1. REŢELE DE COMUNICAŢII MOBILE 1. 1 Prezentare generală Pentru a oferi servicii de comunicaţii mobile este necesară cunoaşterea reţelelor prin care

este posibilă realizarea acestor servicii. Calitatea serviciului, oferită utilizatorului, calitate pe care o percepe acesta, SQE, depinde de mai mulţi factori, obiectivi şi subiectivi. Dintre aceştia se pot enumera:

• calitatea transmisiei oferită de reţea; • calitatea informaţiei oferită de ofertantul serviciului; • calitatea şi accesibilitatea interfeţei de comunicaţie prin care se realizează serviciul; • conţinutul informaţiei oferite şi adaptarea acesteia la necesităţile clienţilor etc.

În funcţie de viteza de transmisie realizată, respectiv de banda de frecvenţă utilizată,

serviciile oferite pot fi de bandă largă sau de bandă îngustă. Termenul de bandă largă, respectiv de bandă îngustă nu are, în prezent, o definiţie suficient de riguroasă. Există definiţii, ca cele promovate de FCC, prin care limita dintre banda largă şi banda îngustă ar fi marcată de viteza de transmisie de aproximativ 200 kbit/s, definiţie care este însă contestată.

În funcţie de modul în care acestea sunt configurate, se pot oferi servicii singulare, de

exemplu serviciul telefonic sau servicii multimedia, de exemplu serviciul de videoconferinţă, în care imaginile sunt însoţite de sunet şi, uneori de grafice şi desene, formând un ansamblu coerent.

În prezent, se pot defini trei tipuri de conectare pentru un utilizator la reţea:

Conexiune fixă. Utilizatorul este conectat la o reţea de comunicaţie într-un anumit punct, fără a avea posibilitatea să modifice punctul de conectare la reţea. Este cazul conexiunii utilizatorului la o reţea telefonică, POTS, ISDN, sau la o reţea CATv.

Conexiune nomadică. Utilizatorul are posibilitatea de a-şi modifica poziţia în reţea şi să

primească sau să transmită, în continuare, informaţiile dorite. În timpul comunicaţiei, poziţia utilizatorului faţă de reţea rămâne fixată. Este cazul unor reţele PLC, în care utilizatorul se poate muta de la o priză electrică al alta şi se poate reconecta pentru a relua sau a continua comunicaţia. Reţelele radio au capacitatea, la rândul lor, de a oferi conexiune nomadică, dacă, de exemplu, utilizatorul care foloseşte un laptop, transmite sau recepţionează informaţiile dorite dintr-un amplasament fix, după care se deplasează într-un alt amplasament, din care poate să comunice.

Conexiune mobilă. Utilizatorul realizează comunicaţia aflându-se în mişcare. În prezent

există trei limite de viteză care definesc mobilitatea faţă de reţea a utilizatorului şi anume: • mobilitate pietonală, prin care se defineşte deplasarea cu o viteză de până la 10

km/h, cu menţinerea comunicaţiei; • mobilitate cu viteză de până la 120 km/h, pentru utilizatori aflaţi în mişcare. • mobilitate cu viteză de până la 500 km/h, pentru utilizatori aflaţi în mişcare, de

exemplu în trenuri de mare viteză.

1

Pentru analizarea calităţii serviciului, dependentă de reţea, este necesară cunoaşterea structurii reţelei sau a reţelelor prin care se oferă serviciile de comunicaţie mobilă. În prezent, serviciile de comunicaţie mobilă se pot oferi folosind diferite reţele de comunicaţie, cu conectarea utilizatorului prin intermediul unui canal radio.

Reţelele radio folosite pentru conectarea mobilă a utilizatorului sunt, în prezent, reţele de

radiocomunicaţii digitale, celulare sau necelulare. Reţelele celulare sunt, în general, reţele cu care se acoperă suprafeţe mari, de cele mai multe ori la nivelul unei ţări. Reţelele radio necelulare sunt folosite, de obicei, pentru a rezolva problema comunicaţiilor pe anumite zone, fie în jurul unei locuinţe, fie în zone rurale sau suburbane, cu locuinţe dispersate, fie în zone aglomerate, dar cu dimensiuni relativ reduse cum ar fi târguri, expoziţii etc.

Sistemele celulare folosite în prezent pentru comunicaţii mobile, în Europa, sunt:

• GSM; • DCS 1800; • UMTS; • cdma2000

cu diferite variante, aparţinând fie generaţiei 2G fie celei 3G de sisteme de comunicaţii mobile.

Sistemele necelulare, cu cea mai mare dezvoltare sau cu cel mai mare potenţial în prezent

sunt:

• Wi-Fi; • WiMAX.

Aceste sisteme se pot configura şi ca sisteme celulare, în special WiMAX, astfel încât pot să ofere capacitatea de acoperire a unor suprafeţe relativ mari, fără însă a ajunge la acoperirile realizate de reţelele celulare. Atât Wi-Fi cât şi WiMAX sunt realizate în mai multe variante constructive.

1. 2 Reţele GSM 1. 2. 1 Dezvoltarea GSM Apariţia şi dezvoltarea GSM a devenit necesară deoarece sistemele de comunicaţii

mobile ale anilor 1980÷1990 (NMT, AMPS, TACS etc. denumite şi sisteme de comunicaţie mobilă de generaţia 1) nu mai reuşeau să facă faţă cererii de mijloace de comunicaţie în domeniu şi nici solicitărilor la care erau supuse din partea noilor servicii, în special a celor de transmisii de date. Pentru a face faţă noilor solicitări şi ţinând seama de progresele realizate în tehnicile de comunicaţie şi în tehnologia circuitelor, pentru realizarea GSM s-a apelat la prelucrarea digitală (numerică) a semnalelor. Aceasta oferă numeroase avantaje tehnice în raport cu tehnicile de prelucrare a semnalelor folosite de sistemele de generaţia 1 de comunicaţii mobile. În acest mod GSM se încadrează, împreună cu alte sisteme de comunicaţii, în generaţia a doua de sisteme de comunicaţie.

2

Principalele etape în dezvoltarea GSM sunt:

1979 Alocarea domeniilor de frecvenţă pentru serviciul de comunicaţii celulare; 1982 Constituirea grupului GSM; 1986 Formarea grupului permanent GSM; 1989 GSM devine comitet tehnic în ETSI; 1990 Faza 1 de standardizare GSM şi începe procesul de definire pentru DCS 1800; 1991 Intră în funcţiune experimentală primul sistem GSM; 1992 Începe faza comercială de exploatare a sistemului GSM; 1993 Sunt acoperite cu reţele GSM marile oraşe din vestul Europei;

GSM depăşeşte graniţele Europei, fiind adoptat în Australia; Primul sistem DCS 1800 devine operaţional în Marea Britanie;

1995 Sunt realizate acoperiri extinse şi coridoare de comunicaţie; 1996 Se definitivează standardele GSM faza 2;

În România intră în exploatare două reţele GSM 900; 1997 Continuă lucrările de standardizare pentru faza 2+ şi pentru încadrarea sistemelor GSM în sistemul de telecomunicaţii mobile universal UMTS. 2000 În România intră în exploatare o reţea GSM 1800 (DCS 1800).

Astfel, GSM s-a dezvoltat în trei etape principale, denumite faza 1, faza 2 şi faza 2+. În

faza 1 s-au pus bazele funcţionale ale GSM, fiind oferite servicii de transmisii de voce şi de date pe circuite comutate, cu viteze de transmisie de până la 22,8 kbit/s etc. Faza 2+ a însemnat îmbogăţirea conţinutului de servicii oferit de GSM care, în faza iniţială oferea doar servicii de comunicaţie vocală şi servicii de transmisii de date pe canal de utilizator, cu viteze de ordinul a 9,6 kbit/s. Prin introducerea în exploatare a specificaţiei GSM pentru faza 2+ au devenit operaţionale o serie de facilităţi şi servicii care vor fi preluate şi de către UMTS:

transmisii de date comutate în mod circuit, de mare viteză; codec "full rate"; facilităţi de reţea inteligentă; servicii ASCI; cartele SIM cu pachete de servicii prestabilite; suport pentru optimizarea rutării.

Deoarece GSM realizează prelucrarea şi transmiterea semnalelor în formă digitală, se

poate oferi o serie de servicii de transmisii de date cu diferite viteze, pe un canal alocat transmisiei vocale. Aceste transmisii se pot realiza pentru utilizatorii POTS, ISDN, PSPDN şi CSPDN, cu folosirea unor metode şi protocoale de acces adecvate cum sunt X25 sau X32.

Serviciile de transmisii de date oferite de GSM în faza 1 de dezvoltare sunt:

serviciul facsimil; servicii asincrone dedicate pentru transmisii duplex de date, cu viteze de transmisie de 300,

1200, 2400, 4800, 9600 biţi/s precum şi 1200/75 biţi/s; servicii sincrone dedicate pentru transmisii duplex de date, cu viteze de 1200, 2400, 4800 sau

9600 biţi/s; servicii de transmisii asincrone de date, dedicate pentru acces de pachete, cu viteze de 300,

1200, 2400, 4800, 9600 biţi/s sau 1200/75 biţi/s; servicii de transmisii sincrone de date, dedicate pentru acces de pachete, cu viteze de 2400,

4800 sau 9600 biţi/s.

3

Generaţia 2+ a GSM reprezintă în concepţia europeană o punte de trecere către reţelele

de comunicaţii mobile digitale terestre, mai complexe şi cu posibilităţi sporite, de generaţia a treia, 3G. În sistemele 2+, se introduc trei tipuri noi de sisteme, derivate şi compatibile GSM: a. GPRS, b. HSCSD, c. EDGE.

1. 2. 2 Performanţele reţelei GSM

O reţea de comunicaţie conţine reţeaua propriu-zisă şi utilizatorii acestei reţele. În caz particular, reţeaua de comunicaţie poate fi GSM (figura 1. 1). Utilizatorii se conectează la reţea cu echipamente specifice, de utilizator, denumite în cazul GSM ca echipamente mobile. Utilizatorii pot să comunice între ei doar prin intermediul reţelei şi nu direct. În cazul din figura 1. 1, utilizatorul 1 comunică cu utilizatorul 2, ambii fiind conectaţi la reţeaua GSM. În cazul în care reţelele de comunicaţii acceptă conectarea între ele, un utilizator dintr-o reţea poate comunica cu un utilizator din altă reţea. Este şi cazul GSM (conform figurii 1. 1, utilizatorul 1 comunică cu utilizatorul 3). Această “altă” reţea poate fi o reţea GSM, o reţea telefonică, o reţea de transmisiuni de date etc. În această situaţie este necesar ca între cele două reţele să se realizeze o punere de acord a modului de transmisie

precum şi a semnalizărilor folosite. O legătură a unui utilizator cu o reţea de comunicaţie se face printr-un canal de

comunicaţie. În cazul comunicaţiei bilaterale, adică în situaţia în care fiecare dintre utilizatori poate să şi transmită şi să şi recepţioneze în acelaşi interval de timp, pentru realizarea unei comunicaţii sunt necesare două canale. Aceasta este situaţia în cazul reţelelor telefonice, al reţelelor GSM etc. Fiecare reţea este compusă din mai multe entităţi constructive sau elemente constructive, cu funcţiuni specifice în cadrul reţelei. Utilizatorii comunică cu reţeaua la care sunt conectaţi.

Sistemul de comunicaţii mobile GSM este realizat în trei variante constructive care se

deosebesc între ele, în funcţie de banda de frecvenţe în care funcţionează (tabelul 1. 1). Cele trei variante constructive sunt:

Figura 1. 1 Comunicarea utilizatorilor între ei prin intermediul reţelelor de comunicaţie

Reţea de comunicaţie GSM

Altă reţea

Utilizator mobil, u.m. 1

u.m.2

utilizator 3

Cale de legătură între reţele

a GSM 900, cu două subvariante, P şi E; b GSM 1800, cunoscut şi sub denumirea echivalentă de DCS 1800;

4

c GSM 1900, cunoscut şi sub denumirea echivalentă de PCS 1900.

Tabelul 1. 1 Parametrii tehnici principali ai sistemelor de radiocomunicaţii digitale din familia GSM

Caracteristici GSM 900 P GSM 900 E GSM 1800 GSM 1900 Staţia de bază 935÷960 921÷960 1805÷1880 1930÷1990IIBenzi de

emisie [MHz]

Staţia mobilă 890÷915 876÷915 1710÷1785 1850÷1910II

Separare duplex [MHz] 45 45 95 80 Banda canalului RF [kHz] 200 200 200 200 Număr canale RF 124 174 374 298 Modul de acces TDMA/

FDMA TDMA/ FDMA

TDMA/ FDMA

TDMA/ FDMA

Canale vocale pe o purtătoare RF

8I 8I 8I 8I

Număr canale vocale 992 1492 2992 2384 Codare semnal vocal RPE / LTP RPE / LTP RPE / LTP RPE / LTP Tipul de modulaţie GMSK GMSK GMSK GMSK Viteza de transmisie pe canal RF [kbit/s]

270,833 270,833 270,833 270,833

Viteza de transmisie pe canal vocal [kbit/s]

13 13 13 13

Viteza de ieşire la vocoder [kbit]

22,8V 22,8V 22,8V 22,8V

Durata unui cadru [ms] 4,615 4,615 4,615 4,615 Staţia de bază 320 / 3 dB

min 2,5IV320 / 3 dB min 2,5IV

20 / 20; 10; 5; 2,5IV

20 / 20; 10; 5; 2,5IV

Puterea maximă [W] / trepte de putere

Staţia mobilă 20 / 20; 8; 5; 2; 0,8

20 / 20; 8; 5; 2; 0,8

1 / 1; 0,25 1 / 1; 0,25

Raza maximă a celulei [km] 35III 35III 20 20 Observaţii: I: Sistemele GSM admit şi varianta cu 16 canale vocale pe o purtătoare RF II: În GSM din banda de 1900 MHz, benzile de RF sunt subdivizate în 6 subbenzi şi anume GSM 1900 A 1850 – 1865 MHz şi 1930 – 1945 MHz; GSM 1900 B 1870 – 1885 MHz şi 1950 – 1965 MHz; GSM 1900 C 1895 – 1910 MHz şi 1975 – 1990 MHz; GSM 1900 D 1865 – 1870 MHz şi 1945 – 1950 MHz; GSM 1900 E 1885 – 1890 MHz şi 1965 – 1970 MHz; GSM 1900 F 1890 – 1895 MHz şi 1970 – 1975 MHz. III: În cazuri speciale, pentru zone rurale, cu trafic redus şi condiţii de propagare corespunzătoare se admit raze ale celulei de până la 120 km. IV: Se folosesc şi microstaţii de bază, cu puteri de 1,6; 0,5 şi 0,16 W. V: 11,4 kbit/s în cazul transmiterii pe canale cu viteza de transmisie pe jumătate (16 canale vocale pe purtătoarea

RF) Folosirea vitezei de transmisie pe canalul telefonic de 9,6 kbit/s este suficientă pentru

transmisii vocale, precum şi pentru unele servicii de transmisii de date cum ar fi serviciul fax, e-mail, Internet/Intranet precum şi pentru scanarea lentă a unor imagini, fără pretenţii prea mari asupra calităţii realizate. Transmisiile moderne, în primul rând cele de tip multimedia, cer viteze mai mari de transmisie. Deci pentru GSM a reprezentat o problemă esenţială găsirea de procedee tehnice destinate sporirii vitezei de transmisie pe reţea şi, în primul rând, pe traseul radio.

5

Aceasta s-a realizat prin continuarea dezvoltării sistemului, în cadrul fazei 2+. Astfel se

pot realiza transmisii de date, incluzând servicii de purtător şi date în pachete comutate, cu viteza de 115 kbit/s şi chiar mai mult, deci o creştere semnificativă de viteză în raport cu transmisiile de date în mod circuit în varianta iniţială GSM, efectuate cu viteza de 9,6 kbit/s. Standard, cunoscut sub numele HSCSD, permite transmisii de date cu viteze de 64 kbit/s şi mai mari. HSCSD oferă viteze sporite pentru transmisii de date, prin combinarea mai multor sloturi de timp. Prin introducerea HSCSD devin posibile noi aplicaţii ca, de exemplu, videoconferinţe, se poate utiliza softul instalat pe laptop etc. Tehnic, HSCSD a impus un nou protocol radio. Un canal vocal foloseşte un singur slot de timp sau poate fi folosit pentru transmisia de date cu viteza de 9,6 kbit/s; pentru transmisia de date cu viteza de 64 kbit/s este necesar să se folosească toate cele opt sloturi de timp ale unui canal radio. Procedeul poate însă să nu fie foarte avantajos, mai ales în reţelele care suferă din cauza aglomerării solicitărilor pentru canale radio de comunicaţie.

În consecinţă, HSCSD reprezintă o transmisie de informaţii realizată pe circuite de date

comutate de mare viteză şi poate să asigure conlucrarea cu reţele de tip PSTN şi ISDN. HSCSD reprezintă un mod de a introduce servicii suport generale1 şi un mecanism multislot prin care viteza de transmisie de care dispune utilizatorul poate fi realizată cu unul sau mai multe canale de trafic. În acest mod, se obţine o folosire flexibilă a resurselor oferite de interfaţa radio deci o creştere a eficienţei folosirii spectrului.

Un alt procedeu pentru mărirea vitezei de transmisie pe canalul radio de utilizator este

GPRS, care face posibilă stabilirea rapidă a legăturii de comunicaţie, fără a se mai aştepta formarea numărului de telefon, aşa cum se procedează în cazul legăturilor vocale. GPRS foloseşte tehnologia bazată pe împărţirea datelor în pachete mici şi uşor de manevrat, pachete care sunt transmise pe calea de comunicaţie şi reasamblate la destinaţie. Acest mod de lucru este asemănător cu cel folosit în tehnologia Internet astfel că GPRS este, în mod firesc, uşor adaptabil la aplicaţii de tip Internet. GPRS reprezintă un serviciu ideal pentru e-mail, pentru serviciul de acces la baze de date etc. Viteza de transmisie minimă în procedeul GPRS este de 14.4 kbit/s, folosind doar un slot de timp şi poate ajunge până la 115 kbit/s şi chiar mai mult, folosind toate cele opt sloturi de timp. Este posibilă astfel transmiterea de la mesaje scurte, cu viteză redusă, până la vizualizarea de pagini complexe Web, cu conţinut grafic complex. Devine astfel posibil şi accesul la Internet, prin reţeaua GSM. În cazul procedeului GPRS, toate resursele radio sunt folosite în comun de toţi utilizatorii din celula respectivă. Spectrul este folosit doar în cazul în care cineva are ceva de transmis. Dacă nu mai sunt date de transmis, spectrul rămâne liber pentru un alt utilizator.

GPRS este deci o procedură aplicabilă reţelelor GSM de generaţia 2+, procedură pentru

aplicarea căreia sunt necesare echipamente specifice. GPRS permite ca utilizatorul serviciului să transmită şi să recepţioneze date în mod pachet, transferate cap-la-cap, fără folosirea resurselor reţelei în mod circuit. GPRS permite folosirea eficientă a resurselor reţelei pentru aplicaţii de date în mod pachet, adică pentru date cu una sau mai multe dintre următoarele caracteristici:

sunt transmisii de date intermitente, în rafale, la care timpul dintre transmisiile succesive depăşeşte cu mult întârzierea medie de transfer;

reprezintă transmisii frecvente de volume mici de date, de exemplu tranzacţii care constau în mai puţin de 500 octeţi de date, ce au loc la o frecvenţă de câteva tranzacţii pe minut;

1 General Bearer Service

6

transmisii relativ rare de volume mari de date, de exemplu tranzacţii ce constau în mai mulţi kilobiţi de date, cu o frecvenţă de câteva tranzacţii pe oră.

Atât procedeul HSCSD cât şi procedeul GPRS sunt uşor aplicabile în reţele GSM, dar nu

reprezintă o limită ci doar o zonă de tranziţie către generaţia a treia de sisteme de comunicaţii mobile, în care se ajunge la viteze de transmisie de 2 Mbit/s şi chiar mai mult, pe canalul radio de utilizator. Vitezele maxime oferite de noile sisteme sunt de până la 57 kbit/s pentru HSCSD, 172 kbit/s pentru GPRS şi 384 kbit/s pentru EDGE.

1. 2. 3 Arhitectura reţelei GSM Reţelele GSM sunt construite cu o structură ierarhică. Ele sunt constituite din zone

administrative, unui MSC fiindu-i alocată cel puţin o asemenea zonă, denumită arie de localizare. Fiecare reţea (figura 1. 2) este formată din mai multe subsisteme de staţii de bază, BSS, compuse din staţii de bază, BTS şi controlori ai staţiilor de bază, BSC, conectate la subsistemul reţea, NSS.

Un sistem GSM conţine patru subsisteme componente (figura 1. 2):

GMSC

Arie PLMN - GSM Arie

MSC

Arie MSC

Arie MSC GMSC

HLR EIR

Alte reţele

Alte reţele

VLR

BTS Arie MSC

Fig. 1. 2 Structura de principiu a unei reţele PLMN - GSM

VLR

MS

BSS

MSC

BSC

BSC

Subsistemul de operare şi întreţinere

Subsistemul reţea, NSS

staţia mobilă, MS, subsistemul staţiilor de bază, BSS subsistemul reţea şi de comutare, NSS subsistemul de operare şi întreţinere.

1. 2. 3. 1 Staţia mobilă GSM foloseşte mai multe tipuri de terminale mobile. Primele tipuri de terminale folosite

erau “personalizate”, fiind atribuite utilizatorului. În variantele mai noi, GSM face distincţie între abonat şi terminalul utilizat de acesta pentru realizarea legăturii de comunicaţie. Separarea este necesară pentru ca terminalul mobil să nu mai fie atribuit în exclusivitate unui utilizator, ci să

7

poată fi folosit de oricare utilizator, cu ajutorul unui modul de identificare. Abonatul mobil este desemnat sub acronimul MS iar terminalul mobil prin MT. Un abonat poate realiza conectarea la reţea folosind orice terminal pe care l-a personalizat, prin introducerea modulului propriu de identificare SIM. Structura de principiu a unei staţii mobile capabilă a fi acţionată cu ajutorul modulului SIM este ilustrată în figura 1. 3. Modulul SIM este realizat sub forma unei cartele magnetice pe care sunt înregistrate caracteristicile necesare pentru recunoaşterea utilizatorului precum şi alte informaţii necesare, de exemplu cele pentru taxare.

Echipamentul terminal poate fi format dintr-una sau mai multe unităţi de echipament şi poate să conţină una sau mai multe din următoarele entităţi:

Echipament mobil, ME

Modul de identificare a utilizatorului

Interfaţa Um

Staţia mobilă

Către /de la sistemul

staţiilor de bază

Fig. 1. 3 Structura de principiu a staţiei mobile

set telefonic; terminale de utilizator, ca echipamente terminale de date, terminale telex; sisteme de utilizator.

Echipamentul mobil conţine o secţiune de emisie, o secţiune de recepţie, un circuit

duplexor care realizează lucrul comun al emisiei şi recepţiei pe o antenă comună, precum şi circuite de prelucrare a semnalului pornind de la banda de bază până la semnalul de radiofrecvenţă ca şi circuite de decodificare a semnalului recepţionat şi de transpunere a acestuia în banda de bază. Echipamentul mobil conţine, de asemenea, o serie de circuite necesare pentru semnalizările şi măsurătorile necesare funcţionării în reţea.

Fiecare echipament mobil este identificat printr-un număr de identificare internaţională a

echipamentului staţiei mobile IMEI, număr unic atribuit echipamentului. IMEI cuprinde indicativul fabricantului precum şi alte elemente de identificare. Acest număr este rezultat printr-o convenţie între realizatorii de echipamente şi are drept scop identificarea staţiilor şi depistarea staţiilor cu defecte, a celor furate etc. IMEI este utilizat de reţea, prin intermediul registrului de identitate a echipamentelor, ori de câte ori este necesar.

Modulul de identificare a abonatului, SIM, conţine informaţiile necesare pentru

conectarea unui abonat la reţea. Există două categorii de informaţii:

• informaţii fixe, care nu se modifică pe durata exploatării SIM, • informaţii variabile, care se modifică pe durata exploatării.

Un exemplu de informaţie fixă poate fi numărul de identificare internaţională a

abonatului, IMSI, iar ca exemple de informaţii variabile, se pot da numărul de identificare temporară a abonatului, TMSI, detalii referitoare la aria de localizare în care se află abonatul la un moment dat (numărul ariei de localizare) etc.

Modulul SIM conţine o serie de date obligatorii:

• informaţii administrative ca modul de operare (normal etc.); • numărul de identificare a modulului, număr unic, stabilit de furnizorul SIM; • pachetul de servicii oferit prin SIM;

8

• indentitatea internaţională a abonatului; • informaţia de localizare a abonatului mobil; • cheile de cifrare necesare pentru lucrul în reţea; • alte date ca lista canalelor ascultate pentru a fi raportate pentru eventuale necesităţi de

transfer, lista reţelelor PLMN în care nu este permis accesul; • limba în care urmează a fi realizat afişajul diferitelor mesaje pe display.

Accesul la datele conţinute de cartela SIM, este protejat printr-o parolă, care constituie

numărul de identitate personal, cu o funcţie similară cu cea a parolelor conţinute de cărţile de credit. Multe dintre informaţiile memorate pe SIM sunt protejate împotriva citirii sau a modificării ulterioare datei de emisie. Un operator emite un nou modul SIM cu ocazia înregistrării unui nou abonat. Reţeaua care emite modulul SIM este reţeaua de origine2 (de apartenenţă) pentru abonatul mobil. În cazul în care există convenţii între operatorii de reţea, abonatul poate să intre în legătură de comunicaţie şi în alte reţele de operator.

Pentru evitarea sau pentru reducerea la un minim tehnic posibil a perturbaţiilor reciproce

care pot să fie generate în reţea prin funcţionarea simultană, în aceeaşi zonă, a mai multor staţii mobile, este necesar să se ia o serie de măsuri de prevenire. Acestea sunt de două categorii:

În banda de lucru, este necesar să se limiteze puterea de emisie a staţiei mobile la nivelul

necesar asigurării unui bun nivel al comunicaţiei, pentru a se evita perturbări de comunicaţii realizate în zonă pe acelaşi canal (perturbaţii co – canal). Aceasta se realizează prin reglarea automată a nivelului semnalului de ieşire. Reglajul se face în trepte de 2 dB, pornind de la puterea maximă pe care o poate realiza staţia mobilă. Comanda nivelului de putere este asigurată de sistem, prin intermediul staţiei de bază, pe baza măsurătorilor nivelului de recepţie efectuate pe canalul de comunicaţie atât la staţia mobilă cât şi la staţia de bază.

În afara benzii de lucru, este necesară evitarea perturbării comunicaţiilor care se desfăşoară

pe alte canale precum şi evitarea perturbării comunicaţiilor realizate în alte sisteme de comunicaţie.

Staţiile mobile din generaţia a doua de sisteme mobile de comunicaţie preiau unele

funcţiuni de control a calităţii comunicaţiei, realizându-se astfel o distribuire în reţea a funcţiilor de supraveghere şi control. Astfel, staţia mobilă efectuează măsurători asupra nivelului semnalului recepţionat pe canalul de comunicaţie de la staţia de bază cu care este în legătură, precum şi asupra semnalelor pe care le recepţionează de la alte staţii de bază aflate în zonă. Rezultatele măsurătorilor sunt comunicate reţelei prin intermediul staţiei de bază cu care se află în legătură şi servesc la luarea unor decizii importante ca reglarea nivelului de putere de emisie pe canal la staţia mobilă, stabilirea momentului de realizare a transferului legăturii de comunicaţie şi a staţiei de bază care trebuie să preia legătura etc.

1. 2. 3. 2 Subsistemul staţiilor de bază Subsistemul staţiilor de bază (figura 1. 4) controlează funcţionarea şi calitatea legăturilor

realizate prin interfaţa radio a GSM. Asigură parţial managementul legăturii de comunicaţie, având o serie de funcţiuni precis stabilite în cadrul ansamblului unei reţele GSM. Subsistemul staţiilor de bază are două componente funcţionale:

2 home network

9

staţia de bază, formată din unul sau mai multe echipamente de emisie – recepţie, BTS; controlorul staţiilor de bază, BSC.

Staţii mobile Staţii de bază

Controlorul staţiilor de

bază

Subsistem reţea

Interfaţa Um Interfaţa Abis Interfaţa A

Fig. 1. 4 Subsistemul staţiilor de bază

Staţia de bază reprezintă un sistem de echipamente emisie – recepţie, care realizează

comunicaţia pe un canal duplex de comunicaţie. Deci o staţie de bază conţine câte un echipament de canal de radiofrecvenţă, pentru fiecare sens de comunicaţie, către şi de la staţia mobilă. Pentru fiecare canal radio de comunicaţie (şi direcţie, dacă staţia de bază funcţionează cu antene sectoriale) la o staţie de bază se montează câte un transceiver (BTS). În cele mai multe cazuri, într-un amplasament se montează mai multe transceivere, care sunt folosite într-o celulă. Pe lângă secţiunile de emisie şi de recepţie, echipamentele de la o staţie de bază cuprind unităţi de semnalizare şi control a semnalului, inclusiv unităţi de măsură a câmpului recepţionat precum şi circuite necesare pentru realizarea sincronizării în timp a staţiilor mobile aflate în legătură cu staţia de bază. Dacă la o staţie de bază sunt montate mai multe echipamente de canal (transceiver), se poate realiza utilizarea în comun a unora dintre funcţiunile de semnalizare şi control. De exemplu, în situaţia montării la o staţie de bază a mai multor transceivere cu antene omnidirecţionale, acestea pot funcţiona cu un singur canal alocat pentru realizarea solicitărilor de apel către staţia de bază (canalul de acces) sau pentru anunţarea staţiilor mobile de primirea unui apel (canalul de apel). De asemenea, la o staţie de bază cu mai multe transceivere, se poate monta doar o singură unitate de sincronizare şi de stabilire a încadrării în ferestrele de timp pentru fiecare canal de comunicaţie şi de semnalizare.

La o staţie de bază, toate transceiverele care acoperă aceeaşi zonă (fie că antenele sunt

omnidirecţionale, fie că acestea sunt sectoriale), sunt cuplate printr-un sistem duplexor pe o singură antenă. Antena este realizată în funcţie de teritoriul pe care staţia de bază trebuie să-l acopere. Legătura dintre staţia de bază şi controlorul staţiilor de bază prin interfaţa Am se poate realiza atât prin mijloace radio cât şi pe cablu.

Principalii parametri care caracterizează o staţie de bază sunt:

10

• canalele radio repartizate pentru a fi folosite la emisie şi la recepţie; • codul de identificare, BSIC, pentru fiecare staţie de bază; • limitările de putere, în cazurile în care staţia de bază nu are permisiunea de a funcţiona la

puterea maximă realizabilă; • configurarea canalelor de semnalizare şi control care pot fi folosite în comun de mai multe

echipamente transceiver din cadrul aceleiaşi staţii de bază; • limitările de putere pe care staţia de bază trebuie să le impună staţiilor mobile cu care intră în

legătură de comunicaţie. Principalele funcţiuni ale unei staţii de bază sunt:

realizarea transmisiei semnalelor către staţiile mobile aflate în zona sa de acţiune, atât pentru canalele de trafic cât şi pentru canalele de control;

recepţia semnalelor primite de la staţiile mobile aflate în zona de acţiune, atât pe canalele de trafic cât şi pe canalele de semnalizare şi control;

procesarea semnalelor după recepţie sau înainte de transmitere, procesare prin care trebuie să se realizeze: • cifrarea mesajelor transmise; • codarea canalului şi întreţeserea biţilor; • demodularea; • egalizarea;

sincronizarea staţiilor mobile în fereastra de timp pe care au primit-o spre folosire, pe purtătoarea de radiofrecvenţă;

gestionarea semnalizărilor realizate între MS şi BSC; realizarea de măsurători asupra nivelului şi calităţii recepţiei semnalului primit de la staţia

mobilă funcţiuni de management la nivel local.

Controlorul staţiilor de bază este echipamentul din subsistemul staţiilor de bază care are

atribuţiuni de administrare şi control asupra funcţionării staţiilor de bază, fiind în acelaşi timp unitatea de legătură între staţiile de bază şi centrul de comutare pentru comunicaţii mobile. Legăturile de comunicaţie şi de semnalizare către staţiile de bază se asigură printr-o reţea de transport, care poate fi realizată prin mijloace radio sau pe cablu coaxial, fibră optică etc., prin interfaţa Abis. Conectarea cu centrul de comutare pentru comunicaţii mobile se asigură, de asemenea, printr-o reţea de transport, dimensionată corespunzător şi realizată prin mijloace radio sau pe cablu coaxial, fibră optică etc., prin interfaţa A.

Principalele funcţiuni ale controlorului staţiilor de bază sunt:

administrarea canalelor radio în subordine, prin care se realizează operaţii de reconfigurare operativă a distribuţiei canalelor radio în funcţie de necesităţile de trafic;

supravegherea calităţii folosirii resurselor radio prin: • interpretarea măsurătorilor făcute de staţiile de bază şi de staţiile mobile, • controlarea puterii de emisie a staţiei mobile; • măsurători de trafic şi interpretarea evenimentelor de trafic;

codarea vorbirii şi adaptarea vitezelor de transmisie; transferul mesajelor de control între staţia mobilă şi centrala de comutaţie pentru reţeaua

mobilă, prin intermediul staţiei de bază; administrarea resurselor radio pe durata realizării conectării cu staţia mobilă;

11

operaţiuni legate de gestionarea sistemului staţiilor de bază: • gestionarea transferurilor legăturii de comunicaţie în deplasarea staţiei mobile, între

staţiile de bază subordonate aceluiaşi BSC; • gestionarea datelor de sistem – informaţii despre puterea maximă admisă în celulă,

transmiterea indicativelor staţiilor de bază ale căror niveluri trebuie măsurate la staţia mobilă şi trebuie raportate de aceasta;

• interpretarea informaţiilor despre nivelul de putere la recepţie şi calitatea legăturii, transmise atât de staţia mobilă cât şi de staţia de bază;

• gestionarea datelor de localizare pentru staţiile mobile; • eventuale acţiuni de întreţinere la nivelul staţiilor de bază.

În cadrul funcţiunilor realizate de controlorul staţiilor de bază se pot evidenţia acele

funcţiuni legate direct de realizarea şi menţinerea legăturii de comunicaţie între reţeaua GSM fixă şi staţia mobilă. Funcţiunile BSC direct legate de stabilirea şi realizarea în bune condiţiuni a legăturii de comunicaţie dintre staţia mobilă şi reţeaua GSM fixă sunt de două categorii:

1. acţiuni desfăşurate în etapa de stabilire a legăturii de comunicaţie:

• realizarea şi transmiterea mesajelor de paging către staţiile de bază care sunt situate în aria de localizare în care este raportată staţia mobilă căreia îi este adresat mesajul;

• stabilirea semnalizărilor pentru conectarea cu staţia mobilă, cu transferarea semnalizărilor de pe canalul de control comun către un canal de semnalizare alocat de BSC, dacă solicitarea este realizată de staţia mobilă. Dacă solicitarea de comunicare este realizată către staţia mobilă, atunci semnalizarea se realizează de la început pe un canal de semnalizare alocat;

• atribuirea canalului de trafic, pe care urmează să se desfăşoare legătura de comunicaţie.

2. acţiuni desfăşurate pe durata legăturii de comunicaţie dintre staţia mobilă şi partea fixă a reţelei GSM: • controlul dinamic al puterii atât la staţia mobilă cât şi la staţia de bază pentru

menţinerea la un nivel cât mai scăzut posibil a perturbaţiilor în celulă şi în celulele vecine;

• localizarea staţiei mobile, evaluată în cursul legăturii de comunicaţie, pentru a stabili, dacă este necesar, transferul legăturii şi la care celulă să se comute legătura;

• transferul, realizat în condiţiile în care fie legătura de comunicaţie devine dificilă prin staţia de bază curentă, fie din raţiuni de organizare în cadrul reţelei;

• organizarea saltului de frecvenţă, care reprezintă trecerea comunicaţiei de pe un canal radio pe altul, în cadrul celulei, trecere realizată după o anumită regulă şi care are drept scop realizarea unui nivel de recepţie mai bun, prin evitarea parţială a fadingului Rayleigh;

• radiodifuzarea unor mesaje de serviciu în celule. Canalele de control şi de comunicaţie din reţea sunt totdeauna sub controlul BSC. Cu

toate acestea o serie de mesaje de semnalizare, asociate unei conexiuni stabilite, nu sunt afectate în mod direct de BSC. Pentru aceste mesaje, controlorul este transparent, deci un simplu releu de transfer.

BSC poate controla mai multe purtătoare radio. Ordinul de mărime al numărului de

canale radio controlate variază, în funcţie de fabricantul de echipament şi de structura reţelei, de la câteva zeci la câteva sute de canale radio.

12

1. 2. 3. 3 Subsistemul reţea şi de comutare Subsistemul reţea şi de comutare este compus modular din mai multe unităţi distincte,

fiecare cu funcţiunile sale specifice în cadrul reţelei GSM şi cu punerea în evidenţă a interfeţelor (figura 1. 5). Subsistemul reţea conţine trei grupe mari de unităţi funcţionale:

centrul de comutaţie, MSC; bazele de date necesare pentru gestiunea utilizatorilor şi pentru realizarea diferitelor operaţii

funcţionale ale sistemului, AuC, EIR, HLR, VLR; entităţile de adaptare la ieşirea din GSM, cu alte sisteme de comunicaţie, IWF, EC, XC

(entitate pentru conversia semnalului în forma necesară BSS). Rolul subsistemului reţea în cadrul unui sistem GSM este:

Interfaţa F Interfaţa D

EIRVLR HLR AuC

Interfaţa B Interfaţa C

BSS

Interfaţa A

VLR

VLR

MSC MSC

Interfaţa E

MSC

XC IWF EC

XC IWF EC

PSTNPDNISDN

PLMN

Subsistemul reţea

Fig. 1. 5 Subsistemul reţea şi de comutare

supravegherea şi gestionarea legăturii de comunicaţie între un abonat mobil al reţelei proprii şi abonaţii ficşi sau mobili conectaţi la alte reţele de comunicaţii (reţele fixe, alte reţele mobile, reţele de comunicaţii prin sateliţi, alte tipuri de reţele);

supravegherea şi gestionarea legăturii de comunicaţii dintre abonaţii mobili aflaţi în zone de acţiune ale unor controloare de staţii de bază diferite;

supravegherea bunei funcţionări a abonaţilor mobili proprii şi a celor vizitatori, prin intermediul bazelor de date AuC, EIR, VLR, HLR.

Centrul de comutare pentru abonaţii mobili, MSC, reprezintă componenta sistemului

care realizează interfaţa dintre sistemul staţiilor de bază al unei reţele celulare şi alte reţele de comunicaţie, în particular cu reţeaua telefonică publică comutată. În acelaşi timp, MSC reprezintă centrala de comutaţie pentru comunicaţiile cu reţeaua de origine sau de destinaţie precum şi pentru comunicaţiile care au loc în cadrul reţelei.

13

Într-o reţea GSM există mai multe MSC dintre care, acelea care asigură interfaţa către alte sisteme de comunicaţii, de exemplu o interfaţă PSTN sau o interfaţă ISDN etc., realizează pe lângă funcţiunile curente şi funcţia de poartă de interconectare, Gate – MSC, către respectivele sisteme.

Centrul de comutare pentru serviciile mobile se realizează, de regulă, sub formă

modulară, astfel încât capacitatea de trafic şi de prelucrare a datelor necesare gestionării reţelei să poată fi modificate rapid, fără eforturi mari, în funcţie de necesităţile de dezvoltare ale reţelei în ansamblu.

Principalele unităţi componente ale unui MSC sunt:

a. subsistemele de comutare. Sunt formate din: • subsistemul de control al traficului, cu rol de supraveghere a traseului apelurilor,

selectarea rutelor pe care acestea trebuie să le urmeze etc. • subsistemul pentru semnalizare de trunchiuri, prin care se asigură conectarea către alte

noduri ale reţelei, inclusiv generarea şi interpretarea semnalizărilor necesare; • subsistemul de semnalizare pe canal comun, care generează mesaje, semnalizări etc. în

concordanţă cu sistemul de semnalizare CCITT nr. 7; • subsistemul de măsurători şi statistici de trafic, pentru colectarea, stocarea şi

interpretarea datelor statistice de trafic; • subsistemul de taxare, destinat colectării datelor necesare taxării; • subsistemul de mentenanţă şi operare, prin care se asigură anumite operaţiuni de

întreţinere şi supraveghere la nivelul centrului de comutare.

b. subsistemele soft de comandă şi control. Conţin o serie de unităţi funcţionale ca: • subsistemul procesor central, cu rolul de a stoca şi administra, încărca şi supraveghea

funcţionarea programelor sistemului; subsistemul procesor central poate fi asistat de subsisteme procesoare regionale, cu sarcini mai puţin complexe şi cu rolul de a descărca într-o oarecare măsură funcţiunile procesorului central;

• subsistem de mentenanţă, prin care se urmăreşte localizarea defectelor hard şi a erorilor de soft încercând minimizarea efectelor acestor erori;

• subsistem de gestionare a fişierelor folosite în sistem; • subsistem pentru realizarea comunicării cu entităţile de intrare / ieşire, cu rolul

supravegherii funcţionării acestor entităţi; • subsistem de comunicare om – maşină.

Funcţiunile curente ale MSC sunt de două categorii: a. funcţiuni similare cu cele ale centralelor din reţelele telefonice publice comutate:

• supravegherea stabilirii apelurilor; • realizarea procedurilor de rutare; • conversia numerotării în vederea asigurării secretizării destinatarului apelului; • alocarea trunchiurilor de ieşire; • realizarea procedurilor de taxare şi a statisticilor de trafic;

b. funcţiuni tipice reţelelor celulare: • menţinerea unei liste cu abonaţii angajaţi în comunicaţie; • asigurarea unor proceduri de protecţie contra utilizatorilor neînregistraţi, folosind

funcţii ca:

14

verificarea identităţii abonatului; secretizarea comunicaţiei de date;

• iniţierea şi supravegherea procedurilor de localizare şi transfer a legăturii de comunicaţie în condiţiile deplasării staţiei mobile, cu excepţia acelor transferuri care se limitează la zona de acţiune a sistemului staţiilor de bază (staţia mobilă, în deplasarea ei pe durata comunicaţiei, nu iese din zona de acţiune a unui controlor al staţiilor de bază);

Prin intermediul funcţiunilor de înregistrare şi reactualizare a localizării, folosind

informaţiile de localizare transmise de staţiile mobile, devine posibilă realizarea automată a comunicaţiilor care au ca destinaţie staţia mobilă.

Tot în cadrul MSC sunt înglobate, de obicei, entităţile care realizează IWF, EC şi XC. Modulul funcţional IWF, conferă reţelei mobile capacitatea de interconectare cu diferite

alte tipuri de reţele de comunicaţie. IWF permite accesul abonatului la funcţii de conversie de protocol şi/sau de conversie de viteză de transmisie de date aparţinând abonatului mobil respectiv abonatului din reţeaua la care se realizează conexiunea. De exemplu IWF va aloca, la cerere, un modem din setul de modemuri de care dispune, când terminalul de date mobil realizează transferul de date cu un terminal de date terestru conectat la o linie analogică închiriată sau din reţeaua telefonică publică comutată. Prin IWF se poate asigura, de asemenea, conectarea directă pentru echipamente de date proprii abonatului (nestandardizate) cum ar fi, de exemplu, X. 25 PAD.

Transcodorul, XC, este necesar pentru a realiza conversia de la semnalul PCM rezultat la

ieşirea centralei, de 64 kbit/s, vocal sau de date, la forma folosită pentru transmisia prin interfaţa radio dintre staţia de bază şi staţia mobilă sau pentru forma utilizată la transmisia dintre centrala pentru abonaţii mobili şi subsistemul staţiilor de bază. Deci transcodorul reprezintă o entitate particulară de conlucrare. În funcţie de necesităţi, transcodorul poate fi amplasat la centrala pentru abonaţii mobili, MSC, la controlorul staţiilor de bază, BSC, sau la echipamentul de emisie recepţie, BTS. De exemplu, în cazul în care amplasarea se realizează la MSC iar sistemul foloseşte canale vocale GSM de 13 kbit/s, pentru adaptarea vitezelor de transmisie, informaţiile primite în formă digitală sunt completate cu biţi "albi" până la 16 kbit/s, apoi grupate câte patru pe o linie telefonică fixă de 64 kbit/s. Astfel, fiecare canal PCM de 2 Mbit/s (30 canale de 64 kbit/s) poartă 120 canale vocale GSM până la controlorul staţiilor de bază.

Modulul de eliminare a ecourilor, EC, este o entitate care permite eliminarea unor efecte

neplăcute la recepţionarea mesajelor transmise în timp real între o reţea mobilă GSM şi reţeaua telefonică fixă comutată. Timpul de întârziere a semnalelor vocale cumulat pe întreg lanţul de comunicaţie, specific sistemelor GSM, este de ordinul a 80 ms fiind datorat, în principal, codării şi decodării. În cazul unei conectări defectuoase cu reţeaua telefonică publică întârzierea este percepută de abonatul mobil. Conectarea dintre reţeaua mobilă şi reţeaua fixă impune utilizarea unor transformatoare de la 4 la 2 fire, mod specific de lucu folosit de reţeaua fixă. Datorită imperfecţiunilor, un astfel de transformator întoarce o parte din semnalul de la perechea de recepţie la perechea de transmisie din interfaţa pe 4 fire. În acest mod apare un ecou pe care-l percepe abonatul mobil, dar care nu este sesizat de abonatul reţelei fixe.

Baza de date primară a abonaţilor mobili, HLR, este baza de date de referinţă în care

sunt înregistraţi parametrii abonatului. Este obligatoriu ca o reţea GSM să conţină cel puţin un HLR. În funcţie de dimensiuni şi de modul pe care-l adoptă operatorul pentru structurarea reţelei

15

sale, într-o reţea pot exista mai multe HLR. Dispunerea HLR se realizează, de obicei, în acelaşi amplasament cu GMSC dar nu este exclus ca amplasarea să se facă în alt loc iar legătura cu GMSC să fie realizată printr-o cale de comunicaţie special creeată. HLR este realizată ca o unitate la care se pot distinge patru entităţi funcţionale soft (figura 1. 6):

baza de date propriu-zisă, care conţine

datele de abonat şi tripleţii de cifrare formaţi împreună cu AuC;

Baza de date (date de abonat fixe şi variabile;

tripleţi de cifrare)

Entitate de legătură (proceduri de

semnalizare pentru conectarea cu

GMSC, VLR, AuC)

Analiza numerelor de

adresare (IMSI, MSISDN)

Administrarea bazei de date (comenzi necesare pentru

exploatarea bazei de date)

GMSC

VLR

AuC

Fig. 1. 6 Entităţile funcţionale ale HLR

entitatea de analiză; entitatea administrativă; entitatea prin care se asigură legătura cu

unităţile care accesează HLR (VLR, AuC, MSC).

În baza de date primară a abonaţilor

mobili sunt conţinute două tipuri de date: fixe şi variabile.

a. Informaţiile fixe cuprinse în baza de date HLR sunt stabilite în momentul înregistrării unui

abonat şi sunt păstrate ca atare pe toată durata de timp în care profilul serviciilor convenite cu operatorul nu se modifică. Informaţiile fixe sunt: • numerele de identificare şi adresele; • parametrii pentru procesul de autentificare a abonatului; • tipurile de servicii oferite de reţea şi la care abonatul are acces.

b. Informaţiile variabile sunt informaţii care se modifică în mod dinamic, pe toată durata existenţei convenţiei dintre operator şi abonatul mobil. Informaţii variabile sunt: • adresa VLR la care este înscris în fiecare moment abonatul mobil; • starea curentă a abonatului (accesibil, funcţionare pe robot, deconectat etc.) • numărul temporar de funcţionare pentru abonat, TMSI, cunoscut doar de reţea.

Funcţiunile principale ale HLR:

stocarea datelor abonaţilor reţelei şi actualizarea dinamică a datelor variabile în funcţie de evoluţia abonaţilor mobili;

prezentarea, la cererea unităţilor reţelei abilitate să primească informaţii de la HLR, a datelor necesare pentru identificarea abonaţilor mobili care aparţin de reţea: • furnizarea către VLR a datelor necesare pentru identificarea abonatului mobil şi pentru

realizarea comunicaţiei cu acesta (transmite şi primeşte date de la VLR, actualizează aria de localizare a staţiilor mobile);

• colaborarea cu AuC pentru realizarea şi stocarea parametrilor de securitate pentru autentificarea utilizatorului şi cifrarea comunicaţiei (tripletul de numere necesar pentru securizarea legăturii).

Informaţiile conţinute în HLR pot fi accesate de MSC şi de VLR ale altor reţele mobile

cu care există convenţii de colaborare, pentru a permite realizarea mobilităţii abonaţilor între reţelele de operator3. În general, prin trecerea abonatului mobil dintr-o reţea în alta, abonatul poate să beneficieze de aceleaşi facilităţi ca şi în reţeaua de origine. HLR este totdeauna accesat

3 roaming

16

atunci când legătura de comunicaţie este îndreptată către abonatul mobil, pentru a se afla poziţia acestuia în reţea.

Baza de date a abonaţilor vizitatori, VLR, este o bază de date care conţine o copie a

principalelor informaţii referitoare la abonaţi şi înregistrate la HLR. Aceste informaţii sunt temporare, deoarece sunt conţinute de VLR doar pe durata de timp în care abonatul mobil se află pe teritoriul controlat prin VLR-ul respectiv. Deci VLR conţine datele despre abonaţi chiar dacă aceştia sunt înregistraţi în acelaşi timp şi la HLR care acoperă zona respectivă. În acest mod se elimină o serie de accesări inutile ale HLR pentru realizarea legăturilor de comunicaţie. Cu alte cuvinte, un VLR conţine toate datele necesare funcţionării staţiilor mobile aflate în zona sa de acţiune. Fiecare MSC are asociat câte un VLR.

Entităţile funcţionale ale VLR sunt

asemănătoare cu cele ale HLR, cu unele deosebiri rezultate din destinaţia VLR (figura 1. 7). Entităţile funcţionale sunt:

baza de date propriu-zisă, care conţine

datele de abonat; entitatea de analiză; entitatea administrativă; entitatea prin care se asigură legătura cu

unităţile care accesează VLR (HLR); entitatea de acces la BSC.

Localizarea unui abonat mobil pentru

un apel provenit din afara reţelei GSM se face totdeauna la HLR, care cunoaşte adresa VLR unde se află la momentul respectiv staţia mobilă. Deci accesarea unui abonat mobil printr-un apel provenit din afara reţelei GSM se face totdeauna prin GMSC, care interoghează HLR şi care comunică adresa VLR la care se află MS.

VLR este responsabil pentru folosirea datelor referitoare la abonatul vizitator care se află

în aria de serviciu a MSC. Prin abonaţi vizitatori ai ariei de serviciu a MSC se înţeleg toţi utilizatorii care evoluează în aria de serviciu a acesteia, indiferent că au realizat contract cu operatorul căruia îi aparţine MSC sau că sunt doar în convenţie de roaming cu operatorul reţelei.

VLR activează procesul de acordare a unui număr temporar, TMSI, unui abonat mobil,

număr pe care-l transmite şi către HLR. Acest număr temporar TMSI, care ţine locul IMSI în cadrul legăturilor de comunicaţie realizate în interiorul reţelei, este memorat pe modulul SIM al abonatului, nefiind adus la cunoştinţa abonatului. Deoarece la stabilirea legăturii de comunicaţie nu se transmite numărul IMSI, se asigură securitatea abonatului. Ca o precauţie suplimentară de securitate, TMSI poate fi modificat periodic sau după alte reguli stabilite de operator. O opţiune poate fi chiar modificarea TMSI la fiecare apel, sau o dată cu procesul de actualizare a localizării.

Pentru a simplifica procesul de căutare şi de localizare a abonaţilor mobili, celulele

reţelei sunt grupate în arii de localizare.

Baza de date (date de abonat fixe şi variabile;

tripleţi de cifrare)

Entitate de legătură (proceduri de

semnalizare pentru conectarea cu MSC

şi HLR)

Analiza numerelor de

adresare (IMSI)

Administrarea bazei de date (comenzi necesare pentru

exploatarea bazei de date)

MSC

HLR

Fig. 1. 7 Entităţile funcţionale ale VLR

Entitate de acces la BSC, prin care se tratează toate aspectele privind

conectarea MS la reţea

BSC

Linii de semnalizare şi trunchiuri de conectare

17

Fiecare VLR gestionează mai multe arii de localizare. În cazul în care abonatul se deplasează dintr-o arie de localizare în alta, informaţia de localizare este actualizată la HLR, printr-un proces iniţiat de VLR. În cazul în care abonatul se deplasează din zona de acoperire a unui VLR în zona de lucru a altui VLR, se schimbă şi aria de localizare. Totodată HLR care este înştiinţat despre aceasta, iniţiază o procedură de ştergere a datelor de la vechiul VLR şi de înregistrare în noul VLR a datelor abonatului care a intrat pe noul teritoriu. În mod corespunzător se modifică datele de localizare atât la HLR cât şi pe modulul SIM de abonat.

Dacă abonatul mobil iese din reţeaua de origine şi se deplasează într-o reţea pentru care

există o convenţie de operator, VLR asociat zonei de localizare în care intră abonatul îi va aloca un număr de staţie mobilă vizitatoare, MSRN. Numărul este alocat dintr-o listă de numere păstrată la nivelul VLR vizitat. MSRN va fi folosit pentru a direcţiona apelurile din reţea către centrala pentru abonaţii mobili, MSC, care controlează sistemul staţiilor de bază din aria în care este localizat abonatul mobil.

De asemenea, VLR alocă numere de "transfer" pentru a fi utilizate în cazul transferului

legăturii de comunicaţie între centralele pentru abonaţii mobili. Transferul legăturii reprezintă un proces dinamic desfăşurat între centrala "sursă" şi centrala "de destinaţie". De menţionat faptul că, în cazul transferului legăturii de comunicaţie de la o centrală la alta, centrala "sursă" nu este pe deplin deconectată în raport cu legătura de comunicaţie decât după încetarea completă a acesteia. Prin aceasta se asigură o supraveghere "globală" a legăturii de comunicaţie de către un singur organ de urmărire (MSC "sursă").

VLR este deci responsabilă, prin intermediul protocolului de conectare cu HLR pentru:

• actualizarea localizării staţiei mobile, actualizare pe care o transmite şi la HLR; • asigurarea numerelor de roaming, MSRN, pe care le comunică şi la HLR; • transmiterea către HLR a parametrilor necesari pentru furnizarea unor noi tripleţi de numere

pentru secretizare; • anularea înregistrării, solicitată la HLR.

Prin secţiunea de administrare, VLR gestionează diferitele operaţii care au loc pentru

realizarea conectării cu BSC, iar prin entitatea de acces, specifică VLR (figura 1. 7) se contribuie la rezolvarea unor funcţiuni ca:

• managementul conectării; • managementul mobilităţii; • managementul resurselor radio.

Baza de date pentru identificarea echipamentelor, EIR, reprezintă o bază de date

centralizată pentru controlul numărului de identitate al echipamentelor mobile care operează într-o reţea mobilă.

Controlul se face prin verificarea numărului internaţional de identificare al

echipamentelor, IMEI. Numărul IMEI este unic, fiecare echipament obţinând, încă de la fabricant, o identitate unică.

Centrul de autentificare, AuC, este o entitate a reţelei care realizează funcţii distincte în

raport cu MSC, fiind responsabilă:

18

• pentru procesul de autorizare a accesului unui abonat mobil în reţea; • pentru cifrarea transmisiei pe traseul radio; • pentru atribuirea identităţii temporare, TMSI.

De obicei, AuC se amplasează în acelaşi loc cu HLR, cu scopul creşterii vitezei de

adresare şi reactualizare a înregistrărilor abonaţilor. Procesul de verificare a autenticităţii are loc de fiecare dată când abonatul mobil solicită

reconectarea la reţea. La prima solicitare a unui canal de comunicaţie, în cadrul fiecărei sesiuni de utilizare a reţelei, are loc un proces complet de autorizare a abonatului. Comunicaţiile ulterioare, efectuate într-un interval de timp predeterminat sau în cadrul unor subreţele aparţinând aceluiaşi operator, ar putea să nu mai activeze procesul de autorizare, dacă datele produse în procesul iniţial de autorizare, memorate în SIM, sunt identice cu cele conţinute la HLR/VLR.

Procesul de verificare a autenticităţii abonatului mobil constă din:

• compararea unor date de siguranţă memorate pe SIM cu datele corespunzătoare conţinute de HLR, date înregistrate atât pe SIM cât şi în HLR în momentul eliberării modulului SIM;

• prelucrarea unei serii de date memorate la AuC, conform unor algoritmi şi transmiterea rezultatelor sub forma unui mesaj codat către SIM. Mesajul recepţionat este decodat la staţia mobilă şi se elaborează răspunsul “semnat”, SRES, care este returnat către AuC. În funcţie de conţinutul răspunsului, abonatului mobil îi este permis sau nu accesul în reţea.

La realizarea convenţiei cu operatorul (abonament etc.), abonatului îi este atribuită,

împreună cu IMSI, o cheie de autentificare, denumită KI, care este înregistrată atât în SIM cât şi la AuC. Pentru realizarea secretizării adresării (numărul de adresare temporară TMSI) cât şi pentru cifrarea comunicaţiei, AuC calculează mai multe chei de cifrare (figura 1. 8). Procedura respectă următoarele etape principale:

• se stabileşte un număr aleator, RAND; • având ca date de pornire RAND şi Ki, se calculează, folosind algoritmii A3 (algoritm de

autentificare) şi A8 (algoritm de cifrare), o cheie de cifrare (KC) precum şi răspunsul semnat, SRES;

• valorile calculate RAND, SRES şi KC sunt livrate la HLR şi sunt accesate pentru realizarea comunicaţiei. La rândul său, la cerere, HLR livrează tripleta către VLR.

Generator RAND

Baza de date AuC IMSI. Ki, A3, A8

Algoritm A3 de autentificare

Algoritm A8 de cifrare

Ki

RAND

SRES

Kc

AuC

Trimitere de tripleţi către HLR

Cerere de tripleţi de la HLR

Fig. 1. 8 Furnizarea tripleţilor de cifrare

19

1. 2. 3. 4 Structura semnalului în reţeaua GSM Informaţiile transmise în GSM sunt prelucrate digital. Transmisia se face, pe fiecare sens

de comunicaţie, de la staţia mobilă către reţea, respectiv de la reţea către staţia mobilă, pe canale de radiofrecvenţă. Un canal de radiofrecvenţă pentru GSM are lărgimea de bandă de 200 kHz, iar pentru realizarea unei legături de comunicaţie este necesară o pereche de asemenea canale, câte unul pentru fiecare sens de comunicaţie. Pe fiecare pereche de canale de radiocomunicaţie pot realiza legătura de comunicaţie, în aceeaşi perioadă de timp, până la 8 utilizatori. Un timp a fost luată în discuţie şi soluţia cu 16 utilizatori, care nu s-a dovedit a fi cea mai potrivită, din cauza calităţii scăzute a transmisiei pe canalul vocal.

GSM foloseşte pentru acoperirea unei zone principiile sistemelor celulare de comunicaţii.

Aceasta înseamnă utilizarea repetată pe un teritoriu a canalelor RF alocate, cu respectarea regulilor de protecţie impuse de obţinerea unor rapoarte semnal/zgomot acceptabile. Sistemele GSM folosesc:

a. diviziunea de frecvenţă, prin împărţirea benzilor de frecvenţă alocate în canale de

radiocomunicaţie, cu lărgimea de bandă de 200 kHz; b. diviziunea de timp, prin alocarea purtătoarei de radiofrecvenţă la mai mulţi utilizatori, cu

folosirea alternativă a canalului de radiofrecvenţă de aceştia; c. diviziunea de spaţiu, prin repetarea pe un teritoriu a canalelor de radiofrecvenţă, în

conformitate cu schemele de grupare şi refolosire a canalelor RF în zone de reutilizare. În GSM, 8 sloturi de timp sunt grupate într-un cadru TDMA, cu o durată de 4,615 ms.

Câte 26 sau câte 51 cadre TDMA formează un multicadru. Multicadrul format din 26 cadre este folosit pentru transmiterea traficului, deci pentru comunicaţia generată de utilizatori, iar multicadrul format din 51 cadre se foloseşte pentru transmiterea de semnalizări.

În intervalele de timp alocate (sloturi de timp) se transmit canalele logice de trafic

precum şi informaţii de semnalizare, organizare a sistemului, buna funcţionare a legăturii de comunicaţie etc. Pentru unele canale logice se atribuie canale fizice speciale, pe care transmisia respectă aceeaşi împărţire de timp. Timpul de transmisie în sistem este utilizat ciclic, durata ciclului global fiind cel mai mic multiplu comun al tuturor timpilor de repetare pentru bursturile de transmisie ale tuturor tipurilor de canale logice folosite în sistem.

În fiecare slot de timp, pe canalele fizice definite, se transmit diferite tipuri de informaţie,

fie cele generate direct de către utilizator (informaţii de trafic), fie informaţii de semnalizare şi control, fie informaţii destinate pentru utilizatorii aflaţi în zona de serviciu a reţelei GSM. Fiecare tip de informaţie transmis se organizează în canale logice (tipuri de informaţie - semnalizări şi informaţie utilă4).

Transmisia informaţiilor se realizează pe canale fizice. Prin canal fizic se înţelege

suportul pe care se transmite orice tip de informaţie într-un sistem de comunicaţie. Pentru realizarea unei transmisii este necesar ca unui utilizator să i se atribuie pentru folosire o porţiune de bandă de frecvenţe, o succesiune de intervale de timp sau o combinaţie timp – bandă de frecvenţă. Deci un canal fizic foloseşte o combinaţie de multiplexare în frecvenţă şi în timp şi este definit ca o secvenţă de canal de radiofrecvenţă şi de sloturi de timp. Definirea completă a

4 pay load

20

unui canal fizic particular constă în descrierea domeniului de frecvenţă şi a domeniului de timp. Canalul de comunicaţie poate fi alocat:

permanent unui utilizator, cum este cazul sistemelor de radiodifuziune, în care un emiţător

foloseşte, într-o zonă, acelaşi canal pe o perioadă îndelungată de timp; la cerere, adică temporar, dacă utilizatorul îl foloseşte la solicitare doar un timp limitat, pe

durata evoluţiei mesajului şi a semnalizărilor necesare acestuia, după care eliberează canalul pentru a fi preluat de alt utilizator.

Alocarea la cerere a canalului de comunicaţie se poate face:

• prin folosirea succesivă a canalului. Canalul de comunicaţie este ocupat integral de utilizator pe toată durata desfăşurării comunicaţiei şi poate fi ocupat de un alt utilizator de abia după ce a fost eliberat de precedentul;

• prin folosire alternativă, caz în care canalul este preluat, după o anumită regulă, de obicei ciclică, de mai mulţi utilizatori.

Canalele de comunicaţie acordate la cerere pot fi, în funcţie de modul de lucru adoptat de

sistemul de comunicaţie pentru care sunt destinate:

unilaterale, la sisteme de radiodifuzare de mesaje, sisteme de anunţare (paging), la care sensul de transmitere a informaţiei pe canal este de la sistem către utilizator. În acest caz, pentru transmiterea informaţiei utilizatorul primeşte un canal fizic de comunicaţie;

bilaterale, la care transmiterea de informaţie se realizează în ambele sensuri, atât de la sistem către utilizator cât şi de la utilizator către sistem. În acest caz, pentru transmiterea informaţiei este necesară o pereche de canale fizice de comunicaţie separate în banda de frecvenţă sau un singur canal dar cu separarea în timp a celor două sensuri de comunicaţie.

1. 2. 4 Reţele GPRS 1. 2. 4. 1 Probleme generale ale GPRS O reţea GPRS oferă servicii de transmisii de date organizate în mod pachet pe canal

radio. Sistemul de comunicaţii ce permite realizarea acestor servicii este compatibil cu GSM, fiind dezvoltat ca o „extindere” a acestuia. Se foloseşte deci structura de timp a canalelor GSM, realizându-se asocieri convenabile între sloturile de timp din structura TDMA. Cele mai importante avantaje aduse de GPRS în comparaţie cu GSM sunt:

• Accesul mai rapid la resursele radio; • Împărţirea şi folosirea mai flexibilă a resurselor disponibile la interfaţa radio; • Realizarea unei alocări dinamice a resurselor radio, pe baza cererii reale; • Viteze mai mari posibile oferite utilizatorilor.

Din punct de vedere tehnic, GPRS este standardizat de ETSI, astfel că operatorii dispun

de elementele necesare (performanţe de calitate, protocoale etc.) pentru introducerea acestuia. Standardele GPRS au fost elaborate în ideea integrării transmisiilor de date structurate în

modul pachet în reţelele GSM. Deci reţelele GPRS trebuie să se integreze în structura reţelelor GSM.

21

În cadrul BSS, transferul de informaţii către şi de la NSS se realizează prin unităţi de

adaptare de viteză şi de transcodare (cadre TRAU). În esenţă, cadrele TRAU sunt mai degrabă pachete de date decât un flux continuu de date. În acest mod, subsistemul staţiilor de bază poate fi folosit şi pentru GPRS, cu unele restricţii. Pentru a integra entităţile GPRS în structura existentă GSM, este necesar să se introducă echipamente noi.

Pentru GPRS, BSC devine un element „aproape transparent”. Rolul staţiilor de bază în

prelucrarea semnalelor primite sau transmise de la şi către staţiile mobile se micşorează, acestea fiind destinate realizării traficului de pachete de la şi către unitatea de control a pachetelor, PCU, care apare ca un element nou în cazul reţelelor GPRS (figura 3. 5), montat în sistemul staţiilor de bază BSS. Alte elemente noi ce apar în GPRS sunt nodurile support de serviciu respectiv poartă, SGSN, GGSN ca şi poarta de margine (de reţea) BG. SGSN este entitatea prin care se realizează în mod curent accesul utilizatorilor mobili la reţeaua GPRS, GGSN entitatea de legătură cu alte reţele de comunicaţie.

1. 2. 4. 2 Performanţele GPRS În cazul transmisiei în GPRS, un utilizator poate folosi mai multe sloturi de timp GSM.

Vitezele de transfer realizate în GPRS diferă în funcţie de numărul de sloturi alocate transmisiei şi de schema de codare a canalului. Viteza maximă pe care o poate realiza un utilizator ce foloseşte GPRS este de 172,4 kbit/s. Tabelul 1. 2 prezintă vitezele de transmisie realizate în GPRS cu folosirea schemelor de codare C1, C2, C3, C4, pentru un slot, două respectiv opt sloturi de timp folosite de utilizator. Valorile sunt indicate conţin şi biţii folosiţi de headerul MAC, format din 8 biţi.

Tabelul 1. 2

Vitezele de transmisie în GPRS, pentru câteva combinaţii de sloturi de timp Schema de

codare Nr. biţi corespunzători unui interval de timp de 0,02 s 1 slot de timp 2 sloturi de

timp 8 sloturi de

timp CS-1 184 9,2 kbit/s 18,4 kbit/s 73,6 kbit/s CS-2 271 13,55 kbit/s 27,1 kbit/s 108,4 kbit/s CS-3 315 15,75 kbit/s 31,5 kbit/s 126 kbit/s CS-4 431 21,55 kbit/s 43,1 kbit/s 172,4 kbit/s

Deoarece sistemele GPRS folosesc în mare măsură structura de reţea dezvoltată pentru

GSM, este necesar ca şi interfaţa radio realizată pentru transmisiile GPRS să urmeze, în mare, tehnologia standard folosită la interfaţa radio a GSM iar prelucrarea semnalelor să fie aceeaşi ca şi în GSM. Astfel, GSM şi GPRS folosesc schema de modulaţie GMSK, unde un bit este transformat într-un simbol şi transmis pe traseul de radiofrecvenţă. O combinaţie de bandă de 200 kHz cu un interval de timp (slot de timp) de 20 ms, cu separare TDMA între canale, reprezintă pentru GSM ca şi pentru GPRS, o resursă fizică (figura 1. 9).

3 biţi de coadă

3 biţi de coadă

Perioadă de gardă, corespunzătoare ca durată la 8,25 biţi

57 biţi de informaţie

57 biţi de informaţie

Secvenţă de re-cuperare de 26 biţi

1 bit 1 bit

Fig. 1. 9 Structura datelor transmise în GSM pe un slot TDMA, pe canal de trafic

22

1. 2. 4. 3 Arhitectura GPRS Schemă de ansamblu, de principiu, pentru o reţea GPRS este ilustrată în figura 1. 10.

EIR HLR VLR

MSC

Reţea de pachete de date,

PDN

Interfaţă de semnalizare

D

SGSN

Gi

Interfaţă de semnalizare şi transfer de date GPRS

Gc

Gn

C E Gd

Gs

BSC PCU

Abis

BSS

SMS-GMSC SMS-IW-MSC SM-SC

De menţionat că atât SGSN cât şi GGSN trebuie să aibă posibilitatea de comunicare cu

bazele de date ale reţelei GSM la care reţeaua GPRS este ataşată. SGSN este responsabil pentru livrarea pachetelor de date de la şi către staţiile mobile din

interiorul ariei sale de serviciu, pachetele fiind oferite prin nodurile suport GPRS şi prin PCU. În sarcinile SGSN sunt incluse:

rutarea pachetelor, transferul pachetelor, managementul mobilităţii, managementul localizării.

SGSN are atribuţii de taxare. Acesta colectează informaţiile despre taxare, referitoare la

folosirea resurselor reţelei proprii şi în particular pe cele legate de folosirea interfeţei radio. Date apelului sunt transmise funcţiei poartă de taxare.

Um

A

Gb Gn

Gi

Ga

GGSN

Ga

Ga

CG Sistem de

taxare

Altă reţea

SGSN

Gn

Fig. 1. 10 Structura de principiu a unei reţele GPRS, cu prezentarea interfeţelor

GGSN

23

În GSM, criptarea datelor şi a vocii se realizează la BTS. În GPRS, responsabilitatea pentru aceste operaţii trece asupra SGSN. Acesta preia şi operaţia de compresie a datelor pachet, care este o caracteristică opţională a GPRS.

Componenta GGSN a reţelei GPRS realizează interfaţa către reţeaua externă de date

transmise în mod pachet. GGSN realizează o funcţie de „ancoră” (figura 1. 11). O caracteristică importantă a unei reţele mobile GSM / GPRS este că oferă roaming. Roamingul este însă o capacitate pe care protocoalele pentru pachete de date fixe, IP sau X25, nu o acceptă. De aceea, GGSN rămâne entitatea funcţională prin care se realizează tranzacţiile de pachete (funcţia de ancoră) atunci când staţia mobilă evoluează în teritoriu, schimbând aria de rutare iar controlul legăturii trece de la un SGSN la alt SGSN. Prin arie de rutare se înţelege un grup format din una sau mai multe celule, controlate de un SGSN, în care evoluează staţia mobilă.

Uneori, legătura de comunicaţie dintre o reţea PLMN de origine şi o reţea PLMN

vizitată, nu se realizează direct între cele două reţele, acestea fiind interconectate printr-o reţea de tranzit. În această situaţie, la trecerea dintre reţeaua PLMN şi reţeaua de tranzit se realizează printr-o poartă de trecere, BG, care asigură interfaţa către reţeaua magistrală de tranzit dintre PLMN (figura 1. 12) şi realizează funcţiile de securitate.

SGSN

Direcţia de deplasare a

staţiei mobile

Reţea de pachete de date

Arie de rutare

MS

Fig. 1. 11 Realizarea funcţiei de ancoră de către GGSN

SGSN

SGSN

SGSN

INTERNET

PLMN de origine

GGSN BG Reţea

magistrală inter PLMN BG GGSN

PLMN vizitată Arie de

rutare

Fig. 1. 12 Exemplu de folosire a porţilor de trecere în conexiunea cu reţeaua magistrală de tranzit

24

1. 2. 4. 4 Structura semnalului în GPRS GPRS este realizat folosind modul de formare a canalelor din GSM. Sunt păstrate

principiile de formare a canalelor logice şi se păstrează schema de folosire a canalelor de frecvenţă şi a sloturilor de timp din GSM. În GSM, pentru fiecare purtătoare de radiofrecvenţă sunt atribuite câte 8 sloturi de timp. GPRS permite asocierea sloturilor de timp astfel încât se poate realiza o alocare dinamică a resurselor disponibile, unde prin resurse se înţeleg sloturile de timp folosite în GSM şi aflate la dispoziţia sistemului. Sistemul este capabil să atribuie, pe un anumit interval de timp, în funcţie de necesităţile de transmisie ale utilizatorului şi de resurse, unul sau mai multe sloturi de timp (figura 1. 13).

Deoarece GPRS nu poate spori resursele radio, este necesară o planificare inteligentă a

funcţionării în reţea şi un control dinamic şi riguros al resurselor folosite. În funcţie de necesităţi, sloturile de timp ale purtătoarei radio vor fi ocupate pe rând pentru legăturile de comunicaţie cu diferite staţii mobile. În exemplul prezentat în figura 1. 13, echipamentul de date aflat în conexiune de comunicaţie cu echipamentul mobil foloseşte pentru transmisie, pe segmentul de cale radio, sloturile de timp alocate în GSM. Se presupune că transmisia de date este realizată de la echipamentul de date către staţia mobilă. În funcţie de necesităţi, se pot folosi unu până la opt sloturi de timp ale purtătoarei de RF. Astfel, în intervalul de timp de la T1 la T2, pentru transmisie sunt folosite patru sloturi de timp ale purtătoarei RF, în intervalul T2 la T3 comunicaţiei i se alocă toate cele opt sloturi de timp ale purtătoarei, iar pe intervalul T3 la T4, până la terminarea comunicaţiei, sunt folosite doar trei dintre sloturi, atribuirea resurselor fiind funcţie de conţinutul informaţiei transmise.

Timp

T1

T2

T3

T4

Începutul transmisiei

Sfârşitul transmisiei

Momentul trecerii de la folosirea a patru sloturi de timp la folosirea a

opt sloturi de timp

Momentul trecerii de la folosirea a opt sloturi de timp la folosirea a două

sloturi de timp

Sloturi de timp folosite pentru transmisia GPRS analizată

Sloturi de timp folosite pentru alte transmisii

Fig. 1. 13 Exemplu de folosire a resurselor radio pentru o transmisie GPRS

25

În cazul transmisiei cu date structurate în mod pachet, cum este cazul pentru GPRS,

transferul pachetelor de date se realizează în unităţi de blocuri radio, fiecare bloc radio conţinând 456 biţi, ce se transmit pe cadrele de transmisie oferite de GSM. Pentru aceasta sunt necesare patru sloturi de timp GSM de tipul celor folosite la transmiterea traficului vocal sau de date (patru sloturi TDMA de trafic). Gruparea cadrelor în multicadre pentru GPRS este diferită de cea a GSM. În GPRS se introduce un nou tip de multicadru, format din 52 cadre, fiecare cu durata de 4,615 ms, numerotate de la 0 la 51, denumit 52-multicadru, cu durata de timp de 240 ms.

În evoluţia într-o reţea GPRS, staţia mobilă se poate afla într-una din următoarele stări:

Neconectat (Idle); Conectat dar inactiv (Standby); Conectat şi activ (Ready).

În starea neconectat5, utilizatorul nu este conectat la funcţia de gestionare a mobilităţii

GPRS. Staţia mobilă şi nodul SGSN nu deţin informaţii despre poziţia utilizatorului sau despre calea de rutare a mesajelor către el. Nu sunt executate procedurile de gestionare a mobilităţii referitoare la utilizator, însă staţia mobilă are efectuate funcţiile de selectare a reţelei GPRS, de selectare a celulei GPRS şi de reselectare a proceselor. Nu sunt posibile transmiterea datelor către şi de la utilizatorul mobil şi nici apelarea acestuia. Reţeaua GPRS consideră unitatea mobilă ca fiind nedisponibilă. Pentru a se stabili procedurile de management al mobilităţii la unitatea mobilă şi la nodul GPRS, trebuie să se efectueze procedura de conectare GPRS.

În starea conectat dar inactiv6, utilizatorul este conectat la funcţiile GPRS de gestionare a

mobilităţii. Staţia mobilă şi nodul SGSN au stabilit condiţiile pentru managementul mobilităţii, pentru identitatea IMSI a utilizatorului şi acesta poate primi apeluri pentru transmisii date sau informaţii de semnalizare, precum şi apeluri prin nodul SGSN pentru servicii pe circuite comutate. Staţia mobilă efectuează local selecţia şi reselectarea ariei de rutare GPRS şi a celulei GPRS, execută procedurile de gestionare a mobilităţii pentru a informa nodul SGSN despre intrarea într-o nouă arie de rutare, dar nu îl informează despre intrarea într-o nouă celulă a aceeaşi arii de rutare. În timpul stării STANDBY, utilizatorul poate cere activarea sau dezactivarea procedurilor PDP.

În starea conectat şi activ7, funcţia de gestionare a mobilităţii este completată cu date

despre poziţia utilizatorului privind celula în care se află. Staţia mobilă efectuează procedurile de gestionare a mobilităţii pentru a oferi reţelei identitatea celulei selectate. În această stare, staţia mobilă poate primi sau transmite pachete de date, inclusiv pentru reţele externe.

Aspectele operaţionale ala GPRS se referă la o serie de operaţii şi de proceduri pe care

reţeaua şi echipamentul mobil trebuie să le realizeze în colaborare, pentru a asigura funcţionarea în bune condiţii a realizării, menţinerii şi încheierii comunicaţiei:

• Transferul legăturii de comunicaţie; • Controlul avansului de timp; • Codarea canalului;

5 idle 6 standby 7 ready

26

• Accesul iniţial la reţeaua GPRS; • Alocarea resurselor GPRS, pe fiecare dintre sensurile de transmisie; • Eliberarea resurselor GPRS, pe fiecare dintre sensurile de transmisie.

1. 2. 5 Reţele HSCSD 1. 2. 5. 1 Performanţe ale HSCSD La interfaţa radio a sistemelor GSM iniţiale viteza de transmisie a utilizatorului a fost

determinată de posibilităţile de prelucrare digitală şi de transmisie a semnalului vocal în GSM. Este necesar ca utilizatorului să i se asigure, după prelucrare digitală şi transmisie, o calitate similară cu cea realizată de sistemele de transmisie pe fir. În prima fază a GSM, viteza de transmisie a datelor pentru un canal de trafic complet, TCH/F (menţionând, dacă este cazul, viteza de transmisie pe canalul de trafic), a fost limitată la viteza rezultată pentru transmisia vocală şi anume 9,6 kbit/s, ceea ce corespunde la o viteză de transmisie la interfaţa radio de 12 kbit/s.

HSCSD reprezintă un procedeu care permite alocarea în comun pentru un utilizator a mai

multor canale de trafic, TCH, într-o configuraţie specială, denumită HSCSD. Scopul este de a oferi posibilitatea unei multitudini de servicii, cu viteze de transmisie diferite la interfaţa radio pentru utilizatori, printr-o singură structură de strat fizic. Prin îmbunătăţiri ale transmisiei la interfaţa radio, cum ar fi folosirea de diferite scheme de codare şi de modulare, se pot obţine viteze mai mari de transmisie a datelor, deci viteze mai mari de transmisie pentru un slot de timp GSM. Configuraţia reţelei ce permite realizarea procedeului HSCSD este cea a unei reţele GSM (figura 1. 2), cu condiţia ca aceasta să permită realizarea de combinări de canale, în vederea sporirii vitezei de transmisie de date pe canalul de trafic atribuit utilizatorului.

Capacitatea disponibilă a unei configuraţii HSCSD reprezintă un multiplu al capacităţii

canalului de trafic, TCH (tabelul 1. 3), ajungându-se astfel la mărirea semnificativă a vitezei de transfer la interfaţa radio.

Tabelul 1. 3

Transformarea vitezei de utilizator la interfaţa radio în funcţie de viteza de transmisie pe canalul de trafic, pentru serviciile nontransparente

Viteza de utilizator la interfaţa radio

TCH/4,8 TCH/9,6 TCH/14,4 TCH/28,8 TCH/43,2

4,8 kbit/s 1 N/A N/A N/A N/A 9,6 kbit/s 2 1 N/A N/A N/A 14,4 kbit/s 3 N/A 1 N/A N/A 19,2 kbit/s 4 2 N/A N/A N/A 28,8 kbit/s N/A 3 2 1 N/A 38,4 kbit/s N/A 4 N/A N/A N/A 43,2 kbit/s N/A N/A 3 N/A 1 57,6 kbit/s N/A N/A 4 2 N/A N/A Neaplicabil

27

În mod logic, cele „n” canale complete de trafic la interfaţa radio aparţin aceleiaşi configuraţii HSCSD şi de aceea ele trebuie să fie controlate de reţea ca o singură legătură radio pentru scopurile „operaţiilor cu caracter celular” ca, de exemplu, transferurile. Aceasta impune însă noi funcţiuni în staţiile de bază ale reţelei.

În cazul folosirii unei modulaţii corespunzătoare, numărul de sloturi de timp la interfaţa

radio poate să nu corespundă vitezei de transmisie a fluxului de date în secţiunea reţea. De exemplu, un serviciu de date cu viteza de 28,8 kbit/s poate fi oferit prin intermediul unui slot de timp la interfaţa radio, dar va fi nevoie de două canale Abis cu viteza de 14,4 (16 kbit/s). Un alt exemplu este serviciul transparent 56/64 kbit/s pentru care două sloturi de timp la interfaţa radio, de 32 kbit/s, sunt multiplexate într-un flux de date de 64 kbit/s în partea de reţea.

Pentru stabilirea unei conexiuni HSCSD este necesară negocierea unor parametri pe

ansamblul reţelei:

viteza de transmisie a utilizatorului din reţeaua fixă; codarea canalului reţelei de acces radio bazată pe GSM, GERAN, acceptabilă pentru apel; numărul maxim de canale de trafic (cu viteză completă) pe care-l poate accepta utilizatorul; viteza de transmisie a utilizatorului dorită la interfaţa radio, parametru aplicabil doar în cazul

serviciilor nontransparente; indicaţia asupra unor modificări solicitate de utilizator şi dacă aceste modificări sunt cerute,

atunci prezentarea resurselor necesare; indicaţii referitoare la asimetria codării canalului.

1. 2. 5. 2 Arhitectura HSCSD Arhitectura reţelei realizate (figura 1. 14) trebuie să permită transmisii bazate pe

combinarea unor canale de trafic GSM independente, într-o configuraţie HSCSD. În reţea şi la staţia mobilă trebuie să fie oferite funcţii de combinare respectiv de

împărţire a datelor în fluxuri separate de date, fluxuri care sunt apoi transferate la interfaţa radio prin intermediul a „n” canale radio, unde n = 1, 2, 3, …., 8. După divizare, fluxul de date va fi transportat de „n” canale complete de trafic, denumite canale HSCSD, ca şi cum acestea ar fi independente unul de celălalt, până în punctul în care sunt recombinate, punct aflat la BSC

MSC

IWF

BSC

BTS MS cu

TAF Interfaţa radio (Um)

Interfaţa Abis

Interfaţa A

„n” canale cu viteză completă sau „n” sloturi de timp pe un cadru TDMA

1 circuit maximum

Fig. 1. 14 Configurarea arhitecturii reţelei pentru realizarea HSCSD

28

respectiv la MS, în funcţie de sensul de comunicare. Între BSC şi MSC, transmiterea se realizează pe un singur canal de trafic, configurat în conformitate cu procedura urmată de ITU-T, recomandarea I 460. În acelaşi timp, pentru realizarea procedeului HSCSD, staţia mobilă trebuie să fie prevăzută cu funcţia de adaptare de terminal, TAF.

1. 3 Reţele 3G 1. 3. 1 Dezvoltarea UMTS Reţelele de comunicaţii mobile de generaţia a treia, 3G, sunt cunoscute în documentele

ITU sub acronimul de IMT – 2000, iar varianta lor pentru Europa este denumită cu acronimul UMTS. IMT – 2000 şi, în particular, UMTS are capacitatea de a oferi numeroase servicii, în special servicii multimedia şi transmisii de date în modul pachet, cu viteze mari de transmisie. Problema cea mai delicată, ce trebuie rezolvată pentru noile sisteme, este cea a transmisiunii la interfaţa radio. Soluţia care prezintă cele mai mari avantaje, în special pentru transmisiile care necesită viteze mari la interfaţa radio, este cea de CDMA de bandă largă WCDMA. Aceasta este însoţită şi de o variantă TD-CDMA. Dezvoltarea acestora a fost preluată şi este în prezent susţinută în cadrul 3GPP. Varianta 3G a cărei dezvoltare a fost iniţiată de S.U.A este cdma2000, dezvoltată în prezent de 3GPP2.

UMTS a evoluat în timp. Prima variantă realizată a fost UMTS ’99. De atunci, în cadrul

ETSI şi, apoi, al 3GPP, s-au realizat mai multe variante de UMTS, fiecare dintre acestea adăugând noi caracteristici la cele anterioare. Până în prezent s-au dezvoltat variantele ’99, 4, 5, 6 şi 7. Compatibilitatea între reţele UMTS şi alte reţele este strâns legată de evoluţia UMTS, care s-a dezvoltat pornind de la reţelele de generaţia a doua de comunicaţii mobile celulare, în primul rând de la GSM.

Primul pas al migrării, realizat de reţelele de comunicaţii mobile, a fost obţinut prin

trecerea de la 2G la 2,5G, cu introducerea GPRS. Standardul GSM a fost realizat cu comutare de circuite, ca şi PSTN. A rezultat o reţea de comunicaţii bazată pe circuite comutate destinată, în primul rând, pentru a oferi servicii telefonice, beneficiind, în plus, de accesul radio şi de mobilitate. Ca şi în cazul reţelelor PSTN este posibilă realizarea de sesiuni de transmisii de date, aceasta cu constrângerile impuse de folosirea tehnicii de circuite comutate, ceea ce conduce la o utilizare slabă, din punctul de vedere al operatorului, a lărgimii de bandă disponibilă şi la viteze de transmisie mici.

Serviciile bazate pe GPRS, ce se încadrează în generaţia 2,5G, au fost lansate în

exploatare la mijlocul anului 2001 şi oferă un mod mai eficient de transmisie a traficului de date. Noutatea introdusă de GPRS constă în introducerea unei reţele de bază cu pachete comutate în reţeaua operatorului mobil, prin care se permite activarea unor sesiuni de transmisii de date cu pachete comutate.

Migrarea a continuat de la 2,5G, care a introdus GPRS, la UMTS varianta 99 şi, apoi, la

UMTS varianta 4. În prima variantă de realizare a UMTS, varianta 99 (figura 1. 15), principiile folosite de reţeaua de bază rămân aceleaşi, şi anume se foloseşte o reţea de bază cu comutare de circuite pentru serviciul vocal şi o reţea de bază cu comutarea pachetelor pentru serviciile de transmisii de date. Principala modificare este realizată în partea de acces radio, denumită UTRAN, care permite viteze mai mari de transmisie a datelor. Prin varianta 99 se defineşte purtătoarea de 5 MHz, care oferă utilizatorului capacitatea şi performanţele pe care le ofereau şi variantele precedente ale GSM îmbunătăţit cu GPRS, EDGE etc.

29

Varianta 4 a UMTS oferă faţă de varianta 99 un plus de noi servicii şi caracteristici

precum mediul virtual de domiciliu, VHE şi arhitectura pentru servicii deschise, OSA. De asemenea, varianta 4 acceptă, în totalitate, serviciile de localizare.

Elementele de bază ale reţelelor UMTS, fie ele WCDMA fie TD-CDMA, sunt cuprinse

în variantele ’99 şi 4. Variantele care urmează acestora:

BSC BTS

Acces radio GSM

MSC

Reţea de bază cu circuite comutate

GMSC PSTN

Reţea inteligentă

Datele abonatului

Reţea de bază cu comutarea pachetelorNod

serviciu UMTS

Poartă UMTS

Reţea externă IP

Legătură cu comutare de circuite

Legătură cu comutare de pachete

Legătură de semnalizare

Fig. 1. 15 Migrarea la UMTS varianta ’99

Nod radio

Acces radio UMTS

(UTRAN)

UMTS

Controlor reţea radio

• adăugă noi facilităţi pentru utilizator; • oferă o mai bună integrare cu reţelele IP, cu accent pe folosirea IPv6; • introduc noi procedee pentru managementul sesiunilor multimedia; • pun accent pe comutarea de pachete, eliminând comutarea de circuite; • introduc criterii de apreciere şi de control a calităţii transmisiei în funcţie de serviciul oferit; • permit aplicarea unor procedee de mărire a vitezei de transmisie la utilizator atât pentru

sensul ascendent cât şi pentru sensul descendent de transmisie. De la UMTS varianta 4, evoluţia continuă către variantele 5, 6 şi 7. UMTS varianta 5

(figura 1. 16) introduce o modificare majoră în structura reţelei de bază. Reţeaua de bază cu circuite comutate dispare complet şi arhitectura devine în totalitate IP. Principala modificare în reţeaua de acces radio pentru varianta 5 este realizată prin introducerea stratului de transport IP, ca o alternativă pentru ATM, iar folosirea IP ca protocol de transport în RAN reprezintă un prim pas către introducerea unor reţele IP cap-la-cap.

30

Apelurile vocale pot fi realizate într-o reţea convergentă IP folosind SIP ca protocol de

semnalizare pentru stabilirea apelului, după cum a fost specificat de 3GPP, IPv6 fiind aleasă ca versiune de protocol IP. Reţeaua de acces şi reţeaua cu comutarea pachetelor rămân nemodificate, dar UMTS varianta 5 introduce conceptul de subsistem multimedia IP, IMS. IMS conţine toate noile funcţii de control şi de semnalizare pentru managementul sesiunilor multimedia, incluzând pe cele pentru apelurile vocale şi pe cele pentru sesiunile de date. IMS este funcţional separat de reţeaua de bază cu comutarea pachetelor, care oferă funcţiunile de transport. În domeniul de transport al pachetelor pe sensul descendent se introduce tehnologia HSDPA. În concluzie, elementele noi şi definitorii ale variantei 5 sunt date de modul de folosire al HSDPA, IMS şi al IP. Avantajele aduse de elementele tehnologice principale promovate în varianta 5 se referă atât la interfaţa radio, prin HSDPA, cât şi la reţeaua de bază, prin IMS.

HSDPA este o tehnologie bazată pe o arhitectură nouă, distribuită, care permite o reacţie

la calitatea canalului, adaptarea conexiunii la întârzieri reduse şi procesarea HARQ. Multe dintre procesele de control şi de programare sunt preluate de la RNC şi transferate la staţia de bază fiind astfel mai aproape de interfaţa radio (figura 1. 17). În acelaşi timp, funcţiunile MAC ce erau, în varianta 99, în totalitate realizate la RNC, sunt distribuite în varianta 5 între RNC şi nodul B.

BSBTS

Acces radio GSM

PSTN

Reţea de bază cu comutarea pachetelorNod

serviciu UMTS

Poartă UMTS

Reţea externă IP

Legătură cu comutare de pachete

Legătură de semnalizare

Fig. 1. 16 Migrarea la UMTS varianta 5

Controlor reţea radio

Nod radio

Acces radio UMTS

(UTRAN)

WLAN

Poartă

Poartă

Subsistem IP multimedia

Servicii SIP

Servicii oferite de o terţă parte

Reţele inteligente

Funcţii de control

Adăugiri realizate de UMTS varianta 5

Datele abonatului

31

HSDPA introduce un canal descendent de mare viteză, HS-DSCH, care poate fi folosit în

partaj de mai mulţi utilizatori, cu alocare dinamică, viteza de vârf de transmisie, teoretică. pe canal fiind de 14,4 Mbit/s.

Mutând decizia de programare de la RNC la interfaţa radio, HSDPA foloseşte

informaţiile obţinute de la terminal despre calitatea canalului, capacitatea terminalului, necesităţile pentru realizarea calităţii serviciului şi disponibilul de resurse la interfaţa radio, pentru a realiza o programare mai eficientă a transmisiei de pachete de date. În acest mod se scurtează timpul de reacţie la informaţiile obţinute, deci o folosire mai eficientă a resurselor.

În cazul în care din cauza interferenţelor sau a altor cauze nu se poate realiza decodarea

pachetului de date este necesară retransmiterea acelui pachet. Spre deosebire de varianta 99 (la care decizia retransmiterii este luată la RNC), în varianta 5, HSDPA, decizia este luată la staţia de bază. Dacă decodarea pachetului iniţial eşuează, atunci se realizează o retransmisie auto-decodabilă sau care poate să fie combinată cu transmisia iniţială, ce a fost încă păstrată în buffer înainte de decodarea canalului. Combinarea diferitelor transmisii oferă o eficienţă mai bună decodării şi o diversitate a câştigului, minimizând necesitatea de realizare a ARQ.

Pentru adaptarea rapidă la indicaţiile de calitate ale canalului, CQI, şi la semnalizările

ACK/NACK pentru HARQ primite de la terminal, se defineşte un canal de control fizic dedicat, de mare viteză, HS-DPCCH. La nodul B se colectează şi se folosesc informaţiile CQI obţinute de la fiecare utilizator activ, pentru a stabili momentul în care fiecare dintre utilizatorii activi poate căpăta dreptul de a folosi HS-DSCH.

Capacitatea de programare rapidă oferită prin HSDPA se poate îmbunătăţi prin folosirea

modulaţiei adaptive şi a codării, oferind fiecărui utilizator cea mai mare viteză de transmisie posibilă în condiţiile date. Schemele de modulaţie şi de codare sunt adaptate dinamic, pe baza calităţii legăturii radio, cu menţinerea constantă a puterii. În plus faţă de modulaţia QPSK se poate folosi, în condiţii favorabile şi modulaţia 16-QAM. HSDPA poate folosi până la 15 coduri paralele care pot fi partajate în mod dinamic între utilizatori. HSDPA foloseşte codarea turbo cu rata 1/3, dar aceasta poate fi variată de la 1/4 la 3/4 prin modificarea dimensiunii blocurilor, prin tipul de modulaţie şi prin numărul de coduri multiple.

Controlor reţea radio

(RNC) Nod B radio

Reţea de bază

La alte RNC

Programare rapidă de strat 1,AMC şi HARQ, ACK /NACK rapid de strat 1 şi

ţie la calitatea canalului reac

Către alt nod radio B

În UMTS, varianta 99, întregul MAC se află la RNC, ceea ce conduce la programare lentă

În ediţia 5 funcţiile cheie MAC, MAC-HS sunt stabilite la nodul B (reacţie şi programare rapidă)

Fig. 1. 17 Arhitectura HSDPA

32

HSDPA se poate folosi atât pentru modul FDD cât şi pentru cel TDD iar creşterea semnificativă a vitezei de transmisie la utilizator se realizează doar pentru serviciile bazate pe cel mai bun efort, ca de exemplu pentru accesul Internet sau pentru descărcarea de fişiere. În prima etapă, HSDPA nu va fi folosită ca o soluţie pentru serviciile în timp real, care au nevoie de QoS garantat şi care impun condiţii dificile terminalelor, fiind folosită la transmiterea de date în timp non-real.

IMS oferă capacităţi multimedia de comunicare în timp real de la persoană la persoană,

cu integrarea serviciilor, servicii telefonice configurate conform cerinţelor utilizatorului şi sesiuni multiple sincronizate. Toate entităţile IMS sunt amplasate în reţeaua de bază.

IMS este diferit în mod esenţial de sistemele de comunicaţie anterioare, deoarece permite

realizarea de servicii multiple pe un singur canal purtător. Aceasta facilitează integrarea serviciilor desfăşurate în timp real cu cele desfăşurate în timp non-real în cadrul aceleiaşi sesiuni şi oferă serviciilor capacitatea să interacţioneze între ele. În acelaşi timp se realizează folosirea eficientă a resurselor, ceea ce crează reţelei capacitatea de satisfacere a condiţiilor de QoS pentru fluxurile de date ale diferitelor componente media ale serviciului. Se poate deci considera că IMS oferă o platformă comună pentru servicii multimedia pentru reţelele mobile, care va avea, în final, capacitatea să asigure servicii fără întreruperi între reţele fixe şi reţele mobile.

Serviciile multimedia în timp real, de la persoană la persoană, oferă, în cele mai multe

cazuri, telefonie vocală. În viitor va spori şi conţinutul de videotelefonie. Trecerea la IMS înseamnă că aceste servicii vor fi oferite într-un singur domeniu de pachete, bazat pe protocoale Internet. Astfel, IP se transformă din ce în ce mai mult într-un standard la nivel mondial pentru telecomunicaţii, tehnologia informaţiei etc. Aceasta înseamnă că, în viitor, utilizatorul unui videofon mobil va fi capabil să comunice cu un grup de utilizatori care folosesc un ecran convenţional de televiziune, conectat la o reţea de cablu sau la un monitor PC şi la un modem de bandă largă.

Capacitatea de integrare a telefoniei cu alte servicii de informaţie şi de date, precum şi

capacitatea de a le permite acestora să interacţioneze, este cel mai bine ilustrată prin luarea în considerare a modului în care se realizează apelul. În prezent, realizarea unui apel către un utilizator implică cunoaşterea numărului de adresare corespunzător, formarea manuală a acestui număr sau folosirea memoriei telefonului pentru formarea acestuia. IMS oferă o arhitectură flexibilă, fiind concentrat asupra cadrului tehnic şi comercial pe care operatorul îl poate oferi utilizatorului pentru servicii de tip persoană la persoană. Standardele au recomandat adoptarea SIP ca protocol pentru controlul serviciului, ceea ce permite operatorului să ofere aplicaţii multiple simultane prin tehnologii de acces multiplu diferite, precum GPRS sau UMTS, dar şi prin alte tehnologii de acces radio. Standardul IMS grăbeşte adoptarea multimedia bazate pe IP.

Reţeaua IMS (figura 1. 18) este astfel structurată încât să ofere o flexibilitate maximă,

precum şi o independenţă faţă de tehnologia de acces. Aceasta se poate realiza în bună parte prin separarea accesului, transportului şi a controlului. Reţeaua radio realizează conexiunea echipamentului de utilizator cu reţeaua de bază precum şi un management al mobilităţii de nivel scăzut. Reţeaua de bază în mod pachet realizează transportul informaţiilor de semnalizare şi suport precum şi managementul de nivel superior al mobilităţii. IMS oferă controlul aplicaţiilor, al sesiunilor şi conversia mediului ca entităţi separate.

33

IMS a fost adoptat şi de către 3GPP2, care se preocupă de standardizarea şi de

armonizarea sistemelor cdma2000, ceea ce permite armonizarea SIP la nivelul serviciilor şi asigură utilizatorilor şi operatorilor mai multe beneficii, acestea fiind sintetizate în tabelul 1. 4.

Poartă media Staţie

de bază

Reţea de acces radio,

RAN

Servere de aplicaţie Server de

aplicaţie

Controlul media

Subsistem IP multimedia (IMS)

Poartă media

Controlul sesiunii

Controlor reţea radio

(RNC)

ISUP

SIP

SIP Date de abonat

Nod suport pachete

Reţea de bază IP

Reţea de bază în mod pachet Transport

Control

Fig. 1. 18 Subsistemul IP multimedia, cu conectare la reţele fixe şi mobile

Poartă pachete

PDN

PSTN

Staţie de bază

Staţie de bază

Tabelul 1. 4 Beneficii oferite de IMS operatorilor şi utilizatorilor

Capacitatea Comentarii Comunicaţie în timp real, persoană cu persoană, bazată pe IP (de ex. voce)

În faza matură, IMS va conţine capacitatea de transmisie în timp real, persoană cu persoană, ca de ex. vocea prin reţele IP

Interacţiunea mediilor în timp real cu cele în timp non-real

IMS permite interacţiunea mediilor de timp real şi a celor de timp non-real în cadrul aceleiaşi sesiuni

Modelul de apel multimedia

IMS permite folosirea simultană de: Servicii multiple în aceeaşi sesiune; Sesiuni multiple între utilizatori şi echipamente multiple.

Aceasta permite pentru utilizatorul final interacţiunea şi integrarea serviciilor.

Interoperabilitatea reţelelor IMS conţine capacitatea de realizare de comunicaţii în timp real, persoană cu persoană, inclusiv schimb de informaţii de prezenţă şi localizare între IMS şi alte reţele IP.

În rezumat, principalele elemente noi, aduse de varianta 5 sunt:

îmbunătăţirea interfeţei radio, incluzând clasificarea staţiei de bază TDD, precum şi îmbunătăţirea DSCH;

îmbunătăţiri ale reţelei de acces radio; evoluţia modului de transport în UTRAN;

34

îmbunătăţiri ale LCS; îmbunătăţiri ale securităţii reţelei – securitatea domeniului reţelei; folosirea HSDPA, arhitectura AMC – codare şi modulaţie adaptivă; conectarea între domenii a nodurilor RAN în noduri multiple de reţea de bază; folosirea în partaj a UTRAN în modul conectat; introducerea subsistemelor IMS; realizarea de aplicaţii transparente cap-la-cap pentru aplicaţii mobile, flux în mod pachet; îmbunătăţiri ale OSA; folosirea CAMEL, faza 4; îmbunătăţirea mediului de execuţie mobil; folosirea codecurilor cu rată multiplă, adaptive, de bandă largă; interfeţe terminale - îmbunătăţiri ale pachetului de instrumente de lucru pentru modelul local; rezolvarea unor probleme referitoare la taxare şi operare, administrare, întreţinere; îmbunătăţiri ale GERAN; realizarea de QoS cap-la-cap; îmbunătăţiri ale serviciului de mesaje; comutarea serviciului şi revenirea la informaţia digitală nerestricţionată, UDI; aceptarea echipamentelor de utilizator de generaţii anterioare.

Evoluţia arhitecturii la nivelul reţelei de acces radio este concentrată pe folosirea unor

tehnologii care îmbunătăţesc performanţele accesului radio precum şi pe cele ale stratului de transport. Unul dintre principalele obiective ale îmbunătăţirilor RAN este reducerea pentru utilizatori a întârzierii. Aceasta se poate realiza prin redistribuirea unora dintre funcţiunile RAN între entităţile acesteia, cu aducerea unor protocoale radio mai aproape interfaţa radio. Scopul final al îmbunătăţirilor este crearea unui strat de transport în care condiţiile de QoS precum întârzierea şi jitterul să fie determinate de cerinţele reale ale utilizatorului final şi nu de condiţiile de la interfaţa radio. Aceasta va avea un efect important asupra costurilor de transport, având în vedere şi faptul că volumul traficului IP în timp non-real este în creştere.

Varianta 6 cuprinde îmbunătăţiri în reţeaua radio, în serviciile de mesagerie multimedia,

în securitate şi ia în considerare alte probleme cum ar fi radiodifuzarea multimedia şi serviciile de tip multicast, conlucrarea între WLAN şi UMTS etc.

Varianta 6 are ca una dintre principalele sale oferte MBMS, prin care se definesc

capacităţile de a se transmite într-o celulă aceleaşi informaţii către mai mulţi utilizatori, folosind aceleaşi resurse radio. MBMS reprezintă un serviciu unidirecţional tip punct-la-punct, în care datele sunt transmise de la o singură sursă la mai mulţi destinatari. Se permite astfel folosirea mai eficientă atât a resurselor reţelei radio cât şi ale reţelei de bază. MBMS poate fi oferit în aria de serviciu pentru radiodifuziune sau pentru difuzare la puncte multiple şi poate acoperi o întreagă reţea sau zone ale acesteia, în funcţie de conţinutul informaţiei transmise şi al interesului pentru aceasta.

Un alt obiectiv al variantei 6 este realizarea îmbunătăţirii sensului ascendent pentru

canale dedicate, HSUPA (sau EUDCH). Pe măsura creşterii importanţei serviciilor bazate pe IP se sporeşte necesitatea de îmbunătăţire a acoperirii şi a transferului şi astfel trebuie redusă întârzierea pe sensul ascendent pe canalele dedicate. Introducerea HSDPA în varianta 5 a permis mărirea semnificativă a vitezei de transmisie pe sensul descendent.

Realizarea unor viteze de transmisie mai mari pe sensul ascendent aduce avantaje, în

primul rând, pentru traficul de tip flux ca transmiterea de videoclipuri, multimedia, e-mail,

35

jocuri, transmisii de telematică etc. Tehnicile folosite pentru îmbunătăţirea performanţelor pe sensul ascendent se concentrează pe retransmiterea rapidă a datelor percepute a fi eronate, îmbunătăţind QoS prin reducerea numărului de retransmisii şi a timpilor asociaţi şi printr-o programare mai sensibilă pe sensul ascendent şi a controlului vitezei datelor transmise prin preluarea acestora de la RNC şi implementarea lor la nodul B.

Pentru îmbunătăţirile performanţelor pe sensul ascendent, pentru HSUPA se atribuie

caracteristici similare cu cele ale HSDPA pe sensul descendent, realizând o viteză de vârf teoretică maximă de 5,8 Mbit/s, iar procedeele folosite sunt similare şi anume:

• Scheme de codare şi de modulaţie adaptive; • protocoale HARQ; • programare controlată de nodul B; • folosirea stratului fizic sau a mecanismelor de semnalizare de strat superior pentru a realiza

îmbunătăţirile; • dimensiuni mai mici pentru intervalele de timp TTI şi a QoS îmbunătăţit.

Principalele caracteristici ale variantei 6, stabilite în decembrie 2004, sunt:

Introducerea IMS în faza 2, care conţine: • Conlucrarea între reţele IMS şi reţele cu circuite comutate, reţele IMS şi reţele

non-IMS, reţele IMS cu acces independent (cu 3GPP2); • Management de grup (prezenţă, mesagerie, conferinţă); • Taxarea IMS; • Intercepţia autorizată (legală).

Folosirea MBMS; Promovarea unor servicii, inclusiv PoC (cu OMA); Scenarii de conlucrare WLAN; Servicii de tip apasă (push services); Recunoaşterea vorbirii şi servicii realizate prin voce; Managementul drepturilor digitale (cu OMA).

Alte caracteristici ce urmează a fi realizate de varianta 6 sunt:

Îmbunătăţirea FDD pe sensul ascendent; Extensia de codec adaptiv, multi-viteză, de bandă largă, pentru audio de calitate superioară; Fluxuri de pachete; Profil generic de utilizator; Prezenţa; Blocarea clasei de acces şi protecţia la supraîncărcare; Managementul taxării pentru WLAN, PoC etc.

De asemenea, unul dintre elementele cheie dezvoltate de varianta 6 constă în realizarea

de standarde pentru armonizarea cu reţele IP, care nu folosesc IMS. Folosirea unor îmbunătăţiri ale vitezelor de transmisie pe canalele de transport, atât

pentru sensul ascendent cât şi pentru cel descendent, contribuie la optimizarea folosirii resurselor interfeţei radio. În viitor, se prevede posibilitatea folosirii tehnicii OFDM (folosită în prezent la sistemele de tip xDSL precum şi la cele conforme cu familia de standarde 802.xx), care oferă

36

avantajul unei eficienţe mai mari la interfaţa radio prin deducerea posibilităţilor de interferenţe între celule.

Varianta 7 urmăreşte creşterea eficienţei spectrale a interfeţei radio. Aceasta reprezintă o

problemă de primă importanţă în condiţiile unui spectru de frecvenţă limitat. Prin folosirea sistemelor de antene MIMO (cu intrări şi ieşiri multiple) se prevede o creştere importantă a eficienţei spectrului şi, deci, o îmbunătăţire remarcabilă a folosirii interfeţei radio. Se prevede, de asemenea, realizarea unor eforturi considerabile în ceea ce priveşte mentenanţa precum şi pentru îmbunătăţirea noilor capacităţi, ce au fost introduse de varianta 6. De exemplu, IMS va fi îmbunătăţit în mod suplimentar prin acceptarea explicită a accesului cu fir, ceea ce va permite convergenţa fix-mobil. Se ia în considerare şi posibilitatea de integrare a unor tehnologii alternative, ca WLAN, pentru realizarea transferului legăturii ca şi a unei integrări mai strânse cu serviciile de voce moştenite. Pentru varianta 7 (şi pentru eventuale variante ulterioare) se prevede realizarea:

• Antenelor MIMO; • TDD cu 7,68 Mcip/s; • Servicii GERAN conversaţionale; • Alte îmbunătăţiri ce includ IMS, LCS, servicii de video şi voce.

Dezvoltarea reţelelor de comunicaţii va continua şi în viitor. Reţelele celulare au evoluat

până în prezent prin adăugarea de capacităţi noi la sisteme şi prin îmbunătăţirea acestora. Un domeniu de acţiune pentru viitor este reprezentat de realizarea unor măsuri pentru sporirea capacităţii liniilor de interconexiune. Este probabil ca, în viitor, operatorii să dezvolte tehnologii mixte de acces, care vor cuprinde sisteme celulare, WLAN, radiodifuziune digitală şi sisteme cu fir. În acest mediu complex, interoperabilitatea devine un factor determinant pentru succesul noilor modele de afaceri.

Viitoarele sisteme sunt imaginate deci ca o evoluţie convergentă a sistemelor de

comunicaţii mobile şi radio şi a tehnologiilor IP. Se preconizează ca acestea să ofere o multitudine de servicii cu transfer fără întreruperi între diferite tehnologii de acces. Se realizează astfel o trecere de la modul de abordare centrat pe reţea la cel centrat pe utilizator.

Scopul iniţial al sistemelor 3G / UMTS, cel de a permite accesul la serviciile multimedia

oriunde şi în orice moment a fost îndeplinit în faza actuală a standardelor (variantele 5 şi 6). În continuare, modul de evoluţie a sistemelor UMTS se poate aprecia pe termen mediu şi pe termen lung. Pe termen mediu, considerat a fi până în aproximativ 2010, obiectivul principal este accesul optim la servicii multimedia „oriunde, oricând”, obiectiv care are trei dimensiuni:

i. Optim înseamnă performanţă îmbunătăţită. Resursele limitate precum cele oferite de spectrul

radio trebuie să fie folosite în modul cel mai eficient posibil. Tehnologiile ce îmbunătăţesc performanţa oferă servicii cu QoS garantat, adaptate modelelor de afaceri şi cerinţelor utilizatorului.

ii. Optim înseamnă furnizarea de servicii cu transfer nesesizabil între mai multe tehnologii de

acces. Aceasta subliniază tendinţa crescândă de convergenţă. Serviciile vor fi oferite, din ce în ce mai des, prin intermediul tehnologiei de acces cea mai potrivită cu cerinţele utilizatorului şi cu circumstanţele.

37

iii. Optim înseamnă furnizarea serviciilor centrate pe utilizator. Se ia în considerare faptul că serviciile nu reprezintă doar interconectare, ci şi conţinut şi context. Caracteristicile serviciilor se adaptează necesităţilor utilizatorului în ceea ce priveşte personalizarea şi securitatea.

Pe termen lung, deci după anul 2010, se pot realiza doar speculaţii asupra cadrului

tehnologic precum şi asupra dezvoltării socio-ecomomice şi geo-politice şi se pot dezvolta unele scenarii plauzibile şi flexibile. Aplicaţiile şi serviciile vor diferi, iar unele dintre ele vor avea nevoie de soluţii noi care, probabil, vor dezvolta noi tehnologii.

Una dintre problemele principale ale evaluării pe termen lung este cea de a se dezvolta

tehnologii, regimuri de reglementare, modele de afaceri, pentru a permite furnizarea de servicii pe zone mari de acoperire, cu un venit mediu pe utilizator, ARPU, scăzut. Dezvoltarea şi desfăşurarea unor tehnologii, a unor regimuri de reglementare şi a unor modele de afaceri, pentru a produce sisteme cu inteligenţă înglobată, cu capacitatea de a se adapta cerinţelor utilizatorilor individuali, precum şi cu asigurarea securităţii cât mai bune a comunicaţiilor, reprezintă una dintre provocările pe termen lung aflată în faţa industriei de profil.

1. 3. 2 Dezvoltarea cdma2000 Evoluţia cdma2000 se desfăşoară în paralel cu cea a UMTS. Evoluţia a început cu

cdmaOne, echivalentul GSM. Au urmat cdma2000 1xRTT, considerat ca făcând parte din 2,5G şi cdma2000 1xEV-DO. În paralel cu acesta din urmă, din cdma2000 1xRTT s-a dezvoltat cdma2000 1xEV-DV.

Pentru cdma2000 activitatea de standardizare este realizată în comitetul 3GPP2, cu

următoarele etape realizate până în variantele iniţiale:

• cdma2000 1x, care reprezintă o evoluţie pentru cdmaOne, acceptând servicii de date în mod pachet cu viteze până la 144 kbit/s.

• cdma2000 1xEV-DO care introduce o nouă interfaţă radio şi acceptă servicii de date de mare

viteză pe sensul descendent. Specificaţiile au fost completate în 2001. Sistemul foloseşte pentru transmisii de date o purtătoare de 1,25 MHz. 1xEV-DO oferă viteze de până la 2,4 Mbit/s pentru sensul descendent şi doar de 153 kbit/s pe sensul ascendent. Transmisia simultană a vocii în cazul folosirii variantei 1x sau a datelor în cazul 1xEV-DO, este dificilă din cauza folosirii de purtătoare separate pe sens.

• cdma2000 1xEV-DV care introduce o tehnică radio nouă şi o arhitectură IP pentru accesul

radio şi pentru reţeaua de bază. Vitezele de transmisie prevăzute sunt de până la 3 Mbit/s. 3GPP2 urmăreşte o dezvoltare a cdma2000, astfel încât acesta să ofere un serviciiu mai

eficient clienţilor şi, în acelaşi timp, să permită introducerea de noi servicii. Se urmăreşte îmbunătăţirea calităţii serviciului, creşterea securităţii reţelei etc. în condiţiile unor tehnologii multiple radio şi de constituire a reţelelor. Se are în vedere evoluţia terminalelor mobile, evoluţia capacităţilor interfeţei radio de a transporta IP în condiţiile creşterii vitezei de transmitere a datelor precum şi realizarea unei mobilităţi într-un mediu al reţelelor de acces eterogen, în continuă schimbare. Reţeaua de bază va continua, la rândul ei, să evolueze pentru a oferi un cadru solid pentru control şi semnalizare, QoS, securitate şi managementul serviciilor de voce şi video.

38

Evoluţia cdma2000 ca şi a altor sisteme de comunicaţie este marcată de două elemente

majore şi anume de migrarea de la reţele cu comutare de circuite la reţele cu comutare de pachete şi de promovarea posibilităţii de transfer a serviciilor între diferite sisteme de acces, fără ca utilizatorul să perceapă aceasta8. Acest tip de transfer implică o mobilitate completă între diferite tehnologii de acces precum şi tehnologii de acces independente de serviciile oferite prin intermediul lor.

Ariile de acţiune pentru îmbunătăţirile ce urmează a fi realizate sunt:

Tehnologia interfeţei radio. Aspecte referitoare la reţeaua radio de acces, inclusiv arhitectura RAN. Mobilitatea între tehnologia de acces radio cdma2000 şi alte tehnologii de acces. Convergenţa la nivelul reţelei de bază cu alte reţele radio, cu cablu şi cu fir.

În prezent, sistemele din familia cdma2000 oferă viteze de transmisie în domeniul 1÷10

Mbit/s. Pentru viitor se estimează că se vor obţine viteze de transmisie de 10÷1000 Mbit/s, pentru o bandă de frecvenţă de ordinul zecilor de MHz. Se va oferi trafic IP, cu calitatea integrată a serviciilor pentru QoS şi cu o eficienţă îmbunătăţită a folosirii spectrului. Viitoarele interfeţe cdma2000 vor fi mai bine adaptate la un răspuns rapid faţă de variaţiile de trafic. Se va oferi o protecţie mai bună faţă de datele transportate printr-un mediu dinamic şi "ostil". Se estimează că, pentru viitoarele protocoale ale interfeţei radio, se va opta pentru metoda de multiplexare OFDM. Este de menţionat că, în urma folosirii purtătoarelor multiple pentru interfaţa radio HRPD, viteza de vârf estimată a se obţine va fi de circa 100 Mbit/s.

Reţeaua celulară de acces radio oferită de cdma2000 este bazată pe o topologie ierarhică.

Odată cu trecerea de la reţeaua de acces cu circuite comutate la cea cu comutare de pachete, este necesar ca arhitectura corespunzătoare să se adapteze la un volum în creştere de aplicaţii bazate pe comutarea de pachete. Aceasta este necesar pentru a oferi un transport eficient de pachete IP şi pentru a susţine mobilitatea în cadrul şi între reţelele de acces. În privinţa evoluţiei reţelei de acces radio se manifestă o serie de tendinţe:

• Natura reţelei de transport de fundal se schimbă în mod rapid de la o reţea cu conectivitate

punct-la-punct, TDM, la o reţea de tip fiecare cu fiecare IP/Ethernet, cu conectivitate bazată pe pachete.

• Tipurile de servicii şi aplicaţii solicitate se modifică rapid. RAN trebuie să susţină un volum de trafic în continuă creştere, cu susţinerea QoS şi cu diferenţierea serviciilor.

• Înmulţirea diferitelor tehnologii de acces radio conduce la necesitatea unor transferuri imperceptibile între tehnologii.

Odată cu apariţia serviciilor de date în mod pachet, volumul şi cerinţele de QoS pentru

datele prelucrate prin reţea creşte în mod dramatic, iar aplicaţiile desfăşurate în timp real, precum VoIP, streaming video etc. pot să depăşească posibilităţile modelelor existente de reţea. De aceea, în dezvoltarea unor RAN evoluate vor trebui să fie urmărite probleme ca:

• Topologie logică distribuită. • Folosirea protocoalelor cap-la-cap stratificate. • Proiectare extensibilă şi recurentă.

8 seamless services

39

• Proiectare interoperabilă. Reţelele de tip mesh vor căpăta o mai mare importanţă, în paralel cu modelul actual,

ierarhizat. În orice caz, flexibilitatea topologiei va creşte, astfel încât reţeaua să se poată adapta cât mai bine la necesităţile operatorilor.

Migrarea traficului suport9 de la reţelel în mod circuit la cele în mod pachet reprezintă un

element critic de piaţă pentru evoluţia mobilităţii tehnologiei intra/inter acces. De altfel, sunt comercial disponibile terminale care acceptă date 3G în mod pachet, servicii cu comutare de circuite şi una sau mai multe interfeţe radio IEEE 802.11 şi tehnologia avansează, astfel încât, curând, vor fi disponibile comercial terminale care să poată folosi trei sau patru tehnologii de acces diferite, posibil unele non-radio.

Reţelele curente au rezolvat problema mobilităţii în cadrul sectoarelor moultiple ale

staţiei de bază. Totuşi, rămân încă de rezolvat probleme ale unor straturi superioare de protocol, de menţinere a canalelor suport care conectează terminalul la Internet, pentru susţinerea mobilităţii din straturile inferioare de protocol. Se urmăreşte realizarea unor soluţii care să ofere nu doar o mobilitate îmbunătăţită în cadrul unei anumite reţele de acces, ci care să permită o mobilitate îmbunătăţită între diferite tipuri de reţele de acces.

O problemă importantă a Internet este lipsa de adrese prin folosirea protocolului IPv4. Se

are deci în vedere folosirea predominantă a modului de adresare IPv6, fără însă a se exclude posibilitatea de folosire a IPv4.

Se preconizează că IMS va reprezenta viitorul cadru de lucru în reţeaua de bază, atât

pentru UMTS cât şi pentru cdma2000. În acelaşi timp, în prezent, în cdma2000, serviciile sunt non-IMS, Acestea vor continua să se dezvolte şi să se extindă astfel încât, noile reţele vor trebui să aibă capacitatea de a se adapta atât pentru mediul de servicii IMS cât şi pentru cel non-IMS.

Se prevede că IMS va furniza structura de control în viitorul previzibil. Cooperarea în

cadrul dezvoltării standardelor IMS a condus la o dezvoltare unitară a IMS, care va fi capabil să accepte o varietate de reţele de acces, oferite prin standardele 3GPP, 3GPP2, IEEE 802 precum şi prin alte organisme de standardizare. Astfel, IMS apare ca baza pe care operatorii îşi vor construi în viitor serviciile.

O altă problemă este reprezentată de securitatea comunicaţiei, securitatea reprezentând un

element cheie al serviciilor oferite prin reţea. De altfel, securitarea reprezintă o condiţie critică pentru livrarea unui serviciu fiabil şi pentru continuitatea afacerii, în toate reţelele bazate pe IP. Pentru viitoarele variante va fi deci necesară folosirea unor mecanisme avansate de securitate, capabile să apere funcţiunile reţelei de atacuri şi să permită utilizatorilor să desfăşoare o activitate protejată de acestea. Este necesară protejarea terminalelor mobile de atacuri provenite din partea Internetului şi a altor terminale mobile. Pentru a răspunde la astfel de provocări este proiectată configuraţia şi controlul de "firewall" pentru reţea. În plus, traficul de VoIP va trebui să fie tratat în mod special, separat de traficul de acces Internet.

Vor fi necesare, de asemenea, acţiuni de redimensionare a principiilor de construire a

sistemului de QoS, corespunzător trecerii de la transmisia de comutare a circuitelor la cea de comutare de pachete.

9 bearer traffic

40

1. 3. 3 Performanţele UMTS; caracteristici generale ale UTRA Principiul de bază folosit în UMTS este folosirea simultană a unui canal de

radiofrecvenţă de către mai mulţi utilizatori, separaţi între ei prin codurile care le sunt atribuite. În UMTS tehnicile de duplexare adoptate sunt CDMA de bandă largă, WCDMA, la care transmisia pe cele două sensuri de comunicaţie se realizează pe canale radio diferite şi TDMA/CDMA10 la care duplexarea celor două sensuri de comunicaţie este realizată în acelaşi canal radio, în intervale de timp diferite.

Sistemele dezvoltate în cadrul UMTS trebuie să realizeze condiţiile impuse pentru

interfaţa radio, UTRA, condiţii ce sunt determinante pentru performanţele sistemelor. Condiţiile impuse interfeţei radio sunt derivate din rezultatele care se doresc a fi obţinute, deci din cadrul de servicii şi facilităţi care trebuie creat prin intermediul UMTS. Interfaţa UTRA trebuie să fie capabilă să suporte un domeniu de viteze de utilizator care depinde de mediul în care evoluează utilizatorul, după cum urmează11:

rural exterior de cel puţin 144 kbit/s, cu dorinţa de a se ajunge la 384 kbit/s, pentru o viteză

maximă de deplasare de 500 km/h; suburban, exterior, de cel puţin 384 kbit/s, cu dorinţa de a se ajunge la 512 kbit/s, pentru o

viteză maximă de deplasare de 120 km/h; interior sau exterior pentru distanţe scurte, de cel puţin 2 Mbit/s, la o viteză maximă de

deplasare de 10 km/h. UMTS poate fi folosit în diferite medii de operare în care densităţile de trafic variază în

limite foarte largi, pornind de la valori de trafic foarte redus şi terminând cu valori mari de trafic. Traficul într-un mediu poate prezenta variaţii mari iar prin introducerea unui nou serviciu se schimbă şi numărul utilizatorilor creşte. Este deci necesar ca interfaţa UTRA să aibă o flexibilitate suficientă pentru a se adapta uşor la variaţiile de trafic.

Performanţele generale ale UMTS (tabelul 1. 5) trebuie interpretate ca performanţe care

sunt îndeplinite de varianta de bază (varianta '99) a UMTS. Variantele ulterioare oferă posibilitatea realizării unor viteze mai mari de transmisie precum şi alte îmbunătăţiri.

Tabelul 1. 5

Minimum de capacităţi suport în UMTS Timp real / Întârziere constantă Timp nonreal / Întârziere variabilă

Mediul de operare

Viteza de transmisie de vârf a

biţilor

BER / Întârziere

maximă de transfer

Viteza de bit de vârf

BER / Întârziere maximă de

transfer

Rural, exterior (viteza terminalului până la 500 km/h) (note 1, 5)

cel puţin 144 kbit/s, de preferat 384

kbit/s. Pasul 16 kbit/s sau

mai mic

Întârziere 20 – 30 ms

BER 10-3 – 10-7

(nota 4)

cel puţin 144 kbit/s (de

preferat 384 kbit/s)

BER 10-5 – 10-8

întârziere maximă 150 ms sau mai

mult

10 notat de obicei TD-CDMA 11 performanţe impuse pentru varianta '99 a UMTS. Variantele ulterioare aduc îmbunătăţiri acestor performanţe.

41

(nota 3) (nota 2) Urban / suburban exterior (viteza terminalului până la 120 km/h)

cel puţin 384 kbit/s, de preferat 512

kbit/s. Pasul 40 kbit/s sau

mai mic

(nota 3)

Întârziere 20 – 30 ms

BER 10-3 – 10-7

(nota 4)

cel puţin 384 kbit/s (de

preferat 512 kbit/s)

BER 10-5 – 10-8

întârziere maximă 150 ms sau mai

mult (nota 2)

Interior / exterior pe distanţe mici (viteza terminalului până la 10 km/h)

2 Mbit/s Pasul 200 kbit/s

sau mai bun (nota 3)

Întârziere 20 – 30 ms

BER 10-3 – 10-7

(nota 4)

2 Mbit/s BER 10-5 – 10-8

întârziere maximă 150 ms sau mai

mult (nota 2)

Note: 1. Valoarea de 500 km/h ca valoare maximă pentru care interfaţa UTRA trebuie încă să satisfacă condiţiile de

realizare a comunicării pentru zone rurale a fost aleasă astfel încât sistemul să poată asigura serviciul de comunicaţie pentru vehicole de mare viteză, de exemplu pentru trenuri. Trebuie însă remarcat că valoarea maximă de viteză nu reprezintă o valoare tipică pentru mediul rural.

2. Valoarea maximă pentru întârzierea de transfer trebuie să fie considerată ca fiind îndeplinită pentru 95% din date.

3. Pentru fiecare dintre mediile radio considerate se propune o primă estimare a treptelor de viteze de transmitere. 4. Este de aşteptat să se realizeze un compromis între BER şi întârziere. 5. Evaluarea performanţelor radio se va concentra asupra unor viteze tipice pentru mediul rural, incluzând valori

de până la 250 km/h. Interfaţa UTRA este astfel concepută încât să fie independentă de serviciul realizat. Prin

aceasta se uşurează introducerea de noi servicii. De asemenea, prin modul de definire a UTRA se face posibilă introducerea treptată a diferitelor tehnologii cu realizarea de maximum de compatibilitate cu tehnicile şi serviciile anterior date în folosinţă.

UTRA este concepută pentru o arhitectură modulară a terminalelor mobile şi cu o

concepţie arhitecturală corespunzătoare referitoare la staţiile de bază, prin care să se permită folosirea unui soft performant al interfeţei radio.

UTRA trebuie să suporte mobilitatea utilizatorului atât în interiorul unui mediu de

operare cât şi între mediile de operare radio. Pentru realizarea completă a mobilităţii terminalului este necesar ca transferul să evite întreruperea comunicaţiei la depăşirea limitei celulei. În sensul cel mai larg al noţiunii, transferul12 reprezintă schimbarea canalelor fizice pe care funcţionează o legătură de comunicaţie, cu menţinerea legăturii de comunicaţie, fiind posibil atât în conexiunea radio mobilă cât şi în conexiunea fixă. Definiţia include atât transferul între canalele unei celule (transfer intracelular) cât şi transferul între celule. Este necesar ca:

• transferul între celulele unui operator, deci în cadrul aceleiaşi reţele, să se desfăşoare fără ca

utilizatorul să observe aceasta; • între două reţele diferite ale operatorilor sau între diferite reţele de acces UTRA să nu

împiedice transferul, fără ca utilizatorul să cunoască aceasta; • să fie posibil transferul între UMTS şi GSM.

12 handover

42

1. 3. 3. 1 Sistemul WCDMA Principalele caracteristici ale WCDMA la interfaţa radio sunt cuprinse în tabelul 1. 6.

Tabelul 1.6 Principalele caracteristici ale sistemului WCDMA la interfaţa radio

Schema de acces multiplu DS – CDMA Accesul duplex FDD / TDD Viteza de transmisie de cip 4,096 Mcip/s (extensibilă la 8,192 Mcip/s şi 16,384 Mcip/s) Distanţa dintre purtătoare (4,096 Mcip/s)

Flexibilă în domeniul 4,4÷5,2 MHz (rastrul purtătoarelor 200 kHz)

Lungimea unui cadru 10 ms Sincronizarea între staţiile de bază

Modul FDD; nu este necesară sincronizarea de precizie; Modul TDD: este necesară sincronizarea

Schema multi – viteză / viteză variabilă

Codare convoluţională (rata 1/2 - 1/3)

Schema de codare a canalului

Codare exterioară Reed – Solomon, opţională (rata 4/5)

Accesul de pachete Mod dual (canal comun şi canal dedicat) Varianta WCDMA ediţia ’99:

prezintă suport pentru viteze mari de transmisie (384 kbit/s pentru zone mari de acoperire şi 2 Mbit/s pentru acoperire locală);

permite flexibilitatea sporită a serviciilor, cu acceptarea serviciilor multiple, paralele şi cu viteză de transmisie diferită pentru fiecare serviciu;

asigură un mod de acces eficient pentru transmisia în mod pachet; oferă suport pentru aplicarea unor tehnologii viitoare de îmbunătăţire a capacităţii şi

acoperirii, cum ar fi folosirea antenelor adaptive, a structurilor îmbunătăţite de receptoare şi a diversităţii emiţătorului;

permite realizarea transferului între frecvenţe, precum şi realizarea de operaţii în structuri ierarhice de celule şi transferul cu alte sisteme, inclusiv transferul cu GSM;

permite atât operarea cu duplexare în frecvenţă, FDD ca şi în timp, TDD. Spectrul de frecvenţă necesar unui operator WCDMA, pentru realizarea capacităţii

complete de comunicaţie, cu trei straturi de celule suprapuse, este ilustrat în figura 1. 19. Îmbunătăţirea performanţelor unui sistem WCDMA se poate obţine folosind o serie de

procedee tehnice care au fost introduse, treptat, în variantele evoluate ale WCDMA. În general, într-un sistem CDMA este uşor să se obţină o calitate imediată şi câştiguri de acoperire şi capacitate, ca urmare a folosirii raţionale a resursei de putere. Aceasta rezultă în cadrul unei celule din faptul că puterea reprezintă singura resursă folosită în comun de utilizatorii simultani. Dacă pentru un utilizator calitatea legăturii creşte, puterea de emisie poate fi micşorată pentru acea legătură şi toţi utilizatorii sistemului vor beneficia de aceasta, deoarece folosesc în comun aceeaşi resursă de putere.

43

Pentru îmbunătăţirea performanţelor sistemelor W-CDMA se pot folosi o serie de tehnici

moderne dintre care se enumeră:

Alt operator UMTS

Diversitatea de antenă pe sensul descendent. La staţia mobilă nu este necesară, în principiu, folosirea diversităţii de antenă. Totuşi, dat fiind că prin folosirea diversităţii de antenă se poate obţine un câştig de circa 3 dB, procedeul poate fi folosit la terminale pentru obţinerea unei calităţi superioare şi a unei capacităţi mai bune.

Diversitatea la emiţător. Pe sensul de transmisie descendent se poate folosi diversitatea

ortogonală de transmisie. Procedeul se realizează prin separarea fluxului de date în mai multe fluxuri care sunt transmise prin antene diferite. Se obţine o îmbunătăţire a calităţii şi a capacităţii.

Structuri de receptor. WCDMA este proiectat să funcţioneze fără să aibă nevoie de

receptoare pentru detecţia comună pentru semnale multiple de utilizator. Totuşi, câştigul potenţial de capacitate pentru aceste receptoare în sistemul WCDMA este recunoscut şi este luat în considerare. Posibilitatea de folosire doar a codurilor scurte pe sensul ascendent facilitează introducerea unor structuri de receptor mai avantajoase, cu o complexitate rezonabilă.

Antene adaptive. Antenele adaptive sunt recunoscute ca dispozitive prin care se poate susţine

o capacitate mai mare şi o acoperire mai bună a sistemului. Soluţiile ce folosesc antene adaptive sunt acceptate în cadrul conceptului WCDMA, prin folosirea biţilor pilot dedicaţi conexiunii atât pe sensul ascendent cât şi pe sensul descendent. Mai mult, problemele de la antenele adaptive au fost incluse în proiectarea canalelor fizice comune pe sensul descendent.

Suport pentru relee şi ODMA. Studiile efectuate asupra WCDMA conduc la concluzia că în

acest sistem, cu creşteri minime în complexitatea părţii mobile şi de cost, se poate organiza transmisia ca releu şi se pot folosi procedeele ODMA. ODMA reprezintă un protocol

Pute

re

Frecvenţă

Fig. 1. 19 Utilizarea frecvenţelor pentru sisteme WCDMA

5,0 ÷ 5,4 MHz 5,0 ÷ 5,4 MHz

4,2 ÷ 5,0 MHz 4,2 ÷ 5,0 MHz

Bandă de operator, 15 MHz, 3 straturi de celule

TimpAlt operator UMTS

44

inteligent de transmisie tip releu aplicat pentru un subsistem WCDMA. Protocolul separă traseele dificile din punct de vedere radio în secţiuni mai scurte, pentru care se permite scăderea puterii de transmisie sau mărirea vitezei de transmisie. Scopul protocolului este de a selecta ruta cea mai puţin costisitoare prin transmisia tip releu, având în vedere că punctele releu se deplasează şi traseul radio evoluează dinamic. Simulările au demonstrat că prin folosirea procedeului de relee, se obţine îmbunătăţirea acoperirii şi a flexibilităţii şi se poate creşte capacitatea prin scăderea puterilor de transmisie şi a interferenţelor inter-celule asociate.

La acestea se adaugă posibilitatea de aplicare a unei serii de procedee cum ar fi HSDPA

şi HSUPA, folosirea protocoalelor HARQ, a antenelor MIMO, a introducerii folosirii IMS etc. 1. 3. 3. 2 Sistemul TD-CDMA TD-CDMA reprezintă un sistem dezvoltat pe baza unui concept de acces multiplu care

foloseşte diviziunea de frecvenţă, de timp şi de cod. Pentru TD-CDMA, un canal fizic este caracterizat prin frecvenţă, slot de timp şi cod de împrăştiere, conform structurii fizice a canalului. Componenta CDMA este folosită pentru realizarea diversităţii de interferenţă, precum şi pentru a se obţine un pas relativ fin al vitezelor de transmisie, fără variaţii mari ale puterii medii. Componenta TDMA se bazează pe structura de timp folosită în GSM. Este folosită pentru a construi interfaţa UTRA bazată direct pe tehnologia bine verificată a GSM, pentru a asigura un transfer facil între GSM şi UMTS ca şi pentru a micşora numărul de coduri care trebuie să fie procesate simultan, deci pentru a face detecţia multi-utilizator posibilă chiar de la începutul aplicării UMTS. În cadrul sistemului se realizează stabilitatea şi se foloseşte avantajul diversităţii de frecvenţă. Purtătoarea de bandă largă adoptată face posibilă folosirea unor viteze mari de utilizator şi oferă avantajul diversităţii de frecvenţă.

Arhitectura generală a sistemului TD-CDMA respectă structura generală a unui sistem

UMTS. TD-CDMA a fost dezvoltat pe baza următoarelor idei fundamentale:

Componenta CDMA oferă diversitate pentru interferenţe şi permite o divizare fină a vitezelor de transmisie a datelor, fără a fi nevoie de variaţii mari ale puterii medii.

Componenta TDMA se bazează pe structura adoptată de GSM şi este folosită:

• pentru a realiza UTRA pornind direct de la tehnologia de vârf verificată pe GSM; • pentru asigurarea unui transfer uşor între GSM şi UMTS; • pentru reducerea numărului de coduri de procesat simultan, deci pentru a face ca

detecţia multi-utilizator să fie realizabilă încă din primele zile de folosire a sistemului; • pentru a beneficia de împărţirea ortogonală a resurselor radio astfel încât să se evite

instabilităţile.

Sistemul foloseşte detecţia multi-utilizator, rezistentă la efectul ‘aproape-departe13’. Se obţine anularea interferenţelor între celule, realizând astfel stabilitatea fără un control rapid şi precis al puterii. Se evită transferul soft.

Se folosesc purtătoare de bandă largă. Astfel se pot realiza vitezele de transmisie mari a

datelor, solicitate de UMTS, şi se beneficiază de avantajele oferite de diversitatea de frecvenţă.

13 near-far

45

Principalele caracteristici ale TD-CDMA la interfaţa radio sunt cuprinse în tabelul 1. 7.

Tabelul 1. 7 Parametrii principali ai unui sistem TD/CDMA

Parametrul Valoarea Schema de acces multiplu TDMA şi CDMA (FDMA implicit) Metoda duplex FDD şi TDD Distanţa dintre canale 1,6 MHz Viteza de purtătoare / viteza de cip

2,167 Mcip/s

Structura de slot de timp 8 sloturi / cadru TDMA Împrăştierea Ortogonală, 16 cip/simbol Lungimea cadrului de timp 4,615 ms Conceptul multi-viteză multi-slot şi multi-cod Coduri FEC R = 1/8…..1 (convoluţional, înţepat14) Întreţeserea Întreţesere inter-slot Modulaţia QPSK / 16QAM Tipuri de burst 2 tipuri diferite de burst

burst tip 1: pentru medii cu împrăştiere cu întârziere mare burst tip 2: pentru medii cu împrăştiere cu întârziere mică.

Forma pulsului Impuls de bază GMSK C0(t) Detecţia Coerentă, sprijinită pe midambul Controlul puterii Lent Transferul / Transferul IF Transfer hard asistat de staţia mobilă Alocarea canalului Acceptat transfer lent şi rapid DCA Interferenţa între celule Eliminată prin detecţie comună Interferenţa în cadrul celulei Asemănătoare cu a altor sisteme celulare care folosesc zone de

repetiţie (cluster) 1. 3. 4 Arhitectura UMTS Arhitectura reţelelor UMTS este realizată astfel încât să satisfacă condiţiile impuse pentru

interfaţa UTRA. Din punctul de vedere al relaţiei dintre utilizator şi UMTS se poate defini o reţea de bază

şi o reţea de acces (figura 1. 20). Reţeaua de bază este o reţea fixă de comunicaţii, care poate fi, de exemplu, partea fixă a unei reţele GSM, o reţea B-ISDN sau N-ISDN, o reţea de transmisii de date, PDN, o conexiune prin sisteme de sateliţi etc. Reţeaua de acces este compusă dintr-un controlor de reţea radio, care are rolul de a gestiona resursele radio atribuite reţelei de acces şi de a organiza şi de a supraveghea aceasta şi din noduri radio, care reprezintă echipamente de emisie recepţie structurate în conformitate cu tehnica de modulaţie şi de multiplexare adoptate.

14 punctured

46

Reţea de bază

Reţea de acces

Controlor de reţea

radio

Noduri radio Noduri radio

Fig. 1. 20 Structura de principiu a unui sistem UMTS

Bandă de ope

Controlor de reţea

radio

Canal radio decomunicaţie Echipament

mobil

Paragraful 1. 3. 1 realizează prezentări detaliate ale diferitelor variante de reţele UMTS,

în funcţie de etapele de dezvoltare ale acestuia. Structura generală a UMTS poate fi împărţită pe domenii de lucru15 (figura 1. 21). fiecare

dintre ele cu rolul său specific. Se deosebesc două domenii principale:

a. domeniul echipamentului de utilizator; b. domeniul infrastructurii.

Domeniul USIM

Domeniul reţelei de

apartenenţă

Domeniul reţelei de serviciu

Zu

Domeniul echipamentului

mobil

Domeniul reţelei de

acces

Domeniul reţelei de

tranzit

Yu Iu Uu Cu

Domeniul echipamentului de utilizator Domeniul infrastructurii

Fig. 1. 21 Definirea domeniilor în UMTS şi a punctelor de referinţă dintre domenii

15 Un domeniu reprezintă grupul de cel mai înalt nivel de entităţi fizice ce pot fi puse în evidenţă în cadrul reţelei

47

Domeniul infrastructurii este format din domeniul reţelei de acces şi domeniul reţelei de bază. Reţeaua de bază, la rândul ei, conţine domeniile reţelei de serviciu (cea prin care la momentul respectiv utilizatorul mobil îşi realizează comunicaţia), reţelei de tranzit şi cel al reţelei de apartenenţă, la care utilizatorul este înregistrat. Infrastructura conţine noduri fizice între entităţile reţelei. În nodurile reţelei se realizează diferitele funcţii necesare acesteia şi pentru a îndeplini diferitele cerinţe de servicii de telecomunicaţii formulate de utilizatori. Se poate spune că infrastructura reprezintă un grup de resurse folosite în comun de toţi utilizatorii autorizaţi aflaţi în zona de serviciu a reţelei şi prin care se realizează serviciile oferite acestora.

Domeniul echipamentului de utilizator al reţelei UMTS este reprezentat de echipamentul

mobil, denumit şi echipament de utilizator. În sistemele de comunicaţii mobile de generaţia a treia acestea sunt, în general, echipamente multifuncţionale, care permit din punct de vedere tehnic conectarea la mai multe tipuri de reţele radio de acces din generaţia a treia şi din generaţia a doua de sisteme de comunicaţii mobile. Conţine echipamentul mobil şi modulul SIM de utilizator.

Echipamentul de utilizator este echipamentul folosit de acesta pentru a avea acces la

serviciile oferite de UMTS. Interfaţa dintre domeniul echipamentului de utilizator şi domeniul infrastructurii, realizată prin mijloace radio şi notată cu Uu, este în UMTS interfaţa UTRA.

Domeniul echipamentului de utilizator cuprinde diferite tipuri de echipamente cu

funcţiuni şi cu oferte diferite. Punctele de referinţă pentru domeniul echipamentului de utilizator sunt Cu şi Uu, conform figurii 1. 21. Aceste echipamente de utilizator, uneori denumite şi echipamente terminale, pot fi compatibile cu una sau mai multe interfeţe de acces, fixe sau radio. Un exemplu în acest sens îl reprezintă echipamentele duale GSM – UMTS. Echipamentul de utilizator poate să conţină şi o cartelă inteligentă, SIM, care poate fi folosită în diferite tipuri de echipamente. Deci domeniul echipamentului de utilizator se poate subdiviza în:

domeniul echipamentului mobil, ME şi domeniul modulului de identitate pentru serviciile de utilizator, USIM.

În domeniul echipamentului mobil se realizează transmisia radio cu diferite aplicaţii. La

rândul său, echipamentul de utilizator se poate subdiviza în mai multe entităţi, fiecare responsabilă pentru o funcţiune specifică ofertei realizate sau pentru transmisia radio. Astfel terminaţia mobilă realizează funcţiunea radio iar un echipament terminal, de exemplu un laptop conectat la telefonul mobil, oferă o aplicaţie tip cap-la-cap.

Modulul USIM este o cartelă “inteligentă” care conţine date şi proceduri prin care aceasta

se indentifică în mod sigur şi fără ambiguităţi. Funcţiunile sunt înregistrate optic pe cartela inteligentă. Cartela este asociată cu un utilizator dat, pentru care reprezintă o identitate de utilizator, indiferent de echipamentul mobil folosit.

Domeniul reţelei se poate subdiviza în:

domeniul reţelei de acces16; domeniul reţelei de bază17.

16 access network 17 core network

48

Domeniul reţelei de acces este reprezentat de entităţile fizice care gestionează resursele reţelei de acces şi pune la dispoziţia utilizatorului mecanismul de acces către domeniul reţelei de bază. Punctele de referinţă care delimitează domeniul reţelei de acces sunt Uu şi Iu. În domeniul reţelei de acces se realizează cea mai mare parte a funcţiunilor specifice tehnicilor de acces, în timp ce funcţiunile realizate în reţeaua de bază pot fi potenţial folosite împreună cu fluxul de informaţii care poate utiliza oricare dintre tehnicile de acces adoptate. Acest mod de împărţire permite diferite abordări pentru domeniul reţelei de bază, pentru fiecare mod de abordare fiind specificat tipul distinct de reţea de bază conectabil la reţeaua de acces, diferitele tehnici de acces permise precum şi reţelele de acces conectabile la reţeaua de bază specificată.

Domeniul reţelei de bază este format din entităţi fizice care oferă suportul fizic pentru

caracteristicile reţelei şi pentru realizarea serviciilor de telecomunicaţii. Sunt realizate o serie de funcţiuni ca:

• managementul informaţiei de localizare a utilizatorului; • controlul caracteristicilor reţelei şi serviciilor; • mecanismele de transfer (comutare şi transmisie) pentru semnalizări şi pentru informaţiile

generate de utilizator. Delimitarea între domeniul reţelei de acces şi cel al reţelei de bază este dată de punctul de

referinţă Iu. În interiorul domeniului reţelei de bază se definesc:

a. punctul de referinţă Zu între domeniul reţelei de serviciu şi cel al reţelei de apartenenţă şi b. punctul de referinţă Yu, între domeniul reţelei de serviciu şi cel al reţelei de tranzit.

Domeniul reţelei de bază poate fi subdivizat, în funcţie de poziţia pe care reţeaua de bază

o are în raport cu utilizatorul, în:

domeniul reţelei de serviciu; domeniul reţelei de apartenenţă; domeniul reţelei de tranzit.

Domeniul reţelei de serviciu reprezintă acea parte a domeniului reţelei de bază la care

este conectată reţeaua de acces prin care se oferă acces nemijlocit utilizatorului. Prin acesta se oferă utilizatorului funcţiunile locale ale reţelei de bază în punctul de acces. Oferta se poate modifica pe măsura schimbării poziţiei utilizatorului în reţea. Domeniul reţelei de serviciu este responsabil pentru rutarea apelurilor şi pentru transportul datelor/informaţiilor de utilizator de la sursă la destinaţie. Domeniul reţelei de serviciu trebuie să fie capabil să colaboreze cu domeniul reţelei de apartenenţă, care-i oferă datele despre utilizator şi despre serviciile specifice de care acesta poate să beneficieze, precum şi cu domeniul reţelei de tranzit, pentru obţinerea unor date/servicii nespecifice utilizatorului.

Domeniul reţelei de apartenenţă oferă funcţiunile reţelei de bază referitoare la o localizare

permanentă a utilizatorului mobil, indiferent de localizarea punctului de acces al acestuia. Modulul USIM este conectat, prin datele de abonament pe care le conţine, la domeniul reţelei de apartenenţă. Din acest motiv, reţeaua de apartenenţă conţine, cel puţin, datele permanente specifice utilizatorului şi este responsabilă pentru gestionarea informaţiei referitoare la abonamentul acestuia. Reţeaua de apartenenţă poate, de asemenea, să realizeze servicii specifice, care nu sunt în mod potenţial oferite de domeniul reţelei de serviciu.

49

Domeniul reţelei de tranzit reprezintă partea localizată pe traseul de comunicaţie, situată între domeniul reţelei de serviciu şi partea distantă (partea cu care intră în relaţie de comunicaţie utilizatorul considerat). Dacă, de exemplu, pentru un apel anumit, partea distantă este situată în aceeaşi reţea ca şi echipamentul de utilizator care a declanşat apelul, domeniul reţelei de tranzit rămâne inactiv.

1. 3. 4. 1 Arhitectura WCDMA Arhitectura reţelelor UMTS este realizată astfel încât să respecte condiţiile impuse la

interfaţa UTRA. În UMTS se folosesc două tipuri de reţele, compatibile între ele şi compatibile cu reţelele europene de generaţia a doua18. În cazul CDMA de bandă largă, WCDMA, transmisia pe cele două sensuri de comunicaţie se realizează pe canale radio diferite. Un sistem CDMA de bandă largă, WCDMA, oferă:

• purtătoare CDMA de bandă largă, necesare pentru a se obţine un grad superior de diversitate

de frecvenţă şi viteze ridicate de transmisie; • un strat fizic flexibil, necesar pentru implementarea serviciilor, cu acceptarea unui domeniu

larg pentru viteza de transmisie; • posibilitatea de realizare a coexistenţei şi a transferului cu GSM; • un mod de implementare convenabil, începând cu UMTS ’99, cu posibilitatea de realizare a

performanţelor îmbunătăţite, folosind o serie de proceduri moderne de comunicaţii precum antene adaptive, detecţia multi-utilizator etc.

Canalele fizice folosite reprezintă asocierea dintre banda de frecvenţă atribuită staţiei nod

B, de 5 MHz, la care se asociază codul atribuit utilizatorului şi intervalul de timp corespunzător. Deoarece codurile atribuite diferiţilor utilizatori din aceeaşi celulă sunt ortogonale între ele, aceştia pot folosi simultan aceeaşi bandă de frecvenţe a nodului B. Pentru sistemele WCDMA se pun în evidenţă mai multe tipuri de canale fizice:

Canale fizice dedicate, atribuite unei anumite comunicaţii, ce cuprind: Canale fizice dedicate pentru sensul descendent (de la reţea la staţia mobilă). Canale fizice dedicate pentru sensul ascendent (de la staţia mobilă la reţea).

Canale fizice comune, folosite în comun de utilizatorii conectaţi la un nod B:

Canale comune fizice de control primare şi secundare. Canale de sincronizare.

Informaţiile transmise pe canalele fizice sunt împărţite şi transmise, în funcţie de natura

lor, pe canale logice, care pot fi canale de control comune şi canale dedicate.

Din analiza funcţionării WCDMA şi a procedeelor realizabile pentru utilizarea eficientă a resurselor radio, rezultă că:

• Se pot oferi viteze de transmisie de până la 2 Mbit/s, pentru diferite medii de operare. Cu unele modificări neesenţiale, în WCDMA se poate ajunge până la 4 Mbit/s sau la 8 Mbit/s, iar prin HSDPA şi HSUPA la circa 14 Mbit/s.

18 GSM

50

• Sistemul este flexibil şi oferă o gamă largă de servicii, a căror formare şi compunere poate fi realizată conform cerinţelor utilizatorului, în cadrul condiţiilor generale de funcţionare şi ale condiţiilor impuse de operator.

• În general, nu este necesară o planificare în interiorul benzii de operator, deci banda atribuită

poate fi folosită fără coordonare de către operator, dar rămâne valabilă necesitatea ca o autoritate de reglementare să stabilească benzile care pot fi folosite de sistemele UMTS, precum şi partajarea benzii între operatori ca şi între folosirea licenţiată şi cea nelicenţiată a benzii.

• Serviciile oferite sunt compatibile cu serviciile suport oferite de ATM, GSM, ISDN, precum

şi cu protocoalele Internet (IP). • Sistemele oferă o eficienţă înaltă în folosirea spectrului pentru un mixaj tipic de servicii

suport, eficienţă cel puţin la fel de bună ca şi cea pentru GSM în cazul transmisiilor vocale de viteză redusă.

• Accesul terestru radio poate să se adapteze cel puţin la acelaşi nivel de protecţie pe care-l

oferă interfaţa radio a staţiei mobile. • Sistemul este flexibil şi în raport cu configuraţiile de acoperire, facilitând evoluţia acoperirii

şi a dezvoltării capacităţii. Se pot realiza reţele celulare suprapuse, dacă banda de frecvenţe atribuită utilizatorului este suficientă.

• Sistemul acceptă folosirea unor staţii mobile precum relee de transmisie, pentru eliminarea

umbririlor pe traseu şi pentru micşorarea puterii. Pentru multiplexare se pot folosi simultan mai multe canale fizice şi mai multe coduri.

Dezavantajul constă în necesitatea unei transmisii multi-cod, ceea ce are impact asupra complexităţii staţiei mobile. După codarea canalului şi multiplexarea serviciilor, viteza de transmisie totală realizată pentru utilizator devine aproape arbitrară. Prin adaptarea vitezei de transmisie se pune de acord această viteză de transmisie realizată cu setul limitat de viteze posibile pe canalul fizic de date dedicat. Adaptarea vitezei este oarecum diferită pentru sensurile de comunicare ascendent şi descendent. Serviciile multiple, care aparţin aceleiaşi conexiuni sunt, în cazul normal, multiplexate în timp.

Fiind construit ca un sistem celular, în unele cazuri cu două sau trei rânduri de celule

suprapuse, în funcţie de configuraţia zonei şi de numărul de utilizatori potenţiali, sistemul WCDMA trebuie să ofere soluţii pentru o serie de probleme referitoare la stabilirea şi menţinerea legăturii de comunicaţie. Acestea se referă la:

a. Accesul aleator; b. Alocarea codului; c. Adaptarea vitezei de transmisie; d. Controlul puterii; e. Căutarea iniţială a celulei; f. Transferul legăturii de comunicaţie; g. Admisia şi controlul congestiei.

51

1. 3. 4. 2 Arhitectura TD-CDMA Arhitectura generală a sistemului TD-CDMA respectă structura generală a unui sistem

UMTS, prezentată în figura 1. 20. Operarea în timp, cod şi frecvenţă a canalului fizic TD-CDMA este dependentă de

structura de cadre şi multicadre folosită, precum şi de structurile de cod. Se pot alege mai multe structuri de cadru, însă posibilitatea de funcţionare în colaborare cu GSM impune ca între TD-CDMA şi GSM să se poată realiza un transfer nesesizabil19, care are capacitatea să permită unui utilizator să treacă dintr-o reţea în alta, fără întreruperea legăturii de comunicaţie. Deci, structura multicadru trebuie să fie asemănătoare cu cea a GSM, cu îmbunătăţirile corespunzătoare. Pe de altă parte, cerinţele de control impuse de protocolul de acces de pachete (RLC/MAC) trebuie să fie încorporate în structura multicadru operaţională.

În structura analizată (figura 1. 22), toate unităţile de resurse (toate purtătoarele radio,

toate sloturile de timp şi toate codurile pe slot de timp) folosesc un multicadru cu 13 cadre. Dacă unui canal de trafic i se alocă o resursă, 12 din cele 13 cadre (pe sensul ascendent sau pe sensul descendent) vor transporta informaţii de utilizator, iar cadrul rămas va fi folosit fie pentru canale de semnalizare dedicate (ACCH), fie pentru canale de semnalizare comune (SCH sau S-RACH), fie pentru monitorizare. Unitatea de resurse, care transportă purtătoarea BCCH foloseşte multicadrul cu 13 cadre. Acesta este analog cu multicadrul GSM, care conţine 26 cadre şi la care jumătate din fiecare al 13-lea cadru (deci la fiecare 26 cadre odată) se foloseşte pentru SACCH, cealaltă jumătate fiind rezervată pentru monitorizare. Lungimea unui cadru FDD este de 4,615 ms, deci la fel ca la GSM, corespunzând la 10000 perioade de cip.

Cadrul TDMA are durata de 10 ms (figura 1. 23) şi este împărţit în 16 sloturi de timp,

fiecare cu durata de 625 μs. Un slot de timp corespunde la 2560 chips. Fiecare dintre cele 16 sloturi de timp ale unui cadru pot fi alocate fie pentru sensul ascendent fie pentru sensul

Supercadru = 9 Multicadre = 117 d

Multicadru = 13

TS0 TS1 TS2 TS4 TS5 TS3 TS6 TS7

Cadru cu 8 sloturi de

codul 1 codul 2 codul 3 codul 4 codul 5 codul 6 codul 7 codul 8

Fig. 1. 22 Un exemplu de structură multicadru, compatibilă GSM

19 seamless

52

descendent de comunicaţie. Datorită acestei flexibilităţi, modul TDD poate fi uşor adaptat pentru diferite medii de funcţionare şi pentru diferite scenarii de desfăşurare a comunicaţiei.

Pentru sistemele TD/CDMA, conceptul de management al resurselor radio trebuie să

rezolve probleme ca:

10 ms

4096 Mcip/s

625 μs Fig. 1. 23 Structura de cadru TD-CDMA

a. modul de alocare a canalului; b. controlul calităţii legăturii; c. controlul puterii; d. controlul admisiei; e. transferul.

1. 3. 5 Procedee de îmbunătăţire a performanţelor în reţele 3G Procedeul HSDPA reprezintă o îmbunătăţire a caracteristicilor de transmisie ale UMTS,

oferind posibilitatea măririi vitezei de transmisie de la reţea către utilizator, de la 2 Mbit/s la aproximativ 14 Mbit/s. Procedeul devine posibil în cadrul ediţiei a 5-a a UMTS Prin aplicarea sa, furnizorii de servicii vor beneficia de noi capacităţi oferite reţelelor UMTS, care se vor putea dezvolta şi coexista împreună cu capacităţile oferite de reţelele din primele generaţii ale UMTS (’99, ediţia 4). Uneori, 3G folosind HSDPA este denumit şi ca 3,5G (Congresul 3GSM de la Cannes, 2005).

Versiunea modernizată a WCDMA, cu HSDPA, reprezintă o soluţie care face posibilă

oferirea de servicii mobile de bandă largă, cu viteze pentru transferul de date similare reţelelor fixe de bandă largă. Aceleaşi servicii de bandă largă, furnizate astăzi de reţelele fixe, sunt cerute şi în reţelele mobile.

Pentru realizarea unor procedee de mărire a vitezei de transmisie într-un sistem radio, se

foloseşte adaptarea parametrilor de transmisie la condiţiile oferite de canalul folosit. Procesul de modificare a parametrilor de transmisie, pentru compensarea variaţiilor canalului folosit este denumit adaptarea legăturii. O altă tehnică din aceeaşi categorie este folosirea modulaţiei şi a codării adaptive, AMC.

HSDPA se caracterizează prin adaptarea rapidă la schimbările condiţiilor de lucru ale

canalului radio. Pentru rezolvarea necesităţii de transmisie de mare viteză către utilizator, la UMTS / WCDMA ediţia 5, se introduce un canal de transport de mare viteză care este partajat pe sensul descendent.

Realizarea HSDPA se bazează pe folosirea unui canal radio cu viteză mare de transmisie,

partajat între utilizatori. AMC reprezintă o caracteristică fundamentală a HSDPA şi constă în optimizarea continuă a ratei codului, a schemei de modulaţie şi a numărului de coduri folosite şi a puterii retransmise pe fiecare cod. Astfel, canalul este adaptabil la condiţiile variabile ale

53

mediului radio şi are capacitatea să realizeze retransmisia rapidă a datelor eronate. De aceea, managementul canalului trebuie să fie situat aproape de interfaţa radio. Pentru aceasta, în cadrul UMTS ediţia 5, în WCDMA, a fost introdus un canal partajat, de mare viteză, pe sensul descendent, HS-DSCH. Introducerea HSDPA îmbunătăţeşte performanţa la utilizatorii finali prin:

mărirea vitezei de vârf pentru transmisia datelor la 14 Mbit/s pe sensul descedent; reducerea întârzierii; mărirea de 2 ÷ 3 ori a capacităţii sistemului.

şi foloseşte următoarele procedee: • transmisia pe canal partajat; • modulaţia de ordin superior; • intervalul scurt de timp de transmisie; • adaptarea rapidă a legăturii; • programarea rapidă; • procedeul hibrid pentru cererea de retransmitere automată, ARQ.

Pentru exemplificare, tabelul 1. 8, prezintă categoriile de transmisie, respectiv vitezele ce

se pot obţine la utilizator, în funcţie de tipul de modulaţie, de numărul de coduri şi de numărul de intervale dintre TTI.

Tabelul 1. 8

Categorii HSDPA la utilizator

Categoria Nr. coduri

Inter-TTI

Nr. total biţi soft Modulaţia

Viteza de date

[Mbit/s] 1 5 3 19200 QPSK/16QAM 1,2 2 5 3 28800 QPSK/16QAM 1,2 3 5 2 28800 QPSK/16QAM 1,8 4 5 2 38400 QPSK/16QAM 1,8 5 5 1 57600 QPSK/16QAM 3,6 6 5 1 67200 QPSK/16QAM 3,6 7 10 1 115200 QPSK/16QAM 7,2 8 10 1 134400 QPSK/16QAM 7,2 9 15 1 172800 QPSK/16QAM 10,2 10 15 1 172800 QPSK/16QAM 14,4 11 5 2 14400 Doar QPSK 0,9 12 5 1 Doar QPSK 1,8

Avantajele aduse de HSDPA constau în:

• utilizarea eficientă a codurilor de canal şi a resurselor de putere, prin folosirea în comun a

resurselor; • utilizarea unui interval scurt de transmisie, care permite urmărirea rapidă a variaţiilor

condiţiilor canalului de comunicaţie;

54

• utilizarea adaptării legăturii, care permite maximizarea folosirii canalului şi care permite staţiei de bază să opereze aproape la puterea maximă permisă în celulă;

• utilizarea modulaţiei de ordin superior 16QAM, care oferă viteză mare de transmisie; • utilizarea programării rapide, care permite acordarea de priorităţi utilizatorilor ce dispun de

cele mai favorabile condiţii ale canalului de comunicaţie; • în funcţie de scenariul folosit, câştigul combinat în capacitate este de două–trei ori mai mare

faţă de WCDMA ’99; • reprezintă o dezvoltare a WCDMA, fiind astfel complet compatibilă cu acesta.

Astfel, HSDPA oferă un bun suport tehnic pentru realizarea de transmisiuni cu viteză

mare, în primul rând de transmisii multimedia, în condiţii de mobilitate, atât în timp real cât şi în timp non-real, cu un control corespunzător al calităţii transmisiei.

1. 3. 6 Folosirea protocolului Internet pentru sisteme multimedia Protocolul IP pentru subsisteme multimedia, IMS, reprezintă un model de arhitectură a

viitorului pentru telefonia multimedia pe Internet şi a fost definită de operatorii care intenţionează să continue să ofere servicii de telefonie, chiar şi atunci când telefonia clasică va fi înlocuită de cea pe Internet. Din punct de vedere tehnic IMS reprezintă însă o arhitectură nouă, deoarece introduce noi tehnologii şi noi concepte. Astfel, IMS are o arhitectură complet nouă, care are la bază standardele Internet / IETF şi VoIP şi care este extinsă la gestionarea adresării pe domenii, ca în cazul e-mail. Intenţia realizării IMS este de a oferi operatorilor un standard pentru telefonia Internet şi oferă avantajul de a nu fi dependent de tehnologia reţelei, devenind astfel o bază pentru realizarea multor servicii multimedia. Structura iniţială, de principiu, a IMS este ilustrată în figura 1. 24.

În faza iniţială, IMS a fost perceput ca o evoluţie a tehnologiei IMT-2000 (actual 3G),

care aduce ca elemente noi:

Terminal mobil non-IMS

(de ex. GPRS)

Terminal mobil IMS

Posibilitatea de a realiza comunicaţii multimedia persoană la persoană, în timp real, pe baza protocolului IP (de ex. comunicaţie vocală);

Capacitatea de a integra complet comunicaţiile multimedia desfăşurate în timp real şi în timp non-real şi comunicaţiile persoană la maşină;

Capacitatea de interacţiune între diferite servicii şi aplicaţii; Capacitatea oferită utilizatorului de a realiza într-un mod foarte comod servicii multiple într-

o singură sesiune sau în sesiuni multiple, simultan sincronizate.

(cu adresare Ipv6)

Terminal fix non-IMS (cu adresare E164)

PSTN / ISDN

Reţea mobilă cu capacităţi IMS

Internet fix

Alte PLMN

inutTerminal fix IMS

(cu adresare dinamică IPv4)

Conţ

Fig. 1. 24 Interoperabilitatea între reţele IMS şi reţele non-IMS

55

IMS oferă capacităţi multimedia de comunicare în timp real de la persoană la persoană,

cu integrarea serviciilor, servicii telefonice configurate conform cerinţelor utilizatorului şi sesiuni multiple sincronizate. Serviciile multimedia în timp real, de la persoană la persoană, în cele mai multe cazuri conţin telefonie vocală. În viitor va spori şi conţinutul de videotelefonie. Trecerea la IMS înseamnă că aceste servicii vor fi oferite într-un singur domeniu de pachete, bazat pe protocoale Internet. IP se transformă din ce în ce mai mult într-un standard la nivel mondial, pentru telecomunicaţii, tehnologia informaţiei, divertisment, telemetrie, telecomenzi etc. Aceasta înseamnă că, în viitor, utilizatorul unui videofon mobil va fi capabil să comunice cu un grup de utilizatori care folosesc un display convenţional de televiziune, conectat la o reţea de cablu sau un display PC şi un modem de bandă largă.

Capacitatea de integrare a telefoniei cu alte servicii de informaţie şi de date şi capacitatea

de a le permite acestora să interacţioneze, este cel mai bine ilustrată prin luarea în considerare a unei agende şi a modului în care se realizează apelul. În prezent, realizarea unui apel către un utilizator implică cunoaşterea numărului de adresare respectiv, formarea manuală a acestui număr sau folosirea memoriei telefonului pentru formarea acestuia. În cazul unui telefon IMS, serviciile integrate de informaţii / date permit stabilirea direcţionării „on-line”. Un director „on-line” este totdeauna actualizat automat de către reţea, în cazul în care detaliile referitoare la abonat se modifică. Mai mult, odată contactul găsit în director, utilizatorul nu trebuie decât să facă „click” pe numele utilizatorului chemat, caz în care numărul sau adresa URL în cazul IMS se realizează automat.

Serviciul de „prezenţă” folosit de IMS, oferă utilizatorului chemător informaţii cum ar fi

faptul că a stabilit un contact valabil, iar dacă acesta nu este valabil poate oferi mijloace alternative de contact (cum ar fi SMS, e-mail, poşta vocală etc.). Prezenţa susţine, în special, serviciile pentru utilizatorii mobili şi contactele mobile, în primul rând dacă acestea sunt combinate cu servicii LCS. În cazul în care se doreşte realizarea unui contact cu o organizaţie, mai degrabă decât cu un utilizator individual, organizaţia este capabilă să configureze modul de prezentare al informaţiei oferite şi deci şi modul în care apelurile îi pot fi adresate.

O altă caracteristică a IMS o reprezintă capacitatea sa de a realiza sesiuni multiple,

sincronizate, care pot să conţină orice mixaj de medii, de exemplu voce, video, text sau care pot să combine comunicaţii în timp real cu informaţii în timp non-real, persoană la persoană, persoană la maşină sau maşină la maşină. Spre exemplu, după ce cele două părţi au stabilit contactul cu ajutorul directorului personal „on-line” sau al unui dispozitiv de căutare şi au stabilit legătura, cele două părţi pot să realizeze explorarea, împreună, prin cataloage ca „Yellow Pages” pentru a găsi un furnizor sau un produs de interes comun. Pot să apeleze furnizorul, pot să poarte o discuţie împreună cu acesta şi, în anumite perioade de timp, pot să rămână în contact doar între ei, pentru a discuta unele opinii referitoare la afacere. Furnizorul le poate transmite imagini ale produsului iar după ce s-au hotărât, să confirme tranzacţia prin cartea de credit. În realizarea unui asemenea scenariu IPv6 reprezintă un element esenţial.

Trebuie remarcat că IMS nu este esenţial pentru servicii cum ar fi mesageria instantanee

sau mesageria multimedia, MMS. Totuşi, este posibilă îmbunătăţirea calităţii serviciului prin folosirea IMS. Astfel, cu ajutorul IMS, caracteristicile MMS pot fi integrate împreună cu telefonia vocală pentru a oferi servicii noi, combinate şi inovative.

56

Realizarea IMS se bazează pe protocoalele VoIP, definite de IETF, şi are la bază:

Protocolul RTP, care reglementează transportul fluxurilor voce / video. Echipamentul care transmite foloseşte un codec ce transpune fluxul de date într-unul dintre formatele G711, MP3, AAC sau MPEG. Fluxul de date este împărţit în pachete, pe care se marchează momentul de timp fiind apoi transmise la destinaţie. Mesajele RTP sunt recepţionate, aşezate în ordinea de timp corectă şi decodate.

SIP este folosit pentru a realiza un apel între hosturi (în mod tipic telefoane), astfel încât

persoanele să poată comunica video sau prin voce. Chemătorul transmite un mesaj SIP de invitaţie către hostul apelat, mesaj în care sunt înscrişi parametrii tehnici ai conexiunii RTP. Răspunsul hostului apelat începe cu un mesaj de sonerie către chemător. În momentul în care persoana apelată ridică receptorul din furcă, se transmite accepul către chemător. Hostul chemător rezolvă problemele SIP acceptate, incluzând parametrii RTP negociaţi. Apoi conexiunea RTP între terminale este deschisă. Trebuie remarcat că SIP poate fi folosit şi pentru alte scopuri, cum ar fi mesageria instantanee.

La conectarea unui telefon la reţea, acesta transmite un mesaj SIP către HSS, mesaj ce

este înregistrat în directorul de domenii. HSS gestionează asocierile ce se realizează între nume şi adresele IP.

O funcţie specifică IMS este funcţia de control a sesiunii de apel, CSCF. CSCF conţine

funcţia de control al politicii (care este politica de calitate a serviciului) şi gestionează stabilirea sesiunii SIP şi controlul apelului. CSCF poate avea trei roluri şi anume:

• Proxy-CSCF (P-CSCF), care reprezintă primul punct de contact de la mobil la IMS; • CSCF de serviciu (S-CSCF), care realizează în mod real etapele sesiunii în reţea; • CSCF de interogare (I-CSCF), care este punctul de contact pentru conexiune, destinat unui

abonat al reţelei. Situaţiile care se pot întâlni în realizarea unui apel sunt:

Pentru a iniţia un apel, utilizatorul chemător transmite un mesaj de invitaţie prin intermediul S-CSCF, care transformă numele utilizatorului chemat în adresa IP a acestuia, selectându-se totodată operaţia ce urmează a fi realizată (direcţionarea, poşta vocală etc.). În cazul apelului vocal de bază, S-CSCF cere de la HSS adresa IP a utilizatorului chemat şi, apoi, transmite mesajul SIP de invitaţie către respectiva adresă. Rolul funcţiei S-CSCF este:

• La partea chemătoare să identifice drepturile serviciului chemătorului şi S-CSCF ale chematului.

• La partea chemată să înlocuiască numele simbolic al chematului cu adresa IP a acestuia.

Un operator poate separa utilizatorii în consumatori şi profesionişti, fiecare dintre aceştia cu

S-CSCF diferiţi şi cu aplicaţii diferite. Deoarece operatorul reţelei poate lucra cu mai multe S-CSCF, este necesar să existe un singur punct de intrare, care poate transmite mesajele SIP de intrare către S-CSCF relevant. În cazul în care utilizatorul chemător se află în afara reţelei de domiciliu, sarcina aceasta este repartizată de un P-CSCF care este un I-CSCF, astfel că mesajul SIP este redirecţionat de I-CSCF către S-CSCF.

57

În cazul în care legătura nu poate fi realizată, S-CSCF trebuie să transmită utilizatorului chemător un mesaj prin care să-l informeze despre aceasta. În acest scop, S-CSCF apelează MRFC, care răspunde utilizatorului chemător în locul celui chemat. Răspunsul este astfel formulat încât utilizatorul chemător este conectat la MRFP, care este un sistem media capabil să transmită un mesaj de tipul „telefonul apelat nu este disponibil. Rog reveniţi.”

IMS oferă o serie de avantaje, care-l fac atractiv pentru comunicaţiile moderne

multimedia:

Simplitatea. Telefonia bazată pe RTP/SIP, ca şi alte servicii Internet pentru comunicaţii host la host. IMS adaugă funcţiuni în reţele, deci între hosturi, cu scopul de a uşura folosirea serviciilor sau pentru a adăuga noi funcţii serviciilor.

Flexibilitatea. Pentru fiecare serviciu nou creat este uşoară adăugarea unor noi aplicaţii sub

forma unor funcţii de procesare a mesajelor SIP.

Integrarea cu alte servicii Internet. În cazul IMS, mesajele de „sonerie” conţin adresa web a sunetului ce va fi folosit şi poate face referire la o fotografie a destinatarului sau la un clip ce va fi transmis sau o pagină web afişată pe ecranul chemătorului.

Standard deschis pentru telefonia Internet. Operatorii de reţea propun folosirea IMS ca un

standard deschis, sper deosebire de soluţii de firmă ca MSN Microsoft, AOL, Yahoo etc. Aceşti operatori sunt „obligaţi” la interoperabilitate şi la folosirea avantajelor care rezultă din relaţia lor particulară cu utilizatorii pentru livrarea serviciilor. De exemplu, operatorul cunoaşte cine a plătit pentru acces şi, de aceea, poate certifica identitatea chemătorului, spre deosebire de cazul MSN, unde oricine poate declara un cont folosind orice nume.

Independenţa faţă de tehnologia reţelei. IMS se bazează pe Internet, care poate transmite

pachete IP prin reţele fixe şi mobile. IMS implementează roamingul precum şi alte caracteristici necesare mobilităţii. Un telefon public poate fi perceput de sistemele IMS ca un telefon personal atâta timp cât la intrare s-a folosit secvenţa de parolă personală.

Bază pentru servicii multimedia inovative. Arhitectura IMS nu se limitează la acceptarea

telefoniei Internet. Ea reprezintă, de asemenea, baza pentru o gamă largă de noi servicii, care îmbogăţesc interacţiunile şi experienţa utilizatorului. Deoarece se bazează pe Internet şi controlează sesiuni SIP, IMS poate îngloba necesităţile API, astfel încât să dezvolte şi să solicite aplicaţii prin API de nivel superior.

1. 4 Reţele WiMAX 1. 4. 1 Probleme generale ale WiMAX Tehnologia WiMAX se bazează pe standardele IEEE 802.16-2004 pentru sisteme FWA

şi IEEE 802.16e dacă utilizatorul are mobilitate. Cea mai recentă versiune a standardului IEEE 802.16 este 802.16-2004, anterior cunoscut sub numele de 802.16d. Aceasta înglobează versiunile anterioare ale standardului şi oferă aplicaţii LOS şi aplicaţii NLOS. Soluţia pentru WiMAX este bazată pe standardul IEEE 802.16 şi pe standardul HIPERMAN elaborat de ETSI. WiMAX are în vedere abordarea a două versiuni:

58

• WiMAX 802.16-2004. Se bazează pe versiunea 802.16-2004 a standardului IEEE 802.16 şi pe standardul HIPERMAN al ETSI. Foloseşte OFDM cu 256 purtătoare şi acceptă accesul fix sau nomadic20, atât în medii LOS cât şi în medii NLOS. Se dezvoltă cu echipamente din gospodăria21 utilizatorului, CPE, pentru mediu de interior şi de exterior precum şi carduri PCMCIA pentru laptopuri. Profilurile iniţiale stabilite de Forumul WiMAX sunt în benzile de frecvenţă de 3,5 GHz şi 5,8 GHz şi cu primele produse certificate la sfârşitul anului 2005;

• WiMAX 802.16e. Se realizează optimizarea pentru canalele radio mobile dinamice. Varianta

se bazează pe amendamentele introduse de 802.16e, oferind posibilităţi de transfer şi de roaming. Se foloseşte procedeul SOFDMA, care reprezintă o tehnică de modulaţie ce foloseşte subcanalizarea. Furnizorii serviciilor care vor desfăşura echipamente 802.16e vor putea folosi reţeaua şi pentru a oferi servicii fixe. Forumul WiMAX nu a stabilit încă benzile de frecvenţă care vor fi folosite pentru profilurile oferite de 802.16e, dar cele mai probabile sunt benzile de frecvenţă de 2,3 GHz şi de 2,5 GHz. Certificarea produselor WiMAX conforme 802.16e se va realiza, probabil, la mijlocului anului 2006, primele produse ale acestei serii apărând pe piaţă, probabil, în primul trimestru al anului 2007.

Standardul acceptă atât modul de operare TDD cât şi pe cel FDD şi poate realiza şi

operaţii în modul FDD semiduplex. Pentru WiMAX sunt posibile mai multe profiluri, în funcţie de modul de duplexare şi de banda de frecvenţe folosită (tabelul 1. 9) iar modul de acces şi de folosire a echipamentelor WiMAX sunt prezentate în tabelul 1. 10. Produsele conforme 802.16-2004 au început să fie certificate pentru funcţionare de exterior, iar primele certificări pentru servicii şi pentru lucrul în interior sunt aşteptate a se obţine în cursul anului 2006. Profilurile pentru 802.16e sunt încă în curs de definitivare. În ceea ce priveşte primele certificări pentru 802.16e acestea se aşteaptă a se obţine în 2007.

Tabelul 1. 9

Profiluri de certificare prezentate de Forumul WiMAX Banda de frecvenţe

[MHz]

Tipul de duplexare

Banda canalului [MHz]

Standardul IEEE

3400÷3600 TDD 3,5 802.16-2004 3400÷3600 FDD 3,5 802.16-2004 3400÷3600 TDD 7 802.16-2004 3400÷3600 FDD 7 802.16-2004 5725÷5850 TDD 10 802.16-2004

20 Echipamentul de utilizator poate fi amplasat în diferite amplasamente din zona de acoperire a reţelei, fără a fi necesare declaraţii referitoare la modificarea amplasamentului poziţiei echipamentului în această zonă. 21 utiliser's premise

59

Tabelul 1. 10 Moduri de acces la o reţea WiMAX

Modul de acces

Echipamente Localizare / viteză de deplasare

Transferul Conformitate 802.16-2004

Conformitate 802.16e

Fix Interior şi exterior pentru CPE

Unică / staţionar

Nu Da Da

Nomadic Interior CPE, cartele PCMCIA

Multiplu / staţionar

Nu Da Da

Portabilitate PCMCIA sau minicard pentru laptop

Multiplu / viteză de deplasare pietonală

Transferuri hard

Nu Da

Mobilitate simplă

PCMCIA sau minicard pentru laptop, PDA-uri sau telefoane „inteligente”

Multiplă / deplasare vehicul cu viteză redusă

Transferuri hard

Nu Da

Mobilitate completă

PCMCIA sau minicard pentru laptop, PDA-uri sau telefoane „inteligente”

Multiplă / deplasare vehicul cu viteză mare

Transferuri soft

Nu Da

Printre caracteristicile care pot fi implementate în cele două variante WiMAX şi care conduc la îmbunătăţirea funcţionării şi a capacităţii de lucru în condiţii NLOS sunt MIMO şi AAS.

Oferirea posibilităţii de transfer a legăturii de comunicaţie reprezintă o altă caracteristică

esenţială introdusă de 802.16e, fiind determinată de gradul de mobilitate acceptat. Se oferă transfer hard şi transfer soft, alegerea tipului de transfer fiind, cel puţin la momentul actual, o opţiune a operatorului. În cazul transferului hard staţia mobilă este conectată, la un moment dat, la o singură staţie de bază, fiind varianta cea mai simplă de transfer, iar transferul este însoţit de o întrerupere a comunicaţiei. Transferul soft permite utilizatorului să menţină conexiunea cu staţia de bază cu care se afla în legătură de comunicaţie, până când se realizează conexiunea cu noua staţie de bază.

Parametrii generali ai sistemelor WiMAX sunt sintetizaţi în tabelul 1. 11.

60

Tabelul 1. 11 Parametri generali, caracteristici pentru WiMAX

Parametrul WiMAX Observaţii Distanţa de lucru

Până la 50 km, tipic cu celule de 6÷10 km

Acceptă o dispersie mai mare a întârzierii multitraseu, prin folosirea 256 FFT

Acoperirea De exterior, NLOS, cu antene cu tehnici avansate

Are un câştig mare al sistemului şi penetrare bună prin obstacole la distanţe mari

Scalabilitatea Proiectat să accepte sute de CPE, cu numeroşi utilizatori conectaţi la fiecare CPE

Poate folosi toate frecvenţele disponibile, canale multiple şi acceptă o dezvoltare celulară.

Viteza de transmisie

5 biţi/Hz. Viteză de vârf până la 100 Mbit/s pe canal de 20 MHz

Oferă o modulaţie de ordin superior, cuplată cu o corecţie flexibilă a erorilor, ceea ce conduce la o folosire mai eficientă a spectrului.

QoS QoS înglobat în nivelurile de serviciu MAC voce/video

Oferă MAC dinamic, bazat pe TDMA, cu alocarea la cerere a lărgimii de bandă.

Dezvoltarea tehnologiei WiMAX a fost prevăzută a se realiza în trei faze:

i. Faza 1 (2004÷2005): Echipamente pentru amplasamente fixe, pentru servicii pe linii private, pentru reţele de fundal22 în zone aglomerate23. În faza 1, s-au instalat servicii pe linii dedicate pentru transportatorii de informaţii şi pentru întreprinderi. Se oferă acces de tip Internet unor clienţi asociaţi precum şi combinaţii cu reţele WiFi în zone aglomerate pentru a se realiza transmisii către şi de la o conexiune centrală, de mare capacitate pentru Internet.

ii. Faza 2 (2005÷2006): Acces radio de bandă largă / acces DSL radio. Scade preţul

echipamentelor, ceea ce le face mai accesibile pentru instalare în locuinţele clienţilor. Se estimează că, folosind tehnologii compatibile WiMAX, numărul de furnizări de servicii Internet prin radio va creşte exponenţial.

iii. Faza 3 (2007): Echipamente pentru utilizatori mobili / nomadici. Dezvoltarea se concentrează

asupra pieţei de comunicaţii mobile, de bandă largă. Se prevede integrarea completă cu „cipuri” şi antene WiMAX, pentru a permite utilizatorilor mobili să transmită şi să recepţioneze fişiere de bandă largă precum prezentări multimedia, transmisii video etc. printr-o conexiune radio de bandă largă.

1. 4. 2 Soluţia WiMAX pentru mobilitate Soluţia WiMAX care oferă mobilitate se bazează pe standardul 802.16e şi aduce o serie

de avantaje în comparaţie cu 802.16-2004:

• Mobilitate. Transferul legăturii de comunicaţie se va putea realiza pentru viteze de deplasare de până la 120 km/h.

• Pentru echipamentele mobile se pot utiliza tehnici de prelungire a vieţii sursei de alimentare

cum ar fi folosirea unor moduri de economisire a puterii şi trecerea pe modul de aşteptare24.

22 backhaul network 23 high spot 24 sleep mode

61

• O acoperire mai bună de interior, realizată prin folosirea subcanalizării şi a sistemelor de antene adaptive, AAS. Totuşi, deoarece antenele de exterior pot să compenseze acoperirea limitată de interior, folosirea AAS nu reprezintă un avantaj clar în favoarea utilizatorului mobil care foloseşte un laptop sau un PDA.

• O flexibilitate mai mare în gestionarea resurselor de spectru, obţinută prin folosirea

subcanalizării, care permite reţelei să aloce în mod „inteligent” resursele, în funcţie de necesităţile utilizatorului. În acest mod se obţine o folosire mai eficace a spectrului, o viteză mai mare de transfer a datelor şi, în unele cazuri, o reducere a costurilor.

• Un domeniu mai mare pentru factorii de formă ai echipamentelor de utilizator. Se estimează

că piaţa de echipamente 802.16-2004, atât în varianta de exterior cât şi în cea de interior, va fi dominată de CPE-uri şi de laptopuri cu carduri PCMCIA, în timp ce ca echipamente de utilizator 802.16e se pot folosi laptopuri cu carduri PCMCIA, minicarduri, modemuri de interior, telefoane, PDA-uri. Varietatea mai mare de echipamente admise permite operatorilor să extindă gama de servicii, să se cucerească noi segmente de piaţă şi să ofere libertate de mişcare abonaţilor.

Pentru a îmbunătăţi performanţele în cazul propagării pe căi multiple într-un mediu de tip

NLOS, soluţia mobilă adoptată de WiMAX la interfaţa radio foloseşte OFDMA. În prima variantă25, WiMAX mobil se realizează pentru canale cu lărgimi de bandă de 5 MHz, 7 MHz, 8,75 MHz şi 10 MHz, în benzile de frecvenţă de 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz şi 3,5 GHz. Soluţia WiMAX se caracterizează printr-o serie de proprietăţi specifice:

• Viteză mare de transmisie. Poate fi pe sens descendent de până la 63 Mbit/s pe sector şi de

până la 28 Mbit/s pe sector, pe canal de 10 MHz; pentru aceasta se folosesc scheme avansate de modulaţie şi de codare, scheme flexibile de folosire a subcanalelor combinate cu tehnici MIMO de antenă etc.

• Calitatea serviciului. Conform standardului 802.16, există un mecanism flexibil pentru

optimizarea folosiri resurselor de spaţiu, timp şi frecvenţă la interfaţa radio, mecanism ce se bazează pe tehnica folosirii cadrelor. În acest mod se pot realiza diferite calităţi ale serviciului.

• Scalabilitatea. Pentru a se putea adapta la diferite standarde, tehnologia folosită permite să se

lucreze cu lărgimi de bandă ale canalului cuprinse între 1,25 MHz şi 20 MHz. • Securitatea. Este optimizată pentru clasa de echipamente cu autentificare bazată pe EAP.

Sunt acceptate diverse tipuri de cartele ca SIM/USIM, cartele inteligente26, certificate digitale, scheme nume de utilizator / parolă, bazate pe metode EAP pentru tipuri de acreditare.

• Mobilitatea. Pentru a asigura realizarea de aplicaţii în timp real, fără degradarea serviciului,

cum ar fi VoIP, sunt folosite scheme optimizate de transfer, cu întârzieri mai mici de 50 ms. În timpul transferului, securitatea este menţinută de scheme flexibile de management a cheii.

25 Release 1 26 Smart cards

62

Acronimul Semnificaţia 2G 2nd Generation 3G 3rd Generation 3GPP 3G Project Partnership 3GPP2 3G Project Partnership 2 16-QAM QAM with 16 levels

A AAC Advanced Audio Coding AAS Adaptive Antenna System or Advanced Antenna System ACK ACKnowledge AMC Adaptation Modulation and Coding AMPS Advanced Mobile Phone System AOL American On Line API Application Program Interface ARPU Average Revenue Per Utilizer ARQ Automatic Retransmission reQest ASCI Advanced Speech Call Items AuC Authentication Center

B BG Border Gateway BSC Base Station Controller BSIC Base Station Identity Code BSS Base Station Subsystem BTS Base Transceiver Station

C CAMEL Customised Application for Mobile network Enhanced Logic CATv CAble Television CDMA Code Division Multiple Access CDR Call Detail Record CG Charging Gateway CPE Customer Premises Equipment CQI Channel Quality Indication CSCF Call Session Control Function CSPDN Circuit Switched Public Data Network

D DCA Dynamic Channel Allocation DCS Digital Communication System DS-CDMA Direct Sequence CDMA DSCH Downlink Shared CHannel

E EAP Extensible Authentication Protocol EC Echo Chanceller EDGE Enhanced Data rates for GSM/global Evolution EIR Equipment Identity Register ETSI European Telecommunications Standards Institute EUDCH Enhanced Uplink for Dedicated CHannels EV-DO Evolution-Data Organised EV-DV Evolution Data and Voice

F

63

FCC Federal Communication Committee FDD Frequency Duplex Division FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform

G GERAN GSM Enhanced Radio Access Network GGSN Gateway GPRS Support Node GMSC Gateway Mobile Switching Center GMSK Gaussian Minimum Shift Keying GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobiles

H HARQ Hybrid ARQ HIPERMAN High PErformance Radio Metropolitan Area Network HLR Home Location Center HRPD High Rate Packet Data HSCSD High Speed Circuit Switched Data HSDPA High Speed Downlink Packet Access HS-DSCH High Speed Downlink Shared CHannel HSS Home Subscribers Server HSUPA High Speed Uplink Packet Access

I IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IETF Internet Engineering Task Force IMEI International Mobile station Equipment Identity IMS IP Multimedia Service IMSI International Mobile Subscriber Identity IMT-2000 International Mobile Telecommunication system - 2000 IP Internet Protocol IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6 ISDN Integrated Services Digital Network ISUP ISDN User Part IW Inter Working IWF Interworking Function

L LCS LoCation Services LOS Ligne Of Sight LTP Long Term Prediction

M MAC Medium Access Control MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service ME Mobile Equipment MIMO Multiple In Multiple Out MP3 Music Player 3 MPEG Moving Picture Expert Group MS Mobile Station MSC Mobile Switching Center MSISDN Mobile System ISDN

64

MSRN Mobile Station Roaming Number MT Mobile Terminal

N NACK Negative ACKnowledge NMT Nordic Mobile Telephone NLOS Non Ligne Of Sight NSS Network SubSystem

O ODMA Opportunity Driven Multiple Access OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OMA Open Mobile Alliance OSA Open System Architecture

P PAD Packet Assembler Disassembler PCM Pulse Code Modulation PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association PCS Personal Communication System PCU Packet Control Unit PDA Personal Digital Assistant PDN Packet Data Network PLC Power Line Communications PLMN Public Land Mobile Network PoC PTT over Cellular POTS Plain Old Telephone System PSPDN Packet Switched Public Data Network PTT Push To Talk

Q QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying

R RAN Radio Access Network RAND RANDom RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RNC Radio Network Controller RPE Residual Pulse Excitation RTP Real-time Transport Protocol RTT Radio Transmission Technology

S SGSN Serving GPRS Supporting Node SIM Subscriber Identity Module SIP Session Initiation Protocol SMS Short Message Service SMS-GMSC SMS-Gateway MSC SMS-SC SMS-Service Center SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access SQE Service Quality Evaluation SRES Signed RESponse

T

65

TACS Total Access Communication System TAF Terminal Adapter Function TCH/F Traffic Channel / Full TD-CDMA Time Division CDMA TDD Time Duplex Division TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity TRAU Transcoding Rate and Adaptation Unit TTI Transmission Time Interval

U UDI Unrestricted Digital Information UMTS Universal Mobile Telecommunication System USIM Utiliser SIM UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

V VLR Visitor Location Register VoIP Voice over Internet Protocol

W WCDMA Wide band CDMA Wi-Fi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network

X xDSL (x = generic) Digital Subscriber Line

66