Created by Bc. Lukáš Vokurka, DiS

Spektrum elektromagnetických vln

Spektrum vln

Obrázek 1: Spektrum elektromagnetických vln [1]

0. Generace

Mobilní sítě 0. generace jsou první komerčně spuštěné bezdrátové sítě, které byly analogové. Byla to například finská síť ARP (AutoRadioPuhelin), což lze také přeložit, jako autorádiotelefon. Jednalo se o buňkovou síť, která neumožňovala bezešvý handover mezi jednotlivými buňkami při pohybu uživatele. Jednalo se tedy o jakousi síť separátních vysílačů a přijímačů, se kterými šlo navázat spojení, pokud byl uživatel v dosahu. ARP síť byla spuštěná v roce 1971 a dosáhla 100% pokrytí v roce 1978 se 140 funkčními základnovýmo stanicemi. Tato síť byla vypnuta v roce 2000. [1]

Základní charakteristika ARP:

  • 80 kanálů se šířkou kanálu 87 kHz,

  • frekvenční pásmo 147,9 - 154,875 MHz,

  • vysílací výkon základnových stanic v rozsahu 1 - 5W,

  • v pozdějším vývoji umožňoval duplexní přenos,

  • plně analogová síť (hovor nebyl kódován digitálně, nezabezpečené hovory, které mohly být jednoduše odposluchávany při naladění přijímače na vhodnou frekvenci),

  • velikost buňky cca 30 km,

  • přerušení hovoru při přechodu z jedné buňky do druhé. [1]

Jako další zástupce bezdrátových sítí 0G můžeme uvést:

  • B-Netz, pracující na frekvenci 150 MHz,

  • MTS (Mobile Telephone System), zpočátku pracující na frekvenci 35 MHz, později 150 a 455 MHz,

  • IMTS (Improved Mobile Telephone Service), rozšíření MTS,

  • AMRAD (Automatizovaný Městský RADiotelefon), na frekvencích okolo 160 MHz,

  • OLT (Offentlig Landmobil Telefoni), na frekvenci okolo 160 MHz,

  • MTD (Mobiltelefonisystem D), frekvence okolo 450 MHz. [1]

1. Generace

NMT (Nordic Mobile Telephony), která byla zamýšlena, jako náhrada za 0G sítě, jako ARP a MTD. První hovor proběhl ve finském Tampere roku 1973. NMT bylo spuštěno 1981 ve Švédsku, 1982 v Norsku, Finsku a Dánsku, 1991 v tehdejším ČSFR. [1]

…

2. Generace

Hlavním zástupcem mobilních systému druhé generace je GSM (Global System for Mobile communications), který již zajišťuje digitální přenos hovorů na frekvenci okolo 900 MHz. První GSM síť byla spuštěna ve Finsku v roce 1971. O další vývoj se pak dále starala evropský standardizační institut ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Snaha byla o to, aby nebyl ztracen technologický náskok vůči analogovým sítím. [1]

Základní charakteristika GSM:

  • základní telefonní hlasová služba a tísňové volání,

  • datové přenosy 300 - 9600 bit/s,

  • šifrování (A5) a autentizace,

  • přesměrování a odmítnutí hovoru,

  • SMS (Short Message System), [1]

Architektura GSM:

GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzavřený, ale aby umožňoval přístup i do jiných sítí. Architektura GSM se skládá ze 3 subsystémů. [1]

  • BSS (Base Station Subsystem)

  • NSS (Network and Switching Subsystem)

  • OSS (Operation Support Subsystem) [1]

BSS (Base Station Subsystem)

Subsystém základnových stanic, umožňuje a spravuje přenosové cesty mezi UE (User Equipment) a NSS. [1]

BSS obsahuje:

  • BTS (Base Tranceiver Station) - zajišťujě rádiové spojení s MS (Mobile Station) prostřednictvím rádiové sítě RAN (Radio Access Network), uvnitř každé celly (buňky) je obvykle umístěna jedna BTS disponující určitým počtem rádiových kanálů, každá BTS je identifikována kódem BSIC (Base Station Identification Code),

  • BSC (Base Station Controller) - řídí větší počet BTS (několik desítek až stovek), stará se například o kmitočtovou správu a handover,

  • TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit) - tato jednotka bývá často implementována v rámci jednotky BSC a slouží k přizpůsobení bitových rychlostí, může realizovat také převod formátů signálů PCM (Pulse Code Modulation). [1]

NSS (Network and Switching Subsystem)

Síťový přepojovací subsystém, který bychom mohli označit, jako radiotelefonní ústřednu, představuje hlavní část GSM sítě (core). Tento blok řídí komunikaci mezi mobilními účastníky systému GSM a mezi účastníky externích telekomunikačních sítí. Tento subsystém tvoří: [1]

  • MSC (Mobile Switching Centre) - je nadřazena nad systémem BSC a tvoří spínací prvek v síti (směrování z jednoho BSC do druhého, do jiného MSC), umožňuje propojení mobilní sítě do jiných externích sítí, jenž je zajištěno pomocí rádiotelefonní ústředny s označením GMSC (Gateway MSC), o spolupráci MSC s jinými sítěmi se stará jednotka spolupráce IWF (Inter-Working Functionality), jenž je součástí MSC,

  • HLR (Home Location Register) - databáze uchovávající důležité informace o všech účastnících příslušejích ‘domovsky’ do oblasti dané ústředny,

  • VLR (Visitor Location Registr) - databáze uchovávající a obnovující data o ‘cizích’ účastnících, kteří se v dané chvíli nacházejí v dané oblasti,

  • AuC (Authenticity Centre) - je součástí HLR, uchovává účastnické klíče nezbytné pro zabezpečení komunikace na rádiovém rozhraní,

  • EIR (Equipment Identity Registr) - tento registr identifikuje zcizené nebo neoprávněné uživatele MS a to na základě dat, jež tyto stanice vysílají a jež nesouhlasí s údaji obsaženými v registrech HLR a VLR.

  • SMSC (Short Message Service Center) - jednotka zajišťující zasílání a příjem SMS. [1]

OSS (Operation Support Subsystem)

Operační a podpůrný subsystém, úkolem tohoto bloku je zajišťovat řádnou činnost a servis celého systému GSM. Do tohoto bloku mají přístup převážně zaměstnanci daného operátora. Tento subsystém se dělí do 3 funkčních bloků: [1]

  • OMC (Operation and Maintenance Centre) - dohledové centrum, pro vzdálené centralizované řízení provozu a procesy údržby celé sítě,

  • NMC (Network Management Centre) - odpovědné za administraci, údržbu a integritu dat, nahrávání softwaru a dat do síťových databází,

  • ADC (Administrative Centre) [1]

Rozhraní

V každém ze subsystémů GSM jsou mezi jednotlivými bloky definována rozhraní (datové přenosy jsou pak nejvíce omezeny na rozhraní v subsystému BSS). [1]

  • Um - rádiové rozhraní mezi MS a BTS,

  • Abis - rozhraní mezi BTS a BSC (T1, E1),

  • A - rozhraní mezi BSC a MSC (SDH, PDH). [1]

Základní vlastnosti GSM

  • PGSM (Primary GSM) - základní verze GSM (okolí pásma 900 MHz), 124 kanálů, dvě vysílací pásma o šířce 25 MHz,

  • EGSM (Extended GSM) - rozšíření PGSM, 174 kanálů, šířka kanálu 200 kHz (rozšíření šířky kanálu o 10 MHz oporoti PGSM),

  • DCS 1800 (Digital Celluar Service) - změna frekvenčního pásma na okolí 1800 MHz,

  • kombinovaná metoda mnohonásobného přístupu TDMA (Time Division Multiple Access) / FDMA (Frequency Division Multiple Access),

  • vysílací výkon BTS až 50 W a MS maximálně 2W,

  • plně digitální síť s duplexním přenosem a používající modulaci GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying),

  • velikost buňky od cca 50 m - 35 km,

  • handover MAHO,

  • každý duplexní pár kanálů (uplink / downlink) je identifikován tzv. ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). [1]

Datové přenosy v GSM

  • CSD (Circuit Switched Data) - P2P, u obou komunikujících stran vzníká souvislá přenosová cesta s předem vyhrazenou a garantovanou přenosovou kapacitou kanálu, pro přenos se používá 1 timeslot s hrubou přenosovou kapacitou 33,8 kbit/s, kdy z toho je 11 kbit/s využito pro funkčnost systému GSM, dalších 13,2 kbit/s pro kanálové kódování, zbývajících 9,6 kbit/s je k dispozici pro čistý datový tok,

  • HSCSD - přenos využívající více timeslotů najednou, downlink - 57,6 kbit/s, uplink - 14,4 kbit/s,

  • GPRS - se zavedením GPRS byla pozměněna i architektura GSM sítě, kdy byla přidána nová třída síťových prvků zvaná podpůrné uzly GPRS - GNSs (GPRS Support Nodes), které zodpovídají za směrování a doručení paketů mezi MS a vnějšími datovými paketovými sítěmi, GGSN (Gateway GPRS Support Node) plní funkci brány (gateway), na úrovni BSC je pak implementována jednotka PCU (Packet Controller Unit), která obsahuje tzv. dodatečnou inteligenci pro identifikaci a řízení paketového provozu na rádiovém rozhraní, teoretická maximální přenosová rychlost je 171,2 kbit/s,

  • EDGE - používá na fyzické vrstvě 8-PSK, 1 symbol = 3 bity a tím se 3x navyšuje teoretická přenosová rychlost. [1]

…

3. Generace

…

4. Generace

Hlavním zástupcem sítí 4G je jednoznačně LTE (Long Term Evolution) a nový typ jádra sítě EPC (Evolved Packet Core), který představuje novou kapitolu mobilní komunikace, kdy záměrem LTE bylo poskytnout novou rádiovou přístupovou technologii určenou výhradně pro vysokorychlostní mobilní Internet. [1]

Základní terminologie pro systém LTE/SAE:

  • LTE (Long Term Evolution) - někdy také jako eUTRAN (evolved UTRAN), což je nový typ přístupové technologie pro RAN,

  • SAE (System Architecture Evolution) - technologická studie 3GPP, která definuje EPC, což je Core Network,

  • EPS (Evolved Packet System) - LTE + SAE + terminal (UE). [1]

Architektura sítě:

  • eNodeB - základnová stanice v rámci eUTRAN,

  • SGW (Serving Gateway) - směruje a přeposílá uživatelská data mezi jednotlivými eNodeB a stará se o procedury spojené s handoverem,

  • MME (Mobility Management Entity) - obstarává funkce spojené s procedurou paging a autentizací uživatele,

  • PDN GW (Packet Data Network Gateway) - zajišťuje konektivitu k externím IP-based sítím (např. Internet),

  • HSS (Home Subscriber Server) - je registr, který slučuje funkce HLR a AuC, HSS uchovává informace o identifikaci a adresaci uživatele jako IMSI (International Mobile Subscriber Identity) a MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number),

  • PCRF (Policy and Charging Rules Function) - zajišťuje tarifaci uživatelských dat a QoS (Quality of Services). [1]

Frekevnční pásma pro provoz LTE

Pásma LTE

Obrázek 2: Frekvenční pásma pro LTE [1]

Frekvenční kanály

Nosná frekvence je popsána parametrem EARFCN (E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number) v rozsahu 0 - 65535. [1]

OFDM a modulační technika

Na fyzické vrstvě je v systému LTE/EPC použit v downlink směru OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access) multiplex a pro uplink směr je použit SC-FDMA. [1]

Na fyzické úrovni se přenáší rámec (frame), jehož parametry jsou:

  • délka trvání rámce 10 ms,

  • rámec obsahuje 10 subrámců, každá s délkou 1ms,

  • každý subrámec je rozdělen na 2 kanálové intervaly (timeslot),

  • timeslot se skládá z 6 nebo 7 OFDM symbolů (záleží na použitém CP (Channel Prefix)). [1]

Resource Grid

Dostupná přenosová rychlost záleží na použité (přidělené) šířce frekvenčního pásma pro systém LTE. Specifikace LTE dovoluje flexibilitu šířky frekvenčního pásma a to od 1,25 MHz do 20 MHz.

Je definováno tzv. PRB (Physical Resource Blok), což je nejmenší přenosová jednotka v systému LTE/EPC. PRB je používaný jako nástroj pro scheluding řízený z NodeB. PRB je definovaný v časově-frekvenční oblasti a je to blok zabírající 12 subnosných po 15 kHz (12 * 15 kHz) za čas 0,5 ms. Z toho vyplývá, že pro různou šířku pásma je definován různý počet PRB (viz níže). [1]

Závislost šířky pásma kanálu LTE/EPC na jeho paramtrech

Obrázek 3: Závislost šířky pásma kanálu systému LTE/EPC na jeho parametrech [1]

Řídící signály (tzn. signály, které přenáší k UE například počet PRB, typ modulace, počet OFDM symbolů) se nachází v LTE/EPC na začátku každého subrámce. [1]

Vlastnosti rádiového kanálu

Pro účely procedur Cell Selection, Cell Reselection a Handover se měří na straně UE hodnota parametru: [1]

  • RSSI (Receive Signal Strength Indicator) - je celkový přijímaný výkon skrz celé frekvenční pásmo použitého kanálu, je měřen před demodulací a je tvořen celkovým výkonem vlastní eNodeB, výkonem sousedních eNodeB, interferencemi, teplotním šumem, apod.,

  • RSRP (Reference Signal Received Power) - je průměrná hodnota přijímaného výkonu od referečních symbolů skrze celé frekvenční pásmo použitého kanálu,

  • RSRQ (Refernce Signal Received Quality) - je hodnota kvality přijímaného signálu,

  • SINR (Signal to Interference Noise Ratio) - vyjadřuje také kvalitu signálu. [1]

…

5. Generace

5G NR (New Radio) je pojenování pro nové rádiové rozhraní vyvinuté za účelem rychlejšího dosažení parametrů sítí definovaných standardem IMR 2020 (5G). Proces standardizace pro novou technologii 5G je dokončen formou příslušné specifikace jako Release 15. [1]

Nové funkcionality 5G NR

  • pokročilé mobilní vysokorychlostní sítě (eMBB),

  • masivní komunikace mezi zařízeními (mMTC),

  • vysoce spolehlivé komunikace s nízkou latencí (URLLC),

  • Massive MIMO - technologie, která umožňuje využití až několika desítek paralelních svazků, které jsou směrovány k uživatelům z anténního pole BTS pomocí techniky ‘beamforming’, touto technikou lze docílit navýšení přenosové rychlosti a efektovně využívat přenosové pásmo,

  • využití modulačního schématu QPSK, 16QAM, 64QAM a nově i 256QAM. [1]

Architektura sítě

Architektura systému 5G tzv. SBA (Service - Based Architecture).

V jádru 5GC (5G Core Network) se již naplno uplatní SDN (Software Defined Radio) a virtualizace síťových funkcí NFV (Network Function Virtualization). Kontrolní rovina CP (Control Plane) je zde rovněž oddělena od uživatelské roviny UP (User Plane), čímž se celý systém stává mnohem flexibilnějším a efektivnějším. Jádro 5GC je k EPC blízké a proto mohou být i při rozdílných přístupech 4G LTE a 5G NR obě varianty sdruženy do jediného subsystému. [1]

  • UE (User Equipment) - koncové zařízení,

  • NG-RAN (Next Generation RAN) - 5G RAN,

  • UPF (User Plane Function) - směrování paketů, QoS, zajišťuje přístup k vnější síti,

  • DN (Data Network) - externí síť (Internet),

  • AMF (Access and Mobility Management Function) - autentizace, autorizace a registrace do sítě,

  • SMF (Session Management Function) - alokace IP adresy, služba DHCP,

  • PCF (Policy Control Function) - podpora Policy Rules,

  • AUSF (Authentication Server Function) - autentifikační server,

  • UDM (Unified Data Management) - vytvoření autorizačních údajů (AKA). [1]

V počátku svého rozvoje sítě 5G nedokáží zajistit kompletně celý mobilní provoz a proto je nutná jejich kooperace se sítěmi 4G. Po určitou dobu tedy musí být uživatelům k dispozici terminály 4G UE a i nové terminály 5G UE. Tento režim se označuje, jako NSA (Non Stand Alone). [1]

V režimu NSA probíhá veškerá signalizace stále přes LTE. [1]

Do budoucna však veškerý provoz bude zajišťovat jen čistý systém 5G, což označujeme, jako SA (Stand Alone). [1]

Frekvenční pásma 5G

Předpokládá se do budoucna použití vyšších ’nových’ frekvenčních pásem. 5G NR definuje tzv. hierarchický frekvenční systém FR1 a FR2 (viz obrázek 4).

Obrázek 4: Definice FR1 a FR2 pro 5G NR

V současné době jsou v ČR pro vysílání 5G NR vyhrazeny tyto frekvenční pásma:

  • 703 - 788 MHz,

  • 3,4 - 3,8 GHz. [1]

OFDM v 5G NR

Maximální počet subnosných v 5G NR může být 3300, tomu odpovídá maximální šířka kanálu 400 MHz. [1]

CORESET

CORESET (Control Resource Set), obahuje řídící informace, šířka pásma i doba trvání může být variabilní. [1]

…

Sekce příklady

Příklad 1:

Zadání:

Pro LTE systém výpočítejte hodnotu RSRP (Reference Signal Received Power) a RSRQ (Refernce Signal Received Quality) měřenou na straně UE pokud:

  • je použita šířka kanálu 3 MHz na frekvenčním pásmu 1805 - 1880 MHz,

  • výstupní elektrický výkon eNodeB je 40 W,

  • útlum kabelové trasy na eNodeB je 3dB,

  • útlum prostředí je 100 dB,

  • zisk antény na eNodeB je 15 dBi,

  • zisk antény na UE je 0 dBi,

  • v buňce je maximální provoz (špička).

Řešení:

  • Určím honodtu PRB pro dané frekvenční pásmo z obrázku 3, zde v tomto případě PRB = 15,

  • Určím vysílací výkonovou úroveň eNodeB na jednu subnosnou pomocí vztahu:

L = 10 log ( 40 / (12 * 15 * 0,001) ) = 23,6 dBm

pozn: každý PRB má 12 subnosných

  • Výsledný RSRP bude ještě ponížen o útlum trasy, útlum prostředí a povýšen o zisk antény,

RSRP = 23,6 - 3 - 100 + 15

RSRP = -64,5 dBm

RSRQ = (N * RSRP) / RSSI = … dB

Příklad 2:

Zadání:

Výkonu 103 mW odpovídá výkonová úroveň? (dBW)

Řešení:

103 mW = 0,103 W

L = 10 log ( 0,103 / 1 )

L = -9,87 dBw

Příklad 3:

Zadání:

Vypočítejte hrubou přenosovou rychlost na fyzické vrstvě systému LTE pokud:

  • je použita šířka kanálu 20 MHz ve frekvenčním pásmu 2110 - 2170 MHz,

  • pro modulaci jednotlivých OFDM symbolů je použita 16QAM,

  • základnová stanice nepodporuje Carrier Aggregation,

  • základnová stanice podporuje 2x2 MIMO.

Řešení:

1 TTI (subframe): 12 carriers * 14 OFDM symbols per 1 ms = 168 resource elements,

Pro 16QAM: 1 symbols = 4 bits,

Number of bits per subframe: 168 * 4 = 672 bits/subframe (1ms),

Raw data rate: 672 / 1ms = 0,672 Mbits/s

For 20 MHz: total number of subrames = 100

Data rate (without using 2x2 MIMO) = 100 RB * 0,672 Mbit/s = 67,2 Mbit/s

Using 2x2 MIMO: Data rate = 2 * 67,2 Mbit/s = 134,4 Mbit/s

Příklad 4:

Zadání:

Vypočítejte hrubou přenosovou rychlost na fyzické vrstvě systému LTE pokud:

  • je použita šířka kanálu 5 MHz ve frekvenčním pásmu 2110 - 2170 MHz,

  • pro modulaci jednotlivých OFDM symbolů je použita 16QAM,

  • základnová stanice nepodporuje Carrier Aggregation a nepodporuje MIMO.

Řešení:

1 TTI (subframe): 12 carriers * 14 OFDM symbols per 1 ms = 168 resource elements,

Pro 16QAM: 1 symbols = 4 bits,

Number of bits per subframe: 168 * 4 = 672 bits/subframe (1ms),

Raw data rate: 672 / 1ms = 0,672 Mbits/s,

For 5 MHz: total number of subrames = 25,

Data rate = 25 RB * 0,672 Mbit/s = 16,8 Mbit/s

Příklad 5:

Zadání:

Vypočítejte hrubou přenosovou rychlost na fyzické vrstvě systému LTE pokud:

  • je použita šířka kanálu 10 MHz ve frekvenčním pásmu 791 - 821 MHz,

  • pro modulaci jednotlivých OFDM symbolů je použita 64QAM,

  • základnová stanice nepodporuje Carrier Aggregation

  • základnová stanice podporuje 2x2 MIMO.

Řešení:

1 TTI (subframe): 12 carriers * 14 OFDM symbols per 1 ms = 168 resource elements,

Pro 64QAM: 1 symbols = 6 bits,

Number of bits per subframe: 168 * 6 = 1008 bits/subframe (1ms),

Raw data rate: 1008 / 1ms = 1,008 Mbits/s,

For 10 MHz: total number of subrames = 50,

Data rate = 50 RB * 1,008 Mbit/s = 50,4 Mbit/s

Using 2x2 MIMO: Data rate = 2 * 50,4 Mbit/s = 100,8 Mbit/s

Příklad 6:

Zadání:

Vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem je 168 m. Útlum elmag. vlny o frekvenci 3 MHz šířící se volným prostorem na tuto vzdálenost je kolik dB?

Řešení:

d = 168 m,

lambda = c / f = 100 m,

FSL = 10 log ( lambda / (4 * pí * d) ) ^ 2 = -26,49 dB

Příklad 7:

Zadání:

Vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem je 473 m. Útlum elmag. vlny o frekvenci 543 MHz šířící se volným prostorem na tuto vzdálenost je kolik dB?

Řešení:

d = 473 m,

lambda = c / f = 0,55 m,

FSL = 10 log (( lambda / (4 * pí * d) ) ^ 2) = -80,67 dB

Příklad 8:

Zadání:

Vypočítejte honodtu parametru Ec/No, pokud platí:

  • maximální výkon mobilní stanice je 20 W,

  • přijímaný výkon na kanálu CPICH je 1W, ostatní provoz na servisní buňce odpovídá výkonu 4W,

  • v okolí jsou další buňky c celkovým příspěvkem výkonu 2 W,

Řešení:

Hodnotu Ec / Io vypočítám, jako podíl výkonu CPICH kanálu (RSCP) k veškerému výkonu v celém 5 MHz spektru, tedy výkonu na CPICH + výkonu ostatního provozu v buňce + výkonu okolních buněk, kdy výslednou hodnotu převedu na dB.

Ec / Io = RSCP / RSSI = 1 / (1 + 4 + 2) = 0,14

Ec / Io = 10 log (0,14) = -8,5 dB

Příklad 9:

Zadání:

Vypočítejte hrubou přenosovou rychlost na fyzické vrstvě systému LTE pokud:

  • je použita šířka kanálu 10 MHz ve frekvenčním pásmu 791 - 821 MHz,

  • pro modulaci jednotlivých OFDM symbolů je použita 64QAM,

  • základnová stanice nepodporuje Carrier Aggregation

Řešení:

1 TTI (subframe): 12 carriers * 14 OFDM symbols per 1 ms = 168 resource elements,

Pro 64QAM: 1 symbols = 6 bits,

Number of bits per subframe: 168 * 6 = 1008 bits/subframe (1ms),

Raw data rate: 1008 / 1ms = 1,008 Mbits/s,

For 10 MHz: total number of subrames = 50,

Data rate = 50 RB * 1,008 Mbit/s = 50,4 Mbit/s

Reference

  1. Mobilní sítě. Online. MICHALEK, Libor a ŠEBESTA, Roman. LMS. 2023, 2024. Dostupné z: https://lms.vsb.cz/pluginfile.php/2143796/mod_resource/content/8/MoSi-skripta_v20230222.pdf. [cit. 2024-05-11].