GSMweb - technické stránky mobilní komunikace

Systém NMT 450, díl první

17.6.2003 Clondike

Na úvod bych chtěl upozornit že tento článek nemá nic společného s diskusemi o kvalitách, budoucnosti a perspektivnosti systému NMT. Telefon systému NMT jsem pro volání nikdy nepoužíval, nepoužívám a asi ani nebudu používat. Pro volání používám GSM. Přesto ale považuju systém NMT za technicky pěkný a zajímavý systém, který stojí za to znát.

Struktura systému NMT450

NMT450 - (Nordic Mobile Telphone) je mobilní telefonní síť vyvinutá telekomunikačními správami Finska, Dánska, Norska a Švédska pro zajištění kompatibilního radiotelefonního systému ve všech těchto státech.

Systém NMT 450 používá celulární strukturu. Celé území, které má být pokryto signálem je rozděleno na menší části, buňky. Průměry jednotlivých buněk se pohybují od stovek metrů do desítek kilometrů. Obvykle uprostřed každé buňky jsou umístěny základnové stanice BS (Base Station), které jsou připojeny k radiotelefonní ústředně MTX (Mobile Telephone Exchange), buď rádiovými linkami nebo čtyřdrátovými telefonními linkami. Prostřednictvím BS komunikují jednotliví účastníci se svými mobilními stanicemi MS (Mobile Station) se systémem. Základnové stanice jsou seskupeny do celulárních oblastí TA (Traffic Area). O základnové stanice v jedné celulární oblasti TA se obvykle stará jedna MTX. Ve vyjímečných případech může mít jedna MTX na starosti více TA, pak se seskupení těchto TA nazývá MTX Area. Ústředny MTX jsou vzájemně propojeny, přičemž jedna z nich má funkci hlavní ústředny HMTX (Home MTX). Ta obsahuje databázi všech účastníků systému označovanou jako domovský lokační registr HLR (Home Location Register). Ostatní ústředny obsahují tzv. návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register), ve kterém jsou informace o účastníkovi uloženy pouze dočasně a po opuštění území pod řízením příslušné ústředny jsou data z registru vymazána. Jednotlivé ústředny MTX mohou být připojeny k pevné telefonní síti PSTN (Public Switched Telephone Network).

MS    Mobile Station
BS    Base Station
MTX   Mobile Telephone Exchange
PSTN  Public Swiched Telepone Network

Česká verze systému používá pro spojení mobilní stanice - základnová stanice (uplink) frekvenční pásmo 451.310-455.730 MHz a pro spojení základnová stanice - mobilní stanice (downlink) pásmo 461.310-465.730 MHz. Obě pásma jsou rozdělena na 222 kanálů s šířkou pásma 20 kHz. Využívá se tedy 222 duplexních účastnických kanálů s roztečí duplexního páru 10 MHz.

Příklad antén systému NMT

Jde o analogovou síť, což znamená, že hovorové komunikační kanály nejsou nijak kódovány. Datová komunikace (signalizace) probíhá po řídícím nebo hovorovém kanálu prostřednictvím modulace FFSK o rychlosti 1200 Baudů.

Každá BS má jeden kanál vyhrazený jako řídící kanál CC (Calling Channel) a je označen speciálním identifikačním signálem. BS má také jeden nebo více provozních (nebo také hovorových) kanálů TC (Traffic Channel), které, pokud jsou volné, jsou označeny také signálem pro volný TC. Za jistých okolností může BS povolit i použití CC pro hovorové účely - pak hovoříme o kombinovaném kanálu.

Informace vysílané na řídícím kanále

Pokudje telefon NMT v klidovém stavu (stand-by condition), je zavěšen na řídícím kanále s nejsilnějším sigálem a stále na tomto kanále naslouchá. Po řídícím kanále jsou ke všem telefonům v klidu přenášeny následující informace:

Číslo použitého kanálu (aby se předešlo falešnému naladění na kanál například díky intermodulaci).
Počáteční požadovaná výkonová úroveň telefonu. BS tím určuje telefonu výkonovou úroveň, kterou má telefon použít, pokud bude vysílat na tomto kanále.
Identifikace typu kanálu. Telefon musí být schopen rozlišit mezi řídícím kanálem CC, volným provozním kanálem TC a provozním kanálem, na kterém probíhá přenos dat.
Číslo celulární oblasti TA (Traffic Area). Ve skutečnosti se toto číslo skládá ze dvou hodnot Y1 a Y2. Y1 je číslo země (7 pro ČR) a Y2 je samotné číslo oblasti.
Dodatečné informace, jako jsou informace o čase (Real Time Clock) nebo informace pro šetření baterií.

Pokud si BS přeje iniciovat hovor s konkrétní MS, posílá na řídícím kanále výzvu pro tuto MS. Tato výzva se nazývá "Call to mobile subscriber" a obsahuje telefonní číslo volané stanice MS. Tato výzva je vysílaná všemi BS v oblasti TA, ve které by se měla volaná stanice nacházet. Pokud je volaná stanice naživu a odpoví síti na výzvu, BS vybere vhodný provozni kanál a oznámí pro řídícím kanále volané stanici, že další komunikace bude probíhat po tomto provozním kanále. Po provozním kanále pak probíhá další signalizace a samotný hovor.

Informace o právě přijímaném řídícím kanále je možno zobrazit na mobilním telefonu pomocí tzv. Net monitoru. Net monitor je speciální režim telefonů Nokia, ve kterém se zobrazují na displeji nejrůznějšísystémové informace. Net monitor není v telefonu běžně dostupný, ale je potřeba jej aktivovat. Lze jej aktivovat u většiny NMT telefonů Nokia. My si jeho aktivaci popíšeme pro telefon Nokia 640/650.

Aktivace Net monitoru na telefonu Nokia 640/650

K aktivaci potřebujete k tomu MBUS kabel k GSM telefonu Nokia. Nejlepší je kabel k telefonu Nokia 61xx (např. 6150), protože má stejný konektor, jako telefon Nokia 640/650 a můžete jej použít bez modifikace. Nejen tvar, ale i zapojení konektoru je u obou typů stejné.

Dále potřebujete odpovídající software. Nejlepší je program NOKIA6X0.EXE, který se jmenuje "Nokia 640-650 service software" a dá se stáhnout například na ruské Unofficial NMT Page. Po aktivaci monitoru příkazem "NetMonitor On" si Net monitor zpřístupníte a do menu přibude nová položka Net monitor. Monitor se spouští zadáním čísla obrazovky, kterou chcete mít na displeji. Toto číslo je 8 bitové (0-255), ale zdaleka ne všechna jsou využita. K žádané obrazovce je též možno se "procvakat" šipkami. Číslo aktuální obrazovky je vždy vidět v levém horním rohu displeje.

Kde zjistím význam jednotlivých obrazovek Net monitoru?

Jednoduchá (a velmi stručná) kontextová nápověda je dostupná po delším zmáčknutí * (pustíte až po zobrazení displeje). Podrobnější vysvětlení většiny obrazovek je možno najít na internetu v dokumentech, popisujících Net monitor telefonů Nokia GSM, protože hodně položek je podobných. Zcela jiná je však obrazovka číslo 01, která obsahuje informace o aktivní buňce a která nás zajímá nejvíc:

Obrazovka č. 01
Information about communication with cell

______________                 ______________
|Ch b Pwr Tr | Obrazovka       |  17  2 4   | Příklad
|Sc          | s nápovědou     |            | obrazovky 1
| St Rc Rssi |                 |1 S0  -92   |
|____________|                 |____________|

Ch b: je číslo aktuálního řídícího kanálu (1-222 pro NMT 450 v ČR a SR)
Pwr: Počáteční požadovaná výkonová úroveň telefonu (1=nízká 150mW, 2= střední 1.5W, 3=vysoká 15W). Obvyklá hodnota je 2.
Tr: Traffic area - číslo oblasti sítě NMT. Číslování částečně odpovídá území bývalých krajů: 1 = Praha, 2 = Střední a Východní Čechy, 3 = Jižní Čechy, 4 = Západní Čechy, 5 = Severní Čechy, 6 = měly by být Východní Čechy, nyní nepoužito, 7 = Severní Morava, 8 = Jižní Morava.
Sc: Scan counter - čítač pokusů při vyhledávání řídícího kanálu (hodnota 0-9, viz NMT Doc 450-3, Chapter 5.2.1.4.2)
St: State - kód stavu stavového automatu telefonu
Rc Rssi: kvalita přijímaného signálu v dBm (min= -113dBm, max= -51dBm)

Jak je vidět, není to žádná paráda. Net monitor poskytuje podstatně méně informací, než jeho "bratříček" u telefonů GSM. Především zde schází jednoznačná identifikace základnové stanice BS. Zdálo by se, že číslo kanálu je možno použít jako identifikaci BS, ale není to tak jednoduché. Základnová stanice v průběhu času mění řídící kanál a postupně tak střídá několik kanálů. Zdá se, že sada používaných kanálů je stejná, avšak přesný mechanismus střídání kanálů zatím není zcela jasný. Pokud by k tomu někdo měl víc informací, uvítáme jakoukoli pomoc. Kromě čísla kanálu pak již o BS moc informací z Net monitoru nezískáme. Zjistíme sice oblast TA, avšak vzhledem k rozsahu oblastí (odpovídají přibližně starým krajům) to není informace moc užitečná. Kanál ještě vysílá informaci o tzv. oblasti BS (BSA, Base Station Area). Je to číslo v intervalu 1 až 4, což bohužel znamená, že ve větším městě přijímáme několik BS se stejným BSA. Navíc toto číslo nezjistíme pomocí Net monitoru, ale k jeho zjištění potřebujeme již lepší vybavení.

Tedy krátká rekapitulace. Co pomocí Net monitoru o základnové stanici můžeme zjistit:

Číslo celulární oblasti TA. Jak již bylo řečeno, celulárních oblastí v ČR je 8 a tím zmenšíme počet možných základnovek na jednu osminu. To znamená, že předpokládáme-li, že v ČR je zhruba 800 základnových stanic, omezili jsme počet na 100.
Číslo řídícího kanálu. Vzhledem k tomu, že jsme odhadli počet základnovek na jednu celulární oblast na 100, počet dostupných kanálů je 222 a jedna základnová stanice využívá minimálně 2, ale typicky 4 kanály, je zřejmé, že číslo kanálu nebude v rámci celulární oblasti jednoznačně základnovou stanici identifikovat. Ale vzhledem k tomu, že mezi stanicemi, využívajícími stejný kanál, musí být dostatečný odstup, aby nedocházelo k interferencím, bude počet duplikátů relativně malý. Dá se odhadnout,že jeden kanál bude v rámci celulární oblasti použit nejvíce pětkrát.
Čísla všech řídících kanálů. Tento údaj samozřejmě nenajdeme na displeji telefonu, ale zjistíme jej tak, že základnovou stanici sledujeme v různých časech nebo počkáme, až se stanice přepne na jiný kanál. Tato informace je již poměrně unikátní a umožňuje nám základnovku identifikovat daleko lépe.

Z toho tedy plyne pro potenciální lovce BS (kteří jsou vybaveni pouze telefonem s Net monitorem), že by nebylo špatné, kdyby do seznamů BS uváděli i čísla řídících kanálů dané základnové stanice.

Ještě si řekněme, co můžeme navíc o základnové stanici zjistit pomocí lepšího vybavení, než je jenom Net monitor:

Číslo oblasti BS. Jde o číslo oblasti v intervalu 1 až 4, které slouží pro rozlišení kanálů se stejným číslem v jedné celulární oblasti. Toto číslo je především užitečné k "napárování" řídících kanálů CC na odpovídající kanály TC.
Čísla volných provozních kanálů TC. Pro volné provozní kanály platí totéž, co pro řídící kanály, tj. základnová stanice jejich čísla v průběhu času pravidelně (nebo nepravidelně?) střídá.
Další informace, vysílané na řídícím kanále, tj. například minutové impulzy času, výzvy volaným telefonům v celulární oblasti a přiřazování provozních kanálů vznikajícím hovorům.
A především přehled o všech řídících a volných provozních kanálech v radiovém dosahu.

Tento článek by neměl být posledním článkem o systému NMT. Měl by na něj (snad) navazovat článek, ve kterém si něco řekneme o tom, jak pomocí trochu lepšího vybavení, než je jen Net monitor, získat komplexnější informace o síti NMT.