Datová revoluce ve světě GSM

Technologie GSM je sice digitální, ale jinak je její celková koncepce poplatná představám světa spojů – je založena na principu přepojování okruhů. To dnes již viditelně stojí v cestě většímu rozvoji datových služeb nad platformou GSM. Řešení by měla přinést až radikální změna v podobě protokolu GPRS, který do světa GSM zavede přenosy na principu přepojování paketů.

Technologii GSM, na jejímž základě dnes funguje většina mobilních telefonních sítí nejen v Evropě, lze s určitým zjednodušením chápat jako „mobilní odnož“ technologie ISDN, vzniklé ve světě „pevné“ (nemobilní) telefonie. Mezi GSM a ISDN je sice značný věkový rozdíl, který se markantně projevuje jejich rozdílnou efektivností při využívání přenosových kapacit, ale to nejvýznamnější mají společné: celkový pohled na svět, přesněji na to, co potřebuje jejich uživatel, a co se mu tudíž snaží poskytnout. Obě tyto technologie vychází z předpokladu, že uživatel je bude využívat primárně, či dokonce výlučně pro přenos hlasu (v hovorové kvalitě), a tak se mu snaží poskytnout to, co je ve světě spojů považováno za optimální řešení pro „živý“ přenos hlasu: vyhrazenou přenosovou kapacitu a přenosovou cestu fungující na principu přepojování okruhů (jde tedy vlastně o „souvislou“ přenosovou cestu, kterou si lze představit jako jediný vyhrazený „kus drátu“). Obě technologie, tedy jak ISDN, tak i GSM, se shodují v tom, že lidský hlas přenáší v digitální podobě. Liší se ale v tom, jak efektivně to dělají. Technologie ISDN používá velmi jednoduchý (přímo: neinteligentní) způsob digitalizace původně analogového signálu, který vzniká z lidského hlasu (v mikrofonu), a na jeden hovor v telefonní kvalitě „spotřebovává“ celých 64 kilobitů za sekundu. Technologie GSM používá omezené přírodní zdroje (rádiové frekvence), a tudíž musela mnohem více šetřit: díky inteligentnějším a propracovanějším technikám digitalizace a kódování vystačí s cca 13 kilobity na jeden hovor. To je skoro pětinásobně větší efektivnost!

Jelikož obě technologie jsou digitální, obě přenáší příslušné hovory skrz digitální přenosové kanály, které jsou pro ně vytvářeny: v případě ISDN jde o přenosové kanály s „šířkou“ (konkrétně: s přenosovou rychlostí) 64 kb/s, zatímco u GSM jde o kanály s přenosovou rychlostí cca 13 kb/s. Těmto přenosovým kanálům (ve skutečnosti okruhům, protože jsou obousměrné) je samozřejmě jedno, jaký význam mají data, která skrz ně tečou – zda jde o digitalizovaný lidský hlas, nebo o jakákoli jiná data, třeba o vzájemnou komunikaci dvou počítačů. Obě technologie lze tedy poměrně snadno využít i pro přenosy dat – ale se zajímavým důsledkem, který doslova staví na hlavu pohled na jejich efektivnost.

Technologie ISDN díky svým značně primitivním technikám digitalizace a kódování lidského hlasu vyžaduje plných 64 kilobitů na jeden hlasový kanál a současně dokáže „datovým“ uživatelům nabídnout stejnou přenosovou kapacitu, tedy 64 kb/s (po jednom tzv. B-kanále, který je určen pro jeden hovor). Naproti tomu propracovanější, a tudíž i efektivnější technologie GSM dokáže poskytnout „datovým“ uživatelům jen mnohem menší přenosovou kapacitu, což ji právě v oblasti datových přenosů dosti handicapuje.

Kolik dat dokáže přenést GSM?

Technologie GSM používá ke svým rádiovým přenosům „fyzické“ kanály s šířkou přenosového pásma 200 kHz. Na nich je možné dosáhnout přenosové rychlosti až 271 kilobitů za sekundu – to je ale na přenos jednoho hovoru příliš mnoho. Proto jsou tyto „fyzické“ kanály uměle rozděleny, každý na 8 dílčích „logických“ kanálů (technikou tzv. časového multiplexu, TDMA, tedy vlastně na 8 časových slotů). S tím je samozřejmě spojena určitá režie, která ubírá část celkové přenosové kapacity, a další režie připadá ještě na fungování celulárních systémů jako takových. Kromě toho je třeba pamatovat na to, že rádiové přenosy jsou dosti citlivé na rušení, sílu signálu, podmínky příjmu a na další vlivy, a tak je potřeba zabudovat do rádiových přenosů poměrně robustní mechanismy korekce chyb. Také s těmito mechanismy je spojena určitá (a dosti značná) režie – proto z celkových „hrubých“ 271 kb/s na celý fyzický kanál zůstane po rozdělení na 8 částí a po započítání celkové režie na každý jednotlivý logický kanál (slot) jen cca 13 kb/s. Pro přenos telefonního hovoru v běžné telefonní kvalitě to díky použitým metodám digitalizace postačuje.

Pokud ale má být zmíněný „logický“ kanál (slot) využit pro přenos „obecných“ dat, a ne pro přenos hovoru, bude jeho efektivně využitelná přenosová kapacita významně záviset na tom, jak konkrétně se to provede. Jedním ze stupňů volnosti je například to, zda se ponechají na místě veškeré mechanismy korekce chyb, které v rámci GSM sítí odstraňují nejrůznější chyby a poruchy při rádiových přenosech (vznikající například kvůli rušení, slabému signálu atd.).

Technologie GSM nabízí „sama od sebe“ dvě základní varianty datových přenosů, přičemž obě z nich jsou samozřejmě shora omezeny přenosovou kapacitou, vyhrazenou pro jeden hovor (cca 13 kb/s). Jde tudíž o „nejbližší nižší“ standardizovanou rychlost, kterou je 9600 b/s, resp. 9,6 kb/s. GSM ji nabízí ve dvou variantách, podle toho, jak účinkují mechanismy pro korekci chyb:

V tzv. transparentním režimu nabízí GSM přenosovou rychlost 9,6 kb/s s konstantním přenosovým zpožděním, ale proměnnou chybovostí (závislou na přenosových podmínkách v místě příjmu).
V tzv. netransparentním režimu nabízí GSM 9,6 kb/s s konstantní chybovostí, ale proměnným přenosovým zpožděním.

Důležitým aspektem je skutečnost, že tyto přenosy, uskutečňované rychlostí 9,6 kb/s, jsou nabízeny všude v dosahu příslušné sítě GSM, a ne pouze v místech s dostatečně silným signálem. Pokud se ale tento požadavek poněkud oslabí a uživateli se nezaručí možnost přenosu všude (nýbrž jen v místech alespoň uspokojivě silného signálu), je možné dále zefektivnit přenosy zejména „zeslabením“ mechanismů korekce, a tím dosáhnout poněkud vyšší rychlosti – konkrétně rychlosti 14,4 kb/s.

Datové přenosy uskutečňované rychlostí 14,4 kb/s již začínají někteří mobilní operátoři ve svých sítích nabízet. V zásadě ale jde o řešení, které jde „až na doraz“, a od něhož není proto možné očekávat nějaké pokračování, tedy další zvyšování rychlosti.

Možná cesta: channel bundling

Zopakujme si ještě jednou závěrečnou myšlenku z předchozího odstavce: přenosová rychlost 14,4 kb/s pro obecné datové přenosy je maximum, které lze z technologie GSM „vytřískat“. Toto tvrzení ale platí pouze za předpokladu, že máme na mysli jediný logický kanál, resp. slot (ve výše uvedeném smyslu, neboli 1/8 fyzického kanálu).

Další možnou cestou ke zvyšování přenosové kapacity pro datové přenosy samozřejmě je slučování těchto logických kanálů (slotů). Právě tudy se ubírá technologie HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), kterou již také někteří provozovatelé mobilních sítí začínají nabízet, či alespoň připravují. Princip této technologie je vcelku zřejmý: vyšších rychlostí dosahuje vzájemným spojováním (slučováním, anglicky: bundling) jednotlivých logických kanálů, „vytížených“ na rychlost 9,6 kb/s nebo 14,4 kb/s. Stropem je přitom rychlost 64 kb/s, protože právě touto rychlostí je limitováno další propojení na úrovni páteřních sítí, a technologie HSCSD se snaží být čistě softwarovým řešením, které by nenutilo operátory k větším zásahům do jejich sítě, než jsou úpravy programového vybavení.

Jakékoli techniky založené na slučování logických (hlasových) kanálů, včetně HSCSD, ovšem naráží na jeden zásadní problém, kterým je omezený počet „fyzických“ i „logických“ kanálů. Frekvenční spektrum je samozřejmě omezené: jednotliví operátoři mobilních sítí dostávají v rámci svých licencí přiděleny určité části spektra, v podobě určitého počtu „fyzických“ kanálů o šířce 200 kHz, které mohou využívat. Díky buňkovému (celulárnímu) principu, na kterém jsou mobilní sítě založeny, je možné opakované využití takto přidělených frekvenčních kanálů, samozřejmě ale nikoli uvnitř jednotlivých buněk. V rámci každé jednotlivé buňky je proto počet dostupných kanálů omezen, a omezena je tudíž i celková disponibilní kapacita, která vzniká jejich slučováním. Přitom obecně platí, že ty kanály, které jsou (ať již jako sloučené, či jako samostatné) využity pro přenos dat, nemohou být současně využity pro přenos hlasu (a naopak). A kromě toho: přidělení jednotlivých přenosových kanálů je tím, za co zákazníci mobilním operátorům platí – a tak se zvyšováním přenosové rychlosti pomocí slučování kanálů by příslušné náklady měly růst v zásadě lineárně (pokud operátor nenasadí jinou cenovou politiku).

Zvyšování přenosové rychlosti cestou slučování kanálů tedy naráží jak na vysoké náklady (lineárně rostoucí), tak především na principiální limit v podobě omezeného počtu dostupných kanálů.

Přepojování paketů místo přepojování okruhů

Cesta, jak se vyhnout problémům s omezeným počtem dostupných kanálů v sítích GSM, vede zřejmě jen přes zásadnější změny ve fungování datových přenosů v rámci GSM. Jde o to, že všechny až dosud popisované možnosti datových přenosů jsou založeny na principu přepojování okruhů (circuit switching), což znamená, že vytváří „souvislou“ přenosovou cestu s vyhrazenou kapacitou, která existuje po určitou dobu souvisle v čase (po celou dobu, kdy je požadována a po kterou se za její existenci také platí). Proto také tak velká „spotřeba“ hovorových kanálů (slotů) – na každé spojení musí být alokován patřičný počet kanálů, které jsou po danou dobu trvale vyhrazeny pro komunikující strany a nemohou být využity k jinému účelu. Obrázek názorně ukazuje, jaká je „spotřeba“ kanálů v závislosti na počtu uživatelů, pokud jsou jejich požadavky uspokojovány pomocí technik na principu přepojování okruhů (např. HSCSD). Od určitého počtu uživatelů výše jde v zásadě o lineární závislost (viz červená křivka).

Výhradní přidělení celých přenosových kanálů i s jejich vyhrazenou přenosovou kapacitou, které je základní charakteristikou celého principu přepojování okruhů, přitom vychází z předpokladu, že komunikující strany budou potřebovat přenášet mezi sebou víceméně souvislý proud dat a že jeho „intenzita“ se bude jen málo měnit. To je vcelku opodstatněné v klasické hlasové telefonii, i když také ne vždy a za všech okolností – pokud obě telefonující strany někdy mlčí, není potřeba nic přenášet. Významnou předností mechanismů přepojování okruhů je i jejich relativně snadná implementace, a hlavně jasný a zřetelný způsob účtování – podle doby, po kterou přenosový okruh existuje a může být komunikujícími stranami využíván.

Ovšem pro datové přenosy předpoklad o souvislé „potřebě“ neplatí – datové přenosy mají spíše nárazovitý charakter a trvalé vyčlenění nějaké přenosové kapacity je v jejich případě často vysloveným plýtváním. Pro datové přenosy je obecně výhodnější přenos na principu přepojování paketů, v rámci kterého nedochází k žádnému přidělování přenosové kapacity – místo toho je veškerá dostupná přenosová kapacita v každém jednotlivém okamžiku využívána pro přenos „zabalených“ dat (ve formě paketů), a to těch, které je právě potřeba přenést. Důležité je, že díky typicky nárazovému charakteru požadavků na přenosy jednotlivých paketů je možné „prostřídat“ požadavky od různých žadatelů (resp. komunikujících stran), a to s využitím výrazně menší celkové přenosové kapacity (resp. počtu přenosových kanálů o pevně dané kapacitě). Dokládá to ostatně i obrázek (viz výše), který svou modrou křivkou ukazuje závislost počtu kanálů (slotů) na počtu uživatelů – tato modrá křivka, odpovídající použití principu přepojování okruhů, roste mnohem pomaleji než červená křivka, odpovídající přepojování okruhů.

Princip GPRS

GPRS (Generalised Packet Radio Service) je řešení datových přenosů v rámci sítí GSM, vycházející právě z principu přepojování paketů. Nenahrazuje ani nemění fungování hlasových přenosů v rámci GSM sítí, ale snaží se využívat ty kanály (sloty), které nejsou momentálně obsazeny (využívány pro hlasové přenosy). Přenosovou kapacitu, kterou tím získává, GPRS využívá pro přenos datových paketů (o velikosti až 2 kb) – pokud je právě volných až 8 logických kanálů (slotů), využívá je všechny, a to rychlostí 14,4 kb/s, čímž se dostává až na celkovou rychlost 115 kb/s (případně ještě vyšší, pokud se dokáže vyhnout režii připadající na oddělení jednotlivých slotů pomocí časového multiplexu, i další režii). Jako maximální dosažitelná rychlost GPRS se uvádí až 164 kb/s (teoretický horní limit je „hrubých“ 271 kb/s, odpovídajících šířce přenosového pásma fyzického kanálu 200 kHz).

Fungování GPRS

Zavedení GPRS do stávajících GSM sítí již není záležitostí pouhé změny softwaru jako v případě technologie HSCSD. Jde o radikálnější změnu, která vyžaduje zásahy v páteřních sítích a začlenění dvou nových druhů uzlů do GSM sítí:

SGSN (Serving GPRS Support Node) – jde o uzly, které zajišťují datové přenosy mezi GSM sítí a mobilními terminály (skrze základnové stanice BTS). Kromě toho tyto uzly udržují přehled o tom, kde se který mobilní (datový) terminál nachází v rámci sítě (ve které buňce). Uzlů SGSN je v GSM síti více (podle potřeby). Jde o datovou analogii telefonní ústředny v mobilní síti, do které jsou ze základnových stanic směrovány telefonní hovory (datové „hovory“ jsou směrovány ne do ústředen, ale do uzlů SGSN).
GGSN (Gateway GPRS Support Node) – jak již název napovídá, funguje tento uzel jako brána mezi sítí GSM a vnějšími sítěmi, například internetem, datovou sítí na bázi X.25 apod. Jednotlivé uzly SGSN v GSM síti směrují veškerý svůj datový tok právě do tohoto uzlu (prostřednictvím specifického protokolu GTP, GPRS Tunnel Protocol), odkud pak datový tok „odchází do světa“ (například do internetu či do jiné datové sítě). V každé GSM síti stačí v principu jediný uzel GGSN.

Důležité jsou ale i další aspekty GPRS, zejména z uživatelského hlediska. Jakmile se totiž nějaký mobilní (datový) terminál ocitne v GSM síti a „ožije“ (ohlásí se), příslušný uzel SGSN jej „vezme do své evidence“ – a od této chvíle je mobilní datový terminál dostupný z vnějšku (například z internetu, je-li s ním GSM síť propojena) a může přijímat i odesílat data. Pokud ale žádná data momentálně ani nepřijímá, ani nevysílá, vzhledem k použitému principu přepojování paketů nespotřebovává žádnou přenosovou kapacitu!! To má velmi významné důsledky:

Mobilní datový terminál může být pomocí GPRS trvale připojen (v tom smyslu, že sám může přijímat i vysílat, a je také dostupný pro ostatní uzly), a odpadá tedy jakékoli explicitní připojování a odpojování.

Jelikož mobilní datový terminál nespotřebovává žádnou kapacitu (v době, kdy je schopen přijímat i vysílat, ale fakticky tak nečiní), účtování poplatků v závislosti na čase ztrácí smysl. Logické je naopak účtování založené na objemu přenesených dat, případně paušální tarifikace, nezávislá na objemu skutečně přenesených dat.

GPRS z pohledu uživatele

Z pohledu uživatele je na GPRS zajímavá nejen dosahovaná rychlost datových přenosů a relativně nízká cenová hladina, kterou lze díky větší efektivnosti očekávat. Velmi významný je i trvalý charakter datového připojení, který zřejmě povede ke zcela novému způsobu využívání mobilních sítí pro datové komunikace. Tak jako dnes nechávají lidé zapnuté své mobilní telefony, aby je mohli volající dosáhnout (a kromě vybíjení vlastních baterií je to nic nestojí), díky GPRS budou moci činit totéž na úrovni datových přenosů. Bude možné mj. to, aby uživatelé nejrůznějších mobilních zařízení typu PDA (Personal Digital Assistent) pracovali se svými přístroji stejným stylem jako na stolním počítači, který je připojen k internetu pevnou linkou. Tedy aby se například brouzdali internetem, aniž by se přitom museli strachovat o protelefonovaný čas. Nebo aby pracovali s nějakou aplikací a na pozadí jim přicházela a odcházela elektronická pošta apod. Celou šíři možných důsledků je dnes ještě těžké odhadovat, v každém případě se ale významným způsobem zvýší možnosti (i efektivita) mobilních uživatelů a současně s tím zřejmě klesne i celková cenová hladina mobilních datových komunikací. Vypadá to, že ve využívání mobilních sítí dojde k nové revoluci.