 |
 |
 |
 |
Série článků
věnovaných problematice přenosů dat v mobilních sítích
GSM. Zabývá se obecnými vlastnostmi GSM sítí z hlediska
jejich využitelnosti pro přenos dat (proč je např.
standardní přenosová rychlost 9,6 kbps, jak je
realizována rychlost 14,4 kbps). Dále je probírána
otázka mobilního připojení k Internetu a řešení
umožňující dosahovat vyšších rychlostí ve stávajících
sítích: HSCSD, GPRS a EDGE. Popisovány jsou i mechanismy
SMS a USSD, a dále aplikační protokoly WAP a MeXe. na
závěr je diskutována i koncepce mobilních sítí 3.
generace, označovaných též zkratkou UMTS. Publikováno
jako Cover Story měsíčníku Softwarové noviny č.
7/2000. | |
|
 |
 |
 | |
|
 |
 |
 |
|
Celulární (buňkový) princip
Mobilní sítě
využívají ke svému fungování rádiové vlny. Ovšem frekvence,
které jsou pro ně dostupné, jsou striktně omezené a každý
mobilní operátor jich získává jen velmi omezený počet. Dostává
je přidělené v rámci své licence, a to od státního orgánu
pověřeného správou frekvenčního spektra (u nás jde o Český
telekomunikační úřad).
Rozsahy frekvencí, přidělené
konkrétním operátorům, se sice mohou i významněji lišit, ale
nikdy nemohou postačovat na to, aby operátor mohl přidělit
každému probíhajícímu hovoru ve své síti samostatný
komunikační kanál (tj. samostatný rozsah frekvencí,
”vyříznutý” z celkového přídělu který operátor dostal k
dispozici). Jediným řešením, které při takovémto nedostatku
frekvencí připadá v úvahu, je vícenásobné použití stejných
frekvencí, neboli to aby různé hovory používaly stejné
frekvence. Samozřejmě je přitom nutné zajistit, aby se různé
hovory využívající stejné frekvence vzájemně neovlivňovaly - k
tomu se dnes využívá tzv. buňkový (anglicky: celulární)
princip. Jeho podstatou je rozdělení geografického teritória,
na kterém příslušný operátor poskytuje své služby, na vhodné
velké části (označované jako buňky), uspořádané tak, že když v
jedné části (buňce) jsou používány určité konkrétní frekvence,
žádná z bezprostředně sousedících částí (buněk) již tyto
frekvence nepoužívá (resp. používá jiné frekvence). V praxi se
nejčastěji používá uspořádání se šestihrannými buňkami
uspořádanými do vzoru který připomíná plástve medu (viz
obrázek č. 1). Jak lze snadno nahlédnout, lze vystačit již se
třemi různými druhy takovýchto buněk (na obrázku rozlišených
pomocí barev, ve skutečnosti využívají různé rozsahy
frekvencí), a přitom ”pokrýt” libovolně velké území jejich
opakováním - samozřejmě za cenu toho, že v každé buňce je
počet souběžných hovorů vždy shora omezen (tím, kolik
frekvencí má daná buňka k dispozici). Eventuelní potřebu
zvýšit počet souběžných hovorů je nutné řešit hustější sítí
buněk.
Architektura mobilní sítě GSM
V centru každé
buňky takovéto ”celulární sítě” (buňkové sítě”) se nachází
základnová stanice, označovaná jako BS (Base Station), častěji
jako BTS (Base Transceiver Station). Jejím úkolem je
komunikovat s mobilními telefony , které se právě nachází
uvnitř příslušné buňky (obecně s terminály, které nemusí nutně
být mobilní), a to na frekvencích které jsou buňce přiděleny.
Pokud se příslušné koncové zařízení (mobilní telefon) pohybuje
a přemístí se z jedné buňky do druhé, základnové stanice to
poznají a komunikaci se zařízením si mezi sebou předají -
dojde k předání (tzv. handover-u), které by uživatel mobilního
telefonu neměl vůbec zaznamenat.
Jednotlivé základnové
stanice (BS, resp. BTS) samozřejmě musí být mezi sebou
propojeny a společně řízeny. V praxi obvykle několik z nich
sdílí společnou řídící jednotku (na obrázku č. 2 je označena
jako BSC, Base Station Controller). Soustava všech
základnových stanic mobilní sítě je skrze své řídící jednotky
napojena na centrální ústřednu (MSC, Mobile Services Switching
Centre), kterou si lze představit jako analogii klasické
telefonní ústředny z pevné sítě - také slouží ke směrování
jednotlivých hovorů k jejich příjemcům. V mobilní síti,
vzhledem k možnosti pohybu účastníků s jejich telefony
(terminály) však musí být někde vedena evidence toho, kdo se
kde momentálně nachází - k tomu slouží databáze resp. registr
HLR (Home Location Register). Stejně tak musí být někde vedena
evidence (vlastních) uživatelů i návštěvníků (v rámci
roamingu) - k tomu zde slouží další registry, jmenovitě EIR
(Equipment Identity Register), AuC (Authentication Centre) a
VLR (Visitor Location Register).
Sdílené využití
frekvencí - časový multiplex
Ani opakované využití
přidělených frekvencí v jednotlivých buňkách sítě stále ještě
nepostačuje k uspokojení všech potřeb. Problémem je hlavně
počet uživatelů v rámci buňky, který je velmi často výrazně
větší než počet rozsahů frekvencí, resp. kanálů, dostupných v
dané buňce pro přenos jednotlivých hovorů. Proto je nutné
vícenásobně využít dostupné frekvence i v rámci jednotlivých
buněk.
Analogové mobilní sítě, jako je NMT či americký
AMPS, tento problém buď neřeší vůbec, nebo k jeho řešení
používají čistě analogovou techniky tzv. frekvenčního
multiplexu (což si lze jednoduše představit jako další, ještě
jemnější rozdělení frekvenčních pásem). Digitální mobilní
sítě, mezi které patří i GSM, mohou ke stejnému účelu použít
efektivnější techniku tzv. časového multiplexu (TDM, Time
Division Multiplexing, resp. TDMA, Time Division Multiple
Access). Její podstatu lze popsat tak, že přenosové schopnosti
určitého kanálu jsou rozděleny v čase - konkrétně tak, že
každá z komunikujících dvojic využívá přenosový kanál jen po
určitou dobu, pak jej přepustí další dvojici, ta udělá totéž a
takto vše pokračuje dokud se nevyčerpají všechny komunikující
dvojice, které přenosový kanál sdílí, načež se zase ke slovu
dostává první dvojice a vše se v cyklu opakuje. Obecně tedy
lze říci, že pokud jeden fyzický přenosový kanál tímto
způsobem sdílí například 8 komunikujících dvojic (resp. je
sdílen pro 8 souběžných hovorů), pak každý z nich dostává
přidělen tento přenosový kanál (v cyklu) vždy na 1/8 určitého
přenosového kvanta. Toto ”časové kvantum” je obvykle
označováno jako slot, a číslo 8 zde nebylo zvoleno náhodně -
technologie GSM rozděluje každý přenosový kanál, který má k
dispozici, právě na 8 částí, neboli pro souběžné vedení až 8
hlasových hovorů.
Kromě techniky frekvenčního multiplexu,
používané v analogových sítích, a techniky časového multiplexu
existuje ještě jeden další způsob efektivního sdílení
dostupných frekvencí, resp. přenosových kanálů, který se zdá
být velmi perspektivní. Jde o tzv. kódový multiplex (CDMA,
Code Division Multiple Access), založený na tom, že vysílající
využije celé frekvenční pásmo které má k dispozici a vysílá na
něm to, co vznikne zakódováním obsahu několika dílčích
přenosů. Každý příjemce si pak z tohoto celku ”odkóduje” jenom
to, co je určeno jemu (a naopak nedokáže dekódovat to, co mu
nepatří). S touto technikou se počítá pro mobilní sítě třetí
generace, viz článek ”Co přinese třetí generace mobilních
sítí?”.
Bezdrátové protokoly
Dnešní mobilní telefony
nejsou již pouhá jednoúčelová zařízení, určená výhradně k
telefonování. Jsou naopak čím dál tím více univerzální a
skýtají čím dál tím více možností pro provozování různých
aplikací. Pro implementaci těchto aplikací dnes existuje více
různých platforem, označovaných jako ”wireless protocols”
(doslova: bezdrátové protokoly). Nejznámějším je asi protokol
WAP (Wireless Application Protocol), ale vedle něj existuje
také SIM Application Toolkit a Mobile Station Application
Execution Environment (MexE). Všechny tyto protokoly přitom
nutně musí využívat některý z přenosových mechanismů
(bearers), dostupných v síti GSM - ať již se jedná o CSD,
HSCSD, GPRS či SMS nebo USSD.
SIM Application
Toolkit
Nejstarší platformou, na které lze vytvářet různé
aplikace pro mobilní telefony, je tzv. SIM Application
Toolkit. Jeho původ je třeba hledat ve významu karty SIM
(Subscriber Information Module), která byla původně ryze
pasivní komponentou - pamětí, ve které byly nahrány důležité
údaje pro identifikaci účastníka mobilní sítě. S postupem času
a se zavedením tzv. SIM Application Toolkit-u se tato paměťová
karta dostala do výrazně aktivnější role, v tom smyslu že se
stala hostitelem celých aplikací, resp. jejich klientských
částí. Lze si představit, že nyní mohou být na SIM kartě kromě
původních identifikačních údajů umístěné i kódy aplikací
(resp. jejich klientských částí), a SIM Application Toolkit
vytváří jednak prostředí pro manipulaci s těmito aplikacemi
(např. zavádění jejich kódu na SIM karty), ale zejména vytváří
prostředí pro provozování (běh) těchto aplikací přímo v
mobilním terminálu. Aplikace pak mají přístup k důležitým
údajům přímo na SIM kartě, ale kromě toho mohou využívat i
schopnosti samotného mobilního terminálu - mohou například na
jeho displeji vytvářet různá menu, pomocí kterých vyzývají
uživatele k zadání konkrétních údajů či příkazů nebo voleb,
nebo mu naopak prezentují výsledky jeho předchozích příkazů.
Některé aplikace přitom mohou být takového charakteru, že
”vystačí” jen se samotným mobilním telefonem a nepotřebují
komunikovat s okolím a zejména s GSM sítí (mohla by to být
například hra na SIM kartě). Většinou se ale jedná o takové
aplikace, které fungují v režimu klient/server, a na mobilním
terminálu je provozována pouze klientská část takovéto
aplikace. Pak vše funguje takovým způsobem, že klientská část
aplikace si od uživatele mobilního terminálu vyžádá příslušné
pokyny, a na jejich základě sestaví požadavek své serverové
části, která je umístěna v GSM síti nebo je alespoň přístupná
skrz tuto síť, a pak takovýto požadavek také odešle. Pro
názornost si lze představit oblíbený GSM banking, který u nás
začala nabízet jako první Expandia banka - aplikace, umístěná
na příslušné SIM kartě a provozovaná přímo v mobilním
terminálu podporujícím SIM Toolkit, si nejprve vyžádá od
uživatele potřebné pokyny (co chce se svým bankovním účtem
udělat), načež sestaví příslušné příkazy pro svou serverovou
část (běžící přímo v rámci bankovního systému) a tyto odešle
skrz GSM síť do bankovního systému. Podobně mohou fungovat i
nejrůznější informační služby (například Paegas Info).
Pokud jde o přenosový mechanismus, SIM Application Toolkit
nejčastěji využívá k přenosům služby SMS, konkrétně varianty
Point-to-Point.
WAP, alias Wireless Application
Protocol
Zřejmě nejznámější a nejpopulárnější platformou je
dnes protokol WAP. Je třeba se na něj dívat jako na
standardizovaný způsob komunikace mezi mobilním terminálem a
serverem instalovaným v mobilní síti (ne nutně GSM, ale v
zásadě jakékoli mobilní síti). Podobně jako SIM Toolkit
vychází i WAP z architektury klient/server, ale přeci jen zde
uplatňuje poněkud jiný přístup. SIM Toolkit totiž počítá s
klasickou architekturou klient/server a s tím, že klientská
část aplikace je ”pevně” umístěna v mobilním terminálu (je
nahrána na SIM kartě) a je na mobilním terminálu také
provozována (v prostředí které SIM Toolkit pro běh aplikace
vytváří). To samozřejmě klade jistá omezení na možnost
současného provozování více různých aplikací i jejich
instalování.
Naproti tomu u protokolu WAP je vhodné si
představit, podobně jako u aplikací přístupných
prostřednictvím služby World Wide Web, že vychází spíše z
tříúrovňové architektury klient/server. Tedy z předpokladu, že
uživatel má k dispozici nikoli jednoúčelovou klientskou část,
ale naopak velmi univerzální prezentační prostředek, který
může být beze změny použit pro zpřístupnění nejrůznějších
různých aplikací. Ve světě služby World Wide Web je takovýmto
univerzálním prezentačním prostředkem dobře známý WWW browser
(prohlížeč), v případě WAP-u jím je ”mikrobrowser”, zabudovaný
do mobilního terminálu. Zbývající část aplikace, zahrnující
jak tzv. aplikační logiku, tak i eventuelní databázi, pak může
být realizována v podstatě kdekoli i mimo mobilní síť (v
případě WAP-u), resp. mimo Internet (v případě Web-u).
Potřebné přizpůsobení a propojení totiž realizuje v obou
případech brána (gateway), která z jedné strany komunikuje se
”zbývající” částí aplikace, takovým způsobem jaký je potřebný
(zde není nutná standardizace), a z druhé strany komunikuje s
webovým browserem (resp. WAP-ovým mikrobrowserem) přesně
definovaným a standardizovaným způsobem - v případě web-u jde
o komunikaci prostřednictvím protokolu HTTP (Hypertext
Transfer Protocol), a v případě WAP-u jde o komunikaci
prostřednictvím tohoto protokolu, tj. protokolu Wireless
Application Protocol.
Výsledný efekt je v případě WAP-u
stejný jako u web-u: uživateli stačí jeden identický browser
(mikrobrowser) k tomu, aby mohl používat celou širokou škálu
služeb nejrůznějšího obsahu a zaměření. Tyto služby jsou
přitom zajišťovány aplikacemi, které ”sídlí” v síti (v
Internetu či v mobilní síti) za příslušnými bránami, či
dokonce zcela mimo tyto sítě (a vlastně to ani není
podstatné). Rozdíl mezi web-em a WAP-em je samozřejmě v
konkrétním způsobu fungování - nejen v komunikaci mezi
browserem a bránou, ale i ve formátu přenášených dat (web
pracuje s formátem HTML, WAP s formátem WML), ale především v
samotných prezentačních možnostech: zatímco web počítá s
poměrně bohatými zobrazovacími schopnostmi počítače, WAP může
počítat jen s velmi omezenými možnostmi které skýtá mobilní
terminál. | |
|
 |
 |
 | |
zpět / hlavní
stránka / kategorie
