Techbox: mobilní data přináší internet do kapsy

Tento článek je čtrnáctým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

V tomto článku se zaměříme na mobilní datové připojení, které je postaveno na standardu GSM, který je v našich končinách dominantní. Přesto však v úvodu zmíním dřevní doby mobilních telefonů, kdy vše ještě fungovalo v analogových systémech. Už tehdy bylo možné přes mobilní telefonní systémy přenášet data pomocí modemu, který mohl být buď vestavěný, nebo externí. Maximální možná rychlost však byla v tomto případě pouhých 2,4 kbit/s a byla omezena kvalitou přenášeného zvukového signálu.

CSD nabídlo vytáčený internet

S příchodem digitálního standardu GSM se však objevuje problém. V GSM se totiž přenášený lidský hlas komprimuje, což by znamenalo, že by přenosová rychlost v tehdy používaných modemech byla ještě nižší než v analogových systémech.

Proto se objevuje technologie technologie CSD (Circuit Switched Data), kterou používala pro připojení k internetu i v roce 1996 představená legendární Nokia 9000 Communicator.

Ti z dříve narozených, kteří s pamatují počátky internetu u nás, si jistě také vybaví vytáčené připojení k internetu, které, než přišlo vysokorychlostní připojení, využívala většina domácností. CSD, které, jak již jeho název napovídá, funguje na stejném principu. Před každým připojením bylo nutné vytočit speciální telefonní číslo, přes které se telefon připojil k internetu. Neplatilo se přitom za přenesená data, ale za čas, po který jste byli připojeni.

To, co by se při dnešních rychlostech připojení jevilo jako cenově výhodné, však tehdy bylo mnohem dražší než pozdější paketové způsoby připojení, kde se platí již za přenesená data. Problémem totiž je doslova šnečí rychlost, který tento typ připojení v základu poskytoval.

Pro přenos se v používal vždy jeden časový slot. Mezi základovou stanici (BTS) a přepínacím centrem mobilní sítě (MSC - Mobile Switching Center) je zapojen transkodér, který převádí hlas komprimovaný GSM kodekem (GSM 06.10) na standardní datový tok G. 711.

Maximální přenosová kapacita každého slotu, tedy hovorového kanálu, činí 33,8 kbit/s, z toho však 11 kbit/s připadá na samotné fungování GSM sítě, takže bychom měli teoreticky 22 kbit/s. Další kapacity však potřebujeme pro udržení kanálu a opravy chyb, takže na samotný datový přenos nám zbude pouhých 9,6 kbit/s.

Ukázalo se nicméně, že u datových přenosů není nutná zas až taková bezchybnost, jako u přenosu vysoce komprimovaného hlasu, a proto došlo k oslabení vyhrazeného pásma pro opravu chyb a naopak navýšení datového toku na 14,4 kbit/s, i když to znamenalo, že takové přenosy vyžadují kvalitnější a silnější signál a se zvyšující vzdáleností od základové stanice rychlost v důsledku vyššího počtu chyb rychleji klesá.

I tato rychlost se však brzy ukázala jako zcela nedostatečná a objevila se technologie HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Ta již využívala pro připojení čtyři časové sloty a nabízela tak maximální teoretickou rychlost 57,6 kbit/s.

Když pomineme nízkou přenosovou rychlost a vysokou cenu, kdy někteří operátoři účtovali u HSCSD za více provedených hovorů souběžně, měla tato technologie i některé výhody. Na rozdíl od paketového připojení zde byla garantovaná propustnost a rychlost připojení, což je výhodné zejména u služeb, které vyžadují stabilní připojení, jako je přenos streamovaného videa a audia.

GPRS přenáší data po kouskách

V roce 1997 se ve standardu GSM release 97 objevuje nová technologie přenosu mobilních dat GPRS (General Packet Radio Service), která je marketingově označována jako 2,5G. Prvním výrobcem mobilních telefonů, který představil funkční řešení s GPRS, však byl až v roce 2000 švédský Ericsson, který ukázal na světovém kongresu GSM v Cannes prototyp založený na telefonu Ericsson R320. Prvním komerčně prodávaným telefonem s GPRS se pak v dubnu 2001 stal Ericsson R520m.

Od dosavadní technologie CSD se GPRS zásadně liší už v samotném principu fungování. Zatímco při CSD je při datovém připojení neustále vytěžován použitý slot nebo sloty datovým přenosem, v případě GPRS dochází k datovému přenosu pouze na vyžádání. Data jsou přenášena po malých kouskách, v tzv. paketech. Ty jsou pak posílány v timeslotech, což jsou dynamicky využívané neobsazené části kanálů, které může sdílet více uživatelů.

Rychlost timeslotů se pohybuje od osmi do dvaceti kbit/s. Každý kanál obsahuje osm timeslotů, ale v jednom okamžiku jich je možné pro download i upload možné využívat maximálně pět. V reálném provozu se však může počet použitých slotů lišit, a proto je efektivní přenosová rychlost proměnná a podle konfigurace se pohybuje obvykle 30 - 40 kbit/s, ačkoli teoretické maximum je 115 kbit/s.

Počet použitých časových slotů a tím pádem i maximální rychlost záleží na mnoha proměnných. Nejde pouze o podmínky na straně mobilního operátora, tedy zda podporuje všechna čtyři kódová schémata CS-1 až CS-4, nebo pouze první dvě, jak tomu bylo například do roku 2010 u O2, a především na vytížení samotné sítě. Neméně důležité však je, kolik timeslotů dokáže využívat samotný mobilní telefon nebo modem.

Podle počtu timeslotů - pro uplink, downlink a kolik z toho současně, se jednotlivá mobilní zařízení dělí do tříd (Multislot Class). Běžné GSM/GPRS/EDGE mobilní terminály, jak již bylo řečeno, mohou používat maximálně pět timeslotů. Například telefon třídy 10 používá pět timeslotů a pracuje v konfiguraci 4+1, tedy využívá pro downlink čtyři timesloty a pro uplink jeden, nebo v konfiguraci 3+2, tedy tři timesloty pro download a dva timesloty pro upload. Konkrétní konfigurace se mění podle aktuální situace a podle převládajícího toku dat.

Přitom existují tři třídy mobilních zařízení s GPRS: Class A nabízí funkci Dual Transfer Mode (DTM), což znamená, že umožňuje současný přenos hlasu i dat. Class B v závislosti na podpoře sítě dovoluje přijmout hovor a přitom odpojit GPRS nebo naopak. Vždy může běžet pouze jedno. Poslední typ Class C reprezentují modemy a speciální průmyslové moduly, které slouží pouze přenosu dat a neumožňují telefonování.

EDGE trojnásobně zvyšuje rychlost

Dalším vývojovým stupněm mobilních dat, který bývá také označován jako 2,75G, je EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), které bylo poprvé uvedeno do provozu v roce 2003. Mezi pionýry v zavádění EDGE do mobilních telefonů byla aktivní zejména Nokia, která v krátké době nabídla hned několik modelů s podporou těchto rychlých dat. Zmínit může například modely 3200, 3220, 5140, 6020, 6170, 6220, 6230, 6630, 6820, 7200, 7260, 7270 a 7280, ale EDGE nabízeli i další výrobci, jako například Motorola s modelem V550. Dnes obsahují podporu EDGE téměř všechny nové mobilní telefony.

Podle organizace GSA (Global mobile Suppliers Association), která sdružuje dodavatele technologií GSM/3G/WCDMA-HSPA/LTE, existovalo v květnu 2013 celkem 604 GSM/EDGE sítí provozovaných 606 mobilními operátory v 213 zemích. Ovšem ani v rámci jedné sítě nemusí být EDGE k dispozici všude a musí být implementované do konkrétní BTS. Většinou se EDGE pokrývají prioritně velká města a hustě osídlené oblasti.

Přestože je dnes EDGE bráno téměř jako synonymum pro EGPRS, tedy vylepšení GPRS, je to pouze polovina pravdy. Ve skutečnosti EDGE nevylepšuje pouze GPRS, ale jako ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) rozšiřuje i vytáčené CSD zvýšením bitové rychlosti pro komutované spoje, což se nicméně nesetkalo ze strany operátorů s příliš kladnou odezvou a proto se nerozšířilo.

Hlavní inovací EDGE v případě EGPRS je rozšíření o modulaci 8-PSK (osmistavová fázová modulace), která na rozdíl od modulace GMSK u GPRS umožňuje přenést tři informační bity na jeden symbol na radiově vlně místo dosavadního jednoho. Za stejný časový úsek tak dokáže přenést trojnásobek dat. Tato nová modulace je použita u dalších pěti kódových schémat, která doplňují původní čtyři z GPRS s modulací GMSK.

Z GPRS zůstal také zachován koncept paketů a timeslotů, ale rychlost na jeden timeslot se nyní zvyšuje v nejvyšším kódovým schématu MCS-9 na 59,2 kbit/s, což je přibližně trojnásobek toho, co nabízelo GPRS. To nám v nejběžnější konfiguraci 4+1 dává maximální rychlost 236,8 kbit/s. V praxi jsou však samozřejmě maximální rychlosti připojení nižší a u downloadu se pohybují kolem 130 - 160 kbit/s. U konfigurace 3+2 se pak pohybují kolem 200 kbit/s pro download a kolem 100 kbit/s pro upload.

UMTS od začátku počítá kromě hlasu i s daty

Dalším stupněm mobilního připojení k internetu představuje mobilní standard UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), který je také označován jako 3G, protože se jedná o mobilní síť třetí generace. UMTS jsou součástí 3G,tedy mobilních sítí třetí generace, a jsou na rozdíl od ostatních typů založeny na GSM. Mezinárodní telekomunikační unie (ITU) pracovala na vývoji 3G specifikací a norem od počátku 80. let minulého století dlouhých 15 let.

První předkomerční síť UMTS v Evropě spustil v roce 2001 na ostrově Man tamní operátor Manx Telecom. Ještě téhož roku v prosinci spustil první komerční síť v Evropě norský operátor Telenor, ale bez komerčních mobilních telefonů a tedy bez platících zákazníků. Tedy v době, kdy ještě nebyly na trhu ani zařízení s GPRS. Právě GPRS a zejména pak EDGE však do značné míry uspokojily potřebu po vyšší rychlosti. To spolu s nutností obrovských investic způsobilo, že se UMTS prosazovalo jen zvolna a dlouho doslova zkomíralo. Od počátku nebylo určeno k plošnému pokrytí celého území, ale k tvorbě malých ostrůvků v oblastech, kde je velká hustota obyvatelstva a tudíž i velká potřeba rychlých mobilních dat.

Také mobilních telefonů s 3G přibývalo jen pomalu. Na konci roku 2002 představila Nokia jako svůj první model s 3G Nokii 6650, ale třeba první Pocket PC telefon s operačním systémem Windows Mobile 5.0 a podporu 3G byl až v roce 2005 HTC Universal.

Co se týče technického řešení, tak v případě UMTS se již nejedná o pouhé datové využití GSM sítě, ale o novou mobilní síť, která sice z GSM vychází, ale je již od počátku projektována pro hlasové a datové přenosy. Pro přenos využívají frekvenční spektrum 1885 - 2025 MHz nebo 2110 - 2200 MHz. Každý kanál má přitom přesně definovanou šířku 5 MHz.

Na rozdíl od předchozích technologií, kde se udává maximální teoretická rychlost downlinku z pohledu koncového uživatele, tak u UMTS se uvádí rychlosti dostupné na jedné buňce. Taková UMTS buňka přitom pokrývá prostor přibližně 750 × 750 metrů. Struktura je u UMTS sítí obdobná jako u GSM. Základové stanice, které se zde nazývají Node B, jsou připojeny RNC (Radio Network Controller), které jsou obdobou BSC (Base Station Controller) u GSM. Několik Node B a jedno RNC pak dohromady vytváří RNS (Radio Network System), což je radiová část UMTS. Maximální rychlost této sítě se pak liší podle typu UMTS a podle verze tzv. Release.

Existují dva základní typy UMTS vývojově starší je UMTS FDD (Frequency Division Duplex), která přenáší data metodou frekvenčního dělení. Její výhodou je, že dokáže přenášet hlas i data současně. V neposlední řadě je velice důležité, že si tento typ sítě získal širokou podporu výrobců mobilních telefonů. Nevýhodou je však nižší rychlost proti druhému typu, která byla na downlinku jen 384 kbit/s.

Druhým typem je UMTS TDD (Time Division Duplex), která sice nabídne rychlost na downlinku kolem 800 kbit/s, vyšší stabilitu a rychlejší odezvu, jedná se však čistě o datovou síť, díky čemuž si nezískala podporu výrobců mobilních telefonů.

Tyto rychlosti ještě nejsou z dnešního pohledu příliš zajímavé. Změnilo se to až v Release 5, kde se objevila nadstavba HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), která je kompatibilní s FDD i TDD. Jednalo se o softwarovou úpravu na straně operátora, která spočívala v efektivnějším využívání frekvenčního pásma, odlišný přístup k přenosovému kanálu a také pokročilé algoritmy zpracování dat. Výsledkem těchto úprav bylo, že se skokově zvýšila přenosová rychlost na nejprve 1,8 a později 3,6 Mbit/s. Tento nárůst byl proti původním rychlostem natolik markantní, že se tato síť marketingově označuje jako 3,5G.

Zatímco HSDPA, jak již naznačuje jeho název, řešilo navýšení rychlosti směrem k uživateli, nadstavba HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), která se objevila v Release 6, a která se také označuje jako 3,75G, zvyšuje rychlost i směrem od uživatele na teoretických 5,76 Mbit/s.

Další navýšení rychlostí v obou směrech nabídl Release 7 tzv. 3,9G, který přidává k oběma zkratkám znaménko "+" a poskytuje teoretickou rychlost downloadu 42 Mbit/s a uploadu 7,2 Mbit/s.

LTE přichází rychlostí nad 100 Mbit/s

Release 8 UMTS již přichází tolik zásadních změn technologií, že se opouští dosavadní název a začíná se používat nové označení LTE (Long Term Evolution). Přesto se však podle Mezinárodní telekomunikační unie ITU stále jedná o součást 3G a správně by se měla neoficiálně označovat jako 3,9G a ne jako 4G, což by mělo být vyhrazeno až pro nástupnickou LTE – Advanced.

Za klíčové parametry pro zařazení do 4G totiž nebyly stanoveny použité technologie, ale dosahovaná rychlost downlinku, která by měla překročit 100 Mbit/s v pohybu a 1 Gbit/s v klidu. Teoretická rychlost LTE pro downlink je zde přitom 300 Mbit/s a pro uplink 50 Mbit/s. Reálné rychlosti budou sice výrazně nižší, i tak však budou dostatečné například pro streamování videa ve vysokém rozlišení.

První na světě veřejně dostupné LTE Spustil mobilní operátor TeliaSonera ve Stockholmu a Oslu 14. prosince 2009. V březnu 2013 již existovala funkční LTE síť v 70 státech světa a provozovalo jí přibližně 160 operátorů. Dalších 400 operátorů ze 125 zemí pak do výstavby LTE sítí investovalo. V tomto ohledu se činí i čeští operátoři a postup výstavby LTE sítí v ČR by měla nyní ještě urychlit nedávno skončená aukce frekvencí.

Právě dostupné frekvence jsou tím, co výstavbu sítí nejvíce zpomaluje. Zatímco na straně operátora se jedná o upgrade dosavadní UMTS 3G technologií, pro chod LTE je nezbytné použití jiných frekvencí než pro dosavadní 2G a 3G. V Evropě se používají frekvence 800, 900, 1800, 2600 MHz. Na druhou stranu však díky přepracované a zjednodušené síťové architektuře a technologii DSP (Digital Signal Processing) nabízí spolehlivější přenos dat s menšími latencemi (zpožděními) a výrazně vyššími rychlostmi. Sítě LTE však až na pár výjimek fungují jako čistě datové, bez podpory hovorů nebo posílání SMS zpráv.

Budoucnost přinese dosud nevídané rychlosti.

S nástupcem dosavadní LTE, tedy LTE – Advanced, se budeme moci těšit na skutečnou mobilní síť čtvrté generace. Rychlosti downloadu pohybující se v řádech Gbit/s nám umožní kdekoli v dosahu sítě stahovat obrovská kvanta dat. Stejně tak by se měly v budoucnu přesunout do datového provozu i samotné hlasové služby, které budou probíhat jako VoIP a budoucí rychlé mobilní sítě již budou čistě datové.

To ovšem přináší zároveň i nutnost, aby změnili své chování i samotní operátoři, kteří budou muset klást důraz na datové služby a uvést nové modely placení za data. Jisté je, že současné FUP, které se pohybují v řádech stovek MB nebo v lepším případě GB, budou muset zmizet v propadlišti dějin.