Technologie mobilního internetu – od CSD po LTE Advanced (vědecké okénko)

Díky mobilnímu internetu jsou dnešní smartphony schopny být na internetu, kdykoliv se jejich uživateli zachce. Nemusíme spoléhat na to, jestli je v okolí nějaká veřejná Wi-Fi, prostě se připojíme. O všech technologiích mobilního internetu z historie až po současnost bude pojednávat dnešní vědecké okénko.

Mobilní internet, datový tarif, smartphone. Jedno bez druhého jako by nebylo samo sebou. V dnešním pravidelném pořadu Vědeckého okénka se podíváme na technologie mobilního internetu, od historicky prvních přenesených dat až po moderní standard LTE. Budeme tedy mluvit o mobilním internetu, který je zajišťován vaším operátorem a závisí na síle signálu a kvalitě pokrytí. Nebudeme dělat reklamu tomu kterému operátorovi, abychom zde psali o předhánění se v tom, kdo zajistí 3G větší části populace, nebo území. Nebudeme tu psát, kdo byl v čem první, nebo ukazovat mapy pokrytí – to vše lze najít na stránkách jednotlivých operátorů. Zajímat nás budou pouze technologie, díky kterým zde mobilní internet byl, je a bude.

Na začátek je potřeba umět rozlišovat mezi několika základními pojmy. Musíme si uvědomit rozdíl mezi označením generace, názvem technologie a názvem mobilní sítě. Vše zcela jasně osvětlí následující tabulka.

Hned z této tabulky je vidět, že klasicky používané dělení na 2G, 3G a 4G není až zase tak přesné. Navíc, 4G síť vlastně ještě neexistuje, ale o tom více až dále v článku.

Dalšími parametry jednotlivých sítí jsou pásma frekvencí jednotlivých přenosů, rychlost přenosu samotného, pro zajímavost také datum spuštění dané technologie, či maximální možná vzdálenost vysílače od vaší polohy. Vše opět přehledně vysvětlí následující tabulka.

(Tabulky převzaty z: www.internetprovsechny.cz)

Nyní už se pojďme vrhnout na jednotlivé technologie moderního internetu. Pod drobnohledem si rozebereme všechny zmíněné v první tabulce.

Technologie CSD a HSCSD

Tyto úplně první technologie mobilního internetu na našem území spatřily světlo světa ještě před rokem 1997 a náležejí do rodiny sítí druhé generace. CSD (Circuit Switched Data) a HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) byly technologie, které se vyznačovaly dnes už šnečí rychlostí 9.6 kb/s (teoreticky možné přenést 33.8 kb/s, po odečtu kapacit pro funkčnost sítě GSM zbyde 22.8 kb/s, dále po odečtu kapacit pro udržení kanálu a oprav chyb zbyde 9.6 kb/s), časovou tarifikací a z názvu patrným, neefektivním okruhovým spojováním. Jejich výhodou bylo stabilní připojení, které šlo ruku v ruce s klasickými hlasovými kanály, proto je podobná vytáčenému ADSL připojení. Její pokrytí bylo všude, kam dosáhl obyčejný GSM signál. Po celou dobu připojení máte vyhrazen kanál, a to i tehdy, když žádná data neproudí.

Technologie HSCSD, kterou provozoval pouze Eurotel, měla nárůst rychlosti na 14.4 kb/s na jeden kanál, a to díky menší nutnosti kapacit na opravu spojení. Navíc, kanálů oproti původní CSD uměla vytvořit více – rovnou čtyři. Maximální rychlost tak narostla na 43.2/14.4 kb/s (download/upload).

Technologie GPRS

Uvedena do provozu v roce 1997 (ano, je to už 15 let), znamenala technologie GPRS (General Packet Radio Service) velký krok kupředu. Rozdílem oproti CSD technologii byl tok dat pouze tehdy, když na ně byl vytvořen požadavek, tedy žádný stále otevřený kanál. Zařízení podporující GPRS můžeme dělit na třídy A, B, C – třída A umožňuje simultánní využívání GPRS i hlasového přenos, třída B umožňuje v jednom okamžiku datový nebo hlasový přenos, třída C potom umožňuje pouze datový přenos. Přenosová rychlost je 80/40 kb/s (download/upload).

Rychlost přenosu dat však záleží hned na několika faktorech. Informace jsou v síti posílány v packetech, které putují v tzv. timeslotech (rychlost jednoho timeslotu se pohybuje mezi 8–20 kb/s), což jsou části jednotlivých kanálů (frekvencí), na kterých probíhá komunikace s mobilním telefonem. Každý kanál obsahuje osm timeslotů, ovšem v současnosti jich lze při spojení využívat maximálně pět, a to ještě pro download i upload současně. Kolik jich ve skutečnosti však bude použito, závisí na mobilním operátorovi (resp. na vytíženosti sítě), ale i na tom, kolik jich dokáže mobilní telefon či modem využívat. Počet využitelných timeslotů u přístroje udává tzv. třída GPRS, kdy např. model třídy 8 dokáže současně pracovat s 4 timesloty pro downlink a 1 timeslotem pro uplink (třída 9 pak s 3/2 timesloty, třída 10 pak s 4/2 atd.). Dalším faktorem, ovlivňujícím rychlost přenosu, je způsob kódování signálu, který je odvislý od lokality, neboť v různých místech je odlišná kvalita signálu, a proto se využívají různé způsoby kódování

Technologie EDGE

Skutečnost, že tento způsob připojení k internetu je také označovaný jako EGPRS, dává tušit, že jde o technologii, vzešlou z GPRS a má s ní tedy mnoho společného, samozřejmě funguje taktéž na síti GSM. Ve skutečnosti začalo EDGE (Enhanced Data rates for Global/GSM Evolution) fungovat v roce 2004. Podporu EDGE lze v současnosti sice nalézt u většiny novějších modelů mobilních telefonů, avšak podpora ze strany operátorů nebývá zdaleka zaručena všude tam, kde je pokrytí signálem GSM.

EDGE na rozdíl od GPRS využívá jinou modulaci (8PSK – osmistavová fázová modulace), díky níž lze přenést, zjednodušeně řečeno, za stejný časový interval třikrát více dat. Princip timeslotů zůstává zachován, rychlost jednoho timeslotu se ale zvýšila z dvaceti na necelých šedesát kilobitů za sekundu. Při konfiguraci 4+1 timeslot tak lze dosáhnout rychlosti až 236 kb/s. V praxi dosahované rychlosti downoladu se však pohybují okolo 130 – 160 kb/s.

Technologie CDMA 1xEV-DO / 1xRTT

Pro připojení k této technologii si můžete vybrat mezi klasickým modemem pro připojení k PC a PCMCIA kartou do notebooku. Mobilní telefony či komunikátory s podporou CDMA v nabídce operátorů nenajdete, přesto však jde o mobilní technologii, proto se o ní zde zmíníme. Tyto technologie jsou od roku 2004 realizovány v síti zvané CDMA2000, která funguje na frekvenci 450 – 2100 MHz. Taktéž se vyskytují na přelomu značení druhé a třetí generace.

V síti CDMA2000 jsou v současnosti používány dvě technologie pro datový přenos – jsou jimi CDMA2000 1xEV-DO (Code Division Multiple Access – Evolution Data Only) a CDMA2000 1xRTT (Code Division Multiple Access – Radio Transmission Technology). Technologie 1xEV-DO slouží pouze k datovému přenosu (kromě ní existuje i 1xEV-DV, která umožňuje i hlasový přenos) a umožňuje dosahovat přenosové rychlosti až 2.4 Mb/s. Technologie 1xRTT umožňuje realizovat přenos hlasový i datový, ten ovšem pouze při maximální dosahované rychlosti 307 kb/s. V porovnání s technologiemi GPRS či EDGE dosahuje tento typ připojení výrazně lepších výsledků co se týče přenosové rychlosti a odezvy.

Technologie UMTS, nadstavby HSDPA, HSUPA a kouzelné plus

Oproti předchozím technologiím GPRS a EDGE fungujícím na síti GSM, která byla primárně vytvořena pro hlasové přenosy, byla síť UMTS projektována plně pro využití hlasových i datových přenosů, což ji řadí do skupiny technologií generace 3. Síť UMTS funguje na frekvenci 1885 – 2200 MHz. Teoretická maximální přenosová rychlost je 2 Mb/s. Klasická technologie UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) využívá standardně přenos dat metodou tzv. frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex), jak se dozvíte níže, je možné však tuto technologii provozovat i méně obvyklou metodou TDD (Time Division Duplex), kterou však obvykle mobilní telefony nepodporují.

UMTS FDD je síť umožňující hovory a datové přenosy současně. Není tak rychlá, jako následující UMTS TDD, maximální rychlost směrem k uživateli je 384 kb/s. Výhodou tohoto řešení je kompatibilita s 3G sítěmi v jiných zemích, a taktéž podpora ze strany výrobců mobilních telefonů.

UMTS TDD je čistě datová síť, kde rychlost dat k uživateli je okolo 800 kb/s. Oproti předchozí je mnohem rychlejší, ale také stabilnější, a má rychlejší odezvu. Bohužel, tato síť není podporována mobilními telefony.

Nadstavba HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) je v podstatě jen vylepšení technologie UMTS. Toto vylepšení probíhá na programové úrovni na straně operátora, a je kompatibilní jak s FDD, tak TDD standardem. Vyšších rychlostí je dosaženo především efektivnějším využitím frekvenčního pásma, odlišným přístupem k přenosovému kanálu a zejména pokročilými algoritmy zpracování dat. Zajímavostí je například to, že síť vyřizuje nejdříve požadavky uživatele s nejkvalitnějším signálem. Patří do 3.5 generace a zvedá rychlost downloadu na maximálních 14.4 Mb/s.

Nadstavba HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) je to samé, jako HSDPA, akorát se týká toku dat od uživatele, tedy uploadu. Ten zvedá až na teoretických 5.76 Mb/s. Tato nadstavba je označována jako 3.75 generace.

Úplně posledním vylepšením této technologie je HSDPA+ a HSUPA+. Opět jde napřed o download, poté o upload, a jejich rychlosti se zvedají až na 42/7.2 Mb/s.

Technologie LTE a LTE – Advanced

Technologie LTE (Long Term Evolution) je nejnovější, současně také nejrychlejší technologií mobilního internetu. Její maximální papírové rychlosti jsou stanoveny na 100 Mb/s pro download, 50 Mb/s pro upload. V drtivé většině případů bývá mylně označována jako síť 4. generace, tedy 4G. Proč?

Protože dle mezinárodní telekomunikační unie ITU (International Telecommunication Union) patří stále do mobilních datových technologií 3G (i když neoficiálně bývá uváděna jako 3.9G). Dlouho diskutovaná podmínka pro zařazení technologie do 4G byla totiž stanovena na rychlost downloadu 100 Mb/s za pohybu a 1 Gb/s v klidu, takže do rodiny 4G byla zařazena až nová verze této technologie, splňující dané přenosové rychlosti, která je označena jako LTE – Advanced. Její reálné nasazení zatím však neexistuje.

A nasazení LTE v ČR? Věc zatím nereálná, i když, po dražbě volných frekvencí v tomto roce by se mohlo leccos změnit, a to jak na poli konkurence mezi operátory, tak na cenách či technologiích.

Závěr

Dnešní díl vědeckého okénka se může zdát poněkud nezáživný. Ovšem, kdo dočetl až do konce, ten nyní ví, co se skutečně ukrývá pod symboly G,E nebo třeba 3G na stavové liště jeho smartphonu. Při příštím dílu vědeckého okénka opět za týden na shledanou.