Samotných mobilních sítí je mnoho druhů, základní principy jsou jim však povětšinou společné. Konkrétní příklady v článku se nejčastěji týkají sítí GSM, které jsou v našich končinách nejběžnější.
Mohli bychom začít oním obligátním – vezmeme telefon a vytočíme číslo... Jenže než se k tomu dostaneme, musíme si vysvětlit některé základní pojmy a principy. Hlavně si nejprve popíšeme samotnou mobilní síť.
Živoucí organismus
Prakticky všechny moderní mobilní sítě jsou založeny na stejném základním principu – jde o takzvané sítě buňkové neboli celulární. To znamená, že území není pokryto plošně, ale po částech. Srdcem každé z těchto částí, buněk, je vysílač neboli základová stanice.
Rozmístěním mnoha základových stanic vznikne pokud možno spojité pokrytí. Základová stanice neboli BTS (base transceiver station) je vlastně jakousi základní stavební jednotkou mobilní sítě. Základová stanice zajišťuje vlastní rádiové spojení s vaším mobilním telefonem a je ovládána řídicí jednotkou BSC (base station controller).
Řídicí jednotka rozhoduje o tom, na které frekvenci a kterém kanále bude se základovou stanicí váš telefon komunikovat, a také má vliv na to, zda vás bude nadále držet v dané buňce, nebo vás přepustí buňce další. Jedna jednotka BSC přitom obsluhuje několik (i několik desítek) základových stanic. V rozhodování o tom, ke které z nich bude zrovna váš telefon připojen, jí přitom pomáhá on sám – měří totiž intenzitu signálu z okolních dostupných BTS a tyto informace předává BSC.
Základové stanice BTS a řídicí jednotka BSC spolu tvoří jeden ze základních prvků mobilní sítě – takzvaný BSS – base station subsystem, neboli subsystém základových stanic.
A jak že to vlastně ona základová stanice komunikuje s vaším telefonem? Předně je nutné říci, že stanice BTS jsou vlastně systémem vysílačů. Vysílačem samotným je všesměrová anténa umístěná na vysokém stožáru nebo jiném místě, ze kterého je rozhled do krajiny. Kromě podlouhlých všesměrových antén najdeme na BTS také malé parabolické antény – to jsou mikrovlnné spoje, pomocí kterých komunikuje BTS s ostatními stanicemi ve svém okolí. Tyto nás však příliš zajímat nemusí, soustřeďme se na všesměrové antény.
Každá z nich vysílá na určité frekvenci. Velmi pravděpodobně víte, že sítě GSM v našich končinách fungují na dvou frekvencích – 900 a 1 800 MHz. Ovšem to je pouze označení pásem – ve skutečnosti je samozřejmě využívaný frekvenční rozsah daleko širší. Třeba v pásmu GSM 900 MHz se ke komunikaci směrem od telefonu k vysílači (uplink) používá pásmo 890–915 MHz, opačným směrem (downlink) pak 935–960 MHz. Šířka každého pásma je tedy 25 MHz. Toto pásmo je rozděleno na 124 nosných kanálů, každý z nich má odstup 200 kHz.
Princip rozdělení komunikace do jednotlivých frekvenčních kanálů se nazývá FDMA (frequency division mutiple access). Takový kanál je v sítích GSM pomocí principu TDMA (time division multiple access) rozdělen na osm timeslotů, tedy časových úseků. To dovoluje v jednu chvíli komunikaci s osmi mobilními terminály najednou. Jednotlivé telefony se vlastně v čase při komunikaci s buňkou střídají. To tedy teoreticky znamená, že v jednu chvíli může přes jednu základovou stanici telefonovat až 992 účastníků.
Jenže ve skutečnosti tomu tak není, protože jedna základová stanice nevyužívá celé frekvenční spektrum. Má přidělena pouze některá frekvenční pásma. Navíc je nutné zajistit, aby nedocházelo ke vzájemnému rušení stanic, a tak může stejná frekvenční pásma používat až stanice, která je od té první vzdálená o pět poloměrů oblasti, kterou stanice pokrývá. Většinou tak jedna buňka používá zhruba čtyři kanály a najednou v ní tak může volat 32 uživatelů.
Jistě si potom dovedete představit, jak husté musí být pokrytí jednotlivými základovými stanicemi, aby bylo zaručeno, že si zavoláte prakticky vždy a všude. Obzvláště ve velmi zalidněných a rušných oblastech je vytváření spolehlivého pokrytí doslova alchymií.
Subsystém základových stanic je ale pouze jednou ze součástí celé mobilní sítě. Druhým takovým stavebním kamenem mobilní sítě je síťový a spínací systém NSS (network switching subsystem). Zjednodušeně řečeno jde o klasickou telefonní ústřednu. Ta řídí komunikaci nejen mezi uživateli dané sítě, ale také spojení se sítěmi ostatními. NSS má opět několik součástí. Jednou z těch nejdůležitějších, o které bude ještě zmínka, je takzvaný HLR (home location register). Jde o databázi, kde jsou uloženy údaje o všech zaregistrovaných zákaznících.
Vedle této databáze existuje ještě takzvaná VLR (visitor location register). V této databázi jsou dočasně uloženi zákazníci, kteří využívají v dané síti roaming, a tedy jejich domovská síť je v zahraničí. Další databází je EIR (equipment identity register). V ní jsou uložena sériová čísla (IMEI) mobilních telefonů a díky této databázi je umožněno blokování kradených mobilních telefonů.
V součinnosti s těmito databázemi funguje autentifikační centrum, AuC (authentication centre), které určí, zda má daný telefon a účastník právo připojit se do sítě a využívat jejích služeb. Samotné spojování hovorů a koordinaci celého NSS zajišťuje spínací jednotka MSC (mobile services switching center).
V pozadí těchto dvou základních vrstev mobilní sítě pak ještě funguje třetí a poslední stavební kámen – operační a podpůrný systém OSS (operation and support system). Jeho součástí jsou různá provozní, údržbová a řídicí centra a sbíhají se sem údaje prakticky z celé mobilní sítě. Jde vlastně o jakýsi mozek sítě.
Ještě než si zavoláte
Teď již zhruba víte, jak funguje mobilní telefonní síť. Ovšem jak jsme výše několikrát zmínili, na samotné komunikaci se podstatně podílí i mobilní telefon. Jeho srdcem, které veškerou komunikaci umožňuje a obsahuje pro síť ty nejdůležitější informace, je takzvaný identifikační modul uživatele – SIM (subscriber identification module).
Pod tímto označením si dnes nejčastěji vybavíme SIM kartu, která se vkládá do telefonu. Ale ne všechny telefony ji musí mít. Třeba některé terminály pro sítě CDMA mají SIM integrovaný a uživatel jej nemůže měnit. V našich končinách je ale opravdu SIM karta tím nejobvyklejším prostředkem identifikace zákazníka. Karta SIM je tak pevně svázána s vaším uživatelským účtem a operátorovi o vás prozrazuje vše, co je potřebné k tomu, abyste se se svým telefonem přihlásili do sítě a mohli telefonovat.
K tomu SIM karta obsahuje paměť a obvykle také osmibitový procesor s řídicím programem. Jeho prostřednictvím a pomocí telefonu SIM karta komunikuje se sítí. Základní údaje, které SIM karta obsahuje, jsou čísla PIN1, PIN2, PUK1 a PUK2, která slouží jako hesla, jimiž se může uživatel síti prokázat. Dále jsou na SIM uloženy algoritmy s označením A3 a A8, které umožňují vypočítat klíč pro šifrování hovoru a na základě náhodného čísla pomocí nich SIM karta prokazuje svou identitu.
Neméně důležitá jsou ještě další dvě čísla uložená v SIM – IMSI a Ki. IMSI je zkratka z anglického international mobile subscriber identification. IMSI tedy obstarává mezinárodní identifikaci účastníka a je to číslo pro každou SIM naprosto jedinečné. Toto číslo jediné si může z karty SIM zjistit prakticky kdokoli. To číslo Ki je opět tajné a slouží k výpočtu šifrovacího klíče hovoru.
A můžeme volat
A teď už se konečně dostáváme k samotnému telefonnímu hovoru – zapnete telefon, zadáte PIN a díky kartě SIM se přístroj připojí do sítě. Ve chvíli, kdy vytočíte telefonní číslo, si přístroj řekne základové stanici o přidělení timeslotu pro komunikaci. Pokud je tento volný, předá telefon základové stanici volané telefonní číslo. Ta jej pošle dál na řídicí jednotku BSC a odtud číslo putuje do síťového spínacího systému (NSS).
V tuto chvíli ústředna začne zjišťovat, zda máte právo vůbec takový hovor uskutečnit (například zda máte dostatek kreditu), a zároveň vyhledává telefonní číslo v databázi. Pokud volané číslo nenajde, ozve se obligátní hláška "volané číslo neexistuje“. V případě, že číslo existuje, pokusí se vás ústředna s ním spojit.
Zde může nastat několik případů – ústředna totiž může hovor předávat ve vlastní síti, ale také jej může předat do sítě jiného operátora. V tu chvíli se vlastně vám příslušná ústředna přestává o samotný hovor starat, ale nadále jej monitoruje, a to z mnoha důvodů. Tím hlavním je nutnost za každý uskutečněný hovor účastníkovi naúčtovat patřičnou částku.
O účtování samotné se stará billingový systém. Ten neustále sleduje a monitoruje váš hovor, ze síťových prvků si stahuje záznamy a vytváří váš účet nebo vám odečítá kredit. Samotný billingový systém je poměrně složitý a vydal by na samostatný článek, zde si tedy vystačíme pouze s tímto základním popisem a vrátíme se k samotnému hovoru.
Ve chvíli sestavení hovoru teprve začíná ten pravý šrumec. Spoustu práce totiž odvádí jak mobilní telefon, tak samotná mobilní síť. Telefon musí především převést váš hlas na data, která může odeslat v přiděleném timeslotu po síti.
Pro kódování vašeho hlasu z analogové podoby do podoby digitální se používá metoda RPE-LTP (regular pulse excitation long term prediction). V průběhu kódování hlasu provádí mobilní telefon, respektive jeho vnitřní obvody, až 1,5 milionu operací za sekundu. Výsledkem je signál, který vyžaduje datový tok pouze 13 kbit/s. A to prosím zachovává stejnou kvalitu přenosu jako klasický digitalizovaný telefonní signál, který potřebuje linku s rychlostí 64 kbit/s.
Při kódování se používají různé kodeky – nejčastěji takzvaný Full Rate, který potřebuje právě 13 kbit/s. Existuje ale i kodek Hlaf Rate, který si vystačí s tokem 5,6 kbit/s. Nejkvalitnější je kodek Enhanced Full Rate, který v datovém toku 12,2 kbit/s nabídne nejlepší kvalitu zvuku. To, že váš hovor nebude nikdo odposlouchávat, zaručuje šifrování hovoru. K tomu se používají šifry A5/1 a A5/2, přičemž v našich končinách se používá ta první z nich, která je odolnější vůči prolomení. Ještě před zašifrováním vkládá telefon do odesílaného signálu jakési přebytečné informace, které posléze slouží k nalezení a opravě chyb, které mohou při přenosu nastat.
Takto zpracovaný signál odesílá telefon vždy, když zrovna nastane ta pravá chvíle – přijde na něj řada v rámci timeslotů. Na odeslání informací má telefon vždy 15/26 ms, pak vždy sedm takových period čeká, než na něj opět přijde řada. Během tohoto takzvaného burstu telefon neodesílá data přesně v pořadí, v jakém je zpracoval. Říká se tomu prokládání a jednotlivé datové bity telefon odesílá ve zpřeházeném pořadí. To proto, aby se opět eliminovala možnost výskytu chyb.
Telefon volaného na opačném konci pak tato data opět poskládá tak, jak mají jít za sebou, dekóduje a pošle do reproduktoru. Při odesílání a přijímání dat nevysílá telefon vždy jen na jedné frekvenci. Ve skutečnosti většinou během hovoru frekvence mění a náhodně tak přeskakuje mezi jednotlivými kanály. Tomuto jevu se říká frequency hopping a využívá se kvůli tomu, aby síť mohla efektivněji využívat jednotlivé nosné frekvence.
Mobilní = pohyb
Takto hezky funguje volání mobilním telefonem v případě, že se nacházíte na jednom místě. Jenže kouzlo mobilní telefonie je v tom, že právě můžete volat odkudkoli a kdykoli, tedy i za pohybu. V tomto případě si ale buňková síť musí poradit s tím, jak si hovor předávat mezi jednotlivými základovými stanicemi. Principů je několik, společně se ale takovému předání telefonu z jedné BTS na druhou říká handover nebo také handoff.
V zásadě je odlišujeme podle způsobu a podle typu přepínání. Podle způsobu existují takzvaný Network Controlled Handover (NCHO), kdy předání řídí síť, Mobile Assisted Handover (MAHO), kdy se na předání podílí i mobilní terminál, a Mobile Controlled Handover, kdy má celý proces pod kontrolou mobilní telefon.
V systémech GSM se používá handover typu MAHO. Podle typu přepínání pak existují handover tvrdý (hard handover), bezešvý (seamless handover) a měkký (soft handover). V GSM sítích se používá první typ, tedy tvrdý handover. Při něm se mobilní telefon nejprve odpojí od kanálu na jedné BTS, aby se následně naladil na kanál nový u druhé BTS. Tento proces probíhá velmi rychle a ani při hovoru jej nemůžete pozorovat.
Handover bezešvý probíhá tak, že stanice se nejprve připojí i ke kanálu na nové BTS a teprve ve chvíli, kdy si je jistá, že je spojení stabilní, ukončí původní spojení. To znamená, že po určitou dobu komunikuje telefon na dvou kanálech. Konečně handover měkký, který se používá třeba v sítích UMTS, funguje tak, že je mobilní telefon neustále připojen ke dvěma základovým stanicím a při pohybu neustále zanikají a vznikají nová spojení.
Až vám někdy spadne hovor
Výše uvedené řádky vysvětlily pouze základní princip, jak vlastně funguje mobilní volání. Ale možná budete od této chvíle na svého operátora trochu méně nadávat, když vám například spadne probíhající telefonní hovor. Protože si uvědomíte, co vše v tu danou chvíli musí fungovat a že zajištění takového bezproblémového fungování není jistě jednoduché. A že se toho v síti děje ještě daleko více, než jsme stihli na několika stranách popsat, je vám snad již jasné.
Chybička se prostě čas od času vloudí, a pokud to není příliš často, jistě ji můžeme operátorovi odpustit. K některým tématům, jako třeba datové přenosy, účtování hovorů a podobně, se pravděpodobně v budoucnosti vrátíme.
