Mobilné siete a prenos telemetrických údajovdiplom.utc.sk/wan/1265.pdf · QoS Quality of Service Kvalita služby RAN Radio Access Network Sieť rádiového prístupu RNC Radio

Mobilné siete a prenos telemetrických údajov

DIPLOMOVÁ PRÁCA

PETER BLAŠČÁK

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)

Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. 05. 2007

ŽILINA 2007

ABSTRAKT

Práca sa zaoberá mobilnými sieťami, ich vývojom, rozdelením, architektúrou

a základnými parametrami. Objasňuje pojem telemetrie a analyzuje možnosti

prenosu telemetrických údajov pomocou štandardov prenosu dát mobilnými

sieťami. Venuje sa oneskoreniu, zabezpečeniu, prenosovým rýchlostiam a pokrytiu

jednotlivých štandardov. V praktickej časti je uskutočnený návrh a realizácia služieb

telemetrie na základe daných požiadaviek. Je vysvetlený princíp fungovania týchto

služieb a popísané sú aj ďalšie možnosti využitia realizovaného zariadenia. Na záver

je urobené ekonomické zhodnotenie z pohľadu vstupných a prevádzkových

nákladov.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

ANOTAČNÝ ZÁZNAM

Priezvisko a meno: BLAŠČÁK Peter Akademický rok: 2006/2007

Názov práce: Mobilné siete a prenos telemetrických údajov

Počet strán: 53 Počet obrázkov: 20 Počet tabuliek: 13

Počet grafov: 1 Počet príloh: 6 Použitá lit.: 26

Anotácia v slovenskom jazyku: Témou diplomovej práce je popis mobilných sietí,

analýza možnosti prenosu telemetrických údajov z hľadiska zabezpečenia

a oneskorenia a návrh dvoch služieb, ktoré využívajú uvedené princípy. V práci sú

popísané jednotlivé generácie mobilných sietí, pričom väčší priestor je venovaný

sieťam GSM a UMTS a hlavne štandardom prenosu dát CSD, GPRS, EDGE HSDPA

a službe prenosu krátkych správ SMS. V časti návrhu a realizácie služieb je popísaný

spôsob výberu služieb a praktická realizácia týchto služieb.

Annotation in English language: The theme of graduation theses is description of

mobile networks, analysis of possibilities to telemetry data transmition, from

protection and latency aspects and proposal for two services, that use presented

aspects. There are descriptions of individual mobile network generations in the

graduation theses, and a major space is dedicated to GSM and UMTS networks and

especially to data transmition standards CSD, GPRS, EDGE, HSDPA and SMS. In the

part of proposal and realization of the services there is a description of the method

of selection and practice at realization of these services.

Kľúčové slová: telemetria, mobilné siete, bunkové siete, GSM, UMTS, CSD, GPRS,

EDGE, UMTS, SHDPA, SMS, oneskorenie, zabezpečenie, prenos dát, ovládanie

zariadenia pomocou GSM, SIM toolkit

Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Recenzent práce: Ing. Roman Pšanecký

Dátum odovzdania práce: 18. máj 2007

OBSAH

ABSTRAKT

ANOTAČNÝ ZÁZNAM

OBSAH

ZOZNAM OBRÁZKOV, TABULIEK A GRAFOV

POUŽITÉ SKRATKY

ÚVOD ............................................................................................................................................. 1

1 MOBILNÉ SIETE ................................................................................................................. 2

1.1 História využívania mobilných sietí .......................................................... 2

1.2 Rozdelenie mobilných sietí ........................................................................... 4

1.3 Architektúra bunkových sietí ....................................................................... 5

1.4 Systém GSM ......................................................................................................... 6

1.4.1 História GSM ....................................................................................................... 6

1.4.2 Architektúra GSM.............................................................................................. 8

1.4.3 GSM služby ........................................................................................................ 13

1.5 Systém UMTS .................................................................................................... 15

1.5.1 História UMTS .................................................................................................. 15

1.5.2 Architektúra UMTS ......................................................................................... 17

1.5.3 UMTS služby ...................................................................................................... 20

1.6 Kanálové kódovanie ...................................................................................... 21

2 TELEMETRIA ..................................................................................................................... 23

3 ANALÝZA JEDNOTLIVÝCH ŠTANDARDOV PRENOSU DÁT ................................. 24

3.1 CSD (Circuit Switched Data) ........................................................................ 24

3.2 Štandard GPRS (General Packet Radio Service) .................................. 29

3.3 Štandard EDGE (Enhaced Data Rates for GSM Evolution) ................ 34

3.4 Štandard HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) .................. 35

3.5 Krátke textové správy - SMS (Short Message Service) ....................... 37

3.6 Porovnanie základných parametrov jednotlivých druhov prenosu

telemetrických údajov .................................................................................. 38

3.6.1 Oneskorenie ..................................................................................................... 38

3.6.2 Zabezpečenie .................................................................................................... 40

3.6.3 Prenosová rýchlosť ........................................................................................ 41

3.6.4 Pokrytie signálom........................................................................................... 42

4 NÁVRH A REALIZÁCIA SLUŽIEB TELEMETRIE ...................................................... 44

4.1 Požiadavky pre výber vhodných služieb telemetrie .......................... 44

4.2 Výber služieb telemetrie .............................................................................. 44

4.3 Telemetrické zariadenie .............................................................................. 45

4.3.1 Turbo Lite 2 ...................................................................................................... 45

4.3.2 Univerzálna doska .......................................................................................... 46

4.3.3 Mobilný telefón ................................................................................................ 48

4.4 Princíp fungovania vybraných služieb telemetrie .............................. 48

4.4.1 Služba hlásenia neoprávneného vniknutia do objektu ..................... 48

4.4.2 Služba ovládania kúrenia ............................................................................ 48

4.4.3 Ďalšie možnosti použitia zariadenia ........................................................ 50

5 EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE .................................................................................... 51

ZÁVER.......................................................................................................................................... 53

POUŽITÁ LITERATÚRA

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

POĎAKOVANIE

PRÍLOHY

ZOZNAM OBRÁZKOV, TABULIEK A GRAFOV

Obr. 1.1: Generácie mobilých sietí v Európskom kontexte ........................................ 4

Obr. 1.2: Základné rozdelenie mobilných rádiových sietí ......................................... 4

Obr. 1.3: Koncepcia opakovania rádiových kanálov .................................................... 5

Obr. 1.4: Architektúra bunkovej rádiokomunikačnej siete ....................................... 6

Obr. 1.5: Architektúra systému GSM .................................................................................. 9

Obr. 1.6: Frekvenčné pásma pre GSM900 ...................................................................... 10

Obr. 1.7: Definícia nosnej služby a teleslužby .............................................................. 13

Obr. 1.8: Hierarchická štruktúra buniek zabezpečujúca globálne pokrytie ..... 17

Obr. 1.9: Spektrum IMT-2000 v rôznych častiach sveta ........................................... 18

Obr. 1.10: Architektúra systému UMTS .......................................................................... 19

Obr. 2.1: Všeobecná schéma telemetrického systému .............................................. 23

Obr. 3.1: „Normálny“ dátový blok ..................................................................................... 25

Obr. 3.2: Rozdelenie logických kanálov .......................................................................... 26

Obr. 3.3: Šifrovanie pri prenose dát ................................................................................. 29

Obr. 3.4: Architektúra siete GPRS ..................................................................................... 30

Obr. 3.5: Základná štruktúra siete pre prenos krátkych správ .............................. 37

Obr. 4.1: Principiálna schéma zariadenia Turbo Blade 2 ......................................... 45

Obr. 4.2: Zariadenie Turbo Lite 2 ...................................................................................... 46

Obr. 4.3: Kompletne osadená univerzálna doska ........................................................ 46

Obr. 4.4: Schéma zapojenia univerzálnej dosky pre naše služby .......................... 47

Obr. 4.5: Principiálna schéma navrhnutého telemetrického systému ................ 49

Tab. 1.1: Základné parametre rádiového rozhrania GSM ........................................ 10

Tab. 3.1: Prenosové rýchlosti pre jednotlivé kódovacie schémy ........................... 32

Tab. 3.2: Triedy spoľahlivosti v GPRS.............................................................................. 32

Tab. 3.3: Triedy garantovaného oneskorenia .............................................................. 33

Tab. 3.4: Triedy zariadení GPRS zariadení .................................................................... 34

Tab. 3.5: Modulačné a kódovacie schémy v EDGE ....................................................... 35

Tab. 3.6: Triedy zariadení pre HSDPA ............................................................................. 36

Tab. 3.7: Prehľad oneskorenia jednotlivých štandardov ......................................... 40

Tab. 3.8: Prenosové rýchlosti jednotlivých štandardov............................................ 42

Tab. 3.9: Pokrytie územie Slovenska jednotlivými štandardami .......................... 43

Tab. 4.1: Zoznam súčiastok pre činnosť univerzálnej dosky pre naše služby .. 47

Tab. 5.1: Cena telemetrického zariadenia ..................................................................... 51

Tab. 5.2: Vstupné náklady na telemetrický systém .................................................... 52

Graf 3.1: Závislosť priepustnosti na vzdialenosti od stredu bunky ...................... 27

POUŽITÉ SKRATKY

Skratka Význam Slovenský význam

1G 1. generation 1. generácia

2G 2. generation 2. generácia

3GPP 3rd. Generation Partership Project Partnerský projekt tretej generácie

AC Authentification Center Autorizačné centrum

AMPS Advanced Mobile Phone System Štandard analógovej mobilnej telefónie

ARQ Automatic ReQuest for Retransmission Požiadavka na automatické opakovanie vysielania

BSC Base Station Controller Riadenie základňovej stanice

BSS Base Station Subsystem Subsystém základňových staníc

BTS Base Tranceiver Station Základňová stanica

CCITT Consultative Committee on International Telephony and Telegraphy

Medzinárodná organizácia definujúca štandardy pre telefónne a telegrafické zariadenia

CDMA Code Division Multiple Access Kódovo delený viacnásobný prístup

CEIR Central Equipment Identify Register Centrálny register identifikácie zariadení

CEPT European Conference of Postal and Telecommunications Administrations

Európska konferencia poštových a telekomunikačných administrácií

CRC Cyclic Redundancy Check Kontrola kontrolným súčtom

CUG Close User Group Uzavretá skupina používateľov

D-AMPS Digital AMPS Digitálny AMPS

DECT Digital European Cordless Telephone Digitálny európsky bezšnúrový telefón

EDGE Enhanced Data Rates for Global (GSM) Evolution

Zvýšenie prenosovej rýchlosti pre globálny (GSM) vývoj

EIR Equipment Identification Register Register identifikácie zariadení

ETSI European Telecommunications Standart Institute

Európsky telekomunikačný štandardizačný inštitút

FDD Frequency Division Duplex Frekvenčne delený duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access Viacnásobný prístup s frekvenčným delením

GGSN Gateway GPRS Support Node Podporný uzol priechodu GPRS

GMSC Gateway MSC Komunikačný uzol

GPRS General Packet Radio Service Všeobecná paketová rádiová služba

GSM Global System for Mobile Communications

Globálny systém mobilnej komunikácie

HARQ Hybrid ARQ Hybridná ARQ

HLR Home Location Register Register domácich účastníkov

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Vysokorýchlostný paketový prenos v zostupnom smere

HSPUA High Speed Packet Uplink Access Vysokorýchlostný paketový prenos vo vzostupnom smere

IDEN Inegrated Digital Enhanced Network Rozšírená digitálna sieť

IMEI International Mobile Equipment Identity

Medzinárodné identifikačné číslo mobilnej stanice

IMT-2000

International Mobile Telecommunications – 2000

Medzinárodné mobilné telekomunikácie - 2000

IMTS Improved Mobile Telephone Service Vylepšená služba mobilnej telefónie

IP Internet Protocol Internetový protokol

IS-136 Interim Standard 136 Štandard

IS-95 Interim Standard 95 Štandard

ISDN Integrated Services Digital Network Digitálna sieť integrovaných služieb

IWF Interworking Function Prepojovacia funkcia

LA Location Area Lokalizačná oblasť

LAI Local Area Identification Aktuálna identifikačná oblasť

LAN Local Area Network Miestna počítačová sieť

MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service Multimediálne služba typu bod-multibod

MIMO Multiple Input Multiple Output Viacnásobný vstup viacnásobný výstup – technológia na zvýšenie priepustnosti siete

MSC Mobile Switching Centre Rádiová ústredňa

NMT Nordic Mobile Telephone Štandard analógovej mobilnej telefónie

NSS Network and Switching Subsystem Sieťový a spojovací podsystém

OMC Operation & Maintenance Control Riadenie prevádzky a údržby

PDC Personal Digital Cellular Štandard

PDN Public Data Network Verejná dátová sieť

PLMS Public Land Mobile Network Verejná pozemná mobilná sieť

PSTN Public Switched Telephone Network Verejná telefónna sieť

QoS Quality of Service Kvalita služby

RAN Radio Access Network Sieť rádiového prístupu

RNC Radio Network Controller Riadiaca jednotka rádiovej siete

SGSN Serving GPRS Support Node Obslužný podporný uzol GPRS

SIM Subscriber Identity Module Účastnícky identifikačný modul

SMS Short Message Service Krátka správa

TD-CDMA

Time Division Code Division Multiple Access

Časovo delený kódový viacnásobný prístup

TDD Time division duplex Časovo delený duplex

TDMA Time Division Multiple Access Časovo delený viacnásobný prístup

TE Terminal Equipment Koncové zariadenie

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity Dočasný kód MS

TRAU Transcoder / Rate Adapter Unit Kódovač / jednotka prispôsobenia rýchlosti

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

Univerzálny mobilný telekomunikačný systém

UTRA UMTS Terrestrial Access Pozemný rádiový prístup UMTS

UTRAN UMTS Terrestrial RAN Pozemná prístupová RAN UMTS

VLR Visit Location Regiter Register hostujúcich účastníkov

VoIP Voice over IP Hlas cez IP

WARC World Administration Radio Convention

Svetová konvencia rádiokomunikačných správ

W-LAN Wiriless –LAN Rádiová LAN

WWW World Wide Web Celosvetová sieť


Žilinská univerzita v Žiline, Katedra telekomunikácií 1

ÚVOD

Oblasť vývoja prenosu dát mobilnými sieťami je v dnešnej dobe jedna

z najrýchlejšie sa vyvývajúcich častí vývoja v odbore prenosu dát vôbec. S tým

samozrejme dochádza k stále častejšiemu využívaniu tohto druhu prenosu na rôzne

účely. Aj telemetria a rôzne jej systémy sa snažia využívať nové možnosti, ktoré

tento vývoj doniesol. Je to ale limitované parametrami rôznych druhov mobilných

sietí a použitými štandardami prenosu. Preto je potrebná analýza možností

rádiových sietí a požiadaviek telemetrických systémov.

V súčasnosti je na trhu dostupných mnoho druhov riešení telemetrických

systémov od komplexných riešení pre priemyselné použitie na sledovanie a riadenie

výrobných procesov cez riešenia na sledovanie firemných áut až po menšie riešenia

pre domáce použitie.

V tejto práci je urobená analýza, návrh a realizácia služieb telemetrie. Hlavná

pozornosť venovaná hlavne sieťam GSM a UMTS firmy Orange Slovensko a to hlavne

z hľadiska oneskorenia, zabezpečenia, prenosových rýchlostí, pokrytia územia ale aj

finančnej náročnosti.



1 MOBILNÉ SIETE

1.1 História využívania mobilných sietí

Začiatky využívania mobilných sietí siahajú do 20-tych rokov dvadsiateho

storočia, kedy jednosmerné rádiové spojenie začali využívať policajné hliadky

v Detroite. 30-te roky priniesli objav modulácie a využívanie obojsmerného

spojenia. Prvú verejnú mobilnú sieť vybudovala firma Bell v roku 1946 v meste St.

Louis. V priebehu ďalšieho roka bolo pokrytých ďalších 25 miest v USA. Tieto siete

boli založené na vysielaní FM signálu. Nárastom počtu mobilných účastníkov

vznikla potreba zvýšiť kapacitu siete. Preto sa začali používať zväzkové rádiové

systémy. V 60-tych rokoch sa začala používať sieť označená ako IMTS (Improved

Mobile Telephone Service) – umožňovala automatické vytváranie zväzkov, priamu

voľbu účastníka, plný duplex. Z hľadiska technológie predstavovala predchodcu

bunkových sietí. V Európe zaostával vývoj o 5 až 15 rokov. Prvá jednoduchá

mobilná sieť bola zavedená v Holandsku v roku 1949.

V 50-tych a 60-tych rokoch telekomunikačné spoločnosti vyvinuli teóriu

a metódy bunkovej rádiotelefónie. Podstatou bolo rozdelenie záujmovej oblasti na

malé časti, nazývané bunky (cells), z ktorých každá opätovne využívala časť

prideleného frekvenčného spektra, čo zvyšovalo účinnosť využitia spektra.

Frekvenčné kanály sa opätovne použili len ak existovala dostatočná vzdialenosť

medzi vysielačmi, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu.

Prvá bunková rádiotelefónna sieť bola zavedená v Japonsku v roku 1979

a využívala 600 duplexných kanálov v pásme 800 MHz. V Európe bol v roku 1981

uvedený systém NMT 450, ktorý využíval 25 kHz kanály v pásme 450 MHz. V roku

1983 vznikol v USA štandard AMPS (Advanced Mobile Phone System) v pásme 800

MHz. Túto etapu vývoja bunkových sietí považujeme za 1. generáciu bunkových

sietí.



Prvá generácia bunkových sietí bola orientovaná na hlasové služby. Hlavným

problémom 1. generácie (1G) bunkových rádiotelefónnych štandardov bola ich

vzájomná nezlúčiteľnosť a slabá kvalita poskytovaných služieb v porovnaní

s pevnou telekomunikačnou sieťou. Ako riešenie týchto problémov sa použila

digitalizácia spracovania signálov, ktorá znamenala nástup 2. generácie bunkových

rádiotelefónnych sietí.

Všeobecne možno povedať, že charakteristickým rysom systémov druhej

generácie je použitie digitálneho systému, zníženie vysielacieho výkonu a s tým

súvisiace zmenšenie buniek, lepšia odolnosť voči chybám, zvýšenie bezpečnosti.

Zachovaná zostala orientácia na hlasové služby ale s novými systémami boli

predstavené aj nové služby ako napr. SMS alebo elektronická pošta.

Technológie 2. generácie (2G) mobilných sietí delíme na štandardy založené na

TDMA (Time Division Multiple Access) a CDMA (Code Division Multiple Access)

v závislosti na použitom type multiplexovania. Medzi základné štandardy 2.

generácie mobilných sietí patria:

GSM (Global System for Mobile Communications) – je založený na TDMA, pochádza

z Európy, používa sa celosvetovo

IDEN (Integrated Digital Enhanced Network) – je založený na TDMA, vyvinula ho

firma Motorola, používa sa v USA a Kanade

IS-136 (Interim Standard 136) alebo aj D-AMPS (Digital AMPS) – je založený na

TDMA, používa sa v Amerike

IS-95 (Interim Standard 95) alebo aj cdmaOne – je založený na CDMA, používa sa

v Amerike a Ázii

PDC (Personal Digital Cellular) – je založený na TDMA, používa sa iba v Japonsku

Medzistupeň medzi druhou a treťou generáciou mobilných sietí je tzv. 2,5

generácia a 2,75 generácia. Systémy týchto generácií rozširujú 2G siete o nové

komponenty, nové služby. V kontexte GSM ide o rozšírenie paketových prenosov

prostredníctvom nadstavbovej technológie GPRS (General Packet Radio Service)

a technológie EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution).



Systémy tretej generácie (3G) mobilých sietí môžme charakterizovať ako

systémy vysokorýchlostné, vysokokapacitné, efektívnejšie využívajúce prenosové

spektrum, sprístupňujúce multimediálne služby koncovým užívateľom. Európskym

zástupcom tejto generácie je UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).

Pokračovateľom vývoja mobilných sietí je štandard HSDPA (High Speed

Downlink Packet Access), ktorý je vylepšením UMTS hlavne z hľadiska zvýšenia

rýchlosti downlinku a zmenšenia oneskorenia.

NMT

TACS

GSM(CSD,

HSCSD)

GPRS EDGE UMTS

1. generácia 2. generácia 2,5. generácia 2,75. generácia 3. generácia

HSDPA

3,5. generácia

Obr. 1.1: Generácie mobilých sietí v Európskom kontexte

[1], [2]

1.2 Rozdelenie mobilných sietí

Rozdelenie mobilných sietí je možné z viacerých hľadísk. Jedno

z komplexnejších rozdelení je zobrazené na nasledujúcom obrázku (obr. 1.2). [1]

MOBILNÉ RÁDIOVÉ SIETE

Prostredie Využitie Určenie Technológia

Pozemné

Vzdušné

Satelitné

Neverejné

Verejné

Prenos reči

Prenos dát

Multimediálny prenos

Analógové

Digitálne

Obr. 1.2: Základné rozdelenie mobilných rádiových sietí



1.3 Architektúra bunkových sietí

Základným rysom súčasných mobilných rádiotelefónnych sietí je snaha o čo

najefektívnejšie využívanie frekvenčného spektra. Riešenie sa našlo vďaka

viacnásobnému použitiu rovnakých frekvencií, použitím bunkového princípu.

Podstatou je rozdelenie geografického územia na vhodne veľké časti (bunky),

usporiadané tak, aby frekvencie použité v jednej bunke neboli použité

v bezprostredne susednej bunke. Zjednodušený model bunkovej siete používa

hexagonálny tvar bunky (obr. 1.3).

f3

f4f7

f6

f2

f1f3

f5

f7f2

f3f5f2

f4f6f1

f4f5

f6

f3

Obr. 1.3: Koncepcia opakovania rádiových kanálov

Bunková architektúra je založená na štyroch základných princípoch:

1. Vysielače s malým výkonom.

2. Opakované použitie rádiových kanálov.

3. Delenie buniek a sektorizácia buniek za účelom zväčšenia kapacity siete.

4. Prepnutie hovoru počas prechodu hranicou bunky (handover).

Základom bunkovej siete je mobilná stanica, základňová stanica, rádiotelefónna

ústredňa, databázy, dohľadové centrum a spoje v bunkovej sieti (obr. 1.4).



Spoje

Bunka

Základňová

stanica

Dohľadové

centrum

Databázy

Rádiotelefónna

ústredňa

Telefónna

ústredňa

Mobilná

stanica

Bunková rádiokomunikačná

sieť

Pevná telefónna

sieť

Obr. 1.4: Architektúra bunkovej rádiokomunikačnej siete

[1], [3]

1.4 Systém GSM

1.4.1 História GSM

Systém GSM (Global System for Mobile Communication) môžme charakterizovať

ako špecifikáciu a odporúčanie na jednotlivé funkčné jednotky mobilného systému

a definovanie najdôležitelších rozhraní. Pre GSM boli vytýčené požiadavky, ktoré

môžme rozdeliť do niekoľkých skupín:

Služby:

mobilné terminály musia byť použiteľné vo všetkých zúčastnených

zemiach

všade, kde je to možné, musí systém podporovať všetky služby

podporované aj verejnou pevnou telefónnou sieťou, ISDN a ďalšími

verejnými sieťami a tiež služby špecifické pre mobilné telefóny

použitie mobilnej stanice na lodiach je možné, v lietadlách zakázané

Kvalita služieb a bezpečnosť:

kvalita hlasu musí byť porovnateľná alebo lepšia ako v analógových

systémoch

systém musí podporovať zabezpečený prenos



Sieťové aspekty:

číslovací a identifikačný plán musí rešpektovať doporučenie CCITT

musí byť vytvorená možnosť práce viacerých mobilných sietí v rovnakej

geografickej oblasti

nesmú byť požadované veľké zmeny pevnej telefónnej siete na spoluprácu

s mobilnou sieťou

návrh systému musí dovoľovať rôzne obmeny štruktúry a rozšírenia

v jednotlivých sieťach

signalizačné a sieťové ovládacie a riadiace informácie musia byť chránené

Cenové aspekty:

parametre systému musia byť navrhnuté so zreteľom na cenu celého

systému a na cenu mobilného terminálu

Etapy vývoja GSM:

1979 – Konferencia WARC vyčleňuje pre mobilný rádiový systém pásmo

900 MHz

1982 – CEPT zriaďuje pracovnú skupinu GSM (Groupe Spéciale Mobile)

1986 – v Paríži predložených 9 návrhov systému

1987 – vybratý digitálny systém TDMA/FDMA a podpísané memorandum

o zavedení systému GSM na prelomu rokov 1991/92

1988 – CEPT začal tvoriť GSM špecifikáciu

1989 – iniciatívu GSM od CEPTu preberá ETSI

1991/92 – ukonená 1. fáza špecifikácie

1992 – prvé siete uvedené do prevádzky

1994 – začala prevádzka siete GSM 1800 (GSM v pásme 1800 MHz)

1995 – ukončená 2. fáza špecifikácie, pokračuje sa na fáze 2+

1997 – GSM má celosvetovo cca 55 miliónov užívateľov v 200 sieťach

v 109 krajinách

Keďže nebolo možné v určitý čas uzatvoriť vývoj tak komplexných a vyvýjajúcich

sa špecifikácií, rozdelil sa vývoj na fázy (phase).



Prvá fáza (Phase 1) GSM bola zameraná hlavne na prenos hlasu. Preto bol na

kódovanie reči použitý 13 kbps full-rate kodek. Skúšobne bola spustená služba

núdzového volania na jednotné číslo 112. Phase 1 tiež definovala funkcie krátkych

textových správ SMS (Short Message Services) a základné dátové a faxové funkcie.

Definované boli aj doplnkové služby presmerovania a blokovania hovorov.

Po zavedení prvých sietí na základe Phase 1 prichádzali požiadavky na doplnenie

systému podľa rôznych požiadaviek. To dalo základ druhej fázy (Phase 2) GSM.

V oblasti kódovania reči išlo o dve nové techniky: Half-rate a Enhanced full-rate.

V prvom prípade išlo o použitie kódovania s použitím nižších rýchlostí pri miernom

zhoršení kvality prenosu hlasu oproti Full-rate 13 kbps. Druhý prípad je zvýšenie

kvality prenosu hlasu v oblastich s kvalitnejším pokrytím. Mnoho doplnkových

služieb Phase 2 bolo ovplyvnených ISDN. Boli to rôzne funkcie prenosu identifikácie

ako napr. identifikácia volajúcej strany, identifikácia volanej strany, čakanie na

hovor, pridržanie hovoru, uzavreté skupiny užívateľov, tarifikačné informácie a iné.

Nasledujúca fáza 2+ (Phase 2+) GSM zahrňuje všetky služby a špecifikácie pridané

po zmrazení Phase 2, ktoré boli uvedené v release 96, 97 a 98.

Medzi najvýznamnejšie patrili: hlasový hovor pre skupinu užívateľov, univerzálna

kódovacia schéma 2, systém miestnych správ, vysokorýchlostný prenos dát HSCSD a

GPRS, predávanie hovoru, definovanie priority užívateľov, blokovanie funkcií

telefónu operátorom, SIM toolkit, identifikácia siete a iné.

[1], [3]

1.4.2 Architektúra GSM

Architektúra systému GSM má niekoľko úrovní (obr. 1.5). Prvú úroveň tvoria

mobilné stanice MS (Mobile Station), čiže koncové zariadenia mobilných účastníkov.

Druhou úrovňou sú základňové stanice. Tie sa skladajú z dvoch blokov. Prvý blok

tvorí riadiaca jednotka základňovej stanice BSC (Base Station Controller), druhým je

základňová stanica BTS (Base Transceiver Station). V prípade použitia malých

buniek sa používa jedna BSC na riadenie niekoľkých BTS. Takto vzniká subsystém

základňových staníc BSS (Base Station Subsystem). Treťou úrovňou je rádiová



ústredňa MSC (Mobile Switching Centre). Tá zabezpečuje spojovacie funkcie. V sieti

ich môže byť niekoľko. K ústredni patria aj účastnícke databázy: register domácich

účastníkov HLR (Home Location Register), register hostujúcich účastníkov VLR

(Visit Location Regiter), autorizačné centrum AC (Authentification Center), register

identifikácie zariadení EIR (Equipment Identification Register). Súčasťou je aj

stredisko riadenia prevádzky a údržby OMC (Operation & Maintenance Control).

Štandardizované sú tri dôležité rozhrania. Rozhranie A, Abis a rádiové rozhranie

Um. Rozhranie A medzi BSC a MSC je definované pre tok 2 Mb/s a z 32 kanálov

obyčajne jeden používa na prenos signalizácie mobilnej siete a ďalší pre

zabezpečenie synchronizácie. Rozhranie Abis používa kanál 64 kb/s a umožňuje

multiplexovanie kanálov s prenosovou rýchlosťou 16 kb/s.

MS

MS

BTS

BTS

PSTN

PDN

ISDN

PLMS

VLC HLR AC EIR

CCS7

X.25

BSC

OMC

MSC

AAbisUm

Obr. 1.5: Architektúra systému GSM

Rádiové rozhranie Um zabezpečuje prenos informácií rádiovým kanálom. Táto

časť technických prostriedkov sa tiež označuje ako rádiový subsystém RSS (Radio

Subsystem). Pre zabezpečenie viacnásobného prístupu používa štandard GSM

kombináciu FDMA a TDMA, pričom na jednom nosnom signáli je 8 časových okien.

Na oddelenie vzostupného a zostupného smeru a zabezpečenie duplexného

prenosu sa používa kombinácia FDD/TDD (Frequency Division Duplex / Time

Division Duplex). Pre vzostupný smer bola vyhradená dolná časť frekvenčného

pásma. Odstup susedných kanálov je 20 MHz. Vyčlenené sú dve frekvenčné pásma



so šírkou 25 MHz. Ilustruje to obr. 1.6. V každom takomto pásme je možné vytvoriť

maximálne 124 kanálov. Základné parametre rádiového rozhrania GSM sú

v tabuľke 1.1.

Komunikácia

MS → BTS(Uplink)

Komunikácia

BTS → MS(Downlink)

GSM

890 MHz 960 MHz

890 MHz 915 MHz 935 MHz 960 MHz

25 MHz 25 MHz20 MHz

Obr. 1.6: Frekvenčné pásma pre GSM900

Frekvenčný rozsah

Vzostupný smer: 890 – 915 MHz

Zostupný smer: 935 – 960 MHz

t.j. 124 FDMA kanálov, resp. 992 hovorových kanálov

Kanálový odstup 200 kHz

Duplexný odstup 45 MHz; 1,73 ms

TDMA rámec

8 časových okien na nosnej (4,615 ms)

Trvanie jedného okna 0,577 ms (156,25 bitov)

Pre služby s polovičnou rýchlosťou: 16 kanálov na

nosnej

Prístupová metóda FDMA/TDMA

Tab. 1.1: Základné parametre rádiového rozhrania GSM

Rádiová ústredňa MSC je modifikovaná ústredňa ISDN a ako spínač s pridanou

funkciou zaujíma v sieti GSM centrálne postavenie. Okrem spojovacích funkcií riadi

aj procesy v mobilnej sieti. MSC je cez rozhranie A je prepojená s podsystémom



základňovej stanice. Viaceré MSC môžu byť prepojené napr. polygonálnou sieťou.

MSC vykonáva spojovacie funkcie pre skupinu buniek, ktoré obsluhuje a prepojuje

len 64 kb/s spojenia, realizuje výstavbu spojenia a dozor nad telefónnym spojením.

Ďalej vykonáva procedúry pre prepojenie GSM siete s inými sieťami a procedúry

súvisiace so sledovaním pohybu mobilnej stanice. Prepojenie na iné siete sa

uskutočňuje pomocou prepojovacej funkcie IWF (Interworking Function). Prístup do

systému GSM je formálne možný cez komunikačný uzol GMSC (Gateway MSC)

procedúry pre manažment mobility účastníka. Kôli redukcii počtu kanálov medzi

MSC a BSS je možné použiť koncentrátor.

Jedna alebo niekoľko ústrední MSC využíva databázu domácich účastníkov HLR.

HLR sa môže skladať z niekoľkých priestorovo oddelených databáz. V tejto databáze

sú uložené základné údaje potrebné pre riadenie a podporu mobility účastníka. Sú to

niektoré statické parametre, ktoré sa využívajú napr. pri overovaní oprávnenosti

prístupu účastníka do siete a to v súčinnosti s databázou AC a ďalej niektoré dočasné

údaje. V databáze HLR siete je zaregistrovaná čipová karta SIM každého účastníka.

Medzi najdôležitejšie informácie zaznamenané v HLR patria:

volacie číslo mobilnej stanice

identifikácia mobilnej stanice v danej sieti

kategória účastníka

prístup k doplnkovým službám

použitie hesla

rozsah dovolených lokalizačných oblastí

tarifikačná trieda

záznam o tarifikácii

adresa aktuálnej databázy VLR

Údaje potrebné na riadenie, ktoré súvisia s polohou MS, môžu byť dočasne

uložené v databáze hosťujúcich účastníkov VLR. Tým sa znížia požiadavky na prenos

signalizácie. Nakoľko VLR sa obyčajne nachádza bližšie k miestu kde sa nachádza

MS, skracuje sa tým aj čas potrebný na prístup do databázy. Poloha účastníka v danej

sieti sa neudáva konkrétnou bunkou, ale skupinou určitého počtu buniek,



označovanou ako lokalizačná oblasť LA (Location Area). Vo VLR sú zaznamenané

a podľa potreby aktualizované informácie o aktívnych MS v danej prevádzkovej

oblasti. Okrem informácií, ktoré sú uložené aj v databáze HLR sú vo VLR naviac tieto

údaje:

dočasný kód MS, používaný na úrovni podsystému rádiového spojenia TMSI

(Temporary Mobile Subscriber Identity)

šifrovací kľúč

prevádzkový stav

kód aktuálnej lokalizačnej oblasti LAI (Local Area Identification)

V databáze centra overovania AC sú uložené algoritmy (A3, A8) a overovací kľúč

každého účastníka, ktoré sú potrebné na zabezpečenie prístupu do siete a ochrany

pred odpočúvaním.

V databáze zariadení EIR sú zaregistrované účastnícke koncové zariadenia

prostredníctvom medzinárodných identifikačných čísel IMEI (International Mobile

Equipment Identity). Na základe dohody je v Dubline zriadená centrálna databáza

CEIR, v ktorej sú zaregistrované všetky údaje o povolených, stratených alebo

odcudzených mobilných staniciach a príslušné údaje sú poskytované operátorom

sietí GSM.

Rádiová ústredňa MSC sa spolu s uvedenými databázami označuje ako sieťový

a spojovací podsystém NSS (Network and Switching Subsystem).

Stanica BTS sa skladá z vysielača, ktorý zabezpečuje pokrytie územia bunky

signálom, ďalej z prijímača a signalizačných obvodov rádiového rozhrania. Dôležitou

jednotkou, ktorá je funkčne súčasťou BTS, je TRAU (Transcoder/Rate Adapter Unit).

Táto jednotka vykonáva špecifické kódovanie a dekódovanie rečových signálov a

adaptáciu prenosovej rýchlosti pre službu prenosu dát. Dôležitá je hlavne adaptácia

prenosovej rýchlosti z 13 kbps (resp. 16 kbps) na 64 kbps pri rečových signáloch.

Prevádzkové a údržbové stredisko OMC podporuje prevádzku siete a plní

nasledujúce funkcie: zabezpečenie bezpečnosti a prevádzky siete a včasné

odstránenie poruchových situácií, optimalizácia siete a jej rozširovanie, podpora



prevádzkových meraní, zabezpečenie zúčtovania hovorov v súčinnosti s MSC.

Mobilná stanica MS pozostáva z dvoch častí a to z koncového zariadenia ME (Mobile

Equipment) a čipovej karty SIM (Subscriber Identity Module). Na karte SIM sú

zaznamenané všetky údaje nevyhnutné na poskytovanie všetkých služieb,

zabezpečenie prístupu do siete a utajenie prenášaných informácií.

Karta SIM je integrálnou súčasťou celkového konceptu zabezpečenia prenosu

informácií podľa štandardu GSM. Rozdelenie MS na samotné koncové zariadenie, v

ktorom nie sú uložené žiadne údaje potrebné na poskytovanie služieb a samostatnú

kartu SIM, umožňuje operátorovi siete dokonalú kontrolu služieb poskytovaných

účastníkovi a všetkých funkcií zaisťujúcich bezpečnosť prenosu. Naviac, účastník

môže svoju SIM kartu použiť vo viacerých mobilných staniciach, čo sa niekedy

označuje ako „SIM Roaming".

[1], [2], [3], [4], [5]

1.4.3 GSM služby

GSM ponúka tri druhy služieb:

nosné služby

teleslužby

doplnkové služby

Rozdiel medzi nosnou službou a teleslužbou je znázornený na nasledujúcom

obrázku.

TE GSM GSMTranzitná siet TE

Teleslužby

Nosné služby

Obr. 1.7: Definícia nosnej služby a teleslužby



Nosné služby sú čisto transportné služby. Jedná sa o tieto služby:

prenos dát na princípe prepojovania kanálov

prístup ku sieti s paketovým prepojovaním

prenos dát na princípe prepojovania kanálov

reč, reč spolu s dátami

digitálny prenos dát

Nosné služby môžeme rozdeliť na:

transparentné

netransparentné

Pri transparentných službách prenosový kanál pracuje s konštantnou prenosovou

rýchlosťou, konštantným oneskorením a premenlivou chybovosťou. Pri

netransparentných službách sa garantuje nízka chybovosť (10-4), nie je však

konštantné oneskorenie ani prenosová rýchlosť.

Teleslužby sú definované medzi koncovými zariadeniami TE a sú vytvorené na

nosných službách. Rozlišujeme teleslužby: povinné E (Essential), prídavné A

(Additional) a služby ďalej sa rozvíjajúce FS (Further Study). E služby musia byť

ponúkané GSM sieťovým prevádzkovateľom. A služby sú voliteľné a FS služby nie sú

ešte úplne špecifikované. E služby sú rozdelené do troch zavadzacích fáz E1, E2, E3.

Sú to nasledovné služby:

telefónna služba (E1), najdôležitejšia služba

telefónna služba s núdzovým volaním (E1), v Európe realizovaná číslom 112.

Je to jediná služba, ktorá sa realizuje bez SIM karty. Spojenie je vybudované

automaticky s vysokou prioritou v sieti a dobrou kvalitou spojenia

služby krátkych správ SMS (E3)

teletex (A)

telefax triedy 3 (E2)

Medzi doplnkové služby patria napr.:

oznámenie volania na displeji (alebo potlačenie)



presmerovanie volania

prepínanie medzi dvoma spojeniami

opakovanie volania (keď nie je žiadna odpoveď/keď MS nie je dosažiteľná)

konferenčné spojenie

uzavretá užívateľská skupina CUG (Closed User Group)

zablokovanie odchádzajúcich spojení, napr. do zahraničia

na poplatok vzťahované doplnkové služby

zablokovanie určitých prichádzajúcich spojení

atď.

[1], [3], [4]

1.5 Systém UMTS

1.5.1 História UMTS

Systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) je predstaviteľom

tretej generácie (3G) mobilných sietí v európskom priestore. Štandardizácia začala

už v roku 1990 pod vedením ETSI. Bolo potrebné zvoliť vhodné bezdrôtové

rozhranie, špecifikovať nové služby a zosúladiť technológie tak, aby vyhovovali

požiadavkam, ktoré boli stanovené v rámci programu IMT-2000. Hlavné požiadavky

na siete 3G sú:

integrovať funkcie existujúcich sietí

integrovať rôzne služby do jednej siete

používať jednotné číslo účastníka nezávisle od siete a poskytovateľa

umožniť používať rôzne terminály s prístupom

vysokorýchlostné komunikačné služby a asymetrické dátové prenosy

podpora pre nespojité a spojité dátové prenosy

nové modely účtovania

vyššia kapacita siete a nové technológie pre ďalšie rozširovanie siete

podpora pre simultánne dátové a hlasové prenosy



V začiatočných fázach vývoja UMTS rozširovalo 2G sieť GSM. V súčasnosti je

zamerané na IP jadro siete, zdokonaľovanie prenosových techník, zvyšovanie

prenosovej rýchlosti a na nové služby. Od roku 1998 prebrala vedenie

štandardizácie skupina 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

Tak ako vývoj systému GSM aj vývoj systému štandardu UMTS sa delí na obdobia.

Tie sú prezentované vydaniami (release):

Release 99:

Bol uzatvorený v roku 2000 a špecifikuje bezdrôtový prístup cez UTRA FDD.

Jadro systému zostalo zachované – GSM/GPRS. Predstavuje nasadenie

prístupovej metódy CDMA (Code Division Multiple Access), pri ktorej

jednotliví užívatelia využívajú celú prenosovú kapacitu.

Release 4:

Bol zameraný na zdokonalenie služieb.

Release 5:

Priniesol zmeny jadra siete prechodom na protokol IP. Okrem paketového

a spojovo orientovaného prenosu pridáva protokol IPv4 (IMS – IP Multimedia

Subsystem). Zvyšuje rýchlosť paketových prenosov zavedením technológie

HSDPA (High Speed Download Packet Access).

Release 6:

Zameriaval sa na zvýšenie prenosovej rýchlosti a kapacity siete a na nové

aplikácie. Pokračoval v technológii HSDPA. Novinkou bol HSPUA (High Speed

Packet Upload Access) pre významné zrýchlenie vysielania v uplink smere

a tiež MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) pre jednosmernú

distribúciu z jedného zdroja do viacerých terminálov. Obsahoval aj generické

užívateľské profily, núdzové hovory v IP sieti a pod.

Release 7:

Vylepšuje bezdrôtovú časť siete a jadro siete, zvyšuje prenosovú rýchlosť

a kapacitu, podporuje real-time služby ako napr. VoIP, interaktívne hry,

zavádza Multiple Input Multiple Output (MIMO), rozširuje IMS smerom

k multimediálnej telefónii a pod.



Skupina 3GPP aj naďalej pracuje na mnohých vylepšeniach siete. Hlavná snaha je

na zvýšení prenosovej rýchlosti (až smerom k 100 Mbps pre downlink a 50 Mbps

pre uplink) a znížení oneskorenia.

[1], [2], [3], [4]

1.5.2 Architektúra UMTS

Jedným z hlavných cieľov UMTS je integrovať všetky druhy mobilných sietí do

jednej univerzálnej mobilnej siete. To znamená od malých domácich pikosietí

(Bluetooth, DECT), privátnych rádiových sietí, sietí v školách, nemocniciach, úradoch

a obchodných centrách (W-LAN), cez verejné mobilné komunikačné siete až po

satelitné mobilné komunikačné siete. Umožní to hierarchická štruktúra buniek (obr.

1.8).

Obr. 1.8: Hierarchická štruktúra buniek zabezpečujúca globálne pokrytie

Domáce bunky – pokrývajú jednotlivé domácnosti, miestnosti a úrady. Ich

rozmery budú desiatky metrov a budú realizované v spolupráci

s technológiami Bluetooth a DECT. Majú slúžiť na pripojenie domácich

spotrebičov, počítačov k internetu a k sieti UMTS, čo umožní ich ovládanie

a prehodenie z domácej bezšnúrovej linky na mobilnú linku bez prerušenia,

pri vzdialení sa z dosahu počas komunikácie.

Pikobunky – sú určené na pokrytie obchodných centier, nemocníc, škôl,

úradov a rôznych malých priestorov. Ich polomer bude do 100 metrov a budú



realizované v spolupráci s DECT a W-LAN. Zabezpečia pripojenie firiem,

úradov, súkromných LAN do UMTS a tiež prehodenie zo systému DECT do

mobilného systému bez prerušenia, ako v prípade domácich buniek.

Mikrobunky - bunky v mestách a husto osídlených oblastiach s polomerom

podľa potreby, okolo 500 - 1000 metrov. Zabezpečia úplné pokrytie týchto

oblastí.

Makrobunky - zabezpečia pokrytie okrajových častí miest a vidieka. Počíta

sa s rozmermi od 3 do 8km.

Megabunky - majú slúžiť ako doplnok k celému systému, v lokalitách

s extrémne nízkou hustotou osídlenia, kde sa operátorom neoplatí budovať

svoje siete.

V krajinách patriacich do CEPT je celé spektrum IMT-2000, navrhnuté ITU

odporúčaním. Pre pozemný prístup do UMTS sú určené pásma 1900 – 1980 MHz,

2010 – 2025 MHz a 2110 – 2170 MHZ čo spolu tvorí 155 MHz. Pre satelitný prístup

do siete sú určené pásma 1980 – 2010 MHz a 2170 – 2200 MHz čo dáva 60 MHz.

Celé spektrum IMT-2000 v rôznych častiach sveta je na obr. 1.9.

Obr. 1.9: Spektrum IMT-2000 v rôznych častiach sveta



UMTS sieť je logicky rozdelená na sieť rádiového prístupu (Rádio Access Network

-RAN) a na základnú sieť (obr. 1.10). Základná sieť je ďalej rozdelená na časť

paketovo prepájaných služieb a časť okruhovo prepájaných služieb. UTRAN je

definovaná ako prístupová sieť do UMTS a pozostáva z riadiacej jednotky RNC

(Radio Network Controller) a z uzlov B (Node B).

BTSBTS

BTSBTSMSMS

MSMS

MSMS

BSCBSC

MSC / VLRMSC / VLR GMSCGMSC

SGSSGS GGSGGS

Node BNode B

Node BNode BMSMS

MSMS

MSMS

RNCRNC

UTRAN

GSM BSS HLR

Packet

Circuit

PSTN/ISDN

PLMS

INTERNET

Radio Access Network UMTS Core Network založená na GSM/GPRS

Obr. 1.10: Architektúra systému UMTS

Systém UMTS využíva techniku širokopásmového kódového multiplexu WCDMA

(Wideband Code Division Multiple Access) pre párové kanály s frekvenčným

duplexom FDD a techniku časovo deleného kódového multiplexu TD-CDMA (Time

Division Code Division Multiple Access) pre nepárové kanály s časovým duplexom

TDD.

FDD pracuje s tzv. duplexným párom. To znamená, že sa využívajú dva frekvenčné

kanály, jeden pre downlink a jeden pre uplink. Na jeden obojsmerný komunikačný

kanál je potrebná šírka pásma 10 MHz. Štruktúra rámcov pre v FDD koncepcii je

odlišná pre vzostupný a zostupný smer. TDD využíva na uplink aj downlink iba jeden

frekvenčný kanál a preto na obojsmernú komunikáciu stačí šírka pásma 5 MHz. Táto

technika umožňí efektívne využívať spektrum, ak je v niektorej oblasti väčší dopyt

po prenose jedným smerom (typické pri službe WWW).

[1], [3], [4]



1.5.3 UMTS služby

UMTS ponúka teleslužby (ako hlas alebo SM) a nosné služby, ktoré sú orientované

na spojenia bod – bod alebo bod – viac bodov. Nosné služby majú rôzne QoS (Quality

of Service) paramete pre maximálne oneskorenie, kolísanie oneskorenia a bitovú

chybovosť. Ponúkané prenosové rýchlosti sú 144 kbps pre satelitné rádiové

a vidiecke prostredie, 384 kbps pre husto zaľudnené oblasti a 2048 kbps na pokrytie

miestností, úradov a pomaly sa pohybujúcich terminálov.

UMTS sieťové služby majú štyri rozdielne QoS triedy:

konverzačná trieda (hlas, video telefónia)

prúdová trieda (multimédiá, video na vyžiadanie)

interaktívna trieda (prezeranie web stránok, sieťové hry, prístup

k databázam)

trieda služieb na pozadí (elektronická pošta, SMS)

Systém UMTS priniesol rapídne zvýšenie prenosových rýchlostí a s tým súvisiacu

zmenu služieb smerom k vyššej flexibilite zo strany operátorov ale aj zo strany

tretích strán – poskytovateľov služieb. Medzi bežne dostupné služby by sa malo

zaradiť určovanie polohy, prenos reči paketovou sieťou (VoIP), multimediálne

správy a odkazové schránky, multimediálne portály a rôzne iné služby, ktoré budú

obmedzované hlavne možnosťami koncových zariadení.

Identifikácia v sieti UMTS je možná číslom (menom) a adresou. Adresa sa používa

na smerovanie dát a signalizácie a číslo na jednoznačné označenie užívateľa.

Adresovanie sa bude vyznačovať nasledujúcimi vlastnosťami:

možnosť volať užívateľa zadaním mena, funkcie, značky v inzerátoch

a inými znakovými výrazmi, pod ktorými je užívateľ zaregistrovaný

v databáze siete

viac logických mien (čísel), ktoré sa budú dať samostatne konfigurovať

prezentácia čísla podľa použitého čísla

prenositeľnosť čísel niektorých číslovacích schém aj pri roamingu

skupinové volania pod jedným heslom



služby tretích strán budú prístupné pomocou hesla

možnosť radšej volať terminál, ako osobu

užívateľ môže mať pridelenú aj svoju internetovú adresu

bude možné volať účastníka zadaním jeho e-mailovej adresy, ak nepoznám

číslo, alebo opačne, mailovať na jeho telefónne číslo

jednotné číslo pre viaceré funkcie

prenositeľnosť užívateľského čísla medzi jednotlivými PLMN v danej krajine

UMTS bude schopné spolupracovať s mnohými číslovacími a adresovacími

schémami, ako napr. E.164, E.168, E.212, X.121, IP adresy a pod.

[1], [3], [4]

1.6 Kanálové kódovanie

Metódy kanálového kódovania sa označujú aj ako metódy priamej korekcie chýb –

FEC (Forward Error Correction). Všetky metódy FEC sú založené na princípe

zakódovania prenášaných dát vložením určitej redundantnej informácie, na základe

ktorej prijímač, ktorý pozná túto redundantnú informáciu, dokáže detekovať alebo

aj korigovať chyby vnesené do prenášaných dát pri prenose kanálom.

Najjednoduchšia metóda FEC je opakované vysielanie dát po zistení chyby. V

súčasných mobilných rádiových sieťach sa najviac uplatňujú metódy FEC založené

na využití kanálových kódov. Kanálové kódy, ktoré sú schopné chyby len detekovať,

sa nazývajú detekčné kódy, kódy schopné chyby aj opraviť sú korekčné kódy.

Poznáme dve základné skupiny detekčných a korekčných kódov - blokové kódy a

konvolučné kódy. Blokové kódy sú FEC kódy, ktoré umožňujú detekovať a korigovať

obmedzený počet chýb bez opakovaného vysielania dát. V blokových kódoch sú

pridané paritné bity k blokom informačných bitov, čím sa vytvoria tzv. kódové slová

alebo bloky. Pri konvolučnom kódovaní nie je informačná postupnosť delená do

blokov a kódovaná ale je priamo „mapovaná" do súvislej kódovej postupnosti.

Konvolučné kódovanie sa začalo používať hlavne v digitálnych mobilných rádiových

sieťach ako časť zreťazeného kódovania. Kanálové kódovanie vnáša redundanciu do

prenášanej informácie, čo znamená nárast prenosovej rýchlosti v kanáli a teda aj



zväčšenie požadovanej šírky frekvenčného pásma (napr. v sieti GSM je to zväčšenie

prenosovej rýchlosti rečového signálu z 13 kbps na 22,8 kbps). Konvolučné

kódovanie je doplňované prekladaním (interleaving), ktoré dokáže účinne korigovať

zhlukové chyby.

V prípade prenosu dát (paketov) nesmie dôjsť ku strate paketu a systém používa

metódu automatického opakovania prenosu ARQ (Automatic Request for

retransmission), ktorá sa označuje ako hybridná metóda ARQ - HARQ. Na kontrolu

správnosti prenosu sa používa metóda kontrolného súčtu CRC (Cyclic Redundancy

Check). Ak kontrolný súčet súhlasí, pokračuje prenos ďalším dátovým blokom. V

opačnom prípade sa prenesie zodpovedajúci paritný blok. Táto metóda sa nazýva

prírastok redundancie (Incremental Redundancy). Podstata metódy je teda vo voľbe

takého kódového pomeru, ktorý zabezpečí prenos dátového bloku bez chýb.

Mechanizmus ARQ pracuje s dvomi základnými metódami:

Selektívne opakovanie (Selective Repeat - SR)

Stoj a čakaj (Stop and Wait - SAW)

Metóda selektívneho opakovania pracuje tak, že opakovane sú vysielané len

chybné bloky. Na identifikáciu bloku je potrebné číslo bloku. Pri kombinácii SR

a HARQ, prijímač musí uchovať chybné bloky, ktoré použije pri kombinovaní, čiže

nároky na kapacitu pamäte môžu byť veľké a súčasne musí poznať číslo dátového

bloku, ktorý má byť kombinovaný s opakovane vyslaným blokom. Číslo bloku musí

byť kódované oddelene a musí byť zabezpečené kvalitným FEC kódom. Metóda Stoj

a čakaj je najjednoduchšia metóda ARQ vyžadujúca veľmi malú doplnkovú

informáciu. Vysielač opakovane vysiela daný dátový blok, kým nie je správne prijatý.

Na potvrdenie úspešnosti, resp. neúspešnosti prenosu sa vysiela 1 bitová informácia

- potvrdené (ACK), resp. nepotvrdené (NACK). Základná nevýhoda tejto metódy

spočíva v tom, že po každom prenose musí vysielač čakať na potvrdenie úspešnosti

prenosu.

[1], [4], [6]



2 TELEMETRIA

Názov telemetria sa pôvodne používal na označenie merania na diaľku z veľmi

vzdialených pohyblivých objektov rádiovými signálmi – bezdrôtovým prenosom.

V súčasnosti sa názvom telemetria označuje meranie rôznych elektrických

a neelektrických veličín a prenos nameraných veličín na ľubovoľnú vzdialenosť.

S EO

V

P

Z

ZP

y1

A

y2

VP

P

P

Z

ξ

y3 y3`

PP OP

y4 y5

PC

Obr. 2.1: Všeobecná schéma telemetrického systému

Všeobecná schéma telemetrického systému je na obr. 2.1. Meraná veličina A je vo

vysielacom prevodníku, ktorý sa skladá zo snímača S a elektronického obvodu EO,

transformovaná na signál y2. Ten sa ďalej transformuje vo vysielacom prenosovom

zariadení VPZ na signál y3, ktorý je vhodný na prenos prenosovou cestou PC.

Vplyvom porúch ξ zo zdroja porúch ZP môže na prenosovej ceste dôjsť k zmene

signálu y3 na signál y3´. Ten potom vstupuje do prijímacieho prenosového

zariadenia PPZ. Prijatý a upravený signál y4 je privedený na vstup prijímacieho

prevodníka PP, ktorého výstupom je signál y5 upravený na podobu vhodnú na

indikáciu stavu meranej veličiny A, na odčítavacom prístroji OP.

Telemetria je najčastejšie využívaná v priemyselných aplikáciách pri kontrole

a riadení procesov, pri zbere dát z vysunutých pracovísk na diaľku. V súčasnosti sa

ale objavujú aj aplikácie pre domáce využitie pre širšiu verejnosť. Ide hlavne o rôzne

aplikácie na ochranu majetku, aplikácie včasného varovania a mnohé iné.

[7]



3 ANALÝZA JEDNOTLIVÝCH ŠTANDARDOV

PRENOSU DÁT

V digitálnych prenosových sieťach, ako je aj GSM majú rečové a dátové prenosy

rozdielne a niekedy aj protichodné požiadavky na prenosový kanál. Rečové aplikácie

sú zamerané na kvalitu hovoru a preto je potrebné zabezpečiť prenos signálu

s minimálnym oneskorením. Oneskorenie väčšie ako 100 ms je neprípustné a pri

paketovom prenose by chybovosť nemala byť väčšia ako 10-2. Pre nekódovaný

prenos dát je povolená bitová chybovosť rádu 10-5, ale nie je prípustná strata

paketov.

Dôsledkom rozdielnosti v požiadavkách na rečové a dátové prenosy sú aj rozdiely

v architektúre rečových a dátových sietí. Pre potreby rečových aplikácií sa používajú

siete s prepojovaním okruhov a dátové siete pracujú s prepojovaním paketov.

[2]

3.1 CSD (Circuit Switched Data)

Najstarším typom prenosu dát v sietach GSM je prenos CSD. Je to základný typ

nepaketového prenosu, ktorý vychádza z prenosu hlasu.

Štandard GSM využíva na zabezpečenie viacnásobného prístupu kombináciu

FDMA a TDMA, pričom na jednom nosnom signáli je vytvorených 8 časových okien.

Počas trvania časového okna sa prenášajú informácie v blokoch, ktoré majú pevne

stanovenú štruktúru. Používa sa 5 typov blokov s dĺžkou 156,25 bitov čo pri

prenosovej rýchlosti zodpovedá 0,577 ms, resp. 1733 blokov za sekundu. Počas

prebiehajúceho spojenia sa väčšinou vysiela „normálny“ blok (obr. 3.1).



1 2 3 4 5 6 70

3 57 1 357126

TDMA rámec

8,25

koncové

bity

koncové

bity

nastavovacia

postupnosťdátadáta

Obr. 3.1: „Normálny“ dátový blok

Základnou časťou je 114 bitov (2 x 57) vyhradených na prenos dát, na základe

ktorých sa vytvárajú logické prenosové kanály (TCH – Traffic Channel) na prenos

rečových signálov alebo signalizačné kanály (CCH – Control Channel). Vzhľadom na

použitý spôsob kódovania je z celkového počtu 156,25 b v jednom bloku k dispozícii

na prenos užitočných dát len 37 % (57 b). Zostávajúcich 63 % sa využije pri

kódovaní na zabezpečenie proti chybám, nastavovaciu postupnosť a ochranné

intervaly.

Ďalšou časťou je nastavovacia postupnosť, ktorá má 26 b. Slúži na presné

zosynchronizovanie blokov a na posúdenie impulzovej odozvy kanála. Ochranný

interval, ktorý nasleduje po odvysielaní bloku, má dĺžu 30,5 µs (8,25 b) a je

nevyhnutný k tomu, aby nedochádzalo k vzájomnému rušeniu alebo prekrytiu

blokov rôznych vysielačov.

Na fyzické kanály sa vhodným spôsobom „mapujú“ logické kanály ktoré delíme na

(obr. 3.2) :

prevádzkové kanály (TCH)

signalizačné kanály (CCH)



Logické kanály

Prevádzkové kanály TCH

(Traffic Channel)

Signalizačné kanály CCH

(Control Channel)

TCH/H

TCH/HS

TCH/H4.8

TCH/H2.4

TCH/F

TCH/FS

TCH/F9.6

TCH/F4.8

TCH/F2.4

BCH

FCCH

BCCH

SCH

CCCH

RACH

PCH

AGCH

DCCH

SDCCH

SACCH

FACCH

CBCH

Obr. 3.2: Rozdelenie logických kanálov

Prevádzkové kanály sú určené na prenos účastníckych dát a môžeme ich rozdeliť

na dve podskupiny TCH/F a TCH/H. Kanály umožňujúce prenos plnou rýchlosťou

TCH/F sú určené na prenos kódovaného rečového signálu alebo dát. Kanál TCH/FS

je určený na prenos rečového signálu s tokom dát 22,8 kbps. Kanály TCH/F9.6,

TCH/F4.8 a TCH/F2.4 sú určené na prenos dát príslušnými rýchlosťami. Podobne aj

kanály TCH/HS (11,4 kbps), TCH/H4.8 a TCH/H2.4 s polovičnou rýchlosťou.

Signalizačné kanály CCH sú určené na prenos riadiacich a informačných údajov,

ktoré sú potrebné na zostavenie a udržanie spojenia, aktualizáciu databáz a pod.



Podľa použitia tieto kanály rozdeľujeme na kanály systémových informácií BCH,

kanály všeobecného riadenia CCCH a vyhradené riadiace kanály DCCH.

Dátový prenos CSD funguje na princípe prepojovania okruhov a to znamená, že

medzi odosielateľom a prijímateľom dát vzniká súvislá prenosová cesta

s vyhradenou prenosovou kapacitou. Ako z vyššie uvedeného vyplýva, na prenos dát

sa využívajú kanály TCH/F9.6, TCH/F4.8 a TCH/F2.4 a im odpovedajúce prenosové

rýchlosti 9,6 kbps, 4,8 kbps a 2,4 kbps. Využívaná je samozrejme najvyššia hodnota.

Prax ale ukázala, že prenosy dát v sieti GSM nie sú tak citlivé na chybovosť ako

vysokokomprimovaný hlas a že je teda možné pozmeniť kanálové kódovacie

mechanizmy takým spôsobom, aby sa dosiahlo zvýšenie prenosovej rýchlosti

„čistého“ dátového toku. Týmto spôsobom sa podarilo zvýšiť povodnú rýchlosť 9,6

kbps na 14,4 kbps. Prenosy s touto prenosovou rýchlosťou ale vyžadujú kvalitnejší

signál. Ako ukazuje graf 3.1, so zhoršujúcim sa signálom vo väčších vzdialenostiach

od základňovej stanice sa využiteľnosť týchto prenosov znižuje. Markantnejšie je to

práve v prípade varianty prenosu rýchlosťou 14,4 kbps. V okrajových častiach bunky

dochádza k podstatnému zníženiu rýchlosti v dôsledku väčšieho počtu chýb pri

prenose.

1009080706050

3

6

9

12

15

kbps

vzdialenosť od stredu bunky v %

14,4 kbps

9,6 kbps

Graf 3.1: Závislosť priepustnosti na vzdialenosti od stredu bunky

V systéme GSM môžeme rozlíšiť niekoľko bezpečnostných prvkov pre

autentizáciu užívateľa a zabezpečenia jeho komunikácie proti odpočúvaniu na

rádiovom rozhraní. Bezpečnostné mechanizmy sú implementované na strane



užívateľa pomocou SIM karty a mobilného zariadenia aj na strane GSM siete, kde je

autorizačné centrum hlavou bezpečnostnou zložkou.

GSM sieť zabezpečuje utajenie prenášaných dát šifrovaním v prevádzkových aj

signalizačných kanáloch. Zabezpečovací mechanizmus sa realizuje pomocou

algoritmov (A), kľúčov (K), náhodných čísel (RAND) a predpísaných odpovedí

(SRES). Citlivé informácie, ako sú kľúče a algoritmy sa nikdy neprenášajú rádiovým

rozhraním. Autorizačné kľúče a algoritmy sú uložené v SIM karte.

Autorizácia užívateľa je realizovaná prostredníctvom mechanizmu challenge-

response (výzva-odpoveď). Autentizačné centrum vygeneruje náhodné číslo RAND

s dĺžkou 128 bitov. Mobilná stanica na základe tohto čísla vypočíta odpoveď SERS

s dĺžkou 32 bitov. Na vygenerovanie SERS použije autentizačný algoritmus A3, pre

ktorý sú vstupom overovací kľúč K1 užívateľa a RAND. Výsledná SERS je potom

zaslaná do autorizačného centra na overenie. Autorizačné centrum má k dispozícii

rovnaký algoritmus a na základe IMSI účastníka overí správnosť prijatej SERS. Takto

je mobilná stanica autorizovaná alebo odmietnutá.

Podobný proces prebieha pri šifrovaní. Šifrovacie algoritmy sú implementované

v mobilnej stanici a na strane siete. Keďže je potrebné aby šifrovanie prebiehalo

v reálnom čase počas hovoru alebo prenosu dát, musí byť realizácia výkonná.

Náhodné číslo RAND je vstupom aj pre algoritmus A8. Pomocou tohto čísla

a overovacieho kľúča K1, algoritmus A8 vygeneruje 64 bitový šifrovací kľúč KC.

Na šifrovanie prenášaných dát sa používa algoritmus A5. Je štandardizovaný

a špecifikácia tohto algoritmu je k dispozícii výlučne dodávateľom systémov,

operátorom sietí a výrobcom mobilných staníc. Algoritmus nie je zaznamenaný

v SIM karte ale v mobilnom zariadení. Aktivovanie procesu šifrovania sa začína zo

strany siete odoslaním povelu CCMM (Cyphering Command Mode Message)

mobilnej stanici. Vstupnými parametrami pre A5 algoritmus sú šifrovací kľúč KC (64

b) a poradové číslo rámca TDMA (22 b). Na základe týchto parametrov sa pomocou

A5 generuje každých 4,615 ms náhodná postupnosť 114 b.



A8

A5

A8

A5

+ +

K1 K1

KC KC

RAND RAND

SIM karta Sieť

Číslo rámca

TDMA

Číslo rámca

TDMA

Dáta Dáta

Rádiový

spoj

Mobilná

stanica

Autorizačné

centrum

Obr. 3.3: Šifrovanie pri prenose dát

Na strane vysielača sú dáta určené na zašifrovanie sčítané modulo 2 s touto

pseudonáhodnou postupnosťou. Na prijímacej strane je použitá rovnaká

postupnosť, pomocou ktorej sa prijaté dáta dešifrujú. Keďže číslo rámca môže

nadobúdať hodnoty od 0 do 2 715 647, môže dôjsť k zopakovaniu pseudonáhodnej

postupnosti približne po 209 minútach.

[1], [2], [3], [6]

3.2 Štandard GPRS (General Packet Radio Service)

Technológia GPRS priniesla do dátového prenosu zásadnú zmenu. Namiesto

prepojovania okruhov je použité prepojovanie paketov. To zlepšilo zlučiteľnosť so

sieťami LAN, WAN a s internetom. Sieť GPRS využíva rádiové zdroje len vtedy, ak

majú byť zaslané alebo prijaté dáta a poskytuje okamžité spojenie a vysoký stupeň

priepustnosti. Hlavným cieľom siete GPRS je ponúknuť prístup k štandardným

dátovým sieťam pracujúcim s protokolom TCP/IP. GPRS sieť je vlastne ich

podsieťou.



GPRS vyžaduje zmeny v architektúre siete GSM. Tá je rozšírená o nové sieťové

prvky. Prvým sú podporné uzly SGSN (Serving GPRS Support Node), ktoré

zabezpečujú komunikáciu medzi rádiovou časťou siete a dátovými uzlami GGSN.

Druhým novým prvkom sú podporné brány GGSN (Gateway GPRS Support Node),

ktoré pracujú ako smerovače dátových paketov medzi GPRS sieťou a vonkajšou

sieťou. Ďalšie nové prvky sú chrbtica GPRS, servisné centrum PTM SC (Point-to-

Multipoint Service Centrum) a entita PCU (Packet Control Unit), ktorá riadi prenos

GPRS cez rádiové rozhranie (obr. 3.4).

BTSBTS

BTSBTS

MSMS

MSMS

MSMS

BSC + PCUBSC + PCU

VLR EIR HLR GR

SGSNSGSN

GGSNGGSN

MSCMSC

PSTN

ISDN

PMLS

IP NETWORK

PTM SCPTM SC

Obr. 3.4: Architektúra siete GPRS

Štandard GPRS používa na zvýšenie prenosovej rýchlosti metódu zlučovania

časových okien. Tento štandard umožňuje zlúčiť 8 časových okien, čo predstavuje

max. prenosovú rýchlosť 170 kbps pre zostupný smer, resp. 154 kbps pre vzostupný

smer. Štandard GPRS vlastne využíva voľnú kapacitu rečových kanálov GSM počas

spojenia. GPRS používa fyzický kanál nazývaný multirámec 52, ktorý je tvorený

dvomi riadiacimi multirámcami 26 siete GSM. Riadiace a dátové kanály paketového

prenosu sú mapované do rôznych časových okien multirámca 52, ktorý trvá 240 ms.

V režime s viacerými časovými oknami môže byť mobilnej stanici pridelených až 8

časových okien v ľubovoľnom rámci ktoréhokoľvek z 12 blokov. V danej bunke

môžu byť vytvorené až 4 páry kanálov (vzostupný/zostupný smer) v multirámci 52,

mapované na 4 rôzne frekvenčné páry. Prenos je realizovaný paketovým spôsobom,

pričom jednotlivé pakety sa označujú ako RLC bloky. Prenos je paketový a jeden

paket má veľkosť 57 bajtov, ktoré je možné preniesť pomocou 4 časových okien (4 x



114b = 57 B). Celkovo je v multirámci 52 vytvorených 48 x 8 = 384 okien. V týchto

oknách je možné preniesť 5 184 B za 240 ms, čo predstavuje prenosovú rýchlosť

173 kb/s. V skutočnosti ide o prenos dát združených do datagramov po 1 500 B. Na

prenos datagramu je potrebných 1 500 / 54 = 28 paketov, t. j. 28 x 4 = 112 okien. Pri

plnej prenosovej kapacite (8 okien/rámec) sa prenesie 384 /112 = 3,4 datagramu,

t. j. 5 100 B / 240 ms = 170 kb/s.

Kvôli zaisteniu správnej funkcionality paketovo orientovaných prenosov boli

pridané nové logické kanály:

paketový spoločný riadiaci kanál PCCCH – obsahuje logické kanály spoločnej

riadiacej paketovej signalizácie

paketový náhodný prístupový kanál PRACH – pre vzostupný smer

paketový vyhľadávací kanál PPCH – pre zostupný smer

paketový kanál povolenia prístupu PAGCH – pre zostupný smer

paketový kanál vysielania informácií PBCCH – pre zostupný smer

paketový dátový prevádzkový kanál PDTCH – určený na prenos dát, je

jednosmerný pre upload alebo download

paketový priradený riadiaci kanál PACCH pre prenos signalizácie pre

mobilnú stanicu

V režime s viacerými časovými oknami môže byť mobilnej stanici pridelených až

8 časových okien. V danej bunke môžu byť vytvorené až 4 páry kanálov mapované

na 4 rôzne frekvenčné páry. Na základe kvality signálu môže byť vybraná jedna

z kódovacích schém CS s príslušnou prenosovou rýchlosťou (tab. č. 3.1). Táto

rýchlosť však z pohľadu účastníka nemôže byť nikdy dosiahnutá, pretože ide

o rýchlosť vo fyzickej vrstve. Reálna prenosová rýchlosť je nižšia.



Kódovacia schéma

Prenosová rýchlosť [kbps]

1 slot

2 sloty

3 sloty

4 sloty

5 slotov

6 slotov

7 slotov

8 slotov

CS – 1 9,05 18,2 27,15 36,2 45,25 54,3 63,25 72,4

CS – 2 13,4 26,8 40,2 53,6 67 80,4 93,8 107,2

CS – 3 15,6 31,2 46,8 62,4 78 93,6 109,2 124,8

CS – 4 21,4 42,8 64,2 85,6 107 128,4 149,8 171,2

Tab. 3.1: Prenosové rýchlosti pre jednotlivé kódovacie schémy

Rôzne druhy dátových prenosov môžu mať rôzne požiadavky na kvalitu prenosu.

GPRS preto ponúka rôzne úrovne kvality služieb (QoS) v týchto oblastiach:

priorita – má definované tri úrovne: vysoká, stredná a nízka

spoľahlivosť – má definované tri triedy, ktoré definujú určité kombinácie

pravdepodobnosti, že dôjde k stráte paketu, k prijatiu duplikátu,

k poškodeniu paketu alebo že bude doručený mimo poradia (tab. 3.2)

oneskorenie – má definované štyri triedy závislé na priemernom

oneskorení na oneskorení 95% prenášaných paketov pre rôzne dĺžky

paketov (tab. 3.3)

priepustnosť – je definovaná maximálna a stredná prenosová rýchlosť

Trieda

Pravdepodobnosť (1 výskyt na uvedený počet prípadov)

Strata paketu Duplikát Mimo poradia Poškodený

paket

1 109 109 109 109

2 104 105 105 106

3 102 105 105 102

Tab. 3.2: Triedy spoľahlivosti v GPRS



Trieda

Paket 128 bytov Paket 1024 bytov

Stredná hodnota

oneskorenia

Oneskorenie

95% paketov

Stredná hodnota

oneskorenia

Oneskorenie

95% paketov

1 < 0,5 s < 1,5 s < 2 s < 7 s

2 < 5 s < 0,5 s < 15 s < 75 s

3 < 50 s < 250 s < 75 s < 375 s

4 negarantované negarantované negarantované negarantované

Tab. 3.3: Triedy garantovaného oneskorenia

Na základe týchto tried sa pri prenose nastavia požadované parametre. Pri

pripojení mobilnej stanice do vonkajšej siete (napr. internet) musí stanica získať IP

adresu. Tá môže byť prideľovaná dynamicky alebo staticky. Potom sa mobilná

stanica stáva uzlom vonkajšej siete.

Zariadenia na príjem dát cez GPRS delíme podľa počtu slotov, ktoré dokáže

zariadenie potenciálne použiť pre príjem a posielanie dát do tried (tab. 3.4) a taktiež

podľa schopnosti zariadenia pracovať s hlasom a dátami na tzv. classes.

Class A – zariadenie dokáže pracovať s hlasom a prenášať dáta súčasne.

Class B – zariadenie dokáže pracovať s hlasom aj dátami ale nie súčasne. Pri

realizácii hovoru sa prenos GPRS pozastaví a obnoví sa po jeho skončení.

Class C – zariadenie pracuje iba s GSM alebo GPRS, nikdy nie súčasne.



Trieda Downlink

sloty Uplink sloty

Maximálny počet slotov

1 1 1 2

2 2 1 3

3 2 2 3

4 3 1 4

5 2 2 4

6 3 2 4

7 3 3 4

8 4 1 5

9 3 2 5

10 4 2 5

11 4 3 5

12 4 4 5

Tab. 3.4: Triedy zariadení GPRS zariadení

[1], [2], [3], [4], [6], [8]

3.3 Štandard EDGE (Enhaced Data Rates for GSM Evolution)

Štandard EDGE, ktorý vyvinula firma Ericsson vychádza zo systému GSM a GPRS.

Zásadná zmena je v použití novej modulačnej techniky 8-PSK (8-Phase Shift Keying),

ktorou sú dáta pri dobrej kvalite signálu modulované. Pri menšej kvalite signálu sa

používa modulácia GMSK. Štandard EDGE dokáže pracovať s prenosmi prepojovania

okruhov (ECSD) ale aj s paketovo orientovanými prenosmi (EGPRS).

ECSD (Enhanced CSD) je pokračovaním technológií založených na prepojovaní

okruhov CSD a HSCSD. Pracuje na rovnakom princípe ale zvyšuje prenosovú

rýchlosť z 14,4 kbps na prenosové rýchlosti 28,8 kbps, 32,0 kbps a 43,2 kbps v rámci

jedného timeslotu. Pri využití 4 timeslotov sa dá dosiahnuť teoretická rýchlosť 172,8

kbps. Keďže však je táto technika neefektívna z hľadiska využitia kapacity, väčšina

operátorov a výrobcov zariadení ju neimplementovalo.



EGPRS (Enhanced GPRS) je rozšírením existujúceho GPRS a prináša možnosť

zvýšenia prenosovej rýchlosti. Teoretická maximálna prenosová rýchlosť pri využití

8 timeslotov a najvyššej kódovacej schémy je 473,6 kbps.

Technológia EGDE nevyžaduje zásadným spôsobom meniť architektúru siete.

Novým prvkom siete je iba transciever v BTS, ktorý zaisťuje 8-PSK moduláciu a nový

software. Zmenu si vyžiadali aj mobilné stanice. Tie sa podľa schopnosti pracovať

s rôznym počtom timeslotov delia na triedy rovnako ako zariadenia pre GPRS. Pri

zariadeniach pre EDGE je naviac rozdelenie podľa schopnosti zariadenia pracovať

s rôznymi modulačnými a kódovacími schémami (tab. 3.5).

Modulačná a kódovacia schéma

Modulácia Maximálna rýchlosť

v timeslote

MCS-1 GMSK 8,8 kbps

MCS-2 GMSK 11,2 kbps



MCS-5 8-PSK 22,4 kbps





Tab. 3.5: Modulačné a kódovacie schémy v EDGE

[9], [10], [11]

3.4 Štandard HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)

HSDPA je technológia mobilnej telefónie označovaná tiež ako 3,5G, ktorá bola

špecifikovaná v release 5 štandardu UMTS pre zvýšenie prenosovej rýchlosti

a kapacity. Momentálne HSDPA podporuje prenosové rýchlosti 1,8 Mbps a 3,6 Mbps

pre downlink. HSDPA je založený na niekoľkých inováciách architektúry siete, vďaka

ktorým dosahuje nižšie oneskorenie, rýchlejšie reakcie na zmenu kvality signálu

a spracovanie HARQ. Hlavné zmeny, ktoré prispievajú k zrýchleniu toku dát boli



vykonané na rádiovej časti siete. Ide o presunutie niektorých funkcií RNC na

základňové stanice Node B. Hlavne o riadenie prístupu na médium (Medium Access

Control). Vďaka tomu dáta prejdú kratšiu trasu pred tým, než sa dekódujú a zistí sa

ich stav pre prípadné opakovanie prenosu. Znižujú sa tým nároky na dobu prenosu.

HSDPA využíva dynamickú adaptívnu moduláciu a kódovanie, multikódové

operácie, rýchle plánovanie a opakované odosielanie na fyzickej vrstve. V HSDPA je

definovaný nový transportný kanál HS-DSCH (High Speed Downlink Shared CHanel),

ktorý dovoľuje niekoľkým užívateľom dynamicky zdieľať kapacitu siete. HS-DSCH

používa vysielací interval 2 ms a fixný faktor rozprestrenia 16, ktorý umožňuje

maximálne 15 paralélnych kódov pre signalizáciu a užívateľské dáta. HS-DSCH

podporuje modulácie QPSK a 16-QAM.

Rovnako ako u GPRS a EDGE aj zariadenia pre HSDPA sa delia do tried podľa

schopnosti pracovať s moduláciami a prenosovými rýchlosťami (tab. 3.6).

Trieda Max. počet HS-DSCH

kódov Modulácia Max. rýchlosť

1 5 QPSK a 16-QAM 1,2 Mbps










11 5 QPSK 0,9 Mbps

12 5 QPSK 1,8 Mbps

Tab. 3.6: Triedy zariadení pre HSDPA

[12], [13], [14]



3.5 Krátke textové správy - SMS (Short Message Service)

Služba krátkych textových správ (SMS) predstavuje mechanizmus na posielanie

krátkych alfanumerických správ cez mobilnú sieť. Prijatá textová správa sa zobrazí

na displeji mobilného zariadenia. Služba SMS je definovaná v GSM odporúčaní 03.40

a 03.41. GSM rozoznáva dva rozdielne typy krátkych správ:

Point-to-Point (PP)

Cell Broadcast (CB)

V prípade PP správ ide o klasickú SMS medzi dvoma mobilnými stanicami. Jedna

správa obsahuje max. 160 znakov v prípade 7 bitového kódovania a 70 znakov

v prípade 16 bitového kódovania. V súčasnosti je možné spojiť viacero správ do

jednej. BS správy sú odosielané bez určenia konkrétneho cieľa, na všetky dostupé

stanice v určitej bunke alebo lokalite. O tom či mobilná stanica takúto správu príjme

rozhoduje majiteľ nastavením zariadenia. Správy nesú informáciu o type správy,

o jazyku a obsahu. Tieto správy obsahujú max. 93 znakov pri 7 bitovom kódovaní.

Tieto správy sa neukladajú do pamäti mobilnej stanice ani v SMS centre ak je stanica

nedostupná. Takýto typ správ sa dá využiť najmä na dopravné informácie, kalamitné

informácie, informácie o počasí a pod.

Proces prenosu správ sa delí na dve časti: originating a terminating. Originating je

fáza prenosu správy medzi zdrojovou stanicou a servisným centrom. Terminating je

prenos správy zo servisného centra do cieľovej mobilnej stanice.

SCSMS-GMSC/

SMS-IWMSC

HLR

MSC MS

VLR

Obr. 3.5: Základná štruktúra siete pre prenos krátkych správ



Zdrojová stanica vytvorí správu, nastaví adresu (číslo) príjemcu, a dobu platnosti

správy a odošle ju do servisného centra (SC) svojej domovskej siete. Ak sa zdrojová

stanica nachádza v inej sieti správa sa odošle do SMS-IWMSC (SMS-Interworking

Message Switching Centrum) a to potom správu doručí do servisného centra. Po

prijatí správy sa servisné centrum pokúsi o doručenie správy do cieľovej stanice.

Pošle správu do SMS-GMSC (SMS-Gateway Message Switching Center) cieľovej siete,

kde sa z HLR zistí adresa Message Switching Centra (MSC) v ktorého dosahu sa

cieľová stanica nachádza. Správa potom putuje do príslušného MSC. Ak MSC zistí, že

cieľová stanica nie je v jej dosahu pošle správu späť. Ak sa cieľová stanica nachádza

v dosahu MSC, pomocou VLR zistí jej polohu a pokúsi sa jej správu doručiť.

V prípade neúspešného pokusu o doručenie správy, musí MSC uchovať až do

vypršania jej platnosti alebo do úspešného doručenia správy. Krátke správy sú

prenášané v riadiacich kanáloch, v ktorých majú nižšiu prioritu. Protokol na

posielanie krátkych správ nie je spojovo orientovaný a preto nie je možné zaručiť

čas ani poradie prijatých správ. Podporuje sa iba potvrdenie prijatia správy.

[2], [15], [16], [17]

3.6 Porovnanie základných parametrov jednotlivých druhov

prenosu telemetrických údajov

Medzi základné parametre mobilných sietí a štandardov na prenos dát, ktoré sú

dôležité z hľadiska možnosti využitia pre prenos telemetrických údajov, môžme

zaradiť oneskorenie, zabezpečenie, prenosovú rýchlosť a pokrytie signálom.

3.6.1 Oneskorenie

Oneskorenie v kontexte prenosu dát mobilnými sieťami môžme definovať ako čas

potrebný na doručenie informácií do cieľového miesta, alebo ako čas, ktorý uplynie

od zadania požiadavky až po prijatie odozvy. Meria sa v milisekundách a na jeho

zistenie v IP sieti sa najčastejšie používa ping. Na oneskorenie v sieti vplýva mnoho

faktorov ako sú zaťaženie siete, dĺžka trasy, rýchlosť spracovania signálov v sieti

a pod.



Z hľadiska oneskorenia môžme telemetrické systémy rozdeliť na kategóriu, ktorá

vyžaduje veľmi malé oneskorenie (radovo milisekundy) a kategóriu pre ktorú

hodnota oneskorenia nemá výrazný vplyv. Najcitlivejšie na oneskorenie sú niektoré

systémy priemyselného riadenia, niektoré aplikácie telemedicíny a podobne. Naopak

menej citlivé na oneskorenie sú systémy zberu údajov, niektoré systémy diaľkového

riadenia, prenosu správ a pod.

Dátové prenosy štandardom CSD sú ovplyvnené prenosom hlasu, je oneskorenie

nízke, radovo jednotky až desiatky milisekúnd. Preto je tento spôsob prenosu

vhodný na využitie u takých druhov telemetrických aplikácií, ktoré vyžadujú rýchlu

odozvu. Štandardy GPRS, EDGE a HSDPA sú paketovo orientované štandardy na

prenos dát a preto aj oneskorenie je väčšie. Priemerné namerané oneskorenia sa

pohybujú radovo v stovkách milisekúnd. U GPRS je to 700 ms, u EDGE sa

oneskorenie pohybuje okolo 300 ms. Tieto hodnoty sú však iba priemerné

a oneskorenie pri paketovom prenose nie je garantované. Preto sa tieto technológie

dajú využiť pre aplikácie, ktoré nie sú veľmi citlivé na oneskorenie, ako napr.

informácie v komerčnej telemetrii automobilov, diaľkový zber informácií

v meteorológii, zber informácií z predajných automatov, telemetria zvierat

a podobne. Technológia UMTS a štandard HSDPA umožnili oneskorenie oproti GPRS

a EDGE podstatne znížiť. To dosahuje radovo desiatky až stovky milisekúnd -

priemerne je to okolo hodnoty 120 ms. Preto sa táto technológia dá použiť pre

aplikácie, ktoré majú väčšie nároky na hodnotu oneskorenia. Oneskorenie pri službe

krátkych správ podľa skúseností dosahuje niekoľko sekúnd. Najčastejšie má táto

technológia využitie v jednoduchých aplikáciách pre bežných užívateľov, ktoré nie

sú citlivé na oneskorenie. Prehľad oneskorení jednotlivých štandardov je v tabuľke

3.7.



Štandard Oneskorenie

(priemerne)

CSD 20 ms

GPRS 700 ms

EDGE 300 ms

HSDPA 120 ms

SMS 4 s

Tab. 3.7: Prehľad oneskorenia jednotlivých štandardov

3.6.2 Zabezpečenie

Zabezpečenie v mobilných sieťach pri prenose dát môžeme rozdeliť na:

zabezpečenie integrity dát

zabezpečenie dôvernosti dát

Zabezpečenie integrity dát znamená ochranu prenášaných dát voči náhodnej

alebo zámernej zmene alebo poškodeniu pri prenose. V súčasných mobilných

sieťach sa na zabezpečenie integrity dát väčšinou používajú metódy korekcie chýb –

kanálové kódovanie a metóda ARQ resp. HARQ, Na šifrovanie dát pri prenose sa

využíva algoritmus A5. Tieto postupy boli popísané vyššie.

Základom zabezpečenia dôvernosti pri prenose dát sú nasledovné procedúry:

identifikácia

autentizácia

autorizácia

Všetky tieto procedúry sú obsiahnuté v mobilných sieťach a zabezpečujú prenos

dát voči neoprávnenému prístupu. Na strane užívateľa sú realizované za súčinnosti

mobilného zariadenia, karty SIM, šifrovacích kľúčov a mechanizmov, použitím

algoritmov A3, A8. Tento postup bol popísaný vyššie.

Tak ako pri oneskorení, aj pri zabezpečení môžme telemetrické aplikácie rozdeliť

na dve základné kategórie. Aplikácie veľmi citlivé na zabezpečenie dát a aplikácie

menej citlivé na zabezpečenie dát.



Šifrovanie algoritmom A5 v GSM sa kryptológom podarilo prekonať a preto sa

toto šifrovanie v dnešnej dobe nepovažuje za bezpečné. Na dešifrovanie je však

potrebné špeciálne technické a softwarové vybavenie. Väčšina bežných

telemetrických aplikácií však pracuje s dátami, ktoré sú menej citlivé a preto je toto

zabezpečenie, ktoré ponúka samotná mobilná sieť dostačujúce. Na vyššie

zabezpečenie dát prenášaných mobilnou sieťou GSM je možné použiť doplňujúce

zabezpečenie – rovnaké ako pri iných formách prenosu dát. Ide hlavne o využitie

bezpečnostných protokolov, certifikátov, ich kombinácie a pod. UMTS má oproti

GSM vylepšený systém šifrovania. Využíva 128 b symetrické šifrovanie a koncové

zariadenie má možnosť ešte pred prenosom dát dohodnúť sa so sieťou na použitom

algoritme. Preto môžme toto šifrovanie považovať za bezpečné. Aj v tomto prípade

platí, že pre vyššie zabezpečenie dát je možné použiť doplňujúce zabezpečenie.

3.6.3 Prenosová rýchlosť

Teoretické prenosové rýchlosti jednotlivých štandardov boli popísané

v predchádzajúcich kapitolách. Pre použitie v telemetrii sú však dôležitejšie

prenosové rýchlosti, ktoré je možné skutočne dosiahnuť. Dôležité je to hlavne pri

aplikáciách, ktoré vyžadujú preniesť väčšie množstvo dát, napr. aplikácie prenosu

videa.

Štandard CSD ponúka maximálne rýchlosti 9,6 kbps resp. 14, 4 kbps. Kedže sa

jedná o prenos s prepínaním okruhov, reálna prenosová rýchlosť je približne

rovnaká ako maximálna. Ďalšou prednosťou tohto typu spojenia je aj malé kolísanie

rýchlosti. Z pohľadu prenosovej rýchlosti je preto tento spôsob výhodný pre

telemetrické aplikácie, pre ktoré nie je potrebná vysoká rýchlosť prenosu alebo

aplikácie, ktoré vyžadujú nízku kolísavosť rýchlosti.

Pre aplikácie, ktoré vyžadujú vyššie prenosové rýchlosti sú vhodné paketovo

orientované štandardy. Štandard GPRS ponúka teoretickú maximálnu rýchlosť

prenosu 171,2 kbps pri kódovacej schéme CS-4 a pri obsadení 8 časových okien.

Reálne prenosové rýchlosti sú však podstatne nižšie. Zo skúseností užívateľov

vyplývajú rýchlosti na úrovni 52 kbps pre downlink a 40 kbps pre uplink. Rovnaká

situácia je u ďalších technológií. EDGE ponúka maximálnu rýchlosť na úrovni 473,6



kbps ale reálne rýchlosti sú na úrovni 94 kbps pre uplink a 63 kbps pre downlink.

Závisí to však od použitej kódovacej schémy. Taktiež štandard HSDPA podporuje

(Orange Slovensko) maximálne rýchlosti 3,6 Mbps pre downlink a 384 kbps pre

uplink, ale skutočné priemerne rýchlosti sú 1255 kbps pre downlink a 56 kbps pre

uplink. Porovnanie maximálnych a skutočných rýchlostí jednotlivých štandardov je

v tab. 3.8.

Štandard

Prenosová rýchlosť

Maximálna Reálna

(downlink/uplink)

GPRS 171,2 kbps 52/40 kbps

EDGE 473,6 kbps 94/63 kbps

HSDPA 3,6 Mbps 1255/56 kbps

Tab. 3.8: Prenosové rýchlosti jednotlivých štandardov

3.6.4 Pokrytie signálom

Jedným z veľmi dôležitých parametrov mobilnej siete pri využití na telemetrické

účely je aj pokrytie. To určuje možnosť umiestnenia telemetrického zariadenia. GSM

sieť Orange Slovensko v súčasnosti pokrýva 86,6 % územia Slovenska.

Preto je pre väčšinu telemetrických aplikácií založených na službe správ SMS

alebo štandarde CSD plne dostačujúca. Zároveň je to tiež postačujúce aj pre väčšinu

aplikácií, ktoré využívajú štandard GPRS, keďže ten je dostupný v celej sieti Orange

Slovensko. Väčšie obmedzenie použiteľnosti je u štandardu EDGE. Ten je dostupný

na 62 % územia Slovenska. Sú to oblasti väčších ale aj menších miest a oblasti

s väčšou koncentráciou zákazníkov. Ešte väčšie obmedzenie je u štandardu HSDPA.

Dostupný je len vo väčších a stredne veľkých mestách. Momentálne je touto

technológiou pokrytých približne 10,4 % Slovenska. Pokrytie územia Slovenska

jednotlivými štandardami je prehľadne zobrazené v tab. 3.9.



Štandard Pokrytie

% územia % obyvateľstva

CSD/GPRS 86,8 99,3

EDGE 62 87,0

HSDPA 10,4 43,2

Tab. 3.9: Pokrytie územie Slovenska jednotlivými štandardami

[16], [18], [19], [20], [21], [22], [23]



4 NÁVRH A REALIZÁCIA SLUŽIEB TELEMETRIE

Pri návrhu a realizácii služieb telemetrie je potrebné brať do úvahy mnoho

faktorov. Medzi hlavné patria parametre popísané v predošlých kapitolách

(oneskorenie, zabezpečenie, prenosová rýchlosť, pokrytie signálom) ale aj faktory

ceny a dostupnosti prostriedkov pre ich realizáciu, zložitosť realizácie, využitie

v praktickom živote, možnosť rozšírenia, variabilita použita a iné.

4.1 Požiadavky pre výber vhodných služieb telemetrie

Pri výbere služieb telemetrie sme si určili tieto základné požiadvky:

možnosť použitia v čo najväčšej škále lokalít

vhodnosť využitia pre bežného užívateľa mobilnej siete

nízka náročnosť používania

cenová dostupnosť zariadenia

jednoduchosť realizácie

variabilita a univerzalita využitia

cenovo nenáročná prevádzka

4.2 Výber služieb telemetrie

Na základe požiadaviek sa ako najvhodnejšie javia telemetrické služby s využitím

služieb krátkych správ (SMS). SMS spĺňajú vyššie uvedené požiadavky. Je ich možné

použiť vo všetkých lokalitách, ktoré sú pokryté signálom GSM (čo momentálne

predstavuje 86,6 % Slovenska), sú prístupné pre všetkých používateľov mobilných

telefónov, je ich možné použiť pre množstvo aplikácií a sú cenovo nenáročné.

Pomocou SMS je možné realizovať množstvo telemetrických služieb diaľkového

merania, zberu dát, vzdialeného ovládania zariadení, sledovanie pohybu



automobilov, zvierat, alebo iných objektov, sledovanie krytických stavov rôznych

veličín a stavov zariadení, monitoring objektov proti narušeniu a podobne.

Narhované sú preto telemetrické služby ovládania a zberu dát zo vzdialeného

zariadenia, ktoré je možné použiť na rôzne účely. Ukážeme si to na príklade využitia

zariadenia pre hlásenie neoprávneného vniknutia do objektu a ovládanie kúrenia v

ňom. Vyžitie to nachádza napr. pre objekty typu chát, víkendových domov

a podobne.

[23]

4.3 Telemetrické zariadenie

Zariadenie na uvažované telemetrické služby sa skladá z troch základných

samostatných častí. Prvou je SIM toolkit zariadenie Turbo Lite 2, druhou je

univerzálna doska prepojiteľná s modulom Turbo Lite 2 a treťou časťou je

ľubovoľný mobilný telefón, ktorý podporuje SIM toolkit. Súčasťou mobilného

telefónu musí byť aj aktivovaná SIM karta.

4.3.1 Turbo Lite 2

Turbo Lite 2 je SIM toolkit zariadenie pre mobilné telefóny a GSM moduly, ktoré

sa dá využiť na meranie a ovládanie pomocou SMS. Obsahuje 2+2 opticky izolované

vstupy/výstupy, 13 univerzálnych portov - digitálnych vstupov/výstupov a 50

pinový programovací konektor. Principiálna schéma je na obr. 4.1.

TURBO LITE 2

ATMEL

ATMega 128

SIM

2 + 2

OPTICKY ODDELENÉ

VSTUPY/VÝSTUPY

13

UNIVERZÁLNYCH

PORTOV

50 PINOVÝ

PROGRAMOVACÍ

KONEKTOR

Obr. 4.1: Principiálna schéma zariadenia Turbo Blade 2



Zariadenie tiež obsahuje aplikáciu na SMS ovládanie a riadenie Pager v2. Turbo

Lite 2 má možnosť pripojenia rôznych čidiel, spínačov, ovládacích prvkov. Zároveň

je kompletná dokumentácia otvorená (open source) pre vývojárov a je preto možné

zariadenie pozmeňovať a upravovať.

Obr. 4.2: Zariadenie Turbo Lite 2

4.3.2 Univerzálna doska

Druhá časť zariadenia, univerzálna doska na prepojenie s Turbo Lite 2 obsahuje

hlavne 4 optočlenmi oddelené vstupy a 4 releové výstupy, ktoré je možné použiť na

zisťovanie stavov a na ovládanie. Môže tiež obsahovať LED ktoré indikujú stavy

jednotlivých vstupov a výstupov, konektory pre rozšírenie systému, transformátor,

usmerňovač, stabilizátor a prepäťovú ochranu.

Obr. 4.3: Kompletne osadená univerzálna doska



Pre potreby naších telemetrických služieb si vystačíme s jedným opticky

oddeleným vstupom a jedným opticky oddeleným výstupom, ktorý riadi činnosť relé

(obr. 4.4). Preto môžme konečné zapojenie zredukovať len na súčiastky potrebné

k ich činnosti. Zoznam potrebých súčiastok je v tabuľke 4.1.

Obr. 4.4: Schéma zapojenia univerzálnej dosky pre naše služby

Označenie Názov Typ / Hodnota

IO2A, IO3D Optočlen PC847

C14, C15, C23, C24 Kondenzátor 27 pF

C36, C32 Kondenzátor 1 nF

D9 Dióda 1N4148

D10 Dióda BA159

LED5, LED9 LED dióda KA5060

RN1 Odporová sieť 4x10k A


RN5 Odporová sieť 4x2k2 A

R10, R11, R16, R31 Rezistor 2k2

R23 Rezistor 75R

R24 Rezistor 33k

T1 Tranzistor BC327

K1 Relé FINDER 4152

Tab. 4.1: Zoznam súčiastok pre činnosť univerzálnej dosky pre naše služby



4.3.3 Mobilný telefón

Treťou časťou je ľubovoľný mobilný telefón, ktorý podporuje SIM toolkit. Keďže

podpora SIM toolkit je v odporúčaní z roku 1999 (release 99) mali by to byť všetky

telefóny vyrobené po tomto roku. Tiež dôležitou podmienkou je, aby vybraný

mobilný telefón dokázal dlhodobo pracovať s pripojením na nabíjačku.

[24], [26]

4.4 Princíp fungovania vybraných služieb telemetrie

4.4.1 Služba hlásenia neoprávneného vniknutia do objektu

Služba hlásenia neoprávneného vniknutia do objektu funguje na základe

spolupráce nášho telemetrického zariadenia a rôznych čidiel, dverových a okenných

kontaktov a pod..

Pri narušení objektu sa zopnutím dverového alebo okenného kontaku alebo čidla

aktivuje vstup univerzálnej dosky zariadenia. Signál zo vstupu sa cez optočlen

privedie na jeden z portov Turbo Lite 2. V aplikácii Pager v2 je pre tento port

definovaná alarmová funkcia, ktorá na vopred definované telefónne číslo alebo čísla

odošle výstražnú SMS správu. V našom prípade to môže byť SMS v tvare

„NARUSENIE OBJEKTU“.

4.4.2 Služba ovládania kúrenia

Pre službu ovládania kúrenia využijeme ďalšiu funkciu zariadenia. V aplikácii

Pager v2 najprv definujeme port Turbo Lite 2 ktorým budeme ovládanie prevádzať.

Ďalším krokom je nastavenie riadiacich SMS správ pre rôzne pokyny a odpovedí

zariadenia pre daný port a nastavenie prístupových práv pre tento port pre rôznych

užívateľov – čísla.

Najprv definujeme správu ktorá identifikuje ovládané zariadenie. V našom

prípade je to správa „KURENIE“. Ďalej musíme definovať správy na riadenie

výstupného relé, ktoré ovláda kúrenie. Pre zapnutie to bude správa „ZAPNI



KURENIE“ a pre vypnutie správa „VYPNI KURENIE“. Môžme zadať aj odpovedné

správy pre stavy zapnutého a vypnutého zariadenia. Pre stav zapnutého kúrenia je

to správa „KURENIE ZAPNUTE“ a pre vypnuté kúrenie správa „KURENIE VYPNUTE“.

Ďalšou možnosťou ktorú naše zariadenie ponúka je ovládanie prezvonením. Aj to je

možné nastaviť v aplikácii Pager v2. Posledným krokom je definovanie práv

používateľov. Tu je možné nastaviť jedného alebo viacero užívateľov oprávnených

ovládať kúrenie. Výber týchto užívateľov sa robí výberom telefónnych čísel z karty

SIM.

Riadenie kúrenia bude prebiehať zaslaním ovládacej správy na naše zariadenie.

Zaslaním správy „ZAPNI KURENIE“ sa na univerzálnej doske relé ktoré ovláda

kúrenie zopne a vypne sa po zaslaní správy „VYPNI KURENIE“. Vykonanie

požadovanej akcie zariadenie potvrdí zaslaním spätnej správy s aktuálnym stavom

kúrenia. Pri riadení prezvonením sa každým prezvonením zmení stav: zo zapnutého

na vypnuté a opačne. O tejto zmene ale nie je zasielaná spätná SMS. Ak chceme teda

zistiť stav kúrenia stačí poslat správu „KURENIE“ a zariadenie zašle naspäť správu

podľa stavu „KURENIE ZAPNUTE“ alebo „KURENIE VYPNUTE“.

UNIVERZÁLNA

DOSKA

VSTUP

ALARM

RELÉ

VÝSTUP

OKNO OKNO DVERE

VYKUROVANIE

TURBO LITE 2

SIM

Obr. 4.5: Principiálna schéma navrhnutého telemetrického systému



4.4.3 Ďalšie možnosti použitia zariadenia

Nami navrhnuté zariadenie má mnoho ďalších možností použitia. Keďže nám

ponúka štyri vstupy a štyri výstupy môžme realizovať viacero druhov meraní

alarmových stavov a tiež ovládať vicero zariadení. V uvažovanom prostredí chát

alebo víkendových domov to okrem uvedených možností môže byť sledovanie

a informácia o krytických stavoch spodnej vody v pivniciach, o unikajúcom plyne,

sledovanie teploty, ovládanie osvetlenia na simuláciu prítomnosti v objekte,

ovládanie garážových dverí a podobne. Zariadenie je tiež možné výhodne použiť ako

autoalarm. Zariadenie nás dokáže informovať o pokuse o odcudzenie auta a zároveň

ak máme na SIM karte aktivovanú službu lokalizácie, môžme takto jednoduchým

spôsobom zistiť približnú polohu auta, čo nám dopomôže pri jeho nájdení.

Zariadenie dokáže simulovať aj činnosť tlačítka, čo môže byť v niektorých prípadoch

veľmi výhodné.

[24], [25], [26]



5 EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE

Pri návrhu služieb telemetrie sme si ako jednu z podmienok určili aj cenovú

dostupnosť zariadenia a finančnú nenáročnosť prevádzky. Zvolili sme si službu

krátkych správ SMS, ktorá je výhodná aj z ekonomického hľadiska.

Nami navrhnuté zariadenie pozostávajúce z troch jednotlivých častí môžme takto

rozdeliť aj z ekonomického hľadiska. Prvá časť, SIM toolkit zariadenie Turbo Lite 2,

ktorého obstarávacia cena bola 1300 Sk je riadiacim centrom a to je v rôznych

podobách nevyhnutnou súčasťou každého telemetrického systému. Ak uvážime, že

toto zariadenie ponúka veľké množstvo funkcií, je cena v pomere k možnostiam

zariadenia výhodná. Druhou časťou je univerzálna doska, ktorou dokážeme snímať

alarmové stavy a ovládať vzdialené zariadenia. Tu cenu môžme rozdeliť na cenu

výroby dosky plošných a cenu súčiastok. Pri svojpomocnej výrobe dosky plošných

spojov je cena približne 200 Sk. Cena súčiastok pre potreby naších služieb je

približne 500 Sk a ak by sme chceli využívať všetky možnosti, ktoré nám univerzálna

doska poskytuje a osadili by sme všetky súčiastky ich cena by bola približne 1200.

Poslednou časťou telemetrického zariadenia je mobilný telefón. Keďže je možné

použiť väčšinu telefónov vyrobených už po roku 1999, je zaobstaranie veľmi

jednoduché. Môže to byť telefón ktorý už nepoužívame kvôli zastaranosti, alebo si

ho môžme zaobstarať od cca 300 Sk. Celková cena zariadenia je teda 2300 Sk.

Časť zariadenia Cena

Turbo Lite 2 1300 Sk

Univerzálna doska Doska plošných spojov 200 Sk Súčiastky 500 Sk

Mobilný telefón 300 Sk

Spolu 2300 Sk

Tab. 5.1: Cena telemetrického zariadenia



Pri skúmaní finančnej náročnosti prevádzky musíme určiť, ako často budú

telemetrické služby využívané, aká je cena za jedno využitie a niektoré iné náklady.

Ak uvažujeme, že zariadenie bude použité v prostredí chaty alebo víkendového

domu, môžme odhadnúť, že kúrenie bude potrebné ovládať v priebehu roka

približne 100 krát a preto počet riadiacich krátkych správ SMS môžeme odhadnúť

na 200. Ak požijeme službu Prima, kde cena jednej SMS je 3,50 Sk náklady budú

predstavovať 700 Sk ročne. Treba však počítať aj so vstupnými nákladmi na

zaobstaranie SIM karty so službou Prima a aktiváciu služby CLIP na tejto karte.

Balíček Prima štart v cene 599 Sk obsahuje aktivovanú kartu SIM a 300 Sk kredit

potrebný na odosielanie krátkych správ. Aktivácia služby CLIP predstavuje 350 Sk.

Konečné vstupné náklady na telemetrický systém teda môžme vypočítať ako cena

telemetrického zariadenia (2300 Sk) plus cena balíčka Prima štart z ktorej

odpočítame hodnotu kreditu (599-300 = 299 Sk) plus cena (350 Sk) za aktiváciu

služby CLIP (tab. 5.2). Vstupné náklady na telemetrický systém sú teda 2949 Sk.

Položka Cena

Telemetrické zariadenie 2300 Sk

Prima balíček (bez hodnoty

kreditu) 299 Sk

Aktivácia služby CLIP 350 Sk

Spolu 2949 Sk

Tab. 5.2: Vstupné náklady na telemetrický systém

Náklady na telemetrické zariadenie a prevádzkové náklady predstavujú čiastku,

ktorá ak si uvedomíme aké hodnoty nám toto riešenie môže zachrániť a ako nám

uľahčí a spríjemní život nie je vysoká.



ZÁVER

Úlohou diplomovej práce bolo analyzovať možnosti prenosu telemetrických

údajov mobilnými sieťami a navrhnúť a realizovať dve služby telemetrie mobilnými

sieťami.

Prvá časť diplomovej práce sa venuje histórii, rozdeleniu a architektúre

bunkových mobilných sietí. Je v nej popísaný vývoj mobilných sietí od ich vzniku a

prvého využitia až po súčasnosť, rozdelenie na generácie, možné rozdelenie

mobilných sietí z rôznych hľadísk a vysvetlená architektúra bunkových rádiových

sietí. Ďalej sú popísané systémy GSM a UMTS, ich história, fázy vývoja, architektúra,

základné parametre a služby ktoré ponúkajú. Tiež je vysvetlené kanálové kódovanie.

Druhá časť je venovaná vysvetleniu pojmu telemetrie, všeobecnej schéme

telemetrického systému a príkladom využitia telemetrie v praktickom živote.

Tretia časť diplomovej práce je venovaná analýze jednotlivých štandardov

prenosu dát. Tu sú popísané štandardy CSD, GPRS, EDGE, HSDPA a služba krátkych

textových správ SMS. V závere tejto časti je porovnanie týchto štandardov z hľadiska

vhodnosti pre použitie v telemetrii a to hlavne z hľadiska oneskorenia,

zabezpečenia, prenosovej rýchlosti, pokrytia signálom.

Štvrtá časť sa venuje návrhu a realizácii služieb telemetrie. V nej sme si určili

základné požiadavky na služby a vybrali sme najvhodnejšie riešenie. Vybrali sme

vhodné komponenty na zostrojenie telemetrického zariadenia a zariadenie sme

realizovali. Na záver sme popísali princíp fungovania nášho telemetrického

zariadenia.

V poslednej časti sme zhodnotili navrhnuté služby a výber telemetrického

zariadenia z ekonomického hľadiska.

POUŽITÁ LITERATÚRA

[1] DOBOŠ Ľ., et al.: Mobilné rádiové siete, Žilina : EDIS, 2002

[2] REDL S., WEBER M., OLIPHANT M.: GSM and Personal Communications

Handbook, Boston : Artech House, 1998.

[3] HALONEN T., ROMERO J., MELERO J.: GSM, GPRS and EDGE performance:

evolution towards 3G/UMTS, Chichester, England; Hoboken, NJ : John Wiley & Sons,

2003

[4] WIESER V.: Mobilné rádiové siete II: Adaptácia technických a systémových

parametrov, Žilina : EDIS, 2002

[5] BLUNÁR K., DIVIŠ Z.: Telekomunikačné siete, Čast IV., Žilina : EDIS, 2000

[6] SAUTER M.: Communication Systems for the Mobile Information Society,

Chichester, England; Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2006

[7] BAJSCY J., VÍTOVEC J.: Telemetria a prenos údajov, Bratislava: ALFA, 1988

[8] SANDERS G., et al.: GPRS networks, Chichester, England; Hoboken, NJ : John

Wiley & Sons, 2003

[9] AXELSSON H., et al.: GSM/EDGE continued evolution [online].[cit. 2007-04-15].

Dostupné na internete: <http://www.ericsson.com/ericsson/corpinfo/

publications/review/2006_01/files/gsm_edge.pdf>

[10] The evolution of EDGE [online]. [cit. 2007-04-15]. Dostupné na internete:

<http://www.ericsson.com/technology/whitepapers/3107_The_evolution_of_

EDGE_A.pdf>

[11] FURTH B., ILYAS M.: Wireless Internet handbook : technologies, standards, and

applications, Boca Raton, FL : CRC Press, 2003

[12] The Evolution of UMTS/HSDPA [online]. [cit. 2007-04-15]. Dostupné na

internete: <http://www.3gamericas.org/pdfs/UMTS_Rel6_Beyond-Dec2005.pdf>

[13] Mobile Broadband: The Global Evolution of UMTS/HSPA [online]. [cit. 2007-04-

15]. Dostupné na internete: <http://www.3gamericas.org/English/ pdfs/wp_

UMTS _Rel7_ Beyond_FINAL.pdf>

[14] HOLMA H., TOSKALA A.: HSDPA/HSUPA for UMTS : high speed radio access for

mobile communications, Chichester, England ; Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2006

[15] Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Technical realization of

the Short Message Service (SMS) Point-to-Point [online]. [cit. 2007-04-15].

Dostupné na internete: <http://webapp.etsi.org/exchangefolder/gsmts_0340v

050300p.pdf>

[16] HILLEBRAND F.: GSM and UMTS : the creation of global mobile communications,

Chichester, England; Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2002

[17] GOMEZ G ., SÁNCHEZ R .: End-to-end quality of service over cellular networks :

data services performance and optimization in 2G/3G, Chichester, England; Hoboken,

NJ : John Wiley & Sons, 2005

[18] SIMON CH.: High latency links in GSM base station subsystem [online]. [cit.

2007-04-15]. Dostupné na internete: <http://web.it.kth.se/~iw02_sch/doc/

thesisreport.pdf>

[19] VAVRINA R.: EDGE: Významný míľnik mobilného pripojenia [online]. [cit. 2007-

04-16]. Dostupné na internete:<http://www.mobilmania.sk/Dalsierubriky/

Ar.asp?AR I=79 18&CHID=1&EXPS=&EXPA=>

[20] ORGONÁŠ J., Orange testuje EDGE, my testujeme s ním! [online]. [cit. 2007-04-

15]. Dostupné na internete: <http://www.pcrevue.sk/ buxus_dev/ generate_page.

php?page_ id=16825&usr_forum_page_size=30&usr_forum_page_id=0&usr_forum_

msg _list%5B50 869%5D=ON>

[21] KLIMA V., ROSA T.: Šifra v GSM prolomena [online]. [cit. 2007-04-15]. Dostupné

na internete: <http://crypto-world.info/klima/2000/chip-2000-02-38-41.pdf>

[22] Porovnanie typov pripojenia, poskytovateľov a služieb [online]. [cit. 2007-05-12].

Údaje za obdobie 12 .2. 2007 až 12. 5. 2007. Dostupné na inetrnete: <

http://netmeter. zive.sk/default.aspx>

[23] MICHLÍK M.: Operátori: Pokrytie je už na vedľajšej koľaji [online]. [cit. 2007-05-

09]. Dostupné na internete: <http://www.mobilmania.sk/Operatori/ AR.asp?ARI=

7331>

[24] Datasheet Turbo Lite 2 [online]. [cit. 2007-04-18]. Dostupné na internete:

<http://www.bladox.cz/doc/turbo_lite_2-r01050902.pdf>

[25] Návod na použití aplikace Pager v2 [online]. [cit. 2007-04-18]. Dostupné na

internete: <http://www.bladox.cz/doc/app_pager_v2_cz-r03060408.pdf>

[26] PŮHONÝ J.: GSM Pager - Turbo Lite Uni Board [online]. [cit. 2007-04-18].

Dostupné na internete: <http://www.puhy.eu/content/view/26/43/>

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Martina Vaculíka, PhD.

a používal som literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.

V Žiline 18. mája 2007 ................................. podpis

POĎAKOVANIE

Chcem poďakovať všetkým, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom pomohli pri štúdiu

a vypracovaní diplomovej práce, hlavne za cenné pripomienky, námety, rady,

trpezlivý prístup, technickú a materiálnu podporu a za mnoho iných vecí.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií


Prílohová časť

Peter Blaščák

2007

PRÍLOHY

Príloha A: Schéma zapojenia univerzálnej dosky

Príloha B: Návrh dosky plošných spojov pre univerzálnu dosku

Príloha C: Osadzovací plán pre univerzálnu dosku

Príloha D: Osadenie univerzálnej dosky

Príloha E: Zoznam súčiastok pre univerzálnu dosku

Príloha F: CD

Príloha A: Schéma zapojenia univerzálnej dosky

Príloha B: Návrh dosky plošných spojov pre univerzálnu dosku

Príloha C: Osadzovací plán pre univerzálnu dosku

Príloha D: Osadenie univerzálnej dosky

Príloha E: Zoznam súčiastok pre univerzálnu dosku

Označenie Názov Typ / Hodnota

R1, R16 –R19, R28 – R31 Rezistor 2k2

R3 – R14, R20 – R23 Rezistor 33k



RN3 Odporová sieť 4x2k2 A

R2 Varistor 250VAC/320VDC RM5

C1, C2, C37 Kondenzátor 100n RM 5mm

C3 – C27 Kondenzátor 27p RM 5mm

C29 – C36 Kondenzátor 1n RM 5mm

C38 Kondenzátor 1000µF/25V

D1, D2, D4, D5, D14 Dióda 1N4007

D3 Transil 1,5KE33CA

D6 – D9 Dióda 1N4148

D10 – D13 Dióda BA159

LED1 – LED9 LED dióda KA5060

IO1 Stabilizátor 7812

IO1, IO2 Optočlen PC847

T1 –T4 Tranzistor BC327

X1 –X5 Svorkovnica RM 5mm 36ks

X6, X7 Pinová lišta RM 2,54mm

F1 Radiálna poistka F100mA/250V

F2 Radiálna poistka F800mA/250V

K1 –K4 Relé FINDER 4152 12V

TR1 Transformátor HAHN EI48/16,8 230V/12V 833mA

Príloha F: CD

Obsah CD:

Manuál k aplikácii Pager v2

Zdrojové súbory aplikácie Pager v2

Zdrojové súbory k univerzálnej doske (pre program Eagle)

Knižnica s Turbo Lite 2 (pre program Eagle)

Datasheet zariadenia Turbo Lite 2

Documents

Mobilné siete a prenos telemetrických údajovdiplom.utc.sk/wan/1265.pdf · QoS Quality of Service Kvalita služby RAN Radio Access Network Sieť rádiového prístupu RNC Radio