Technologie GSM je sice digitální, ale jinak je její celková koncepce poplatná p²edstavám sv╪ta spojà - je zaloºena na principu p²epojování okruhà. To dnes jiº viditeln╪ stojí v cest╪ v╪tτímu rozvoji datov∞ch sluºeb nad platformou GSM. ⁿeτení by m╪la p²inést aº radikální zm╪na v podob╪ protokolu GPRS, kter∞ do sv╪ta GSM zavede p²enosy na principu p²epojování paketà.
Datová revoluce ve sv╪t╪ GSM
Technologii GSM, na jejímº základ╪ dnes funguje v╪tτina mobilních telefonních sítí nejen v Evrop╪, lze s urƒit∞m zjednoduτením chápat jako "mobilní odnoº" technologie ISDN, vzniklé ve sv╪t╪ "pevné" (nemobilní) telefonie. Mezi GSM a ISDN je sice znaƒn∞ v╪kov∞ rozdíl, kter∞ se markantn╪ projevuje jejich rozdílnou efektivností p²i vyuºívání p²enosov∞ch kapacit, ale to nejv∞znamn╪jτí mají spoleƒné: celkov∞ pohled na sv╪t, p²esn╪ji na to, co pot²ebuje jejich uºivatel, a co se mu tudíº snaºí poskytnout. Ob╪ tyto technologie vychází z p²edpokladu, ºe uºivatel je bude vyuºívat primárn╪, ƒi dokonce v∞luƒn╪ pro p²enos hlasu (v hovorové kvalit╪), a tak se mu snaºí poskytnout to, co je ve sv╪t╪ spojà povaºováno za optimální ²eτení pro "ºiv∞" p²enos hlasu: vyhrazenou p²enosovou kapacitu a p²enosovou cestu fungující na principu p²epojování okruhà (jde tedy vlastn╪ o "souvislou" p²enosovou cestu, kterou si lze p²edstavit jako jedin∞ vyhrazen∞ "kus drátu"). Ob╪ technologie, tedy jak ISDN, tak i GSM, se shodují v tom, ºe lidsk∞ hlas p²enáτí v digitální podob╪. Liτí se ale v tom, jak efektivn╪ to d╪lají. Technologie ISDN pouºívá velmi jednoduch∞ (p²ímo: neinteligentní) zpàsob digitalizace pàvodn╪ analogového signálu, kter∞ vzniká z lidského hlasu (v mikrofonu), a na jeden hovor v telefonní kvalit╪ "spot²ebovává" cel∞ch 64 kilobità za sekundu. Technologie GSM pouºívá omezené p²írodní zdroje (rádiové frekvence), a tudíº musela mnohem více τet²it: díky inteligentn╪jτím a propracovan╪jτím technikám digitalizace a kódování vystaƒí s cca 13 kilobity na jeden hovor. To je skoro p╪tinásobn╪ v╪tτí efektivnost!
Jelikoº ob╪ technologie jsou digitální, ob╪ p²enáτí p²ísluτné hovory skrz digitální p²enosové kanály, které jsou pro n╪ vytvá²eny: v p²ípad╪ ISDN jde o p²enosové kanály s "τí²kou" (konkrétn╪: s p²enosovou rychlostí) 64 kb/s, zatímco u GSM jde o kanály s p²enosovou rychlostí cca 13 kb/s. T╪mto p²enosov∞m kanálàm (ve skuteƒnosti okruhàm, protoºe jsou obousm╪rné) je samoz²ejm╪ jedno, jak∞ v∞znam mají data, která skrz n╪ teƒou - zda jde o digitalizovan∞ lidsk∞ hlas, nebo o jakákoli jiná data, t²eba o vzájemnou komunikaci dvou poƒítaƒà. Ob╪ technologie lze tedy pom╪rn╪ snadno vyuºít i pro p²enosy dat - ale se zajímav∞m dàsledkem, kter∞ doslova staví na hlavu pohled na jejich efektivnost.
Technologie ISDN díky sv∞m znaƒn╪ primitivním technikám digitalizace a kódování lidského hlasu vyºaduje pln∞ch 64 kilobità na jeden hlasov∞ kanál a souƒasn╪ dokáºe "datov∞m" uºivatelàm nabídnout stejnou p²enosovou kapacitu, tedy 64 kb/s (po jednom tzv. B-kanále, kter∞ je urƒen pro jeden hovor). Naproti tomu propracovan╪jτí, a tudíº i efektivn╪jτí technologie GSM dokáºe poskytnout "datov∞m" uºivatelàm jen mnohem menτí p²enosovou kapacitu, coº ji práv╪ v oblasti datov∞ch p²enosà dosti handicapuje.
Kolik dat dokáºe p²enést GSM?
Technologie GSM pouºívá ke sv∞m rádiov∞m p²enosàm "fyzické" kanály s τí²kou p²enosového pásma 200 kHz. Na nich je moºné dosáhnout p²enosové rychlosti aº 271 kilobità za sekundu - to je ale na p²enos jednoho hovoru p²íliτ mnoho. Proto jsou tyto "fyzické" kanály um╪le rozd╪leny, kaºd∞ na 8 dílƒích "logick∞ch" kanálà (technikou tzv. ƒasového multiplexu, TDMA, tedy vlastn╪ na 8 ƒasov∞ch slotà). S tím je samoz²ejm╪ spojena urƒitá reºie, která ubírá ƒást celkové p²enosové kapacity, a dalτí reºie p²ipadá jeτt╪ na fungování celulárních systémà jako takov∞ch. Krom╪ toho je t²eba pamatovat na to, ºe rádiové p²enosy jsou dosti citlivé na ruτení, sílu signálu, podmínky p²íjmu a na dalτí vlivy, a tak je pot²eba zabudovat do rádiov∞ch p²enosà pom╪rn╪ robustní mechanismy korekce chyb. Také s t╪mito mechanismy je spojena urƒitá (a dosti znaƒná) reºie - proto z celkov∞ch "hrub∞ch" 271 kb/s na cel∞ fyzick∞ kanál zàstane po rozd╪lení na 8 ƒástí a po zapoƒítání celkové reºie na kaºd∞ jednotliv∞ logick∞ kanál (slot) jen cca 13 kb/s. Pro p²enos telefonního hovoru v b╪ºné telefonní kvalit╪ to díky pouºit∞m metodám digitalizace postaƒuje.
Pokud ale má b∞t zmín╪n∞ "logick∞" kanál (slot) vyuºit pro p²enos "obecn∞ch" dat, a ne pro p²enos hovoru, bude jeho efektivn╪ vyuºitelná p²enosová kapacita v∞znamn╪ záviset na tom, jak konkrétn╪ se to provede. Jedním ze stupσà volnosti je nap²íklad to, zda se ponechají na míst╪ veτkeré mechanismy korekce chyb, které v rámci GSM sítí odstraσují nejràzn╪jτí chyby a poruchy p²i rádiov∞ch p²enosech (vznikající nap²íklad kvàli ruτení, slabému signálu atd.).
Technologie GSM nabízí "sama od sebe" dv╪ základní varianty datov∞ch p²enosà, p²iƒemº ob╪ z nich jsou samoz²ejm╪ shora omezeny p²enosovou kapacitou, vyhrazenou pro jeden hovor (cca 13 kb/s). Jde tudíº o "nejbliºτí niºτí" standardizovanou rychlost, kterou je 9600 b/s, resp. 9,6 kb/s. GSM ji nabízí ve dvou variantách, podle toho, jak úƒinkují mechanismy pro korekci chyb:
V tzv. transparentním reºimu nabízí GSM p²enosovou rychlost 9,6 kb/s s konstantním p²enosov∞m zpoºd╪ním, ale prom╪nnou chybovostí (závislou na p²enosov∞ch podmínkách v míst╪ p²íjmu).
V tzv. netransparentním reºimu nabízí GSM 9,6 kb/s s konstantní chybovostí, ale prom╪nn∞m p²enosov∞m zpoºd╪ním.
Dàleºit∞m aspektem je skuteƒnost, ºe tyto p²enosy, uskuteƒσované rychlostí 9,6 kb/s, jsou nabízeny vτude v dosahu p²ísluτné sít╪ GSM, a ne pouze v místech s dostateƒn╪ siln∞m signálem. Pokud se ale tento poºadavek pon╪kud oslabí a uºivateli se nezaruƒí moºnost p²enosu vτude (n∞brº jen v místech alespoσ uspokojiv╪ silného signálu), je moºné dále zefektivnit p²enosy zejména "zeslabením" mechanismà korekce, a tím dosáhnout pon╪kud vyττí rychlosti - konkrétn╪ rychlosti 14,4 kb/s.
Datové p²enosy uskuteƒσované rychlostí 14,4 kb/s jiº zaƒínají n╪kte²í mobilní operáto²i ve sv∞ch sítích nabízet. V zásad╪ ale jde o ²eτení, které jde "aº na doraz", a od n╪hoº není proto moºné oƒekávat n╪jaké pokraƒování, tedy dalτí zvyτování rychlosti.
Moºná cesta: channel bundling
Zopakujme si jeτt╪ jednou záv╪reƒnou myτlenku z p²edchozího odstavce: p²enosová rychlost 14,4 kb/s pro obecné datové p²enosy je maximum, které lze z technologie GSM "vyt²ískat". Toto tvrzení ale platí pouze za p²edpokladu, ºe máme na mysli jedin∞ logick∞ kanál, resp. slot (ve v∞τe uvedeném smyslu, neboli 1/8 fyzického kanálu).
Dalτí moºnou cestou ke zvyτování p²enosové kapacity pro datové p²enosy samoz²ejm╪ je sluƒování t╪chto logick∞ch kanálà (slotà). Práv╪ tudy se ubírá technologie HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), kterou jiº také n╪kte²í provozovatelé mobilních sítí zaƒínají nabízet, ƒi alespoσ p²ipravují. Princip této technologie je vcelku z²ejm∞: vyττích rychlostí dosahuje vzájemn∞m spojováním (sluƒováním, anglicky: bundling) jednotliv∞ch logick∞ch kanálà, "vytíºen∞ch" na rychlost 9,6 kb/s nebo 14,4 kb/s. Stropem je p²itom rychlost 64 kb/s, protoºe práv╪ touto rychlostí je limitováno dalτí propojení na úrovni páte²ních sítí, a technologie HSCSD se snaºí b∞t ƒist╪ softwarov∞m ²eτením, které by nenutilo operátory k v╪tτím zásahàm do jejich sít╪, neº jsou úpravy programového vybavení.
Jakékoli techniky zaloºené na sluƒování logick∞ch (hlasov∞ch) kanálà, vƒetn╪ HSCSD, ovτem naráºí na jeden zásadní problém, kter∞m je omezen∞ poƒet "fyzick∞ch" i "logick∞ch" kanálà. Frekvenƒní spektrum je samoz²ejm╪ omezené: jednotliví operáto²i mobilních sítí dostávají v rámci sv∞ch licencí p²id╪leny urƒité ƒásti spektra, v podob╪ urƒitého poƒtu "fyzick∞ch" kanálà o τí²ce 200 kHz, které mohou vyuºívat. Díky buσkovému (celulárnímu) principu, na kterém jsou mobilní sít╪ zaloºeny, je moºné opakované vyuºití takto p²id╪len∞ch frekvenƒních kanálà, samoz²ejm╪ ale nikoli uvnit² jednotliv∞ch bun╪k. V rámci kaºdé jednotlivé buσky je proto poƒet dostupn∞ch kanálà omezen, a omezena je tudíº i celková disponibilní kapacita, která vzniká jejich sluƒováním. P²itom obecn╪ platí, ºe ty kanály, které jsou (a£ jiº jako slouƒené, ƒi jako samostatné) vyuºity pro p²enos dat, nemohou b∞t souƒasn╪ vyuºity pro p²enos hlasu (a naopak). A krom╪ toho: p²id╪lení jednotliv∞ch p²enosov∞ch kanálà je tím, za co zákazníci mobilním operátoràm platí - a tak se zvyτováním p²enosové rychlosti pomocí sluƒování kanálà by p²ísluτné náklady m╪ly ràst v zásad╪ lineárn╪ (pokud operátor nenasadí jinou cenovou politiku).
Zvyτování p²enosové rychlosti cestou sluƒování kanálà tedy naráºí jak na vysoké náklady (lineárn╪ rostoucí), tak p²edevτím na principiální limit v podob╪ omezeného poƒtu dostupn∞ch kanálà.
P²epojování paketà místo p²epojování okruhà
Cesta, jak se vyhnout problémàm s omezen∞m poƒtem dostupn∞ch kanálà v sítích GSM, vede z²ejm╪ jen p²es zásadn╪jτí zm╪ny ve fungování datov∞ch p²enosà v rámci GSM. Jde o to, ºe vτechny aº dosud popisované moºnosti datov∞ch p²enosà jsou zaloºeny na principu p²epojování okruhà (circuit switching), coº znamená, ºe vytvá²í "souvislou" p²enosovou cestu s vyhrazenou kapacitou, která existuje po urƒitou dobu souvisle v ƒase (po celou dobu, kdy je poºadována a po kterou se za její existenci také platí). Proto také tak velká "spot²eba" hovorov∞ch kanálà (slotà) - na kaºdé spojení musí b∞t alokován pat²iƒn∞ poƒet kanálà, které jsou po danou dobu trvale vyhrazeny pro komunikující strany a nemohou b∞t vyuºity k jinému úƒelu. Obrázek názorn╪ ukazuje, jaká je "spot²eba" kanálà v závislosti na poƒtu uºivatelà, pokud jsou jejich poºadavky uspokojovány pomocí technik na principu p²epojování okruhà (nap². HSCSD). Od urƒitého poƒtu uºivatelà v∞τe jde v zásad╪ o lineární závislost (viz ƒervená k²ivka).
V∞hradní p²id╪lení cel∞ch p²enosov∞ch kanálà i s jejich vyhrazenou p²enosovou kapacitou, které je základní charakteristikou celého principu p²epojování okruhà, p²itom vychází z p²edpokladu, ºe komunikující strany budou pot²ebovat p²enáτet mezi sebou vícemén╪ souvisl∞ proud dat a ºe jeho "intenzita" se bude jen málo m╪nit. To je vcelku opodstatn╪né v klasické hlasové telefonii, i kdyº také ne vºdy a za vτech okolností - pokud ob╪ telefonující strany n╪kdy mlƒí, není pot²eba nic p²enáτet. V∞znamnou p²edností mechanismà p²epojování okruhà je i jejich relativn╪ snadná implementace, a hlavn╪ jasn∞ a z²eteln∞ zpàsob úƒtování - podle doby, po kterou p²enosov∞ okruh existuje a màºe b∞t komunikujícími stranami vyuºíván.
Ovτem pro datové p²enosy p²edpoklad o souvislé "pot²eb╪" neplatí - datové p²enosy mají spíτe nárazovit∞ charakter a trvalé vyƒlen╪ní n╪jaké p²enosové kapacity je v jejich p²ípad╪ ƒasto vysloven∞m pl∞tváním. Pro datové p²enosy je obecn╪ v∞hodn╪jτí p²enos na principu p²epojování paketà, v rámci kterého nedochází k ºádnému p²id╪lování p²enosové kapacity - místo toho je veτkerá dostupná p²enosová kapacita v kaºdém jednotlivém okamºiku vyuºívána pro p²enos "zabalen∞ch" dat (ve form╪ paketà), a to t╪ch, které je práv╪ pot²eba p²enést. Dàleºité je, ºe díky typicky nárazovému charakteru poºadavkà na p²enosy jednotliv∞ch paketà je moºné "prost²ídat" poºadavky od ràzn∞ch ºadatelà (resp. komunikujících stran), a to s vyuºitím v∞razn╪ menτí celkové p²enosové kapacity (resp. poƒtu p²enosov∞ch kanálà o pevn╪ dané kapacit╪). Dokládá to ostatn╪ i obrázek (viz v∞τe), kter∞ svou modrou k²ivkou ukazuje závislost poƒtu kanálà (slotà) na poƒtu uºivatelà - tato modrá k²ivka, odpovídající pouºití principu p²epojování okruhà, roste mnohem pomaleji neº ƒervená k²ivka, odpovídající p²epojování okruhà.
Princip GPRS
GPRS (Generalised Packet Radio Service) je ²eτení datov∞ch p²enosà v rámci sítí GSM, vycházející práv╪ z principu p²epojování paketà. Nenahrazuje ani nem╪ní fungování hlasov∞ch p²enosà v rámci GSM sítí, ale snaºí se vyuºívat ty kanály (sloty), které nejsou momentáln╪ obsazeny (vyuºívány pro hlasové p²enosy). P²enosovou kapacitu, kterou tím získává, GPRS vyuºívá pro p²enos datov∞ch paketà (o velikosti aº 2 kb) - pokud je práv╪ voln∞ch aº 8 logick∞ch kanálà (slotà), vyuºívá je vτechny, a to rychlostí 14,4 kb/s, ƒímº se dostává aº na celkovou rychlost 115 kb/s (p²ípadn╪ jeτt╪ vyττí, pokud se dokáºe vyhnout reºii p²ipadající na odd╪lení jednotliv∞ch slotà pomocí ƒasového multiplexu, i dalτí reºii). Jako maximální dosaºitelná rychlost GPRS se uvádí aº 164 kb/s (teoretick∞ horní limit je "hrub∞ch" 271 kb/s, odpovídajících τí²ce p²enosového pásma fyzického kanálu 200 kHz).
Fungování GPRS
Zavedení GPRS do stávajících GSM sítí jiº není záleºitostí pouhé zm╪ny softwaru jako v p²ípad╪ technologie HSCSD. Jde o radikáln╪jτí zm╪nu, která vyºaduje zásahy v páte²ních sítích a zaƒlen╪ní dvou nov∞ch druhà uzlà do GSM sítí:
SGSN (Serving GPRS Support Node) - jde o uzly, které zajiτ£ují datové p²enosy mezi GSM sítí a mobilními terminály (skrze základnové stanice BTS). Krom╪ toho tyto uzly udrºují p²ehled o tom, kde se kter∞ mobilní (datov∞) terminál nachází v rámci sít╪ (ve které buσce). Uzlà SGSN je v GSM síti více (podle pot²eby). Jde o datovou analogii telefonní úst²edny v mobilní síti, do které jsou ze základnov∞ch stanic sm╪rovány telefonní hovory (datové "hovory" jsou sm╪rovány ne do úst²eden, ale do uzlà SGSN).
GGSN (Gateway GPRS Support Node) - jak jiº název napovídá, funguje tento uzel jako brána mezi sítí GSM a vn╪jτími sít╪mi, nap²íklad internetem, datovou sítí na bázi X.25 apod. Jednotlivé uzly SGSN v GSM síti sm╪rují veτker∞ svàj datov∞ tok práv╪ do tohoto uzlu (prost²ednictvím specifického protokolu GTP, GPRS Tunnel Protocol), odkud pak datov∞ tok "odchází do sv╪ta" (nap²íklad do internetu ƒi do jiné datové sít╪). V kaºdé GSM síti staƒí v principu jedin∞ uzel GGSN.
Dàleºité jsou ale i dalτí aspekty GPRS, zejména z uºivatelského hlediska. Jakmile se totiº n╪jak∞ mobilní (datov∞) terminál ocitne v GSM síti a "oºije" (ohlásí se), p²ísluτn∞ uzel SGSN jej "vezme do své evidence" - a od této chvíle je mobilní datov∞ terminál dostupn∞ z vn╪jτku (nap²íklad z internetu, je-li s ním GSM sí£ propojena) a màºe p²ijímat i odesílat data. Pokud ale ºádná data momentáln╪ ani nep²ijímá, ani nevysílá, vzhledem k pouºitému principu p²epojování paketà nespot²ebovává ºádnou p²enosovou kapacitu!! To má velmi v∞znamné dàsledky:
Mobilní datov∞ terminál màºe b∞t pomocí GPRS trvale p²ipojen (v tom smyslu, ºe sám màºe p²ijímat i vysílat, a je také dostupn∞ pro ostatní uzly), a odpadá tedy jakékoli explicitní p²ipojování a odpojování.
Jelikoº mobilní datov∞ terminál nespot²ebovává ºádnou kapacitu (v dob╪, kdy je schopen p²ijímat i vysílat, ale fakticky tak neƒiní), úƒtování poplatkà v závislosti na ƒase ztrácí smysl. Logické je naopak úƒtování zaloºené na objemu p²enesen∞ch dat, p²ípadn╪ pauτální tarifikace, nezávislá na objemu skuteƒn╪ p²enesen∞ch dat.
GPRS z pohledu uºivatele
Z pohledu uºivatele je na GPRS zajímavá nejen dosahovaná rychlost datov∞ch p²enosà a relativn╪ nízká cenová hladina, kterou lze díky v╪tτí efektivnosti oƒekávat. Velmi v∞znamn∞ je i trval∞ charakter datového p²ipojení, kter∞ z²ejm╪ povede ke zcela novému zpàsobu vyuºívání mobilních sítí pro datové komunikace. Tak jako dnes nechávají lidé zapnuté své mobilní telefony, aby je mohli volající dosáhnout (a krom╪ vybíjení vlastních baterií je to nic nestojí), díky GPRS budou moci ƒinit totéº na úrovni datov∞ch p²enosà. Bude moºné mj. to, aby uºivatelé nejràzn╪jτích mobilních za²ízení typu PDA (Personal Digital Assistent) pracovali se sv∞mi p²ístroji stejn∞m stylem jako na stolním poƒítaƒi, kter∞ je p²ipojen k internetu pevnou linkou. Tedy aby se nap²íklad brouzdali internetem, aniº by se p²itom museli strachovat o protelefonovan∞ ƒas. Nebo aby pracovali s n╪jakou aplikací a na pozadí jim p²icházela a odcházela elektronická poτta apod. Celou τí²i moºn∞ch dàsledkà je dnes jeτt╪ t╪ºké odhadovat, v kaºdém p²ípad╪ se ale v∞znamn∞m zpàsobem zv∞τí moºnosti (i efektivita) mobilních uºivatelà a souƒasn╪ s tím z²ejm╪ klesne i celková cenová hladina mobilních datov∞ch komunikací. Vypadá to, ºe ve vyuºívání mobilních sítí dojde k nové revoluci.
