Rychlá, ale přesto mobilní data
Mobilní sítě tradičně vznikaly jako sítě hlasové, neboli jako sítě určené pro přenos hlasu, v rámci telefonování. S postupem času se ale jejich zaměření začalo významně rozšiřovat, a to zejména o datové služby. Zpočátku byla možnost mobilního přenosu dat jen jakousi pomyslnou třešničkou na dortu, čemuž odpovídala i exkluzivní cena. Ale s postupem času se věci začaly obracet. Mobilní sítě vyšších generací už jsou od začátku koncipovány spíše jako sítě určené k přenosu dat, s tím že (kromě jiného) podporují také přenos hlasu a telefonování. A datové přenosy dokáží realizovat mnohem efektivněji, a díky tomu i levněji.
Dnes už má vše podobu jakéhosi závodu mezi technologiemi a operátory, kteří je ve svých sítích nasazují: kdo dokáže zákazníkovi nabídnout nejrychlejší data, s nejkratší latencí a s co nejlepší podporou mobility? Jaké možnosti a šance mají v tomto závodě technologie již dnes dostupné technologie GPRS, EDGE či CDMA EV-DO, co nabízí nastupující UMTS a jeho vylepšení v podobě HSDPA a HSUPA, a co slibují připravované technologie jako LTE? A jak do toho všeho zapadají ještě řešení na bázi UMTS-TDD, jaké u nás provozuje český T-Mobile?
Než se pustíme podrobněji do možností přenosu dat v mobilních sítích, řekněme si hned na úvod, že není mobilní síť jako mobilní síť. Existuje hned několik generací mobilních sítí, které se od sebe zásadním způsobem liší. Tak například mobilní sítě první generace byly ještě analogové, a možnostem přenosu digitálních dat vycházely vstříc jen minimálně. Z našeho dnešního pohledu už nejsou zajímavé.
To mobilní sítě druhé generace, jako například sítě GSM, již jsou plně digitální. Stále ale vznikaly se záměrem přenášet lidský hlas, pro potřeby telefonování, a tomu jsou také uzpůsobeny. Jak princip jejich fungování, tak i dimenzování příslušných přenosových kanálů zde vychází z potřeby přenášet lidský hlas v digitalizované podobě. Využít je pro přenos „obecných“ dat sice jde poměrně jednoduchým a přímočarým způsobem, ale je to neefektivní a tudíž i drahé.
Aby to tak drahé nebylo, a data mohla v mobilních sítích druhé generace (na bázi GSM) proudit rychleji a efektivněji, přijímají se k tomu dodatečná opatření a řešení. Ta mohou zacházet až tak daleko, že se vedle původní páteře celé mobilní sítě (uzpůsobené potřebám telefonování, neboli fungující na principu přepojování okruhů), postaví ještě paralelní páteřní síť (uzpůsobená potřebám přenosu dat a fungující na principu přepojování paketů). Právě tak je tomu u dnes hojně používaného GPRS a EDGE. O těchto vylepšeních se často hovoří jako o „2,5 generaci“ – protože už moc nezapadají do generace druhé, ale zase ještě nepatří ani do generace třetí.
Mobilní sítě třetí generace, jako například sítě UMTS, totiž jdou na vše od začátku opačně: snaží se primárně vycházet potřebám přenosu dat, a podle toho jsou také dimenzovány. A hlas nabízí jen jako jednu za svých služeb. Jenže: původní záměry zde poněkud předběhly realitu a její možnosti, a tak se původní sliby – zejména ohledně dosažitelných přenosových rychlostí - nepodařilo realizovat hned od začátku. Místo toho se do sítí UMTS teprve postupně přidávají různá vylepšení, jako třeba HSDPA či HSUPA, aby se dosáhlo původně slibovaných parametrů. No a budoucí mobilní sítě čtvrté generace by parametry sítí třetí generace měly ještě výrazně překonat.
Aby to ale bylo ještě komplikovanější, je třeba si uvědomit rozdíl mezi technologií a mobilní sítí: technologii lze přirovnat k řešení, které se nasazuje (využívá) v konkrétní mobilní síti. Každá mobilní síť je tedy“postavena“ na určité technologii, kterou využívá pro své fungování. Ale technologií, které slouží stejnému účelu a jsou tak vzájemně alternativní, může být více. Takže třeba mobilní sítě druhé generace nemusí být postaveny zdaleka jen na technologii GSM, jako je tomu zvykem v tuzemsku u našich stávajících mobilních operátorů. V úvahu připadá například „druhá vývojová větev“, představovaná technologiemi na bázi CDMA (tzv. kódového multiplexu). Ale ani to nejsou všechny možnosti.
Obdobně tomu je i pro vyšší generace mobilních sítí, i jejich „mezi-generace“, jako 2,5 generaci. I zde se nabízí více alternativních technologií, které mohou nabízet, a také nabízí, různé výsledné efekty a přínosy. Navíc zde zdaleka nepanuje úplný konsensus, co do členění na jednotlivé generace a „mezi-generace!. Takže je možné se setkat i s jiným členěním, než jaké ukazuje dnešní první obrázek.
Kolik dat proteče hovorovým kanálem sítě GSM?
Klasická síť GSM počítá s tím, že jeden hovor v digitalizované podobě bude generovat datový tok o objemu 12 až 13 kilobitů za sekundu. Tomu pak odpovídá i dimenzování hovorových kanálů GSM, které zvládají právě takovouto rychlost. Lze si to představit tak, že mezi dvěma účastníky, kteří si právě volají, existuje souvislý hovorový kanál o šířce mezi 12 a 13 kbity za sekundu. Přesněji: dvojice takovýchto jednosměrných hovorových kanálů, pro možnost obousměrné komunikace.
Skutečnost je ale komplikovanější v tom, že hovorové kanály jsou v GSM ve skutečnosti „širší“, a odpovídají přenosové rychlosti 33,8 kbit/s. Jenže kromě „užitečných dat“ musí přenášet také další režijní data. Konkrétně určitý objem dat, nutný pro samotné fungování sítě GSM (například pro korektní přechod koncové stanice mezi buňkami mobilní sítě). Tato data odpovídají přenosové rychlosti cca 11 kilobitů za sekundu, a na obrázku číslo 2 jsou znázorněna červeně. Vzhledem k tomu zbývá pro přenášená data jen 22,8 kbitů za sekundu.
Jenže i do těchto 22,8 kbit/s je třeba vtěsnat ještě další režijní data, určená pro zajištění rádiových přenosů a jejich spolehlivosti. Obecně přitom platí, že čím více bude těchto režijních dat, tím lépe se dokáží vyrovnat s různými nedokonalostmi rádiových přenosů a postarat se o nápravu. V kvalitnější síti, kde je méně chyb při přenosech, resp. při lepších podmínkách pro rádiový přenos, stačí těchto režijních dat méně, než při horších podmínkách přenosu, resp. při horším pokrytí. A tak je i na konkrétním operátorovi, na co si ve své síti troufne: pokud přidělí větší prostor režijním datům, zbude méně pro „užitečná data“, ale přenosy budou na druhé straně robustnější. Pokud to udělá naopak, získá sice větší prostor pro „užitečná data“, ale samotné přenosy budou méně robustní a více náchylné na všelijaké problémy.
V ČR to dopadlo tak, že bývalý Eurotel (dnes Telefónica O2 Czech Republic) ve své síti zvolil menší objem režijních dat, a v rámci jednoho hovorového kanálu své GSM sítě dokáže nabídnout možnost přenosu „obecných dat“ rychlostí 14,4 kbit/s. Naproti tomu T-Mobile a Vodafone ve své GSM sítí nabízí jen 9,6 kbit/s, jelikož pracují s větším objemem režijních dat, viz obrázek č. 2.
CSD a HSCSD
Hovorový kanál, popisovaný v předchozím odstavci, zabírá jeden tzv. timeslot (doslova: časový slot). Přitom každý hlasový hovor, vedený skrze GSM síť, obecně využívá dvojici takovýchto jednosměrných hovorových kanálů (timeslotů), kvůli potřebě obousměrné komunikace. Takováto dvojice kanálů přitom existuje – v tom, smyslu, že je pro ni plně vyhrazena přenosová kapacita, ve formě obsazených timeslotů – po celou dobu trvání hovoru. A uživatel, který hovor inicioval, pak za to také platí: obecně podle doby trvání hovoru, tj. podle doby existence vyhrazené dvojice hovorových kanálů.
Pokud tento princip (plného vyhrazení dvojice hovorových kanálů, i se zpoplatněním podle času) využijeme nikoli pro přenos hlasu, ale pro přenos obecných dat, jde o variantu označovanou jako CSD (od: Circuit Switched Data). Je to nejjednodušší varianta datových služeb, kterou sítě GSM nabízí. Užitečná rychlost, jakou je zde možné přenášet obecná data, je již zmiňovaných 9,6 kbit/s či 14,4 kbit/s, viz výše.
Pokud by uživateli uvedené rychlosti nestačily a požadoval vyšší rychlosti, dá se použít jednoduchý trik: využije se několik hovorových kanálů souběžně, a přenášená data se mezi ně rozloží. Tím se dosáhne potřebného efektu zvýšení (celkové) rychlosti, ale také za odpovídající cenu: bude tím spotřebováno adekvátně více timeslotů. Je pak na mobilním operátorovi, jak si za to svého zákazníka „zkasíruje“: zda jako za n hlasových hovorů, nebo nějak jinak.
Celé této variantě se v praxi říká HSCSD, což je zkratka od High Speed Circuit Switched Data. U nás ji nabízel a nabízí ve své síti pouze Eurotel, resp. Telefónica O2 Czech Republic.
V praxi ale u HSCSD záleží na dvou věcech současně: jak na tom, kolik hovorových kanálů je mobilní síť schopna vyhradit konkrétnímu uživateli, tak i na tom, s kolika dokáže pracovat uživatelovo koncové zařízení. Z tohoto pohledu jsou koncová zařízení rozdělována do tříd, v závislosti na tom, kolik kanálů (timeslotů) dokáží využít v tom kterém směru současně. Viz následující tabulka[1].
Zásadní nevýhodou CSD i HSCSD je to, že mobilní síť jim musí vyhrazovat své vzácné zdroje (jednotlivé timesloty) po celou dobu existence spojení, a zcela bez ohledu na to, zda jsou nějaká data skutečně přenášena. To prakticky vylučuje například to, aby uživatel byl přes mobilní síť připojen k Internetu trvale. Neunesla by to ani samotná mobilní síť, která by neměla dost timeslotů pro ostatní uživatele, ale ani kapsa samotného uživatele, který by musel platit minutové poplatky za každou minutu svého připojení.
GPRS
Popsané nevýhody CSD a HSCSD řeší novější technologie jménem GPRS (což je zkratka od: General Packet Radio Service). Funguje totiž na odlišném principu než CSD a HSCSD, a omezené zdroje sítě (timesloty) spotřebovává pouze tehdy, pokud skutečně potřebuje přenášet nějaká data. Díky tomu pak není žádným problémem, aby uživatelé zůstávali připojení k Internetu přes mobilní síť třeba i trvale. Stejně tak to už unesou i jejich peněženky, protože mobilní operátor je už nemusí zpoplatňovat podle délky jejich připojení. Místo toho mohou uživatelé platit podle objemu přenesených dat, anebo paušálně, nějakou fixní částku. Volba je na obchodní strategii operátora.
Jak ale GPRS dosahuje těchto báječných možností?
Odpověď je taková, že GPRS mění jak fungování rádiových přenosů mezi mobilními stanicemi (mobily) a základnovými stanicemi (tzv. BTSkami), tak i fungování mobilní sítě uvnitř. Zde lze v jednoduchosti říci, že vedle dosavadní páteře mobilní sítě, uzpůsobené pro vedení hovorů, vytváří paralelní páteřní síť, uzpůsobenou přenosu dat. Ta je tvořena uzly SGSN (Serving GPRS Support Node), které jakoby odpovídají ústřednám původní mobilní sítě (MSC, Mobile Switching Center), a mají na starosti správné směrování dat v paralelní páteří síti. Dále zde musí být umístěny vhodné brány (uzly GGSN, Gateway GPRS Serving Node), které zajišťují napojení na jiné datové sítě (jako například na Internet). Vše ukazuje následující obrázek č. 3, na kterém je názorně vidět i vedení přenosů CSD a HSCSD (stejně jako u hlasových hovorů) a GPRS (přes paralelní páteř mobilní sítě).
Pokud jde o rychlost přenosu, zde stále platí stejný výchozí předpoklad jako u původního CSD: že na jeden timeslot, po odečtení režie na zajištění chodu mobilní sítě jako takové, zbývá 22,8 kbit/s. Na rozdíl od CSD a HSCSD však GPRS dokáže rozdělovat tuto přenosovou kapacitu mezi „užitečná data“ a režijní data na zajištění spolehlivosti přenosu hned čtyřmi různými způsoby, které označuje jako tzv. kódovací schémata. Ty ukazuje následující tabulka:
Také u GPRS, stejně jako u HSCSD, pak může docházet ke spojování kanálů, resp. k využití více timeslotů současně, za účelem dosažení celkově vyšší přenosové rychlosti. V praxi ale opět záleží jak na tom, kolik timeslotů je schopna poskytnout mobilní síť, tak i na tom, s kolika timesloty dokáže koncové zařízení pracovat současně. U mobilních terminálů, podporujících GPRS, se tedy také setkáme s třídami, které říkají, kolik timeslotů je možné použít současně směrem ze sítě k uživateli (down), směrem od uživatele do sítě (up), ale také kolik jich může být použito dohromady (což může být méně než prostý součet timeslotů pro oba směry).
Principiálním maximem je 8 timeslotů v jednom směru, což je dáno způsobem fungování GSM sítě. To by při použití nejvýhodnějšího kódovacího schématu CS-4 znamenalo až 171,2 kbit/s Ale například GPRS zařízení třídy 12 by zvládlo jen poloviční rychlost (kvůli maximu 4 timeslotů v jednom směru), a navíc jen tehdy, pokud by je mobilní síť pro toto zařízení skutečně uvolnila. Opět tedy jde spíše o teoretické maximum, zatímco reálně dosahované hodnoty bývají nižší. Už i proto, že čím horší podmínky přenosu, tím musí být použito nižší kódovací schéma (s větším objemem režijních dat na zajištění spolehlivosti přenosu).