1 Wprowadzenie
Rozdział 1 Wprowadzenie Temat
Strona
Idea systemu komórkowego .............................................................................. 7 Sygnały analogowe i cyfrowe .......................................................................... 17 Łącze PCM/E1 ................................................................................................. 22 Transmisja przewodowa .................................................................................. 24 Radiolinia ......................................................................................................... 26 Komutacja ........................................................................................................ 27
5
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Ta strona została celowo pozostawiona pusta.
6
1 Wprowadzenie
Idea systemu komórkowego W latach 40-tych XX-tego wieku w USA uruchomiono pierwsze w pełni komercyjne systemy telefonii ruchomej DPLM (ang. Domestic Public Land Mobile). Systemy te nie były jednak sieciami komórkowymi ponieważ składały się z pojedynczej stacji bazowej BS (ang. Base Station), wykorzystującej całe dostępne pasmo częstotliwości radiowych.
f1,f2,f3,f4
Rysunek 1-1 Jednokomórkowy system telefonii ruchomej Jedynym sposobem na zwiększenie pojemności (liczby jednoczesnych rozmów telefonicznych) systemów z pojedynczą komórką było dodawanie kolejnych kanałów radiowych, co nie zawsze było możliwe z uwagi na trudności i koszty związane z uzyskaniem licencji na wykorzystanie częstotliwości radiowych, jak i skończoną szerokość pasma dostępnego na potrzeby telefonii ruchomej.
f1,f2,f3,f4+f5,f6
Rysunek 1-2 Jednokomórkowy system telefonii ruchomej (wzrost pojemności)
7
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Kolejną wadą systemu z pojedynczą komórką jest ograniczony zasięg. Jedyną możliwością zwiększenia zasięgu jest zwiększenie mocy transmitowanego sygnału, zarówno stacji bazowej jak i stacji ruchomej. Należy jednocześnie zaznaczyć, że zwiększenie mocy stacji ruchomej jest możliwe jedynie do pewnych wielkości określonych w przepisach prawa, gwarantujących odpowiednią ochronę ludzi przed promieniowaniem.
P P
P
P f1,f2,f3,f4+f5,f6
P
Rysunek 1-3 Wzrost zasięgu w systemie jednokomórkowym Systemy z pojedynczą komórką, w związku z bardzo ograniczoną pojemnością i zasięgiem nigdy nie zdobyły szerszego grona użytkowników (poniżej jednego miliona użytkowników na świecie w szczytowym okresie rozwoju). Idea systemu komórkowego powstała w laboratoriach firmy Bell w latach 40-tych. Pierwsze sieci komórkowe powstały jednak dopiero w latach 70-tych, ponieważ stopień skomplikowania tych sieci nie pozwalał na ich praktyczną realizację bez użycia technologii półprzewodnikowych i mikroprocesorowych. Sieć komórkowa składa się z wielu stacji bazowych. Obszary zasięgu sąsiadujących stacji bazowych częściowo się pokrywają, dzięki czemu możliwe jest przeniesienie połączenia pomiędzy sąsiednimi komórkami sieci w przypadku, gdy przemieszczająca się w obrębie systemu stacja ruchoma traci kontakt z aktualnie wykorzystywaną stacją bazową.
8
1 Wprowadzenie
Rysunek 1-4 System komórkowy Dostępne kanały radiowe są zorganizowane w zestawy. Ten sam zestaw częstotliwości radiowych może być przydzielony wielu komórkom pod warunkiem, że dystans między nimi jest na tyle duży, aby zapobiegał interferencjom. W ten sposób przy pomocy ograniczonej liczby kanałów radiowych istnieje możliwość objęcia zasięgiem działania sieci nieograniczonego obszaru, a maksymalna liczba jednoczesnych połączeń w komórce jest wciąż równa ilości przydzielonych jej kanałów rozmównych.
Rysunek 1-5 Wielokrotne wykorzystanie częstotliwości Zmniejszając rozmiar komórki, można w danym obszarze rozmieścić więcej komórek. Przy założeniu stałej liczby kanałów radiowych w komórce, sumaryczna liczba jednoczesnych rozmów w danym obszarze rośnie, tj. rośnie pojemność systemu.
9
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Rysunek 1-6 System komórkowy (wzrost pojemności) Zaletą systemu komórkowego jest więc nieograniczony zasięg i duża pojemność. Wadą tego typu sieci jest ich znaczny stopień skomplikowania, konieczność automatycznego śledzenia lokalizacji stacji ruchomej i przełączania połączenia pomiędzy sąsiednimi komórkami.
Komórka Komórka to obszar pokryty sygnałem radiowym pojedynczego systemu antenowego stacji bazowej. Typowo komórki są graficznie reprezentowane kształtem sześciokąta, pomimo że ich faktyczny kształt zależy od typu systemu antenowego i parametrów środowiska. równa siła sygnału sąsiednich stacji bazowych
Rysunek 1-7 Komórka – kształt sześciokąta
10
1 Wprowadzenie
Rysunek 1-8 Komórka – model sześciokątny i kształt rzeczywisty Istnieją dwa podstawowe typy komórek: •
komórka dookólna – obsługiwana przez antenę, która transmituje sygnał równomiernie we wszystkich kierunkach,
•
komórka sektorowa – obsługiwana przez antenę kierunkową, która transmituje sygnał jedynie w danym sektorze (np. 120º lub 180º).
anteny dookólne
anteny kierunkowe
Rysunek 1-9 Typy anten Grupa stacji bazowych obsługujących sąsienie komórki sektorowe może być zainstalowana we wspólnej lokalizacji, dając w efekcie stację bazową dwusektorową lub częściej stosowaną – trójsektorową. Zazwyczaj w takim przypadku obsługa sąsiadujących komórek sektorowych jest prowadzona przez pojedynczy sprzętowy węzeł sieci.
11
Podstawy GSM/UMTS/LTE
komórka dookólna
komórki sektorowe
Rysunek 1-10 Typy komórek
Rysunek 1-11 Stacja bazowa trójsektorowa
Klaste Klastery częstotliwości Klaster jest geograficznie spójną grupą komórek w których:
12
•
wszystkie dostępne kanały częstotliwościowe zostały rozdzielone pomiędzy tworzące go komórki;
•
dany kanał radiowy został przydzielony jednej i tylko jednej komórce klastera;
•
a jego kształt umożliwia pokrycie całego obszaru sieci, jednakowymi przylegającymi do siebie klasterami, bez jakichkolwiek luk.
1 Wprowadzenie
Odległości pomiędzy komórkami używającymi takiego samego zbioru kanałów częstotliwościowych w dwóch sąsiednich klasterach są stałe, dlatego też warunki interferencyjne we wszystkich komórkach sieci są jednakowe.
f1
f1
Rysunek 1-13 Siatka planowania częstotliwości 4/12 Rys. 1-13 pokazuję siatkę planowania częstotliwości bazującą na klasterze składającym się z czterech trójsektorowych stacji bazowych, obsługujących 12 komórek, którym przypisano 12 rozłącznych grup kanałów częstotliwościowych. Siatka 4/12 jest powszechnie używana przez operatorów GSM, choć GSM może również pracować w oparciu o gęstsze siatki zapewniające większą pojemność. Przykładem takiego rozwiązania może być siatka 3/9, w której cały zestaw dostępnych kanałów częstotliwościowych rozdzielony jest pomiędzy jedynie dziewięć komórek klastera, w porównaniu z dwunastoma komórkami siatki 4/12.
f1
f1
Rysunek 1-14 Siatka planowania częstotliwości 3/9 13
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Niestety, wraz z zagęszczeniem siatki planowania częstotliwości, obserwuje się obniżenie jakości sygnału, ze względu na zmniejszoną odległość ponownego wykorzystywania częstotliwości. siatka
4/12
3/9
liczba częstotliwości liczba częstotliwości na komórkę
1/3
1/1
36/3=12
36/1=36
36 36/12=3
36/9=4
gęstsza siatka → większa pojemność gęstsza siatka → krótszy dystans ponownego wykorzystania częstotliwości → wyższe interferencje
Rysunek 1-15 Siatki 4/12, 3/9, 1/3, 1/1 - porównanie pojemności (przykład) Inne siatki planowania częstotliwości, takie jak 7/21, z dużym dystansem ponownego użycia częstotliwości, są zalecane dla sieci analogowych, które są znacznie bardziej czułe na interferencje. W przeciwieństwie do nich, najnowsze sieci komórkowe, takie jak UMTS i LTE zwykle używają siatki planowania częstotliwości 1/1. W tych systemach interferencje powodowane przez brak odstępu ponownego użycia częstotliwości są minimalizowane innymi metodami niż planowanie częstotliwości (więcej na ten temat w następnym rozdziale).
4/12
3/9
1/3
1/1
GSM UMTS LTE Rysunek 1-16 Typowe siatki częstotliwości systemów komórkowych W rzeczywistej sieci przypisanie kanałów do komórek i rozmiar komórki nie są tak jednorodne jak na prezentowanych przykładach. Komórki, w których ruch jest większy od przeciętnego obciążenia sieci, wymagają większej liczby kanałów częstotliwoścowych niż komórki z mniejszym ruchem. W dużych miastach, o dużym zagęszczeniu populacji rozmiar komórki będzie redukowany tak, aby zwiększyć pojemność, natomiast w rejonach rolniczych komórki mogą mieć znacznie większe rozmiary.
14
1 Wprowadzenie
Zwiększanie pojemności systemu komorkowego Jeżeli liczba użytkowników systemu stale wzrasta, w pewnym momencie konieczne jest zwiększenie pojemności systemu poprzez: •
zwiększenie zakresu dostępnych częstotliwości (np. operator GSM900 może zakupić licencję na GSM1800),
•
zagęszczenie siatki planowania częstotliwości (np. zmiana siatki 4/12 na siatkę 3/9),
•
zmniejszanie wielkości komórek (podział komórek).
Przykłady kolejnych kroków podziału komórek zostały pokazane na Rys. 1-17, 1-18 i 1-19. Początkowo w sieci używane były komórki dookólne, dające możliwie największy obszar pokrycia (Rys. 1-17). Następnym krokiem jest wprowadzenie stacji bazowych trójsektorowych (Rys. 1-18) przy wykorzystaniu istniejących lokalizacji stacji bazowych dookólnych. W ten sposób liczba lokalizacji stacji bazowych pozostaje niezmieniona przy jednoczesnym trzykrotnym wzroście liczby komórek w porównaniu do sytuacji sprzed podziału. W kolejnym kroku, istnieje możliwość ponownego podziału istniejących komórek, pod warunkiem wprowadzenia nowych lokalizacji stacji bazowych (Rys. 1-19).
Rysunek 1-17 Sieć przed podziałem komórek
15
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Rysunek 1-18 Podział komórek (krok 1)
Rysunek 1-19 Podział komórek (krok 2)
Siec komórkowa Siec komórkowa nie składa się jedynie ze stacji bazowych (BS) i komórek, lecz również zawiera w sobie dodatkowe elementy infrastruktury nie związane bezpośrednio z obsługą transmisji radiowej. Te elementy to na przykład centrale, komutatory, rutery, bazy danych, serwery i interfejsy, których rolą jest śledzenie położenia terminali i zestawianie połączeń pomiędzy abonentami.
16
1 Wprowadzenie
VLR BSC
MSC HSS
BSC
SGSN
VLR RNC
GGSN
GMSC
MSC
Rysunek 1-20 Sieć komórkowa
Sygnały analogowe i cyfrowe Za sygnał w telekomunikacji uważa się zmieniającą się w czasie wielkość fizyczną (np. natężenie lub napięcie prądu elektrycznego, natężenie światła, natężenie pola elektromagnetycznego), której zmienność reprezentuje zakodowaną informację. Niezależnie od medium używanego w transmisji, sygnał może przybierać formę analogową lub cyfrową. Sygnał analogowy jest ciągły w czasie i może przyjąć dowolną wartość z dopuszczalnego zakresu (np. ludzki głos). Sygnał cyfrowy jest nieciągły, tj. zmienia swoją wartość tylko we wcześniej określonych momentach czasu, i posiada skończoną, zwykle niewielką, liczbę możliwych wartości (np. 0 i 1). Przykładem sygnału cyfrowego może być transmisja z wykorzystaniem alfabetu Morsa. W przypadku wykorzystania lampy jako nadajnika, istnieją tylko dwie możliwe wartości sygnału tj. błysk albo ciemność, a do zmiany wartości może dojść tylko co pewien czas tj. czas trwania symbolu kropki, kreski i odstępu między symbolami. sygnał analogowy
sygnał cyfrowy
Rysunek 1-21 Sygnał analogowy i cyfrowy 17
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe są zniekształcane w trakcie procesu transmisji. W przypadku transmisji analogowej, w czasie której sygnał może przyjmować dowolne, nieprzewidywalne wartości, odtworzenie pierwotnie nadanawanego sygnału w odbiorniku jest niemożliwe. W przypadku binarnego sygnału cyfrowego, odbiornik może klasyfikować otrzymaną wartość sygnału do jednego z dwóch możliwych symboli (tj. 0 i 1) w zależności od tego, do której z tych wartości otrzymany sygnał jest bliższy. Jeżeli tylko zniekształcenia nie są zbyt poważne, pozwala to na całkowitą regenerację oryginalnego przekazu. sygnał nadany
sygnał otrzymany
sygnał zregenerowany
Rysunek 1-22 Regeneracja sygnału cyfrowego Możliwość regeneracji sygnałów cyfrowych jest ich wielką zaletą. Ponadto w systemach cyfrowych można stosować dodatkowe kodowanie nadmiarowe, pozwalające na korekcję błędów, nawet w przypadku poważnych zakłóceń nie pozwalających na pełną regenerację sygnału, jak i kodowanie chroniące informację przed podsłuchem. Bardzo często informacje naturalnie posiadające formę analogową, takie jak głos ludzki lub muzyka, są transmitowane lub przechowywane w formie cyfrowej, ponieważ systemy cyfrowe zapewniają im lepszą jakość niż systemy analogowe (np. telefonia cyfrowa ISDN/GSM, CD).
Konwersja analogowoanalogowo-cyfrowa Jedną z podstawowych funkcji terminalu mobilnego jest konwersja analogowej mowy ludzkiej do postaci cyfrowej w celu dalszej transmisji w systemie cyfrowym. Konwersja analogowo-cyfrowa (A/C) skutkuje wygenerowaniem serii bitów (binarnych wartości 0 i 1) reprezentujących oryginalny analogowy sygnał akustyczny. sygnał cyfrowy
sygnał analogowy
A/C
Rysunek 1-23 Konwersja analogowo-cyfrowa 18
system cyfrowy
1 Wprowadzenie
Konwersję cyfrowo-analogową przeprowadza się stosując modulację impulsowo-kodową PCM (ang. Pulse Code Modulation). Na proces modulacji PCM składają się: •
próbkowanie,
•
kwantyzacja,
•
kodowanie.
Próbkowanie Próbkowanie to pomiar chwilowych wartości sygnału (próbek) w ustalonych odstępach czasu. Powstały sygnał jest nieciągłą w czasie sekwencją próbek, które na tym etapie, wciąż mogą przybierać dowolne wartości z dopuszczalnego zakresu. Próbkowanie może doprowadzić do utraty części informacji sygnału oryginalnego. Ewentualna utrata części informacji jest tym mniejsza im częstszy jest proces pomiaru próbek. Teoria próbkowania opisująca to zjawisko stwierdza, że jakikolwiek ciągły sygnał może po spróbkowaniu zostać wpełni odtworzony, jeżeli częstotliwość próbkowania jest co najmniej dwukrotnie wyższa od najwyższej częstotliwości występującej w widmie sygnału oryginalnego. Mowa ludzka zawiera częstotliwości w zakresie od 300 Hz do 3400 Hz, co oznacza, że dla poprawnej reprezentacji mowy w systemach cyfrowych częstotliwość próbkowania powinna wynosić co najmniej 2·3,4 kHz=6,8 kHz. Systemy telekomunikacyjne dla zapewnienia dobrej jakości zwykle w praktyce stosują częstotliwość próbkowania nieco wyższą od wymaganej, wynoszącą 8 KHz.
próbkowanie
Rysunek 1-24 Próbkowanie
19
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Kwantyzacja W kolejnym kroku, każda próbka, która dotychczas mogła przyjąć dowolną wartość, jest przybliżana (aproksymowana) do najbliższej wartości dostępnej w skończonym zbiorze wartości poziomów kwantyzacji. Kwantyzacja wprowadza błędy, gdyż przybliżona wartość poziomu kwantyzacji rzadko jest równa wartości próbki. Dokładność odwzorowania zależy od liczby poziomów kwantyzacji. W tradycyjnej telefonii stosuje się 256 poziomów kwantyzacji, podczas gdy w GSM/UMTS/LTE liczbę tą zwiększono do 8192.
kwantyzacja
Rysunek 1-25 Kwantyzacja
Kodowanie Kodowanie przekształca skwantowane wartości próbek w wartości binarne. W przypadku tradycyjnej sieci telefonicznej, gdzie wykorzystywanych jest 256 poziomów kwantowania, każdy z poziomów może być określony poprzez 8 bitów (28=256). W GSM/UMTS/LTE, gdzie stosuje się 8192 poziomów kwantyzacji, każda próbka reprezentowana jest przez 13 bitów (213=8192). kodowanie 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
00→0000 01→0001 02→0010 03→0011 04→0100 05→0101 06→0110 07→0111 08→1000 09→1001 10→1010 11→1011 12→1100 13→1101 14→1110 15→1111
1000 1100 1110 1111 1111 1111 1111 1110 1101 1011
0110 0011 0010 0001 0001 0001 0001 0010 0100 1000
Rysunek 1-26 Kodowanie 20
1 Wprowadzenie
W tradycyjnych systemach telefonicznych, w wyniku procesu konwersji analogowo-cyfrowej, głos ludzki jest reprezentowany przed strumień bitów o przepływności 64 kb/s (8 bitów · 8 kHz = 64 kb/s), a w GSM/UMTS/LTE 104 kb/s (13 bitów · 8 kHz = 104 kbits/s)1.
Segmentacja i kompresja kompresja mowy W celu redukcji przepływności strumienia danych niosących mowę ludzką stosuje się kompresję, polegającą najczęściej na zastąpieniu cyfrowej reprezentacji analogowego sygnału mowy informacją o tym, w jaki sposób mowa może być po stronie odbiorczej ponownie wygenerowana. Mowa ludzka jest generowana przez układ krtani, nosa, języka i zębów. Znajdujące się w krtani struny głosowe odpowiadają za generowanie częstotliwości akustycznych (tonów), a pozostałe organy mowy odgrywają rolę filtra, zmieniając brzmienie powstałego dźwięku. Głównym celem kompresji mowy stosowanej w GSM jest wyodrębnienie informacji o tonach i filtrze, która następnie jest transmitowana w postaci niewielkiego zbioru parametrów.
Kodowanie z pełną przepływnością przepływnością (ang. Full Rate – FR) Segmentacja W związku z faktem, że organy mowy zmieniają swoją charakterystykę dość wolno, można założyć, że parametry opisujące mowę są stałe w ciągu 20 ms. Z tego powodu, w czasie procesu kompresji, 20 ms mowy jest zakodowane pojedynczym zestawem bitów zwanych ramką głosową. W efekcie jest to podobne do obniżenia częstotliwości próbkowania z 8 kHz do 50 Hz
20 ms 010001010…11101101 260 bitów
Rysunek 1-27 Segmentacja i kodowanie mowy 1
dla kodera AMR-WB maksymalnie 224 kb/s (14 bitów · 16 kHz)
21
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Kodowanie mowy Zamiast używania 13 bitów na próbkę, jak w przypadku konwersji A/C, kodowanie mowy FR stosuje 260 bitów, co daje dla skompresowanej mowy strumień danych o przepływności 13 kb/s (260 b / 20 ms = 13 kb/s). Kompresja FR zapewnia akceptowalną jakość telefonii, porównywalną z jakością oferowaną przez tradycyjne systemy telefonii stałej.
Inne typy kompresji mowy Kompresja FR nie jest jedyną stosowaną w środowisku sieci ruchomych. Inne typowe przykłady stosowanych typów kompresji przedstawiono w Tab. 1-28.
koder
przepływność wejściowa
przepływność wyjściowa
G.711
64 kb/s
64 kb/s
HR
104 kb/s
5,6 kb/s
FR
104 kb/s
13 kb/s
EFR
104 kb/s
12,2 kb/s
AMR
104 kb/s
4,75 – 12,2 kb/s
AMR-WB
224 kb/s
6,6 – 23,85 kb/s
PSTN /ISDN
GSM
UMTS
LTE
Tabela 1-28 Kodery mowy
Łącze PCM/E1 W sieci telefonicznej, wielu użytkowników (abonentów) może dzielić to samo łącze fizyczne (np. przewód koncentryczny, światłowód) dzięki multipleksowaniu z podziałem czasu (ang. Time Division Multiplexing – TDM).
22
1 Wprowadzenie
A/C
0 1 0 1 1 1 0 1
A/C
0 1 1 1 0 0 0 1
A/C
0 1 0 1 0 1 0 0
A/C
1 1 1 1 0 1 0 1
MUX
0101 0111 0101 1111 1101 0001 0100 0101
TS 1
TS 2
TS 4
TS 3
Rysunek 1-29 Multipleksowanie z podziałem czasu (TDM) Zasoby fizyczne medium transmisyjnego są dzielone w dziedzinie czasu na kilka szczelin czasowych. Szczelina czasowa (ang. Time Slot – TS) to okres w którym dany użytkownik może prowadzić transmisję. W przypaku łącza PCM/E1 istnieją 32 szczeliny czasowe tworzące pojedynczą ramkę czasową. Pierwsza szczelina czasowa (TS0) jest zarezerwowana dla potrzeb synchronizacji aby zapewnić jednakowe taktowanie bitów, szczelin czasowych i ramek czasowych w nadajniku i odbiorniku. Pozostałe szczeliny czasowe mogą być wykorzystywane do innych celów np. do transmisji telefonii. W czasie trwania pojedynczej szczeliny czasowej użytkownik może wysłać 8 bitów danych (1 oktet). Szczelina czasowa o danym numerze jest transmitowana 8000 razy w ciągu sekundy tworząc pojedynczy kanał transmisyjny o przepływności 64 kb/s (8 b · 8000 Hz = 64 kb/s). Oznacza to, że sumaryczna przepływność całego łącza PCM/E1 wynosi 2048 kb/s (32 · 64 kb/s = 2048 kb/s = 2,048 Mb/s)
szczelina czasowa TS 31
01 2
ramka czasowa synchronizacja
dane
Rysunek 1-30 Łącze PCM/E1 2048 kb/s
23
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Transmisja przewodowa Sygnał przesyłany za pośrednictwem przewodow może być sygnałem elektrycznym lub optycznym. W pierwszym przypadku medium transmisyjnym jest co najmniej para przewodników metalicznych, tworzących zamkniety obwód elektryczny. W drugim przypadku medium transmisyjnym jest pojedyncze włókno optyczne zdolne do przenoszenia światła.
Przewody miedziane miedziane Przewody miedziane używane są głównie w systemach telefonii analogowej, chociaż na krótkich dystansach umożliwiają również transmisje cyfrowe o znacznych przepływnościach. Istnieją dwa podstawowe typy przewodów miedzianych: •
skrętka dwużyłowa,
•
kabel koncentryczny.
Skrętka dwużyłowa zbudowana jest z dwóch cienkich zaizolowanych drutów o typowych grubościach od 0,4 do 1 mm. Druty są ze sobą skręcone w formie helisy w celu zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych i tłumienia sygnału. Pojedyncza skrętka dwużyłowa może być używana indywidualnie jako pojedynczy kabel (np. domowa instalacja telefoniczna), albo może być zgrupowaniem w większym kablu składającym się z od 2 do 600 skreconych ze sobą par. Skrętka dwużyłowa pozwala na transmisję na dystansach kilku kilometrów bez konieczności stosowania wzmacniaczy. Przy dłuższych dystansach konieczne jest stosowanie regeneratorów sygnału na trasie połączenia.
izolacja zewnętrzna (płaszcz) oplot (ekran) izolacja wewnętrzna przewód miedziany (rdzeń)
Rysunek 1-31 Skrętka dwużyłowa i kabel koncentryczny 24
1 Wprowadzenie
Jeżeli wymagana jest lepsza charakterystyka transmisji, zwykle stosowanym rozwiązaniem jest kabel koncentryczny. Składa się on z rdzenia będącego przewodem miedzianym, otoczonego materiałem izolującym, na zewnętrznej powierzchni którego ponownie występuje przewodnik w cylindrycznej formie zwany ekranem. Całość dodatkowo jest zabezpieczona przez zewnętrzną izolację płaszcza. Kabel koncentryczny, dzięki znacznie lepszemu zabezpieczeniu przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (ekranowaniu), charakteryzuje się mniejszą tłumiennością i większą szerokością pasma przenoszenia, co skutkuje wyższymi przepływnościami sięgającymi od 1 do 2 Gb/s na dystansie do 1 km.
Światłowód System transmisji optycznej składa się z trzech komponentów: źródła światła, medium transmisyjnego i detektora. Medium transmisji, którym jest światłowód (włókno optyczne) oferuje bardzo duże przepustowości transmisji. Przewód optyczny składa się z wielowarstwowego włókna szklanego pokrytego materiałem ochronnym.
rdzeń (szkło)
osłona zewnętrzna płaszcz (szkło)
Rysunek 1-32 Światłowód
Wewnątrz przewodu znajduje się szklany rdzeń, o średnicy 8, 10 albo 50 µm, w zależności od typu światłowodu. Rdzeń pokryty jest szklanym płaszczem o typowej średnicy 125 µm. Płaszcz wraz z wewnętrznym rdzeniem są chronione przez kilka warstw osłon zapewniających ochronę zarówno przed chemicznym jak i mechanicznym wpływem środowiska. Zwykle pewna liczba takich pojedynczych włókien jest zgrupowana w ramach pojedynczego wielowiązkowego kabla optycznego i wspólnie podlega dodatkowej ochronie osłon wykonanych z metalu, Kevlaru lub plastiku, w zależności od wymagań wytrzymałościowych.
25
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Radiolinia Radiolinia Radiolinia mikrofalowa to metoda transmisji radiowej pomiędzy dwoma punktami z wykorzystaniem anten kierunkowych tworzących stałe łącze telekomunikacyjne. Ze względu na wykorzystanie bardzo wysokich częstotliwości i silnie kierunkowych anten, sygnał radiowy propaguje jedynie na bardzo wąskiej ścieżce pomiędzy dwoma lokalizacjami, które muszą znajdować się w zasięgu widzialności optycznej (ang. Line-of-Sight – LoS). Dla osiągniecia łączności na duże odległościach, anteny radiolinii montowane są zwykle w wysoko położonych lokalizacjach, takich jak: wysokie budynki, szczyty górskie, wieże lub maszty antenowe. Wykorzystywane anteny są zwykle typu reflektorów parabolicznych lub anten tubowych o średnicach dochodzących do 4 m. Zastosowanie silnie kierunkowych anten, pomimo znacznych długości radiolinii, umożliwia wysoce ekonomiczne wykorzystanie dostępnego pasma częstotliwości (tj. wiele radiolinii może pracować na tym samym paśmie).
Rysunek 1-33 Radiolinia W czasie projektowania radiolinii szczególną wagę przywiązuje się do zapewnienia niezakłóconej widzialności optycznej anten, biorąc pod uwagę: wszelkie przeszkody, krzywiznę Ziemi czy typ zagospodarowania okolicznego terenu (np. obszar przemysłowy, leśny, rolniczy). Warunki klimatyczne (np. zapylenie, intensywność opadów deszczu lub śniegu) również są brane pod uwagę ponieważ skracają skuteczny dystans transmisji, szczególnie dla częstotliwości powyżej 10 GHz.
26
1 Wprowadzenie
Rysunek 1-34 Antena radiolinii mikrofalowej na wieży stacji bazowej
Komutacja Komutacja Komutacja łączy Komutacja łączy, zwana również komutacją obwodów lub komutacją kanałów (ang. Circuit Switching – CS), to historycznie najstarsza forma komutacji i może zatem posłużyć do wyjaśnienia samego pojęcia komutacji. W tradycyjnej telefonii, komutacja to proces dynamicznego zestawienia połączenia w celu umożliwienia rozmowy pomiędzy abonentami, w trakcie którego powstaje ścieżka komunikacyjna przebiegająca przez jedną lub więcej central telefonicznych. W początkach telefonii, komutacja była wykonywana ręcznie przez telefonistę/telefonistjkę poprzez fizyczne łączenie obwodów elektrycznych (kabli) w centrali. Nawet po wprowadzeniu automatycznych central mechanicznych, pojęcie łącza jako pojedynczego obwodu elektrycznego nie uległo zmianie.
27
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Dopiero wprowadzenie transmisji cyfrowej wraz z multipleksowaniem w dziedzinie czasu w latach 70-tych XXw spowodowało konieczność zmiany definicji obwodu. Obecnie, komutacja łączy odnosi się do przełączania szczelin czasowych, reprezentujących strumienie danych o przepływnoścach 64 kb/s niosących sygnały telefonii pomiędzy centralami.
0
31
3
komutator przestrzenno-czasowy 3
0
27
31
27
Rysunek 1-35 Komutacja łączy (obwodów, kanałów) Komutacja jest prowadzona wewnątrz centrali telefonicznej, w urządzeniu nazywanym komutatorem przestrzenno-czasowym, kontrolowanym przez grupę procesorów komputerowych odpowiedzialnych za wszystkie funkcje związane z realizacją całości połączenia. Sieci komutacji łączy są zorientowane połączeniowo (ang. Connectionoriented). Oznacza to, że okres trwania połączenia jest poprzedzony okresem zestawiania połączenia, w trakcie którego wymieniana jest sygnalizacja i wyznaczana ścieżka dla transmisji danych. Wyznaczona ścieżka nie podlega modyfikacjom, aż do czasu jego zakończenia (tj. wszystkie dane w ramach danego połączenia przechodzą tą samą trasą). Wyznaczanie ścieżki połączenia odbywa się na podstawie danych dostarczonych przez abonenta wywołującego (abonent A) zawierających numer telefonu abonenta wywoływanego (abonent B) i tablic trasowania (ang. routing tables) zdefiniowanych w centralach telefonicznych biorących udział w połączeniu.
28
1 Wprowadzenie
84620 58543 74683
nr. B
abonent B
nr. B abonent A
nr. B 12488 32443 74783
76868 64388 68684
Rysunek 1-36 Zestawienie połączenia (komutacja łączy) W sieciach z komutacją łączy informacja jest przesyłana ze stałą prędkością 64 kb/s. Kanał komunikacyjny jest zarezerwowany na cały czas trwania połączenia i nie może być użyty w innym celu, nawet jeśli abonent (lub obaj abonenci) milczą w danym momencie. To oznacza, że zasoby transmisyjne są wykorzystywane w bardzo mało elastyczny sposób, ale za to zarówno przepływność jak i opóźnienie są stałe. Połączenia z komutacją łączy są odpowiednie dla usług czasu rzeczywistego (np. telefonia, videotelefonia), natomiast nie są odpowiednie dla typowych usług występujących w sieciach komputerowych (np. poczta elektroniczna, www) dla których ruch danych występuje w paczkach (tj. ruch jest nieciągły).
Komutacja pakietów Komutacja pakietów (ang. Packet Switching - PS) jest rozwiązaniem szeroko stosowanym w sieciach komputerowych. W tego typu sieciach, transmitowana informacja jest dzielona na pakiety o zmiennej długości, z których każdy zawiera adres odbiorcy. W chwili nadejścia pakietu do węzła sieci (trasownik lub przełącznik ang. router lub switch), pakiet jest zapisywany w buforze pamięci, adres odbiorcy odczytywany, a następnie pakiet jest przekazywany do kolejnego węzła sieci lub do użytkownika końcowego zgodnie ze zdefiniowanymi tablicami trasowania lub przełączania. W sieciach pakietowych kanał transmisyjny nie jest przypisany do danego połączenia czy użytkownika. Dostępne zasoby transmisyjne mogą być współdzielone przez wiele połączeń bez utrzymywania rezerwacji zasobów dla któregokolwiek z nich. Jeśli w danej chwili zasoby nie są dostępne, pakiet jest przetrzymywany w buforze pamięci do momentu, aż odpowiednie zasoby nie zostaną zwolnione. Brak rezerwacji zasobów pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej efektywności, ale jednocześnie skutkuje zmienością opóźnienia i przepustowości połączenia.
29
Podstawy GSM/UMTS/LTE
2 1
1 2 2
1
1 2
1 2
1 2
2
Rysunek 1-37 Komutacja pakietów Komutacja pakietów, ze względu na zmienność opóźnienia i przepustowości, najlepiej sprawdza się w zastosowaniach, które nie wymagają stałego przepływu danych (na przykład e-mail, transfer plików, www). Stosowanie komutacji pakietów dla usług czasu rzeczywistego, takich jak telefonia czy videotelefonia jest również możliwe, ale wymaga wprowadzenia dodatkowych mechanizmów poprawiających jakość połączeń. W sieciach pakietowych możliwa jest korekcja błędów. Jeśli otrzymany pakiet zawiera błędy, odbiorca wysyłając negatywne potwierdzenie żąda od nadawcy retransmisji wskazanego pakietu.
GPRS – mobilne mobilne usługi pakietowe W tradycyjnych sieciach GSM, usługi przenoszenia danych oparte są na komutacji łączy (ang. Circuit Switched Data – CSD). Pomimo to w większości przypadków były one wykorzystywane do wdzwanianego (ang. dial-up) dostępu do sieci pakietowych takich jak Internet i inne sieci IP. W przypadku typowych zastosowań (e-mail, przeglądanie stron WWW) transfer danych ma charakter nieciągły. Na przykład, abonent przeglądający strony WWW, kolejno: ściąga zawartość strony, zapoznaje się z jej treścią i ściąga zawartość kolejno wybranej strony. W takim scenariuszu transmisja danych jest zawieszana kilka razy w przeciągu jednej sesji. Bardzo często w trakcie samego ściągania mogą również następować przerwy w transmisji, jeżeli zewnętrzna sieć nie jest wstanie dostarczać ich w sposób ciągły. Dodatkowo, należy zauważyć, że typowo ilość informacji pobieranych z sieci jest większa niż wysyłanych w stronę sieci przez abonenta. W opisanym przykładzie kanał ruchu jest zarezerwowany przez cały czas trwania sesji i nie może być wykorzystany przez inny terminal nawet jeśli chwilowo nie jest wykorzystany w obu lub w jednym z kierunków. Taka sytuacja jest niekorzystna zarówno dla operatora sieci jak i abonenta,
30
1 Wprowadzenie
ponieważ zasoby radiowe są użytkowane nieefektywnie, a abonent zamiast za przesłane dane jest zmuszony płacić za czas zajmowania kanału. GPRS (ang. General Packet Radio Service) jest usługą przenoszenia danych która przezwycięża wady tradycyjnych usług przenoszenia danych w sieciach mobilnych opartych na komutacji łączy. W GPRS kanał fizyczny jest przydzielany tylko na czas trwania transferu pakietów, a po jego zakończeniu może być natychmiast przekazywany innemu abonentowi. GPRS pozwala grupie terminali współdzielić kanał fizyczny (multipleksowanie statystyczne). Sieć może również dla danego użytkownika przydzielić więcej niż jeden kanał fizyczny, co pozwala na zwiększenie przepływności.
GSM
UMTS
LTE
komutacja łączy (CSD)
komutacja pakietów (GPRS)
telefonia
od R96
telefonia
telefonia
Rysunek 1-38 Komutacja łączy i komutacja pakietów w sieciach mobilnych
31
Podstawy GSM/UMTS/LTE
Ta strona została celowo pozostawiona pusta.
32