Projekt č.2 - Sítě GSM, datové přenosy GPRS, HSCSD, EDGE

zadání

1. Odeslání SMS pomocí AT příkazů
   • S využitím AT příkazů odešlete z mobilní stanice SMS zprávu.
2. Datové přenosy
   • Pomocí mobilní stanice připojte PC do sítě Internet a změřte přenosovou rychlost ve směru zpětném i dopředném pro technologie:
     1. CDS a HSCDS
     2. GPRS a EDGE
   • Pro jednotlivé naměřené hodnoty určete, která přenosová metoda byla použita, a svoji odpověď odůvodněte.
3. Parametry sítě
   • V programu BTSSCAN odečtěte všechny parametry poskytované sítí pro mobilní terminál.
4. Analýza spektra GSM
   • Pomocí spektrálního analyzátoru proměřte spektrum GSM sítí.

• Body 1) až 3) 2x Mobilní telefon Nokia 6230i, USB kabel CA-53
• Bod 4) Spektrální analyzátor SPECTRAN HF-6060

Manuály k jednotlivým zařízením spolu s potřebným softwarovým vybavením naleznete na www.comtel.cz v sekci předmětu X32MKS.

Teorie

Globální Systém pro Mobilní komunikaci (Global System for Mobile communications),

• digitální buňková radiotelefonní síť s více než 400 operátory ve více než 150 zemích, GSM telefony používá přes miliardu lidí, je nejpopulárnější standard pro mobilní telefony na světě
• GSM se od svých předchůdců liší tím, že signální i hovorové kanály jsou digitální, což znamená že se jedná o druhou generaci (2G) systému mobilních telefonů
  • využíva pásma 900 MHz a 1800 MHz
  • přenos rychlostí 9,6 kb/s, některé společnosti až 14,4 kb/s
• GSM je buňková síť, což znamená že mobilní telefony se připojují do sítě prostřednictvím nejbližší buňky.
• jsou čtyři různé velikosti buněk - makro, mikro, piko a deštníkové buňky. Oblast pokrytí každé buňky se liší podle prostředí (typicky 1-3 kilometry v průměru, avšak je možné používat buňky o velikosti 35 kilometrů; v centrech velkých měst je tato vzdálenost značně menší, a to cca 500 metrů; existuje však koncept rozšířené buňky kde může být oblast dvojnásobná i větší). Za makro buňky jsou považovány ty, kde je umístěna anténa základové stanice na stožáru nebo na budově nad úrovní střech. Mikro buňky mají anténu umístěnou pod úrovní střech; typické je použití v zastavěných oblastech. Piko buňky jsou malé buňky s průměrem pár desítek metrů; používají se hlavně uvnitř budov. Na druhou stranu deštníkové buňky se používají pro pokrytí oblastí ve stínech a na vyplnění mezer mezi buňkami.
• velikost pokrytí záleží na výšce antény, výkonu antény a na podmínkách šíření

FDMA

(Frequency Division Multiple Access) vícenásobný přístup frekvenčním dělením.

Frekvenční pásma GSM 900

Základní (Primary) GSM 900 má přidělen kmitočet v rozsahu 890,2 až 960 MHz, kde frekvence 890,2 – 915 MHz je pro uplink (Mobil -> BTS) a 935,2 – 960 MHz je pro downlink (BTS -> Mobil). GSM 900 používá frekvenční multiplex, kde jednotlivá pásma jsou rozdělena po 200 KHz, takže je k dispozici 124 obousměrných kanálů. V rozšířeném (Extended) GSM, které vzniklo kvůli přetíženosti Primary GSM, je kmitočet u uplinku i downlinku rozšířen o 10 MHz dolu, takže jeho frekvenční pásma jsou 880,2 – 915 MHz pro uplink a 925,2 – 960 MHz pro downlink Díky tomuto rozšíření přibylo dalších 50 kanálů po 200 KHz tedy 174 obousměrných kanálů.

Frekvenční pásma GSM 1800

GSM 1800 (nazývána taky DCS (Digital Cordless Standard)) funguje na stejném principu, ale frekvence pro uplink jsou v rozsahu 1710 – 1785 MHz a pro downlink v rozsahu 1805 – 1880 MHz. Kmitočtové spektrum je opět rozděleno po 200 KHz, takže v DCS je 375 kanálů. Na rozdíl od GSM 900 které používá telefony s maximálním výkonem do 2 W, používá DCS 1800 telefony s výkonem do 1 W. Z použité frekvence a výkonu je zřejmé, že DCS vyžaduje vyšší počet BTS na pokrytí vybrané oblasti

TDMA

(Time Division Multiple Access) - vícenásobný přístup časovým dělením

V každém frekvenčním kanálu se přenáší 8 nezávislých modulačních signálů, tj. každý frekvenční kanál je rozdělen na 8 časových kanálů (tzv. time slot). Využívá se tady tzv. kombinovaný multiplex TDMA/FDMA. Skupina těchto osmi time slotů tvoří rámec TDMA, skupina frekvenčních kanálů tvoří rámec FDMA. Každý time slot má vyhrazenou dobu 576,9 mikrosekund (přesně 15/26ms), takže celý TDMA rámec má vyhrazenou dobu 4,615 milisekund.

Handover

Handover je tedy přepínaní probíhajících hovorů do jiných kanálů nebo buněk. Při této technice mobilní telefon neustále monitoruje ostatní BTSky v okolí a zároveň měří sílu signálu a chybovost. Tyto údaje jsou potom předány jednoduché funkci a výsledky šesti nejlepších stanic jsou předány zpět systému. Síť potom rozhodne, kdy se zahájí handover. BSC může sama zahájit a provézt handover, jsou-li obě BTS stanice (opouštěná a vstupující) kontrolované touto BSC. V opačném případě přebírá správu handoveru MSC.

• kanály ve stejné buňce,
• buňkami kontrolovanými stejnou BSC (Base Station Controller),
• buňkami kontrolovanými různými BSC, ale patřícími stejné MSC (Mobile Services Switching Center) a
• buňkami patřícími různým MSC (tento handover je ale pouze teoretický díky mnoha operacím, které by se musely vměstnat do krátkého okamžiku, proto spojení raději spadne)

GPRS (General Packet radio Service)

standard GSM pokračuje s vývojem schopností paketových dat přidaných do standardu ve verzi z roku 1997 pod zkratkou GPRS

• síť 2,5 generace
• služba pro mobilní připojení k internetu
• funguje na principu přepojování paketů
• max. přenosová rychlost 171,2 kbit/s

EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution)

vyšší přenosové rychlosti dat byly představeny jako EDGE a UMTS (v tomto případě už se jedná o 3G) ve verzi z roku 1999

• lze snadno zavést do současných sítí, stačí pouze dokoupit zařízení, které je potřebné pro modulaci 8 PSK
• při srovnání s GPRS je asi třikrát rychlejší – max. 474 kbit/s, v praxi 80 – 160kb/s
• v ČR od 2004

Porovnání:

EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) je technologie, která pouhou změnou modulace signálu dokáže několikanásobně zvýšit přenosovou rychlost stávající GSM sítě. Jen CSD připojení, které v GSM síti dosahuje přenosové rychlosti 9,6/14.4 kbit/s, má v síti EDGE přenosovou rychlost 48 kbit/s. Problém je ale v tom, že díky rozdílnému způsobu modulace je potřeba pro EDGE speciální telefon (respektive je nutné současný GSM telefon dovybavit demodulátorem kódování 8PSK, které EDGE používá). Vzhledem k tomu, že EDGE je opravdu založeno pouze a jen na změně modulace, tak jeho ostatní funkce a možnosti jsou naprosto shodné se standardními sítěmi GSM. V sítích EDGE tak najdete, jak technologii HSCSD (v sítích EDGE se ji říká ECSD), tak technologii GPRS (v sítích EDGE se jmenuje EGPRS).

1. Odeslání SMS pomocí AT příkazů

Po připojení mobilního telefonu jsme spustili program HyperTerminal, ve kterém jsme zvolili připojení na virtuální komunikační port. Pak stačilo jen zadat správnou sekvenci AT příkazů pro odeslání SMS (viz. příloha).

<- AT
-> OK
<- AT+CMGF=11
-> OK
<- AT+CMGS="+420733xxxxxx"
<- skupina 4➝
<- +CMGS: 8
-> OK

2. Datové přenosy

Abychom otestovali rychlost připojení pomocí mobilního telefonu jsme nejdříve nastavit telefonické připojení v operačním systému (Microsoft Windows XP).

Nejdříve jsme testovali připojení pomocí technologie CSD (Circuit Switched Data).

• Vytáčené číslo: 4620
• Uživatel a heslo: csd
• IP adresa: přidělována dynamicky serverem
• DNS servery: lze využít automatického přidělování adres DNS serverem

Po úspěšném připojení k Internetu jsme pomocí programu TotalCommander zkopírovali soubor ze vzdáleného FTP serveru a následně ho nakopírovali zpět.

Nakonec jsme provedli měření rychlosti připojení pomocí webové aplikace na serveru www.dsl.cz.

Celý proces jsme opakovali pro připojení technologií EDGE (GPRS). S následujícím nastavením.

• AT příkaz: AT+CGDCONT=1,”IP”,”internet.t-mobile.cz”
• Vytáčené číslo: *99***1#
• IP adresa: přidělována dynamicky serverem
• DNS servery: lze využít automatického přidělování adres DNS serverem

Výsledky měření jsou zapsány níže.

• přenášený soubor: 616kB
• CDS: download: 363B/s; upload: 1kB/s
• EDGE: download: 11,7kB/s; upload: 3,9kB/s

 

3. Parametry sítě

Pro měření parametrů sítě jsme použili mobilní telefon Nokia 6230i připojený pomocí USB kabelu (CA-53). Na PC jsme spustili program BTSSCAN, který pomocí virtuálního komunikačního portu začal sledovat parametry připojení k síti mobilního opeátora.

Při měření jsme otestovali více umístění mobilního telefonu a pokusili jsme se o vyvolání funkce handover (předání spojení sousední BTS). To se ovšem nepodařilo.

měření

• Net Code: 230 01 (T-Mobile CZ)
• LAC: 403CH (16444D)
• type: home network
• Cell ID: 07BEH (1982D)
• signal: -72dB

4. Analýza spektra GSM

Pro měření spektra GSM jsme potřebovali: Spectran HF6060 (připojený k PC), dva mobilní telefony. Po počátečních problémech s přístrojem Spectran (vybitá baterie) jsme bez problémů navázali spojení s programem na PC. Zde jsme zvolili vhodné spektrum a uskutečnili hovor. Na spektrogramu se objevili špičky, které jsme zaznamenali. Uskutečnili jsme ještě několik hovorů různými směry a pozorovali spektrogram.

měření

• nastavené spektrum: 890 – 915MHz (935-960MHz)
• hovor: T-Mobile -> Vodafone
• chanels: 897MHz -> 900MHz
• peaks: -37dB -> -48dB

závěr

Na závěr bych rád poděkoval za přínosné cvičení, které se podařilo celé bez větších problémů změřit.

zdroje

• Petra Píšová, Vývojové trendy sítě GSM (2G) a 3G, ČVUT FEL, 2007
• http://wiki.forum.nokia.com/index.php/AT_Commands
• http://en.wikipedia.org/wiki/Circuit_Switched_Data
• http://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution

Přílohy

AT příkazy Nokia

Data card control commands

Phone control commands

Computer data card interface commands

Service

Network communication parameter commands

Miscellaneous commands

SMS commands

SMS text mode

SMS PDU ode