Duomenų perdavimo technologijos (I dalis)

Šioje dalyje aptarsime CSD, HSCSD ir GPRS technologijas.

• 1. CSD – duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija
• 2. HSCSD – didelės spartos duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija
• 3. GPRS – paketinio duomenų perdavimo technologija
• 3.1 GPRS radijo sąsajos valdymo loginių kanalų struktūra
• 3.2 GPRS kodavimo schemos
• 3.3 GPRS mobiliųjų telefonų klasifikavimas
• 3.4 Bendro radijo ištekliaus pasidalijimas

1. CSD – duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija

CSD, tai technologija, naudojama duomenų perdavimui tradiciniuose antros kartos GSM tinkluose (angl. 2G – Second Generation). Šioje technologijoje realizuotas laikinio vieno kanalo (angl. TS – Time Slot) simetrinis sujungimas. Duomenų perdavimo sparta yra vienoda aukštynkryptėje (angl. uplink) ir žemynkryptėje (angl. downlink) linijoje ir siekia 9,6 kbps. GSM tinklas gerai perduoda balsą, tačiau nėra idealus duomenims perduoti. To priežastis – sujungimas, tai yra reikalingas laikas ryšiui nustatyti.

Paprastai tam prireikia nuo 10 iki 45 sekundžių. CSD kanalo vėlinimas (angl. RTT – Round Trip Time) siekia apie 1000 ms. Tačiau šios technologijos išskirtinumas yra tas, kad 9,6 kbps duomenų perdavimo sparta yra stabili per visą sesijos laiką, ko paketinėje duomenų perdavimo technologijoje nėra (aprašyta kituose poskyriuose).

Sujungtas kanalas lieka užimtas nepriklausomai nuo to, ar tuo metu juo yra perduodami duomenys, ar ne. Kanalo sujungimo ir nustatymo operacija vykdoma kiekvieną kartą kreipiantis į tinklą norint perduoti duomenis. CSD duomenų perdavimo technologija yra brangi ir neefektyviai naudojanti tinklo išteklius technologija.

2. HSCSD – didelės spartos duomenų perdavimo perjungiamais kanalais technologija

HSCSD technologija žymiai padidino duomenų perdavimo spartą per GSM tinklą. Duomenų perdavimo sparta per vieną GSM laikinį intervalą padidėjo nuo 9,6 kbps iki 14,4 kbps panaudojant naują duomenų kodavimo schemą. 14,4 kbps duomenų perdavimo sparta gaunama naudojant mažiau atsparų klaidoms kodavimą. Antra HSCSD technologijos naujovė – duomenims perduoti gali būti skirta iki keturių laikinių intervalų vienos sesijos metu, t. y. vartotojas gali turėti iki 57,6 kbps spartą.

Kitas HSCSD technologijos privalumas yra tas, kad įdiegti šią technologiją į tinklą yra gana paprasta ir nereikalauja didelių sąnaudų (kiek kitokį reiškinį pamatysime GPRS atveju). Tačiau HSCSD turi palaikyti tiek tinklas, tiek mobiliosios stotys. Šiuo metu mobiliosios stotys gali priimti duomenis 4 laikiniais intervalais, o siųsti dviem (apribojama dėl to, kad GSM nėra visiškai dvikryptė (angl. full duplex) sistema, t. y. nėra įmanomas priėmimas ir siuntimas tuo pačiu metu).

HSCSD siūlo tiesioginį (angl. T – transparent) ir netiesioginį (angl. NT – non-transparent) ryšį, taip panaudojant visas grandinių perjungimo galimybes. Netiesioginėms HSCSD sesijoms laiko intervalų skaičius gali būti keičiamas skambučio metu ir gali būti paskirstytas asimetriškai, taip gaunant didesnį pralaidumą žemyn negu aukštyn. Su NT HSCSD neiškyla sunkumų su persijungimais tarp narvelių ar bazinių stočių (angl. handover), nes laikiniai intervalai bus paskirstyti pagal pasiekiamumą. Tiesioginių HSCSD atveju laiko intervalų skaičius negali būti keičiamas skambučio metu, todėl gali įvykti sesijos nutrūkimas persijungimo metu.

Šios technologijos trūkumas toks pat kaip ir CSD technologijos: kanalai yra rezervuojami visam sujungimo sesijos laikui, nepriklausomai ar tuo metu perduodami duomenys ar ne. Todėl ši technologija neefektyviai naudoja tinklo išteklius. Apmokėjimas už paslaugą taikomas ne už parsiųstų duomenų kiekį, bet už paslaugos naudojimo trukmę. Todėl HSCSD technologijos naudojimas yra tikslingas, kai reikia pasiekti iš anksto žinomus duomenis arba kai reikalinga tam tikra garantuota sparta per visą sujungimo laiką.

3. GPRS – paketinio duomenų perdavimo technologija

GPRS populiariai dar vadinama kaip 2,5G technologija. Šios technologijos sukūrimas buvo vienas svarbiausių GSM raidos etapų UMTS link.

Principinė GSM/GPRS struktūrinė schema pavaizduota 1 pav. Palyginti su GSM tinklu, GPRS schema papildyta dviem esminiais blokais: SGSN (angl. Serving GPRS Support Node) – GPRS paslaugų mazgu ir GGSN (angl. Gateway GPRS Support Node) – GPRS tinklo sietuvu.

SGSN vykdo duomenų paketų maršruto parinkimo ir perdavimo procedūros organizavimą MM (angl. Mobility Management), vartotojų padėties nustatymą ir vartotojų identifikavimą IMSI (angl. International Mobile Equipment Identity). Šie duomenys saugomi VLR (angl. Visitor Location Register) – lankytojų vietos registre. Taip jis atlieka duomenims skirtų ar išskiriamų perdavimo kanalų ir laiko intervalų paskirstymą ir loginių sujungimų valdymą (angl. LLM – Logical Link Management).

1 pav. GSM/GPRS tinklo struktūrinė schema

GGSN sujungia GPRS ir kitus duomenų perdavimo tinklus, pavyzdžiui, internetą, X.25 ir kt. Jis apdoroja paketinius duomenis: paverčia GPRS paketinius duomenis, ateinančius iš SGSN, į formatus, naudojamus TCP/IP ar X.25 tinkluose, t. y. į PDP (angl. Proper packet Data Protocol) – tinkamų paketų duomenų protokolą. Panašiai jis vykdo ir atbulinį PDP formatų konvertavimą į GPRS paketų formatą.

SGSN ir GGSN mazgai gali sąveikauti tarpusavyje naudodami IP maršruto parinktuvus. Duomenų paketų mainai tarp minėtųjų mazgų vykdomi naudojant tunelinį GTP (angl. GPRS Tunnel Protocol) protokolą, kuris užtikrina skaidrų paketų paketavimą. Paketavimas (angl. encapsulation) – duomenų, atitinkančių specialų tunelio formatą, formavimo procesas, kai galima perduoti paketus tarp dviejų tinklo mazgų, išlaikant nepakitusius vartotojų pranešimų arba programų formatus ir struktūrą.

Kai SGSN ir GGSN išdėstyti viename GSN mazge, jie sąveikauja per Gn sąsają (tinklo Frame Relay sąsaja). Tuo atveju, kai SGSN ir GGSN yra skirtinguose PLMN (angl. Public Land Mobile Network) – viešuose mobiliuose tinkluose, sąveika užtikrinama per Gp sąsają. Sąsajų Gn ir Gp skirtumai pasireiškia tuo, jog Gp ne tik atlieka visas Gn funkcijas, bet ir papildomai užtikrina padidintą saugumą, reikalingą užmezgant tarptinklinį ryšį su skirtingais PLMN.

3.1 GPRS radijo sąsajos valdymo loginių kanalų struktūra

GPRS, kaip ir GSM, sistemoje naudojamas kombinuotas daugkartiniai dažnio dalijimo FDMA (angl. Frequency Division Multiple Access) ir laiko dalijimo TDMA (angl. Time Division Multiple Access) būdai. Moduliavimas toks pat kaip ir GSM atveju – GMSK (angl. Gaussian Minimum Shift Keying) – Gauso mažiausioji fazės manipuliacija.

GPRS sistemoje duomenų perdavimui naudojami tie patys dažniai, kaip ir GSM sistemoje: 890-915 MHz dažnių ruožas, skirtas aukštynkryptei linijai (angl. up-link) tarp mobiliojo telefono ir bazinės stoties, ir 935–960 MHz ruožas žemynkryptei linijai (angl. down-link) tarp bazinės stoties ir mobiliojo telefono. Išskiriami 124 kanalai po 200 kHz dažnių juostos kiekvienam. Skirtingų krypčių radijo dažnio nešlių dažnių skirtumas pastovus ir palaikomas lygus 45 MHz.

GPRS loginių kanalų struktūra primena GSM struktūrą. Kanalai gali būti padalyti į dvi kategorijas: apkrovos kanalai TCH (angl. Traffic Channel) ir atskirtieji valdymui skirti kanalai SDCCH (angl. Stand-alone Dedicated Control Channel). Lėtasis ir spartusis skirtieji valdymo kanalai SACCH ir FACCH (angl. Slow and Fat Associated Control Channel) susieti su kiekvienu TCH ir SDCCH kanalu. TCH ir jų SACCH bei FACH kanalų derinys vadinamas apkrovos skirtiniu valdymo kanalu TACH (angl. Traffic Associated Control Channel).

Kanalai, kuriais išskirtinai naudojasi tik GPRS:

• Paketinių duomenų perdavimo kanalas PDTCH (angl. Packet Data Traffic Channel) naudojamas duomenų paketų perdavimui.
• Paketinių duomenų transliacijos kontrolės kanalas PBCCH (angl. Packet Broadcast Control Channel) naudojamas vienkrypčiam, vieno taško su daugeliu taškų, ryšiui. Tai kanalas tarp bazinės stoties (BS) ir mobilaus telefono (MS). Juo BS perduoda valdymo informaciją visoms MS esančioms jos valdomoje celėje.
• Paketinių duomenų bendras kontrolės kanalas PCCCH (angl. Packet Common Control Channel) naudojamas dvikrypčiam vieno taško su daugeliu taškų ryšiui. Kanalu perduodama tinklo valdymo informacija.
• Paketinių duomenų atsitiktinės prieigos kanalas PRACH (angl. Packet Random Access Channel) naudojamas MS duomenų perdavimui išskiriant daugiau nei vieną PDTCH.
• Paketinių duomenų prieigos patvirtinimo kontrolės kanalas PAACH (angl. Packet Access Grant Control Channel) naudojamas patvirtinimui, išskiriant daugiau nei vieną PDTCH, skirtą MS duomenų perdavimui.
• Padėties patikrinimo kanalas PPCH (angl. Packet Paging Channel) naudojamas BS nustatyti esamą MS padėtį, procedūra vadinasi „paging“ prieš siunčiant duomenis iš BS į MS.
• Paketinių duomenų perspėjimo kontrolės kanalas PNCH (angl. Packet Notification Control Channel) naudojamas MS perspėti apie siunčiamą grupinį (angl. multicast) pranešimą.
• Paketinių duomenų išskirtinis kontrolės kanalas PACCH (angl. Packet Associated Control Channel) naudojamas persiųsti valdymo informaciją konkrečiai MS, pavyzdžiui, juo siunčiama informacija apie MS siųstuvo galios nustatymus.
• Paketinių duomenų sinchronizacijos kontrolės kanalas PTCCH (angl. Packet Timing advance Control Channel) naudojamas adaptyviai duomenų kadrų sinchronizacijai.

Kiekvieno mobiliojo tinklo bazinė stotis turi SDCCH ir TACH kanalų rinkinius. SDCCH priskiriami mobiliosioms stotims sujungimo sudarymo signalizacijai perduoti. Jie atlaisvinami, kai signalizacijos pranešimai perduoti. Kai sujungimas sėkmingas, TACH kanalas priskiriamas mobiliajai stočiai visai pokalbio trukmei. TCH kanalu perduodami vartotojo duomenys ir balsas. SACCH kanalu perduodama taip vadinama „lėtoji“ signalizacija. Kai pokalbio metu būtina „sparčioji“ signalizacija (pavyzdžiui, kai MS perjungiama prie kitos BS), vartotojui ryšys akimirkai sustabdomas ir TCH kanalas tuo metu veikia kaip FACCH. TACH kanalus sudaro aštuonių laiko intervalų 4,615 ms trukmės kadrai (2 pav.).

2 pav. TACH kanalų struktūra

Kiekvieno laikinio intervalo trukmė yra 577 μs ir jame telpa 148 bitai, iš kurių 114 bitų informaciniai, 2 bitai skirti vėliavėlei, o 32 bitai panaudojami radijo dažnio perdavimo funkcijoms. Dvidešimt šeši kadrai suformuoja 120 ms trukmės „superkadrą“.

Išskiriami šie svarbūs valdymo kanalai:

• Bendrasis valdymo kanalas CCCH (angl. Common Control Channel). Kiekvienas radijo dažnio nešlys mobiliojo tinklo ryšio narvelyje turi bendrąjį valdymo kanalą CCCH. Šis kanalas visuomet yra „0“ laiko intervale ir gali būti išplėstas, naudojant 2 arba 4 kanalinius laiko intervalus.
• Transliacijos valdymo kanalas BCCH (angl. Broadcast Control Channel) perduoda žemyn transliacijos informaciją apie tinklą.
• Sinchronizacijos kanalas SCH (angl. Synchronization Channel) priverčia MS veikti ryšyje su BS nustatytame kadre ir laiko intervale.
• Dažnio koregavimo kanalas FCCH (angl. Frequency Correction Channel) žemyn perduoda MS informaciją, kuri sinchronizuoja MS generuojamą dažnį su radijo nešlio dažniu.

3.2 GPRS kodavimo schemos

GPRS technologijoje duomenys perduodami priklausomai nuo ryšio sąlygų naudojant vieną iš 4 kodavimo schemų (angl. CS – Coding Scheme) (1 lentelė).

1 lentelė. GPRS kodavimo schemos

Naudojant CS-1, didžiausia teorinė duomenų perdavimo sparta yra 36,2 (4x9,05) kbps, tačiau naudojant CS-4 kodavimo schemą, teoriškai duomenų perdavimo sparta siekia net 85,6 (4x21,4) kbps.

Pirmoji kodavimo schema CS-1 užtikrina sujungimą esant bet kokioms sąlygoms ir labiausiai tinka perduodant signalizacijos bei trumpuosius pranešimus. Schema CS-2 tinkamiausia duomenims perduoti ir ja galima padidinti tinklo pralaidumą. Paprastai šios kodavimo schemos naudojamos esant mažesniam nei 9dB signalo/triukšmo santykiui. Kitos dvi kodavimo schemos CS-3 bei CS-4 užtikrina didžiausią duomenų perdavimo spartą esant dideliam signalo/triukšmo santykiui, tačiau jas diegiant tenka modernizuoti GSM Abis sąsają.

Kodavimo koeficiento skiltis parodo, kokią dalį visų siunčiamų duomenų sudaro vartotojui naudinga informacija. Didžiausios duomenų perdavimo spartos skiltis parodo didžiausią galimą duomenų perdavimo spartą LLC (angl. Logical Link Control) – loginių sujungimų kontrolės lygmenyje naudojant vieną kanalinį intervalą. Paketinio duomenų perdavimo valdymui naudojamas specialus RLC (angl. Radio Link Control) – radijo kanalo valdymo protokolas, atsakingas už vienos ar kitos kodavimo schemos parinkimą, priklausantį nuo perduodamų duomenų tipo, radijo kanalo charakteristikų ir triukšmų lygio.

3 pav. pavaizduoti praktiniai kodavimų schemų pasiskirstymo matavimai, kurie buvo atlikti realiomis sąlygomis Vilniaus mieste. Kaip matyti iš šio paveikslo, CS-4 kodavimo schema naudojama duomenims per GPRS perduoti plačiame signalų lygių diapazone. Jau nuo taško, kuriame signalo lygis yra tarp -80 – -90 dBm, arba esant signalas-trikdys santykiui 17,8 dB pradeda dominuoti CS-4 kodavimo schema.

3 pav. GPRS kodavimo schemų CS-1, CS-2, CS-3, CS-4 priklausomybės nuo signalo lygio RxLev ir signalas-trikdys santykio C/I (vid.)

Taigi matome, kad didžiausios duomenų perdavimo spartos kodavimo schema CS-4 naudojama nuo geriausių lygių -48 dBm iki -85 dBm, po to staigiai krenta išaugant CS-1 kodavimo schemos panaudojimui.

Iš 3 paveikslo matyti dar vienas labai svarbus faktas – nuo -85 dBm signalo lygio augimo kryptimi pastebimas įsisotinimas, t.y. pasiekiama teorinė beveik didžiausia GPRS duomenų perdavimo sparta (o beveik todėl, kad dar šiek tiek naudojamos ir kitos kodavimo schemos).

Kitame, 4 pav. pavaizduota realiomis sąlygomis (Vilniaus mieste) esančios antenos sukuriamo elektromagnetinio lauko galios priklausomybė nuo atstumo. Iš šių dviejų (3 ir 4) paveikslų galime teigti, kad CS-4 kodavimo schema dominuoja esant iki 2 km atstumui tarp bazinės ir mobiliosios stoties. Miesto sąlygomis, dėl didelio vartotojų, taigi ir didelio bazinių stočių skaičiaus šis atstumas viršijamas retai. Taigi, miesto sąlygomis, duomenų perdavimo spartai atstumas nevaidina lemiamos įtakos.

4 pav. Realiomis sąlygomis (Vilniaus mieste) išmatuota antenos sukuriamo elektromagnetinio lauko galios priklausomybė nuo atstumo tarp bazinės ir mobilios stoties

3.3 GPRS mobiliųjų telefonų klasifikavimas

Informacijos perdavimo sparta priklauso ir nuo to, kokiai klasei priklauso naudojamas mobilusis telefonas (angl. MS – Mobile Station), t. y. kiek laikinių intervalų telefonas gali naudoti informacijos siuntimui ir gavimui. Ankstesni mobiliųjų telefonų modeliai dažniausiai priklausė 4-tai (multislot) klasei. Šiuolaikiniai dažniausiai priklauso 8-tai ar 10-tai klasei. Numatoma ir 12-tos klasės telefonų gamyba (žr. 2 lent.). Paskutinis lentelės stulpelis žymi didžiausią aktyvių intervalų skaičių, kurie gali veikti vienu metu. Pavyzdžiui, 12-tos klasės telefonas vienu metu gali naudoti 5 intervalus, pvz.: 4 intervalus informacijos gavimui ir 1 siuntimui (4+1), arba 2 intervalus gavimui ir 3 siuntimui (2+3) ir pan.

2 lentelė. MS klasės

Mobilieji GPRS terminalai skirstomi į tris klases pagal dar vieną kriterijų: A klasės terminalai vienu metu gali naudotis ir GPRS ir GSM teikiamomis paslaugomis. B klasės terminalai vienu metu naudojasi tik GPRS arba tik GSM paslaugomis ir C klasės terminalai išskirtinai gali naudotis tik GPRS paslaugomis.

3.4 Bendro radijo ištekliaus pasidalijimas

Vienas fizinis kanalas sudarytas iš 8 TS laikinių kanalų. Kiekvienas laikinis intervalas gali būti dedikuotas balsui – CS (angl. Circuit Switched), rezervuotas duomenims – R (angl. Reseved), arba dinamiškai priskiriamas – SW (angl. Switchable) (5 pav.). Paprastai SW TS yra naudojami duomenų perdavimui, tačiau esant dideliam balso kanalų poreikiui jie automatiškai persijungia į CS kanalus. Balso skambučių apkrovimui sumažėjus, SW grįžta į duomenų perdavimo režimą.

5 pav. Laikinių intervalų paskyrimas

Priklausomai nuo GSM ir GPRS abonentų erdvinio pasiskirstymo, TS gali būti skirti tik balsui (5 pav. a) arba rezervuoti tik duomenims (5 pav. b). Tačiau dažniausiai turime mišrų duomenų ir balso srautą, todėl dalį resursų skiriame balsui, dalį rezervuojame duomenų perdavimui ir dalį paliekame bendram naudojimui (5 pav. c). SW TS yra naudingi tada, kai balso ir duomenų didžiausio naudojimo valandos nesutampa laike. Tokiu atveju esant dideliam duomenų perdavimo poreikiui turime 5 duomenų kanalus, o esant dideliam balso kanalų poreikiui turime 6 balso kanalus. Naudojant SW kanalus balsas visada turi aukštesnį prioritetą prieš duomenis. Tai reiškia, kad duomenų perdavimui skirtus resursus R+SW įtakoja balso skambučių skaičius. Tai viena iš priežasčių, kodėl GPRS tinklas skiriasi nuo kitų duomenų perdavimo tinklų.

Be didesnės perdavimo spartos, svarbus GPRS privalumas, palyginti su HSCSD – galimybė keletui MS bendrai naudoti vieną kanalą. MS lieka įjungtos į tinklą ir tuo metu, kai nesiunčia duomenų. Mokestis už paslaugas skaičiuojamas proporcingai perduotų duomenų kiekiui, o ne prisijungimo laikui.

***

Kitoje dalyje skaitykite apie EDGE ir UMTS technologijas.

***

Visą darbą taip pat galite atsisiųsti iš portalo archyvo.