Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi V: Datové přenosy v GSM – CSD, HSCSD

číslo 2/2004

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi V: Datové přenosy v GSM – CSD, HSCSD

Zdeněk Bradáč, Petr Fiedler, Milan Kačmář

1. Úvod do standardu CSD/HSCSD

Moderní digitální mobilní sítě byly sice primárně vyvinuty pro potřebu přenosu hlasu, avšak lidský hlas přenášejí v digitálním tvaru. V takových digitálních sítích je tedy poměrně snadné zajistit přenos obecných dat. Zkratkou CSD se označuje metoda přenosu dat v mobilních sítích Circuit Switched Data a zkratkou HSCSD její vylepšená a zrychlená varianta High Speed Circuit Switched Data. Jde o metodu pro přenos dat na principu přepojování okruhů a současně také o službu, kterou operátoři GSM nabízejí svým zákazníkům.

Přepojování okruhů, podle kterého funguje také klasická telefonní síť, v principu znamená to, že mezi oběma komunikujícími stranami je vytvořena a vyhrazena souvislá přenosová cesta, která má určité vlastnosti. Touto přenosovou cestou jsou přenášena data jako souvislý datový tok. Data se přitom nikde „nezdržují“ (nikde se dočasně neskladují). To (spolu s konstantní „šířkou„ trasy, přesněji konstantní přenosovou kapacitou) znamená, že mohou být doručována časově určitě. Okruh sestavený pro přenos dat je pro komunikaci vyhrazen po celou dobu spojení, bez ohledu na to, zda se data přenášejí trvale či ne.

Rozšířenou specifikaci HSCSD schválila standardizační skupina ETSI v roce 1997 a reagovala tak na narůstající problém nedostatečné rychlosti přenosu dat v síti GSM. Ta byla původně omezena na 9 600 b/s (nekomprimovaných). To však velké části aplikací přestávalo vyhovovat.

2. Technické řešení v síti

V předcházejícím dílu seriálu byla zjednodušeně popsána topologie sítě GSM a naznačeny základní mechanismy komunikace. Pro vysvětlení technického řešení technologií CSD a HSCSD je nutné ještě podrobněji objasnit komunikaci terminálu a sítě.

Pojďme trochu počítat. Ze standardů GSM vyplývá, že na rádiovém rozhraní sítě, tj. mezi terminálem a základnovou stanicí, probíhá komunikace rychlostí 33,8 kb/s. Avšak jen část kapacity, přesně 22,8 kb/s, je využita pro hovorový kanál. Zbylých 11 kb/s je vyhrazeno jako režijní přenosová kapacita, která slouží k zajištění vlastních funkcí sítě. Avšak ani celých 22,8 kb/s není možné využít pro přenos uživatelských dat. Jakou část z oněch 22,8 kb/s představuje propustnost kanálu, určuje kódovací schéma. V původním návrhu metody CSD, který vycházel z kódovacího schématu CS1, tedy z obdobného způsobu zabezpečení dat jako u hlasových přenosů, je pro datové přenosy využita kapacita 9,6 kb/s a 13,2 kb/s spotřebuje zajištění spolehlivosti přenosu, ošetření chyb a výpadků.

Užití datových přenosů v pozdější době ukázalo, že není třeba tak robustního zabezpečení, a že je tedy možné efektivněji přenášet data vyšší přenosovou rychlostí. U novějšího návrhu technologie HSCSD je pro přenos uživatelských dat použita kapacita 14,4 kb/s. Pro informaci: v GPRS je nejrychlejší kódovací schéma CS4, kde maximální propustnost může dosahovat až 21,4 kb/s na kanál. Zmenšila se tím část kapacity pro zabezpečení přenou dat. Zvýšení efektivní přenosové kapacity bylo ovšem dosaženo za tu cenu, že datové přenosy využívající kódovací schémata vyžadují kvalitnější signál. V místech se slabým signálem se efektivní využitelnost těchto datových přenosů snižuje.

Další možností, jak zvýšit rychlost přenosu dat, je současné použití více timeslotů. Pro oživení znalostí z minulého dílu jen zopakujme, že v síti GSM jsou jednotlivé hovorové kanály časově multiplexovány na rádiový kanál. Časovému úseku připadajícímu na jeden hovorový kanál se říká timeslot. Technologie CSD umožňuje použít pouze jeden timeslot pro příjem a jeden timeslot pro vysílání. Jde tedy o symetrický přenos. Naproti tomu technologie HSCSD dovoluje slučovat více timeslotů pro příjem i vysílání a poskytuje možnost nastavit symetrický (2 + 2) nebo asymetrický (3 + 1) přenos. Sítě a terminály GSM se rozlišují podle parametru multi-slot class, který určuje, kolik kanálů současně a v jaké konfiguraci může být použito jedním terminálem pro jedno datové spojení (tab. 1). Je-li na příslušné základnové stanici v okamžiku inicializace spojení k dispozici více volných timeslotů, jsou využity k sestavení datového okruhu. Tato kapacita je udržena po celou dobu trvání datového přenosu.

Tab. 1. Základní charakteristiky tříd při komunikaci HSCSD

Třída HSCSD Rychlost na 1 timeslot (kb/s) Maximální počet timeslotů pro příjem Maximální počet timeslotů pro vysílání Celkový maximální počet timeslotů
Class 1 14,4 1 1 2
Class 2 14,4 2 1 3
Class 3 14,4 2 2 3
Class 4 14,4 3 1 4
Class 5 14,4 2 2 4
Class 6 14,4 3 2 4

Slučování timeslotů u uvedené technologie HSCSD má však i své negativní stránky. Jedním z problémů je mobilita terminálu realizujícího přenos pomocí HSCSD. Má-li dojít k předání pohybujícího se terminálu jiné základnové stanici (handover), musí být i v této základnové stanici k dispozici stejný počet volných timeslotů. V opačném případě se spojení buď rozpadne (u tzv. transparentního spojení), nebo degraduje na nižší rychlost (u tzv. netransparentního spojení). Druhý problém se týká především operátorů a souvisí s nižší efektivitou využívání takto přidělených timeslotů. U technologie HSCSD není možné, aby byly timesloty sdíleny několika uživateli současně, jako je tomu u technologie GPRS.

V České republice implementoval technologii HSCSD pouze jediný mobilní operátor, Eurotel, a uživatelé této sítě tedy mohou používat datové přenosy při symetrickém (až 28,8 + 28,8 kb/s) nebo asymetrickém (43,2 + + 14,4 kb/s) spojení (HSCSD class 6).

Tab. 2. Seznam použitých zkratek
Zkratka Plné znění
GSM Global System for Mobile Communication
CSD Circuit Switched Data
HSCSD High Speed Circuit Switched Data
ETSI European Telecommunication Standard Institute
GPRS General Packet Radio Service
PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association
ISDN Integrated Services Digital Network
IWU Inter-Working Unit
MSC Mobile Services Switching Center
PBX Private Branch Exchange
ISDN PRI Integrated Services Digital Network/Primary Rate Interface

3. Terminály GSM

Terminál GSM je koncový (účastnický) prvek mobilní rádiové sítě GSM. V průmyslových aplikacích je pojem terminál GSM často nesprávně nahrazován pojmem modem GSM. Pro zjednodušení však lze říci, že termínem modem GSM lze označit pouze takové terminály GSM, které jsou určeny k propojení s počítačem nebo technologickým prvkem (karta PCMCIA, průmyslový terminál apod.).

Čtenáře by mohla napadnout analogie s klasickou telefonní sítí. Ta stejně jako síť GSM slouží k přenosu hlasu a pro datové přenosy stačí připojit běžný analogový modem, který namoduluje původní digitální data na analogový signál a na druhé straně jej opět demoduluje. Avšak síť GSM je z podstaty digitální síť a pro přenos analogového hlasového signálu používá speciální kodeky (kódovací a dekódovací algoritmy a převodníky), které jsou optimalizovány pro přenos lidského hlasu.

Terminály GSM však často obsahují modemy. Ty ale umožňují komunikaci s využitím analogového protokolu V.32bis nebo digitálního protokolu V.110. Vhodnější variantou je použití digitálního protokolu V.110, přičemž druhou komunikující stranou musí být taktéž modem s protokolem V.110 v digitální síti GSM nebo ISDN. Při uvedeném uspořádání nedochází k nežádoucí několikanásobné konverzi mezi analogovým a digitálním signálem.

V současné době takřka všechny telefony GSM a průmyslové terminály dovolují pracovat s datovými přenosy na bázi CSD. Terminál nebo telefon připojené k PC nebo jinému hostitelskému systému se obvykle chovají jako modem se standardizovaným rozhraním a je možné je ovládat pomocí AT příkazů.

Pro technologii HSCSD však nejsou zdaleka všechny telefony připraveny. Nejvíce se v tomto směru angažuje finská Nokia; mimo tuto značku však bude telefony a terminály s HSCSD obtížné najít.

4. Datové přenosy do ostatních sítí

Jak již bylo řečeno v úvodu článku, při datových přenosech technologií CSD se sestavuje datový okruh. Existují tři základní možnosti, kde okruh končí:

  • ukončení okruhu v externí analogové síti, nejčastěji v běžné telefonní síti,
  • ukončení okruhu v externí digitální síti, např. v síti ISDN nebo v jiné síti GSM,
  • ukončení okruhu ve vlastní síti GSM.

Při propojení do analogové externí sítě musí být data konvergována na analogový signál, což zajišťuje komponenta IWU (Inter-Working Unit), která je v síti GSM operátora umístěna na propojovacím rozhraní s externími sítěmi. V obou dalších případech ke konverzi z digitálního signálu na analogový nedochází.

Zajímavým „doplňkem„ je možnost realizovat přímé propojení sítě operátora s podnikovou infrastrukturou zákazníka, zvláště pro řešení s větším počtem terminálů a s větší frekvencí spojení. Operátor sítě GSM v tomto případě vytvoří propojení, tzv. příčku, mezi svou ústřednou (MSC) a podnikovou telefonní ústřednou (PBX), a to nejčastěji s rozhraním ISDN PRI. Přiděluje zákazníkovi tzv. provolbu, ucelenou část své číselné řady. Takto mohou být hlasová volání i datové přenosy uskutečněny mezi fixní a mobilní infrastrukturou zákazníka s vysokou kapacitou flexibilně a také poměrně levně, neboť všechna spojení probíhají v síti jednoho operátora.

5. Oblasti použití

Možnosti využití datových přenosů CSD nebo HSCSD jsou poměrně široké. Využívají se v mnoha oborech. Pro představu uveďme několik nejvýznamnějších oblastí:

  • Automatizace – přenos dat mezi entitami distribuovaného řídicího systému. Ve srovnání s GPRS a datovými přenosy pomocí SMS poskytuje CSD a HSCSD stabilnější přenosové parametry spojení, proti je způsob časového zpoplatnění služby operátora.

  • Připojení k internetu – dříve jediný způsob mobilního přístupu k internetu dnes ztrácí dech v souboji s modernější metodou GPRS, která je na našem území rychlejší a navíc má příznivější způsob účtování.

  • Dálkový přístup k počítačové síti – jedním ze způsobů využití HSCSD je replikace malých databází, stažení a odeslání pošty.

Trendy vývoje ukazují, že technologie HSCSD si své místo udrží ještě nějakou dobu, avšak mnohem masivnějšího použití se dočkají paketově orientované technologie, jako je GPRS, představené v předchozím článku. Ve spoustě aplikací, od průmyslových po zábavní, GPRS postupně získává převahu.

6. Specifika aplikací v průmyslu

Průmyslové aplikace jsou citlivé na přenosové charakteristiky, jako je garantovaná přenosová kapacita, zpoždění apod. Tyto parametry jsou obecně u CSD/HSCSD lepší než u GPRS. Navíc je použití CSD a HSCSD velmi podobné použití pevných modemů, a proto není nutné přizpůsobovat aplikační část řešení.

Naproti tomu je však nutné říci, že záměr masivněji používat CSD a HSCSD na určitém území (podnikový areál, město, region) je vhodné konzultovat s příslušným operátorem a v dané lokalitě zjistit kapacitní možnosti sítě, neboť úzkým hrdlem řešení může být kapacita na rádiovém rozhraní sítě.

Jedním z problémů, které brání hromadnému používání HSCSD v průmyslových aplikacích, je skutečnost, že na trhu je k dispozici jen málo průmyslových terminálů zvládajících HSCSD. Druhým problémem, který se však projevuje jen u skutečně mobilních aplikací, např. v dopravě, je malá stabilita spojení HSCSD za pohybu, při předávání mezi základnovými stanicemi.

Tab. 3. Internetové odkazy (shlédnuto 10/2003)

GSM Association http://www.gsmworld.com
European Telecommunications Standards Institute http://www.etsi.org
Dokumenty ke službám T-Mobile CZ http://www.t-mobile.cz

7. Závěr

Použití technologií CSD a HSCSD má své nezastupitelné místo ve spektru bezdrátových komunikací. Výrobci přicházejí se specializovanými terminály pro užití v průmyslovém prostředí nebo v dopravních prostředcích, operátoři nabízejí nové služby a zvýhodněné cenové podmínky pro datové aplikace. Žádná z nabízených technologií však není univerzální. Při návrhu řešení je vždy nutné analyzovat mnoho aspektů a podle povahy konkrétního řešení vybrat nejvhodnější službu.

Technologie CSD a HSCSD a služby na nich postavené jsou spolehlivé a ověřené. Jestliže je uživatelé využívají jako komunikační platformu svého řešení, budou jim ještě dlouhou dobu dobře sloužit. Je-li řešení teprve navrhováno, je vhodné raději přemýšlet o heterogenním komunikačním prostředí, které bude zahrnovat i paketově orientované technologie, popř. dynamický výběr přenosové technologie.

Ing. Zdenek Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář,
T-Mobile Czech Republic, a. s.

Článek lektoroval: Ing. Josef Čapek, Ph.D.,
FEL ČVUT Praha

Inzerce zpět