TEKNILLINEN KORKEAKOULUTEKNILLINEN KORKEAKOULU

Kimmo Vuori

kipi @snakemail.hut.fi

40429U Ti

Lyhenne- ja käsiteluettelo

BSS Base Station Sub-system - tukiasemajärjestelmä

CSPDN Circuit Switched Public Digital Network - yleinen piirikytkentäinen dataverkko

DCE Data Circuit-terminating Equipment - verkkopääte

DTE Data Terminal Equipment - datapäätelaite

FEC Forward Error Correction - virheenkorjaava koodi

ISDN Integrated Services Digital Network - digitaalinen monipalveluverkko

ITU International Telecommunications Union - Kansainvälinen telealan standardointi järjestö

IWF Interworking Function - yhteensovitustoiminta

LAPB Link Access Protocol, Balanced - balansoitu siirtoyhteyskerroksen yhteyskäytäntö

PSPDN Packet Switched Public Digital Network - yleinen pakettivälitteinen dataverkko

PSTN Public Switched Telephone Network - yleinen kytkentäinen puhelinverkko

RA Rate Adaptation - nopeuden sovitus

TAF Terminal Adaptation Function - päätesovitustoiminta

TRAU Transcoder and Rate Adaptor Unit - transkooderi ja nopeudensovitusyksikkö

V.24 ITU-T:n määrittelemä liitäntä DTE:n ja DCE:n välillä.

X.25 ITU-T:n määrittelemä pakettivälitteisen dataverkon perusliitäntä

1 Tiivistelmä ja johdanto

Datasiirron kysyntä kasvaa samalla, kun palvelut monipuolistuvat ja kustannukset laskevat. Yhteys palvelun tarjoajaan on mahdollista saada monella tavalla ja myös joustavasti GSM-matkapuhelinta apuna käyttäen. Tässä esitelmässä käydään läpi GSM-datasiirron perusperiaatteet ja ne mekanismit, jotka mahdollistavat datayhteydet muihin tietoliikenneverkkoihin. Kappaleessa 2 tutustutaan GSM-datasiirron perusperiaatteeseen. Kappaleessa 3 selvitetään yksityiskohtaisemmin GSM-verkon liittämistä yleiseen matkapuhelinverkkoon datasiirron näkökulmasta. Kappaleessa 4 käsitellään datasiirtoa GSM-verkon sisällä. Kappaleessa 5 käydään läpi nopeussovitukset GSM-verkossa.

2 GSM-datasiirron perusperiaate

Datasiirrossa on mahdollista siirtää tietoa monessa erilaisessa muodossa. Data voi olla tekstiä, kuvaa, ääntä, sanomia, tiedostoja, ohjelmia ja niin edelleen. Datan muokkaus haluttuun muotoon tapahtuu molemmissa päissä ja itse datasiirtoyhteys ei ota kantaa tiedon sisältöön mikä helpottaa huomattavasti toteutusta ja antaa laajan joustavuuden datan muodon suhteen. Oleelliset ominaisuudet datasiirtoyhteydessä ovat bittinopeus, siirtoviive ja bittivirhesuhde. Matkaviestintilaajalle on annettu rajoitettu vapaus valita näistä parametreista tiettyyn tarpeeseen sopivat.

Koska GSM on liitetty useaan erilaiseen verkkoon (PSTN, PSPDN,CSPDN ja ISDN) , yhteydet näihin verkkoihin vaativat räätälöidyt liitynnät kullekin verkolle. GSM verkon yhteys muihin verkkoihin jakaa siirtotien kahteen osaan. Toinen osa on GSM-tilaajan päätelaitteesta verkkojen rajapintaan saakka. Tämä osa on kokonaan GSM:ssä, mutta verkkojen rajapinnasta toisen verkon tilaajan päätelaitteeseen on GSM:n hallitsemattomissa. Ongelmaksi muodostuu se, että GSM verkko ei määrää ulkoisten verkkojen datasiirtosääntöjä, jotka riippuvat verkon tyypistä.

Jotta ei tarvitsisi toteuttaa kaikki rajapintoja erikseen, on määritelty kaksi yleistä toimintoa, jotka on sijoitettu molempiin päihin GSM:n osaa siirtotiestä. Katso kuva 1. Nämä toiminnot mahdollistavat GSM:n liittymisen muihin verkkoihin muutamalla sisäisellä datasiirtotilalla. GSM-verkon toiminto, joka yhdistää GSM-verkon ja ulkoisen verkon on Network Interworking Function, IWF. Toisessa päässä GSM-verkkoa on toiminto, jonka tehtävänä on liittää päätelaite ja radiotien siirto-osa. Tämä toiminto on Terminal Adaptation Function, TAF.

Click here for Picture

Kuva 1. GSM datasiirron perusperiaate.

3 Yleinen puhelinverkko (PSTN)

Dataa voidaan siirtää yleisessä puhelinverkossa äänitaajuusmodeemia käyttäen. Data moduloidaan kantoaaltoon siten, että moduloitu signaali kayttää taajuuskomponentteja, jotka PSTN pystyy siirtämään eli 300Hz ja 3400Hz välissä. Vastaanottava modeemi demoduloi signaalin, jolloin siirretty data saadaan alkuperäiseen muotoonsa. Yleisessä puhelinverkossa tapahtuvan datasiirron asetelma on kuvattu kuvassa 2.

Click here for Picture

Kuva 2. Datayhteys PSTN:ssä.

Kun datasiirto tapahtuu yleisen ja GSM verkon välillä, niin PSTN:n puolella oleva modeemi toimii niin kuin vastaanottava modeemi olisi myös PSTN:ssä. Moduloidun modeemisignaalin siirto radiotien yli tarpeeksi tehokkaasti ja virheettömästi on vaikeaa, jolloin modeemi joudutaan sijoittamaan IWF:ään. Siksi TAF:n ja IWF:n välissä tarvitsee siirtää ainoastaan digitaalista dataa. Kuvassa 3 on kuvattu datayhteys GSM:n ja PSTN:n välillä.

Click here for Picture

Kuva 3. Datayhteyteys GSM:n ja PSTN:n välillä.

Toinen modeemeista on IWF:ssä, jolloin se rajoittaa käyttäjän vapautta valita modeeminsa ja IWF:ssä pitää olla mahdollisimman monipuolinen valikoima erilaisia modeemeja. Kuvassa 4. on lueteltu suositusten mukaiset modeemityypit.

   Tyyppi     Nopeus bittiä/s      Siirtomuoto                    
    V.21      300                  asynkroninen                   
    V.22      1200                 asynkroninen, synkroninen      
  V.22bis     2400                 synkroninen                    
    V.23      1200/75              asynkroninen                   
  V.26ter     2400                 synkroninen                    
    V.32      4800, 9600           synkroninen

Kuva 4. ITU-T:n suosituksen X.1 tukemat äänitaajuusmodeemit.

Kahden modeemin välisessä datasiirrossa on kaksi erilaista muotoa, synkroninen ja asynkroninen. Näiden kahden ero on siinä, että asynkronisessa siirrossa bittien ei tarvitse siirtyä tasaisin väliajoin. Synkronisessa siirrossa bitit siirtyvat tarkasti määrätyin väliajoin. Asynkronisessa siirrossa yksikkönä on merkki, jonka pituus vaihtelee seitsemästä yhdeksään bittiin pariteetti bitti mukaan luettuna. Ennen merkkiä lähetetään aloitusbitti ja merkin jälkeen lopetusbitit. Siirtonopeus ilmaiseen bittien siirtonopeuden merkissä, mutta merkkien välissä on saa olla kuinka pitkä tauko tahansa. Synkronisessa siirrossa bitit lähetetään jatkuvana virtana tasaisin väliajoin.

DTE (Data Terminal Equipment) ja DCE (Date Circuit-terminating Equipment) välille on määritelty suositus V.24, jota suurin osa markkinoilla olevista modeemeista käyttää. Suositus määrittelee datasiirron terminaalin ja modeemin välillä, ohjauksen ja ajoitukset sekä paljon sellaista mitä päätelaite / modeemi rajapinnassa ei tarvita. GSM-verkko osuu juuri tämän rajapinnan kohdalle IWF:ssä sijaitsevasta modeemista GSM-käyttäjän terminaaliin saakka. GSM-verkko pyrkii siis toimimaan kuten suosituksessa on kuvattu, jolloin terminaali pystyy ohjaamaan IWF:ssä olevaa modeemia kuten PSTN:n päässä oleva päätelaite siihen liitettyä modeemia.

DTE/DCE rajapinta sisältää useita signaaleja ja rinnakkaista tietoa jotka ovat hyvin pienellä viiveellä siirrettävissä rajapinnassa. Näistä johtimista kaksi on varattu datasiirtoon. Molemmilla suunnilla on omat johtimet ja synkroniseen siirtoon tarvitaan vielä kellotahti molempiin suuntiin. Lisäksi tarvitaan muutama muu johdin, joilla päätelaite voi ohjata modeemia. Koska GSM siirtää dataa sarjamuodossa, joudutaan ohjaustiedot lisäämään datan joukkoon ja tekemään erikoisjärjestelyjä sekä TAF:ssä että IWF:ssä.

Kun siirretään dataa asynkronisesti terminaalien välillä, asynkroninen signaali sovitetaan synkroniseksi ja takaisin asynkroniseksi GSM verkon synkronisuuden vuoksi. Tähän tarkoitukseen joudutaan toteuttamaan joitakin toimintoja, sekä TAF:ään, että IWF:ään. Samoin syntyy ongelma kun siirretään synkronisesti dataa. Modeemin ja päätelaitteen kello ei ole aina riippuvainen GSM-verkon kellosta (Network Independent Clocking). Ongelmaksi muodostuu kellotaajuuksien vaellus, jolloin ne saattavat ajautua sivuun verkon taajuudesta. ITU-T:n V.110 suositus tarjoaa ratkaisun edellä mainittuun ongelmaan välittämällä ohjaustietoa kellotaajuuksien säätöön.

GSM:n määrittelyt liittyen datasiirtoon PSTN:n välillä on johdettu varsin pitkälle ISDN:n määrittelyistä, jolloin GSM:n ja ISDN:n välisen datasiirron määrittely on ollut varsin yksinkertaista.

4 Datasiirto GSM-verkon sisällä

Aikaisemmin todettiin että, GSM-verkko yhdistää päätelaitteen ja modeemin V.24 suosituksen mukaisesti. Asetelma on edelleen sama vaikka IWF:ssä ei olisi modeemia, jolloin suora digitaalinen yhteys toiseen verkkoon on olemassa. Seuraavaksi käsitellään niitä mekanismeja joilla mahdollistetaan yhteys useilla eri nopeuksilla ja muilla ominaisuuksilla päätelaitteesta IWF:ssä sijaitsevaan modeemiin.

4.1 yhteyden muoto

GSM-verkko tarjoaa käyttäjälle mahdollisuuden valita erilaisista yhteysmuodoista tarpeeseensa sopivimman. Yhteyden käyttötarkoituksesta riippuen voidaan yhteydelle asettaa vaatimuksia. Esimerkiksi pääteistunnossa nopeudesta voidaan tinkiä, jos viivettä saadaan lyhennettyä ja virhesuhdetta pienennettyä. Joka tapauksessa yhteys on aina kompromissi ominaisuuksien suhteen. Yhteydet voidaan jakaa kahteen pääluokkaan, läpinäkyvä ja läpinäkymätön tiedonsiirto.

4.1.1 läpinäkyvä

ISDN:stä johdettu läpinäkyvä yhteys muodostaa käytännössä synronisen yhteyden TAF:n ja IWF:n välille. Tässä tapauksessa tiedonsiirtonopeus ja viive ovat kiinteät. Tieto, joka joudutaan siirtämään, on käyttäjän data ja yhteyteen liittyvä tieto. Läpinäkyvä yhteys käyttää menetelmää, jossa siirrettävää dataa muokataan siten, että vastaanottaja voi tarkistaa datan ja myös korjata löytyneitä virheitä (Forward Error Correction, FEC). Siirrettävän datan määrä kuitenkin kasvaa. Näin voidaan vaikuttaa virhesuhteeseen pienentämällä yhteyden siirtonopeutta ja pitämällä GSM-verkon sisäinen siirtonopeus samana. Jos käytetään esimerkiksi 9.6kbit/s, niin muokkauksen jälkeen tarvitaan 12Kbit/s siirtonopeus, joka on suurin mahdollinen siirtonopeus tässä kohdassa GSM verkkoa.

4.1.2 läpinäkymätön

Jos halutaan, että yhteyden virhesuhde pienenee läpinäkyvän yhteyden tasolta, joudutaan käyttämään läpinäkymätöntä yhteyttä. Data siirretään periaatteessa pakettimuodossa. Seuraksena on, että tiedonsiirtonopeus vaihtelee GSM-verkon yhteyden laadusta riippuen. Virhetodennäköisyyden kasvaessa yhteyden tiedonsiirtonopeus laskee. Yhteensä 200 bittiä siirrettävää dataa sijoitetaan 240 bitin numeroituun kehykseen, joka lähetetään vastaanottajalle. Kehykseen lisätään tietoa jolla vastaanottaja voi varmistaa datan virheettömyyden. Vastaanottaja pyytää uudelleen saman kehyksen, jos virheitä löytyi, muuten se kuittaa saamansa kehyksen vastaanotetuksi. Tämä protokolla on nimeltään Radio Link Protocol, RLP. Koska läpinäkyvä siirto vie jo koko 12Kbit/s ja RLP lisää vielä omaa tietoa siirrettävään dataan, joudutaan jostain ottamaan ylimääräistä dataa pois. Sellaista löytyy esimerkiksi asynkronisen siirron aloitus-ja lopetusbitit sekä LAPB-protokollan ohjaustieto. Tästä johtuen läpinäkymätöntä yhteyttä voidaan käyttää ainoastaan muutamassa tapauksessa, jossa GSM-laitteet tietävät mitä alemman tason tiedonsiirtoprotokollaa käytetään. Nämä ovat LAPB:tä käyttävä X.25 pakettiverkko ja asynkroninen tiedonsiirto.

5 Nopeussovitukset GSM-verkossa

GSM-verkossa käytetään ITU-T:n v.110 suosituksen nopeussovitustoimintoja RA0,RA1 ja RA2 sellaisenaan, mutta myös muutamaa muuta sovitusta käytetään liittyen radiotiellä tapahtuvaan siirtoon. IWF:ssä on RA0,RA1 ja RA2 kuten ISDN:ssä. Kun data on muutettu 64 kbittiin/s se lähetetään TRAU:lle (Transcoder and Rate Adaptor Unit), jossa se muutetaan takaisin joko 8 tai 16 kbit/s (RA2). Tämä jälkeen data siirretään kunnes se saavuttaa radiotierajapinnan, jossa sovitus RA1/RA1' tehdään nopeudelle 3.6, 6 tai 12 kbit/s. Radiotien yli kuljettuaan data sovitetaan RA1':ssä suoraan käyttäjän synkroniseksi dataksi. Kuvassa 8. esitetään GSM-verkon nopeussovitukset.

Click here for Picture

Kuva 8. GSM-järjestelmän nopeudensovitustoiminnot datasiirron näkökolmasta

5.1 Rate Adaptation 0 (RA0)

Asynkroninen käyttäjän data muunnetaan synkroniseksi dataksi. Merkit saavat olla 7 tai 8 bittiä, mutta pariteettibitti voidaan lisätä ainoastaan 7 bittiseen merkkiin. Sovitus on yksinkertaista silloin, kun käyttäjän datan todellinen nopeus on alle suurimman synkronisen nopeuden. Teoriassa asynkroninen nopeus voi olla yhtä suuri kuin sovituksen jälkeinen synkroninen nopeus, mutta taajuuksien epätarkkuus saattaa aiheuttaa sen, että asynkroninen nopeus onkin suurempi kuin synkroninen nopeus. Ero on korkeintaan muutama prosentti, mutta riittää aiheuttamaan ongelmia sovituksessa. Määrittelyssä onkin annettu mahdollisuus poistaa silloin tällöin lopetusbittejä ongelman ratkaisemiseksi. Tämä kuitenkin edellyttää että vastaanottaja pystyy lisäämään poistetut lopetusbitit. Sama ongelma saattaa syntyä myös synkronisesta asynkroniseen sovituksessa, jossa ongelma ratkaistaan lopetusbitin pituutta lyhentämällä ajallisesti.

5.2 Rate Adaptation 1 (RA1)

Tässä sovituksessa synkroninen data, joko käyttäjän tai RA0:n moudostama data sovitetaan välinopeudelle, jonka nopeus on 8 tai 16 kbit/s. Tähän tarkoitukseen käytetään CCiTT:n V.110 80 bitin kehystä joka on esitetty kuvassa nn. Kehys lähetetään 16 kbit/s nopeudella 5 ms:n välein ja vastaavasti 8 kbit/s nopeudella 10 ms:n välein. Kehykseen lisätään signaalien tilatiedot siten, että signaalien tilat voidaan välittää vastaanottajalle tasaisin väliajoin, jolloin saadaan tasaisen näytteistyksen vaikutus. Tästä johtuen esimerkiksi signaalin 108 tilat, joita on 4 kehyksessä voidaan välittää vastaanottajalle 5ms / 4 = 1.25 ms:n tai 10ms / 4 = 2.5 ms:n välein, riippuen välinopeudesta. Jos käyttäjän siirtonopeus on alle 4800 bit/s, toistetaan bittejä niin monta kertaa että 4800 bit/s saavutetaan. Jokaisessa 80 bitin V.110 kehyksessä on 48 bittiä käyttäjän dataa ja kun kehys lähetetään 5 tai 10 ms:n välein saadaan 1 / 0.005s x 48 bittiä = 9600 bit/s tai 1 / 0.010s x 48 bittiä = 4800 bit/s. Tämän jälkeen nopeus on joko 4800 bittiä/s tai 9600 bittiä/s välinopeudesta riippuen.

5.3 V.110

ITU-T:n suositus V.110 määrittelee kuinka ISDN tukee V-sarjan liitännällä varustettua päätelaitetta. V.110 sisältää toiminnot RA0, RA1 ja RA2. Kuvassa 6 on V.110-kehysrakenne.

Oktet                 Bit                       
 ti                   ti                        
       1    2    3    4    5    6    7    8     
  0    0    0    0    0    0    0    0    0     
  1    1    D1   D2   D3   D4   D5   D6   S1    
  2    1    D7   D8   D9   D10  D11  D12  X     
  3    1    D13  D14  D15  D16  D17  D18  S3    
  4    1    D19  D20  D21  D22  D23  D24  S4    
  5    1    E1   E2   E3   E4   E5   E6   E7    
  6    1    D25  D26  D27  D28  D29  D30  S6    
  7    1    D31  D32  D33  D34  D35  D36  X     
  8    1    D37  D38  D39  D40  D41  D42  S8    
  9    1    D43  D44  D45  D46  D47  D48  S9

Kuva 6. ITU-T:n V.110 kehysrakenne.

V.110 kehys sisältää 80 bittiä, josta 48 bittiä on käyttäjän dataa, 17 synkronointia, 8 signaalien tilan ilmaisua, 3 käyttäjän siirtonopeuden ilmaisua ja 4 kehysten välistä synkronointia. Kuvassa 7. on eritelty V.110 kehyksen bittien takoitus.

bitti        kuljetettava tieto                   kommentit                      
             signaali 108 (data terminal ready)                                  
S1,S3,S6,S8  tai signaali 107 (data set ready)                                   
             riippuen siirtosuunnasta                                            
             signaali 105 (request to send) tai                                  
      S4,S9  signaali 109 (line signal detector)                                 
             riippuen suunnasta                                                  
X            signaali 106 (ready to send)         lähetetään kahdesti            
                                                  kehyksessä                     
E1,E2,E3     todellinen siirtonopeus              ilmaisee käyttäjän             
                                                  siirtonopeuden                 
             käytetään synkronisessa              koodattu käskyt kellojen       
             tapauksessa                          ohjaukseen                     
   E4,E5,E6  modeemien kellojen ohjaukseen kun    hidasta tai nopeuta, lisää     
             ne                                   bitti                          
             eivät ole synkronisoituneet          tai hyppää bitin yli           
             siirtoverkkoon                                                      
             40 ms synkronointi 600 bit/s                                        
             tapauksessa                                                         
E7           saattaa myös sisältää tietoa                                        
             ylemmän                                                             
             tason vuonohjauksesta

Kuva 7. ITU-T:n V.110 kehyksen informaatiobitit.

5.4 RA1/RA1' ja RA1'

Radiorajapintanopeus voi olla 3.6, 6 tai 12 kbittiä/s. Välinopeus on joko 8 tai 16 kbittiä/s joudutaan data sovittamaan radiorajapintaan siten, että välinopeus 8 kbittiä/s sovitetaan joko 3.6 tai 6 kbittiin/s ja 16 kbittiä/s 12 kbittiin/s. Tämä tapahtuu RA1/RA1' sovituksessa. Ei-läpinäkyvässä palvelussa käytetään aina 12 kbittiä/s. Kehyksistä poistetaan kaikki 17 synkronointibittiä sekä bitit E1, E2 ja E3. Nopeudella 3.6 kbittiä/s poistetaan lisäksi puolet databiteistä jolloin jäljelle jää (80-17-3-24) = 36 bittiä ja muilla nopeuksilla jäljelle jää (80-17-3) = 60 bittiä. Modifioidut kehykset lähetetään radio-osajärjestelmälle nopeudesta riippuen joko 5 tai 10 ms välein. RA1' sovittaa suoraan synkronisen käyttäjän datan radiorajapinnan nopeuksiin.

5.5 Rate Adaptation 2 (RA2)

RA1:stä välinopeudella saapuva data, joka on V.110 kehyksissä sovitetaan 64 kbittiä/s RA2:ssa. V.110 kehykset tulkitaan kokonaisuudessaan dataksi. 64kbittiä/s data määritellään peräkkäisiin kahdeksan bitin ryhmiin, ns. oktetteihin. Oktetit täytetään välinopeuden ollessa 8 kbittiä/s ainoastaan yhdellä databitillä ja seitsemällä ykkösellä (1). Välinopeudella 16 kbittiä/s oktetista täytetään kaksi bittiä datalla ja 6 bittiä ykkösellä (1).

6 Yhteenveto

GSM-matkapuhelinjärjestelmän hyväksikäyttö datasiirrossa on joustavaa. Yhteyden voi ottaa missä tahansa GSM-verkon peittoalueella. Radiotien käyttö mahdollistaa langattomuuden, mutta rajoittaa järjestelmän datasiirtokykyä. GSM-järjestelmän rajoitettu siirtonopeus 9600 bit/s on jäänyt jälkeen nopeista äänitaajuusmodeemeista jotka pääsevät ainakin 28.8 kbit/s nopeuteen. Tulevaisuudessa vaatimukset kasvavat entisestään. Tulossa on kumminkin parannus, sillä määrittelyt ovat meneillään, jotta ns. High Speed GSM saadaan käyttöön. Siinä on pyrkimyksenä yhdistää kanavia, jotta kokonaissiirtonopeus saadaan nousemaan. Tämä tarjoaa varmasti uusia mahdollisuuksia GSM-järjestelmän käytössä.

Lähdeluettelo

/1/ Mouly M., Pautet M.B. The GSM System for Mobile Communications, 1992, 695 s.

/2/ Ruokonen K. , Käyttäjäprotokollien sopivuus asynkroniseen datasiirtoon GSM-matkapuhelinjärjestelmässä, Diplomityö, Helsingin Teknillinen Korkeakoulu, Sähkötekniikan osasto, 1993, 79 s.

/3/ Hämeen-Anttila R., Hölttä P., Niinioja S. Tietoliikennejärjestelmät, 1994, Kristep OY ja Painatuskeskus OY 1994. 293 s.

/4/ CCITT :n Blue Book, suositus V.24, Support of data terminal equipments (DTEs) with V-series type interfaces by an integrated services digital network (ISDN).

/5/ CCITT :n Blue Book, suositus V.110, List of definitions for interchange circuits between data terminal equipment (DTE) and data circuit-terminating equipment (DCE).

/6/ CCITT :n Blue Book, suositus X.1, International user classes of service in public data networks and integrated services networks (ISDNs).

/7/ ETSI:n suositus GSM 04.21, Rate adaptation on the MS-BSS interface, 1992.

/8/ ETSI:n suositus GSM 04.22, Radio Link Protocol (RLP) for data and telematic services on the MS/BSS interface and the BSS/MSC interface, 1992.