Sdílené využití frekvencí - časový multiplex

Ani opakované využití přidělených frekvencí v jednotlivých buňkách sítě stále ještě nepostačuje k uspokojení všech potřeb. Problémem je hlavně počet uživatelů v rámci buňky, který je velmi často výrazně větší než počet rozsahů frekvencí, resp. kanálů, dostupných v dané buňce pro přenos jednotlivých hovorů. Proto je nutné vícenásobně využít dostupné frekvence i v rámci jednotlivých buněk.

Analogové mobilní sítě, jako je NMT či americký AMPS, tento problém buď neřeší vůbec, nebo k jeho řešení používají čistě analogovou techniky tzv. frekvenčního multiplexu (což si lze jednoduše představit jako další, ještě jemnější rozdělení frekvenčních pásem). Digitální mobilní sítě, mezi které patří i GSM, mohou ke stejnému účelu použít efektivnější techniku tzv. časového multiplexu (TDM, Time Division Multiplexing, resp. TDMA, Time Division Multiple Access). Její podstatu lze popsat tak, že přenosové schopnosti určitého kanálu jsou rozděleny v čase - konkrétně tak, že každá z komunikujících dvojic využívá přenosový kanál jen po určitou dobu, pak jej přepustí další dvojici, ta udělá totéž a takto vše pokračuje dokud se nevyčerpají všechny komunikující dvojice, které přenosový kanál sdílí, načež se zase ke slovu dostává první dvojice a vše se v cyklu opakuje. Obecně tedy lze říci, že pokud jeden fyzický přenosový kanál tímto způsobem sdílí například 8 komunikujících dvojic (resp. je sdílen pro 8 souběžných hovorů), pak každý z nich dostává přidělen tento přenosový kanál (v cyklu) vždy na 1/8 určitého přenosového kvanta. Toto "časové kvantum" je obvykle označováno jako slot, a číslo 8 zde nebylo zvoleno náhodně - technologie GSM rozděluje každý přenosový kanál, který má k dispozici, právě na 8 částí, neboli pro souběžné vedení až 8 hlasových hovorů.

Představa časového multiplexu v GSM

Kromě techniky frekvenčního multiplexu, používané v analogových sítích, a techniky časového multiplexu existuje ještě jeden další způsob efektivního sdílení dostupných frekvencí, resp. přenosových kanálů, který se zdá být velmi perspektivní. Jde o tzv. kódový multiplex (CDMA, Code Division Multiple Access), založený na tom, že vysílající využije celé frekvenční pásmo které má k dispozici a vysílá na něm to, co vznikne zakódováním obsahu několika dílčích přenosů. Každý příjemce si pak z tohoto celku "odkóduje" jenom to, co je určeno jemu (a naopak nedokáže dekódovat to, co mu nepatří). S touto technikou se počítá pro mobilní sítě třetí generace, viz článek "Co přinese třetí generace mobilních sítí?".

Něco čísel

Upřesněme si nyní několik kvantitativních parametrů technologie GSM - možná to bude zpočátku poněkud nezáživné, ale na konci nám z toho vyjde něco velmi důležitého - jakou rychlostí se dají přenášet data skrz mobilní sítě GSM.

Pro technologii GSM, alespoň v její základní variantě fungující v pásmu 900 MHz, jsou vyhrazeny frekvence od 890 do 915 MHz pro tzv. uplink (jednosměrné spojení od terminálu k základnové stanici) a 935-960 MHz pro downlink (od základnové stanici k terminálu). V tomto frekvenčním rozsahu je možné vytvořit až 124 kanálů (odstupňovaných po 200 kHz od sebe). Z nich pak správce kmitočtového spektra (u nás ČTÚ) přiděluje jednotlivým operátorům takový počet kanálů, jaký mu přisuzuje příslušná licence.

Každý z takovýchto kanálů je pomocí techniky časového multiplexu rozdělen na 8 částí (slotů). Každý slot přitom má časovou délku 15/26 milisekund, neboli přibližně 0,557 ms (jak se záhy dopočítáme, za tuto dobu se stihne přenést cca 156 bitů).

Každých 8 slotů, které lze přiřadit různým hovorům, dohromady tvoří jeden tzv. TDMA rámec (TDMA frame), s časovou délkou 120/26 ms, neboli cca 4,615 milisekundy. Jednotlivé rámce jsou sdružovány do skupin po 26, které jsou označovány jako tzv. multirámce. Časová délka jednoho "multirámce" je 120 milisekund, a odsud je také odvozena časová délka jednoho slotu (120 milisekund, děleno 26 a pak ještě děleno 8) - viz obrázek. Jednotlivé multirámce jsou při svém přenosu od sebe odděleny od sebe časovou prodlevou odpovídající 3 slotům. Z celkového počtu 26 rámců v multirámci je přitom 24 využíváno pro vlastní přenosy, 1 rámec (konkrétně 12. v pořadí) je řídící a zbývající (25.) je vyhrazen.

Možných vnitřních formátů jednotlivých slotů je více - nejčastější formát odpovídá 156,25 bitům a ukazuje jej spodní část obrázku č. 4. Necelý počet bitů je způsoben tím, že na konci každého rámce je speciální zakončovací posloupnost délky 8 a čtvrt bitu. Hlavní "náplň" každého rámce tvoří dva 57-bitové bloky, oddělené 1 a 3 oddělovacími bity. Mezi těmito datovými bloky je další režijní blok velikosti 26 bitů, sloužící technickým účelům (k tomu, aby se rozpoznal užitečný signál od nejrůznějších odrazů rádiových vln, ke kterým v praxi dochází).

Zkusme se nyní podívat na takto "zabydlené" sloty, rámce a multirámce jako na přenosový kanál pro přenos dat: v rámci každého slotu jsou přenášeny dva bloky po 57 "užitečných" (míněno: nikoli režijních) bitech. V jednom rámci je 8 takovýchto slotů, a v multirámci jich je 24 (nezapomínejme že z 26 rámců v multirámci je jeden řídící a 1 nevyužitý). Zůstaneme-li u toho, kolik připadá na jeden slot v rámci celého multirámce, pak je to 2 x 57 x 24, neboli 2736 bitů. Přitom přenos jednoho multirámce trvá již zmiňovaných 120 milisekund (načež se vše opakuje) - takže na jeden slot připadá 2736 bitů za 120 ms, neboli 22800 bitů za jednu sekundu, což odpovídá přenosové rychlosti 22,8 kbps. Viz též obr. č. 4.

Zdůrazněme si, že těchto 22,8 kbps je přenosová rychlost připadající na jeden slot, navíc zbavená vlivu režie nutné pro fungování GSM přenosů jako takových (jde například o režii na komunikaci mezi terminálem a základnovou stanicí, o režii spojenou s přechodem mezi buňkami - tzv. handover, či k tomu aby mobilní terminál ohlásil svou přítomnost základnové stanici, aby si vyžádal přidělení hovorového kanálu atd.). Pokud bychom chtěli znát velikost této režie, můžeme si ji vypočítat - stačí vyjít z toho, že každý slot přenáší celkem 156,25 bitů (včetně všech režijních), v každém rámci je 8 slotů a v každém multirámci je 26 slotů (včetně jednoho řídícího a jednoho nevyužitého), které nyní již musíme započítat. Celkem tedy jde o 156,25 x 8 x 26, tj. 32 500 bitů. Ty se přenesenou za 120 milisekund (dobu přenosu 1 multirámce), což odpovídá celkové přenosové rychlosti cca 270 833 bps.

Jak uvidíme později, při standardním využití sítě GSM pro hlasové přenosy je každému jednotlivému hovoru přiřazen jeden pravidelně se opakující slot (neboli jeden "hovorový" kanál vzniklý rozdělením původního přenosového kanálu pomocí časového multiplexu na osm částí). Podle toho, co jsme si v předchozích odstavcích odvodili, připadá na každý hovorový kanál přenosová rychlost 22,8 kbps, zatímco na celý přenosový kanál (odpovídající 8 hovorovým kanálům) připadá přenosová rychlost cca 271 kbps. Ovšem 8 x 22,8 je rovno 182,4, a to je méně než oněch 271 kbps, které odpovídají celému přenosovému kanálu.

Představa slotů, rámců a multirámců

Vysvětlení je ale jednoduché - jde právě o vliv oné režie na fungování GSM sítě jako takové, kterou jsme se jali hledat v předchozích odstavcích. Pokud bychom celkovou rychlost jednoho přenosového kanálu, tj. oněch cca 271 kbps, rozpočítali na 8 hovorových kanálů (slotů), pak na každý z nich připadá 33,8 kbps. Režie, připadající na zajištění funkcí GSM sítě jako takové, tedy představuje cca 11 kbps na každý hovorový kanál (slot). Vše přehledně ukazuje obrázek č. 5, na kterém je režie na fungování GSM sítě vyznačena červeně.

Ani přenosová kapacita, která v každém hovorovém kanálu zbývá po odečtení "režie" na fungování GSM sítě (ve výši cca 11 kbps), však ještě není využívána pro "čistý" přenos hlasu - i zde dochází k dalšímu zúžení započítáním dalším režie, tentokráte nutné pro dostatečně kvalitní vedení hovoru. Abychom ale správně pochopili o co zde jde, musíme si nejprve něco říci o způsobu digitalizace lidského hlasu. Přitom nezapomínejme, že technologie GSM byla vyvinuta právě pro potřeby přenosu hlasu.

Ještě předtím si ale zdůrazněme, že až dosud popisovaná struktura rámců a slotů se týká tzv. dopravních kanálů (TCH, Traffic Channels), které slouží primárně k přenosu hovorů resp. dat a pracují s multirámci o velikost 26 rámců. Kromě toho jsou ale v sítích GSM realizovány i tzv. řídící kanály (control channels), které slouží především řídícím účelům (a jsou definovány pomocí multirámců o velikosti 51 rámců, s poměrně složitou strukturou). Jak uvidíme později, i tyto řídící kanály mohou být využity pro přenosy dat - dnes jsou po těchto řídících kanálech přenášeny zprávy SMS a také datové toky USSD.