje ako

rozhranie medzi mobilnou stanicou a základňovou stanicou, kde ich komunikácia je

bezdrôtová prenášaná pomocou rádiových vĺn. Rádiové rozhranie UTRA – UMTS Pozemný

rádiový prístup (UMTS Terestrial Radio Access Network) je lokalizované medzi rádiovou

prístupovou sieťou UTRAN a mobilnou stanicou UE (User Equipment), viď obr.: 2.1. V

štandarde UMTS sa toto rozhranie nazýva Uu.

10Obr.: 2.1. Uu Rádiové rozhranie

2.1.1. FREKVENČNÉ SPEKTRUM

Frekvenčné spektrum vyhradené pre UMTS je výsledkom rokovaní ETSI skupiny

SMG (Special Mobile Group) z roku 1998 a konferencie WRC z Istanbulu v roku 2000, kde

boli schválené ďalšie frekvenčné pásma pre použitie v UMTS. Spektrum je znázornená na

obrázku 2.1.1.

20

V roku 1998 inštitút ETSI rozhodol že na rádiovom rozhraní UTRA budú použité tieto

technológie:

- WCDMA (UTRA/FDD) wideband CDMA: s frekvenčným duplexom pre

párované kanály, ktorá je vhodnejšia pre veľkoplošné pokrytie pre hlasové

a stredne rýchle symetrické dátové služby, ale je náročná na reguláciu výkonu na

strane mobilnej stanice i siete

- TD-CDMA (UTRA/TDD) time division CDMA: s časovým duplexom pre

nepárované kanály, ktorá je vhodná pre asymetrické vysokorýchlostné dátové

prenosy, pokrytie hlavne v budovách

Na konferencií WRC 2000 (World Radio Conference) v Istanbule bolo doplnené

frekvenčné spektrum o nové pásma 1710 – 1885 MHz a 2500 – 2690 MHz. Ďalej bol

schválený zámer použiť pre UMTS také frekvencie ktoré už sú vyhradené pre mobilné

komunikácie v pásme 806 – 960 MHz.

11Obr.: 2.1.1. Frekvenčné spektrum

21

2.1.2 KANÁLY RÁDIOVEJ PRÍSTUPOVEJ SIETE

V UTRAN sú tri oddelené koncepty kanálov: logické, transportné a fyzické, ich

hierarchia je zobrazená na obrázku 2.1.2. Logické kanály definujú aký typ dát je prenášaný.

Tieto kanály definujú dátovú – prenosovú službu poskytovanou vrstvou MAC, to znamená že

koncept logického kanála je používaný na rozhraní nad MAC vrstvou. Transportný kanál

definuje ako a s akým typom vlastností sú dáta poslané fyzickou vrstvou. Tieto kanály sa

používajú na rozhraní medzi MAC vrstvou a fyzickou vrstvou. Transportný kanál je nový

koncept v porovnaní WCDMA so systémom GSM. Fyzické kanále definujú presné fyzikálne

vlastnosti rádiového kanála. To sú kanále používané pod fyzickou vrstvou, t.j. na rádiovom

rozhraní.

12Obr.: 2.1.2.a Hierarchia kanálov v UTRAN

Logické kanály

Logické kanály sa nachádzajú na rozhraní medzi MAC vrstvou a RLC vrstvou, čiže to sú

kanále pracujúce na 2. vrstve UTRA vrstvového modelu protokolov. Logické kanály sa delia

na riadiace a prenosové. Riadiace kanály môžu byť tiež spoločné alebo vyhradené. Spoločné

kanály sú typu bod – viac bodov, sú spoločné pre všetkých užívateľov v bunke. Vyhradené

22

kanály sú typu bod – bod, sú používané iba jedným užívateľom. Riadiace kanály prenášajú

informácie riadiacej roviny a prenosové kanály informácie užívateľskej roviny.

Logické riadiace kanály sú:

- Broadcast control channel (BCCH) – broadkastový riadiaci kanál: zostupný

spoločný kanál

- Paging control channel (PCCH) – vyhľadávací riadiaci kanál: zostupný kanál

- Dedicated control channel (DCCH) – vyhradený riadiaci kanál: obojsmerný kanál

typu bod – bod

- Common control channel (CCCH) – spoločný riadiaci kanál: obojsmerný kanál

typu bod – viac bodov

- Shared channel control channel (SHCCH) – zdieľaný riadiaci kanál: obojsmerný

kanál, používaný len v TDD móde

Logické prenosové kanály:

- Dedicated traffic channel (DTCH) – vyhradený prenosový kanál: obojsmerný

kanál typu bod – bod

- Common traffic channel (CTCH) – spoločný prenosový kanál: zostupný kanál

typu bod – viac bodov

Transportné kanály

Transportné kanály definujú ako a s akými vlastnosťami sú dáta prenášané fyzickou vrstvou.

Delia na spoločné a vyhradené, všetky kanály sú jednosmerné.

Spoločné transportné kanály:

- Broadcast channel (BCH) – broadkastový kanál: zostupný smer

- Paging channel (PCH) – vyhľadávací kanál: zostupný smer

- Random access channel (RACH) – kanál náhodného prístupu: spojovo

orientovaný vzostupný kanál

- Common packet channel (CPCH) – spoločný paketový kanál: spojovo

orientovaný vzostupný kanál, používaný len v FDD móde

- Forward access channel (FACH) – priamy prístupový kanál: spoločný zostupný

kanál

23

- Downlink shared channel (DSCH) – zostupný spoločný kanál: zdieľaný

niekoľkými UE

- High-speed downlink shared channel (HS-DSCH) vysokorýchlostný zostupný

zdieľaný kanál (neexistuje samostatne): zostupný, zdieľaný niekoľkými UE,

optimalizovaný pre vysokorýchlostný dátový prenos, je združený s DCH,

a najviac 4 kanály sa prenášajú v HS-SCCH

Jediný vyhradený kanál je:

- Dedicated channel (DCH) – vyhradený kanál: pre jediný UE, vzostupný alebo

zostupný smer

Fyzické kanály

Sú tu dve cesty ako využiť pridelené spektrum UTRAN. Vo frekvenčne delenom duplexnom

móde (FDD), oba smery, zostupný aj vzostupný, majú vlastný frekvenčný kanál. V časovo

delenom duplexnom móde (TDD) je jeden frekvenčný kanál, ktorý je dynamicky delený na

časové okná pre oba smery, zostupný aj vzostupný. V závislosti na operačnom móde sú

fyzické kanály tak troch odlišné.

FDD fyzické kanály

Zostupné:

- Synchronizatoin channel (SCH) – synchronizačný kanál: dva subkanály primárny

a sekundárny SCH, vysielaný len počas prvých 256 čipov v každom časovom

okne

- Common pilot channel (CPICH) – spoločný pilotný kanál: pevná prenosová

rýchlosť 30kb/s, prenáša preddefinované bitové sekvencie, dva typy primárny

a sekundárny CPICH

- Primary common control physical channel (P-CCPCH) – primárny spoločný

riadiaci fyzický kanál: pevná rýchlosť 30 kb/s

- Secondary comon control physical channel (S-CCPCH) - primárny spoločný

riadiaci fyzický kanál: variabilná rýchlosť

- Physical downlink shared channel (PDSCH) – fyzický zostupný zdieľaný kanál:

vždy združený so zostupným DPCH, ktorý prenáša riadiace informácie

- Paging indicator channel (PICH) – indikačný kanál vyhľadávania

24

- Acquisition indicator channel (AICH) – akvizičný indikačný kanál

- CPCH Access preamble acquisition indicator channel (AP-AICH) - akvizičný

indikačný kanál CPCH prístupovej preambule

- CPCH Status indicator channel (CSICH) – indikačný kanál CPCH stavu: prenáša

CPCH stavová informácie

- CPCH Collision-detection/channel-assignment indicator channel (CD/CA-ICH) –

detekcia – kolízie/pridelenie – kanálu CPCH indikačný kanál

- High-speed physical downlink shared channel (HS-PDSCH) – vysoko –

rýchlostný zostupný zdieľaný fyzický kanál: prenáša HS-DSCH, môže využiť

8QPSK alebo 16QAM moduláciu, jeden UE môže prijímať niekoľko HS-PDSCH

kanálov súčasne

- Shated control channel for HS-DSCH (HS-SCCH) – zdieľaný riadiaci kanál pre

HS-DSCH

Obojsmerné:

- Dedicated physical data channel (DPDCH) – vyhradený fyzický dátový kanál

- Dedicated physical control channel (DPCCH) – vyhradený fyzický riadiaci kanál

Vzostupné:

- Physical random access channel (PRACH) – fyzický kanál náhodného prístupu

- Physical common packet channel (PCPCH) – spoločný fyzický paketový kanál

- Uplink dedicated control channel for HS-DSCH (HS-DPCCH) – vzostupný

vyhradený riadiaci kanál pre HS-DSCH: je multiplexovaný s DPCCH

TDD fyzické kanály

Zostupné:

- Primary common control physical channel (P-CCPCH) – primárny spoločný

riadiaci fyzický kanál

- Secondary common control physical channel (S-CCPCH) – sekundárny spoločný

riadiaci fyzický kanál

- Synchronization channel (SCH) – synchronizační kanál: dáva kód skupine buniek,

indikuje pozíciu (časové okno a kód) P-CCPCH

- Paging indicator channel (PICH) – indikačný kanál vyhľadávania

25

- Physical downlink shared channel (PDSCH) – fyzický zostupný zdieľaný kanál

- Physical Node B synchronization channel (PNBSCH) – fyzický synchronizačný

kanál Uzla B: prenáša synchronizačné impulzy Uzla B, je používaný sieťou pre

získanie časovej synchronizácie medzi Uzlami B, pre UE nemá význam

- High speed physical downlink shared channel (HS-DPSCH) – vysoko –

rýchlostný zostupný zdieľaný fyzický kanál

- Shared control channel for HS-DSCH (HS-SCCH) - zdieľaný riadiaci kanál pre

HS-DSCH

Obojsmerné:

- Dedicated physical channel (DPCH) – vyhradený fyzický kanál

Vzostupné:

- Physical random access channel (PRACH) – fyzický kanál náhodného prístupu

- Physical uplink shared channel (PUSCH) – fyzický zdieľaný vzostupný kanál

- Shared information channel for HS-DSCH (HS-SICH) – zdieľaný informačný

kanál pre HS-DSCH

Hierarchia logických, transportných a fyzických kanálov:

Na nasledujúcich obrázkoch sú znázornené kanály a ich príslušnosť k druhým. Je tu mnoho

fyzických kanálov, hlavne v FDD móde zostupné, ktoré niesu prenášané v žiadnom

transportnom kanále. Je to preto že niektoré typy indikačných kanálov, ktorých informácie

niesu zaujímavé pre vyššie vrstvy a preto ich nieje potrebné vkladať do žiadneho typu

transportného kanála.

26

FDD kanály:

13Obr.: 2.1.2.b FDD zostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály

14Obr.: 2.1.2.c FDD vzostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály

TDD kanály:

15Obr.: 2.1.2.d TDD zostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály

27

16Obr.: 2.1.2.e TDD vzostupné Logické, Transportné a Fyzické kanály

Zdieľané kanály

UTRAN špecifikácia zahŕňa zdieľané kanály na rádiovom rozhraní, to je nový koncept

v porovnaní s GSM. Ideou zdieľaných kanálov je efektívnejšie využitie kapacity prideleného

spektra. Pre ušetrenie kapacity sieť neprideľuje vyhradený kanál každému uživateľovy. Ak je

predpokladaná/meraná dátová prevádzka nízka alebo stredná alebo je zhlukovitého

charakteru, potom je možné využiť zdieľané kanále namiesto vyhradených. Zdroje na

zdieľaných kanáloch sú prístupné pre každého použivateľa, ktorý môže požiadať o dočasné

rezervovanie na krátkodobé použitie špeciálnou rezervačnou procedúrou. Kapacita je

garantovaná plánovacou funkciou v riadiacom rádiovom sieťovom ovládači CRNC

(Controlling radio network controller). V prípade že dočasná rezervácia vyprší a sú

pripravené nové dáta na vysielanie, potom musí znova prebehnúť celá rezervačná procedúra.

Tieto zdieľané kanále môžu byť používané len jedným aktívnym uživateľom v čase, ale

uživateľia sa často menia. Zdieľané kanály podporujú rýchle riadenie výkonu, ale

nepodporujú mäkké prepnutie spojenia.

2.1.3. UTRA VRSTVOVÝ MODEL PROTOKOLOV

Pri vývojových prácach na UTRAN bola zachovaná nezávislosť vrstiev manažmentu

mobility MM (Mobility management) a manažmentu spojenia CM (Connection

management) od technológií rádiového rozhrania. Táto idea bola realizovaná na koncepte

prístupovej vrstvy AS ( Access stratum) a neprístupovej vrstvy NAS (Nonaccess stratum).

AS je logická entita, ktorá zahŕňa rádiové prístupové protokoly medzi UE a UTRAN. Tieto

protokoly končia v UTRAN. NAS zahŕňa protokoly opornej siete CN medzi UE a samotnou

28

CN. Tieto protokoly sa končia v CN. Protokoly CM a MM sú protokolmi opornej siete GSM;

GPRS manažment mobility GMM (GPRS mobility management) a manažment relácií SM

(Session management) sú protokolmi opornej siete GPRS. Tak ako NAS je nezávislá od

rádiových techník nižších vrstiev, aj protokoly MM, CM, GMM a SM ostávajú nezávislé od

rádiových technológií nižších vrstiev.

Na Obrázku 2.1.3. je zobrazená hierarchia protokolov, viac úrovňové rozdelenie

a príslušnosť jednotlivým vrstvám a hladinám. Fyzická vrstva poskytuje prenosové služby

vyššej MAC vrstve (Medium Access Control) prostredníctvom transportných kanálov. MAC

vrstva konvertuje dáta prenesené cez logické kanály zhora, tak aby ich bolo možné vysielať

cez transportné kanále. Nad MAC vrstvou je podvrstva riadenia rádiového spoja RLC (Radio

Link Control), ktorá predovšetkým zodpovedná za bezchybový prenos. Takzvaná rádiová

nosná (radio bearer) je normálne priamo dostupná na hornej hranici RLC podvrstvy. Tu sú

kanály, ktorými sú dáta prenášané cez prístupovú vrstvu. V užívateľskej rovine dve

podvrstvy, PDCP protokol paketovej dátovej konvergencie (Packet Data Convergence

Protocol) a BMC riadenie broadcastu a multicastu (Broadcast and Multicast Control), môžu

byť umiestnené nad RLC podvrstvou. Adaptáciu do paketových dátových protokolov ako

napr. TCP/IP, môže byť robené v PDCP podvrstve, pričom BMC podvrstva je zodpovedná za

spojenia bod – viac bodov (point – to – multiopint). Podvrstvy spomenuté nad fyzickou

vrstvou patria do vrstvy 2. Riadenie a užívateľské dáta sú spoločne transportované až po

koniec tejto vrstvy. V 3. vrstve, podvrstva RRC riadenie rádiových zdrojov (Radio Recources

Control) je zodpovedná za konfiguráciu všetkých podvrstiev v rámci UTRA vrstvového

modelu. RRC podvrstva pracuje v riadiacej rovine.

29

17Obr.: 2.1.3. Vrstvový model protokolov UTRA

2.2. VIACNÁSOBNÝ PRÍSTUP V UMTS

V každom komunikačnom systéme s väčším počtom účastníkov, sú využívané určité

obmedzené zdroje. Preto musí byť použitý nejaký mechanizmus, ktorý umožní zdieľanie

týchto zdrojov. Mobilné bunkové systémy používajú rôzne techniky k poskytnutiu prístupu

viacerým účastníkom k rovnakému rádiovému spektru v rovnakom čase. Vývoj metód

viacnásobného prístupu postupoval s vývojom generácií bunkových systémov. V prvej

generácií bol používaný frekvenčne delený viacnásobný prístup FDMA (Frequenci division

multiple access), druhá generácia bunkových systémov prevažne časovo delený viacnásobný

prístup TDMA (Time division multiple access) a mnohé systémy tretej generácie používajú

kódovo delený viacnásobný prístup (Code division multiple access). Viaceré systémy

využívajú niekoľko techník simultánne.

30

18Obr.: 2.2.a. Princip FDMA, TDMA a CDMA

FDMA

FDMA je prístupová metóda, obvykle používaná v rádiových systémoch, na zdieľanie

rádiového spektra. Celé spektrum pridelené prevádzkovateľovi je rozdelené na menšie

frekvenčné pásma (kanály), ktoré sú potom prideľované jednotlivým užívateľom. Frekvenčné

kanály sú oddelené ochrannými pásmami aby sa kompenzovali nedostatky použitých

zariadení (frekvenčné filtre a oscilátory). Na obrázku 2.2.a. FDMA je znázornené rozdelenie

spektra do kanálov.

Výhodou metódy je, že jednotlivý užívatelia sa navzájom nerušia, každý užívateľ

vysiela na inom frekvenčnom pásme. Nevýhodou metódy je nízka flexibilita pri zmenách

frekvenčného plánu.

Táto metóda bola prvý krát použitá v starších družicových systémoch.

TDMA

TDMA je prístupová metóda niekoľko užívateľov zdieľa rovnaký frekvenčný kanál

rozdelením signálu do časových okien. Užívatelia vysielajú v rýchlom slede, jeden po

druhom, pričom každý používa svoje vlastné časové okno. Časové okná sú ukladané do

rámcov, ktoré určujú celkový vysielací čas. Časových okien v rámci je minimálne toľko,

koľko je požadovaných prístupov. Jednotlivým užívateľom sú prideľované rovnaké časové

okná v rámci. Časové okná sú oddeľované ochrannými intervalmi kvôli nedostatkom

systému. Na obrázku 2.2.a. TDMA je znázornený sled časových okien pridelených rôznym

užívateľom.

31

Nevýhodou metódy TDMA je nutnosť synchronizovať zariadenia v sieti. Výhody metódy sú

najmä vyššia flexibilita v prideľovaní časových okien jednotlivým užívateľom, jeden

užívateľ môže použiť na prenos aj viacero okien v rámci.

TDMA sa používa najmä v digitálnych bunkových systémoch 2. generácie napr.:

GSM, kde je kombinovaná s metódou FDMA (každý frekvenčný kanál je rozdelený do 8

časových kanálov).

CDMA

V tejto prístupovej metóde, na rozdiel od FDMA a TDMA, všetci účastníci komunikujú na

rovnakej frekvencií a v rovnakom čase. Každý vysielaný signál je modulovaný jedinečným

kódom. Prijímač musí tento špecifický kód poznať, aby dokázal vybrať požadovaný signál.

Dáta určené na prenos sú kódované pseudonáhodným alebo ortogonálnym kódom logickou

funkciou XOR, pozri obrázok 2.2.b. Spektrum a energia takéhoto signálu sú rozprestreté

celím vysielacím frekvenčným pásmom.

19Obr.: 2.2.b. Princíp modulácie v DS-CDMA (použitie ortogonálneho kódu)

32

Dve základné formy CDMA sú:

• Frequency Hopping FH – frekvenčné skoky: Signál je prenášaný na istej frekvencií,

ktorá sa po určitom časovom intervale, známom ako skoková rýchlosť, zmení. Signál

sa prenáša na rôznych frekvenciách naprieč širokým frekvenčným pásmom.

V určitom časovom okamihu je signál prenášaný na istej frekvencií definovanej

kódom. Obrázok 2.2.c. Túto metódu používajú mnohé komunikačné systémy, napr.:

štandard 802.11g bezdrôtová LAN a Bluetooth (pracujú na nelicencovanom 2,4 GHz

pásme).

20Obr.: 2.2.c. Princip FH (Frekvenčné skoky)

• Direct sequence DS – priama sekvencia: Dátový signál sa spojí s pseudonáhodným

kódom funkciou XOR. Kód má vyššiu frekvenciu ako dátový tok, čo má za následok

rozprestretia spektra signálu. Bity kódu sa nazývajú čipy, definujú parameter systému

čipová rýchlosť.

DS-CDMA je forma používaná na rádiovom rozhraní v UMTS nazývaná ako širokopásmová

CDMA (WCDMA) s čipovou rýchlosťou 3,84 Mčip/s.

Výhody rozprestretého signálu:

- Odolnosť voči úzkopásmovému rušeniu (Obrázok: 2.2.d.)

- Zdieľanie jedného kanálu mnohými účastníkmi

- Redukovaná úroveň signálu na pozadí/šum (utajenie, koexistencia s inými

systémami)

33

21Obr.: 2.2.d. Úzkopásmová interferenčná rezistencia

2.3. WCDMA (UTRA/FDD)

Širokopásmový kódovo delený mnohonásobný prístup W-CDMA (Wideband code

division multiple access) je používaný v Japonskom systéme FOMA (Freedom of Mobile

Multimedia Access) a v systéme UMTS. Bol vyvinutý Japonskou spoločnosťou NTT

DoCoMo, neskôr predložený do špecifikácií ITU.

W-CDMA potrebuje na prenos pár 5 MHz širokých rádiových kanálov. Jeden na

zostupný smer a jeden na vzostupný smer. Rádiové kanály sú oddelené 200 kHz ochranným

pásmom. Vo frekvenčnom spektre UMTS sú zostupné kanály oddelené od vzostupných

kanálov pásmom širokým 190 MHz. Párované kanály UMTS: 1920 – 1980 a 2110 – 2170

MHz. Operátor potrebuje 3 – 4 kanály (2 x 15 MHz alebo 2 x 20 MHz) na vybudovanie

vysokorýchlostnej, veľkokapacitnej siete.

Na rovnakej frekvencií môže vysielať/prijímať viacero účastníkov, odlíšených

rozdielnymi rozprestierajúcimi kódmi. Rozprestierajúci faktor pre zostupný smer môže byť

použitý medzi 4 – 512, pre vzostupný smer medzi 4 – 256. Každý rozprestierajúci kód

v každom frekvenčnom kanále je dostupný v rovnakom čase len raz. V FDD móde nieje

delenie časových do časových okien navrhnuté pre signály rôznych účastníkov, ale namiesto

toho sú realizované výhradne pre periodické funkcie ako napr.: riadenie výkonu. CDMA

systém rýchle a presné riadenie výkonu, aby predchádzal interferenciám. Preto v FDD móde

sú príkazy riadenia výkonu prenášané v každom časovom okne.

34

22Obr.: 2.3. Vzostupný a zostupn kanál v UTRA/FDD

Hlavné vlastnosti a funkcie:

- Šírka rádiového kanála 5 MHz s 200 kHz odstupom

- Čipová rýchlosť 3,84 Mčip

- Podpora dvoch základných duplexných módov: frekvenčne delený a časovo

delený

- Vykonávanie súvislej detekcie symbolov a kanálov pre oba smery

- Podpora vnútrobunkových asynchrónnych operácií

- Multikódový prenos

- Adaptívne riadenie výkonu založené na SIR (Signal-to-Interference ratio) pomere

signál/šum

- Viacužívateľská detekcia a inteligentné antény môžu byť použité pre zvýšenie

kapacity a pokrytia

- Viac typov prepnutia spojenia medzi rôznymi bunkami zahŕňajúc jemné

prepnutie, jemnejšie prepnutie a tvrdé prepnutie

2.4. TD-CDMA (UTRA/TDD)

V TDD móde sú vzostupný aj zostupný smer implementované v rovnakom

frekvenčnom kanále, ktorý je rozdelený do časových rámcov. Rámec musí obsahovať

minimálne jedno časové okno pre vzostupný smer a aspoň jedno okno pre zostupný smer.

35

Časovo delený – kódovo delený mnohonásobný prístup TD-CDMA (Time Division - Code

Division Multiple Accessje) je rádiové rozhranie primárne používané v UMTS-TDD.

Používa rádiové kanály o šírke 5 MHz, kde každý kanál je rozdelený na 10 ms rámce, ktoré

obsahujú 15 časových okien (1500 za sekundu). Na rozdiel od FDD módu, prenosová

kapacita na vzostupnom a zostupnom smere môže byť menená. Umožňuje to časové

rozdelenie frekvenčného kanála, kde časť rámca je dostupná pre vzostupný smer a časť pre

zostupný smer. Tento pomer častí rámca sa môže meniť. Markantnosť rozdielu je znázornený

na štyroch rôznych konfiguráciách časového rámca zobrazeného na obrázku 2.4. Smer šípok

reprezentuje vzostupný alebo zostupný smer. V zásade je možné niekoľko krát prepnúť

medzi smermi počas jedného rámca. V extrémnych prípadoch, za každým časovým oknom.

Rozdielny počet okien pre oba smery môže byť využitý v rôznych asymetrických službách.

23Obr.: 2.4. Rôzne konfigurácie rámca - Uplink/Downlink časové okná

Konfigurácia s niekoľkými prepínacími bodmi v jednom rámci redukuje čas medzi dvoma

vysielaniami jedným smerom, čo minimalizuje oneskorenie medzi dátovými paketmi

čakajúcich na prenos. Rýchle prepínanie medzi vzostupným a zostupným smerom kladie

vysoké nároky na vysielacie jednotky mobilných a základňových staníc. Z toho dôvodu je

vhodné zvoliť jeden prepínací bod v rámci ak je oneskorenie prenosu prípustné, čo je prípad

väčšiny služieb v UMTS. Avšak aj konfigurácia s jedným prepínacím bodom umožňuje

vyhradiť rôzne prenosové kapacity pre vzostupný a zostupný smer.

36

2.5. HSPA

Vysoko-rýchlostný paketový prístup HSPA (High-speed packet access) je súbor

protokolov ktoré rozšírili a vylepšili už existujúce protokoly v UMTS. Sú zavedené dva

štandardy: Vysoko-rýchlostný zostupný paketový prístup HSDPA (High-speed downlink

packet access) a Vysoko-rýchlostný vzostupný paketový prístup HSUPA (High-speed uplink

packet access). Tieto technológie využívajú vylepšenú modulačnú schému, použitím

protokolov ktorými komunikujú UE a základňová stanica. Tieto vylepšenia vedú k lepšiemu

využívaniu existujúcich rádiových pásiem pridelených UMTS.

2.5.1. HSDPA

Pre zabezpečenie vysokej rýchlosti boli do HSDPA implementované nové

technológie a to: Adaptívna modulácia a kódovanie AMC (Adaptive modulation and coding),

Hybridné automatické opakovanie požiadavky HARQ (Hybrid automatic repeat request),

Rýchla bunková selekcia FCS (Fast cell selection) a bol vytvorený nový fyzický kanál HS-

DSCH vysoko-rýchlostný zostupný zdieľaný kanál. Súčasná HSDPA poskytuje v zostupnom

smere prenosové rýchlosti 1,8; 3,6; 7,2 a 14,4 Mbit/s. V blízkej budúcnosti je plánovaný

nárast rýchlosti.

AMC Adaptívna modulácia a kódovanie

Linková adaptácia v HSDPA je schopnosť prispôsobovať modulačnú schému a kódovanie

podľa kvality rádiového spoja. AMC automaticky mení rozprestierajúci faktor, počet

multiplexných rozprestierajúcich kódov a hĺbku modulácie pre zabezpečenie vysoko-

rýchlostného prenosu, podľa vlastností užívateľovho spoja.

HARQ Hybridné automatické opakovanie požiadavky

Ak sa vyskytnú spojovacie chyby (napr. v dôsledku interferencie), mobilná stanica rýchlo

požaduje opakovaný prenos paketových dát. Používajú sa tri základné schémy ARQ: Stoj

a čakaj SW (Stop and wait), Návrat k N BTN (Back-to-N) a Selektívne opakovanie SR

(Selective repeat).

37

SR má najlepšiu priepustnosť, ale potrebuje veľkú vyrovnávaciu pamäť a záhlavie. Naproti

tomu SW má najmenšiu vyrovnávaciu pamäť a záhlavie.

FCS Rýchla bunková selekcia

FCS je požadované použiť pre medzisektorovú rôznorodosť pridruženú k príslušnému

plánovaciemu algoritmu na zníženie vysielacieho výkonu HS-DSCH kanála. HSDPA

používa FCS pri regulácií výkonu polohovo – vybranej rôznorodosti prenosu SSDT (Side –

selection diversity transmit).

2.5.2. HSUPA

Zatiaľ čo HSDPA optimalizoval zostupné prenosové vlastnosti, HSUPA optimalizuje

vzostupný smer použitím rozšíreného vyhradeného kanála E-DCH (Enhanced dedicated

channel), ktorý používa adaptačné metódy podobne ako pri HSDPA. Vylepšenia zahŕňajú

vyššiu priepustnosť, redukovanie oneskorenia a zlepšenie spektrálnej efektivity. HSUPA

poskytuje prenosové rýchlosti 0,73; 1,46; 2; 2,93; 5,76 a 11,6 Mbit/s.

2.6. POROVNANIE

Všetky navrhnuté riešenia majú svoje výhody a nevýhody. Nakoniec je to voľba

mobilných operátorov, ktorý zvažujú či riešenie zmenšuje problémy, za akú cenu, či bude

systém ľahko ovládateľný. Je potrebné si uvedomiť že maximálna prenosová rýchlosť

systému neprezrádza všetko o dosiahnuteľnom dátovom toku v praxi. Napríklad, nové

WLAN technológie umožňujú prenášať dáta veľmi vysokou maximálnou rýchlosťou, ale to

dokážu len s relatívne veľkými dátovými paketmi. Avšak typickí užívateľ aplikácií

v mobilných sieťach používa krátke pakety. Takže praktická priepustnosť v WLAN

systémoch môže byť často krát menšia ako teoretické maximum. Ďalší dôležitý parameter je

prenosové oneskorenie. Dokonca aj keď je priepustnosť vysoká, systém môže byť nestabilný

38

pre aplikácie ak je oneskorenie privysoké. Porovnávanie cien navrhnutých riešení je zložité

vzhľadom na to, že výsledná cena závisí od mnohých komponentov ako sú napr. cena

licencie, cena sieťových zariadení, prevádzkové náklady, cena koncových zariadení

a podobne. Plánovanie kapacity a objem rádiových zdrojov sú dôležité, zvlášť pre vysoko

rýchlostné systémy. Bunky CDMA systému majú tendenciu „dýchať“, keď pracujú blízko

ich kapacitných limitov. Tento fenomén musí byť odstránený za každú cenu. Kapacita

systémov CDMA je najčastejšie limitovaná interferenciou a nie nedostatkom kódov.

V tabuľke 2.6. sú porovnané teoretické maximálne prenosové rýchlosti bezdrôtových

technológií, a v niektorých prípadoch aj bežné rýchlosti dosahované v prevádzke.

Tab.: 2.6. Prenosové rýchlosti

Štandard Max

Downlink [Mbit/s]

Max Uplink [Mbit/s]

Dosah Typical

Downlink[Mbit/s]

CDMA RTT 1x 0.3072 0.1536 ~30 km 0.125 CDMA EV-DO Rev. 0 2.4580 0.1536 ~30 km 0.75 CDMA EV-DO Rev. A 3.1000 1.8000 ~30 km CDMA EV-DO Rev. B 4.9000 1.8000 ~30 km GSM GPRS Class 10 0.0856 0.0428 ~25 km 0.014 GSM EDGE type 2 0.4736 0.4736 ~25 km 0.034 GSM EDGE Evolution 1.8944 0.9472 ~25 km UMTS W-CDMA R99 0.3840 0.3840 ~30 km 0.195 UMTS W-CDMA HSDPA 14.400 0.3840 ~30 km 4.1 UMTS W-CDMA HSUPA 14.400 5.7600 UMTS W-CDMA HSPA+ 42.000 11.500 28.8 UMTS-TDD 16.000 16.000 UMTS HSOPA 100.00 50.000 iBurst: iBurst 24 8 ~12 km >2 WiMAX: 802.16e 70.000 70.000 ~6,5 km >10 WiFi: 802.11a 54.000 54.000 WiFi: 802.11b 11.000 11.000 ~30 m 2 WiFi: 802.11g 54.000 54.000 ~30 m 10 WiFi: 802.11n 200.00 200.00 ~50 m 40

39

24Obr.: 2.6.a. Závislosť prenosovej rýchlosti od pohybu

WCDMA (vrátane HSPA) má na dvoch trhoch spolu 270 miliónov 3G užívateľov po celom

svete (Q4 2007). Celosvetový nárast je zobrazený na obrázku 2.6.b.

25Obr.: 2.6.b. Celosvetový nárast 3G užívateľov

40

26Obr.: 2.6.c. 3G/WCDMA Mapa pokrytia

41

ZÁVER

Technológia UMTS je zložitá, prešla dlhým vývojom, ktorý stále pokračuje. Postupne

sa siete druhej generácie modernizujú a zavádzajú sa do nich technológie tretej generácie.

Tento proces je celosvetový, ale najvýraznejšie sa prejavujú v Európe, Japonsku a Amerike,

kde je vysoký dopyt po širokopásmových službách. Vývoj smeruje k celosvetovému

štandardu a úplnej IP prevádzky.

V súčasnosti je v prevádzke 220 HSDPA sietí v 91 krajinách sveta (z toho je 103

v Európe), pričom 116 HSDPA sietí (62,8%) poskytuje prenosové rýchlosti nad 3,6 Mbit/s.

stále pribúdajú nové siete a nový zákazníci. Popularita mobilných sietí je zrejmá, čoho sú

dôkazom viac ako 3,05 miliardy užívateľov sietí GSM a WCDMA (za rok 2007 pribudlo 568

miliónov užívateľov).

42

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] B. Walke, P. Siedenberg, M. P. Althoff „UMTS: The Fundamentals“ John Wiley &

Sons Ltd. april 2003, ISBN 0-470-84557-0

[2] Clint Smith, Daniel Collins, „3G Wireless Networks“ McGraw-Hill Profesional

2001, ISBN 0071414827/97800714821

[3] Ľubomír Doboš, Ján Dúha, Stanislav Marchevský, Vladimír Wieser „Mobilné

Rádiové Siete“ EDIS – vydavatelstvo ŽU, júj 2002, ISBN 80-7100-936-9

[4] Vladimír Wieser „Mobilné Rádiové Siete II“ Žilinská univerzita v Žiline 2004 ISBN

80-8070-345-0

[5] International Telecommunication Union „ITU-T Recommendation Q.1741.4

(10/2005)“ tolecommunication standardization sector of ITU, printed in Switzerland

Geneva, 2006

[6] Juha Korhonen „Introduction to 3G Mobile Communicatiuns“ Artech House Inc.

2003 ISBN 1-58053-507-0

[7] Minoru Etoh „Next Generation Mobile Systems 3G and Beyond“ John Wiley &

Sons Ltd. 2005, ISBN-13 978-0-470-09151-7 (HB)

[8] Timo Halonen, Javier Romero, Juan Malero „GSM, GPRS and EDGE Performance

Evolutoin Towards 3G/UMTS“ John Wiley & Sons Ltd. 2003, ISBN 0-470-86694-

2

[9] Mooi Chioo Chuah, Qinqing Zhang „Design and Performace of 3G Wireless

Network and Wireless Lans“ Springer Science+Busines media, Inc. 2006

ISBN 0-387-42152-3

[10] Reza Vaez-Ghaemi „Installation Testing of 3G Wireless Networks“ www.jdsu.com

[11] Jeffrey Bannister, Paul Mather, Sebastian Coope „Convergence Technologies for 3G

Networks, IP, UMTS, EGPRS and ATM“ John Wiley & Sons Ltd. 2004,

ISBN 0-470-86901-X

[12] R. Michael Buherer „Code Division Multiple Access (CDMA)“ Morgan & Claypool,

USA 2006 ISBN 1598 29041X

[13] white paper „HSPA, The undisputed choice for mobile broadband“ Ericson AB 2007

www.ericson.com

43

[14] 3G Americas „Mobile Broadband: The global evolution of UMTS/HSPA 3GPP

Release 7 and Beyond“ www.3gamericas.org

[15] Valtteri Niemi and Kaisa Nyberg, Nokia research center Finland „UMTS Security“

John Wiley & Sons Ltd. 2003 ISBN 0-470-84794-8

[16] Rysavy research and 3G Americas, september 2007 „EDGE, HSPA and LTE The

Mobile Broadband Advantage“ www.3gamericas.org

[17] Joint work group „MOBILE TV: The Groundbreaking Dimension“ Joint Mobile TV

group, 2006 www.umts-forum.org

44

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúceho bakalárskej práce Ing. Peter Poloha a používal som len literatúru uvedenú

v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Žiline dňa 6.6. 2008 ..........................

POĎAKOVANIE

Chcel by som sa v prvom rade poďakovať vedúcemu bakalárskej práce Ing. Petrovi

Polohovi za užitočné rady a usmernenie pri písaní bakalárskej práce. Ďalej by som sa chcel

poďakovať svojej rodine a priateľom za morálnu podporu.