Rychlá a přesto mobilní data

Archiv | 01.12.07

Mobilní sítě tradičně vznikaly jako sítě hlasové, neboli jako sítě určené pro přenos hlasu, v rámci telefonov







Mobilní sítě tradičně vznikaly jako sítě hlasové, neboli jako sítě určené pro přenos hlasu, v rámci telefonování. S postupem času se jejich zaměření začalo významně rozšiřovat, a to zejména o datové služby.
Zpočátku byla možnost mobilního přenosu dat jen jakousi pomyslnou třešničkou na dortu, tomu odpovídala i exkluzivní cena. S postupem času se věci začaly obracet. Mobilní sítě vyšších generací jsou od začátku koncipovány spíše jako sítě určené k přenosu dat, s tím, že (kromě jiného) podporují i přenos hlasu a telefonování. Navíc dokáží datové přenosy realizovat mnohem efektivněji a díky tomu i levněji. Dnes má vše podobu jakéhosi závodu mezi technologiemi a operátory, kteří je ve svých sítích nasazují: kdo dokáže zákazníkovi nabídnout nejrychlejší data, s nejkratší latencí a s co nejlepší podporou mobility? Jaké možnosti a šance mají v tomto závodě již dnes dostupné technologie GPRS, EDGE či CDMA EV-DO, co nabízí nastupující UMTS a jeho vylepšení v podobě HSDPA a HSUPA, co slibují připravované technologie jako LTE? A jak do toho všeho zapadají řešení na bázi UMTS-TDD, jež u nás provozuje český T-Mobile?
Než se pustíme podrobněji do možností přenosu dat v mobilních sítích, řekněme si hned na úvod, že není mobilní síť jako mobilní síť. Existuje hned několik generací mobilních sítí, které se od sebe zásadním způsobem liší. Například mobilní sítě první generace byly ještě analogové a možnostem přenosu digitálních dat vycházely vstříc jen minimálně. Z našeho dnešního pohledu už nejsou zajímavé.
Mobilní sítě druhé generace, jako například sítě GSM, jsou plně digitální. Stále ale vznikaly se záměrem přenášet lidský hlas, tedy pro potřeby telefonování, a tomu jsou také uzpůsobeny. Jak princip jejich fungování, tak i dimenzování příslušných přenosových kanálů zde vychází z potřeby přenášet lidský hlas v digitalizované podobě. Využít je pro přenos „obecných“ dat je sice možné poměrně jednoduchým a přímočarým způsobem, ale je to neefektivní a tudíž i drahé.
Aby to tak drahé nebylo a data mohla v mobilních sítích druhé generace (na bázi GSM) proudit rychleji a efektivněji, přijímají se k tomu dodatečná opatření a řešení. Ta mohou zacházet až tak daleko, že se vedle původní páteře celé mobilní sítě (uzpůsobené potřebám telefonování, neboli fungující na principu přepojování okruhů) postaví ještě paralelní páteřní síť (přizpůsobená potřebám přenosu dat a fungující na principu přepojování paketů). Právě tak je tomu u dnes hojně používaného GPRS a EDGE. O těchto vylepšeních se často hovoří jako o „2,5. generaci“ – protože už nezapadají do generace druhé, ale zase ještě nepatří ani do generace třetí.
Mobilní sítě třetí generace, jako například sítě UMTS, jdou na vše od začátku opačně: snaží se primárně vycházet vstříc potřebám přenosu dat a podle toho jsou také dimenzovány. Hlas nabízí jen jako jednu za svých služeb. Jenže původní záměry poněkud předběhly realitu a její možnosti, a tak se původní sliby – zejména ohledně dosažitelných přenosových rychlostí – nepodařilo realizovat hned od začátku. Místo toho se do sítí UMTS teprve postupně přidávají různá vylepšení, jako třeba HSDPA či HSUPA, aby se dosáhlo původně slibovaných parametrů. Budoucí mobilní sítě čtvrté generace by parametry sítí třetí generace měly ještě výrazně překonat.
Aby vše ale bylo ještě komplikovanější, je třeba si uvědomit rozdíl mezi technologií a mobilní sítí: technologii lze přirovnat k řešení, které se nasazuje (využívá) v konkrétní mobilní síti. Každá mobilní síť je tedy „postavena“ na určité technologii, kterou využívá pro své fungování. Ale technologií, jež slouží stejnému účelu a jsou tak vzájemně alternativní, může být více. Třeba mobilní sítě druhé generace nemusí být postaveny zdaleka jen na technologii GSM, jako je tomu zvykem v tuzemsku u našich stávajících mobilních operátorů. V úvahu připadá například „druhá vývojová větev“, představovaná technologiemi na bázi CDMA (tzv. kódového multiplexu). Ale ani to nejsou všechny možnosti.
Obdobné je to i pro vyšší generace mobilních sítí, i pro jejich „mezigenerace“, jako 2,5. generaci. I zde se nabízí více alternativních technologií, které mohou nabízet (a také nabízejí) různé výsledné efekty a přínosy. Navíc zde zdaleka nepanuje úplný konsensus o členění na jednotlivé generace a „mezigenerace”. Je tedy možné se setkat i s jiným členěním, než jaké ukazuje první obrázek.

Kolik dat proteče hovorovým kanálem sítě GSM?

Klasická síť GSM počítá s tím, že jeden hovor v digitalizované podobě bude generovat datový tok o objemu 12 až 13 kilobitů za sekundu. Tomu pak odpovídá i dimenzování hovorových kanálů GSM, které zvládají právě takovou rychlost. Lze si to představit tak, že mezi dvěma účastníky, kteří si právě volají, existuje souvislý hovorový kanál o šířce mezi 12 a 13 Kb/s. Přesněji: dvojice takovýchto jednosměrných hovorových kanálů, pro možnost obousměrné komunikace.
Skutečnost je ale komplikovanější v tom, že hovorové kanály jsou v GSM ve skutečnosti „širší“ a odpovídají přenosové rychlosti 33,8 Kb/s. Kromě „užitečných dat“ musí totiž přenášet další režijní data. Konkrétně určitý objem dat, nutný pro samotné fungování sítě GSM (například pro korektní přechod koncové stanice mezi buňkami mobilní sítě). Tato data odpovídají přenosové rychlosti cca 11 kilobitů za sekundu, na dalším obrázku jsou znázorněna červeně. Vzhledem k tomu zbývá pro přenášená data jen 22,8 Kb/s.
Jenže i do těchto 22,8 Kb/s je třeba vtěsnat další režijní data, určená pro zajištění rádiových přenosů a jejich spolehlivosti. Obecně přitom platí, že čím více bude těchto režijních dat, tím lépe se dokáží vyrovnat s různými nedokonalostmi rádiových přenosů a postarat se o nápravu. V kvalitnější síti, kde je méně chyb při přenosech, resp. při lepších podmínkách pro rádiový přenos, stačí těchto režijních dat méně než při horších podmínkách přenosu, resp. při horším pokrytí. A tak je i na konkrétním operátorovi, na co si ve své síti troufne: pokud přidělí větší prostor režijním datům, zbude méně pro „užitečná data“, ale přenosy budou na druhé straně robustnější. Pokud to udělá naopak, získá sice větší prostor pro „užitečná data“, ale samotné přenosy budou méně robustní a více náchylné na všelijaké problémy.
V Česku to dopadlo tak, že bývalý Eurotel (dnes Telefónica O2 Czech Republic) ve své síti zvolil menší objem režijních dat a v rámci jednoho hovorového kanálu své GSM sítě dokáže nabídnout možnost přenosu „obecných dat“ rychlostí 14,4 Kb/s. Naproti tomu T-Mobile a Vodafone ve své GSM sítí nabízí jen 9,6 Kb/s, jelikož pracují s větším objemem režijních dat, viz obrázek nahoře.

CSD a HSCSD

Hovorový kanál, popisovaný v předchozím odstavci, zabírá jeden tzv. timeslot (doslova: časový slot). Přitom každý hlasový hovor, vedený přes GSM síť, obecně využívá dvojici podobných jednosměrných hovorových kanálů (timeslotů), kvůli potřebě obousměrné komunikace. Takováto dvojice kanálů přitom existuje – v tom smyslu, že je pro ni plně vyhrazena přenosová kapacita, ve formě obsazených timeslotů – po celou dobu trvání hovoru. A uživatel, který hovor inicioval, pak za to platí: obecně podle doby trvání hovoru, tedy podle doby existence vyhrazené dvojice hovorových kanálů.
Pokud tento princip (plného vyhrazení dvojice hovorových kanálů, zpoplatněného podle času) využijeme nikoli pro přenos hlasu, ale pro přenos obecných dat, jde o variantu označovanou jako CSD (Circuit Switched Data). Je to nejjednodušší varianta datových služeb, kterou sítě GSM nabízejí. Užitečná rychlost, jakou je zde možné přenášet obecná data, činí již zmiňovaných 9,6 či 14,4 Kb/s, viz výše.
Pokud by uživateli uvedené rychlosti nestačily a požadoval rychlosti vyšší, dá se použít jednoduchý trik: využije se několik hovorových kanálů souběžně a přenášená data se mezi ně rozloží. Tím se dosáhne potřebného efektu zvýšení (celkové) rychlosti, ale také za odpovídající cenu: bude tím spotřebováno adekvátně více timeslotů. Je pak na mobilním operátorovi, jak za to svého zákazníka „zkasíruje“, zda jako za n hlasových hovorů, nebo nějak jinak.
Celé této variantě se v praxi říká HSCSD, což je zkratka od High Speed Circuit ¬Switch-ed Data. U nás ji nabízel a nabízí ve své síti pouze Eurotel, resp. Telefónica O2 Czech Republic.
V praxi ale u HSCSD záleží na dvou věcech současně: na tom, kolik hovorových kanálů je mobilní síť schopna vyhradit konkrétnímu uživateli, i na tom, s kolika dokáže pracovat uživatelovo koncové zařízení. Z tohoto pohledu jsou koncová zařízení rozdělována do tříd, v závislosti na tom, kolik kanálů (timeslotů) dokáží využít v příslušném směru současně. Viz tabulku na této straně dole.
Zásadní nevýhodou CSD i HSCSD je to, že mobilní síť jim musí vyhrazovat své vzácné zdroje (jednotlivé timesloty) po celou dobu existence spojení, zcela bez ohledu na to, zda jsou nějaká data skutečně přenášena. To prakticky vylučuje, aby byl uživatel přes mobilní síť připojen k internetu trvale. Neunesla by to ani samotná mobilní síť, která by neměla dost timeslotů pro ostatní uživatele, ale ani kapsa samotného uživatele, který by musel platit minutové poplatky za každou minutu svého připojení.

GPRS

Popsané nevýhody CSD a HSCSD řeší novější technologie jménem GPRS (zkratka od General Packet Radio Service). Funguje totiž na odlišném principu než CSD a HSCSD a omezené zdroje sítě (timesloty) spotřebovává pouze tehdy, pokud skutečně potřebuje přenášet nějaká data. Díky tomu pak není žádný problém, aby uživatelé zůstávali připojení k internetu přes mobilní síť, třeba i trvale. Stejně tak to unesou i jejich peněženky, protože mobilní operátor je nemusí zpoplatňovat podle délky připojení. Místo toho mohou uživatelé platit podle objemu přenesených dat nebo paušálně, nějakou fixní částku. Volba závisí na obchodní strategii operátora.

Jak ale GPRS dosahuje těchto báječných možností?

Odpověď je taková, že GPRS mění jak fungování rádiových přenosů mezi mobilními stanicemi (mobily) a základnovými stanicemi (tzv. BTSkami), tak fungování mobilní sítě uvnitř. Zde lze v jednoduchosti říci, že vedle dosavadní páteře mobilní sítě uzpůsobené pro vedení hovorů vytváří paralelní páteřní síť uzpůsobenou pro přenos dat. Ta je tvořena uzly SGSN (Serving GPRS Support Node), které jakoby odpovídají ústřednám původní mobilní sítě (MSC, Mobile Switching Center) a mají na starosti správné směrování dat v paralelní páteří síti. Dále zde musí být umístěny vhodné brány (uzly GGSN, Gateway GPRS Serving Node), které zajišťují napojení na jiné datové sítě (například na internet). Vše ukazuje další obrázek, na kterém je názorně vidět i vedení přenosů CSD a HSCSD (stejně jako u hlasových hovorů) a GPRS (přes paralelní páteř mobilní sítě).
Pokud jde o rychlost přenosu, zde stále platí stejný výchozí předpoklad jako u původního CSD: na jeden timeslot po odečtení režie na zajištění chodu mobilní sítě jako takové zbývá 22,8 kbit/s. Na rozdíl od CSD a HSCSD však GPRS dokáže rozdělovat tuto přenosovou kapacitu mezi „užitečná data“ a režijní data na zajištění spolehlivosti přenosu hned čtyřmi různými způsoby, které označuje jako tzv. kódovací schémata. Ty ukazuje tabulka na této straně nahoře.
U GPRS, stejně jako u HSCSD, pak může docházet ke spojování kanálů, resp. k využití více timeslotů současně za účelem dosažení celkově vyšší přenosové rychlosti. V praxi ale opět záleží na tom, kolik timeslotů je schopna poskytnout mobilní síť, i na tom, s kolika timesloty dokáže koncové zařízení pracovat současně. U mobilních terminálů podporujících GPRS se tedy také setkáme s třídami, které říkají, kolik timeslotů je možné použít současně směrem ze sítě k uživateli (down), směrem od uživatele do sítě (up), ale také kolik jich může být použito dohromady (což může být méně než prostý součet timeslotů pro oba směry).
Principiálním maximem je 8 timeslotů v jednom směru, což je dáno způsobem fungování GSM sítě. To by při použití nejvýhodnějšího kódovacího schématu CS-4 znamenalo až 171,2 Kb/s. Ale například GPRS zařízení třídy 12 by zvládlo jen poloviční rychlost (kvůli maximu 4 timeslotů v jednom směru), navíc jen tehdy, pokud by je mobilní síť pro toto zařízení skutečně uvolnila. Opět tedy jde spíše o teoretické maximum, zatímco reálně dosahované hodnoty bývají nižší. Už i proto, že čím horší podmínky přenosu, tím musí být použito nižší kódovací schéma (s větším objemem režijních dat pro zajištění spolehlivosti přenosu).

EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution)

Snaha dále zvýšit rychlost datových přenosů v mobilních sítích GSM vedla ke vzniku dalšího řešení, které je označováno příznačně jako EDGE (doslova „zvýšená rychlost přenosu dat pro další vývojové stádium GSM“). Týká se jak HSCSD, tak i GPRS, ale v praxi se využívá jen u GPRS, kde by se měla správně označovat jako EGPRS (Enhanced GPRS). Přesto se i zde používá označení EDGE.
Způsob, jakým EDGE dosahuje svého cíle, lze zjednodušeně popsat následovně: stále má k dispozici stejné timesloty jako CSD, HSCSD i GPRS, ale snaží se je využít efektivněji. Používá jiné (dokonalejší) způsoby modulace v rámci rádiových přenosů, díky kterým dokáže zvýšit přenosovou kapacitu pro přenos dat, připadající na jeden timeslot. Pokud bychom to porovnali s výše uvedeným obrázkem, místo rychlosti 22,8 Kb/s bychom dostali trojnásobek (68,4 Kb/s). Pak ale znovu nastupuje potřeba vyhradit část dat jako režijní, v zájmu zajištění spolehlivosti rádiového přenosu. Výsledkem je znovu existence kódovacích schémat, jichž má EDGE (EGPRS) celkem 9, viz následující tabulku a graf.
Stále přitom platí, že výsledná přenosová rychlost je dána jako součin počtu využitých timeslotů a rychlosti na jeden timeslot, s omezením počtu timeslotů podle možností sítě a schopnosti zařízení.
Samotná volba kódovacího schématu je přitom úkolem mobilního terminálu a základnové stanice, s níž terminál právě komunikuje. Obě strany přitom berou v úvahu aktuální podmínky příjmu, zatímco koncový uživatel nemusí vůbec o ničem vědět. U něj se případná změna právě používaného kódovacího schématu projeví jen změnou dosahované přenosové rychlosti.

UMTS

Možnosti dalšího zvyšování přenosových rychlostí se v mobilních sítích 2. generace (a tedy i v sítích GSM) technologií EDGE prakticky vyčerpaly. Nadějí na další výraznější zrychlení slibovaly až technologie, určené pro sítě 3. generace. Z nich se pro Evropu počítalo především s těmi, které byly založeny na variantě W-CDMA. Práce na nich začaly již v roce 1985, pod křídly Mezinárodní telekomunikační Unie (ITU) a na půdě standardizačního orgánu ETSI. Jenže práce nevedly k cíli, a tak je nakonec (v roce 1998) musel převzít jiný orgán, globální iniciativa 3GPP (3G Partnership Project), sdružující spíše subjekty z privátního sektoru. Výsledkem je systém UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), používaný dnes i v Česku.
Původním příslibem UMTS přitom bylo dosažení přenosové rychlosti 2 Mb/s při stacionárním (nepohybujícím se) terminálu, 384 Kb/s v případě pomalu se pohybujícího terminálu a 114 Kb/s u rychleji se pohybujícího terminálu. Jenže první verze standardů UMTS, vydaná ještě v roce 1999 (jako „Release 99“), nakonec poskytla podstatně méně: pro stacionární (nepohybující se terminál) jen 384 Kb/s. Právě s touto rychlostí u nás spustil svou 3G/UMTS síť i bývalý Eurotel (dnes Telefónica O2 Czech Republic), zatímco T-Mobile vsadil na jinou technologii (UMTS TDD) a Vodafone ještě žádnou 3G síť nespustil.

HSDPA + HSUPA = HSPA

Vyšší rychlosti se do UMTS dostávají až postupně, a to formou jakýchsi „dodatků“, resp. dodatečných vylepšení. Ty mají podobu dvou různých a relativně samostatných technologií, označovaných jako HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access).
První z nich je součástí verze UMTS z roku 2002, označované jako Release 5, a slouží potřebám zrychlení na tzv. downlinku (směrem ze sítě k uživateli). Opět zde existuje několik variant, resp. kategorií HSDPA, které ukazuje další tabulka.
V Česku nasadil technologii HSDPA ve své 3G sítí bývalý Eurotel, a to v dubnu 2006. Díky ní nabízí maximální rychlost na downlinku 1 Mb/s, což se zdá být spíše umělým (komerčním) omezením než technologickým limitem použitého HSDPA.
Ani HSDPA však nijak nemění rychlost na uplinku, neboli směrem od uživatele do sítě. To je ponecháno až na technologii HSUPA, standardizovanou v rámci UMTS Release 6 (z roku 2004), kterou ale u nás zatím ještě nikdo nenasadil. Její principiální možnosti (zrychlení uplinku) ukazuje tabulka.

HSPA+ a LTE

Technologie HSDPA a HSUPA lze považovat za vzájemně komplementární (vzájemně se doplňující). Proto se někdy označují souhrnně také jako HSPA (High Speed Packet Access). Ani jimi však není další vylepšování UMTS vyčerpáno. Práce probíhají na ještě novější verzi HSPA+, která by měla dosahovat až 42 Mb/s na downlinku a až 11 Mb/s na uplinku. Zatím ale HSPA+ není standardizováno (mělo by být jako UMTS Release 7), existují jen první pracovní prototypy.
Cílovým řešením pro mobilní datové komunikace, navazující na UMTS a HSPA, pak je zcela nová technologie, označovaná prozatím jako LTE (Long Term Evolution). Její nasazení se plánuje někdy po roce 2010 jako „Release 8“, měla by dosahovat až 100 Mb/s na downlinku, až 50 Mb/s na uplinku, a latence nejvýše kolem 10 ms. Ale zatím je to skutečně jen hudba budoucnosti.

UMTS TDD

V říjnu 2005, ještě o něco dříve než tehdejší Eurotel, spustil svou mobilní síť 3. generace český T-Mobile. Vsadil však na poněkud jinou variantu než posléze Eurotel (viz výše), na UMTS TDD. Ve srovnání s ní je možné variantu využitou Eurotelem označit jako UMTS FDD. Přitom obě zkratky (TDD, Time Division Duplexing, a FDD, Frequency Division Duplexing) se týkají toho, jak jsou přidělené frekvence využity pro přenos v obou směrech. V případě varianty FDD se pro každý směr využívá jiná sada frekvencí. Přináší to výhodu v tom, že přenosová kapacita je pak v obou směrech stejná. Pro hlasové služby je to důležité a potřebné, pro datové přenosy už ale nikoli. Ty velmi často preferují asymetričnost, s větší rychlostí v jednom směru (k uživateli) a s nižší v opačném směru.
Tomuto požadavku datových přenosů vychází více vstříc princip TDD, který používá jen jednu sadu frekvencí a sám si je (podle vlastní potřeby, na principu tzv. časového multiplexu) rozděluje mezi oba směry přenosu. Český T-Mobile dal přednost této variantě možná i proto, že se rozhodl ve své 3G síti nabízet pouze datové služby, už nikoli služby hlasové. Navíc tyto datové služby inzeruje pod značkou 4G, což je dosti matoucí marketingový tah – s mobilními technologiemi ani sítěmi 4. generace to nemá nic společného.
Konkrétní technické řešení (UMTS TDD), jež použil český T-Mobile, může dosahovat rychlosti až 2,2 Mb/s na downlinku (na uživatele) a 1,1 Mb/s na uplinku. Skutečně dosahované rychlosti jsou však opět limitovány podmínkami rádiových přenosů v místě využití.

Třídy HSCSD. Rx je počet slotů pro příjem, Tx pro vysílání.
Třída
Rx Tx Celkem
1 1 1 2
2 2 1 3
3 2 2 3
4 3 1 4
5 2 2 4
6 3 2 4
9 3 2 5
10 4 2 5
12 4 4 5
13 3 3 6
18 8 8 16

Kódovací schémata GPRS.

Kódovací schéma CS-1 CS-2 CS-3 CS-4
Max. Kb/s na 1 timeslot 9,05 13,4 15,6 21,4
Maximum při využití všech 8 timeslotů 72,4 Kb/s 107,2 Kb/s 124,8 Kb/s 171,2 Kb/s

Kódovací schémata EDGE.
Schéma Maximální rychlost
MCS-9 59,2 Kb/s
MCS-8 54,4 Kb/s
MCS-7 44,8 Kb/s
MCS-6 29,6/27,2 Kb/s
MCS-5 22,4 Kb/s
MCS-4 17,6 Kb/s
MCS-3 14,8/13,6 Kb/s
MCS-2 11,2 Kb/s
MCS-1 8,8 Kb/s

Rychlosti HSDPA.
HSDPA maximální rychlost
downlinku
kategorie 1–2 až 1,2 Mb/s
kategorie 3–4 až 1,8 Mb/s
kategorie 5–6 až 3,6 Mb/s
kategorie 7–8 až 7,2 Mb/s
kategorie 9 až 10,2 Mb/s
kategorie 10 až 14,4 Mb/s

Rychlosti HSUPA.
HSUPA max. rychlost uplinku
kategorie 1 0,73 Mb/s
kategorie 2 1,46 Mb/s
kategorie 3 1,46 Mb/s
kategorie 4 2,00 Mb/s
kategorie 5 2,93 Mb/s
kategorie 6 5,76 Mb/s













Komentáře

K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.