Principy činností soudobých mobilních komunikačních sítí
Bakalářská práce, Fakulta informatiky MU Brno, podzim 2006


Nikol Kokešová

doc. Ing. Jan Staudek, CSc., (vedoucí bakalářské práce)
ROZDĚLENÍ MOBILNÍCH KOMUNIKAČNÍCH SÍTÍ DLE GENERACÍ
PŘEHLED SLUŽEB MOBILNÍCH SÍTÍ
      Doručovatelské služby
      Telematické služby
            Hlasové služby
            Nehlasové služby
      Doplňkové služby
      Aplikační technologie
GSM (GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATIONS)
      Důležité milníky ve vývoji GSM
      Princip buňkového systému
      Multiplexováni v GSM
      Logická architektura systému
            Bursty
            Přenosové kanály (TCH/x) a řídící kanály (CCH)
      Protokolové sady
      Architektonické řešení
            Radio network subsystem (MS, BTS, BSC)
            Network and switching subsystem (MSC, HLR/VLR, EIR)
            Operation subsystem (OMC, NMC, ADC, AuC)
      Základní principy mobilních služeb
            Princip navázání telefonních hovorů
            Lokalizace a odposlechy mobilní stanice
            Handover
            Přenositelnost mobilních čísel
      Bezpečnost
      Datové přenosy uvnitř GSM
            CSD (Circuit Switched Data)
            HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
GPRS (GENERAL PACKET RADIO SERVICE)
      Paketový přenos dat
      Základní koncepce GPRS v rámci GSM
      Bázový princip přenosu dat
            Problematika kódovacích schémat
            Třídy koncových zařízení
            Přenosová rychlost
      Kvalita služeb
      Využití GPRS
EDGE (ENHANCED DATA RATES FOR GSM EVOLUTION)
      Implementace EDGE
      EGPRS principy přenosu dat
            8-PSK modulace
            Modulační a kódovací schémata
            Rodiny kódování
            Inkrementální redundance
            Metriky měření kvality signálu
      Ohlédnutí za EDGE
UMTS (UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEM)
      Projekt IMT-2000
      Rodina sítí 3G
      Významné 3G organizace
            3GPP, 3GPP2
            UMTS Forum
            3G Americas
      Sítě 3G v Evropě (UMTS)
            Přehled UMTS releasů
      Základní rozdělení UMTS
            FDD (Frequecny Divison Duplex) s WCDMA
            TDD (Time Division Duplex) s TD-CDMA
      Infrastruktura sítě
            Bezdrátová část
            Core Network
      Multiplexování s pomocí DS-CDMA
      HCS (Hierarchical Cell Structure)
      Handover v UMTS
            Hard Handover (HHO)
            Soft Handover (SHO)
            Softer Handover
            Příklady handoveru
      Roaming
      Bezpečnost
NASAZENÍ A VÝVOJ 3G
      Fáze nasazení mobilních technologií
      Vývoj mobilních komunikací (3.5G, 4G)
            HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)
            HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access)
            HSOPA (High-Speed OFDM Packet Access)
MOBILNÍ OPERÁTOŘI V ČR
SLOVNÍČEK DŮLEŽITÝCH ZKRATEK
POUŽITÁ LITERATURA

Rozdělení mobilních komunikačních sítí dle generací

Éra prvních mobilních sítí by se dala datovat do 70. let minulého století. Od této doby mobilní technologie urazily velký kus cesty. Změnilo se celkové nazírání na mobilní sítě, celková koncepce se posunula více k datům a do multimediální oblasti, zrodily se nové přístupové metody, techniky modulace signálu apod. Po celém světě se vyrojily desítky mobilních operátorů, vzkvétajících výrobců komponent mobilních sítí a především stovky milionů spokojených koncových uživatelů.
Ve světě mobilních standardů lze rozeznat určité charakteristické vývojové stupně často označované jako generace.


1. generace 2.generace 2.5 generace 2.75 generace 3.generace
NMT, TACS GSM (CSD, HSCSD) GPRS EDGE UMTS, DECT
1.1. Stručný přehled generací mobilních sítí v evropském kontextu


1G (First Generation Wireless)

80. léta se nesla v duchu generace první. Tyto sítě byly čistě analogové využívající přístupovou metodu FDMA (Frequency Division Multiple Access). Orientovaly se primárně na hlasovou komunikaci. Mezi nejvýznamnější zástupce patří bezesporu systém NMT (Nordic Mobile Telephony), americký AMPS (Advanced Mobile Phone System) nebo britský TACS (Total Access Communication System). Samotný systém NMT se stal 1.9. 1981 v Saudské Arábii celosvětově prvním úspěšně spuštěným buňkovým systémem. Průkopníkem na poli mobilních komunikací v Evropě byl švédský operátor Televerket (dnes Telia), jenž spustil svou mobilní síť pouze o měsíc později. V 80. letech nebyl NMT však jediným evropským standardem, mnoho zemí vyvíjelo svůj vlastní systém. Díky této skutečnosti existovalo asi 6 různých vzájemně nekompatibilních standardů a 11 modifikací. S rostoucím zájmem uživatelů bylo zřejmé, že kapacitní možnosti sítí 1G budou brzy vyčerpány. Bylo potřeba rozšířit nějaký stávající systém nebo vytvořit nový jednotný globální systém vyhovující kapacitním požadavkům. Tímto způsobem se zrodil evropský standard 2. generace GSM (Global System for Mobile Communications).


2G (Second Generation Wireless)

Roku 1989 Evropská telekomunikační standardizační instituce ETSI oficiálně definovala GSM jako nový mezinárodní digitální telekomunikační buňkový standard a začala dohlížet dočasně na jeho vývoj, kterého se od roku 1998 chopila skupina 3GPP. GSM sebou přináší změnu metody přístupu, a to na komplexnější kombinaci TDMA (Time Division Multiple Access) a FDMA. V evropském měřítku se největšího zájmu dočkal právě systém GSM, v Americe začal v této době dominovat systém Qualcommu CDMAOne založený na kódové metodě přístupu CDMA (Code Division Multiple Access). Obecně charakteristickým rysem systémů druhé generace je především přechod z analogového světa do světa digitálního, dále snížení vysílacího výkonu a tudíž menší velikost buněk, lepší odolnost vůči chybám, zvýšení bezpečnosti. Orientace na hlasové služby byla stále zachována, ačkoliv s novými systémy byly představeny i nové služby jako SMS zprávy nebo email.
Mezistupni druhé a třetí generace je tzv. 2.5G a 2.75G. Systémy z této mezigenerační kategorie pouze rozšiřují stávající 2G systémy o nové komponenty, nové služby. V kontextu GSM se jedná o rozšíření spojově orientovaných přenosů na paketově orientované datové přenosy, a to prostřednictvím nadstavbové technologie GPRS (General Packet Radio Service), která má rovněž prvenství v doplnění stávajícího systému o zcela nové komponenty. Představitelem 2.75G se stala technologie EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) zvyšující přenosovou rychlost použitím nové techniky modulace (8-PSK). Rovněž pro americký CDMAOne systém byla vytvořena nadstavba, a to v podobě systému cdma2000 1xRTT.


3G (Third Generation Wireless)

Systémy z rodiny mobilních sítí 3G by se daly stručně charakterizovat jako vysokorychlostní, vysokokapacitní, efektivněji využívající přenosové spektrum, zpřístupňující multimediální služby koncovým uživatelům. Tyto sítě, jejímž evropským zástupcem je UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), americkým CDMA2000 (3X), pracují s metodou přístupu CDMA, jsou plně digitální a zaměřeny především na podstatné zvýšení přenosové rychlosti.
Ani 3 generací vývoj mobilních sítí nekončí. Již dnes jsou úspěšně nasazovány do praxe softwarové upgrady stávajících 3G sítí zdokonalující mechanizmy uplatněné při přenosu dat. Vnáší do systému nové fyzické a logické kanály, modifikované techniky plánování nebo retransmise porušených paketů apod.

Přehled služeb mobilních sítí

Mobilní sítě sebou přinesly oproti klasické telefonii skrze pevnou linku celou řadu nových služeb. Některé z nich se těší velké uživatelské oblibě, jiné upadly v zapomnění. Obecně lze ale říci, že doménou mobilních sítí dneška již není pouze zpřístupnění telefonie mobilním uživatelům, ale také datové služby nebo textová komunikace.
Za celou éru mobilních sítí vzniklo vskutku široké spektrum rozmanitých služeb pro koncové uživatele. Pro zjednodušení lze rozeznat tři dílčí kategorie, a to doručovatelské služby orientující se na přenos dat, hlasové a nehlasové telematické služby a služby doplňkové rozšiřující dvě předešlé kategorie služeb.

Doručovatelské služby

V kontextu doručovatelských služeb se pohybujeme vždy pouze v prvních třech vrstvách ISO/OSI modelu. Obecně se jedná o služby zajištující schopnost přenášet data v síti, ať již spojově nebo paketově orientovanou cestou. Každá služba je definována několika znaky mezi které patří typ přenosu (spojová či paketová orientace), přenosová charakteristika (point-to-point, point-to-multipoint) a podporovaná bitová rychlost (konstantní, proměnlivá bit. rychlost...).
U 2G síti jsou tyto charakteristiky fixní, tzn. při sestavování přenosu je vybraná vhodná doručovatelská služba, která je po celou dobu přenosu neměnná. U UMTS si aplikace zvolí příslušnou doručovatelskou službu, sít zkontroluje dostupné zdroje a na základě zadaných parametrů, buď odsouhlasí tuto službu nebo navrhne službu s nižšími parametry, dále je již na aplikaci, zda volbu potvrdí nebo ne. V průběhu přenosu se služba automaticky přizpůsobuje nově vzniklým podmínkám přenosu.

Telematické služby

Kategorie telematických služeb zahrnuje širokou paletu uživatelsky atraktivních služeb dostupných v mobilních sítích. Lze ji rozdělit do dvou základních podkategorií, a to na hlasové a nehlasové služby.

Hlasové služby

Neboť primárním účelem mobilní telefonie od dob NMT, dnešního GSM i UMTS je zpřístupnění vysoce kvalitních hlasových přenosů i pro mobilní uživatele, stala se i mobilní telefonie obecně nejdůležitější telematickou službou. Telefonní hovory mohou být jak typu point-to-point tak point-to-multipoint (skupinová volání).
Kromě realizace klasických telefonních hovorů je povinností každého operátora zdarma poskytovat volání na tísňové linky. Hovory musí mít nejvyšší prioritu a jsou směrovány do nejbližšího call centra. Zajímavostí je, že jestliže se uživatel GSM pohybuje např. v Americe a vytočí tel. číslo 112 (určeno primárně pro Evropu a veškeré GSM sítě), které zde není podporováno, systém jej automaticky přepojí na linku 911.

Nehlasové služby

Doménou GSM není jen hlasová komunikace, ale také komunikace textová. 3. prosinec 1992 by se dal považovat za velice významný den, neboť v tento den byla poslána první komerční SMS (Short Message Service) zpráva. Díky špatné propagaci a nepříliš výhodné cenové politice mobilních operátorů nebyly SMSky ve svých počátcích velkým hitem. Jejich obliba ale rok od roku vzrůstala. Dnes skrze útroby mobilních sítí putuji desítky ne-li stovky milionů SMS zpráv ročně. Lze je odesílat nejen prostřednictvím mobilních telefonů, ale i z internetových bran nebo pevných linek.
Velikost SMS zpráv byla přesně specifikována ve standardu GSM, je omezena na 1 120 bitů. Klasické 160 znakové SMSky jsou postaveny na znakové sadě ASCII, která kóduje jeden znak 7 bity. Avšak součástí SMS zpráv mohou být i znaky neobsažené v ASCII znakové sadě jako např. znaky s diakritikou. Pro tento typ zpráv je použita znaková sada UCS-2 kódující jeden znak 16 bity. Délka SMS zprávy se tak zkracuje na pouhých 70 znaků. SMSky, ať již 160 nebo 70 znakové, jsou přenášeny prostřednictvím servisních kanálů.
V dnešní době SMSky nejsou již jen prostředkem komunikace mezi lidmi, ale SMS zprávy obecně našly své uplatnění např. v bankovnictví, kdy nás informují o aktuálním zůstatku na účtu, o přijatých/provedených platbách nebo aktuálních kurzech podílových fondů, poskytují nám i určitou úroveň zabezpečení při přihlašování k bankovnímu účtu na internetu nebo při potvrzování platebních transakcí, a to prostřednictvím tzv. autorizačních SMS. Dále nás upozorňují na nově příchozí e-maily, umožňují nám hlasovat v soutěžích nebo posílat sponzorské dary (DMS), kdy po odeslání zprávy na speciální telefonní číslo je odesílateli odečtena určitá částka. Pozn. provozovatel DMS vždy garantuje minimální částku, která je směrována do příslušné nadace. Zbytek peněz slouží pro uhrazení nákladů operátora a provozovatele DMS. Je proto mylné domnívat se, že při odeslání 30 Kč příspěvku je celá částka doručena na účet nadace.
Ceny SMS zpráv se pohybují od několika haléřů až po jednotky korun. Mobilní operátoři často nabízí svým zákazníkům i bonusové balíčky, kdy v rámci domácí sítě lze odesílat zprávy zdarma v určitém časovém období např. o víkendu či o svátcích nebo poskytují u určitých tarifů volné SMS do vlastní sítě nebo do všech sítí. Ve světě se rovněž začíná prosazovat nový obchodní model, kdy uživatelé za shlédnutí krátkého reklamního spotu na svém mobilním telefonu nebo zaslané odpovědi na jednoduchou otázku, získají volné SMS zprávy nebo minuty zdarma.
Samozřejmě se po čase objevily i negativní stránky SMS zpráv. Na internetu bylo možno nalézt programy či služby simulující zaslání SMSky pod identifikaci libovolného uživatele. Dnes se již naštěstí do SMS zpráv odeslaných z internetu automaticky vkládá příznak, díky němuž lze snadno rozeznat, že zpráva nebyla zaslána z mobilního telefonu. Čemu však nelze zabránit je zneužití anonymity odesílatelů. SMS zprávy se tak staly prostředkem pro relativně snadné obtěžování nebo vydírání určité osoby nebo skupiny osob.

EMS neboli Enhanced Messaging Service by se dala považovat za rozšíření klasických ryze textových SMS zpráv. Prostřednictvím EMS lze přenášet nejen formátovaný text, ale také jednoduché obrázky, ikony, loga, animace či zvuky, které je možno do mobilního zařízení stáhnout z internetu nebo vytvořit a nahrát z počítače. Ne každé zařízení EMS podporuje. Pošlete-li EMS na koncové zařízení neschopné EMS zpracovat, je tato zpráva zobrazena jako klasická SMS. Z komerčního úhlu pohledu je třeba říci, že tento otevřený standard z dílen 3GPP se s až tak velkým úspěchem nesetkal. Byl zastíněn dalším členem vývojové linie SMS, a to zprávami multimediálního rázu s názvem MMS.

MMS (Multimedia Messaging Service) byly standardizovány prvně skupinou 3GPP pro GSM a UMTS, následně pak i americkým uskupením 3GPP2 pro CDMA sítě. Nejenže mohou obsahovat klasický text, ale také obrázky, fotografie, audio či video sekvence v určitém formátu definovaném OMA (Open Mobile Allinace). Chcete-li využívat veškeré přednosti MMS je potřeba vlastnit mobilní telefon s jejich podporou a MMS klienta, jenž vám umožní MMS zkonstruovat a následně odeslat příjemci.
Jakým způsobem probíhá doručení MMS? Odesílatel vytvoří příslušnou MMS, adresuje a odešle do domácího MMSC (MMS Centrum). To ji přepošle do MMSC příjemce, jenž zodpovídá za informování příjemce o příchozí MMS zprávě. V závislosti na typu mobilního zařízení příjemce je samotná MMS zpráva, buď ihned doručena do mobilního zařízení nebo je zasláno jen upozornění o existenci MMS zprávy.
Koncová zařízení mobilních uživatelů se liší např. podporovaným maximálním rozlišením, použitými audio nebo video kodeky, což by potencionálně mohlo vést k nesprávné interpretaci MMS zpráv. Tento problém řeší někteří mobilní operátoři implementací služby automaticky přizpůsobující obsah přenášené zprávy přijímajícímu koncovému zařízení, čímž zvyšují vzájemnou kompatibilitu jednotlivých formátů.

Součástí GSM (dnes i UMTS) standardu je také velice zajímavá služba Cell Broadcast často označovaná také jako Short Message Service-Cell Broadcast (SMS-CB). Zatímco klasické SMS zprávy jsou typu point-to-point, SMS-CB byl se dal charakterizovat jako point-to-area, neboť autorizovaná entita neodesílá zprávu konkrétnímu příjemci nebo pevně dané skupině příjemců, nýbrž anonymně do určité oblasti bez ohledu na počet přijímajících uživatelů. Samozřejmě je potřeba zajistit, aby Cell Broadcast zprávy byly včasné, aktuální, přesné a především, aby neobtěžovaly koncové uživatele.
Ačkoliv někteří mobilní operátoři CB nevyužívají, je v GSM/UMTS standardu běžně dostupný. Mobilní terminály i základnové stanice CB podporují.
Pro broadcasting je vyhrazeno velké množství speciálních broadcastových kanálů, jenž jsou identifikovány s pomocí jedinečného ID, díky čemuž lze přiřadit určité služby do příslušných kanálů (např. kanál 050 -- informace o poloze MS, kanál 808 -- lokální informace o počasí apod.). Uživatel následně v nastavení mobilního telefonu přidává nebo ruší příjem informací.
S pomocí Cell Broadcastingu lze zasílat uživatelům zprávy s velice rozmanitým obsahem počínaje informacemi o lokaci MS, aktuálním počasí, dopravní informace z dané oblasti, zprávy ze světa či z regionu, upozornění na místní slevy, akce, probíhající výstavy, ale také např. informace o hrozícím nebezpečí. Obecně "tísňové zprávy" hrají velice důležitou roli v CB. Je to jedinečný způsob jak informovat velké množství lidí vyskytující se v ohrožené oblasti ve velmi krátkém čase. Ve prospěch SMS-CB působí především fakt, že tento typ zpráv je podporován mobilními telefony, samotné zaslání minimálně zatěžuje síť a do různých oblastí lze posílat odlišné aktuální zprávy.
Služba Cell Broadcasting vnáší do stávající architektury systému nové komponenty, a to Content Casting Center (CCC) a Cell Broadcast Center (CBC). Zjednodušený životní cyklus SMS-CB zprávy by mohl vypadat následovně: Cell Broadcast entita zformuluje příslušnou zprávu, ta je odeslána do CCC, odkud putuje do Cell Broadcastových center. Každé centrum má na starosti určitou síť základnových stanic, které od CBC přijímají danou zprávu a přeposílají ji všem uživatelům pohybujícím se v jejich dosahu.
Kdyby každý uživatel směl zasílat SMS zprávy broadcastově, docházelo by zbytečně k zahlcování sítě a uživatelů rozličnými obtěžujícími zprávami. Z tohoto důvodu pouze autorizovaní pracovníci mohou s CB pracovat. Kromě napsání samotné zprávy je potřeba specifikovat i oblast (jedna základová stanice -- celá síť), do které zpráva bude směřovat. Není to tak jednoduché, jak se na první pohled zdá. V dané oblasti může být současně spuštěno několik typů sítí (GSM, UMTS, CDMA sítě), navíc nezřídka kdy svým signálem také oblast pokrývá řada konkurenčních mobilních operátorů implementujících hierarchickou strukturu buněk (odlišná velikost, dynamicky měnící se).

Doplňkové služby

Jak již samotný název této kategorie napovídá jedná se o služby doplňující kategorii doručovacích a telematických služeb. Záleží na každém mobilním operátorovi, zda některou z doplňkových služeb implementuje či ne. Za zmínku stojí např. zrušení/povolení identifikace volajícího, automatické přesměrování všech telefonních hovorů nebo hovorů z určitých telefonních čísel na jiné telefonní číslo (k přesměrování hovorů může dojít nejen automaticky, ale také v případě obsazené telefonní linky nebo po určité době vyzvánění), vygenerování e-mailu či SMS zprávy o zmeškaném telefonním hovoru, skupinové volání, zablokování mezinárodních hovorů nebo hovorů mimo určitou skupinu telefonních čísel apod.

Aplikační technologie

Pro tvorbu aplikací určený pro mobilní svět existuje celé spektrum programovacích jazyků, lze se setkat s různými zobrazovacími standardy, protokoly a aplikačními platformami. Pozornost si zaslouží Java, BREW, WAP nebo japonský I-mode.

Java Micro Edition

Speciální odnož Javy určená pro tvorbu aplikací pro PDA, mobilní telefony byla vyvinuta firmou Sun Microsystems. V průběhu tvorby aplikace je mobilní zařízení emulováno na počítači, po dokončení je aplikace snadno nahratelná do paměti příslušného zařízení a spuštěna. Software vytvořený s pomocí Javy je nezávislý na konkrétní podobě příslušného zařízení, na použitém operačním systému, a to díky java virtual machine. Pro správnou funkcionalitu je ale potřeba, aby operační systém koncového zařízení JVM podporoval.

BREW (Binary Runtime Environment for Wireless)

Americká společnost Qualcomm vyvinula nové aplikační prostředí pro bezdrátová zařízení založené na programovacích jazycích C a C++, jenž je nezávislé na konkrétním druhu zařízení, přenosové technologii (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, CDMA) a operačním systému. Na rozdíl od Javy ME není potřeba, aby koncové zařízení cokoliv podporovalo pro zajištění správné funkcionality. BREW obecně leží mezi aplikací a operačním systémem, umožňuje stahovat a spouštět aplikace, mobilni hry, posílat soubory apod. Díky malým nárokům na paměť koncového terminálu lze BREW implementovat i do méně výkonných mobilních zařízení.
Qualcomm bohužel značně omezil potencionální vývoj aplikací pracujících s BREW, díky čemuž se na něj snesla vlna kritiky. Důvod? Před samotným vývojem aplikace je potřeba stáhnout BREW SDK, jenž je k dispozici na internetu zadarmo. Jeho součástí je mimo jiné emulátor zařízení. Chcete-li podrobit váš program skutečnému testu na mobilním zařízení, je to poněkud komplikovanější. Aplikace musí být digitálně podepsaná. Tento podpis může poskytnout Qualcomm samotný, některé autorizované vývojové týmy nebo společnosti. Není samozřejmě zadarmo, navíc je limitován i počtem použití. Dále pro dílčí testy nelze zvolit libovolné zařízení s podporou BREW (Qualcomm pro testovací účely vyhradil speciální typy koncových zařízení). Jestliže jste v situaci, kdy veškeré testy prošly na výbornou a považujete tím vývoj aplikace za dokončený, je ten pravý čas předložit ji na oficiální TRUE BREW Testování. Teprve po dokončení těchto testů je aplikace nabídnuta mobilním operátorům.
Nepříjemný fakt týkající se digitálního podpisu či dalších plateb za testování odrazuje celou řadu amatérských programátorů, kteří by se za normálních podmínek rádi podíleli na tvorbě aplikací pro mobilní prostředí.

WAP (Wireless Application Protocol)

WAP je aplikační protokol schopný zobrazit internetové stránky na mobilním zařízení jako PDA nebo mobilním telefonu. Nejenže je potřeba vlastnit koncové zařízení s podporou WAPu, ale i WAPový prohlížeč. Zobrazitelné stránky jsou psány v jazyku WML (Wireless Markup Language) a přenášeny k uživateli přes spojově i paketově orientované přenosové technologie.
Mezi klíčové marketingové nedostatky první verze WAPu patřila, jak nedostatečná propagace služeb prostřednictvím WAPu, tak nepříliš povedené grafické zpracování WAPových stránek. Mnohé vlastníky internetových webů odradila od WAPu také nutnost ke stávajícím internetovým prezentacím vytvořeným s použitím HTML kódu vytvořit i nový zdrojový kód ve WML pro mobilní podobu webu. WAP verze 2 alespoň tento nedostatek odstranil, když WML jazyk nahradil XHTML.
V souvislosti s WAPem se často zmiňují i tzv. WAP Push zprávy neboli speciální SMS zprávy nebo GPRS zprávy obsahující odkaz na nějakou WAP stánku ve WML, XHTML nebo J2ME aplikaci apod. Dle obsahu zprávy lze rozlišit dva typy WAP Push zpráv: Service Indication (SI) a Service Load (SL). Příjme-li uživatel SI zprávu, zobrazí se mu na mobilním zařízení textový řetězec a odkaz, zároveň je dotázán, zda chce daný odkaz navštívit či nikoliv. SL zprávy jsou do jisté míry nebezpečnější, neboť při příjmu dané zprávy, dojde k automatickému navštívení odkazu. Naštěstí SL zprávy nejsou příliš podporovány. V současnosti WAPu konkuruje velice uživatelsky atraktivní technologie z dílen japonského operátora NTT DoCoMo s názvem I-mode.

I-mode

V roce 1999 japonský operátor NTT DoCoMo spustil ve své síti zcela novou bezdrátovou internetovou službu zvanou I-mode (Pozn. o několik měsíců později konkurenční operátor J-Phone nastartoval obdobnou službu J-sky. Vodafone pohltil J-Phone a J-sky přejmenoval na Vodafone Live). Nejen v Japonsku ale díky licenčním partnerům i v Evropě se může nyní pyšnit více jak 50 000 000 základnou uživatelů.
Pro efektivní používání stačí vlastnit speciální mobilní telefon s i-mode tlačítkem, po jehož stisku se přístupní až na 5 000 oficiálních internetových stránek a až kolem 100 000 stránek neoficiálních s velice variabilním obsahem. Můžete brouzdat novinkami ze světa, ze sportu, z módy, navštívit celou řadu zábavních stránek, objednat si vstupenky na oblíbený koncert, zahrát hry, prohlédnout galerii obrázků nebo stáhnout nové emaily. Uživatelé platí ne za dobu připojení, ale za množství přijatých a odeslaných dat.
Veškeré zobrazitelné internetové stránky jsou napsány v jazyku C-HTML, jehož základem je standardní HTML. Formáty obrázků i hudebních souborů jsou běžně známy z internetu. Jen čas ukáže, zda I-mode vytlačí z trhu konkurenční WAP.

GSM (Global System for Mobile Communications)

V roce 1989 se GSM systém stal oficiálně novým evropským standardem druhé generace. Za dobu své existence se dokázal rozšířit nejen do všech koutů Evropy, ale pronikl i na ostatní světadíly. Jeho oblibě se v současnosti těší více jak 2 miliardy uživatelů.
Tento plně digitální systém téměř 100 % eliminoval předcházející sítě první generace. Kromě zcela nové architektury systému přinesl také podstatně vyšší zabezpečení, představil datové přenosy nebo textovou komunikaci. Navíc díky dobré cenové politice mobilních operátorů se standard GSM a tedy mobilní komunikace staly přístupnými široké veřejnosti.

Důležité milníky ve vývoji GSM

Počátky celosvětového digitálního systému GSM by se daly datovat do roku 1982, kdy se na evropské konferenci CEPT (Conference of European Postal & Telecommunications) zformovala skupina Groupe Spéciale Mobile (GSM), jejímž cílem bylo specifikovat požadavky na nový mobilní komunikační systém. Z počátečních písmen francouzského jména vznikl roku 1986 i název nového standardu 2G Global System for Mobile Communications (GSM).
80. léta byla kolébkou řady návrhů řešení budoucího komunikačního systému. Až roku 1987 na pařížské soutěži jednotlivých konceptů se do popředí dostalo řešení tvůrců Torleiva Masenga a Odda Trandema z Norské univerzity vědy a techniky. Ve stejném roce byly položeny technické základy GSM a 18 zemí se zavázalo podepsáním MoU (Memorandum of Understanding) implementovat buňkový systém 2G založený na GSM specifikaci.
Roku 1989 Evropská telekomunikační standardizační instituce ETSI oficiálně definovala GSM jako nový mezinárodní digitální telekomunikační buňkový standard a začala dohlížet na jeho vývoj. O rok později byla dokončena první specifikace GSM pro frekvenci kolem 900 MHz a začala adaptace na frekvence kolem 1 800 MHz. Netrvalo dlouho a v únoru 1992 se GSM dočkalo prvního komerčního spuštění zásluhou finského operátora Oy Radiolinja Ab. Roku 1995 byla dokončena i druhá specifikace GSM (GSM Phase 2) zahrnující adaptaci GSM na frekvence kolem 1 900 MHz a následně úspěšně v USA spuštěna.
Od roku 1998, kdy se zformovala skupina 3GPP, jejímž cílem byl především návrh sítí další generace, se i GSM začalo vyvíjet pod jejím dohledem. Ve stejném roce se uskutečnily i první úspěšné testy datové technologie HSCSD, o rok později testy protokolu WAP a paketově orientovaných přenosů GPRS, jenž byly oficiálně spuštěny v roce 2000.
Počet GSM uživatelů rok od roku stoupá. V roce 2004 byla překročena astronomická hranice 1 miliarda uživatelů, o dva a půl roku později 2 miliardy uživatelů GSM, což znamená, že každou minutu do sítě přibylo přibližně 760 nových uživatelů.

Princip buňkového systému

Krátce po druhé světové válce v roce 1946 se v Bellových laboratořích zrodil velice převratný koncept struktury mobilních komunikačních sítí, který zůstal zachován ve své podstatě i v dnešních sítích. Řeč je o buňkové neboli celulární struktuře systému.
Předešlé komunikační systémy vycházely z tzv. ostrůvkovité koncepce, kdy jedna základnová stanice pokrývala zpravidla rozsáhlé území a pracovala s relativně velkým počtem kanálů. Jestliže se uživatel dostal mimo území základnové stanice, musel si koncové zařízení sám manuálně přeladit na jiné frekvenční pásmo. V neprospěch tohoto návrhu působila také skutečnost, že vysílací výkon mobilního zařízení ani základnové stanice nebyl nejmenší a rovněž hospodaření s frekvenčním pásmem by se za efektivní dalo jen stěží považovat.

Nově vzniklý buňkový princip veškeré neduhy ostrůvkovitého konceptu odstranil. Snížil se vysílací výkon mobilního terminálu i základnové stanice, začalo se daleko efektivněji hospodařit s přiděleným frekvenčním spektrem a především přechod mezi jednotlivými buňkami se zautomatizoval (handover).
O principu buňkové systému již bylo napsáno mnohé. O co tedy vůbec jde? Území pokryté mobilním operátorem je rozděleno na jednotlivé vzájemně se překrývající buňky. Každá buňka má svůj identifikátor a pracuje s určitým počtem frekvenčních kanálů. Velikost buněk není fixní, pohybuje se od několika metrů až po desítky kilometrů v závislosti na konkrétních potřebách v té či oné oblasti.

V GSM rozlišujeme makro, mikro, piko a deštníkové buňky. Rozloha makrobuněk se pohybuje v kilometrech (až 35km), z tohoto důvodu našly své uplatnění v řídce obydlených oblastech s rychle se pohybujícími uživateli (dálnice). S mikrobuňkama, jejichž rozloha zřídka kdy překročí jeden kilometr, se lze setkat např. ve městech, kde je vyšší hustota nepříliš rychle se pohybujících uživatelů. Nádraží, letiště, obchodní centra, výstaviště tzn. oblasti s vysokou koncentrací pomalu se pohybujících uživatelů jsou vhodná pro umístění pikobuněk, jejichž rozloha se počítá na desítky metrů. Posledním typem buněk jsou tzv. deštníkové buňky, jenž nalezly své uplatnění v hluchých místech mezi piko nebo mikrobuňkama.
Aby GSM systém mohl efektivně využívat přidělené frekvenční pásmo, je potřeba buňky seskupit do určitých logických celků tzv. clusterů (svazků, skupin). V tomto svazku každá buňka disponuje několika frekvenčními kanály, které se vyskytují v daném svazku pouze jednou. Tzn. jestliže je svazek tvořen sedmi buňkami, buňka 1 pracuje s kanály 1 -- 25, buňka 2 s kanály 26 -- 50 apod., nesmí žádná buňka v daném svazku využívat již tyto definované kanály. Mobilní operátoři obecně vyskládávají svazky jeden vedle druhého na celém území, které chtějí pokrýt signálem. Díky pevné organizaci buněk ve svazku nebude mezi nimi docházet ani k rušení, a to z důvodu splnění interferenční podmínky tzn. že buňky pracující se stejnými frekvenčními kanály, jsou od sebe vzdáleny pětinásobek svého poloměru.
Definovat optimální velikost svazku je mnohdy velice obtížné. V případě příliš malého svazku, se buňky se stejnými frekvenčními kanály vyskytují na daném území častěji, těchto kanálů není potřeba mnoho,ale na druhou stranu nemusela by být splněna interferenční podmínka a docházelo by tudíž ke vzniku interferencí. Operátoři mnohdy v různých oblastech seskupují buňky do svazků odlišných velikostí pro dosažení vyšší efektivity. Např. na otevřených prostranstvích, kde není vyžadována vysoká kapacita sítě, lze použít větší svazky, na rozdíl od hustě osídlených oblastí s mnoha překážkami, kde se daleko lépe uplatní svazky menších velikostí.
Cílem mobilních operátorů je samozřejmě s přiměřenými náklady, co nejvíce zvýšit kapacitu své sítě. Toho lze dosáhnout mimo jiné i tzv. sektorizací, kdy základnová stanice neobsahuje pouze jednu sadu sektorových antén formující jednu jedinou buňku, ale jeho součástí je více přijímajících/vysílajících antén dělících tuto velkou buňku na 3 nebo 6 menších vzájemně se nepřekrývajících části tzv. sektorů. V každém sektoru lze použít odlišné kanály. Jejich počet se tak ztrojnásobí nebo zšestinásobí. Rozloha výsledných buňek (sektorů) je ve srovnání s jednou buňkou menší, rovněž antény mají nižší vysílací výkon.
Frekvenční kanály v jednotlivých buňkách v clusteru mohou být přidělovány dvěma způsoby: fixně nebo dynamicky. Fixní přidělování (FCA -- Fixed Channel Allocation) kanálů je velice jednoduché, snadno implementovatelné, ale ne vždy plně efektivní jak dokazuje následující ilustrační příklad, kdy na okraji města bylo postaveno nové nákupní centrum. Zatímco kapacita buněk (A a B) v dané oblasti byla před výstavbou dostačující, nyní díky přívalu mnoha nakupujících kapacita nestačí. Zatímco kanály těchto dvou buněk jsou plně využity, v ostatních buňkách v clusteru je 70 % kanálů volných.
Aby se předešlo těmto problémům, operátoři pracují s dynamickým přidělováním kanálů (DCA -- Dynamic Channel Allocation), kdy všechny dostupné kanály svazku jsou k dispozici kterékoliv základnové stanici za předpokladu, že dotyčné kanály již nejsou v clusteru nebo okolních buňkách využívány.

Multiplexováni v GSM

Systém GSM je koncipován jako multiuživatelský. Aby nedocházelo ke kolizím při přístupu jednotlivých uživatelů do systému, bylo potřeba zvolit vhodnou přístupovou metodu. Zatímco dřívější analogové systémy využívaly multiplex na bázi frekvencí se všemi jeho výhodami i nedostatky, např. standard pro bezdrátovou telefonii pracuje již s dělením na bázi času. Pro standard GSM byla zvolena kombinace těchto dvou přístupových metod.

Frekvenční (FDMA) a časový (TDMA) multiplex

Metoda přístupu FDMA neboli Frequency Division Multiple Access odděluje uživatele s pomocí frekvenčních kanálů. Tzn. celé frekvenční pásmo, jenž je k dispozici poskytovateli připojení je rozděleno na dílčí frekvenční kanály s určitou šířkou pásma. Tyto kanály jsou následně jednotlivě přidělovány uživatelům. Tzn. uživatel A má k dispozici celý kanál 1, uživatel B kanál 2 apod.
Tato metoda přístupu není náročná na synchronizaci, je snadno implementovatelná, na druhou stranu počet frekvenčních kanálů omezuje i počet uživatelů (10 kanálů = 10 uživatelů). V neprospěch této metody přístupu působí také skutečnost, že i když uživatel nekomunikuje, neposílá žádná data, kanál je stále rezervován. Tímto způsobem dochází zbytečně k plýtvání kapacity sítě.


V komunikačních systémech se lze setkat i s dalším typem přístupové metody s TDMA (Time Division Multiple Access). V TDMA uživatelé využívají stejný rádiový přenosový kanál. Tento kanál je ale rozdělen v čase na jednotlivé časové díly (timesloty), jejichž určitý počet formuje TDMA rámec opakující se pravidelně v čase. Z důvodu sdílení frekvenčního kanálu více uživateli není telefonní hovor nebo přenos dat souvislý, daný uživatel má kanál přidělen je po dobu trvání přiděleného časového dílu. Ve srovnání s FDMA vyžaduje TDMA daleko preciznější synchronizaci.
Zjednodušený princip TDMA ilustruje následující obrázek:

TDMA rámec obsahuje tři timesloty. První časový díl byl přidělen uživateli A, druhý uživateli B a třetí uživateli C. Tento TDMA rámec se v čase neustále opakuje. Okamžik, kdy je uživateli B a C přidělen komunikační kanál, je pro uživatele A nepostřehnutelný

Kombinace FDMA x TDMA aneb multiplex v GSM
GSM systém pracuje v několika rozdílných frekvenční pásmech:

GSM 400:450,4 -- 457,6 MHz (DL) a 460,4 -- 467,6 MHz (UL)
GSM 400:478,8 -- 486 MHz (DL) a 488,8 -- 496 MHz (UL)
GSM 850:824 -- 849 MHz (DL) a 869 -- 894 MHz (UL)
GSM 900 (PGSM):890 -- 915 MHz (DL) a 935 -- 960 MHz (UL)
GSM 900 (EGSM):880 -- 915 MHz (DL) a 925 -- 960 MHz (UL)
GSM-R:876 -- 980,8 MHz (DL) a 921 -- 924,8 MHz (UL)
GSM 1 800 (DCS-1 800):1 710 -- 1 785 MHz (DL) a 1 805 -- 1 880 MHz (UL)
GSM 1 900( DCS-1 900):1 850 -- 1 910 MHz (DL) a 1 930 -- 1 990 MHz (UL)

Každá z těchto podkategorií GSM využívá jiné frekvenční pásmo, dělí se na odlišný počet kanálů a samozřejmě se liší i dosahem buněk, náchylností na rušení apod.. Základní principy jako hierarchie přenosových kanálů, šířka kanálů, multiplexovnání jsou zachovány.
Evropský standard GSM realizuje přenosy, ať již telefonní nebo datové, v plně duplexním režimu, kdy uplink a downlik směr je oddělen s pomocí FDD (Frequency Divission Duplex). Z tohoto důvodu jsou vždy u každého typu GSM systému vyhrazeny dvě pásma frekvencí, jedno pro downlink (BTS -- MS) a druhé pro uplink (MS -- BTS).
Z kombinace přístupových metod FDMA a TDMA vyplývá dělení kmitočtových pásem. FDMA rozkouskuje pásmo pro uplink i downlink na menší 200 kHz kanály, které následně TDMA dělí na časové díly.
Např. uvnitř pásma PGSM tak vzniká 124 kanálů s šířkou pásma 200 kHz. Poslední 125. kanál se uplatňuje jako oddělovací úsek v dolní i horní části pásma (100 + 100 kHz).


Každý kanál je dále rozdělen na časové díly (timesloty) pevné velikosti, přičemž 8 timeslotů formuje jeden TDMA rámec o délce 4,615 ms. V GSM standardu byly definovány i další logické jednotky, které jsou tvořeny vždy určitým počtem TDMA rámců. Např. 26 hovorových TDMA rámců vytváří multirámec. Spojením 51 multirámců dále vzniká 6 s a 120 ms trvající superrámec. Největší jednotkou v hierarchické struktuře TDMA rámců je pak hyperrámec, jenž vznikl spojením 2 048 superrámců. Opakuje se s periodou přibližně 3 hodiny a 28 minut. Obdobným způsobem jsou strukturovány i TDMA rámce přenášející řídící signály.

Logická architektura systému

Základní přenosovou jednotkou v GSM systému je 156,25 bitový burst. GSM pracuje dohromady s 5 typy burstů, každý má určitou strukturu a hraje podstatnou roli v GSM. V závislosti na typu dat v burstech jsou tyto bursty přenášeny logickými kanály systému (přenosové, řídící kanály), které jsou namapovány na kanály fyzické.

Bursty

Pro přenos hlasových a některých řídících signálů je určen burst normální. Jeho struktura je následující:


Tail bits--3 nulové bity na konci a na začátku burstu
Training sequence -- 26 b předdefinovaný vzorek určený pro ekvalizaci signálu
Stealing flags -- příznaky udávají, zda jsou v 57 b datových polích obsaženy řídící nebo hlasové signály
Data -- 2 x 57 b obsahujících data
Guard space -- ochranná doba, ve které může dojít k časovému posunu burstu

Frekvenční burst, jehož úkolem je provést frekvenční synchronizaci mobilní stanice a zabránit tak interferencím s kanály jiných stanic, je tvořen samými nulami. Jestliže jej MS obdrží, automaticky od kmitočtu vysílaného signálu odečte 67,7 kHz, jenž reprezentuje nemodulovaný signál s 67,7 kHz posunem nad nosnou, a získá tak nosnou frekvenci. Frekvenční burst je zasílán např. po zapnutí mobilní stanice, která se okamžitě snaží projít všechny dostupné radiové kanály. Po té co zvolí kanál s nejsilnějším signálem, čeká na kanál frekvenční pro kmitočtovou korekci. Po ní následuje časová synchronizace prostřednictvím burstu synchronizačního. V jeho nitru se skrývají informace o kódu mobilního operátora, identifikaci základnové stanice a čísle TDMA rámce.
Neméně důležitý je také přístupový burst s prodlouženou ochrannou dobou na 68,25 bitů, jenž je vysílán při přístupu mobilní stanice do sítě. Jeho zásluhou dochází k eliminaci vlivu zpoždění signálu. Pro správnou korekci časového posuvu slouží však pouze 63 bitů, neboť zbylých 6 bitů tvoří informace od základnové stanice, na jejímž základě MS upraví dobu vysílání. Maximální ochranná doba je 232,6 us, což odpovídá vzdálenosti 70 km (BTS -- MS a MS -- BTS).
Prázdný burst má stejnou strukturu jako burst normální, nemá ale žádnou informační hodnotu neboť na 57 b datových pozicích nejsou přenášena uživatelská nebo řídící data, ale předdefinované sekvence 0 a 1.

Přenosové kanály (TCH/x) a řídící kanály (CCH)

Přenosové kanály TCH (Traffic Channels) jsou určeny pro přenos uživatelských dat, ať již hlasových nebo datových. Dělí se z hlediska přenosové rychlosti na TCH/F14.4, TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4 a TCH/H4.8, TCH/H2.4, kde číslo udává uživatelskou přenosovou rychlost a symboly H (half rate) a F (full rate) značí plnou nebo poloviční rychlost. Jednotlivé přenosové kanály se odlišují kanálovým kódováním, prokládáním a zabezpečením proti chybám( s rostoucí přenosovou rychlostí klesá úroveň zabezpečení proti chybám).
Druhou početnější skupinou kanálů jsou kanály řídící, které jak již souhrnný název těchto kanálů napovídá slouží k přenosu řídících informací. Řídící kanály se dělí do tří kategorických celků, a to na kanály broadcastové, společné a dedikované.
Broadcastové řídící kanály (BCCH) -- prostřednictvím těchto jednosměrných downlink kanálů posílá základnová stanice mobilním zařízením všeobecné informace jako identifikátor buňky, číslo radiového kanálu, kód oblasti, státu, operátora nebo např. koriguje výkon mobilních stanic, aby nedocházelo k interferencím. Do kategorie broadcastových kanálů je řazen také synchronizační kanál (SCCH) pro časovou synchronizaci MS nebo kanál frekvenční (FCCH).
Společné řídící kanály (CCCH) -- slouží k přenosu informací potřebných k vytvoření spojení mezi MS a BTS. Pro navázání telefonního hovoru ve směru od BTS k MS je vyhrazen Paging Channel (PCH), při přístupu mobilní stanice do sítě je naopak využíván Random Access Channel (RACH) pracující s přístupovou metodou Slotted Aloha. Posledním typem kanálu této kategorie je Access Grand Channel (AGCH) přímo přidělující přenosový kanál.
Dedikované řídící kanály (DCCH) -- jestliže mobilní stanice nedisponuje přenosovým kanálem pro komunikaci s BTS je pro ni dočasně určen Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH), kterým proudí informace potřebné k ustanovení TCH. Každý přenosový kanál má přidělen i kanál řídící Slow Associated Dedicated Control Channel (SACCH) přenášející např. důležité informace pro handover tzn. kvalita signálu v dané BTS a v okolních BTS, nebo o nastavení výkonu MS. V případě potřeby přenosu většího množství dat v krátkém čase je k dispozici také rychlejší varianta tohoto kanálu s názvem Fast Associated Dedicated Control Channel (FACCH), který je vložen místo hovorového kanálu TCH.
Logické kanály se podle potřeby vzájemně kombinují. V závislosti na typu kanálu je stanovena určitá organizace kanálů v TDMA rámci respektive multirámci, superrámcí nebo hyperrámci.


Protokolové sady

Nejen mobilní systémy ale komunikace obecně vyžadují určitý řád, specifikaci pravidel, definici veškerých mechanizmů pro zajištění správné funkcionality. Za registrací uživatele, zabezpečovacími mechanizmy, aktualizací polohy, směrováním telefonních hovorů, SMS zpráv, datovou komunikací se skrývá spousta řídících signálů, striktně definovaných postupů. Která entita systému bude komunikovat s jinou entitou, kdy dojde k přenosu signálů, jakým způsobem, to vše mají na starost protokoly, jenž jsou standardizovány v systému.
Nasazení jednotlivých protokolů je závislé na konkrétním rozhraní. Zabývat se všemi protokoly u všech entit systému by bylo na dlouhé povídání, z tohoto důvodu zde budou popsány jen protokoly jedné entity systému a to mobilní stanice.
Nejnižší fyzická vrstva pracuje s fyzickými frekvenčními kanály, provádí rozklad na 0 a 1, kódování, modulaci. Nad radiovým rozhraním leží v protokolové zásobníku modifikovaná verze protokolu LAPD označována LAPDm (Link Access Procedure od Dm Channel), která pro rozlišení jednotlivých rámců nepoužívá speciální příznaky ale jakési hranice, které byly definovány vrstvou fyzickou. Pracuje s LAPDm rámci, jejichž součástí je indikátor délky přenášených informací, adresní pole, řídící pole specifikující typ rámce, přenášené informace a dodatečné bity pro doplnění délky rámce.
Třetí vrstva protokolového modelu se dělí na tři menší velice důležité podvrstvy ovlivňující HO, roaming, přidělování frekvenčních kanálů, updaty pozice MS apod., a to Radio Resources management (RR), Communication management (CM) a Mobility management (MM). Pozn. třetí vrstva v GSM neodpovídá přesnému rozvržení v klasickém ISO/OSI modelu, některé funkce přesahují rámec standardní síťové ISO/OSI vrstvy.
Radio resources management
RR formuje strategie efektivního přidělování frekvenčních kanálů, jejich řízení, uvolňování, má na starosti měření kvality signálu, jenž je důležitá především při rozhodování o předávkách mezi frekvenčními kanály (HO) nebo volbě vhodného kódovacího či modulačního schématu, dále se podílí na řízení vysílacího výkonu mobilních terminálů apod.
Mobility management
MM má na starosti obecně dva typy procedur: specifické procedury (lokační updaty, IMSI attach) a běžné procedury (změna TMSI, IMSI detach, autentizace).
Díky mobilní telefonii se uživatel může pohybovat kdekoliv na území nejen svého mobilního operátora ale také na území pokrytém partnerskými operátory. Pro efektivní směrování telefonních hovorů, SMS zpráv je potřeba udržovat v síti informace o alespoň přibližné poloze mobilního uživatele. K tomuto účelu slouží tzv. lokační updaty, které má na starosti MM. Mobilní telefon v pravidelných intervalech přijímá ze sítě informace skrze broadcastové kanály s kódem oblasti, ve které se aktuálně nachází. Jestliže MS oblast nemění, zasílá pouze periodické lokační updaty, čímž informuje síť o tom, že je stále zapnutá, přístupná. Přejde-li uživatel do jiné oblasti, detekuje odlišný kód, je jeho povinností upozornit síť na tuto skutečnost zasláním náhodného lokačního updatu. MSC automaticky zašle SS7 adresu přidruženého VLR do HLR, dojde ke změně kódu oblasti u záznamu uživatele, k nakopírování informací do nového VLR, přiřazení dočasného identifikátoru mobilní stanici TMSI a vymazání informací z předešlého VLR. Veškeré telefonní hovory, SMS zprávy jsou již směrovány prostřednictvím nové ústředny. Se změnami oblastí souvisí i problematika roamingu, kdy území pokryté signálem skrze BTS stanice spadá pod správu jiného mobilního operátora.
Dočasný identifikátor TMSI jednoznačně identifikuje mobilní stanici v dané oblasti. Je generován VLR a přidělen MS při vstupu do oblasti pod správou MSC. V závislosti na nastavení mobilního operátora je TMSI měněno i v pravidelných intervalech z důvodu zajištění vyšší bezpečnosti.
Komplementární procedury IMSI attach a detach slouží k označení MS ve VLR jako aktivní/neaktivní např. při vypnutí nebo zapnutí MS, při přesunu MS mimo dosah signálu apod. Je-li stanice označena jako neaktivní, telefonní hovory jsou zamítnuty, přesměrovány na jiné telefonní číslo nebo do hlasové schránky.
Součástí MM jsou rovněž zabezpečovací procedury jako autentizace uživatele nebo tvorba šifrovacího klíče a následné šifrování.
Communication management
Ustanovení telefonního hovoru, udržování, uvolnění komunikačního kanálu, řízení spojené se SMS zprávami, doplňkovými službami jsou hlavními úkoly CM.


Architektonické řešení

Architektura systému GSM je velice propracovaná, hierarchická, snadno rozšiřitelná o další komponenty. Obsahuje celou řadu systémových entit a rozhraní. Pro zjednodušení ji lze rozdělit na tři subsystémy: RNS (Radio Network Subsystem), NSS (Network and Switching Subsystem) a OSS (Operation Subsystem).


Radio network subsystem (MS, BTS, BSC)

Bezdrátová část systému označovaná jako Radiový subsystém je jedinou částí GSM architektury, se kterou se můžeme běžně setkat. Je tvořen sítí základnových stanic rozprostírajících se po celém území pokrytém mobilním operátorem, množstvím BSC (Base Station Contoller) neboli řídících základnových stanic a mobilními terminály MS (Mobile Station) koncových uživatelů. Každý BSC řídí provoz několika desítek až stovek základnových stanic, které mají svůj identifikátor a jejich základním cílem je formovat buňky, v jejichž dosahu se pohybují koncoví uživatelé.

MS (Mobile Station)
Pod pojmem mobilní stanice si lze představit především mobilní telefon nebo PCMCIA kartu do notebooku tzn. hardwarové zařízení přistupující do GSM sítě.
V současnosti mobilní telefony na poli koncových zařízení převládají. Nedílnou součástí každého mobilního telefonu je SIM karta (Subscriber Identity Modul), kterou uživatel získá od mobilního operátora obsahující celou řadu důležitých identifikátorů, algoritmů a zabezpečovacích prvků. Za zmínku stojí PIN kód (Personal Identity Number), jenž je nutné zadat při přístupu k mobilnímu telefonu, PUK kód (Personal Unblocking Key) pro případ 3x nesprávně zadaného PIN kódu, osobní ověřovací klíč, autentizační algoritmus a algoritmus pro tvorbu šifrovacího klíče, mezinárodní identifikační kód uživatele (IMSI -- International Mobile Subscriber Identity).
Kromě statických informací se v průběhu komunikace s GSM sítí ukládá na SIM kartu i řada dynamických údajů jako dočasný identifikátor účastníka TMSI (Temporal Mobile Subscriber Identity), identifikátor aktuální buňky, ke které je uživatel připojen nebo číselný kód oblasti (LAI -- Location Area Identification).
Na trhu je celá řada tvarově i funkčně odlišným mobilních telefonů, jejichž výbava kolísá především v závislosti na ceně. Zatímco nejlevnější terminály umožňují uživateli jen základní funkce jako přijímání a odesílání SMS zpráv, realizaci telefonních hovorů, jednoduchý omezený seznam kontaktů, psaní poznámek, kalkulačku apod., dražší zařízení, jejichž cena mnohdy překročí i 10 000 Kč, mívají zabudovaný operační systém, implementovánu Javu, podporují různé datové technologie jako GPRS, EDGE nebo dokonce duální režim s UMTS, disponují propracovaným grafickým prostředím, nezřídka jsou vybaveny fotoaparáty, mp3 přehrávačem nebo jednoduchou videokamerou. Pro nejbohatší jedince planety světoznámí designéři představili i opravdové perly mezi mobilními telefony, jejichž cena se pohybuje i v milionových částkách. V nabídce se tak objevují telefony z afrického dřeva poseté diamanty a zdobené zlatem.


Každé koncové zařízení z jakékoliv cenové kategorie má integrován kodér/dekorder hlasového signálu, modulátor/demodulátor, mikroprocesor, paměti RAM, ROM a celou řadu dalších komponent zajišťujících bezproblémovou komunikaci v rámci GSM systému. Nezbytnou součástí mobilní stanice je rovněž jedinečný mezinárodní identifikační číselný kód IMEI (International Mobile Equipment Identity), který lze použít k zablokování mobilního terminálu v případě loupeže nebo ztráty, a šifrovací algoritmus.

BTS (Base Transciever Station)

Vysoké kovové či betonové konstrukce čnějící nad úrovní krajiny obsypané sektorovými a směrovými anténami, zesilovači signálu se staly běžnou součástí našeho životního prostředí.
Každá základnová stanice je identifikována v systému prostřednictvím číselného kódu zasílaným v pravidelných intervalech směrem k mobilním uživatelům skrze broadcastové kanály. Formuje dle specifikace buňku velikosti několika stovek metrů až desítek kilometrů a podílí se tak na pokrytí území spravovaném daným operátorem. Jejím úkolem je provádět časovou a frekvenční synchronizaci, řídit HO mezi sektory buňky, měřit kvalitu signálu v přenosových kanálech a samozřejmě zpřístupnit GSM koncovým uživatelům.
Starší BTS jsou vybaveny dvojicemi sektorových antén zahrnujících jednu kombinovanou anténu a přijímající anténu s diversitním příjmem s prostorovým výběrem. Novější BTS disponují pouze jednou kombinovanou anténou s diversitním příjmem založeném na polarizačním výběru. Pro efektivnější práci s přiděleným frekvenčním spektrem operátoři dělí jednotlivé buňky na tři nebo šest sektorů. Pro každý sektor je následně potřeba umístit na konstrukci BTS další přijímající/vysílající anténu nebo dvojici antén. Zatímco sousední buňky se více či méně překrývají, hranice sektorů musí být ostré, aby nedocházelo k interferencím.
Kromě sektorových antén jsou součástí konstrukce základnové stanice také směrové paraboly mikrovlnného spojení zprostředkovávající komunikaci s řídící základnovou stanicí. Velikost směrových parabol se pohybuje kolem 30, 60 nebo 120 cm. Obecně platí, že čím větší je vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem signálu, tím je potřeba použít větší průměr směrové antény. Jejich kapacita se pohybuje od 2 Mb/s výše. S rostoucím zatížením sítě a novými přenosově náročnými aplikacemi by tato kapacita nemusela v budoucnu dostačovat. Potencionálním řešením by bylo vybudovat novou BTS stanici nebo změnit typ bezdrátového spojení. Již dnes se spekuluje o možné náhradě mikrovlnného spoje bezdrátovou optikou FSO (Free-Space Optics), která zajišťuje dostatečnou přenosovou kapacitu na krátké vzdálenosti, je odolná vůči šumu a nepodléhá regulaci.
Anténní systémy lze nalézt na různých strategických místech. V hustě osídlených oblastech se povětšinou montují na již existující objekty. Lze je tak zahlédnout na komínech, střechách výškových budov, silážních věžích, vodojemech apod. Ve volném prostranství kolem dálnic, na kopcích, kde se nenachází žádné vhodné objekty pro namontování antén, musí operátoři získat stavební povolení a postavit speciální konstrukci zpravidla betonový sloup nebo příhradovou konstrukci (viz. sloupy vysokého napětí).
V těsné blízkosti každé základnové stanice je umístěn i klimatizovaný kontejner s veškerou elektronikou. Uvnitř lze nalézt mimo jiné jednotku pro ovládáni mikrovlnného pojítka, transcievery v kabinetech, řídící jednotku s aktuálním softwarem a směšovače, které jsou spojeny s anténami.
Z důvodu nebezpečí výpadku dodávky elektrické energie umisťují mobilní operátoři k BTS i záložní zdroj schopný zajistit bezproblémový chod základnové stanice na několik hodin. Součástí nejdůležitějších BTS, přes které se napojují na BSC i jiné BTS, jsou i generátory elektrického proudu. Pro případ dlouhodobých výpadků mívají operátoři k dispozici i mobilní dieselové generátory. Na ochranu proti nezvaným návštěvníkům je v kabině implementováno několik zabezpečovacích prvků jako detektor pohybu nebo snímač otevřených dveří, který signalizuje dohledovému centru nepovolené vniknutí.
V současnosti jsou na území každého státu tisíce základnových stanic. Radikálním způsobem tak zasahují do rázu krajiny, což se samozřejmě nelíbí úřadům a ochranářům životního prostředí. Mobilní operátoři jsou proto nuceni přizpůsobit se jejich požadavkům. Kromě uzpůsobení barvy konstrukce (zelená v lese, šedá ve volném prostranství, bílo-červená pro lepší viditelnost pro letadla) nebo tvaru (umělý komín, borovice, posed) musí v chráněných krajinných oblastech sdílet stožáry apod.

BSC (Base Station Controller)
Řídící základnová stanice dohlíží na několik desítek mnohdy i stovek základnových stanic. Mezi její hlavní úkoly patří především přidělování a uvolňování kanálů, řízení kmitočtových přeskoků za pomoci matice FH (Frequency Hopping), handoveru mezi buňkami, zpracovávání informací o kvalitě signálu, vytváření synchronizačních rámců prostřednictvím MCLU (Master Clock Unit), šifrování a dešifrování signálu. Součástí řídící základnové stanice jsou databáze obsahující dostupné frekvence, seznamy frekvenčních přeskoků, povolené výkonnostní úrovně mobilních zařízení a také informace spojené s řízením handoveru.
BSC je napojena přes rozhraní A do fixní části sítě tzn. do Síťového a spínacího subsystému a skrze rozhraní Um na jednotlivé BTS. Z této skutečnosti vyplývá i klíčová úloha BSC, a to koncentrování mnoha nízko-kapacitních spojení od BTS a jejich přeposílání v nižším počtu MSC. Pro přizpůsobení bitové rychlosti mezi BTS a řídící jednotkou slouží speciální komponenta TRAU (Transcoder Rate Adaptor Unit) umístěná buď v BTS nebo BSC.

Network and switching subsystem (MSC, HLR/VLR, EIR)

Síťový a spínací subsystém se již nachází v pevné části GSM systému mobilního operátora. Je tvořen hardwarovými komponentami jako jsou switche, směrovače a databázovými servery. Hlavními komponentami jsou MSC, GMSC, HLR, VLR, EIR,SMSC nebo MMSC.

MSC (Mobile Switching Center)
MSC neboli sofistikovaná telefonní ústředna je prostřednictvím A rozhraní napojena na řídící základnové stanice, spravuje tak určitou geografickou oblast. Provádí handover mezi BTS v rozdílných BSS nebo základnovými stanicemi pod správou různých MSC, zajišťuje správné směrování telefonních hovorů, doručování SMS zpráv od koncového uživatele do SMSC (Short Message Service Center) a naopak, podporuje doplňkové služby apod.
Rozšířenou variantou MSC je GMSC (Gateway Mobile Switching Center) směrující telefonní hovory a data do jiných externích sítí, dále např. při navazování telefonního hovoru mezi dvěma účastníky (pevná linka -- mobilní telefon) je tato ústředna zodpovědná za získání speciálního čísla MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) z HLR, na jehož základě pak směruje hovor do MSC, ke kterému je mobilní uživatel aktuálně napojen.
Obecně platí, že jedno MSC je schopno zajistit provoz většího města i s jeho okolím, z čehož vyplývá, že mobilní operátoři ve své GSM síti implementují celou sadu těchto vzájemně propojených ústředen.

HLR (Home Location Register)
HLR je nejdůležitější a nejrozsáhlejší databází v mobilní síti operátora. Obsahuje veškeré relevantní informace o autorizovaných koncových uživatelích GSM. Kromě statických záznamů jako mezinárodní identifikační číslo (IMSI), mobilní číslo uživatele (MSISDN -- Mobile Station ISDN number), případně další telefonní číslo pro přesměrování telefonních hovorů, seznamu dostupných služeb je jeho součástí také řada dynamicky měnících se údajů např. identifikace VLR (SS7 adresa) nebo SGSN, ke kterému je MS aktuálně připojena, identifikace oblasti (LAI) případně roamovací číslo MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number). Mezi základní operace prováděné v rámci HLR patří vyhledávaní informací o koncových uživatelích, pravidelná aktualizace informací o poloze uživatele (načtení MSRN z VLR), kopírování dat do příslušného VLR, SGSN nebo naopak mazání dat z VLR při přesunu uživatele do jiné oblasti.
Někteří mobilní operátoři integrují do HLR i autentizační centrum (AuC), ačkoliv pro zajištění vyšší bezpečnosti je praktičtější umístění AuC jako samostatné entity.

VLR (Visitor Location Register)
VLR je obdoba HLR s tím rozdílem, že vždy obsahuje informace o uživatelích pohybujících se v dané oblasti pod správou MSC. Tato dynamicky měnící se databáze je přidružena k MSC. Jestliže se do této oblasti přihlásí nový uživatel, jsou automaticky do VLR nakopírována data z HLR tzn. IMSI, MSISDN, seznam dostupných služeb uživatele apod. Opustí-li uživatel oblast nebo je po určitý časový interval neaktivní (např. vypne mobilní zařízení) data jsou z VLR vymazána.

EIR (Equipment Identity Register)
Registr mobilních stanic je poměrně zajímavou entitou síťového a spínacího subsystému. V podstatě se jedná o databázi všech koncových mobilních zařízení pod správou daného mobilního operátora. Primárním klíčem v této databázi je mezinárodní identifikace koncového zařízení IMEI (Internacional Mobile Equipment Identity). Součástí EIR jsou tři seznamy/databáze: White list (správně fungující registrované mobilní stanice), Grey list (porouchané MS) a Black list (ukradené, ztracené MS).
Jestliže se koncovému uživateli MS ztratí, v horším případě mu ji někdo odcizí, má možnost svému operátorovi tuto skutečnost nahlásit, a to prostřednictvím telefonátu či internetových stránek. Operátor mobilní zařízení zařadí na Black list neboli seznam odcizených,ztracených MS. Tímto způsobem dojde k blokaci daného mobilního zařízení. Aby tento systém byl bezchybný, je potřeba synchronizace databází všech operátorů působících v dané oblasti. V opačném případě je možno do odcizeného mobilního zařízení vložit SIM kartu jiného mobilního operátora a MS nadále používat. V neprospěch tohoto způsobu ochrany mobilního zařízení působí také skutečnost, že ne všichni koncoví uživatelé o možnosti zablokováni MS mobilním operátorem vědí. Navíc není povinností operátora vlastnit EIR a podporovat tím blokace MS.

Operation subsystem (OMC, NMC, ADC, AuC)

Poslední částí GSM architektury je operační subsystém, jehož součástí je operační a řídící centrum (OMC), řídící dohledové centrum (NMC), administrativní centrum (ADC) a autentizační centrum (AuC). Mezi hlavní funkce OSS patří kontrola a údržba NSS a RNS, tarifikování, autentizace uživatelů apod.

OMC (Operation and Maintance Center)
Tato entita monitoruje provoz na sítí, vytváří reporty a statistiky jednotlivých komponent systému.

NMC (Network Monitoring and Control Center)
V síti každého mobilního operátora je speciální pracoviště, které dohlíží a je zodpovědně za správné fungování dílčích komponent systému. Jednotliví pracovníci mají k dispozici počítač, kde sledují daný segment sítě.
V případě jakéhokoliv problému je jejich úkolem najít co nejrychlejší a nejefektivnější způsob řešení. Tzn. je-li systémem detekována porucha, vygeneruje se tzv. trouble ticket, který je operátorovi dohledového centra k dispozici. Na základě typu problému ho, buď operátor centra vyřeší sám nebo trouble ticket přepošle na jiné pracoviště. Určitou množinu kolizí jsou technici operátora schopni vyřešit prostřednictvím počítače, zbylé řeší přímo na místě.
Součástí pracoviště jsou i velké ploché obrazovky zobrazující seznamy hlášení jednotlivých prvků sítě, geografické mapy území spravované daným operátorem, meteorologické mapy nebo grafy reprezentující určité vlastnosti entit sítě v čase např. zatížení. Provoz dohledového centra je nepřetržitý, tzn. 24 hodin denně 7 dní v týdnu.

ADC (Administrative Center)
Administrativní centrum zodpovídá za správné účtování poplatků zákazníkům operátora, ať již za telefonní hovory, SMS zprávy nebo přenos dat.

AuC (Authentication Center)
Autentizační centrum má na starosti správnou autentizaci uživatele v síti. Obsahuje mimo jiné autentizační algoritmus (standardně algoritmus A3), algoritmus pro generování šifrovacího klíče A8, jednoznačnou identifikaci koncových uživatelů IMEI a jejich osobní přístupový klíč. Na výzvu z VLR generuje tzv. triplet tvořen náhodně vygenerovaným číslem RAND, správnou odpovědí SRES a šifrovacím klíčem. Tato trojice je zaslána HLR. Hodnoty získané od AuC jsou následně porovnány s hodnotami vygenerovanými koncovým zařízením. V případě shody je uživatel úspěšně autentizován.
AuC pro zajištění vyšší bezpečnosti může figurovat jako samostatná komponenta systému nebo jako součást HLR.

Základní principy mobilních služeb

Většina uživatelů si vůbec neuvědomuje kolik jednotlivých dílčích kroků je potřeba uskutečnit dříve než dojde k realizaci klasického telefonního hovoru. Handover, roaming považujeme v dnešní době za samozřejmost, co se ale ve skutečnosti za těmito pojmy skrývá? S jakou přesností je mobilní operátor schopen lokalizovat určitou osobu? Jak policejní složky odhalují telefonní čísla inkriminovaný osob s předplacenými kartami? Nejen na tyto otázky se pokusí odpovědět následující kapitoly.

Princip navázání telefonních hovorů

Technologii navázání spojení mezi dvěma účastníky telefonního hovoru lze ilustrovat na dvou jednoduchých příkladech:
1) pevná linka -- mobilní stanice
2) mobilní stanice -- pevná linka

ad1) Jestliže uživatel telefonuje z pevné linky uživateli MS předchází samotnému navázaní spojení celá řada dílčích kroků. Po vytočení telefonního čísla síť zjistí, že hovor bude směrován do sítě mobilního operátora. Na základě identifikačního kódu operátora, jenž je obsažen v telefonním čísle volaného, kontaktuje daný GMSC a příslušný HLR. V něm dojde k ověření, zda má volaný dostupnou službu telefonních hovorů. Jeho povinností je rovněž zjistit aktuální MSC, ke kterému je uživatel napojen. MSC může být na území daného mobilního operátora nebo v síti některého z roamingových partnerů. Potřebné informace tzn. MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) jsou následně z aktuálního VLR předány HLR a GMSC, které se přímo napojí na cílové Mobile Switching Center. Úkolem této digitální ústředny je nyní zjistit ve VLR dostupnost mobilní stanice. V případě, že je dostupná, provádí paging signálu do všech BTS v BSS v oblasti spravované daným MSC. V okamžiku, kdy ústředna zaznamená odezvu od MS, VLR může provádět bezpečnostní nastavení, následně kontaktovat MSC, které se již postará o ustanovení spojení.
Není-li volaná stanice dostupná (jiný telefonní hovor) MSC směruje hovor na předdefinované CFB číslo (Call Forward Busy). Další situace, kdy MSC přesměruje telefonní hovor na jiné telefonní číslo, nastává v případě, kdy volaný uživatel nezvedá mobilní telefon po určitou dobu (standardně 30 s). Pro tento případ bylo předdefinováno číslo CFNRy (Call Forward no Reply ) V závislosti na implementaci mobilního operátora a nastavení daného uživatele může být na tomto čísle dostupná např. hlasová schránka dovolující zanechat volanému hlasovou zprávu. Jinou možností je spuštění automatické zprávy nahrané mobilním operátorem informující volajícího o nedostupnosti volaného uživatele.
Při navazování spojení může být cílová mobilní stanice nedostupná ihned (vypnutá, mimo dosah signálu), nelze ji lokalizovat. Úkolem HLR je pak předat GMSC číslo zvané CFNRc (Call Forward Not Reachable), na kterém je dostupná hlasová schránka nebo nahráno mobilním operátorem sdělení informující volajícího o nedostupnosti uživatele.
Posledním zajímavým případem je situace, kdy má volaný účastník aktivovanou doplňkovou službu přesměrování telefonního hovoru. Přesměrování se může týkat všech telefonních čísel nebo jen určité skupiny telefonních čísel. Obecně lze rozeznat dva druhy přesměrování, a to nepodmíněné neboli automatické a podmíněné, které je realizováno jen v určitých případech např. když je mobilní stanice nedostupná (vypnutá, mimo dosah signálu) nebo je právě uskutečňován jiný telefonní hovor či nikdo mobilní telefon nezvedá. Každopádně v HLR je uloženo kromě klasických záznamů také další telefonní číslo, na které má být telefonní hovor směrován. Po předání tohoto čísla GMSC následují všechny potřebné kroky k nalezení nového cíle.

ad2) MS vydá požadavek o navázaní spojení prostřednictvím řídícího kanálu Random Access Channel. Aktuální MSC ověří ve VLR, zda má MS právo realizovat telefonní hovor. V případě, že uživatel vlastní předplacenou kartu, je potřeba zkontrolovat výši kreditu. Je-li nulový nebo dokonce záporný, žádost o navázání telefonního hovoru je automaticky zamítnuta. V případě dostatečné výše kreditu je možno pokračovat v navázání telefonního hovoru. MSC zkontroluje dostupnost cílové stanice skrze GSM a PSTN (Public Switched Telephone Network). Je-li dostupná, komunikační kanál mezi účastníky telefonního hovoru je ustanoven.

Lokalizace a odposlechy mobilní stanice

Mobilní operátor, jenž chce co nejpřesněji lokalizovat mobilní stanici, se může nacházet ve dvou výchozích situacích:
a) zná telefonní číslo uživatele nebo nějaký jeho identifikátor, na jehož základě lze MS snadno lokalizovat
b) nezná žádný předem známý identifikátor, uživatel je anonymní (vlastní předplacenou SIM kartu)

ad a) Mobilní operátor ve svém HLR vyhledá např. s pomocí MSISDN (kód země + kód operátora + číslo zákazníka) záznam s informacemi o hledaném uživateli. Kromě statických informací (jméno, příjmení, seznam dostupných služeb...) je součástí tohoto záznamu řada podstatných údajů pro následnou lokalizaci jako ss7 adresa VLR nebo kód oblasti, ve které se uživatel aktuálně vyskytuje. Dále identifikuje příslušnou BTS. Na základě časové synchronizace (výzva x odpověď) v dané buňce je operátor již nyní schopen lokalizovat mobilního uživatele s přesností větší než je 550 m. Pro dosažení podstatně lepších výsledků je vhodné spustit časovou synchronizaci ne v jedné BTS ale i v BTS okolních, se kterými by MS mohla potencionálně komunikovat. Odpoví-li na výzvu alespoň tři základnové stanice, zobrazí se na digitální mapě průsečík určující polohu hledaného mobilního uživatele s přesností mnohdy menší než je 60 m.
ad b) V této situaci je klíčovou fáze vyhledání telefonního čísla, díky kterému lze danou stanici dále sledovat, odposlouchat apod. K tomuto účelu jsou využívány mobilní BTS stanice, které na sebe v dané oblasti přesměrují veškerý provoz, zpracují ho, vyhodnotí a dále předají opět statickým BTS. Výsledkem je nalezení hledaného telefonního čísla. Pořizovací cena takovéhoto zařízení se pohybuje milionových částkách. V praxi s ním disponují především bezpečnostní orgány jako policie.
I v České republice policisté vlastní několik mobilních základnových stanic se souhrnným názvem Agáta. Jedná se o dodávku běžného typu jako Ford Transit nebo VolksWagen Transporter nikterak označenou, která ve svém nitru skrývá parabolickou anténu a počítačovou techniku. Agáta slouží k identifikaci telefonního čísla podezřelé osoby, přesnější lokalizaci MS (údajně na metry v hustě osídlených oblastech a centimetry ve volnějším prostranství), ke sledování MS a při použití speciální techniky také k odposlechům.

Nejen telefonní hovory ale také SMS nebo MMS zprávy se staly klíčovými prostředky v řadě soudních kauz. Co ale předchází jejich použití jako důkazního materiálu?
Např. chce-li vyšetřovatel odposlouchávat určitou osobu, musí získat soudní povolení. Na základě tohoto povolení kontaktuje Útvar zvláštních činností, jenž působí jako prostředník mezi vyšetřovacími orgány a fixními nebo mobilními operátory. Tento útvar požádá operátora o odposlech inkriminované osoby nebo skupiny osob. Daným způsobem začíná nahrávání telefonních hovorů na specializovaném pracovišti operátora, z kterého jsou následně příslušná data přeposílána prostřednictvím Útvaru pro zvláštní činnosti vyšetřovateli speciální linkou nebo vypalována na CD. Další možností odposlechu je výše zmiňovaný systém Agáta.

Handover

Situace, kdy dochází k přechodu MS mezi kanály jednotlivých buněk nebo jedné buňky se obecně označuje pojmem handover (HO) nebo handoff (v Severní Americe).

Obecně lze handover rozdělit dle několika kriterií:
a) podle průběhu procesu, kdy dochází k přepnutí mezi jednotlivými kanály se dělí na hard, soft (softer) a seamless handover blíže viz. kapitola Handover v UMTS.
b) podle toho, která část systému provádí měření kvality signály, rozhoduje o případném přepnutí a následně jej řídí lze rozlišit další tři typy handoveru: sítí řízený HO, mobilní stanicí řízený HO a sítí řízený HO s asistencí mobilní stanice.

Ad a) Síť GSM je ukázkovým příkladem hard neboli frekvenčního handoveru, kdy je mobilní stanice odpojena ze svého původního kanálu a následně přepojena na kanál nový. V průběhu tohoto přepojení stanice není napojena ani na jeden kanál, což samozřejmě představuje určité riziko v případě, že mobilní stanice přijímala nebo odesílala data. Ačkoliv samotná doba přepojení je necelých 100 ms, i přesto hrozí ztráta přenášených informací.

Ad b) Sítí řízený handover (Network Controlled HO) našel své uplatnění především v analogových systémech. O celkový průběh handoveru, tzn. měření kvality signálu, zpracování hodnot měření, rozhodnutí o handoveru a následné realizaci rozhoduje, jak již název napovídá, samotná síť. Mobilní stanice je jen tichým účastníkem HO, který se nikterak na měření ani rozhodování nepodílí.
V případě, kdy mobilní zařízení společně se základnovou stanicí provádí měření kvality signálu v dostupných kanálech a kdy zároveň o rozhodnutí, zda HO realizovat či ne, rozhoduje mobilní stanice se nazývá Mobilní stanicí řízený handover (Mobile Controlled HO). Ačkoliv mobilní stanice měří kvalitu signálu a rozhoduje o provedení HO, samotná realizace je na síti. S tímto typem HO se lze setkat např. u standardu bezšňůrových telefonů DECT.
Poslední typ handoveru tzv. Sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice (Mobile Assisted HO) našel své uplatnění i v GSM. V tomto případě mobilní stanice v pravidelných intervalech měří sílu signálu společně s výskytem chyb (BER) nejen na kanále, ke kterému je aktuálně připojena, ale i na všech dostupných kanálech okolních základnových stanic. Ve své paměti si uchovává seznam šesti nejlepších kandidátů na HO. Na měření kvality signálu se podílí také základnová stanice. Rozhodování a realizace HO je plně v rukou sítě.

Handover v GSM
Intra-cell HO -- přechod mezi kanály jedné buňky v případě, např. když na jedné frekvenci dochází k rušení.
Intra-BSC HO -- přepnutí mobilního zařízení mezi kanály BTS pod patronátem jedné řídící základnové stanice.
Inter-BSC HO -- handover mezi dvěma BTS, kdy každá je pod správou jiné řídící základnové stanice, přechod je řízen společným MSC (Mobile Switching Center).
Inter-MSC HO -- handover mezi dvěma BTS, každá leží na území jiného MSC.

První dva typy HO jsou označovány jako interní, neboť jsou řízeny jen řídící základnovou stanicí, MSC je pouze informováno o dokončení přechodu. Na druhé straně poslední dva typy GSM HO neboli externí HO jsou realizovány již za účasti MSC.
Naměřené hodnoty síly signálu jsou dány na vstup algoritmu, který rozhoduje o konkrétní realizaci HO. V mobilních sítích se používají obecně dva typy algoritmů. První z nich upřednostňuje zvýšení výkonu mobilních stanic před handoverem. Tento algoritmus je jednodušší a častěji používaný. Jestliže síla signálu klesne pod určitou úroveň, automaticky zvýší výkon koncových zařízení, čímž může způsobit interference v okolních buňkách. Nedojde-li ani v tomto případě ke zlepšení signálu, je realizován HO. Druhý algoritmus dává přednost HO při snížení kvality signálu pod určitou hranici. Redukuje interference, je efektivnější, ale také daleko složitější.

Příklad Intra-BSC HO:

Koncové uživatelské zařízení a BTS zasílá v pravidelných intervalech informace o kvalitě signálu. Řídící základnová stanice tyto informace přijímá a zpracovává, zároveň průměrné naměřené hodnoty srovnává s prahovou hodnotou (HO_MARGIN).V našem případě tato hodnota byla překročena a BSC (Base Station Controller) rozhodl o realizaci HO. BSC tedy kontaktuje novou základnovou stanici a uvolní kanál pro nově příchozí mobilní zařízení. Toto zařízení se odpojí z kanálu staré BTS a napojí se na kanál nový. Původní kanál je uvolněn. Mobilní zařízení se tak dostává pod správu nové BTS.

Přenositelnost mobilních čísel

Přenositelností je označován přechod od jednoho mobilního operátora k druhému mobilnímu operátorovi bez jakékoli změny telefonního čísla.
Chce-li koncový uživatel přenést své telefonní číslo, musí navštívit svého budoucího operátora, který je zodpovědný za vytvoření objednávky přenesení a vygenerování jedinečného číselného identifikačního kódu pro daného uživatele. Dalším nezbytným krokem je navštívení stávajícího mobilního operátora, jenž ověří, zda uživatel může své číslo přenést tzn. nemá vůči aktuálnímu operátorovi žádné závazky. Je-li vše v pořádku, nic nebrání tomu, aby si uživatel u svého budoucího operátora zvolil nový tarifní program a získal SIM kartu do mobilního telefonu. Samotné číslo bude převedeno v nejbližším možném termínu, přičemž v tento den dojde mezi půlnocí a 2. h ranní k deaktivování SIM karty od původního mobilního operátora a do 6. h ráno k aktivaci SIM karty nové. V inkriminované době budou přenastaveny směrovací informace, tak aby daný uživatel mohl bezproblémově využívat veškeré služby se stejným telefonním číslem u nového operátora. Celková procedura přenesení může trvat od několika dnů až po několik týdnů v závislosti na spolupráci uživatele a operátorů.
Se zavedením přenositelnosti mobilních čísel není již možné jednoznačně identifikovat operátora na základě přiděleného předčíslí mobilního čísla. Existuje však několik zaručených způsobů, jak zjistit, ke kterému mobilnímu operátorovi mobilní číslo aktuálně patří, a to prostřednictvím SMS zprávy zaslané na určité telefonní číslo nebo skrze zadání telefonního čísla na internetových stánkách operátorů či přímého zavolání na dané telefonní číslo, kdy v případě přenesení čísla se automaticky spustí hlasové oznámení upozorňující na přenesení čísla. Konkrétní dostupný způsob zjištění však záleží na implementaci operátora.
Cena za přenesení telefonního čísla je pro koncového uživatele spíše symbolická. Nesrovnatelně vyšší poplatky jsou však účtovány mezi zúčastněnými operátory, kdy přejímající operátor platí určitou sumu bývalému operátorovi, od kterého koncový uživatel odchází. I samotné zavedení přenositelnosti v mobilních sítích operátory stojí nemalé peníze, neboť je potřeba vytvořit a dále spravovat společnou centralizovanou databázi přenášených čísel.

Bezpečnost

V mobilních systémech jako GSM lze rozlišit několik bezpečnostních prvků, a to autentizaci uživatele, zajištění důvěrnosti uživatele, generování šifrovacího klíče a šifrování dat. Bezpečnostní mechanizmy jsou implementovány, jak na straně uživatele prostřednictvím SIM karty a mobilního zařízení, tak na straně GSM sítě, kde bázový bezpečnostní systémový element je Autentizační centrum.
Mezi bezpečnostní prvky uložené na SIM kartě patří PIN kód, PUK kód, jednoznačné identifikační číslo účastníka IMSI a TMSI, algoritmus pro generování šifrovacího klíče, algoritmus pro autentizaci a osobní ověřovací klíč. Šifrovací algoritmus je součástí koncového zařízení.

Důvěrnost uživatele
IMSI (International Mobile Subscriber Identity) jednoznačně identifikuje uživatele GSM. Toto číslo není náhodně generováno, má pevnou strukturu. Skládá se ze tří částí, a to kódu země, operátora a identifikace mobilní stanice. Prostřednictvím IMSI jsou uživateli zpřístupněny služby v GSM. Aby nedošlo k zneužití, je potřeba co nejméně tuto identifikaci zasílat do sítě přes rádiové rozhraní. Z tohoto důvodu je v GSM IMSI posílané vždy jen při prvním přístupu mobilního telefonu do systému. Pro zpřístupnění jiných služeb je aktuální ústřednou generováno dočasné pomocné identifikační číslo TMSI (Temporal Mobile Subscriber Identity). Dostane-li se uživatel mimo dosah dané ústředny, číslo je z ní vymazáno a nová ústředna automaticky vytváří a zasílá identifikaci novou. Obecně je TMSI zasláno mobilní stanici až po autentizaci uživatele a šifrovacích procedurách.

Autentizace
Samotná autentizace uživatele je realizována prostřednictvím mechanizmu challenge-response neboli výzva a odpověď. Autentizační centrum, které bývá součástí HLR nebo se vyskytuje jako samostatná entita systému, vygeneruje náhodné 128 bitů dlouhé číslo RAND. Mobilní stanice na základě tohoto čísla vypočítá 32 b odpověď SRES. K tomuto účelu použije autentizační algoritmus A3, jehož vstupem je osobní ověřovací klíč uživatele a RAND. Výsledné SRES zasílá MS AuC k ověření.
Autentizační centrum má k dispozici stejný autentizační algoritmus jako mobilní stanice. Na základě IMSI účastníka vyhledá potřebný ověřovací klíč, který dá na vstup algoritmu společně se stejným náhodně vygenerovaným číslem RAND. V konečné fázi se porovnává výsledek AuC s výsledkem výpočtu MS. Jsou-li shodné MS stanice je autentizována, v opačném případě je přístup MS zamítnut.

Tvorba šifrovacího klíče
Náhodné číslo RAND je jedním ze vstupů i dalšího algoritmu, jenž je součástí SIM karty, a to algoritmu pro tvorbu šifrovacího klíče. V GSM se běžně používá algoritmus A8. Jeho vstupem je opět osobní ověřovací klíč a RAND. Tímto způsobem je jak v MS tak v AuC vygenerován 64 bitový šifrovací klíč.

Triplet, distribuce šifrovacího klíče
Po úspěšné autentizaci a vygenerování šifrovacího klíče má autentizační centrum k dispozici trojici bezpečnostních čísel: náhodně vygenerované číslo RAND, SRES neboli výsledek zpracování autentizačního algoritmu a 64 bitový šifrovací klíč. Tento triplet je z Autentizačního centra překopírován do HLR. Při přístupu k jakékoli další službě je generován nově.
Proces distribuce šifrovacího klíče je zahájen VLR. Na jeho žádost je z HLR RAND zasláno uživatelskému terminálu, ten vygeneruje odpověď SRES a šifrovací klíč. VLR ověří správnost hodnot, které obdrží od MS. Souhlasí-li, je šifrovací klíč zaslán základnové stanici a může začít šifrování uživatelských dat.

Šifrování
Z logické architektury systému GSM vyplývá, že přenášené data jsou rozdělena a přenášena prostřednictvím burstů. Ne všechny bity burstů jsou ale šifrovány. Pouze u 114 b, ať již uživatelských nebo signalizačních, dochází k zašifrování.
V GSM je všeobecně používán šifrovací algoritmus A5 ve verzi 1 nebo 2. Verze 1, silnější varianta, byla vyvinuta již před rokem 1989 pro západní Evropu, verze 2 pro zbytek světa. Obecně vstupem šifrovacího algoritmu je šifrovací klíč a číslo TDMA rámce, výstupem pak jedna 114 b číselná posloupnost pro uplink a druhá stejné délky pro downlink. 114 b část burstů je s příslušným uplink nebo downlink číslem transformována do výsledného zašifrovaného signálu, který je v základnové stanici dešifrován a zaslán dále do sítě.
Možnost odposlechu mimo specializované pracoviště mobilního operátora není nemožné. Signál není celou svou cestu šifrován, ale pravděpodobnost zachycení a následného rozluštění signálu je pro laika takřka nemožné. Pro zajištění vyšší bezpečnosti existují na trhu mobilních zařízení mobilní telefony s přídavným šifrováním. Přenášený signál je pak zašifrován nejen prostřednictvím algoritmu A5, ale také jiným algoritmem. Dešifrovat takovýto signál je mnohem obtížnější. Za bezpečnost se ale platí, cena mobilních telefonů s přídavným šifrováním nezřídka kdy překročí i 100 000 Kč.

Nedostatky
Ačkoliv zabezpečení v GSM systému je nesrovnatelně na vyšší úrovni oproti systémům předcházející generace, i zde se dá nalézt celá řada nedostatků. Za zmínku stojí např. slabý autentizační a šifrovací algoritmus, krátká délka šifrovacího klíče (64 bitů = 54 bitů + 10 nulových bitů), absence autentizace sítě, chybějící kontrola integrity dat, přenos šifrovacích klíčů a parametrů autentizace v otevřené podobě uvnitř sítě nebo jakkoliv nechráněný přenos identifikačního čísla IMEI při přihlašování do sítě.

Datové přenosy uvnitř GSM

Systém GSM byl primárně koncipován pro přenos hlasu, avšak jeho tvůrci pamatovali i na přenos dat. Přenosové kanály, TCH/F14.4, TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4 a TCH/H4.8, TCH/H2.4, lišící se kanálovým kódováním, prokládáním, zabezpečením proti chybám, umožňují přenášet nejen hlasové signály, ale rovněž i data.
V GSM se lze setkat jak s přenosy založenými na přepojování okruhů tak s paketově orientovanými přenosy, a to díky technologiím CSD (nativní přenos dat, pouze v jednom timeslotu), HSCSD (rozšíření CSD na více timeslotů), GPRS (první pakety v GSM) a EDGE (rapidní zvýšení přenosové rychlosti díky nové technice modulace).

CSD (Circuit Switched Data)

Technologie CSD je založena na přepojování okruhů. Mezi příjemcem a odesílatelem se po dobu datového přenosu vyhradí přenosový kanál. Tento kanál zajišťuje dostatečnou kvalitu služeb, je ale udržován, i když mezi účastníky datového přenosu nedochází k výměně dat, což způsobuje neefektivitu využívání kapacity sítě.
Ačkoliv je hrubá přenosová rychlost v rámci jednoho timeslotu 33,8 kb/s, přenos dat prostřednictvím CSD je podstatně pomalejší. Výchozí rychlost 33,8 kb/s klesá díky režii na fungování sítě (handover, komunikace mezi komponentami...), jenž spotřebovává 11 kb/s, od zbylých 22,8 kb/s se také odečítá kapacita, kterou odebírají mechanismy zajišťující kódování a zabezpečení přenosu dat. Při dostatečně kvalitním signálu lze však oslabit robustnost zabezpečovacích technik a zvýšit tím přenosovou rychlost z 9,6 kb/s (standardní rychlost) na 14,4 kb/s, která tvoří maximální přenosovou rychlost dosahovanou touto technologií.
I přestože je tato technologie dostupná v rámci GSM systému bez jakýchkoliv softwarových nebo hardwarových zásahů, není v dnešní době příliš využívána a operátory GSM propagována. Hlavním důvodem je malá atraktivnost pro uživatele pro nízkou přenosovou rychlost a pro způsob tarifikace. Uživatel neplatí za množství přenesených dat, ale za dobu spojení.

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

V roce 1997 spatřil světlo světa nový standard HSCSD z dílen Evropské telekomunikační standardizační instituce. I tato technologie je založena na přepojování okruhů a nevyžaduje žádné hardwarové zásahy do systému GSM. Veškeré úpravy stávajícího systému jsou pouze softwarového rázu, z čehož vyplývá snadná implementovatelnost, rozšiřitelnost a nesrovnatelně nižší náklady ve srovnání např. se zaváděním technologie GPRS.
HSCSD standard vychází z přenosové rychlosti 9,6 kb/s nebo 14,4 kb/s v rámci jednoho timeslotu. Princip zvýšení rychlosti přenosu dat je v tomto případě velice snadný. HSCSD nemění ani kódování dat, modulaci nebo celkovou strukturu kanálů pouze začíná využívat pro přenos více než jeden přenosový kanál současně (několik timeslotů v jednom TDMA rámci). Princip přenosu dat tudíž spočívá v rozdělení datového toku do několika TCH kanálů, odeslání k příjemci a následném zkompletování do původní podoby. Tímto způsobem ale rychlost nelze zvyšovat donekonečna, neboť maximální počet použitých timeslotů je 8.
Při využití všech 8 timeslotů s přenosovou rychlostí 14,4 kb/s lze získat teoretickou maximální přenosovou rychlost, a to 115,2 kb/s. Naneštěstí systém GSM díky své struktuře dovoluje využít maximálně 4 timesloty současně, a tím klesá i maximální přenosová rychlost na 57,6 kb/s.
Zvýšení počtu kanálů s sebou nepřináší pouze zrychlení datových přenosů, ale rovněž zvýšení celkové režie přenosu (např. při handoveru, kdy dochází k uvolnění a rezervování kanálů pro každý kanál samostatně) a větší zatížení sítě (jeden uživatel užívající několik timeslotů).
Novinkou systému HSCSD je také práce v asymetrickém režimu (využití rozdílného počtu timeslotů pro uplink a downlink), díky kterému je možno alokaci timeslotů uzpůsobit potřebám konkrétního přenosu dat samozřejmě v závislosti na momentální dostupnosti patřičného počtu timeslotů v síti a schopnostech koncového zařízení.
HSCSD je novou technologií a chceme-li ji plně využívat je potřeba vlastnit i vhodné koncové zařízení. Díky asymetricitě přenosu dat specifikace HSCSD rozděluje koncové terminály do 18 tříd (viz. tabulka Třídy HSCSD) dle počtu timeslotů, s nimiž koncový terminál pracuje v downlink, uplink směru a hlavně v downlink+uplink směru současně. V praxi se objevují většinou zařízení třídy 4 (3+1) nebo třídy 6 (3+2). Maximální možné využití sítě naznačuje třída 18, kde je pro downlink vyhrazeno 8 timeslotů, stejně jako pro uplink.

TřídaRxTxCelkový počet současně použitých timeslotů
1112
2213
3223
4314
5224
6324
9325
10425
12445
13336
188816
3.16. Třídy HSCSD

Mnoho operátorů mobilní připojení skrze HSCSD do své nabídky potencionálního připojení k internetu nezahrnulo. Rovněž výrobci koncových zařízení nepovažovali tuto technologii za dostatečně revoluční, uživatelsky atraktivní, a proto ji neimplementovali. Způsob zpoplatnění je obdobný jako u CSD technologie -- uživatel platí za dobu připojení vynásobenou počtem užitých timeslotů.

GPRS (General Packet Radio Service)

Standard tzv. 2.5G, na jehož specifikaci se podílela ETSI, se poprvé objevil v GSM Release 97. Pod správou ETSI ale nezůstal dlouho, neboť již v roce 1998 jej tato organizace předala do rukou 3GPP (3rd Generation Partner Project).
GPRS technologie přináší do mobilního světa paketově orientované přenosy, jež byly doposud pouze doménou klasických IP pevných sítí.
Obecně základní koncepce systému GSM není tomuto novému typu přenosů uzpůsobena, proto operátoři zavádějící tuto technologii byli nuceni obohatit systém GSM o nové hardwarové komponenty pro zajištění správné funkcionality. Investice se jim však brzy vrátily. GPRS technologie se setkala s velkým úspěchem, dnes ji podporují veškeré mobilní terminály a je uživatelům dostupná kdykoliv a kdekoliv, kde je GSM pokrytí.

Paketový přenos dat

Paket je ve své podstatě malý balíček dat obsahující hlavičku a tělo s přenášenými daty. Má-li uživatel data určena k odeslání, rozkouskuje je na jednotlivé pakety před samotným přenosem a vyšle do sítě ke svému cíli, kde dojde k jejich následné kompletaci.
Paketově orientované přenosy nerezervují během přenosu dat přenosový kanál, tudíž nedochází k plýtvání kapacity sítě. Na druhou stranu spolehlivost doručení dat není 100%, rovněž rozptyl mezi pakety nelze nikterak garantovat. Celková přenosová rychlost značně kolísá. I přes tyto nevýhody je paketový typ přenosu dat oproti spojově orientovaným přenosům mnohem vhodnější pro aplikace s asymetrickým charakterem jako je např. Internet.
Díky technologii GPRS se paketové přenosy konečně objevují i ve světě mobilních sítí, kde sebou přináší i nový způsob tarifikace. Uživatelé neplatí za dobu spojení viz. u technologie CSD nebo HSCSD, ale za množství přenesených dat.

Základní koncepce GPRS v rámci GSM

GPRS architektura představuje celou řadu nových komponent začleněných do již existující GSM sítě. Za zmínku stojí GGSN (Gateway GPRS Support Node), SGSN (Serving GPRS Support Node), GR (GPRS Register) nebo PCU (Packet Controller Unit).


GGSN: bázový směrovač mezi GPRS sítí a externími paketově orientovanými sítěmi, zajišťuje směrování informací, konverzi adres, enkapsulaci dat apod.
SGSN: servisní jednotka sledující polohu jednotlivých GPRS uživatelů, počítají množství přenesených dat, provádějící tarifikaci, zajišťující základní bezpečnostní funkce...
GR: databáze uživatelů GPRS, obvykle bývá součástí HLR, obsahuje veškerá relevantní data týkající se GPRS
PCU: speciální jednotka, jež je součástí BSC, identifikuje a řídí paketový provoz v bezdrátové části GSM sítě

Bázový princip přenosu dat

Před samotným přenosem dat je zapotřebí registrace koncového zařízení do sítě. Součástí této procedury je ověření, zda má daný uživatel právo využívat GPRS, zkopírování jeho profilu z HLR do SGSN a přiřazení dočasného identifikátoru TLLI (Temporary Logical Link Identity) spolu s šifrovacím klíčem CKSN (Ciphering Key Sequence Number).
Mobilní stanice a příslušný SGSN si uloží tzv. GPRS context zahrnující směrovací informace (TLLI, kód kanálu, kód BTS, identifikátor Routing Area- RA), CKSN, informace o stavu mobilní stanice a příznak indikující použití komprese.
Z důvodu zajištění správné funkcionality paketově orientovaných přenosů dat byl do stávajícího GSM systému přidán nový přenosový kanál PDCH (Packet Data Traffic Channel) a řídící kanál PACCH (Packet Associated Control Channel), jímž jsou přenášeny veškeré relevantní informace spjaty s přenosem. Každý z těchto kanálů je rozdělen v čase na jednotlivé timesloty, přičemž 8 timeslotů tvoří jeden TDMA rámec. Počet timeslotů alokovaných pro daný přenos dat není závislý jen na momentálním zatížení sítě, ale také na třídě koncového zařízení

Problematika kódovacích schémat

Ať se pohybujeme v oblasti pevných nebo mobilních sítí, data je vždy potřeba patřičným způsobem kódovat.
GPRS pracuje celkem se čtyřmi kódovacími schématy (viz tabulka Kódovací schémata GPRS). Schéma je vybíráno automaticky v závislosti na kvalitě přenosového prostředí. Pro srovnání CS-1 nabízí nejnižší přenosovou rychlost a zároveň nejvyšší úroveň zabezpečení díky použité redundanci, narozdíl od nejvyššího kódovacího schématu CS-4 umožňujícím nejrychlejšími datovými přenosy na úkor zabezpečení.

Kódovací
schéma
1 slot 2 sloty 3 sloty 4 sloty 5 slotů 6 slotů 7 slotů 8 slotů
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
4.2. Kódovací schémata GPRS

Samotný přenos dat s použitím kódovacích schémat vypadá následovně: LLC (Logical Link Control) rámec je rozdělen na jednotlivé datové jednotky. Velikost této jednotky závisí na použitém kódovacím schématu. Jestliže přijímač není schopen rozeznat RLC blok dat nesoucí tyto datové jednotky, musí dojít k jeho retransmisi. Nastala-li změna přenosových podmínek nebo vyskytla-li se nějaká chyba, přijímač není schopen správným způsobem dekódovat RLC blok, což představuje určitý problém, který systém GPRS neumí řešit.

Ilustrační příklad(GPRS):
Mobilní stanice a BTS v pravidelných intervalech provádí měření kvality signálu. Tyto informace jsou dále zpracovávány a vyhodnocovány sítí. Na jejich základě Síťový adaptační algoritmus v BSC provádí výběr vhodného kódovacího schématu pro následující RLC blok (4bursty). Zvolí například CS-4. V průběhu přenosu RLC bloku dojde k výraznému zhoršení kvality přenosového prostředí. Mobilní stanice příjme RLC blok a zasílá do sítě další report mapující současné přenosové podmínky plus informace o stavu doručených paketů (např. paket 1 a 4 nebyl doručen správně).
Síť vyhodnotí přenosové podmínky, BSC zvolí nižší kódové schéma lépe vyhovující daným podmínkám a následné pakety pošle kódovány s CS-2. Zároveň však musí opětovně zaslat pakety 1 a 4 kódovány původním CS-4 neboť GPRS neumí provést automatickou změnu kódování přizpůsobující se novým přenosovým podmínkám, což sebou přináší vysokou pravděpodobnost opětovného nesprávného přijetí paketu přijímačem.
Řešení tohoto dosti důležitého problému přináší až pokročilejší technologie EDGE.

Třídy koncových zařízení

Pro příjem dat přes GPRS je potřeba patřičně upravit i mobilní terminály. Proto obdobně jako u HSCSD je specifikováno několik tříd mobilních zařízení lišících se počtem potencionálně alokovaných timeslotů určených pro příjem a odesílání dat (viz tabulka Multislot třídy GPRS zařízení). Pro dnešní MS je typická třída 10, kdy jsou pro downlink vyhrazeny 4 timesloty, pro uplink 2 timesloty a současně je možno použít 5 timeslotů pro uplink+downlink.

Třída Downlink
sloty
Uplink
sloty
Maximální
počet slotů
1 1 1 2
2 2 1 3
3 2 2 3
5 2 2 4
8 4 1 5
10 4 2 5
12 4 4 5
4.3. Multislot třídy GPRS zařízení

Podíváme-li se na koncová zařízení z jiného úhlu pohledu, a to dle schopnosti pracovat s hlasem nebo s daty, můžeme rozlišit tři třídy/kategorie.

Class A -- Mobilní stanice může současně pracovat jak s daty tak s hlasovými přenosy, což do jisté míry stanovuje požadavek, aby daná stanice využívala dvě frekvence. Vývojáři koncových zařízení se ale snaží tento nepříjemný fakt obejít, a to s pomocí tzv. DTM módu (Dual Transfer Mode). Za spolupráce sítě stanice může uskutečnit hlasový i datový přenos současně, aniž by data a hlas byly přenášeny na různých frekvenčních kanálech. Zařízení se schopností DTM a především sítě podporující režim v DTM by se měly objevit v průběhu roku 2007.
Class B -- Většina dostupných koncových zařízení spadá do této kategorie. Jestliže koncový terminál v daný okamžik realizuje telefonní hovor nebo přijímá/odesílá SMS, je GPRS přenos dat pozastaven, jakmile se tel. hovor nebo přijetí/odeslání SMS dokončí, automaticky dochází k obnovení GPRS přenosu.
Class C -- Koncové zařízení pracuje buď s GSM nebo s GPRS, nikdy současně. S tímto zařízením tedy lze přijímat telefonní hovory, SMS zprávy bez možnosti realizace datových přenosů anebo naopak.

Přenosová rychlost

Hodnota výsledné přenosové rychlosti je závislá na celé řadě faktorů. Svou roli zde sehrává zatížení sítě, nastavení počtu timeslotů na straně mobilního operátora, které lze použít pro GPRS, kvalita signálu s tím související volba vhodného kódovacího schématu a samozřejmě třída koncového zařízení.
Teoretická maximální přenosová rychlost při alokaci všech 8 timeslotů a přenosu s kódovacím schématem CS-4 se pohybuje kolem 171,2 kb/s. Reálná přenosová rychlost je podstatně nižší, odvíjí se především dle aktuálních přenosových podmínek. Jelikož mobilní zařízení třídy 10 umí pracovat současně jen s 4 timesloty v downlik směru, přenosové podmínky často odpovídají spíše nasazení kódovacího schématu CS-2 nebo CS-3 než CS-4, pohybuje se průměrná přenosová rychlost v širokém rozmezí mezi 40 -- 70 kb/s v downlink směru a přibližně 20 -- 40 kb/s v uplink směru. Neduhem GPRS technologie je vysoká latence (cca 400 -- 1000 ms) znemožňující hraní online her, videohovory apod.
Mobilní operátoři se ale snaží vyjít svým zákazníkům vstříc a nabízí zdarma ke stažení speciální programy komprimující data v obou směrech, čímž dochází k radikálnímu zvýšení rychlosti načítání a rovněž k úspoře přenášených dat.


Kvalita služeb

V pozdějších fázích vývoje GPRS byly implementovány i tři QoS (Quality of Service) profily dávající určitou představu o spolehlivosti, zpoždění a přenosové rychlosti přenosového kanálu. Rozdělení do jednotlivých tříd je definováno na základě kombinací pravděpodobnosti výskytu chyby, duplikování, ztráty nebo změny pořadí doručení servisní jednotky SDU (Serving Data Unit) - viz. tabulka Třídy spolehlivosti.
1.třída představuje nejmenší pravděpodobnost výskytu jakékoliv chyby, proto je vhodná pro aplikace citlivé na chyby, jež neumí samy zajistit opravy případných chyb. Protipól samoopravné aplikace provádějící případné korekce samy jsou určeny pro použití v rámci 3. třídy, která se vyznačuje nejvyšší pravděpodobností výskytu chyb.

Třídy spolehlivosti Pravděpodobnost ztráty SDU Pravděpodobnost duplikace SDU Pravděpodobnost přijetí SDU mimo pořadí Pravděpodobnost poškození SDU
1 10-9 10-9 10-9 10-9
2 10-4 10-5 10-5 10-6
3 10-2 10-5 10-5 10-2
4.5. Třídy spolehlivosti

Využití GPRS

Mezi nevýhody systému GPRS patří do jisté míry negarantovatelná přenosová rychlost, jež značně kolísá v závislosti na momentálním zatížení sítě. Teoreticky může být i nulová, operátoři se však snaží ve svých sítích vyhradit minimálně jeden timeslot v buňce pro zajištěni alespoň minimální přenosové rychlosti. Maximální přenosovou rychlost nikterak neomezují.
V neprospěch GPRS hovoří také skutečnost, že datové přenosy skrze tuto technologii mají nejnižší prioritu.
Systém GSM byl navržen primárně pro přenos hlasu a tato koncepce je zachována i v prioritní hierarchii, kde první příčku zaujímají nouzová volání, která lze uskutečnit i bez SIM karty, dále klasické telefonní hovory, přenos dat skrze spojově orientované technologie jako CSD nebo HSCSD a poslední místo jsou ony paketově orientované přenosy a tudíž i GPRS.
Dalším neduhem je občasný výpadek připojení, kdy je následně nutné restartování. Některé mobilní telefony nebo modemy s tímto výpadkem připojení mají problémy. V aplikacích průmyslového rázu se tento nedostatek řeší např. využitím externího obvodu, který vyvolá restart spojení.
I přes podstatné nedostatky je GPRS velice oblíbená technologie pro mobilní přenos dat. Je podporována takřka všemi mobilními telefony, dostupná tam, kde je signál GSM. V dnešní době se dá říci, že je nejrozšířenější paketově orientovanou datovou technologií, neboť tam kde operátoři implementovali GSM, zároveň později implementovali i GPRS.
GPRS lze využít pro připojení např. PC nebo notebooku k internetu, dále pro efektivní prohlížení WAP stránek nebo dokonce i pro zabezpečení objektů (kamera monitorující určitý objekt napojena na systém GSM a posílající data prostřednictvím GPRS na MS uživatele, kdykoliv dojde k pohybu v zorném poli kamery). Do mobilního světa byl zakomponován i e-mail, jedna z nejrozšířenějších služeb určených pro komunikaci. Kromě možnosti nechat si doručit SMS zprávu upozorňující na doručení nového e-mailu do vaší e-mailové schránky, lze využít i tzv. mobilní e-mail, kdy kdekoliv a kdykoliv můžete číst své e-maily, editovat je i odesílat prostřednictvím mobilního telefonu a technologie GPRS.

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)

Standard z dílen Ericsonu, EDGE, nelze jednoznačně zařadit do 2G nebo 3G. Pro svou činnost využívá GSM systém 2G, avšak svou relativně vysokou přenosovou rychlostí se řadí spíše do kategorie 3G. Byl proto zvolen jakýsi kompromis tzv. "2.75G". I přes tyto skutečnosti je od července roku 2000 oficiálním členem 3G rodiny.
EDGE není nikterak přelomovou technologií, neboť plně vychází ze systému GSM a GPRS, který mírně modifikuje v jeho bezdrátové části. Pracuje tedy např. ve frekvenčních pásmech kolem 800 MHz, 900 MHz, 1 800 i 1 900 MHz s 20 kHz kanály. Zachovává i rozložení jednotlivých kanálů a systém multiplexování. Klíčovou změnou je však nasazení nové modulační techniky 8-PSK (8-phase shift keying), kterou jsou data při dobré kvalitě signálu modulována. Přenosová rychlost tak může vzrůst až na trojnásobek rychlosti dosahované předcházející technologií GPRS. EDGE pracuje jak s paketově orientovanými přenosy (EGPRS), tak s přenosy založenými na přepojování okruhů (ECSD).

ECSD (Enhanced Circuit Switched Data)

ECSD je pokračováním vývojové linie technologií založených na přepojování okruhů, jež představil již systém GSM, konkrétně technologií CSD a HSCSD. ECSD pracuje na stejném principu tzn.vytvoření kanálu mezi odesílatelem a příjemcem s garantovanou kvalitou služeb. Tento kanál udržuje nezávisle na tom, zda jsou jím data přenášena, z čehož plyne neefektivnost využívání kapacity sítě apod.
ECSD zvyšuje přenosovou rychlost z původních 9,6 kb/s, popřípadě 14,4 kb/s na přenosové rychlosti 28,8 kb/s, 32,0 kb/s a 43,2 kb/s v rámci jednoho timeslotu. Při využití 4 timeslotů se lze dostat na teoretickou přenosovou rychlost 172,8 kb/s. Rychlost přenosu není nikterak fixní, je závislá na kvalitě signálu.
Z důvodu neefektivnosti využívání sítě a uživatelům, kterým více vyhovují paketově orientované přenosy, se ECSD stejně jako HSCSD nesetkala s větším rozšířením. Někteří mobilní operátoři a výrobci mobilních zařízení podporu ECSD vůbec neimplementovali.

EGPRS (Enhanced General Packet Radio Services)

EGPRS je rozšířením již existujícího GPRS. Přináší tedy přenos dat prostřednictvím paketů s vyšší přenosovou rychlostí, která se odvíjí od zvoleného modulačního a kódovacího schématu. Rychlost přenosu se efektivně přizpůsobuje přenosovým podmínkám, z tohoto důvodu není fixní, může kolísat.
Teoretická maximální přenosová rychlost při využití všech 8 timeslotů a nejvyššího kódovacího schématu je 473,6 kb/s. I přesto se velice často zmiňuje rychlost přenosu dat jen 384 kb/s. Setkáte-li se někde s označením GSM384, vězte, že řeč je o EDGE. Přenosová rychlost 384 kb/s není náhodná, byla stanovena Mezinárodní telekomunikační unií v rámci projektu IMT-2000 pro sítě 3G za jakousi minimální hranici přenosové rychlosti. Standardní průměrná rychlost dosahována s EGPRS se obvykle pohybuje mezi 100 -- 150 kb/s.

Implementace EDGE

Implementace EDGE technologie do již existující GSM/GPRS sítě není pro operátory nikterak finančně ani časově náročná, neboť veškeré úpravy softwarového i hardwarového rázu spadají jen do bezdrátové části sítě.
Systém BTS stanic byl obohacen o nový prvek, transciever, zajišťující 8-PSK modulaci, stejně jako o nový software. Softwarové změny se tentokráte dotkly i BSC. Směrovače, ústředny a registry zůstaly beze změn.
Pro přístup k datům prostřednictvím EDGE je potřeba patřičně upravit i MS, neboť 8-PSK si žádá rozšíření funkcionality fyzické vrstvy (kódování, ekvalizace, dekódování). Obecně platí, že čím vyšší třídu koncového zařízení zvolíte, tím vyšší přenosové rychlosti jste schopni dosáhnout. Koncová zařízení lze obecně rozdělit dle těchto kritérií:

1) podle počtu timeslotů pro příjem a odesílání dat
2) podle použitého modulačního schématu

ad 1) 12 multislot tříd, které svou strukturou odpovídají i třídám v GPRS tzn. první údaj třídy udává počet timeslotů pro příjem dat (downlink), druhý počet timeslotů pro odeslání dat (uplink) a třetí maximální počet současně používaných timeslotů v obou směrech.
Je si ale potřeba uvědomit, že disponujete-li mobilním zařízením např. třídy 11, tzn. potencionální konfigurace jsou 4+1, 3+2, 2+3, je vás mobilní operátor schopen v rámci snižovaní zátěže omezit pouze na konfiguraci 2+3. Zatímco s mobilním terminálem třídy 8, kterému odpovídá konfigurace 4+1, máte garantováno stálé připojení 4+1.

Modulační a kódovací
schéma
Modulace Maximální rychlost
v timeslotu v kb/s
MCS-1 GMSK 8.8
MCS-2 GMSK 11.2
MCS-3 GMSK 14.2
MCS-4 GMSK 17.6
MCS-5 8-PSK 22.4
MCS-6 8-PSK 29.6
MCS-7 8-PSK 44.8
MCS-8 8-PSK 54.5
MCS-9 8-PSK 59.2
5.2. Multislot třídy

ad 2) Rozdělení do 2 tříd, přičemž první třída podporuje GMSK a 8-PSK pro downlink, pro uplink je limitována použitím pouze GMSK. Primárním účelem 8-PSK je zvýšení přenosové rychlosti. Pro většinu uživatelských služeb je podstatná především rychlost přenosu směrem k mobilním zařízení -- downlink. Uplink je používán především pro příkazy a signalizaci, není proto nezbytné využívat 8-PSK i pro uplink. Druhá třída pracuje s GMSK i 8-PSK v obou směrech.

EGPRS principy přenosu dat

Data stejně jako signály jsou přenášena skrze stejné kanály jako u GPRS. Uživatelská data putují v PDTCH (Packet Data Traffic Channel) a signalizační data pak řídícími kanály PACCH (Packet Associated Control Channel). Řídící kanály jsou kódovány CS-1, datové kanály MCS-1 až MCS-9 (Modulation and Coding Scheme). Příslušná modulace je volena vysílačem v závislosti na aktuální kvalitě signálu. Strana přijímače není dopředu informována o použité modulaci, musí ji sama identifikovat, rozeznat příslušné Modulační a kódovací schéma.

8-PSK modulace

Rapidního zvýšení přenosové rychlosti je v EDGE dosaženo právě díky nové modulační technice. Zatímco klasický GSM systém provádí modulaci signálu prostřednictvím GMSK, EDGE využívá 8-PSK (8-Phase Shift Keying), s jejíž pomocí lze dosáhnou teoretického přenosového maxima 473,6 kb/s.
Přenášený signál je tvořen 0 a 1, každé tři bity formují jeden symbol, přičemž každému z celkových 8 symbolů odpovídá určitý posun fáze. Tzn. vstupní sekvence 0 a 1 je rozkouskována na jednotlivé symboly, které jsou následně patřičným způsobem namodulovány a přeneseny ke svému příjemci, kde dochází k demodulaci signálu.
Díky skutečnosti, že EDGE symbol neobsahuje pouze 1 bit ale rovnou bity 3, roste i trojnásobně přenosová rychlost v rámci jednoho timeslotu z přibližně 20 kb/s na 60 kb/s. Získanou kapacitu lze využít ke zmíněnému zvýšení přenosové rychlosti.

Modulační a kódovací schémata

EDGE specifikuje devět MCS. Čím lepší kvalita signálu, tím vyšší MCS lze použít k dosažení vyšší přenosové rychlosti a naopak. S rostoucím MCS roste i riziko doručení chybné datové jednotky. Jednotlivé schémata se liší nejen přenosovou rychlostí v rámci jednoho timeslotu, ale i modulací. První čtyři pracují jen s GMSK, od pátého nahoru pak s 8-PSK.

Rodiny kódování

Problém, který byl popsán v kapitole Problematika kódovacích schémat u technologie GPRS, související s neschopností GPRS automaticky reagovat na změny přenosového prostředí či na potenciální chyby vzniklé v průběhu přenosu, tím že by zvolil jiné vhodnější kódovací schéma, je u EDGE řešen pomocí Rodin Kódování.
Každá ze čtyř rodin kódování zahrnuje 2 -- 3 MCS a je specifická fixní velikostí datové jednotky. Obecně platí, že MCS-1 -- MCS-3 umožňuje přenášet jednu datovou jednotku, MCS-4 -- MCS-6 dvě datové jednotky a MCS-7 -- MCS-9 čtyři datové jednotky.

Rodina Modulační a kódovací
schéma
Velikost
datové jednotky
A MCS-9, MCS-6, MCS-3 37B
MCS-8, MCS-6, MCS-3 34B, 34+3B
B MCS-7, MCS-5, MCS-2 28B
C MCS-4, MCS-1 22B
5.5. Rodiny kódování

Jak tedy vypadá samotný přenos dat? Vysílač na základě dostupných informací o kvalitě přenosového prostředí zvolí pro kódování rodinu B. Tato rodina zahrnuje MCS-2, MCS-5 a MCS-7. Pracuje s fixní velikostí datové jednotky 28 B. Jsou-li výborné přenosové podmínky, budou data kódována a modulována skrze MCS-7, přenášen bude blok obsahující čtyři datové jednotky. Zhorší-li se kvalita signálu, automaticky dojde ke změně z MCS-7 na MCS-5. Velikost jednotky se nemění. V rámci datového bloku se ale sníží počet přenášených jednotek na polovinu, na 2. Kdyby opět došlo ke zhoršení přenosového prostředí, MCS-5 nahradí MCS-2, počet jednotek v rámci bloku bude roven jedné.

Inkrementální redundance

Inkrementální redundance zvyšuje pravděpodobnost správného dekódování informace. I když je informace přenesena nesprávně, přijímač si ji ponechá uloženou a vyčká na doručení dodatečných částečných informací, následně je zkombinuje. Celá procedura se opakuje až do kompletace přenášené informace.

Metriky měření kvality signálu

Dalším vylepšením stávající GSM/GPRS sítě, které EDGE přináší pro paketově orientované přenosy, je zdokonalený mechanismus určování kvality přenosového prostředí. GSM systém navržen pro přenos hlasu uzpůsobil tomuto primárnímu účelu i metriky měření kvality signálu. Bohužel systém, s nímž pracuje, není plně vyhovující pro paketově orientované přenosy. Pro zopakování uvedu, že v GSM systému provádí měření kvality přijímaného signálu MS a BTS. Veškeré získané informace vyhodnocuje síť a následně rozhoduje o volbě kódovacího schématu, handoveru apod. Základní metrikou je BER (Bit Error Rate) vztažená na rádiový blok (čtyři bursty) -- dostačující pro hlasový přenos, nikoliv pro přenos dat. EDGE proto zavádí novou metriku, BER (Bit Error Probability), měřenou pro každý burst samostatně. Síť tak získává daleko více přesnějších informací pro uzpůsobení kódovacích schémat.

Ohlédnutí za EDGE

Operátoři se zaměřují na pokrytí dostatečně kvalitním signálem především velkých měst a přilehlých obcích, ostatně jako vždy po příchodu nové technologie, neboť snahou operátorů je v prvé řadě, co nejrychlejší návratnost vložené investice. Uživatelé v malých odlehlých vesnicích pro ně nejsou příliš atraktivními zákazníky.
Značným nedostatkem EDGE je také občasná vysoká latence pohybující se kolem 600 -- 1 000 ms. Z této skutečnosti vyplývá, že EDGE není technologií vhodnou pro hraní online her nebo jiné interaktivní aplikace. Své uplatnění však nalezl např. v připojení na internet, prohlížení WAP stránek, stahování e-mailu apod.
Mezi výhody EDGE bezesporu patří i zpětná kompatibilita s GPRS. S mobilním telefonem podporujícím jak GPRS tak EDGE lze bezproblémově automaticky přecházet mezi těmito typy připojení.

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Mobilní sítě druhé generace se brzy dočkaly svého nástupce, a to sítí generace třetí. V evropském kontextu si dominantní postavení získal koncept z dílen Evropské standardizační instituce UMTS. Rodina 3G sítí je však daleko obsáhlejší. Obecně 3G technologie pouze rozšiřující systémy 2G o nové služby zaměřené především na vysokorychlostní přenos dat, zvyšují zabezpečení a implementují celou řadu nových principů.

Projekt IMT-2000

Jak správně charakteri zovat 3G sítě? Na jedné straně se hovoří o vysokorychlostních a vysokokapacitních sítích efektivně využívajících přenosové spektrum zpřístupňujících v mobilním světě zcela nové multimediální služby jako videohovory, videokonference, sledování TV apod., na straně druhé v dnešní době panuje velké zklamání mobilních operátorů, jenž snili o miliardových ziscích plynoucích z 3G technologií, místo toho jen finančně vykrváceli, neboť obrovské investice zmizely v kapsách společností budujících novou infrastrukturu sítě. Prázdnou samozřejmě nezůstala ani státní pokladna, do které se sypaly přímo astronomické sumy za 3G licence.
Neúspěch mobilních operátorů však nelze takto generalizovat. Zatímco v Evropě panuje spíše pesimistická nálada v kontextu 3G, v zemích jako je Jižní Korea nebo Japonsko jsou sítě třetí generace komerčně velice úspěšné.
Prvopočátek 3G technologií se datuje na přelom 80. a 90. let, kdy Mezinárodní telekomunikační unie vymezila základní představu o sítích další generace. V útrobách ITU se zrodil program s příznačným názvem IMT-2000 (International Mobile Telecomunications -2000), neboli Mezinárodní mobilní telekomunikace-2000, kde číslo 2000 představuje plánovaný rok spuštění 3G sítí a zároveň frekvenční spektrum vyhrazené pro tyto sítě. IMT-2000 zahrnuje tedy představy ITU o architektuře budoucích sítí, o bezdrátovém rozhraní a zároveň základní představy o službách.

Rodina sítí 3G

Prvotním cílem bylo vytvoření jednoho celosvětového standardu, na jehož vzniku se budou podílet mezinárodní operátoři, výrobci koncových zařízení i veškeré síťové techniky. Realita je však jiná. Nikdy nekončící dohady o konkrétní realizaci té či oné části systému vyústily ve vznik dvou hlavních odlišných směrů: evropského a amerického.
Nejpodstatnějším argumentem amerického tria Motorola, Lucent a Qualcomm, které prosadilo vytvoření odlišné technologie než je UMTS založené na GSM, byla rozšířenost rozdílných standardů vycházejících z CDMAOne (IS-95) a IS-136, jenž by bylo velice obtížné a finančně náročné přizpůsobit požadované struktuře evropského UMTS. Z tohoto důvodu následoval vznik nového 3G směru ušitého na míru CDMA sítím. Vývojová linie CDMAOne -- CDMA 1xRTT -- CDMA EV-DO byla tímto způsobem obohacena o 3G standard CDMA 2000 (3X). Všeobecně ústředním aspektem CDMA technologií je zpětná kompatibilita, neboť pracují na stejné frekvenci, se shodnou šířkou kanálů i chip rate. Ani CDMA 2000 (3X) nikterak nevybočuje.
V kontextu 3G sítí se tedy nemluví o jedné síti, ale o celé rodině sítí. Dohromady rozlišujeme 5 až 6 odlišných technologií formujících 3G rodinu. V Evropě se jedná o UTRA FDD zahrnující japonské WCDMA a UTRA TDD postavené na technologii Siemensu TD-CDMA, čínské TD-SCDMA, v Americe na CDMA založené technologii CDMA 2000(3X). Rovněž standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) pro bezdrátovou komunikaci prostřednictvím bezšňůrových telefonů spadá do 3G rodiny. Občas se v kontextu 3G technologií zmiňuje i EDGE neboli UWC-136, avšak lépe jej vystihuje zařazení 2.75G.

Významné 3G organizace

Na vývoji standardů 3G mobilních sítí se podílí celá řada organizací, jejichž úkolem mnohdy není jen vydávat specifikace, ale také přibližovat prostřednictvím nejrozmanitějších přednášek, prezentací, ilustračních materiálů novodobé sítě široké veřejnosti. Mezi nejvýznamnější uskupení bezesporu patří standardizační skupiny 3GPP nebo 3GPP2, dále UMTS forum nebo 3G Americas propagující evropský systém UMTS v Americe.

3GPP, 3GPP2

Mezinárodní skupina standardizátorů byla založena v prosinci roku 1998. Spojuje dohromady několik významných telekomunikačních organizací. Za zmínku stojí např. ETSI (Evropa), TTC (Japonsko), TTA (Jižní Korea), ARIB (Japonsko) nebo ATIS (Severní Amerika). Prvotním cílem tohoto projektu byla tvorba technických specifikací, nejrůznějších reportů se zaměřením na sítě 3G postavených na UTRA TDD nebo UTRA FDD. Později došlo k rozšíření působnosti této skupiny o řízení a zdokonalování GSM, GPRS a EDGE. Dohled nad celým projektem vykonává skupina MCC (Mobile Compete Center) se sídlem přímo na ředitelství Evropského telekomunikačního standardizačního institutu ve Francii ve městě Sophia Antipolis.
Do projektu se zapojily i další organizace jako významní výrobci koncových zařízení (Nokia, Ericsson) nebo mobilní operátoři, a to v podobě organizačních partnerů nebo obchodních reprezentačních partnerů.
Obdobná skupina se zformovala i v Americe, má název 3GPP2. Její cíle jsou stejné jako u 3GPP, s tím rozdílem, že vychází ze systému IS-95 známého jako CDMA2000. Hlavními členy jsou CDMA operátoři a Qualcomm.

UMTS Forum

Mobilní operátoři, výrobci koncových zařízení i síťové techniky, poskytovatelé připojení, regulátoři a výzkumné organizace patří mezi členy dalšího velkého společenství s názvem UMTS forum. Mezi významné příslušníky se řadí např. Siemens AG, Alcatel, Nokia, Nortel Networks, IPWireless nebo francouzský operátor Orange. Nejpodstatnějším cílem této rozmanité skupiny je zajistit globální úspěch 3G UMTS. Její členové se podílí na rozvoji UMTS, vzájemně si sdělují cenné zkušenosti, snaží se nalézt řešení sporných otázek, vydávají nejrůznější reporty a učební materiály určeny přednostně pro členy. Na webových stránkách UMTS fora je rovněž k dispozici široká paleta materiálu se zaměřením na sítě 3G, novinky z této oblasti, slovníček pojmů apod.

3G Americas

Americká organizace podporující a napomáhající bezešvému rozvinutí GSM sítě směrem k UMTS vydává White papers s tématikou sítí 3G od jejich služeb přes architekturu. Mapuje stav mobilních sítí v Americe. Provádí statistická měření. Na jejich stránkách lze nalézt aktuální informace o dostupných 3G zařízeních, o jejich výrobcích, dále jsou zde seznamy s daty spuštění jednotlivých typů sítí od GPRS přes EDGE až po UMTS nebo HSDPA, celá řada článků, prezentací, ilustračních videí s tématikou 2G a především 3G sítí.

Sítě 3G v Evropě (UMTS)

V Evropě se zformovala jedna z nejdůležitějších technologií 3G rodiny pod patronátem ETSI, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Standardizační práce začaly již v roce 1990. Bylo potřeba zvolit vhodné bezdrátové rozhraní, specifikovat nové služby, tak aby tato nová technologie plně uspokojila veškeré požadavky, které byly stanoveny v rámci programu IMT-2000.
V počátečních fázích vývoje UMTS pouze rozšiřovalo stávající 2G síť GSM, v současnosti se ubírá UMTS směrem k IP jádru sítě, zdokonalování veškerých přenosových technik, podstatnému zvyšování přenosové rychlosti, nové generaci služeb apod.
V roce 1998 předala ETSI pomyslné žezlo skupině 3GPP (3rd Generation Partner Project), pod jejímž vedením se UMTS stále zdokonaluje.

Přehled UMTS releasů

Žádný standard nevznikl ze dne na den, prochází dlouhým vývojovým stadiem. Neustále je něco upravováno, rozšiřováno, přidáváno. Ani u UMTS tomu nebylo jinak. Následující tabulka uvádí stručný přehled UMTS vydání:

Release 99:uzavřen v roce 2000 s sebou přináší specifikaci bezdrátového přístupu skrze UTRA FDD a UTRA TDD. Jádro systému zůstalo zachováno -- GSM/GPRS core network. R99 představuje dále nasazení nové přístupové metody CDMA(Code Division Multiple Access), kdy jednotliví uživatelé využívají celou přenosovou kapacitu, mohou komunikovat současně a jsou odlišeni unikátními kódy.
Release 4:neboli Release 2000 je především zaměřen na zdokonalování stávajících služeb. Žádné výrazné změny nepřinesl.
Release 5:vnáší do systému změny zásadnějšího charakteru týkající se přeměny stávajícího jádra na jádro založené na protokolu IP. Kromě paketově a spojově orientované domény tak přidává doménu postavenou na protokolu IPv4 (IMS -- IP Multimedia Subsystem) -- nutnost vlastnit koncový terminál s podporou IMS. Rovněž zvyšuje rychlost paketově orientovaných přenosů u UTRA FDD, a to díky nové technologii HSDPA (High Speed Download Packet Access) phase I implementující vylepšené mechanismy jako Rychlé plánování, Rychlou retransmisi nebo Adaptivní kódování a modulaci s rychlostí v downlink směru až 14,4 kb/s.
Release 6:publikován v roce 2005 americkou skupinou 3G Americas se zaměřuje na zvyšování přenosové rychlosti a kapacity sítě, nové aplikace apod. Přináší pokračování technologie HSDPA, tentokráte phase 2, díky které rychlost v downlink směru dosahuje až 28,8 kb/s. Novinkou je HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pro výrazné zvýšení rychlosti a kvality vysílání v uplink směru, dále MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) aneb jednosměrná distribuce z jednoho zdroje audio/video nebo TV obsahu do více terminálů. Součástí release 6 jsou také generické uživatelské profily(GUP), nouzové hovory v paketové síti apod.
Release 7:Vylepšuje bezdrátovou část sítě i jádro, zvyšuje přenosovou rychlost a kapacitu, podporuje real-timové služby jako VoIP, interaktivní hraní, zavádí např. Multiple Input Multiple Output (MIMO), rozšiřuje IMS směrem k multimediální telefonii apod.
Budoucí vývoj:Skupina 3GPP pracuje na mnoha radikálních vylepšeních sítě včetně nového bezdrátového rozhraní a jádra sítě. Teoretická přenosová rychlost v downlink směru by mohla dosáhnout až neuvěřitelných 100 Mbit/s, v uplink směru 50 Mbit/s. Latence by naopak mohla klesnout až na úroveň klasických pevných sítí.
6.6. Přehled UMTS Releasů

Základní rozdělení UMTS

UMTS je postaveno na párovém (FDD) i nepárovém dělení spektra (TDD).

FDD (Frequecny Divison Duplex) s WCDMA

FDD pracuje s tzv. duplexním párem. Tzn. pro přenos dat se využívají dva frekvenčně odlišné kanály. Jedním data proudí od Node B do UE (downlink) a druhým v opačném směru (Uplink). Tento princip není příliš synchronizačně náročný v porovnání s TDD, kde je dělení uplink a downlik směru realizováno na úrovni timeslotů v jednom kanále. UMTS pro FDD režim zvolila v bezdrátové části sítě technologii WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

WCDMA je jedním z japonských standardů z dílen NTT DoCoMo. Tento operátor jej využívá od roku 2001 v rádiové části sítě u svého systému FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access). Mezinárodní telekomunikační unie tento standard převzala a poskytla jej pro bezdrátový přístup u sítí UMTS na bázi FDD.
Důvod pro označení "Wide" v názvu samotné technologie je jednoduchý. Ve srovnání s celosvětově rozšířeným GSM pracujícím s 200 kHz šířkou pásma na jeden kanál, je WCDMA kanál velikosti mezi 4,2 MHz až 5,4 MHz skutečně "široký", a to i v porovnání s americkým standardem druhé generace CDMAOne, jehož kanály využívají šířku pásma o velikosti 1,25 MHz.
WCDMA dělí uplink a downlink pomocí FDD (v UMTS) nebo TDD a jako přístupovou metodu využívá DS-CDMA. Předávky realizuje s pomocí hard, soft a softer handoveru.

Fast Power Control

Mocným nástrojem WCDMA, který přináší do sítě, je Fast Power Control. V mobilních sítích obecně je vysílací výkon mobilních terminálů a základnových stanic velice důležitým faktorem. Ovlivňuje interference a tudíž i počet uživatelů připojených do sítě. Má-li MS větší vysílací výkon než ostatní, způsobuje rušení a omezuje tím ostatní terminály. Je-li vysílací výkon naopak příliš malý, kvalita signálu je nedostačující. Cílem je udržet vysílací výkon všech mobilních terminálů na stejné úrovni nezávisle na vzdálenosti terminálu od základnové stanice.
Fast Power Control byl proto vyvinut, aby zajistil vysílací výkon stále na přijatelné úrovni. Na uplink i downlink kanálu provádí 1 500krát za sekundu updaty vysílacího výkonu, čímž vytváří vhodné prostředí pro přenos s minimálními interferencemi a maximálním počtem terminálů.
S vysílacím výkonem souvisí i pojem "dýchající buňky, dýchání buněk" apod. Jedná se o kompromis mezi kapacitou a rozlohou buňky. Čím větší množství uživatelů je k buňce připojeno, tím více klesá kvalita signálu a snižuje se pokrytí v rámci této buňky. Malé množství uživatelů koresponduje tudíž s kvalitním signálem dosažitelným i ve velké vzdálenosti od buňky narozdíl od velkého počtu uživatelů, který je spojen s větším rušením, sníženou kvalitou signálu a daleko menší rozlohou buňky.

Kontrola přijetí, Přetížení

Součástí WCDMA je i mechanismus zabraňující přetížení buňky, Kontrola přijetí. V momentě, kdy se nový uživatel hlásí do systému, Kontrola přijetí odhaduje zatížení sítě, na jehož základě stanici zablokuje nebo příjme. Samozřejmě díky mobilitě koncových uživatelů není možné se stoprocentně vyhnout přetížení v té či oné buňce. WCDMA nabízí čtyři možné způsoby řešení tohoto problému:

1) přerušení spojení a tím zachování kvality stávajících připojení
2) inter-system handover: přepojení uživatelů do jiného systému -- GSM
3) inter- nebo intra-frequency handover: přesun některých uživatelů do méně zatížených buněk/frekvenčních kanálů
4) při zapnuté kontrole přetížení redukce bitové rychlosti non-realtimových aplikací jiných uživatelů, tím uvolnění potřebné kapacity pro nové uživatele

Synchronizace

V neposlední řadě je u buňkových systémů důležitá také synchronizace základnových stanic. Proto když je potřeba, mobilní terminály posílají informace o synchronizačních posunech jednotlivých Node B do sítě, která provede následnou synchronizaci. Zajímavostí je, že pro synchronizaci lze použít i GPS systém.

Shrnutí FDD a WCDMA

Dohromady existují dva WCDMA systémy, jeden v bezdrátové části systému FOMA, druhý v evropském standardu UMTS. Vzájemně se liší jen minimálně, avšak i toto minimum způsobuje jejich vzájemnou nekompatibilitu. Tzn. pořídíte-li si mobilní telefon pracující bezproblémově v systému UMTS, v Japonsku si s ním nezavoláte. Klíčovým rozdílem je odlišný počet timeslotů v jednom rámci, FOMA -- 16, UMTS -- 15.
UTRA FDD ve své nativní formě poskytuje dostatečnou úroveň kvality pro hlasové přenosy, přenosová rychlost dat se pohybuje kolem 384 kb/s. Rychlost přenosu v downlink směru lze však mnohonásobně zvýšit, a to prostřednictvím technologie HSDPA, jež byla prvně specifikována v UMTS Release 5. HSDPA je schopna s pomocí celé řady vylepšení zvýšit přenosovou rychlost až na 14,4 Mb/s (v Release 6 až na 28,8 Mb/s), což je pro mobilní operátory, stejně tak i pro koncové uživatele zajisté lákavé. V UMTS Release 6 byla specifikována i technologie pro uplink směr, HSUPA, zvyšující přenosovou rychlost v uplink směru až na 5,76 Mb/s.
V dnešní době mobilní operátoři budují své sítě třetí generace postavené především na FDD módu. Tato varianta ve srovnání s TDD je mnohem atraktivnější. Ačkoliv licence na příslušná frekvenční pásma jsou dražší než licence na TDD, celková výstavba sítě je méně finančně náročná. Ve prospěch FDD se řadí např. levnější, jednodušší terminály, daleko větší dosah jednotlivých buněk, menší náchylnost na chyby, nenáročná synchronizace a především snadné zvýšení přenosové kapacity díky změnám softwarového rázu při zavádění technologie HSDPA nebo HSUPA.

TDD (Time Division Duplex) s TD-CDMA

V UMTS TDD módu všichni uživatelé sdílí pro uplink a downlink jeden přenosový kanál o šířce 5 MHz. Ten je rozdělen na časové díly, přičemž 15 timeslotů tvoří jeden 10 ms TDMA rámec (obdobná struktura u GSM, kde 8 timeslotů = 1 TDMA rámec). Mezi jednotlivými časovými sloty byly definovány krátké periody, aby se předešlo případným interferencím. Z 15 timeslotů je pouze 12 určeno k přenosu uživatelských dat, zbylé tři jsou využívány pro signalizaci. "Uživatelské" časové díly přenáší informace v uplink nebo downlink směru, přičemž přesné rozvržení uplink a downlink timeslotů v TDMA rámci není fixně definováno. Tzn. že pro uplink nebo downlink může být použit různý počet timeslotů. Např. 3 pro downlink a 9 pro uplink nebo 10 pro downlink a 2 pro uplink apod. Obecně musí existovat minimálně jeden timeslot pro uplink i downlik. Stejná volnost se nabízí i v kontextu přepínacích bodů mezi uplink a downlik směrem. Můžeme se setkat jak s jedním přepínacím bodem, tak s několika.
Díky variabilnímu přidělování dílčích timeslotů v TDMA rámci je TDD mód UMTS velice dobrým řešením automaticky se přizpůsobujícím potřebám asymetrického přenosu.
Pro provoz UMTS sítě na bázi TDD postačuje operátorovi vlastnit pouze jeden frekvenční rozsah (1 kanál pro uplink + downlink). Disponuje-li větším počtem odlišných frekvencí (např. T-Mobile 872 MHz a 2GHz) může této skutečnosti efektivně využít. S vyšší frekvencí je spjat menší rozsah buněk a vyšší náchylnost na interference. Z tohoto důvodu je vhodné vybudovat síť pracující s vyššími frekvencemi v hustě osídlených oblastech a nižší frekvence ponechat pro pokrytí menších měst a obcí.
UMTS TDD podporuje i QoS (Quality of Service), díky které lze přiřazovat službám nebo uživatelům vyšší či nižší prioritu. Představme si situaci, kdy mobilní operátor nabízí svým uživatelům několik cenově odlišných datových tarifů. S pomocí QoS je operátor schopen pro každý tarif zvlášť nadefinovat maximální přenosovou rychlost nebo limit pro objem stahovaných dat. Uživatelům využívajícím cenově nákladnější datový tarif přiřadí automaticky i vyšší prioritu.
Určitým limitujícím faktorem u TDD módu je potřeba dosti precizní časové synchronizace tzn. aby zainteresované entity systému přesně věděly, kdy mají vysílat a kdy poslouchat. Časová synchronizace je u UMTS TDD řešena např. s pomocí GPS systému nebo skrze nadřazené základnové stanice. Rovněž řízení výkonu základnových stanic a koncových zařízení se ukázalo jako problematické. Oproti FDD UMTS je TDD mnohem více náchylnější k interferencím. Dalším velkým nedostatkem ve srovnání s FDD je rychlost, se kterou se uživatelé mohou pohybovat se svými mobilními terminály. U FDD je možno dosáhnout rychlosti až 500 km/h, u TDD pouze 120 km/h.
Pro bezdrátovou část TDD UMTS systému standardizátoři zvolili technologii TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access).

TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access)

Od roku 1998 se součástí 3G rodiny standardů stala i technologie TD-CDMA formující bezdrátové rozhraní UMTS sítě založené na nepárovém dělení spektra. FDD je velice dobrá technologie pro spojově orientované přenosy dat, u asymetrických přenosů (internet) lehce zaostává, neboť není schopná automaticky přizpůsobit přenosové kapacity různě přenosově náročným aplikacím. Díky variabilnímu přidělování timeslotů pro uplink a downlink v rámci TDMA rámce je TDD režim pro asymetrické přenosy lépe uzpůsoben.
Výchozí frekvenční rozsahy definované ve standardu pro UMTS TDD, 1 900 -- 1 920 MHz a 2 010 -- 2 025 MHz, byly později obohaceny např. o alokaci spektra kolem 3,5 GHz (Velká Británie) nebo 872 MHz.(Česká republika).
Obdobně jako u UMTS FDD je přenášený signál modulován prostřednictvím fázové modulace QPSK, TDMA 10 ms rámec je tvořen 15 timesloty a chipová rychlost je 3,84 Mcp/s.
Koncové mobilní zařízení určené pro práci v TDD módu není však zpětně kompatibilní s UMTS FDD. Chce-li uživatel bezproblémově využívat jak TDD tak FDD síť, musí vlastnit speciální koncové zařízení uzpůsobené práci v obou režimech UMTS.
Ve své nativní formě TD-CDMA přenáší data vyšší přenosovou rychlostí než tomu je u FDD módu, a to až 2 Mb/s. Je vhodná pro hustě osídlené oblasti s pomalu pohybujícími se uživateli. Z hlediska ceny licencí pro provozování UMTS v nepárovém spektru je TDD lákavější, avšak menší velikost buněk si žádá daleko hustší infrastrukturu, z čehož vyplývá nákladnější výstavba sítě. Pro mobilní operátory tato technologie není až tak přitažlivou, proto se s ní můžeme setkat v praxi ve srovnání s FDD jen zřídka. Úspěšného spuštění se dočkala např. v Austrálii, na Novém Zélandě, v Německu, Velké Británii nebo zásluhou T-Mobilu i v České republice.

TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)

Rodina sítí třetí generace však nezahrnuje pouze TD-CDMA, ale i vylepšenou variantu TD-SCDMA, přičemž vzájemná kompatibilita těchto dvou standardů je mírně problematická.
TD-SCDMA je čínským telekomunikačním 3G standardem vycházejícím z 2G GSM. Čína jako nejlidnatější země světa, kde počet uživatelů mobilních sítí neustále rapidně vzrůstá, se rozhodla vyvinout svůj vlastní standard pro sítě 3G. Důvod je prostý, nechtěla být závislá na západních technologiích, za které by navíc musela platit nemalé poplatky.
Společnost Siemens vyvinula technologii TD-CDMA, jejímž hlavním nedostatkem byla nedůsledná synchronizace. Jak již bylo popsáno výše, uvnitř TDMA rámce lze data přenášet oběma směry. Dva mobilní terminály mohly požadovat vysílání v jednom rámci v daném timeslotu v různých směrech, aby nedošlo ke kolizi, byla potřebná synchronizace. Čínská akademie telekomunikačních technologií přiložila ruku k dílu a TD-CDMA zdokonalila, zavedla potřebnou synchronizaci. Zrodil se nový standard TD-SCDMA.
Na počátku roku 2006 byla tato technologie oficiálně zvolena v Číně jako 3G standard pro nastupující sítě třetí generace. Rovněž skupina 3GPP tento standard akceptovala a zahrnula ho do rodiny sítí 3G.
TD-SCDMA využívá nepárové spektrum, TDD. Použitá přístupová metoda kombinuje CDMA a TDMA -- uživatelé jsou rozlišeni podle ortogonálních kódů s proměnlivým spreading faktorem v rámci jednotlivých timeslotů. Nesouvislé připojení redukuje pokrytí, rychlost pohybu mobilních terminálů a komplikuje algoritmus přidělování frekvenčních kanálů. Díky synchronizaci se omezují interference a zvyšuje kapacita přenosu.

Infrastruktura sítě

UMTS síť je tvořena bezdrátovou a pevnou částí.

Bezdrátová část

1G sítě s sebou přinesly buňkový princip, ten ve své podstatě zůstal zachován i u 2G sítí a nejinak tomu je u UMTS, z tohoto důvodu můžeme v bezdrátové části sítě UTRA pozorovat obdobnou strukturu jako u GSM. Za základní stavební jednotku lze považovat rádiový subsystém RNS (Radio Network Subsystem). Ten je tvořen sérií základnových stanic Node B (pozn. tento nevšední název byl přidělen základnovým stanicím v počátečních stádiích vývoje UMTS s tím, že později dojde k jeho změně. Zůstal však zachován.) a jednou řídící základnovou stanicí RNC (Radio Network Controller). Poslední nedílnou součástí UTRA je samozřejmě koncové zařízení uživatelů, to je napojeno na min. jeden Node B, odkud jsou hlasové, datové či řídící informace dále přeposílány přes příslušný RNC do sítě.

UE -- Každý uživatel, který chce přistupovat do sítě, musí vlastnit příslušné koncové zařízení UE (User Equipment) a to v podobě mobilního telefonu s USIM (UMTS SIM) nebo PCMCIA karty do notebooku s podporou UMTS.
UE je malé důmyslné zařízení zvládající modulaci/demodulaci signálu, kódování/dekódování, veškeré bezpečnostní funkce jako šifrování/dešifrování, autentizaci uživatele nebo generování šifrovacího klíče. V pravidelných intervalech provádí měření kvality signálu v několika kanálech a získané údaje přeposílá na vyhodnocení dále do systému. Samozřejmě výčet služeb mobilního zařízení tady nekončí. V závislosti na ceně mobilního zařízení se odvíjí i jeho nepovinná výbava. Za zmínku stojí např. integrované několika Mpx fotoaparáty, kamerky, mp3 přehrávače nebo zabudovaný operační systém. Díky dvěma odlišným způsobům dělení duplexu (FDD x TDD) jsou na trhu k dispozici tři typy zařízení pracující: 1) v FDD režimu 2) TDD režimu 3) v FDD i TDD (I přes hrubé odlišnosti v dělení duplexu, práci s rozdílnými technologiemi v bezdrátové části sítě mají FDD i TDD společné základní vlastnosti. Shodují se v šířce kanálu, velikosti TDMA rámce i čipové rychlosti, z tohoto důvodu je možné zkonstruovat zařízení pracující jak s FDD tak TDD módem.)

Node B -- obdoba BTS u GSM. Node B je tvořen sadou vysílačů/přijímačů signálu umístěnými na přehledném vyvýšeném místě. Jeho hlavním úkolem je formovat jednu nebo více buněk, v jejichž dosahu se pohybují jednotliví koncoví uživatelé. Každá buňka má určitou kapacitu, dosah (macro, micro, pico a umbrella cells). Node B hospodaří co nejefektivněji s přidělenými kanály, provádí měření kvality signálu, jež je následně vyhodnocována sítí a v neposlední řadě se podílí na intra-frekvenčním handoveru.

RNC -- obdoba BSC u GSM, zjednodušeně Řídící jednotka mající na starost několik Node B. Provádí alokaci fyzických a logických kanálů, přiděluje CDMA kódy, volí modulační a kódovací schéma, vyhodnocuje měření kvality signálu a následný handover, podílí se na šifrování/ dešifrování dat z jádra sítě. Rozlišujeme dva typy RNC, a to Serving a Drift (Controlling) RNC viz. kapitola o soft-handoveru v UMTS.

Core Network

Jádro UMTS by se dalo rozdělit do dvou domén, a to na část paketově orientovanou a spojově orientovanou. Komponenty jako MSC nebo GMSC známé již z kapitoly o GSM se řadí do spojově orientované domény, narozdíl od SGSN nebo GGSN, jenž jsou součásti domény paketově orientované. Elementy typu VLR, HLR, AUC nebo EIR jsou sdíleny oběma doménami.
V prvních fázích vývoje sítí 3G UMTS vychází z klasického GSM/GPRS jádra systému, proto i komponenty zůstaly zachovány. V průběhu postupného zdokonalování byly však mnohé prvky modifikovány nebo přidány. Součástí UMTS Releasu 5 je již zcela nové jádro postavené na protokolu IP. V současné době vývojáři intenzivně pracují i na zcela novém rádiovém rozhraní pro síť UMTS s OFDM multiplexem a dynamickou velikostí přenosového kanálu umožňujícím rapidně zvýšit přenosovou rychlost až na 100 Mb/s v downlik směru.

Multiplexování s pomocí DS-CDMA

UMTS se stal prvním evropským standardem využívajícím multiplex na bázi CDMA (Code Division Multiple Access), jenž byl prozatím doménou především amerických standardů. Do UMTS byla implementována varianta DS-CDMA ( Direct Sequence-Code Division Multiple Access) neboli DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Tato technologie rozprostře originální data s pomocí speciální posloupnosti bitů (spreading kód) s vyšší bitovou rychlostí.
Všichni uživatelé využívají totéž spektrum a mohou komunikovat simultánně. Ve srovnání s TDMA není potřebná precizní synchronizace. Obecně spread spectrum systémy byly vyvinuty pro vojenské účely, neboť širokopásmový signál lze obtížně odposlouchávat a je odolný vůči rušení. Později tato technologie přešla i do komerční sféry.
Mezi nedostatky patří složitější konstrukce koncového terminálu, jenž neustále přijímá veškerá data od Node B a snaží se rozpoznat, zda jsou pro něj určena nebo ne.
Data všech uživatelů jsou rozprostřena s využitím ortogonálních nebo quasi ortogonálních rozprostřovacích kódů. Tyto spreading kódy nemají fixní délku, UMTS totiž implementuje tzv. ortogonální proměnlivý spreading faktor (OVSF -- Orthogonal Variable Spreading Factor). V závislosti na implementaci sdílejí uživatelé v rámci buňky buď stejný spreading kód nebo jsou pomocí různých kódů rozlišeni. Po rozprostření vysílaných bitových posloupností, dojde k jejich sečtení a pomocí operace XOR k zakódování s využitím scrambling kódů. V UMTS větvi založené na FDD jsou scrambling (kódovací) kódy jedinečné pro každého uživatele v rámci buňky, narozdíl od UMTS TDD, kde scrambling kód uživatelé v buňce sdílí. Takovéto kódy pak jednoznačně identifikují buňku.
Spreading fakoru o délce 1 (n=1) odpovídá chipová rychlost 3,84 Mchip/s. Jestliže se spreading faktor zdvojnásobí (n=2), klesne automaticky přenosová rychlost na polovinu apod. Z tohoto tvrzení vyplývá, že jestliže je použit spreading faktor o délce 1, žádné další kódy již nejsou přípustné. Mezi potencionální kombinace patří např. 3 datové toky se čtvrtinou přenosovou rychlostí a zbylé 2 toky s osminovou přenosovou rychlostí nebo dva datové toky s poloviční rychlostí přenosu apod.
Ilustrační příklad konstrukce spreading kódů: uživateli A je přidělen spreading kód (1,1) se spreading faktorem 2. Aby zůstala zachována ortogonalita, není možné zvolit libovolný spreading kód pro druhého uživatele. Z tohoto důvodu chce-li uživatel B posílat data, nesmí mu být přidělen spreading kód začínající (1,1). K dispozici je tak celá řada dalších kódů z jiného podstromu kódů, přičemž délka tohoto kódu není nikterak závislá na délce kódu uživatele A. Lze tedy zvolit např. kombinace jako (1,-1), (1,-1,-1,-1), (1,-1,1,1,-1,1,-1,1) apod.
Obrázek 6.12. zjednodušeně demonstruje princip rozprostření uživatelských dat, složení signálů a opětovného dekódování s pomocí příslušných spreading kódů.

HCS (Hierarchical Cell Structure)

UMTS využívá tzv. hierarchické členění buněk HCS (Hierarchical Cell Structure), kdy buňkám v každé z úrovní je přidělena určitá frekvence nebo sada frekvencí, s kterými hospodaří. Nabízí určitou maximální přenosovou rychlost a umožňuje efektivně předávat obsluhu mobilních uživatelů mezi úrovněmi buněk. Základním měřítkem pro rozdělení do následujících kategorií je rozloha buňky:
Makrobuňka -- poloměr až několik desítek kilometrů v závislosti na použité technologii (TDD x FDD). Buňka pokrývá velmi rozsáhlé území. Je schopna pracovat i s rychle se pohybujícími koncovými uživateli,a tím redukovat počet handoveru, který by se vyskytoval v buňkách s menším poloměrem.
Mikrobuňka -- rozloha ve stovkách metrů. Tyto buňky jsou vesměs zanořeny v makrobuňkách. Své uplatnění naleznou při pokrytí např. městských částí, kde zvyšují kapacitu v dané oblasti. Typickými uživateli jsou např. chodci nebo lidé v pomalu se pohybujících vozidlech.
Pikobuňky -- poloměr několik desítek metrů. Typické použití ve vnitřních lokacích jako nákupní centra, letiště, nádraží, stadióny, kde je velké množství pomalu se pohybujících uživatelů.
Hlavním přínosem HCS je efektivní minimalizace předávek (handoveru). Jestliže byl uživatel obsluhován pikobuňkou, nasedl do relativně rychle se pohybujícího automobilu, zvýší se tímto způsobem četnost předávek. Systém je schopen tuto skutečnost detekovat a předat obsluhu daného uživatele do vyšší úrovně buněk -- mikrobuňce.
Jedním ze základních cílů sítí 3G je nabídnout uživatelům celosvětové pokrytí, proto se v kontextu UMTS definovalo pokrytí nejen prostřednictvím pozemních základnových stanic, ale rovněž pomocí satelitů. Satelitní buňky by měly zajistit plně globální pokrytí a především dostupnost 3G sítí i v oblastech se značně komplikovaným přístupem pozemní cestou. V HCS by měly představovat nejvyšší úroveň.

Handover v UMTS

UMTS obdobně jako GSM je technologií postavenou na buňkovém principu. Tzn. území pokryté mobilním operátorem je ve své podstatě síť vzájemně se překrývajících buněk. Každá buňka má přiděleno jedinečné ID, je charakterizována svým dosahem viz HCS a pracuje s určitým počtem frekvenčních kanálů. Obecně platí, že s rostoucí frekvencí, roste i kapacita buňky, ale zároveň klesá její dosah, uživatel se tak snadno dostane mimo něj a může se přesunout pod správu buňky jiné. Situace kdy dochází k přechodu mezi kanály jednotlivých buněk nebo jedné buňky se obecně označuje pojmem handover nebo handoff. V UMTS rozlišujeme několik typů handoveru: a) hard handover, b) soft handover, c) softer handover.

Hard Handover (HHO)

S hard handoverem neboli interfrequency handoverem se lze běžně setkat u TDMA/FDMA systémů viz. GSM, dále se uplatňuje při přechodu mezi GSM a UMTS (inter-system handover) nebo při přechodu mezi pozemním a družicovým vysíláním. Samotný přechod mezi kanály není bezešvý. Koncový terminál před přepojením pozastaví přenos dat na jednom radiovém kanále a obnoví jej až na kanále novém. V krátkém okamžiku tak koncové zařízení není připojeno ani na jeden kanál. Jestliže uživatel ve chvíli přepojení z jednoho kanálu na druhý realizuje telefonní hovor, dochází k minimální ztrátě hlasové informace, kterou uživatel nepostřehne. V případě přenosu dat je situace komplikovanější, neboť přepnutí představuje možnou ztrátu přenášených informací.
V kontextu UMTS se hard handover uplatňuje vždy u UTRA TDD. UTRA FDD pracuje se všemi typy handoveru (hard, soft, softer).
Obecně využití hard handoveru v oblasti CDMA sítí jako UMTS je problematické, neboť koncový terminál neustále přijímá data. Pro přenos nezbytných informací potřebných pro realizaci HHO nezbývá v downlink timeslotech místo. 3GPP z tohoto důvodu specifikovala kompresní mód, kdy síť předem informuje koncové zařízení o počtu, umístění, opakování a délce trvání tzv. přenosových děr, ve kterých lze provádět potřebné měření kvality, síly signálu apod. Data, která by byla doručena koncovému terminálu v těchto timeslotech, jsou následně přeposlána s využitím nižšího spreading faktoru, jenž dovoluje přenést větší množství dat v krátkém čase.

Soft Handover (SHO)

Soft handover je klasický mechanizmus používán u CDMA sítí např. u UTRA FDD, kdy koncové zařízení je současně napojeno na několik základnových stanic, konkrétně u UTRA FDD až na tři různé Node B. Data zasílána směrem k UE jsou příslušným Serving RNC rozdělována a skrze několik základnových stanic posílána až ke koncovému zařízení, které je zkombinuje do původní podoby. Obdobným způsobem data směřují i do sítě. Tzn. UE je připojen na několik Node B, které od něj data přijmou, přepošlou je příslušnému Serving RNC, ten se následné postará o doručení dat do CN. Celá tato procedura multiplexu a demultiplexu dat je pro jádro systému plně transparentní.
SHO je přínosem např. na hranicích jednotlivých buněk. Kdyby byl koncový terminál napojen pouze na jednu základnovou stanici, pro správné připojení UE by bylo potřeba vysílat daleko s vyšším vysílacím výkonem, což by zapříčilo vyšší výskyt interferencí. Bezesporu hlavní výhodou je spolehlivější připojení do sítě. Jestliže dojde k výpadku jednoho Node B, spojení není přerušeno, z důvodu napojení UE současně na více základnových stanic. Tento fakt ale sebou přináší i podstatnou nevýhodu SHO, neboť čím více spojení mezi UE a NodeB existuje, tím se zvyšuje míra interferencí.

Softer Handover

Softer handover je principiálně velice podobný soft handoveru. Zatímco soft handover předpokládá napojení UE až na tři antény různých základnových stanic, u softer handoveru se jedná o připojení koncového zařízení na různé antény jednoho Node B. Veškeré rozdělovaní dat nebo kompletace se odehrává uvnitř Node B. RNC je od této činnosti oproštěn.

Příklady handoveru

UMTS specifikuje dohromady kolem deseti různých typů handoveru, ať už ve variantě soft, softer nebo hard.

Intra-node handover -- UE se přesouvá mezi kanály jednoho Node B.
Inter-node handover -- UE přechází z jednoho Node B na jiný Node B v rámci jednoho Radio Network Controlleru, který má na starost rozdělování a spojování datového proudu.
Inter-RNC handover -- přechod mezi různými Node B s tím rozdílem, že každá z těchto základnových stanic je pod správou jiného RNC. První RNC, označovaný jako Serving Radio Network Controller, přijímá data z jádra sítě a přeposílá je jednak svým Node B, na kterých je napojen UE, tak druhému RNC, Drift Radio Network Controlleru. Ten následně data přepošle přes své Node B k UE. Komunikace opačným směrem probíhá obdobně. Data zasílána z UE putují do jednotlivých Node B pod správou různých RNC. Drift RNC data nasměruje do Serving RNC, jenž se postará o jejich spojení a přeposlání ve formě jednoho datového proudu do CN.
Inter-system handover neboli handover mezi dvěma různými systémy, v kontextu 3G mezi UMTS a 2G systémem GSM, byl specifikován rovněž skupinou 3GPP. Tento typ handoveru je velice důležitý, neboť mobilní operátoři v drtivé většině případů zavádějí UMTS postupně. Nejprve ve velkých městech a postupem času pokrytí rozšiřují i na území, kde je prozatím k dispozici pouze systém GSM. V rámci zachování plynulosti připojení do sítě je žádoucí umožnit přechod mezi těmito systémy. Základní podmínkou pro potencionální realizaci inter-system handoveru je samozřejmě vhodný koncový terminál pracující jak v GSM tak UMTS.

Roaming

Roaming je v bezdrátové komunikaci všeobecně známý pojem. Jedná se o přechod mezi domovským a jiným operátorem při zachování veškerých dostupných služeb. Z hlediska rozsahu lze rozlišit tři základní druhy roamingu: regionální, národní a mezinárodní.

V počátcích GSM mobilní operátoři působící v zemi nabízeli odlišné cenové nabídky a služby v jednotlivých regionech nebo velkých metropolích. Uživatelé tak "roamovali" v rámci jednoho operátora v zemi. V této podobě se s národním roamingem dnes již nesetkáme. Avšak ve velkých zemích jako Rusko nebo USA stále působí množství regionálních mobilních operátorů, z tohoto důvodu je regionální roaming zřídka kdy ale přesto dostupný.
Národní roaming neboli roaming mezi dvěma operátory na území jedné země je také za normálních podmínek velice výjimečný. Své uplatnění našel např. u tísňového volání. Představme si situaci, kdy v dané oblasti vypukla kalamita. Lidé se snaží volat na tísňovou linku. Jestliže jsou místní buňky zatíženy obyčejnými telefonními hovory, jsou některé z těchto hovorů násilně ukončeny, neboť tísňová volání mají vyšší prioritu. Pakliže jsou všechny hovory v dané oblasti tísňové, nelze je ukončit. Uživateli se odkrývá možnost nevolat prostřednictvím svého domovského operátora, ale realizovat hovor skrze linky jiného dostupného operátora. Dalším potencionálním příkladem užití národního roamingu je situace, kdy se regulátor pokouší v zemi zvýšit konkurenční prostředí. Stávající dominantní operátor je schopen povolit národní roaming pro svého budoucího konkurenta, a to do doby než vybuduje svou vlastní síť.
Hovoří-li se v dnešní době o roamingu, je na mysli roaming mezinárodní, tzn. mezi dvěma operátory různých zemí.

Před samotnou realizaci roamingu je potřeba uzavření roamingové smlouvy mezi mobilními operátory. Té předchází dva typy testů: IREG a TADIG. IREG testuje správnou funkcionalitu příchozích/odchozích hovorů, přijímání/odesílání SMS zpráv nebo dat apod. TADIG ověřuje správnost tarifikování. Proběhne-li vše v pořádku, smlouva je podepsána a uživatelé mohou začít roaming využívat.

Jakým způsobem jsou realizovány telefonní hovory?
1.) Uživatel B telefonuje ze zahraničí domů
Jelikož se uživatel B pohybuje na území spravovaném cizím operátorem je i jím telefonní hovor řízen. Po zadání telefonního čísla hostitelský operátor uživatele B skrze GMSC směruje hovor přes mezinárodní tranzitní síť až do domovské sítě volajícího. Domovský operátor B kontaktuje operátora volaného uživatele A, jenž se postará o ustanovení hovoru mezi volajícím B v zahraničí a volaným uživatelem A.

2.) Uživatel A telefonuje do zahraničí
Uživatel A telefonuje uživateli B, který se momentálně nenachází v síti svého domovského operátora. Po vytočení telefonního čísla volaného uživatele B mobilní operátor volajícího kontaktuje domovského operátora uživatele B. Ten automaticky směruje hovor skrze mezinárodní tranzitní síť až do sítě současného mobilního operátora uživatele B. Hostitelský operátor uživatele B následně zajistí propojení volaného a volajícího uživatele.
Informace o začátku příchozího/odchozího hovoru, celkové délce hovoru, o množství přenesených dat apod. se zaznamenají pro GSM, GPRS, EDGE a UMTS do speciálního souboru zvaného TAP (Transferred Account Procedure). Tento soubor je pravidelně aktualizován a zasílán domovskému operátorovi společně s ceníkem za služby, jenž si daný operátor účtuje. Bohužel se ke skutečné ceně domovským operátorem přičítá i poplatek za zprostředkování, z tohoto důvodu ceny roamingu v různých zemích stoupají do závratných výšek.

Ilustrační příklad použití roamingu: uživatel hodlá vycestovat do zahraničí a přitom zůstat ve spojení s domovem.
Před odjezdem si ověří u svého domovského operátora, zda má roaming dostupný. Na domovských stránkách popřípadě na webových stránkách zaměřených na roaming si zjistí, kolik zaplatí za příchozí/odchozí hovory a za poslání SMS zpráv domů. Poslední kontrole podrobí svůj mobilní telefon, neboť v některých zemích jako USA mobilní sítě pracují na odlišných frekvencích než v Evropě, proto je potřeba předejít problémům a vybavit se příslušným mobilním zařízením předem.
Když se uživatel ocitne na území mimo dosah svého domovského operátora a zapne mobilní telefon nebo plynule díky handoveru přejde do sítě nového operátora, síť automaticky zjišťuje jeho identitu. Rozpozná cizího uživatele a na základě informací o jeho domovské síti, buď daného uživatele odmítne nebo příjme. Je-li přijat, nakopíruje si o něm informace z HLR a přiřadí mu dočasný identifikátor. Na displayi mobilního telefonu se objeví logo nového operátora, je uvítán do sítě a informován o cenách služeb. Nyní je schopen mimo jiné telefonovat domů, přijímat hovory a samozřejmě odesílat a přijímat SMS zprávy.
Pohybuje-li se na území pod správou cizího operátora, musí byt velice obezřetný. Nemalé sumy platí nejen za odchozí, ale také příchozí hovory. Příští účet uživatele bude zahrnovat celou řadu poplatků: a) telefonoval-li do své domovské sítě, musí zaplatit poplatky svému domovskému operátorovi zahrnující celkovou sumu za realizaci hovoru v síti cizího operátora + mezinárodní tranzitní síti, tak také nemalou přirážku, jenž si účtuje domácí operátor.
b)telefonoval-li někdo z domovské sítě uživateli v zahraničí, pak náš zahraniční uživatel platí i za tento příchozí hovor. Celková suma pak zahrnuje poplatky za mezinárodní tranzit hovoru až do cílové země + poplatek za hovor realizovaný v hostitelské zemi a samozřejmostí je i další poplatek domovskému operátorovi.

Roaming je v dnešní době velice diskutované téma. Mobilní operátoři mají prozatím v určovaní cen za roaming relativně volnou ruku, účtují si mnohdy až 5x více než je skutečná cena. Tato nepříjemná skutečnost se samozřejmě nelíbí Evropské komisi. Jejím cílem je dosáhnout snížení cen roamingu v rámci členských států EU na přijatelnou úroveň. I přes četná varování EK a hrozbu nemalých sankcí jsou ceny roamingu stále velice vysoké a nevyrovnané, ačkoliv se operátoři snaží EK vyjít vstříc zavedením několika nových zvýhodnění. Evropská komise se z tohoto důvodu rozhodla podniknout relativně radikální krok v podobě návrhu k nařízení regulace velkoobchodních i maloobchodních cen (jejich rozdíl by neměl překročit 30%). Operátoři by byli nuceni dramaticky snížit ceny roamingu, zrušit služby založené na sestavovacím poplatku (např. Cestovatel nebo Passport od T-Mobile), čímž by byli připraveni o nemalé zisky.

Bezpečnost

Bezpečnostní mechanizmy UMTS vycházejí z mechanizmů předcházející 2G sítě GSM. UMTS však nabízí podstatné vylepšení a rozšíření těchto principů, zároveň zachovává i zpětnou kompatibilitu pro GSM uživatele roamující v 3G síti.
V GSM síti v bezdrátové části systému určité bezpečnostní prvky obhospodařovala základnová stanice, u UMTS se o zabezpečení stará RNC.
Mezi nejdůležitější rysy 3G bezpečnosti beze sporu patří oboustranná autentizace (vzájemné prokázání identity uživatele i sítě), kontrola integrity (integritní kódy přidávány do signalizačních zpráv přenášených mezi koncovým terminálem a RNC), symetrické šifrování 128b klíčem a vyšší úroveň důvěrnosti (odposlechem na rádiovém kanále nelze určit identitu, uživatele další dostupné služby a lokaci). Před samotným šifrováním nebo kontrolou integrity se uživatel a síť domlouvají na volbě příslušného algoritmu, tato možnost je další novinkou v UMTS. O tom zda je zabezpečení použito a o úrovních zabezpečení jsou uživatelé informováni.
Žádný systém není dokonalý, i UMTS se potýká s celou řadou problémů. Např. když se uživatel přihlašuje poprvé do sítě, jeho jedinečný identifikátor IMSI je zaslán jako holý text, není nikterak chráněný. Dále mobilní stanice se může lehce nechat zlákat a napojit se na falešnou základnovou stanici. Jestliže není povoleno šifrování, jsou potencionálně možné útoky typu man-in-the-middle, kdy útočník odchytí veškeré relevantní informace (IMSI, TMSI, autentizační informace...) a může tak na účet své nic netušící oběti telefonovat, zasílat SMS zprávy apod. Díky orientaci UMTS na datové přenosy lze se i jeho prostřednictvím připojit k internetu, přičemž UTMS v tomto případě vystupuje jen jako zprostředkovatel připojení a ne jako prvek ochrany tzn. že veškeré potencionální hrozby pro uživatele připojeného k internetu zůstávají zachovány.

Nasazení a vývoj 3G

Sítě 3G se pomalu ale jistě začínají ve světě prosazovat po boku stávajících systémů druhé generace. Díky velké konkurenci je zde neustále potenciál pro další zvyšování přenosové rychlosti a tudíž vylepšování stávajících technik přenosu.

Fáze nasazení mobilních technologií

Není reálné provést přechod mezi sítí jedné generace na síť generace jiné v průběhu jednoho dne či týdne. Celá tato procedura je velice pozvolná, postupná. Časově je to otázka i několika let. Přechod se týká nejen sítě samotné, ale i vzniku nových koncových zařízení, služeb pro klienty apod.
Obrysový harmonogram aktuálního přechodu ze sítí 2G na 3G by mohl vypadat následovně. Samozřejmě, že jednotlivé fáze se časově liší u konkrétních operátorů, ale základní schéma by mělo být zachováno.

Úvodní fáze -- 2001 -- 2005
Sítě druhé generace jsou na vzestupu. Stále se vyvíjí, rozšiřuje se pokrytí, spektrum služeb. Jsou hlavním zdrojem příjmů mobilních operátorů. Ti do své 2G sítě pomalu začínají začleňovat i první střípky 3G sítí. Pokrývají nejperspektivnější oblasti -- hlavní metropoli, velká města. Spouští se reklama lákající uživatele na nové služby prostřednictvím 3G sítí především se zaměřením na vyšší rychlosti přenosu dat (v první fázi kolem 384 kb/s u FDD módu a 1 024 kb/s u TDD).


Prostřední fáze -- 2005 -- 2010
2G síť se přestává vyvíjet. Operátoři investují do rozšíření pokrytí 3G sítí. Stále více propagují 3G služby, zvyšují přenosovou rychlost. K dispozici dávají daleko širší nabídku potřebných koncových zařízení, bonusových balíčků. V sítích na bázi FDD se začínají objevovat softwarová vylepšení systému v podobě HSDPA a HSUPA pro podstatné zvýšení přenosové rychlosti a snížení latence.



Konečná fáze -- 2010 a dále
3G mobilní systém v plném rozkvětu. Odhaduje se, že 25 % veškeré populace bude využívat pro komunikaci 3G sítě. Premiérově 4. generace mobilních telekomunikačních systémů vstoupí na trh poskytujíce zcela nové multimediální služby, vysokorychlostní datové přenosy apod.





Vývoj mobilních komunikací (3.5G, 4G)

Nejen mobilní telefony, ale také dílčí komponenty mobilních sítí a celkové koncepty mobilních technologií jsou předmětem neustálého vývoje. Cílem zůstává maximalizace přenosové rychlosti, snížení latence, zvýšení spolehlivosti, dosažení vyšší úrovně kvality služeb stejně jako nabídka nových uživatelsky atraktivních služeb.
V odborné literatuře se lze již dnes setkat s termínem 3.5G. Z tohoto označení vyplývá, že technologie spadající do této kategorie pouze rozšiřují existující sítě, avšak nepředstavují dostatečný technologický pokrok, aby se zařadily do skupiny mobilních sítí 4G. S obdobným případem se lze ostatně setkat již u 2G systému GSM, kdy paketově orientovaná technologie GPRS nebo EDGE není standardem druhé ani třetí generace, ale tzv. 2.5G nebo 2.75G.
V kontextu vývoje mobilních komunikací si minimálně poznámku zaslouží ctižádostivý projekt bývalého leteckého inženýra Kamala Alaviho, který v současnosti pracuje na vzducholodi nesoucí letadlo s vybavením základnové stanice. Létající stanice zvaná X Station má být řízena s pomocí GPS, napájena prostřednictvím solárních panelů a poháněna skrze obří vrtuli. V případě poruchy by mělo dojít k automatickému odpojení letadla s vybavením, dopravení na zemský povrch a následným opravám. Cena jedné doslova mobilní stanice by se mohla pohybovat v řádu stovek miliónů korun, což je ve srovnání s cenou jednoho komunikačního satelitu pakatel. Dle odhadu odborníků by v případě úspěchu tohoto projektu stačilo přibližně 20 vzducholodí k pokrytí Evropy signálem. Mobilní operátoři zaujímají prozatím spíše skeptický postoj, neboť není důležité jen danou oblast pokrýt signálem, ale také nabídnout dostatečnou kapacitu. Jen čas ukáže, zda se švýcarské společnosti StratXX podaří vyřešit veškeré problematické části tohoto projektu a přesvědčí mobilní operátory o návratnosti jejich případných investic.

HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)

Ukázkovým příkladem technologie 3.5G je např. HSDPA, která byla prvně specifikována v UMTS Release 5 jako rozšíření softwarového rázu UMTS sítě založené na frekvenčním duplexu. Do UMTS díky této technologii byly přidány dva fyzické a dva logické kanály, přičemž klíčovou úlohu zde sehrává uživateli sdílený přenosový kanál High-Speed Downlink Shared Channel (HS-SCH) s fixním spreading faktorem 16. HSDPA technologie je inovativní i ve skutečnosti, že spousta úkonů jako rozhodování o znovu zaslání porušených dat nebo o přidělení sdíleného kanálu, byla přesunuta z RNC do Node B. Zvýšení přenosové rychlosti v HSDPA je dosaženo použitím několika důmyslných technik, a to adaptivního kódování a modulace, rychlého plánování a rychlé retransmise.
Technika rychlé retransmise pracuje s H-ARQ (Hybrid-Automatic Repeat Request) a myšlenkou inkrementální redundance. Příjme-li zařízení koncového uživatele porušený paket, uloží si ho a automaticky žádá retransmisi. Znovu zaslání chybných dat je realizováno již díky základnové stanici Node B, která může mít požadovaná data uloženy ještě ve svém vyrovnávacím bufferu. Celý proces kompletace korektních dat se značně zrychluje.
Kapacita sdíleného kanálu je omezena na 15 současně vysílajících uživatelů. Node B, na základě aktuálních informacích o kvalitě signálu jednotlivých mobilních uživatelů, vybírá ty s nejlepším signálem, přidělí jim kódy a prostřednictvím řídícího kanálu High-Speed Shared Conrol Channel (HS-SCCH) zašle potřebné informace pro přenos dat v následujícím 2ms rámci.
Přenášená data jsou modulována QPSK nebo 16-QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation), která je použita v případě dobrých přenosových podmínek. Ve srovnání s QPSK je schopná až zdvojnásobit přenosovou rychlost. Nejen modulace ale také kódování se dynamicky přizpůsobuje přenosovým podmínkám konkrétního uživatele.
Díky ryze softwarovým zásahům do UMTS sítě je technologie HSDPA velice snadno implementovatelná a rozšiřitelná. Dramaticky zvyšuje přenosovou rychlost v downlink směru, vylepšuje propustnost a snižuje latenci. V UMTS Release 5 byly definovány dohromady tři verze HSDPA: 5,0 s přenosovou rychlostí 1,8 Mb/s, 5,1 s rychlostí přenosu 7,2 Mb/s a 5,2 s 14,4 Mb/s. V Release 6 se HSDPA mechanizmy ještě více zdokonalily, přenosovou rychlost v downlik směru lze zvýšit až na teoretických 28,8 Mb/s.

HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access)

Součástí UMTS Release 6 je mimojiné technologie zvyšující přenosovou rychlost v uplink směru High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA). V novém kanálu Enhanced Dedicated Channel (E-DCH) implementuje obdobné techniky pro dosažení zvýšení přenosové rychlosti jako HSDPA, a to rychlou retransmisi s H-ARQ a inkrementální redundancí a rychlé plánování. Plánovač přidělení kanálu vybírá potencionální adepty nejen na základě kvality signálu, ale také přihlíží k množství dat na přenesení a době čekání na odeslání dat. HSUPA pracuje jak s dlouhodobými granty (pro několik současně posílajících terminálů) tak krátkodobými granty (multiplex v čase).
Narozdíl od HSDPA HSUPA nezavádí mechanizmus adaptivního kódování a modulace. Je schopen pracovat s novými typy HO, které přineslo UMTS, soft a softer HO s tím rozdílem, že zvyšovat vysílací výkon MS smí pouze hlavní RNC, ostatní RNC výkon pouze snižují.
Teoretická maximální přenosová rychlost dosahovaná na uplink kanálu se pohybuje až kolem 5,76 Mb/s.

HSOPA (High-Speed OFDM Packet Access)

Ačkoliv se UMTS dočkalo prozatímních softwarových vylepšení v podobě HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), skutečný vývojový posun se slibuje až od dokončení technologie HSOPA, která se soustředí na vybudování zcela nového radiového prostředí EUTRAN (Evolved UTRAN).
Teoretická přenosová rychlost dosahována touto technologií v mobilních komunikacích by měla dosáhnout až 100 Mb/s (20 MHz kanál) v downlink a 50 Mb/s (20 MHz kanál) v uplink směru s minimální latencí kolem 10 ms, ačkoliv inter-system HO značně latenci zvýší (až 500 ms). Celkový koncept byl navržen pro dynamicky měnící se šířku přenosového kanálu kolísající mezi 1,25 MHz -- 20 MHz, OFDM multiplex pro downlink, SC-FDMA (Single Carrier-FDMA) pro uplink a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) anténní systém. Maximální možná rychlost pohybu koncového uživatele oproti GSM vzrůstá z 250 km/h na 350km/h.
Prozatímní maximální přenosová rychlost dosahována touto technologií se pohybuje kolem 40 Mb/s. Na nasazení v komerčním prostředí si budeme muset ještě nějaký ten rok počkat.

Mobilní operátoři v ČR

Na území České republiky našli své působiště dohromady tři mobilní operátoři: španělské O2, německý T-Mobile a britský Vodafone. Všichni nabízí řadu hlasových i datových tarifů, předplacené karty a spoustu doplňkových služeb.

O2

Operátor Telefónica O2 Czech republic a.s. vznikl 1. července 2006 spojením nejsilnějšího pevného a mobilního operátora, Českého Telecomu a.s. a Eurotelu Praha spol. s r.o. Díky této skutečnosti nabízí velice široké spektrum služeb zahrnující např. připojení k internetu prostřednictvím všech generací mobilních sítí (1G, 2G, 3G), ADSL nebo WiFi hotspotů, telefonní hovory skrze pevnou i mobilní síť, televizní vysílání apod. Telefónica O2 Czech republic a.s. se prezentuje pod zjednodušeným názvem O2, je součástí skupiny Telefónica Europe, jenž je dále členem mezinárodní celosvětové skupiny Telefónica.
V kontextu mobilního připojení k internetu má O2 ve srovnání s T-Mobilem nebo Vodafonem nejširší nabídku. Jako jediný operátor v ČR umožňuje svým zákazníkům připojení skrze spojově orientovanou technologii HSCSD, dále má v nabídce standardně GPRS a EDGE datové tarify, pro 85 % populace CDMA EV-DO připojení na frekvenci 450 MHz a ve dvou největších městech, v Praze a Brně, i UMTS na bázi FDD s rozšířením HSDPA (UMTS Release 5, SoC I). Licenci na provoz UMTS tehdejší Eurotel a T-Mobile získali již v roce 2001 za dohromady 7,4 miliardy korun, zároveň se zavázali spustit UMTS do roku 2007, což se oběma mobilním operátorům s předstihem podařilo.
Pro datové přenosy skrze CDMA EV-DO není využita klasická GSM síť, ale stará analogová NMT síť 1G, na které byly již pozastaveny hlasové přenosy. Nyní je určena výhradně pro přenos dat. Teoretická maximální přenosová rychlost dosahována s CDMA se pohybuje kolem 2,4 Mb/s a rychlostí odezvy kolem 220 ms. Eurotel, nyní O2, zpřístupnil CDMA na již 85 % území. Ve srovnání s HSDPA, s teoretickou přenosovou rychlostí kolem 1,8 Mb/s, se rychlost v downlink směru u technologie CDMA pohybuje za dobrých přenosových podmínek pouze kolem 200-300 kb/s zatímco s HSDPA lze dosáhnout i 500-600 kb/s, HSDPA dosahuje lepších výsledků i v uplink směru. Zákazníkům jsou k dispozici v kontextu CDMA připojení dva datové tarify jeden s omezením na 512 kb/s a druhý na 1 024 kb/s.

T-Mobile

30.9. 1996 vstoupil na český trh v pořadí již druhý mobilní operátor Paegas (akcionáři: Radiokomunikace a.s. a CMobil B.V.). V roce 2002 došlo k přejmenování sítě na T-Mobile a o rok později i přijetí T-Mobile jako obchodní značky. Společnost T-Mobile Česká republika a.s. se tak zařadila do mezinárodní T-Mobile skupiny, která našla své působiště v řadě evropských států. Dnes tento mobilní operátor v ČR bojuje s konkurenčním O2 o první příčku v počtu zákazníků.
Paegas/T-Mobile zpřístupnil svým zákazníkům jak síť 2G tak 3G. Přestože T-Mobile všeobecně zavádí standard třetí generace UMTS ve variantě FDD, tudíž bezdrátovým rozhraním WCDMA, T-Mobile v České republice ale touto cestou nešel. V říjnu 2005 oficiálně spustil v Praze komerční provoz UMTS sítě na bázi TDD, která je optimalizována pro datové přenosy. Kromě víceméně standardní frekvence pro UMTS kolem 1,9 GHz získal licenci i na pásmo kolem 872 MHz, které vykazuje podstatně lepší vlastnosti šíření signálu na větší vzdálenosti a menší náchylnosti na interference. Z tohoto důvodu se T-Mobile rozhodl využít vyšší frekvence v Praze a nižší v ostatních částech republiky. Ačkoliv teoretická přenosová rychlost dosahovaná s TDD UMTS se pohybuje až kolem 2 Mb/s, T-Mobile prostřednictvím svých datových tarifů nabízí jen rychlost kolem 1 024 Kb/s. V současnosti se pyšní pokrytím UMTS cca 90 velkých měst. Připojení skrze UMTS propaguje pod názvem Internet 4G, který zahrnuje 3 tarify (Basic, Standard, Premium) lišící se v maximální možné dosažitelné rychlosti přenosu dat a datovém limitu.
Kromě sítě 3G samozřejmě nabízí i připojení skrze GPRS (max 85,6 kb/s) a EDGE (max 263 kb/s). Dostupnost GPRS se dnes již rovná dostupnosti GSM, technologií EDGE pokrývá na 3 000 měst.

Vodafone (Voice Data Phone)

Od 8. října 1999, kdy společnost Oskar Mobil a.s. získala licenci na provoz GSM sítě v pásmu 900 a 1 800 MHz, se začala datovat poměrně úspěšná dráha tohoto mobilního operátora. Za necelých devět měsíců se mu podařilo pokrýt 98 % území GSM sítí, za jeden rok získat 1 000 000 zákazníků, vybudovat s Ericsonem a ČVUT vývojové centrum, obdržet několikrát po sobě prestižní nominaci na Nejlepšího mobilního operátora Evropy v rámci World Communication Award, spustit GPRS, EDGE, v roce 2005 koupit licenci na provoz UMTS sítě a stát se členem mobilní rodiny Vodafone. V únoru 2006 došlo k přeměně společnosti Oskar Mobil a.s. na Vodafone Czech Republic a.s.
Britský mobilní operátor Vodafone se pyšní více jak 165 000 000 zákazníků na pěti kontinentech. Za zmínku stojí např., že jako první na světě zrealizoval mezinárodní telefonní hovor, čímž započal novou etapu rozšíření mobilních komunikačních sítí.
V České republice nabízí kromě klasických telefonních hovorů a řady doplňkových služeb i několik datových tarifů pro připojení skrze GPRS a EDGE. Ačkoliv GPRS je dostupné kdekoliv, kde je signál GSM, pokrytí EDGE je ve srovnání např. s T-Mobilem minimální (řádově desítky měst).
Přestože Vodafone vlastní licenci na provoz UMTS sítě za 2 miliardy korun a slíbil komerční spuštění UMTS do ledna roku 2008, od svého záměru upustil, a to díky negativním zkušenostem s UMTS T-Mobilu a O2. Hlavním důvodem byl minimální zájem koncových uživatelů a tudíž nízká návratnost investice. Pro mnoho zákazníku jsou dostačující stávající technologie připojení jako GPRS nebo EDGE.

Slovníček důležitých zkratek

1GFirst Generation Wireless
16-QAM16-Quadrature Amplitude Modulation
2GSecond Generation Wireless
3GThird Generation Wireless
3GPP 3rd Generation Partner Project
3GPP2 3rd Generation Partner Project 2
3GSMThird Generation GSM
8-PSK8-Phase Shift Keying
A 
ADCAdministrative Center
AGCHAccess Grand Channel
AMPSAdvanced Mobile Phone System
ARIB Association of Radio Industries and Bussiness
ATIS Alliance of Telecommunications Industry and Solutions
AuC Authentication Center
B 
BCCHBroadcast Control Channel
BEP Bit Error Probability
BER Bit Error Rate
BREWBinary Runtime Environment for Wireless
BSC Base Station Controller
BSSBase Station Subsystem
BTS Base Tranciever Station
C 
CBCell Broadcast
CBCCell Broadcast Center
CCCContent Casting Center
CCCHCommon Control Channel
CCHControl Channel
CDMACode Division Multiple Access
CDMA 1xRTTCDMA One Times Radio Transmission Technology
CDMA EV-DOCDMA Evolution-Data Only
CEPTConference of European Postal & Telecommunications
CFB Call Forward Busy
CFNRcCall Forward Not Reachable
CFNRyCall Forward No Reply
CKSN Ciphering Key Sequence Number
CMCommunication management
CS Coding Scheme
CSD Circuit Switched Data
D 
DCADynamic Channel Allocation
DCCHDedicated Control Channel
DCS Digital Cellular System
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications
DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Multiple Access
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
DTM Dual Transfer Mode
E 
E-DCHEnhanced Dedicated Channel
ECSD Enhanced Circuit Switched Data
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EGPRS Enhanced General Packet Radio Service
EGSMExtended Global System for Mobile Communications
EIREquipment Identity Register
EMS Enhanced Messaging Service
EUTRANEvolved UTRAN
F 
FACCHFast Associated Dedicated Control Channel
FCAFixed Channel Allocation
FCCHFrequency Control Channel
FDD Frequency Division Duplex
FDMA Frequency Division Multiple Access
FH Frequency Hopping
FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access
FSOFree-Space Optics
G 
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSCGateway Mobile Switching Center
GMSKGaussian Minimum Shift Keying
GPRS General Packet Radio Service
GPSGlobal Positioning System
GR GPRS Register
GSMGlobal System for Mobile Communications
Groupe Spéciale Mobile
GSM-RGlobal System for Mobile Communications-Rail
H 
H-ARQHybrid-Automatic Repeat Request
HCS Hierarchical Cell Structure
HHO Hard Handover
HLRHome Location Register
HO Handover
HS-DSCHHigh-Speed Downlink Shared Channel
HS-SCCHHigh-Speed Shared Conrol Channel
HSCSD High Speed Circuit Switched Data
HSDPA High-Speed Downlink Packet Access
HSUPAHigh-Speed Uplink Packet Access
I 
IMEIInternational Mobile Equipment Identity
IMT-2000International Mobile Telecomunications-2000
IMS Internet Protocol Multimedia Service
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IREGInternational Roaming Expert Group
IS-136Interim Standard-136
IS-95 Interim Standard-95
ITU International Telecommunications Union
IWU Inter-Working Unit
J 
JVM Java Virtual Machine
L 
LAILocation Area Identification
LLCLogical Link Control
M 
MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service
MCC Mobile Compete Center
MCLU Master Clock Unit
MCS Modulation and Coding Scheme
MIMOMultiple-Input Multiple-Output
MMMobility management
MMS Multimedia Messaging Service
MMSC Multimedia Messaging Service Center
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Center
MSISDNMobile Station ISDN number
MSRNMobile Subscriber Roaming Number
Nv 
NMCNetwork Monitoring and Control Center
NMTNordic Mobile Telephony
NSSNetwork and Switching Subsystem
NTT DoCoMoNippon Telegraph and Telephone Corporation
Do Communications over the Mobile Network
O 
OMA Open Mobile Allinace
OMCOperation and Maintance Center
OSSOperation Subsystem
OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor
P 
PACCH Packet Associated Control Channel
PCHPaging Channel
PCU Packet Controller Unit
PDTCH Packet Data Traffic Channel
PGSM Primary GSM
PINPersonal Identity Key
PSK Phase Shift Keying
PSTNPublic Switched Telephone Network
PUKPersonal Unblocking Key
Q 
QoS Quality of Service
R 
RARouting Area
RACHRandom Access Channel
RLCRadio Link Control
RNC Radio Network Controller
RNSRadio Network Subsystem
RRRadio Resources management
S 
SACCHSlow Associated Dedicated Control Channel
SCCHSynchronization Control Channel
SDCCHStand-Alone Dedicated Control Channel
SDU Service Data Unit
SGSN Serving GPRS Support Node
SHO Soft Handover
SIService Indication
SIMSubscriber Identity Modul
SLService Load
SMS Short Message Service
SMS-CB Short Message Service-Cell Broadcast
SMSC Short Message Service Center
T 
TACSTotal Access Communication System
TAP Transferred Account Procedure
TADIGTransffered Account Data Interchange Group
TCHTraffic Channel
TD-CDMA Time Division-Code Division Multiple Access
TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access
TDD Time Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access
TLLI Temporary Logical Link Identity
TMSITemporal Mobile Subscriber Identity
TRAU Transcoder Rate Adaptor Unit
TRUTransciever Unit
TTA Telecommunications Technology Association
TTC Telecommunications Technology Council
U 
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UTRA FDD UMTS Terrestial Radio Access Frequency Division Duplexing
UTRA TDD UMTS Terrestial Radio Access Time Division Duplexing
V 
VLRVisitor Location Register
VodafoneVoice Data Phone
W 
WAP Wireless Application Protocol
WCDMA Wideband Code Division Multiple Access
WML Wireless Markup Language
WRC World Radio Conference

Použitá literatura

Knižní zdroje Dokumenty z internetu Internetové zdroje Zdroje obrázků
Nikol Kokešová, autor, doc. Ing. Jan Staudek, CSc., vedoucí bakalářské práce, Fakulta informatiky MU Brno, 1/2007