Vice aktualit

Mobilní datové sítě

Současný stav vývoje lidské společnosti lze charakterizovat jako nástup věku informací. Neustálý nárůst požadavků na objemy přenášených informací, stoupající nároky na rychlost jejich přenosu a na rychlou dostupnost nejrůznějších informací, aniž je příjemce informace vázán na konkrétní pevné místo. Z tohoto vyplývá i potřeba mobilních datových sítí.
Ohlédneme-li se do historie vývoje pohyblivých služeb, pak můžeme konstatovat, že mobilní komunikační systémy dříve sloužily a i dnes slouží převážně k přenosu informace ve formě mluvené řeči. K zajímavým výsledkům dojdeme, provedeme-li srovnání, jaká je rychlost přenosu informačního obsahu hlasové a datové komunikace přes nějaký standardní komunikační kanál, jakým je např. telefonní kanál. Při normálním tempu řeči je rychlost přenosu informace cca 150 až 200 bit/s. Rychlost přenosu datové komunikace může být v závislosti na způsobu kódování a jakosti telefonního kanálu v rozmezí 1200 bit/s až 28 800 bit/s, tedy 8 x až 192 x vyšší.

Další výhody datové komunikace jsou:
  • možnost přenosu informace z paměti jednoho koncového zařízení do paměti druhého koncového zařízení; je-li to nutné, může být tato informace na obou stranách pořízena ve formě dokumentu v písemné nebo obrazové formě
  • možnost archivace zprávy na vysílací i přijímací straně pro pozdější potřeby a dokladování
  • při přenosu datové informace není u koncového zařízení nezbytná přítomnost člověka

Přenosové prostředí

Pevné sítě pro přenos dat používají přenosové prostředí převážně ve formě metalických nebo optických vedení. Toto přenosové prostředí má mnoho výhod, mezi něž patří především:
  • stabilita přenosových charakteristik a útlumu přenosového kanálu
  • dosažitelná vysoká rychlost přenosu (řádově až několik Gbit/s), což umožňuje budování tzv. informačních dálnic na základě technologie ATM
  • šíření signálu je lokalizováno pouze na danou přenosovou cestu, mimo ní není signál dostupný
Jedinou nevýhodou pevných sítí je, že koncové zařízení je vázáno na připojné místo sítě.

V omezené míře se jako náhrada metalických nebo optických spojů používají rádiová zařízení, tj. převážně pevné radioreléové spoje, příp. úzkopásmová rádiová zařízení pro přenos dat pro spojení bod - bod.
Mobilní datové sítě jsou zcela odkázány na rádiové přenosové prostředí. Z fyzikálního principu šíření rádiových vln ve srovnání s pevnými vedeními má rádiové přenosové prostředí téměř samé nevýhody, mezi nimiž nejvíce potíží způsobuje vícecestné šíření signálu, které vyvolá:
  • značnou nestabilitu přenosových charakteristik (amplitudově-kmitočtová charakteristika, skupinové zpoždění, útlum) přenosového kanálu
  • selektivní zeslabení nebo úplné vymizení části spektra signálu, což zvláště při přenosu dat vyššími přenosovými rychlostmi způsobuje vážné komplikace
  • velmi nerovnoměrné rozložení intenzity elektromagnetického pole, způsobené skládáním přímé a odražené elektromagnetické vlny. Takto deformované elektromagnetické pole se vždy vyskytuje uvnitř budov a uvnitř husté městské zástavby, kde použití rádiových sítí pro přenos dat připadá především v úvahu. Obzvláště toto nerovnoměrné rozložení intenzity elektromagnetického pole způsobuje potíže při mobilním použití koncového zařízení, tedy při jízdě v dopravním prostředku, kdy intenzita pole velmi rychle kolísá, čímž vzniká velmi rychlý únik o kmitočtu řádově desítek Hz (tzv. Rayleighův únik) a navíc i posuv nosného kmitočtu vlivem Dopplerova efektu
  • převážně velmi nízkou úroveň přijímaného vf signálu a tím nebezpečí příjmu různých rušení, nebo nežádoucího vyzařování jiných rádiových prostředků
  • poměrně snadnou možnost nežádoucího odposlechu přenášených zpráv
Jedinou výhodou rádiového přenosového prostředí je, že přípojným bodem koncového zařízení je celá oblast pokrytá vysokofrekvenčním signálem o vyšší než prahové intenzitě elektromagnetického pole a dostatečné kvalitě signálu.
Podstatně jednodušší je situace při rádiovém spojení mezi dvěma pevnými body, kdy je možné použitím úzce směrových antén a jejich vhodným umístěním uvedené potíže do značné míry odstranit. U pevných rádiových datových spojů se proto s výše popsanými problémy setkáváme velmi zřídka a jak ukazuje praxe, pracují rádiové datové kanály mnohdy spolehlivěji a vyznačují se menší bitovou chybovostí než metalická vedení.

Modulace
Z hlediska použitých modulačních metod je třeba rozdělit rádiové systémy pro přenos dat v sítích pozemní pohyblivé služby (PPS) na dvě skupiny:

a) systémy pracující v současných kmitočtových pásmech PPS, ve kterých dnes pracují analogová zařízení (převážně zařízení, používající pro komunikaci úzkopásmovou kmitočtovou, resp. fázovou modulaci)

b) systémy pracující ve vyhrazených kmitočtových pásmech a používající digitální modulace.

Důvodem tohoto dělení jsou rozdílné ochranné poměry pro případy rušení:

      analog ⇒ analog
      analog ⇒ digital
      digital  ⇒  analog
      digital  ⇒  digital

Zatímco analogové modulace vyžadují vyšší ochranné poměry a přípustný rušící vf výkon v sousedním kanálu musí mít úroveň menší nebo rovnou -70 dB vzhledem k výkonu nosné pro kanálový rastr 20 a 25 kHz a menší nebo rovnou -60 dB pro kanálový rastr 12,5 kHz.

Ochrana dat proti chybám přenosu
Ochrana dat proti chybám přenosu má, zvláště v mobilních datových sítích s ohledem na rychlé a hluboké úniky při spojení za pohybu, zásadní význam. Při přenosu hlasového signálu zkomolení nebo výpadek části slova většinou nevadí, takže při přenosu digitálně kódované řeči postačí bitová chybovost cca 1.10-3 až 1.10-2. Pro přenos datového signálu je nutné dosáhnout bitové chybovosti přenášených dat řádově 10-5 až 10-12, podle povahy a důležitosti dat.



Prostředky pro zlepšení hodnot bitové chybovosti

a) Interleaving a scrambling
Interleaving, nebo-li prokládání dat, spočívá v tom, že data se ukládají do vyrovnávací paměti ve tvaru čtvercové paměťové matice (např. po řádcích) a čtou se po sloupcích. Dojde-li při přenosu ke ztrátě skupiny sousedních bitů, pak se po zpětném přerovnání v přijímači tato plošná chyba rozdělí do krátkých chyb, které lze snadno opravit samoopravným kódem.
Scrambling spočívá ve vynásobení bloku dat (logický součin exclusive - OR) pseudonáhodnou sekvencí stejné délky. Tímto vynásobením získá datový signál výhodnější vlastnosti pro přenos, neboť se odstraní dlouhé sekvence logických nul a jedniček, které jsou náchylnější na chyby přenosu. V přijímači se pseudonáhodná sekvence ze signálu odstraní.

b) Samoopravné kódy

Důležitým opatřením pro snížení chybovosti přenosu je vhodné kódování signálu pro přenos rádiovým kanálem. Podstatou je systematické připojování redundance tak, aby dekodér přezkoušením správnosti přijatého kódového slova mohl detekovat chyby (detekční kódy) nebo - při dostatečně vysoké redundanci - rekonstrukcí kódového slova chyby odstranit (korekční kódy).
Korekčních kódů je několik druhů. Pro kratší kódová slova se v rádiových systémech často používá kód BCH (Bose-Chaundhuri-Hocquenghem).
Reed - Solomonovy kódy RS (N,K) opravují shluky (N-K)/2 chyb a indikují shluky (N-K) chyb. Např. kód RS (255,239) je schopen opravit shluk až 8 chyb a indikovat shluk až 16 hyb. Používá se plných nebo zúžených kódů, např. RS (188,204). Plný kód je definován pro N = (28-1) = 255. Kódový poměr R je definován jako R = K/N a vzrůstá s délkou kódového slova. Pro RS (239,255) je R = 0,93725 a tento kód přidává k přepravované zprávě 6,27 % redundance.

c) Provoz ARQ
Spočívá v tom, že se tok dat rozdělí na bloky, které se zabezpečí např. kontrolním součtem a na přijímací straně se kontroluje správnost přijatého bloku. Dokud blok není přijat bez chyby, přenos bloku se opakuje. Existuje několik typů ARQ podle toho, zda a jakým způsobem se v přenosu používá též korekce chyb.

d) Modulace OFDM
U přenosů dat vyššími rychlostmi (řádově stovky kbit/s až jednotek Mbit/s) je možné čelit účinkům vícecestného šíření vf signálu rozdělením toku dat na více vf subnosných kmitočtů, které se vysílají současně a které jsou modulovány daty s poměrně nízkou přenosovou rychlostí. Většina odražených signálů má velmi malé časové zpoždění, řádově desítky nanosekund až jednotky mikrosekund. Při přenosu dat vysokými rychlostmi je časová délka jednoho bitu srovnatelná s časovým zpožděním odraženého signálu, což způsobuje destrukci dat. Při rozdělení toku dat na jednotlivé subnosné nedochází k deformaci tvaru dat, protože 1 bit datového signálu má v porovnání s časovým zpožděním odraženého signálu podstatně delší dobu trvání. Tento modulační systém je používán u přenosu vf signálu zemského digitálního rozhlasu a zemské digitální televize a je velmi odolný proti vícecestnému šíření a je vhodný i pro mobilní příjem. Vyžaduje však na vysílací straně výkonový vf zesilovač s velmi dobrou linearitou.

e) Zajištění dostatečně vysoké intenzity elektromagnetického pole pro spojení
Toto lze dosáhnout plánováním podstatně vyšší intenzity elektromagnetického pole (zaručený příjem pro 90 % míst a 90 % času) pro datové sítě, než by bylo zapotřebí např. pro analogový přenos hlasového signálu. Účelem je omezit počet míst s nedostatečnou intenzitou elektromagnetického pole v oblasti pokryté signálem a tak zmenšit pravděpodobnost výpadku signálu při pohybu mobilní stanice.
Další možností, jak omezit bitovou chybovost v mobilních datových sítích, je automatické přesměrování komunikace na jinou základnovou stanici plošného systému při poklesu intenzity pole nebo vzrůstu chybovosti přenosu u mobilní stanice pod přípustnou mez. Tato technika však předpokládá schopnost velmi rychlého přerušení a výstavby nového spojení, řádu jednotek milisekund.

Systémy pro přenos dat v PPS
První ucelené plošné systémy, používající mobilní terminály s klávesnicí, displejem (v nejjednodušším případě jednořádkovým) a tiskárnou byly realizovány koncem 70. let a byly užívány především policejními sbory. Umožňovaly mj. přímý vstup z policejního vozidla do databází evidence automobilů, hledaných osob apod.
RASPRO s.r.o., Mobil: +420 602 516 700, Email: raspro@raspro.cz Created by LUVR s.r.o.