mgr inż. Robert Krawczak Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji

ul. Gen. S.Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

tel.: 0-22 6839247, fax: 0-22 6839038,

e-mail: rkrawczak@wel.wat.edu.pl

Konferencja naukowo-techniczna „Dzisiejsze spojrzenie na spuściznę Nikoli Tesli”, Warszawa, Muzeum Techniki,

21-22 listopada 2007 r.

EWOLUCJA SYSTEMÓW TELEFONII KOMÓRKOWEJ

1. Geneza systemów radiokomunikacji ruchomej

Pierwsze systemy radiokomunikacji ruchomej powstawały na potrzeby związane z zapewnieniem

łączności organizacjom bezpieczeństwa i porządku publicznego (wojsko, policja). Wykorzystywały sieci

radiowe tworzone w oparciu o mobilne wersje radiostacji lub radiotelefonów. Początek zastosowań cywil-

nych szacowany jest na lata 50-te [3], w których po raz pierwszy na szeroką skalę zaczęto wdrażać je

w przedsiębiorstwach komunikacyjnych (w szczególności korporacjach taksówkowych) oraz ratownictwie

(straż pożarna, pogotowie ratunkowe). Były to oczywiście rozwiązania oferujące wyłącznie analogową

transmisję sygnału mowy. Najczęściej stanowiły wydzielone sieci z pokryciem radiowym o charakterze

wyspowym w obrębie dużych aglomeracji oraz sieci organizowane doraźnie na czas transportu. Do lat 70-

tych jedynymi zmianami, jakie dotyczyły tych systemów było zwiększanie obszarów pokrycia, niewielkie

zmiany konstrukcyjne urządzeń wynikające z postępu technologicznego oraz tendencje do tworzenia stacjo-

narnych punktów styku z klasyczną siecią telefoniczną. Wiele wad tych rozwiązań (pokrycie radiowe, po-

jemność systemu oraz m.in. parametry urządzeń abonenckich – waga, rozmiary, czas pracy itp.) spowodo-

wały powstanie nowej rodziny - systemów przywoławczych, których wprowadzenie przypada na rok 1975.

Ich zadaniem było dostarczenie informacji jednokierunkowo do abonenta systemu, jednakże proste odbior-

niki mogły działać zdecydowanie dłużej, były tanie w produkcji, a bardzo duży zasięg zapewniały sieci ra-

diofoniczne dodające informacje przywoławcze do emitowanego sygnału radiowego.

2. Systemy pierwszej generacji

Koniec lat 70-tych spowodował implementację dotychczasowych rozwiązań w postaci rozszerzenia

możliwości stacjonarnych systemów telefonicznych. Bazując na rozbudowanej sieci telefonii przewodowej

można było osiągnąć łączność z abonentami mobilnymi poprzez dodanie podsystemu stacji bazowych za-

pewniających komunikacją bezprzewodową na dużych obszarach. Sukcesy pierwszych takich systemów

zaowocowały powstaniem standardów telefonii komórkowej pierwszej generacji takich jak: Radiocom 2000

(opracowany w 1980 roku we Francji i w pełni funkcjonujący od roku 1986), NMT (opracowany w końcu

lat 70-tych i uruchomiony w 1981 roku na terenie państw skandynawskich), AMPS (opracowany w połowie

lat 70-tych i uruchomiony w 1978 roku w Stanach Zjednoczonych) [3]. Dalszej ewolucji ulegały także do-

tychczasowe rozwiązania radiotelefoniczne, które przerodziły się w systemy trankingowe dzięki opracowa-

niu w końcu lat 70-tych standardu MPT.

Na terenie Europy największą popularność zdobył system skandynawski NMT. W Polsce, w 1992

roku wdrożony został w wersji NMT 450i. Jest to system analogowy przystosowany do pracy w paśmie 450

MHz. Stanowi połączenie rozwiązań zaczerpniętych z oryginalnego systemu NMT 450 oraz jego nowszej

wersji przeznaczonej na wyższy zakres częstotliwości NMT 900. Najważniejsze różnice pomiędzy NMT

450, a NMT 450i dotyczą:

• wykorzystania przesunięcia 20 (z oferowanych 180) kanałów częstotliwościowych w inny zakres,

• modyfikacji protokołów sygnalizacji w kanale radiowym,

• wyświetlania w terminalu kodu obszaru centralowego,

• wprowadzenia kompandorów zapewniających poprawę jakości transmisji sygnałów mowy,

• zastosowania procedury identyfikacji abonenta.

Elementy składowe systemu stanowią:

• centrala systemu radiokomunikacyjnego MTX - odpowiedzialna za sterowanie ruchem

w podsystemie obsługującym abonentów ruchomych i dołączenie do publicznej sieci telefonicznej,

• stacje bazowe BS - zapewniające komunikację central MTX ze stacjami ruchomymi MS poprzez in-

terfejs radiowy,

• stacje ruchome MS – terminale będące urządzeniem abonenckim.

Rysunek 1. Architektura systemu NMT

Zakres usług oferowanych przez system NMT jest w porównaniu do nowoczesnych systemów cy-

frowych bardzo ubogi i obejmuje:

• transmisję głosu, także trójstronną,

• transmisje danych i faksów 600 bit/s,

• przesyłanie sygnalizacji DTMF,

• realizację połączeń priorytetowych (kosztem zajętości zasobów),

• pocztę głosową,

MT

PSTN

MT

BS

BS

BS

BS

BS

• wymianę wiadomości SMS (bez wyzwalania po zmianie statusu abonenta na aktywny) i prezentację

numeru abonenta wywołującego (wybrane terminale),

• obsługę kodów sieci (zarządzanie przekazywaniem połączeń).

Udogodnienia zawarte w terminalach NMT są w zasadzie podobne jak w rozbudowanych telefonach prze-

wodowych. Ze względu na skromne usługi zapewniane przez sieć oraz stosunkowo wysokie wówczas ceny

terminali i usług nie były wyposażane w powszechne dzisiaj dodatki.

Rysunek 2. Telefony standardu NMT450

Aktualnie wykorzystywana jest wersja NMT 450i+ systemu. Platforma „plus” pozwala niezauważalnie dla

użytkownika wymieniać numer identyfikacyjny SIS telefonu z centralą, nie wymaga blokowania kanału na

czas realizacji transmisji danych, i pozwala na uzyskiwanie szybkości do 9600 bit/s, ułatwia zestawianie

połączeń konferencyjnych. System ma funkcjonować do roku 2010, obecnie w większości przypadków za-

pewnia łączność na terenach, na których ze względów ekonomicznych nie opłaca się budować linii przewo-

dowych (oddalone pojedyncze instalacje abonenckie) lub gdzie jest to niemożliwe (obszary morskie).

3. Systemy drugiej generacji

Popularność analogowych systemów telefonii komórkowej, silny rozwój systemów specjalizowa-

nych takich jak systemy przywoławcze i trankingowe oraz postęp technologiczny umożliwiający konstru-

owanie urządzeń całkowicie cyfrowych spowodował, że pod koniec lat 80-tych rozpoczęto prace nad nową

generacją systemów. Miały one zapewnić całkowicie nową jakość usług eliminując wady rozwiązań analo-

gowych, implementując standardy zapożyczone z innych systemów oraz wprowadzając nowe usługi. Dla

abonenta oznaczało to znaczący wzrost atrakcyjności rozwiązań mobilnych, poprawę dostępności, jakości i

bezpieczeństwa usług oraz miniaturyzację urządzeń. Zastosowanie zaawansowanych technik wielodostępu

pozwoliło także na zdecydowane zwiększenie pojemności sieci. Skutkiem tego było funkcjonowanie w la-

tach 90-tych wielu systemów cyfrowych m.in. komórkowych: GSM, DCS, IS-95, D-AMPS, PDC, trankin-

gowych TETRA i TETRAPOL, przywoławczych ERMES i telefonii bezprzewodowej DECT.

Na obszarze europejskim rozpoczęto uruchamianie systemu GSM w roku 1989, rok po opublikowa-

niu pierwszej wersji standardu (faza 1) zorientowanej na jednozakresową pracę umożliwiającą transmisję

głosu. W Polsce sieć GSM uruchomiona została w roku 1996, co umożliwiło instalację jej w tzw. fazie 2

rozwoju (wersja 900 i 1800 MHz z usługą transmisji danych). Początkowo wyróżniano poszczególne zakre-

sy oznaczając je GSM, DCS i PCS. Ostatecznie, z uwagi na różnice występujące jedynie w parametrach

radiowych przyjęto jednolite nazewnictwo (aktualnie: GSM 400, GSM 700, GSM 850, GSM 900, E-GSM,

GSM 1800, GSM 1900, GSM-R).

Podstawowe zmiany dotyczące możliwości systemu w stosunku do rozwiązań pierwszej generacji

obejmują:

• oddzielenie funkcji telefonu od uprawnień użytkownika (karta SIM),

• kodowanie cyfrowe głosu,

• integrację podstawowych usług z siecią (przesyłanie faksu, krótkich wiadomości tekstowych, poczta

głosowa, identyfikacja numeru dzwoniącego abonenta),

• rozszerzenie możliwości usługi transmisji krótkich wiadomości (EMS),

• wprowadzenie dodatkowych elementów infrastruktury sieci odpowiedzialnych za przechowywanie

i śledzenie informacji o położeniu terminala, pomocne w utrzymywaniu odpowiedniej jakości

transmisji podczas przemieszczania się abonenta,

• zapewnienie możliwości korzystania z usług w obcych sieciach GSM (roaming),

• zwiększenie efektywności wykorzystania pasma (FDMA+TDMA oraz możliwości pracy

w szczelinach połówkowych - do 16 rozmów na jednej częstotliwości),

• wprowadzenie procedur zwiększających bezpieczeństwo (szyfrowanie transmisji w kanale radio-

wym, kontrola numeru IMEI, zabezpieczenie dostępu poprzez PIN).

Elementy składowe systemu fazy 2 stanowią [1]:

• centrala systemu MSC lub centrala z funkcją sprzęgu tranzytowego i obsługi rejestrów abonentów

obcych GMSC - odpowiedzialna za zestawianie połączeń i koordynacje współpracy pomiędzy ele-

mentami sieci oraz współpracę z publiczną siecią telefoniczną,

• rejestr stacji własnych HLR - przechowujący informacje o abonentach, którzy należą do danej sieci

(numer IMSI, MSISDN, informacje o wykupionych usługach, informacje o centrali MSC, które ak-

tualnie obsługuje abonenta i informacje o jego statusie),

• rejestr stacji obcych VLR - przechowujący informacje o abonentach, którzy w danym momencie

znajdują się na obszarze obsługiwanym przez centralę nie będącą centralą macierzystą,

• centrum uwierzytelniania AuC – przechowujące dane abonentów sieci, na podstawie których doko-

nuje uwierzytelnienia numeru IMSI,

• centrum obsługi komunikatów SMSC - biorące udział w przesyłaniu komunikatów SMS

i EMS pomiędzy abonentami oraz przechowujące wiadomości, które nie mogły być w danej chwili

dostarczone,

• sterowniki stacji bazowych BSC - odpowiedzialne za zarządzanie parametrami poszczególnych sta-

cji bazowych, przydział zasobów radiowych oraz śledzenie jakości rozmowy, a także transmisję da-

nych pomiędzy stacjami bazowymi i pozostałymi elementami sieci,

• stacje bazowe BS - zapewniające komunikację ze stacjami ruchomymi MS poprzez interfejs radio-

wy,

• stacje ruchome MS – terminale będące urządzeniem abonenckim.

Rysunek 3. Architektura systemu GSM faza 2

Rysunek 4. Architektura systemu GSM faza 2+

W toku kontynuacji prac nad standardem GSM wprowadzono możliwość transmisji danych

w szczelinach połączonych (HSCSD) oraz tzw. „inteligentny” roaming (CAMEL). Zapożyczono także roz-

MSC

PSTN

GMSC

BS

BS

BS

BS

HLR AuC

VLR

VLR

SMSC

BSC

BSC

BSC

BS

MSC

PSTN

GMSC

BS

BS

BS

BS

HLR AuC

VLR

VLR

SMSC

BSC

BSC

BSC

BS

SGSN

GGSN

IP

wiązania z zakresu transmisji pakietowej stosowane w sieciach komputerowych standaryzując transmisję

GPRS - dodano węzły: SGSN kontrolujący ruch i uwierzytelnianie terminali od strony sieci IP oraz GGSN

działający jako router łączący sieć GPRS z otoczeniem IP. Ponadto w sterowniki stacji bazowych wbudo-

wano jednostki PCU (ang. Packet Control Unit) przydzielające terminalom GPRS kanały radiowe, odpowie-

dzialne za prawidłową obsługę ruchu pakietowego w radiowej części sieci.

Zakres usług oferowanych przez system GSM jest zdecydowanie bogatszy od tych, które mogły zaofe-

rować systemy pierwszej generacji. Wynika to z faktu współdziałania z sieciami IP oraz wykorzystywania

bardzo dobrych procedur zarządzających zasobami. Najciekawsze z nich prócz wymienionych wcześniej

obejmują:

• dostęp do sieci Internet,

• serwisy WAP,

• informację o lokalizacji abonenta,

• usługi strumieniowej transmisji video,

• lokalne serwisy informacyjne,

• wiadomości MMS,

• realizację płatności elektronicznych.

Dla większości abonentów aktualnie oferowane przez system GSM usługi są wystarczające, zwłaszcza, gdy

pod uwagę weźmiemy zastosowanie technologii EDGE pozwalającej obecnie na uzyskanie szybkości trans-

misji do 296 kbit/s (5 kanałów, schemat kodowania MCS-9).

Szeroki zakres usług dostępnych w systemie GSM spowodował znaczącą rozbudowę funkcji telefo-

nów. Pojawiły się funkcje notatnikowe, budziki, dodatkowe media łączności (IrDA, Bluetooth), obsługa

poczty elektronicznej, przeglądarki HTML, odtwarzacze video i wiele innych związanych bardziej z infor-

matyką oraz rozrywką.

Rysunek 5. Telefony systemu GSM fazy 2

Rysunek 6. Telefony systemu GSM fazy 2+

4. Systemy trzeciej generacji

Generacja druga oprócz wprowadzenia techniki cyfrowej szczególny nacisk położyła na modyfika-

cję sieci szkieletowej (ang. Core Network) – stąd powstanie szeregu równoległych standardów. Stanowi to

problem dla abonenta, który oczekiwałby zaawansowanych usług, ale przy korzystaniu z jednego terminala

w dowolnym miejscu globu. Dlatego wprowadzono w systemach trzeciej generacji segment satelitarny sta-

nowiący rodzaj komórki parasolowej obejmującej swym zasięgiem tereny niedostępne dla naziemnych stacji

bazowych. Ponadto przewidziano możliwość transmisji szerokopasmowej definiując nowe rozwiązania sieci

radiowej (ang. Radio Access Network) wykorzystującej technikę WCDMA.

Podstawowe zmiany dotyczące możliwości systemu w stosunku do rozwiązań drugiej generacji

obejmują:

• globalny zasięg łączności,

• nowe procedury zabezpieczeń: szyfrowania, autentykacji abonenta i sieci, kontroli integralności da-

nych

• zwiększenie maksymalnej szybkości transmisji do 2 Mbit/s,

• zaawansowane usługi lokalizacyjne i nawigacyjne,

• rozbudowane usługi multimedialne (wideotelefon, wideokonferencje, telewizja, radio, muzyka),

• zwiększenie efektywności wykorzystania pasma (różne techniki wielodostępu oraz kodowanie adap-

tacyjne i zaawansowane sterowanie mocą).

Trzecia generacja systemów telefonii komórkowej wprowadza do architektury systemu elementy

[2]:

• podsystem satelitarny SS – odpowiedzialny za pokrycie globalne usługami,

• kontrolery radiowe RNC - odpowiedzialne za zarządzanie parametrami węzłów dostępu radiowego

(stacji bazowych), przydział zasobów radiowych, kontrolę jakości transmisji,

• węzły dostępu radiowego Node-B - zapewniające komunikację z urządzeniami ruchomymi UE po-

przez interfejs radiowy WCDMA,

• wyposażenia abonenckie UE – dowolne urządzenia zawierające terminale UMTS.

Rysunek 7. Architektura systemu UMTS

Koegzystencja systemów GSM i UMTS spowodowała kolejną rozbudowę funkcjonalności telefo-

nów. Oprócz zaawansowanych funkcji zarządzania informacjami terminale zapewniają możliwości stano-

wiące dopełnienie usług transmisji multimedialnych i usług lokalizacyjnych. W najnowszych produktach

trudno znaleźć taki, który nie posiada wbudowanego aparatu fotograficznego, kamery, odtwarzacza plików

multimedialnych – każdy z nich jest obecnie urządzeniem wielofunkcyjnym.

Rysunek 8. Telefony z możliwością pracy w standardzie UMTS

MSC

PSTN

GMSC

BS

BS

BS

HLR AuC

VLR

VLR

SMSC

BSC

BSC

RNC

Node-B

SGSN

GGSN

IP

Node-B

SS

5. Światowe tendencje rozwojowe – systemy kolejnych generacji

Celem rozwoju sieci telekomunikacyjnych w kierunku sieci następnej generacji NGN (ang. Next

Generation Network) jest konwergencja usług telefonicznych z transmisją danych zapewniana przez szybkie

wielousługowe sieci szkieletowe. Różnica szybkości transmisji pomiędzy systemami drugiej i trzeciej gene-

racji nie jest znacząca dla abonentów ruchomych i często niewystarczająca dla dynamicznie rozwijających

się technologii. Dlatego w kolejnych systemach położony zostanie nacisk przede wszystkim na większą in-

tegrację urządzeń wykorzystujących różne standardy (WiMAX, Wi-Fi, WCDMA) oraz zwiększenie szybko-

ści transmisji do 155 Mbit/s w zakresach mikrofalowych do 60 GHz. Zastosowana zostanie technika MIMO

(ang. Multiple Input Multiple Output), Wzrost efektywności widmowej uzyskany zostanie także dzięki sto-

sowaniu skomplikowanych modulacji wyższego rzędu a szerokie pasmo pracy dzięki technice OFDM (ang.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing). W dziedzinie terminali możemy oczekiwać dalszej miniatu-

ryzacji, zwiększenia pojemności obsługiwanej pamięci, wprowadzenie na szeroką skalę technologii OLED,

wbudowywania bardziej zaawansowanych urządzeń multimedialnych.

Literatura:

1. K. Wesołowski, Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa 1998;

2. J. Kołakowski, J. Cichocki, UMTS System telefonii komórkowej trzeciej generacji, WKŁ, Warszawa

2003;

3. S. Tabbane, Handbook of Mobile Radio Networks, Artech House Publisher, London 2000;