Comunicații mobile

3.5 Rutare de apeluri în GSM

❑Clasificarea apelurilor

a) Mobile terminating calls (MT): un abonat GSM este apelat;

apelantul este un utilizator PSTN/ISDN

b) Mobile originating calls (MO): apelantul este un utilizator GSM;

un abonat PSTN/ISDN este apelat

c) Apeluri între abonaţi GSM : combinaţie de apeluri MO şi MT

❑Indiferent de tipul apelului - adresa de rutare către un abonat GSM este

MSRN

❑MSRN este obţinut prin procedura de interogare a HLR descrisă

anterior, procedură efectuată de GMSC (MT), MSC ( doar pentru apeluri

între abonaţi GSM) sau centrale PSTN (MT)

Comunicații mobile

Procedura GSM preferată pentru apeluri MT

1 . Un utilizator PSTN/ISDN formează numărul abonatului GSM (MSISDN)

2. Centrala apelantului analizează MSISDN şi, din câmpul NDC

(National Destination Code), sesizează că apelul este destinat unui abonat

GSM. Apelul este redirectat către un GMSC al reţelei HPLMN

3. Pe baza câmpului SN part din structura MSISDN, GMSC sesizează care

este HLR-ul ce memorează datele abonatului GSM şi iniţiază procedura de

obţinere a MSRN. Adresa de rutare MSRN este obţinută în urma dialogului

HLR-VLR prezentat anterior

4. Câmpul SN din structura MSRN este utilizat pentru rutarea apelului de la

GMSC către aria de servicii MSC/VLR curentă

5. Utilizând LAI (cunoscută la nivel de VLR) un mesaj de paging ce include

fie IMSI fie TMSI este construit de către MSC şi transmis via BSC la toate

staţiile de bază din aria curentă de localizare a abonatului mobil

Comunicații mobile

3.5.1 Apeluri de tip MTNotaţii:

A - apelant (MS-A dacă este un abonat GSM)

B - apelat (MS-B dacă este un abonat GSM)

HPLMN – reţeaua mobilă a unui abonat GSM

VPLMN - Visited PLMN – reţeaua mobilă curentă a unui abonat GSM❑ Apeluri naţionale iniţiate din PSTN/ISDN pentru abonaţi deserviţi

de HPLMN -PSTN/ISDN HPLMN în aceeaşi ţară

-două posibilităţi distincte:

A GMSCHLR

MSC-B BTS MS - B

HPLMN

PSTN/ISDN

VLR

LEMSISDN

MSRN

LAI (

+ TMSI)

LAI TMSI

MSISDN

MSRN

MSRN

Comunicații mobile

- legătura GMSC MSC-B este asigurată de linii dedicate PSTN/ISDN sau

poate fi asigurată de operatorul GSM

Procedura de interogare a HLR poate fi efectuată de către centrala abonatului

fix:

❑ Apeluri naţionale iniţiate din PSTN/ISDN către abonaţi în

roaming- apelul este rutat către un GMSC al HPLMN sau interogarea poate fi

efectuată de către centrala locală (sau de tranzit) a abonatului fix

A HLR

MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN

VLR

LE

HPLMN

MSRN

MSRN

LAI (

+ TMSI)

LAI

MSISDN

TMSI/IMSI

MSRN

Comunicații mobile

- serviciul de roaming trebuie să fi fost activat în prealabil- adresa VLR-ului curent este cunoscută de HLR chiar şi în situaţia de

roaming

- facilităţi de taxare sunt incluse: abonatul mobil va plăti segmentul

GSMC – aria curentă MSC/VLR

A GMSCHLR

MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN

VLR

LEHPLMN

VPLMN

MSISDN MSISDN

MSRN

MSRN

LAI (

+TMSI)

LAI IMSI/TMSI

MSRN

Comunicații mobile

❑ Apeluri internaţionale din PSTN/ISDN către abonaţi mobili

naţionali deserviţi de HPLMN

- O/G ISC – outgoing international switching centre- I/C ISC – incoming international switching centreObservaţii:

- în figura de mai sus legătura GMSC –MSC-B este asigurată de către operatorul

GSM, o altă posibilitate ar fi ca aceasta să fie efectuată pe linii dedicate

PSTN/ISDN naţionale din ţara 2 GSM 03.04 - mai multe configuraţii

A GMSCHLR

MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN

LEI/C

ISC

O/G

ISC

HPLMN

Country 2Country 1

MSISDN

MSRN

LAI

TMSI/IMSI

LAI (

+ TMSI)

MSRN

MSRN

Comunicații mobile

❑ Apeluri internaţionale din PSTN/ISDN către abonaţi mobili

aflați în roaming. PSTN şi VPLMN în acceaşi ţară

A GMSCHLR

MSC-BBTSMS - B

PSTN/ISDN

Exc.I/C

ISC

O/G

ISC

Țara 2Țara 1

O/G

ISC

I/C

ISC

HPLMN

VPLMNVLR

- efect “tromboning”

MSISDN

MSISDN/MSRN

MSRN

LAI (

+ TMSI)

LAITMSI/IMSI

IMSI/MSRN

A GMSCHLR

MSC-BBTSMS - B

PSTN/ISDN

Exc.I/C

ISC

O/G

ISC

O/G

ISC

I/C

ISC

HPLMN

Visited PLMN

Țara 1

VLR

- MS-B este în roaming în țara

apelantului

MSISDN

MSISDN

MSRN

MSRN

LAI (

+ TMSI)

LAITMSI/IMSI

Comunicații mobile

3.5.2 Apeluri de tip MO❑ adresa de rutare MSRN nu este necesară; adresa de rutare este

numărul MSISDN al utilizatorului apelat❑ inspectând câmpul NDC din structura MSISDN MSC-ul curent

sesizează că apelul este destinat unui utilizator al unei reţele fixe PSTN-

ISDN

❑VLR-ul asociat are toate informaţiile necesare pentru a gestiona

apelul -> nu este nevoie de o interogare a HLR

BMSC-ABTSMS - A

PSTN/ISDNVLR

LE

H/V PLMN

MSISDNMSISDN

Comunicații mobile

- o adresă de rutare (MSRN) este necesară pentru abonatul apelat

-obţinerea MSRN – procedură de interogare a HLR iniţiată de către

MSC sau GMSC

❑ Apeluri între abonaţi ai aceaşi reţele; ambii abonaţi în rețeaua

proprie (HPLMN)

3.5.3 Apeluri între abonaţi GSM

HLR

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

PSTN/ISDN

HPLMN

MSISDNMSISDN

MSRN MSRN

LAI

LAI TMSI/IMSI

Comunicații mobile

-pentru apeluri intra MSC (MSC-A=MSC-B) MSRN indică aceeaşi

entitate; nu sunt necesare linii dedicate PSTN

-standardul permite conectarea MSC-A şi MSC-B prin linii proprii ale

operatorului❑Apeluri naţionale între doi abonaţi ai aceeaşi reţele mobile; unul

dintre abonaţi este în situaţia de roaming

HLR

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

VLR

PSTN/ISDN

VPLMN

HPLMN

MSISDNMSISDN

MSRN

LAI (

+TMSI)

LAI

TMSI/IMSI

MSRN

Comunicații mobile

❑ Apeluri naţionale între abonaţi ai unor reţele mobile

diferite; ambii abonaţi sunt în situaţia de non-roaming-MSC-A detectează că apelul este naţional, dar că este destinat unui

utilizator mobil al unei alte reţele GSM

- standarul permite ca MSC-A să interogheze HLR-ul celeilalte reţele

pentru obţinerea MSRN

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

VLR

PSTN/ISDN

HPLMN1

HLR

HPLMN2

MSISDN

MSISDN

MSRN

MSRNLAI(+ TMSI)

LAITMSI

MSRN

Comunicații mobile

❑ Apeluri internaţionale între abonaţi GSM

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

VLR

PSTN/ISDN

HPLMN1

HLR

HPLMN2

GMSC

Țară 1

Țară 2

PSTN/ISDN

MSISDN MSISDN

MSISDN

MSRN

MSISDN

LAI(+TMSI)

LAITMSI

MSRN

Comunicații mobile

-MSC-A nu poate interoga HLR-ul asociat părţii apelate iar apelul

este rutat către un GSMC al reţelei apelate

- GMSC obţine MSRN şi rutează apelul către MSC-B pe linii PSTN

-Ce se întîmplă dacă MS-B e în situaţie de roaming în ţara MS-A?

Clasic, rutarea de apeluri are loc conform figurii următoare:

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

VLR

PSTN/ISDN

HPLMN

VPLMN

PSTN/ISDN

MSISDN MSISDN

MSISDN

LAI(+TMSI)

LAITMSIGMSC

HLRMSRN

MSRN

Țara 2

HPLMN

Comunicații mobile

SOR (Support for Optimal Routing): facilitate introdusă în faza 2+ a

standardizării GSM

MS - A BTS MSC-A

MS - B BTS MSC-B

VLR

VLR

PSTN/ISDN

HPLMN

VPLMN

PSTN/ISDN

MSISDNMSRN

LAI(+TMSI)

LAITMSIMSRN

HLR

HPLMN

MSISDN

MSRN

Comunicații mobile

Bibliografie suplimentară:

-Aceleaşi principii se aplică şi pentru apeluri de date din/către

PSTN/ISDN

-Pentru apeluri de date de tip MT iniţiate din PSTN cartela SIM

trebuie să aibă alocat un număr suplimentar AMSIDSN

GSM 09.04- Digital cellular telecommunications system; Interworking between the

Public Land Mobile Network (PLMN) and the Circuit Switched Public Data

Network (CSPDN), GSM technical specification, ETSI.

GSM 09.05- Digital cellular telecommunications system; Interworking between the

Public Land Mobile Network (PLMN) and the Packet Switched Public Data

Network (PSPDN) for Packet Assembly/Disassembly facility (PAD) access, GSM

technical specification, ETSI.

GSM 02.79 - Support of optimal routing, GSM technical specification, ETSI.

GSM 03.03 - Numbering, addressing and identification, GSM technical specification,

ETSI.

GSM 03.04- Signaling requirements for signaling of calls to mobile subscribers,GSM

technical specification, ETSI.

3.5.4 Rutarea apelurilor de date

Comunicații mobile

❑ Rutarea apelurilor în situații de portabilitate- portabilitatea numerelor mobile (MNP – Mobile Number Portability în

specificații 3GPP) permite abonaţilor să îşi păstreze numărul de telefon

(MSIDSN) atunci când îşi schimbă abonamentul (IMSI) de la un

operator la un altul;

- procedurile de rutare a apelurilor utilizează o bază de date de date

suplimentare (NPDB- Number Portability Database ) care furnizează

informații de portare. Aceasta poate fi centralizată (toți operatorii dintr-o

țară partajează aceeași NPDB) sau distribuită (o bază de date

NPDB/operator)

- rețeaua din care este portat un număr este denumită în specificațiile

3GPP number range owner network iar rețeaua în care a fost portat un

număr poartă numele de subscription network (rețea asociată noului

abonament)

- echipamentele de tip MSC și GMSC trebuie să îndeplinească funcții

suplimentare. Principalele opțiuni sunt numite generic:

Terminating call Query on Digit Analysis (TQoD)

Query on HLR Release (QoHR)

Comunicații mobile

- rutarea de tip TQoD este ilustrată mai jos pentru un apel mobil-mobil,

pentru cereri în rețeaua inițială:

NPDB HLR

GMSC1 GMSC2 MSC-B

VLR

Number range

holder networkSubscription

network

Home/visited

network

MSC-A

MSISDN

MSISDN

RN

RN +

MSISDN

MSISDN

MSRN

MSRN

- RN – routing number – identificator pentru rutare cu rol de redirectare

către noua rețea a abonatului

MSISDN

Originating

network

MSRN

Comunicații mobile

- rutarea de tip QoHR-based este ilustrată mai jos (interogarea HLR are

loc în rețeaua din care s-a făcut portarea):

- specificațiile 3GPP indică faptul că o procedură de tip TQoD poate fi

inițiată direct de rețeaua din care se inițiază apelul; în acest caz

apelurile sunt rutate fără a implica rețeaua din care numărul a fost portat

– procedura se numeste OQoD Originating call Query on Digit Analysis

HLR HLR

GMSC1 GMSC2 MSC-B

VLR

Number range

holder networkSubscription

network

Home/visited

network

MSC-A

MSISDN

MSISDN

Unknown

subscriber

RN +

MSISDN

MSISDN

MSRN

MSRN

MSISDN

NPDB

MSISDN

RN

Originating

Network

MSRN

Comunicații mobile

HLR

GMSC2 MSC-B

VLR

Subscription

network

Home/visited

network

MSC-ARN +

MSISDN

MSISDN

MSRN

MSRN

MSISDN

MSISDN

RN

- rutare de tip OQoD

MSRN

NPDB

Originating network

Bibliografie suplimentară: 3GPP TS 23.066 Support of Mobile Number

Portability (MNP); Technical realization; Stage 2 (Release 15)

Comunicații mobile

4.Interfața radio GSM

Comunicații mobile

❑ interfaţa radio= nume generic pentru conexiunea dintre o staţie mobilă şi

o staţie de bază

❑ îngloblează marea majoritate a procesărilor de semnale – implementate

de obicei de software dedicat rulând pe procesoare digitale de semnale în

stațiile mobile și în stațiile de bază

❑ accesul la reţea se face prin unde radio; acoperirea este celulară

❑ interfaţa radio implementează funcţii specifice de securitate şi

confidenţialitate

4.1 Introducere

❑ procesările de semnale sunt folosite pentru adaptare la caracteristicile

rețelei radio (debit maxim 22.8 kbps după codarea canalului) și pentru

contracararea efectelor fading-ului

Comunicații mobile

Model simplificat de propagare radio mobil

-atenuarea poate fi exprimată în dB. pentru distanțe exprimate în km

și frecvențe în MHz

-există multiple modele matematice pentru pierderile prin propagare și

pentru atenuare1

1Y. Singh -Comparison of Okumura. Hata and COST-231 Models on the Basis of Path Loss and Signal

Strength. International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) . July 1997

Comunicații mobile

Contracararea efectelor datorate atenuării se face diferit în downlink

și uplink

- downlink – configurarea dimensiunilor celulelor sau echivalent a

puterilor de emisie ale BTS-urilor (la o anumită distanță d puterea

recepționată trebui să fie mai mare de -102dBm/-104 dBm, funcție de

tipul stației mobile).

- uplink puterea de emisie a stațiilor mobile este controlată de către

BTS prin semnalizări (valori tipice 100 mW -1 W)

❑ Shadowing (fading de umbrire) : termen folosind pentru a modela

fluctuaţiile nivelului semnalului recepționat în jurul valorii medii datorită

obstrucționării căii de propagare în vizibilitate directă (LOS) de către

obstacole, conducând la propagare de tip NLOS (non-line-of sight)

- modelarea fadingului de umbrire se face printr-o distribuție de tip log-

normal (normală în domeniul logaritmic);

Comunicații mobile

- formula matematică care modelează propagarea în spațiul liber și

fadingul de umbrire este:

cu x o variabilă Gaussiană de deviație standard exprimată în dB

(valori tipice 6 - 10 dB);

- efectele fadingului de umbrire: semnalul recepționat este aleator, cu o

densitate de probabilitate log-normală și valori ce oscilează în jurul

valorii medii.

Contracarea efectelor fadingului de umbrire se face tipic la nivel BTS

prin utilizarea de două antene care recepționează independent același

semnal transmis (diversitate în spațiu). Distanța între antene trebuie să

fie suficient de mare astfel încât să asigure recepția independentă în cele două

antene.

Comunicații mobile

❑ Fading pe termen scurt (small scale fading): fluctuaţii rapide ale puterii

semnalului datorate prezenţei obstacolelor care conduc la multiple căi de

propagare prin mecanisme specifice de propagare : reflexie, difracţie şi

împrăştiere

-căile multiple de propagare conduc la existența a mai multor replici ale

semnalului transmis la receptor;

-propagarea prin difracție și penetrarea obstacolelor permit recepționarea

unui semnal, chiar dacă nu există condiții de propagare LOS;

-replicile semnalului transmis ajung la recepție cu diferite întârzieri în timp,

diferite faze şi diferite amplitudini;

-acest tip de fading poate produce împrăștierea în timp (time spreading) a

semnalului transmis: replicile transmise pot ajunge la receptor pe durata de

recepție a unor alte simboluri transmise

Comunicații mobile

Efectul direct al mobilității: caracteristicile canalului de transmisiune se

modifică în timp și în spațiu

Exemplu de semnal recepționat2:

2B. Sklar -Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems Part I: Characterization. IEEE

Communications Magazine. July 1997

-m(t) – medie globală datorată

atenuării și fadingului de umbrire

- r0(t) – fading pe temen scurt datorat

propagării multicale

Model matematic pentru semnalul

recepționat:

2 componentă datorată fadingului pe

termen scurt; semnal aleator cu o

densitate de probabilitate de tip Rayleigh

Comunicații mobile

- fadingul pe termen scurt poate conduce la apariția de minime ale

semnalului recepționat (fading dips) în care puterea semnalului scade

față de valoarea medie cu 20-30 dB cu o probabilitate nenulă

- împrăștierea în timp a semnalului transmis este un fenomen aleator

care se modelează matematic printr-o funcție densitate de probabilitate

caracterizată de următorii parametri:

Timp maxim de întârzire (maximum excess delay): diferența între prima și ultima

replică recepționată pentru un anumit simbol transmis.

Timp mediu de întârziere (mean delay): valoare calculată ca o medie ponderată a

timpilor de întârziere asociați fiecărei replici; ponderile sunt puterile detectate

pentru fiecare replică Pk

Valoarea medie pătratică a timpilor de întârziere (mean square delay)

Deviația standard a timpilor de întârziere (root mean square delay spread):

valoarea efectivă a timpilor de întârziere

( )22 −=t

- valorile tipice pentru parametrul RMS delay spread sunt de ordinul s for

pentru propagare outdoor (max 20 s în GSM) și ns pentru propagare indoor

Comunicații mobile

-fading plat – apare pentru durate de simbol TS >> t ; fadingul se

manifestă în acest caz prin reducerea raportului semnal/zgomot

- fading selectiv în frecvență –apare pentru durate de simbol TS << t ;

fadingul se acest tip de fading se manifestă prin fenomene de tip

intereferență intersimbol induse de canalul de transmisiune

- funcție de valorile parametrilor funcției de densitate de probabilitate

asociate timpilor de întârziere fadingul se clasifică astfel:

Contracarea efectelor fadingului plat se face prin:

-utilizarea de tehnici de tip frequency hopping (salt de frecvență) în

sisteme de tip FDMA – modificarea frecvenței de emisie la intervale

regulate de timp; se induce diversitate în frecvență

-utilizarea de coduri corectoare de erori cu întrețesere (interleaving); se

induce diversitate în timp

- fenomenele de tip ISI sunt cauzate de reflexii pe obiecte distante (sute

de metri- 1km)

MS BS

0

11 0

Măsuri de contracarare : folosirea de egalizoare (sisteme TDMA/FDMA).

utilizarea de corelatoare multiple (CDMA), folosirea unui număr suficient

de mare de subpurtătoare în sisteme OFDM

- interferența intersimbol impune constrângeri asupra ratei maxime de

transfer

-canalul are o funcţie de transfer selectivă în frecvenţă şi atenuează diferit

componentele spectrale ale semnalului transmis

Comunicații mobile

1

- pe lângă fenomenele de propagare multicale. semnalele

recepționate sunt afectate de efecte de tip Doppler induse de mișcarea

relativă între emițător și receptor

- efectul Doppler se manifestă prin deviații de frecvență- dacă un mobil se îndreaptă spre transmiţător cu viteza v pe o traiectorie

rectilinie frecvența semnalului recepționat suferă o deviație de frecvență

- într-un mediu de propagare muticale fiecare replică poate cauza deviații:

- unghiul de incidență este variabil pentru fiecare componentă. conducând

la dispersie în domeniul frecvență: dispersie Doppler

-efectul în domeniul timp: posibilă variabilitate a canalului pe durata de

recepție a unui simbol (fading rapid) – nu este cazul în GSM

=

vf max

d

v

n

Calea n( )n

nd

vf

co s=

Comunicații mobile

Egalizoare

Secvenţa cea mai

probabilă

Demux

Model de

canal

Generator

de semnal

Generator de

secvenţe de date

Calcul

metrici

Algoritmul

Viterbi

Secvenţă

recepţionată

Secvenţă

de

antrenare

idealăSecvenţă de

antrenare

recepţionată

Model de

canal

Reprezentare sub formă de trellis

Comunicații mobile

- construiesc modele matematice pentru canalul de transmisiune prin

estimarea funcției de răspuns la impuls- în GSM canalul de transmisiune se modelează printr-un filtru FIR pe baza

secvențelor de antrenare trimise

- tip de egalizor folosit în GSM– MLSE – Minimum Least Squares

Equalizer (Viterbi)

Schemă bloc