Los-vast verbonden

Inleiding

In deze canon worden enkele begrippen met betrekking tot de ontwikkeling van het mobiele netwerk vanaf 1980 tot heden beschreven. Vervolgens wordt er uitgelegd hoe een mobiel netwerk in hoofdlijnen is opgebouwd. De ontwikkeling van de mobiele communicatie voor 1980 is beschreven in venster 9.

Autotelefoon

De autotelefoon startte in Nederland met de invoering van het eerste generatie (1G) mobiele netwerk in maart 1980. De randapparatuur was toen nog zo groot dat die in de auto (kofferbak) ingebouwd moest worden.
Sindsdien heeft het mobiele netwerk en de bijbehorende randapparatuur een stevige ontwikkeling doorgemaakt. Dat begint met de uitbreiding van autotelefoon 1 door autotelefoon 2 en 3 en loopt via GSM en UMTS naar het huidige LTE netwerk.
In die ontwikkeling kwamen er naast puur bellen ook steeds meer extra services zoals voice mail, SMS, data, beeldtelefonie bij en werden de randapparaten steeds kleiner maar ook steeds krachtiger. Denk maar aan de PDA (Personal Digital Assistant) die tegenwoordig volop wordt gebruikt.

Greenpoint

Omdat PTT Telecom destijds in het kader van de privatisering in twee bedrijven was gesplitst (Vast en mobiel) kon het gebeuren dat ook het vaste net een mobiele bel variant op de markt bracht. Dat was de “Greenpoint” waarbij je met een geschikt telefoontoestel (Kermit of Greenhopper) in de buurt van een speciaal hiervoor geplaatste opstelpunt (antenne) draadloos kon bellen. De beperking was wel dat je niet zelf gebeld kon worden. Daarom hadden sommige toestellen ook een semafoon ingebouwd. Degene die jou wilde bereiken kon dan via de semafoon het te bellen nummer aan je doorgeven. De opstelpunten stonden bij onder meer treinstations en andere plekken waar dagelijks veel mensen langs komen. Gezien de toenmalige kosten voor mobiel bellen sloeg de dienst in eerste instantie redelijk aan bij het publiek, maar door de beperkingen in aantal opstelpunten, het niet gebeld kunnen worden plus de dalende mobiele kosten was Greenpoint geen lang leven beschoren.

Mobiele generaties

De ontwikkeling van mobiele communicatie wordt opgesplitst in generaties. Die lopen van de eerste generatie (1G) naar het huidige 4de generatie netwerk (4G) ook wel LTE genoemd. Het 5de generatienetwerk 5G is momenteel in de beproevingsfase.
De mobiele communicatie begon met uitsluitend spraak, maar in de loop der jaren is data (internet) een steeds grotere rol gaan spelen. De nieuwste netwerken 4G (Long Term Evolution) en 5G zijn mobiele datanetwerken op basis van IP (Internet Protocol) technologie. Vandaar dat het woord telefonie langzaam maar zeker verdwenen is uit het van oorsprong “mobiele telefonie netwerk”. Tegenwoordig is spraak (telefonie) qua omvang nog maar een kleine dienst die naast onder meer internettoegang en video (m.n. streaming) over de mobiele netwerk wordt geboden.

Internationale standaardisatie

Een belangrijke rol in de ontwikkeling van het mobiele netwerk speelt de Internationale standaardisatie. In december 1998 werd daartoe de 3GPP Third Generation Partnership Project opgericht. Zij specificeren netwerken en protocollen (regels) eerst voor 3G en later 4G. Ook houden ze zich bezig met de standaardisatie van Voice over IP. (Bellen over IP “vast” zowel als “mobiel”) Voor meer informatie zie hun homepage http://www.3gpp.org/

Specifieke mobiele begrippen

In tegenstelling met vaste telefonie of vaste datanetwerken is het randapparaat (mobieltje) via een radioverbinding in plaats van door een kabel met het communicatie netwerk verbonden. Daarvoor worden antennes gebruikt. Een kleine mobiele antenne in of aan het randapparaat en een vast opgestelde grote antenne aan een mast of gebouw die op zijn beurt weer meestal met een kabel of soms met een straalverbinding met het telecommunicatie netwerk verbonden is. Door het mobiele karakter van de dienst zijn er ten opzichte van een vaste aansluiting een aantal extra voorzieningen nodig. De voornaamste worden hier behandeld.

SIM kaart. (Subscriber Identity Module)

Omdat de klant van een mobiele dienst niet met een draad gebonden is aan een vast aansluitpunt moest er iets bedacht worden om de klant te kunnen identificeren. Immers bij een oproep moet het juiste toestel (persoon) bereikt worden en de leverancier van een mobiele dienst wil ook een correcte rekening kunnen sturen. Daarvoor is de SIM kaart ontwikkeld die je unieke (telefoon)nummer koppelt met een mobieltje. In de jaren tachtig van de vorige eeuw zijn de eigenschappen van de SIM kaart internationaal vastgesteld en sindsdien worden deze regelmatig aangepast aan nieuwe eisen. De SIM kaart is er in twee hoofdvarianten te weten:
Prépaid: De klant kan dan een bepaald “bel- of datategoed” vooraf aanschaffen en dit gebruiken totdat het op is. Dat heeft als voordeel dat je niet meer kan verbruiken dan je al vooraf hebt betaald. De klant kan dat tegoed in veel landen anoniem aanschaffen.
Postpaid: De klant geeft zijn naam en factuurgegevens op aan zijn mobiele aanbieder en krijgt op gezette tijden een rekening voor het verbruik van zijn mobiele aansluiting.
De werking van de SIM kaart berust op een combinatie van uniek identificatiegetal dat op de kaart aanwezig is, de naam van de aanbieder en een versleutelingsmethode (encryptie) voor de data uitwisseling tussen kaart en de apparatuur bij de aanbieder. Door die versleuteling is het niet mogelijk om zomaar met de gegevens van een SIM kaart fraude te plegen zoals bellen op rekening en naam van een ander dan de legitieme bezitter van de SIM kaart. De gebruikte versleutelmethode wordt steeds sterker naarmate de generaties van het mobiele netwerk elkaar opvolgen. https://nl.wikipedia.org/wiki/Simkaart

Handover

In de beginjaren van de mobiele communicatie kon de afstand tussen het randapparaat en de antenne gemakkelijk enkele 10 tallen tot meer dan honderd kilometers zijn. Dat kon toen omdat er maar enkele tientallen gebruikers gelijktijdig een gesprek wilde voeren. Het geografische bereik van een vaste antenne wordt een cel genoemd. In de begintijd van de autotelefoon was Nederland bedekt door drie cellen. Als men dan mobiel telefoneerde bleef men meestal wel binnen het bereik van de antenne waar het gesprek gestart was. Zo niet dan moest je opnieuw een gesprek opzetten.
In de jaren negentig van de vorige eeuw ging het aantal gebruikers van mobiele communicatie flink groeien. Doordat er slechts een beperkt aantal verbindingen gelijktijdig actief kunnen zijn in het bereik van een antenne moest men noodgedwongen naar antennes toe met kleinere cellen om het grotere aantal gebruikers te kunnen bedienen. Dat leverde een uitdaging op als de gebruiker buiten het bereik van de cel kwam waarin hij zijn gesprek was begonnen. Dan verbrak namelijk zijn verbinding en moest hij in de andere cel een nieuwe verbinding opbouwen. Dat was niet erg gebruikersvriendelijk zeker niet toen men de omvang van de cellen steeds verder verkleinde. Men heeft toen een “hand over” mechanisme ontwikkeld. Dat betekent dat de verbinding door achterliggende techniek waar de gebruiker niets van merkt van de ene cel naar de andere zonder onderbreking kan worden overgedragen.

Radioplanning

Aangezien de verschillende frequenties, waarover men een mobiel kan bereiken, beperkt en daarmee duur zijn gaat men die binnen een netwerk hergebruiken. Dat betekent dat nadat je een paar cellen gepasseerd bent dezelfde frequentie als in de eerste cel weer terug komt. Dat vraagt een nauwkeurige “radioplanning” om storing door interferentie te voorkomen. Interferentie uit zich onder meer in het plotseling wegvallen van het ontvangstsignaal) Daarnaast moet er voor gezorgd worden dat er voor een goede verbinding binnen de grenzen van de cel overal voldoende signaal is. Het verdelen van de frequenties vraagt een continue aanpassing van de frequenties en de signaalniveaus binnen de cellen doordat de (bebouwde) omgeving, de hoeveelheid verkeer en de stoorsignalen binnen een cel steeds veranderen. Doet de “radioplanner” het niet goed dan staat de aanbieder redelijk snel in de krant. Meestal hangen aan een mobiele mast 3 antennes per type netwerk. Daarmee is het gebied rondom een mast in 3 cellen verdeeld wat weer meer capaciteit geeft voor verbindingen in dat gebied maar ook de radioplanning ingewikkelder maakt.

Roaming

Er zijn meestal meer dan één aanbieder van een mobiele dienst in een land actief. Hun klanten in dat land kunnen dan in de regel ook alleen maar van het netwerk van de eigen aanbieder gebruik maken. Als die klant dan naar een ander land reist waar zijn of haar leverancier geen netwerk heeft dan wil die klant toch gebruik maken van de netwerken in dat land. Men noemt dat roaming en daarvoor sluiten de mobiele aanbieders onderling internationale contracten af. In principe is het ook mogelijk om tussen aanbieders binnen een land “roaming” contracten af te sluiten. Dit gebeurt echter alleen in zeer uitzonderlijke gevallen bijvoorbeeld als het netwerk van een aanbieder onverhoopt (deels) is uitgevallen. Binnen de EU zijn de afgelopen jaren wetten aangenomen om de internationale roaming tarieven aan banden te leggen. Dit heeft er in geresulteerd dat ze per juni 2017 geheel zijn afgeschaft. https://nl.wikipedia.org/wiki/Roaming

Radio van analoog naar digitaal

Bij de start van de mobiele netwerken (autotelefoon) was de gebruikte radiotechniek analoog en dat betekende dat iedereen met een geschikte radio ontvanger (scanner) de gesprekken woordelijk kon volgen. Dat was natuurlijk een ongewenste situatie. Met de komst van het digitale GSM netwerk werd de spraak versleuteld en was het niet meer mogelijk om met scanners gesprekken te volgen. Door de groei van het aantal mobile klanten werd het steeds drukker in de radio cellen. Men onderving dit door het geluidssignaal te digitaliseren en dan het verkregen 64 Kbit/s signaal met geschikte “codecs” (coderingsprogramma’s) terug te brengen in snelheid naar 13K bit/s. (https://nl.wikipedia.org/wiki/Codec). Als gebruiker hoor je wel dat de kwaliteit van het geluid minder is dan dat over een vaste lijn, maar de codecs zijn zo ontworpen dat ondanks de beperkte bandbreedte de verstaanbaarheid nog steeds goed is. Nu de bandbreedte van het mobiele netwerk omhoog gaat door de hogere datasnelheden die tegenwoordig beschikbaar zijn wordt ook met nieuwe codecs de geluidskwaliteit verbeterd. Bij (VoIP) bellen over LTE is de betere geluidskwaliteit duidelijk merkbaar zolang de spraakverbinding niet terugvalt naar 3G.

Data over mobiele netwerk

In der loop der jaren werd het ook steeds belangrijker dat er data over de mobiele verbinding verzonden kon worden om bijvoorbeeld te kunnen internetten. Daarvoor werden steeds geavanceerde modulatie technieken van het radiosignaal ontwikkeld die een steeds hogere datasnelheid toelieten. Bekende begrippen uit die tijd zijn WAP, GPRS, EDGE.
Vanaf 2G speelt vanwege het landsgrensoverschrijdende karakter de internationale afspraken (specificatie) een grote rol. Een belangrijk overlegorgaan hierin is de 3GPP (http://www.3gpp.org).
Te beginnen met 4G is de transmissie volledig digitaal op basis van het IP protocol. Bij GSM wordt de data nog circuit geschakeld getransporteerd. Dat betekent dat het datakanaal over vaste toegewezen onderdelen van het netwerk loopt. Bij IP zoeken de datapakketten zelf een (optimale) weg door het netwerk over de beschikbare delen ervan. Hierdoor wordt het netwerk veel efficiënter gebruikt. De verschillende mobiele diensten zoals internet, TV, spraak enzovoort hebben zowel bij 4G als straks 5G uitsluitend IP als basis.
De bereikte datasnelheden lopen van 9,6 Kilo bit/s (GSM-G2) tot enkele Giga bit/s bij 5G. De cellen worden hierbij geografisch gezien wel steeds kleiner wat betekent dat er steeds meer antennes moeten komen voor een goede dekking. Soms zijn de cellen zo groot als een wachtruimte of een kantoor. Daarmee wordt 5G een serieuze concurrent van WiFi. Voordeel is wel dat de vaste antennes steeds kleiner worden waardoor deze gemakkelijker te plaatsen zijn.

LoRaWan

Een heel andere ontwikkeling is die van de Incidentele mobiele communicatie tussen machines in bijvoorbeeld het “Internet Of Things”. Hiervoor is een eerste specificatie ontwikkeld waarop steeds nieuwere versies verschijnen genaamd LoRAWAN (Long Range Wide Area Network). https://www.lora-alliance.org/ Uitgangspunten hierbij zijn laag vermogen (batterij duur van jaren) van het randapparaat en een netwerk waarin zich miljoenen apparaten kunnen bevinden die onderling op een veilige wijze data kunnen uitwisselen. Bij LORA gaat het om apparaten zoals koelkasten, inbraakalarmen, toegangsverlening enzovoorts waar de hoeveelheid over te zenden data niet zo groot is, maar wel betrouwbaar moet geschieden.

SMS

SMS is aanvankelijk door de netwerk technici gebruikte om korte berichten met elkaar via het signaleringskanaal van het mobiele netwerk via “store and forward” uit te wisselen. “Store and forward” betekent dat het bericht wordt opgeslagen totdat de ontvanger beschikbaar is. Het signaleringskanaal is een aparte verbinding tussen de verschillende onderdelen inclusief het randapparaat zoals een mobieltje van een netwerk voor het uitwisselen van berichten tussen de onderdelen nodig om een verbinding te schakelen. Diensten zoals Twitter en Whatsapp maken geen gebruik van het signaleringskanaal maar van de dataverbindingen in het mobiele netwerk.

Globale opbouw van het mobiele netwerk

De aansluiting op het mobiele netwerk begint bij het randapparaat (mobieltje). Dat randapparaat maakt via het radionetwerk (antennes en bijbehorende besturing voor handover) contact met de MCC (mobiele centrale). Het radionetwerk heeft een belangrijke functie in het lokaliseren en blijven volgen van het mobieltje. Daarbij dient de verbinding steeds aan de vooraf vastgestelde kwaliteitseisen te blijven voldoen.
In het HLR (Home Location Register) van de mobiele aanbieder staan alle gegevens van zijn klanten. Zodra een mobieltje zich aanmeldt bij het netwerk wordt op basis van de gegevens in de SIM kaart door de HLR gecontroleerd of die daartoe gerechtigd is en voor welke diensten. Via een interconnectie netwerk verbonden met de MCC kunnen verbindingen gemaakt worden met andere (mobiele of vast ) aanbieders of het internet, kortom met de rest van de wereld.

Geraadpleegde literatuur:

Opleidingsmodule “Mobiele school KPN”
Voor meer informatie zie onderstaande websites:

http://www.3gpp.org/
https://nl.wikipedia.org/wiki/Simkaart
https://nl.wikipedia.org/wiki/Roaming
https://nl.wikipedia.org/wiki/Codec
https://www.lora-alliance.org/