Retele Mobile de Telecomunicatii - Sistemul GSM

5/23/2018 Retele Mobile de Telecomunicatii - Sistemul GSM

1/89

REELE MOBILE DE TELECOMUNICAII. SISTEMUL GSM Cuprins - Pag. 1

Comunicaii mobile i prin satelitReele mobile de telecomunicaii. Sistemul GSM

Cap1. Prezentare general a sistemelor mobile de telecomunicaii. 1.11.1. Introducere. 1.1

1.1.1. Sisteme de comunicaii mobile 1.11.1.1.1. Sisteme private de radiotelefonie 1.11.1.1.2. Sisteme de radiomesagerie (radiopaging) 1.11.1.1.3. Sisteme de telefonie fr fir (cordless) 1.11.1.1.4. Sisteme celulare de telefonie mobil (radiotelefonie celular) 1.21.1.1.5. Sisteme de comunicaii mobile prin satelit 1.31.1.1.6. Reele locale fr fir (WLAN) 1.31.1.1.7. Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse. 1.3

1.1.2. Scurt istoric al sistemelor celulare de telefonie mobil 1.41.2. Propagarea semnalelor prin unde radio. 1.5

1.2.1. Modelul teoretic simplificat al atenurii canalului radio. 1.7

1.2.2. Interferene pe canale radio. 1.71.3. Eficiena spectral a tehnicii de acces multiplu. 1.81.4. Tehnici de baz de acces multiplu. 1.8

1.4.1. Accesul multiplu cu divizarea frecvenelor (FDMA). 1.91.4.2. Accesul multiplu cu divizarea timpului (TDMA). 1.101.4.3. Accesul multiplu cu divizarea codului (CDMA). 1.11

1.5. Spectrul de frecven n sistemele mobile de telecomunicaii. 1.141.6. Principiul reutilizrii frecvenelor n sisteme mobile de telecomunicaii. 1.151.7. Mecanisme de acces la interfaa radio. 1.151.8. Mecanisme de transfer ale apelurilor (handover). 1.161.9. Algoritmi de mbuntire a performanelor sistemelor mobile. 1.17

1.9.1. Sectorizarea celular. 1.171.9.2. Divizarea celular (splitting). 1.17

Cap2.Introducere n Sistemul Global pentru comunicaii Mobile (GSM). 2.12.1. Istoricul sistemului GSM 2.12.2. Principiile de baz ale telefoniei celulare 2.12.3. Avantajele sistemului GSM 2.22.4. Performanele GSM 2.22.5. Securitatea sistemului GSM 2.22.6. Servicii oferite de sistemul GSM 2.2

2.7. Informaii generale 2.32.8. Arhitectura reelei GSM 2.32.8.1. Staia mobil 2.42.8.2. Subsistemul staiei de baz 2.42.8.3. Subsistemul reelei 2.4

2.9. Legtura radio 2.52.9.1. Accesul multiplu si structura canalelor 2.5

2.9.1.1. Canalele de trafic 2.52.9.1.2. Canalele de control 2.62.9.1.3. Structura impulsului 2.6

2.9.2. Codarea semnalului vocal 2.6

2.9.3. Modularea si codarea canalelor 2.72.9.4. Egalizarea semnalului 2.72.9.5. Comutarea frecvenelor 2.72.9.6. Transmisia discontinu 2.8


2/89


2.9.7. Recepia discontinua 2.82.9.8. Controlul puterii 2.8

2.10. Aspecte ale reelei 2.82.10.1. Controlul resurselor radio 2.9

2.10.1.1. Pasarea convorbirilor 2.92.10.2. Controlul mobilitii 2.10

2.10.2.1. Actualizarea localizrii 2.102.10.2.2. Autentificarea si securitatea 2.11

2.10.3. Controlul conexiunii 2.112.10.3.1. Rutarea apelului 2.11

2.11. Concluzii si comentarii 2.12

Cap.3. Serviciile GSM. 3.13.1. Introducere. 3.13.2. Servicii de transport. 3.1

3.2.1. Noiuni generale privind serviciile de transport GSM 3.1

3.2.2. Lista serviciilor de transport GSM. 3.43.3. Teleserviciile. 3.43.3.1. Noiuni introductive. 3.43.3.2. Lista teleserviciilor. 3.5

3.4. Serviciile auxiliare. 3.63.4.1. Noiuni generale. 3.63.4.2. Lista i descrierea serviciilor auxiliare GSM. 3.6

Cap.4. Arhitectura stratificat funcional GSM. 4.14.1. Arhitectura canonic a sistemului GSM. 4.14.2. Nivele arhitecturale funcionale GSM. Prezentare general. 4.2

4.2.1. Arhitectura funcional a subsistemului BSS+MS. 4.24.2.2. Arhitectura funcional a subsistemului NSS. 4.44.2.3. Interfee GSM. 4.5

Cap.5. Numerotarea, criptarea transmisiei i securizarea accesului n sistemul GSM. 5.15.1. Numerotarea n sistemul GSM. 5.15.2. Criptarea transmisiei i securizarea accesului pe mediul radio n sistemul GSM. 5.5

5.2.1. Securizarea accesului utilizatorului n sistem. 5.55.2.2. Criptarea transmisiei pe mediul radio. 5.65.2.3. Securizarea accesului echipamentului n sistem. 5.7

Cap.6. Interfaa radio n sistemul GSM. 6.16.1. Introducere. 6.16.2. Canalele logice n sistemul GSM. 6.2

6.2.1. Canale logice dedicate (individuale) 6.26.2.2. Canale logice comune 6.3

6.3. Structura temporal a canalelor fizice n sistemul GSM. 6.46.4. Maparea canalelor logice pe canale fizice. 6.76.5. Transmiterea semnalelor vocale pe mediul radio. 6.86.6. Tehnica salturilor (modificrilor) de frecven (SFH) 6.96.7. Transmisia i recepia pe mediul radio 6.106.8. Lanul de transmisie si lanul de recepie 6.10

Cap.7. Procedurile de semnalizare specifice GSM. 7.17.1. Introducere. 7.1


3/89


7.2. Proceduri de gestionare a mobilitii i a apelurilor. 7.27.2.1. Proceduri de selecie a PLMN i a celulei de serviciu. 7.2

7.2.1.1. Sincronizarea terminalului pe purttoarea de difuzare. 7.27.2.1.2. Selecia PLMN. 7.27.2.1.3. Determinarea i selecia celulei de serviciu. 7.2

7.2.2. Proceduri de gestionare a mobilitii. 7.47.2.3. Proceduri de gestionare a apelurilor. 7.5

7.2.3.1. Gestionarea apelurilor provenite din reeaua mobil i destinate reelei fixe. 7.57.2.3.2. Gestionarea apelurilor reea fix > reea mobil. 7.7

7.3. Proceduri de semnalizare pentru gestionarea transferurilor (handover). 7.87.3.1. Introducere. 7.87.3.2. Proceduri de semnalizare specifice mecanismelor de transfer. 7.9

7.3.2.1. Transferuri BSS. 7.107.3.2.2. Transferuri intra-MSC. 7.117.3.2.3. Transferuri inter-MSC. 7.12

Cap.8. Arhitecturi de interconectare ntre reelele mobile GSM i reele fixe 8.18.1. Introducere 8.18.2. Interconectarea reelei mobile GSM cu reeaua telefonic comutat (interconectare

GSM-PSTN 8.28.2.1. Interconectarea ntre utilizatori ai serviciului de date 8.28.2.2. Interconectarea a doi utilizatori ai serviciului de facsimil 8.3

8.3. Interconectarea reelei mobile GSM cu reeaua ISDN (GSM-ISDN) 8.38.4. Interconectarea reelei mobile GSM cu reeaua de date cu comutaie de circuite

(GSM-CSPDN) 8.48.5. Interconectarea reelei mobile GSM cu reeaua de date cu comutaie de pachete

(GSM-PSPDN) 8.5

ANEX.Abrevieri a.1

CAP.1. Prezentare general a sistemelor mobile

de telecomunicaii

1.1. I ntr oducere

1.1.1. Sisteme de comunicaii mobile

Termenul actual de sistem de comunicaii mobile desemneaz orice sistem de comunicaien care cel puin unul dintre terminale poate fi mobil chiar daca la un moment dat nu este. n aceastaaccepiune comunicaiile mobile au mai multe ramuri:

- mobileterestre;- maritimemobile;- aeromobile;- satelitmobile.

Acestea au evoluat relativ independent. n prezent se constat o tendin accentuat pentruintegrarea si inter-operarea lor n cadrul unui sistem global de comunicaii .

Se pot evidenia apte grupe care includ mai mult sau mai puin riguros sistemele mairspndite:


4/89


- Sisteme private de radiotelefonie;- Sisteme de radiomesagerie (radiopaging);- Sisteme de telefonie fr fir (cordless);- Sisteme de radiotelefonie celular (sisteme celulare de telefonie mobil);- Sisteme de comunicaii mobile prin satelit;- Reele locale fr fir (WLAN);- Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse.

1.1.1.1. Sisteme private de radiotelefonie

Pot fi definite drept sisteme de comunicaii radio care ofer legturi de comunicaie simplexdau duplex ntre membrii unor grupuri de utilizatori, asigurnd mobilitatea pe un teritoriu limitat.Aceste sisteme pot s fie interconectate sau nu cu alte sisteme de comunicaii. Sunt primele sistemede comunicaii mobile care au fost instalate. Variantele convenionale foloseau unul sau mai multecanale de comunicaie, utilizatori selectnd in canal liber prin supravegherea legturilor ndesfurare. Din acest motiv nu se putea asigura confidenialitatea i nici o utilizare eficient a

canalelor radio.1.1.1.2. Sisteme de radiomesagerie (radiopaging)

Sunt sisteme unilaterale de transmitere de mesaje pe arii largi. Legtura radio esteoptimizat pentru a se beneficia de avantajul asimetriei. Se utilizeaz radioemitoare de puteremare (de la sute de wai la kilowai) cu antene degajate. n acest mod receptoarele pot fi dedimensiuni reduse (de buzunar), de complexitate mic, cu consum energetic redus deci cuautonomie mare dei se folosesc baterii mici. De asemenea, semnalele transmise fiind puternice seasigur o recepie corespunztoare n cele mai vitrege condiii, inclusiv n cldiri. Toate acesteconsideraii au fcut ca, dei legtura oferit este srac din punct de vedere informaional (absena

liniei de rspuns), sistemele de radiopaging s cunoasc un ritm de dezvoltare remarcabilcomparabil cu cel al sistemelor de telefonie celular.

1.1.1.3. Sisteme de telefonie fr fir (cordless)

Pot fi caracterizate drept sisteme care ofer extinderea reelei telefonice fixe prin legturiradio bilaterale de voce folosind putere mica i asigurnd o mobilitate redus a terminalului.Generaia analogic a sistemelor cordless a aprut prin anii 1970 i s -a bucurat de la nceput de unsucces remarcabil. n anii care au urmat s-a evoluat generaia numeric reprezentat n Europa de ovariant CT-2 i DECT (Digital Enhanced (European) Cordless Telephone), PHS (PersonalHandiphone System) n Japonia etc.

n faza iniial telefoanele fr cordon au fost concepute pentru a oferi comunicaiitelefonice, n cursul crora utilizatorul nu are contact fizic cu terminalul de abonat, n interiorulreedinelor. n acest scop cordonul telefonic este nlocuit cu o legtur radio ntre terminalulconectat la reeaua telefonic i un terminal mobil. ntr-o etap ulterioar aceste sisteme i-au extinsaria de aplicaii i n afara reedinelor.

1.1.1.4. Sisteme celulare de telefonie mobil (radiotelefonie celular)

Sunt sisteme care pot asigura transmisiuni locale, bilaterale, pe o arie de acoperire mare,ctre utilizatori cu mobilitate mare. Prin mobilitate mare se subnelege att viteza de deplasare cti posibilitatea de circulaie liber (roaming) la nivel naional i internaional.

Evoluia sistemelor celulare a nceput n urm cu circa 50 de ani dar implementarea efectivs-a materializat la sfritul anilor `70. Ele mbin accesul radio cu infrastructur format dintr-oreea complex dotat cu inteligen adecvat pentru administrarea mobilitilor utilizatorilor.


5/89


Staiile de baz utilizate folosesc, de regul, puteri de ordinul wailor. Puteri de acest ordin ca iantene eficiente sunt accesibile staiilor de baz i staiilor mobile montate pe vehicule, nu iterminalelor de buzunar. Mai mult dac utilizatorul unui astfel de terminal se afl ntr-o cldire,semnalul este atenuat suplimentar de ctre perei. Ca urmare serviciile de care beneficiau utilizatoriiacestora au fost mult vreme inferioare celor asigurate de staiile montate pe vehicule. Cu toateaceste impedimente terminalele portabile au devenit foarte populare reprezentnd n prezentreferina pentru evaluarea calitii. n prezent eforturile se ndreapt spre mrirea autonomiei i sprereducerea bateriei.

Sistemele celulare de nceput au aparinut generaiei analogice FDMA remarcabile fiindAMPS n SUA, NMT n Europa i MCS n Japonia. De remarcat c aceast genera ie nu a fostsubiectul unei coordonri internaionale; aa se explic faptul c au existat foarte multe soluii deimportan naional. De exemplu n Japonia au fost instalate 6 sisteme iar n Europa un numrcomparabil. Trecerea la generaia numeric a beneficiat de experiena acumulat n instalarea ioperarea reelelor din generaia analogic i au rezultat sisteme care s -au impus pe arii mult mailargi:

- GSM, DCS1800n Europa;-

USDC(IS54)n SUA;- IDC (PDC)n Japonia;- varianta CDMA, IS-95, instalat n SUA.

n conceperea i proiectarea acestor sisteme s-a urmrit o utilizare ct mai eficient aspectrului i o maximizare a capacitii de preluare a traficului la nivelul fiecrei celule. Rmnndla nivelul generaiei a doua, analiza comparativ a sistemelor prezentate pune n eviden o serie detrsturi comune:

- codarea vorbirii cu o rat redus (13kb/s sau chiar 8kb/s), ceea ce a dus lacreterea numrului de utilizatori pe unitatea de band pe seama calitiitransmisiunii audio; acest efect este accentuat atunci cnd trebuie realizateoperaii de transcodare.

- ntrzierea mare a transmisiunii (200ms pe un circuit dus-ntors) provocat decomplexitatea prelucrrii semnalului audio; aceast ntrziere este comparabilcu cea de pe legturile prin satelit; este o valoare de la care se consider c seafecteaz calitatea transmisiunii.

- complexitatea ridicat a prelucrrii semnalului att pentru codarea convorbiriict i pentru demodulare;

- alocare fix a canalelor de comunicaie;- realizarea perechii duplex prin diviziune n frecven (FDD);- controlul puterii terminalului mobil.

Observnd aceste caracteristici se constat c spre deosebire de sistemele cordless aici s-aacceptat consum energetic ridicat la emitor, complexitate ridicat a terminalului de abonat,

calitatea, relative redus a semnalului vocal recepionat i o complexitate ridicat a reelei.n ultimii ani comunicaiile celulare evolueaz spre utilizarea unor celule din ce n ce mai

mici (microcelule). Pe aceast cale se asigur o capacitate mrit pentru a putea prelua traficul dinariile cu o densitate mare de utilizatori. n acelai timp aceast soluie duce la creterea autonomieiterminalelor de abonat prin reducerea puterii de emisie mai ales dac se folosete controlul puteriiemise, mrete capacitatea sistemului, amelioreaz comunicaia n cldiri mari sau n locuri umbrite

prin montarea adecvat a unor staii de baz, reducnd totodat preul de cost per canal decomunicaie instalat. Aceast tendin conduce la o apropiere fa de sistemele digitale cordless ireaduce n prim plan problema mobilitii n cazul terminalelor de vitez mare. Pentru a rezolvaaceast problem se apeleaz la concepte noi cum ar fi: reele suprapuse, celuleumbrel etc.

1.1.1.5. Sisteme de comunicaii mobile prin satelii


6/89


Pot fi caracterizate ca sisteme capabile s asigure transmisiuni bilaterale (sau unilaterale) devoce sau de date ctre vehicule mprtiate pe o arie foarte larg (chiar la nivel global). Calitateatransmisiunilor este redus. Aceste sisteme pot fi considerate ca o limit pentru sistemele mobileconstituite n jurul unor staii de baz scumpe cu arii de acoperire mare. Dintre sistemele din aceastcategorie cele mai cunoscute sunt: Iridium, Odisey, Globalstar etc. Trebuie menionat i sistemulINMARSAT destinat comunicaiilor cu navele aflate pe mare.

Instalarea acestor sisteme se poate pe diverse tipuri de satelii:- satelii de orbit joas (LEOS Low Earth Orbit Satellites);- satelii geostaionari (GEOS Geostationary or Geosynchronous Orbit

Satellites ;- satelii de putere medie.1.1.1.6. Reele locale fr fir (WLAN)

Pot fi caracterizate ca sisteme de comunicaie dedicate transmiterii de date de vitez mare ninteriorul unui campus sau n cldiri mai mari asigurnd mobilitate redus pentru terminalele de

date. Aria de acoperire de la terminalul radio, este ca i n cazul sistemelor cordless, redus, deordinul a zeci sau, cel mult, sute de metri. Cu alte cuvinte extensia asigurat se limiteaz la ocamer mai mare sau la cteva camere alturate. Astfel de sisteme exist de mai muli ani darevoluia lor a fost oarecum haotic. Sunt n exploatare variante oferite de diveri productoriacoperind o gam larg de configuraii i asigurnd viteze de transmisiune mergnd de la sute dekb/s la paste 10 Mb/s. Evoluia contradictorie se poate explica i prin aceea c numrul de utilizatorieste mult mai mic dect cel al sistemelor dedicate transmiterii de voce.

1.1.1.7. Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse

Sunt sisteme care asigur transmisiuni de date cu vitez mic pentru vehicule i pietoni,

asigurnd mobilitate ridicat i arie de acoperire mare. Asemenea sisteme au fost instalate de maimuli ani n orae mari din SUA sau Europa, dar nu s-au bucurat de dezvoltarea sistemelor detransmitere audio.

Exemple de astfel de reele sunt: ARDIS oferit de compania Motorola i RAM oferit deEricsson. Cele dou reele au fost concepute pentru a folosi canalele radio bilaterale constituite

pentru transmisiuni radiotelefonice de voce.Treptat, aceste reele se apropie de arhitectura sistemelor moderne celulare avnd la baz

microcelule cu staii de baz apropiate, mici, ieftine conectate la o infrastructur fix. Un exemplude reea cu astfel de caracteristici este cea instalat de compania METRICON n San Francisco icare poate asigura transmisiuni cu cca 75kb/s.

1.1.2. Scurt istoric al sistemelor celulare de telefonie mobil

Dezvoltarea telefoniei mobile, n special n deceniul 1980-1990, a condus la apariia anumeroase sisteme (NMT - n rile nordice, TACS - n Marea Britanie, AMPS - n SUA) i lacreterea numrului de abonai (la nceputul lui 1990 existau aproximativ 1 milion de abonai nEuropa). Principala problem, aprut nc de la nceputul anilor '80, a fost incompatibilitatea ntresisteme mobile diferite: de exemplu, un abonat al sistemului NMT i putea folosi telefonul mobilnumai pe teritoriul rilor care aveau reea mobil NMT. Odat intrat ntr-o ar cu un alt sistemmobil, diferit de NMT, telefonul su mobil devenea inutilizabil.

A aprut astfel ideea crerii unui sistem mobil pan-european, care pe lng rezolvareaproblemei anterior menionate, trebuia s aib i o serie de alte avantaje fa de sistemele clasice,

avantaje dintre care menionm:- s asigure o calitate corespunztoare a serviciilor clasice de telefonie;- s utilizeze soluii simple de proiectare care s permit obinerea unor terminale mobile cu

preuri ct mai mici, concomitent cu costuri ct mai mici aferente instalrii i ntreinerii


7/89


echipamentelor de infrastructur a reelei mobile (pentru a permite obinerea unor costuri ct maimici pentru serviciile asigurate);

- s diversifice (comparativ cu sistemele analogice) gama de servicii;- s fie compatibil cu reeaua digital cu integrarea serviciilor ISDN;- s asigure o utilizare ct mai eficient a spectrului radio disponibil (n scopul de a putea

avea un numr ct mai mare de abonai);

Prima decizie important pentru crearea acestui nou sistem mobil a fost luat n 1982 deCEPT (Conference Europeene de Postes et Telecommunications) care a alocat pentru noul sistemmobil urmtoarele benzi de frecven:

- 890 - 915 MHz pentru comunicaia n sensul mobil -> staie de baz;- 935 - 960 MHz pentru comunicaia n sensul staie de baz -> mobil;Tot n 1982, CEPT a hotrt crearea unui grup special de lucru, numit GSM (Group Speciale

Mobile) care s lucreze la specificaiile noului sistem mobil. ncepnd de la aceast dat, mai multefirme din diverse ri europene au nceput s lucreze pentru identificarea unei structuri optime anoului sistem mobil. n 1986, GSM a primit 9 propuneri distincte detaliate privind noul sistem pan-european. Timp de un an au fost analizate cele 9 propuneri (testri, simulri experimentale etc.)ceea ce a permis comitetului s ia deciziile privind cele mai generale aspecte ale noului sistemmobil. Astfel, acesta urma s fie un sistem digital care utiliza o tehnic de acces mixt(FDMA/TDMA - acces n frecven cu multiplexare n timp) etc. n 1987, la Copenhaga, 13 rieuropene au semnat un memorandum n care recunoteau necesitatea crerii unui sistem mobiluniversal, pan-european.

n 1991 apar recomandrile GSM, care sunt grupate n 12 serii n peste 5000 pagini, ceea cereflect complexitatea sistemului adoptat. Tot n acelai an au loc alte evenimente care vor marcadecisiv naterea noului sistem: realizarea primei comunicaii ntre un utilizator GSM i un utilizatorPSTN, realizarea primei comunicaii care a implicat un transfer al apelurilor (handover),deschiderea primelor sisteme experimentale n Europa de Vest. n 1992 se deschid primele sistemeGSM comerciale. Succesul sistemului a fost i este covritor, ajungndu-se la sfritul lui 1994([JS96]) la 5 milioane de abonai, fiind n mare cretere. Avantajele noului sistem, comparativ cusistemele analogice, sunt numeroase, dintre care amintim: compatibilitate cu reelele fixe existente

(inclusiv ISDN), apariia unor servicii avansate (fax etc.), creterea confidenialitii apelurilor,sensibilitatea mai redus la interferene, o mai bun utilizare a spectrului radio (prin utilizareatehnicilor de modulaie digital etc.)

Ne propunem n acest capitol s dm o imagine de ansamblu asupra celor mai importanteaspecte legate de arhitectura i funcionalitatea sistemului GSM. Structurarea materialului permite otrecere logic i gradual de la arhitectura general a sistemului pn la mecanisme prin care serealizeaz funciuni particulare ale sistemului. Nu vom face ns aici referiri la soluii particulare deimplementare; acestea urmeaz a fi prezentate ntr-un capitol ulterior.

Principalele date tehnice ale sistemului sunt:- banda de frecven: 900 - 1800 MHz;- transmisie numeric pe canale FDMA/TDMA;

-puterea tipic a terminalelor fixe la 900 MHz: 0,82 - 8W;- debit brut: 271 kb/s;- debit util pentru transmisiunile de voce: 13 kb/s;- debit util pentru transmisiunile de date: maxim 12 kb/s.


8/89


1.2. Propagarea semnalelor pri n mediu l radio

n mediul radio exist numeroase cauze care provoac alterarea semnalului la parcurgereadrumului ntre surs i destinaie. Efectul diverilor factori de mediu asupra calitii semnalului

recepionat presupune, pentru un studiu detaliat, un aparat matematic relativ pretenios, pe care nu-1vom prezenta. Ne propunem s evideniem principalii factori ce influeneaz propagarea semnalelorn mediul radio, punctnd, acolo unde nu este prea complicat, dependenele teoretice ale diferiilor

parametri ai semnalului recepionat de diveri parametri de mediu. n sistemele mobile detelecomunicaii, una din problemele eseniale o constituie fenomenele aprute ca urmare a

propagrii semnalelor n mediu liber. Astfel, semnalul recepionat de un mobil (sau staie de baz)cuprinde o component datorat propagrii directe ntre emitor i receptor, precum i o sum decomponente provenite din reflexii, refracii proprii topologiei mediului (cldiri, sol, vegetaie etc.).Reinem c n marea majoritate a situaiilor nu exist o cale direct de recepie, de unde isuprapunerea peste semnalul emis a unor componente datorate reflexiilor.

O prim clasificare distinge trei categorii de distorsiuni n mediu radio:

- distorsiuni de frecven (efectul Doppler datorat micrii mobilelor);- distorsiuni de amplitudine (cauzate de ceea ce literatura de specialitate numete fading Rayleigh);- distorsiuni de faz (are loc dispersia timpilor de propagare cauzat de propagarea pe ci multiple).

O alt clasificare a factorilor ce afecteaz calitatea semnalului transmis pe mediul radioidentific printre acetia:

a) distana emitor-receptor- la propagarea semnalului prin mediu radio, acesta este ate-nuat proporional cu inversul ptratului distanei emitor-receptor.

ntre puterea emis, cea recepionat i distana emitor-receptor exist relaia:

dGGPP RTTR

4

2

(1.1)

unde: PR= puterea recepionat; PT= puterea transmis; GTGR= ctigurile la transmisie/recepie;d = distana emitor-receptor; = c/f(f= frecvena semnalului, - lungimea de und a semnalului).

Fig. 1.Arhitectura general simplificat a unui sistem mobil de telecomunicaii


9/89


Din (1.1) se obine imediat:

fd

cGG

PP

RT

T

R

4

2

(1.2)

Relaia (1.2) arat clar c pentru aceeai parametri TG i RG , raportul R TP P este

proporional cu 1/ 2f , de unde se poate deduce c, prin creterea frecvenei de lucru a sistemului, vascdea atenuarea datorat propagrii n mediul radio. Acesta este unul din motivele pentru carenoile sisteme mobile sunt proiectate s lucreze ntr-o gam de frecvene ct mai ridicat;

b) Reflexiile datorate unor suprafee precum apa, solul etc.n acest caz, semnalul recepio-nat va avea cel puin dou componente: o component direct i o component obinut prinreflexie. n general, a doua component nu este n faz cu prima, ceea ce conduce la distorsiuni alesemnalului recepionat.

Un model foarte simplu de studiu al acestui tip de reflexii este prezentat n figura 2.

Fig. 2.Modelul simplificat de calcul al efectului reflexiilor la propagarea prin mediu radio

n ([WY93]) se demonstreaz c: 2 2 1 24

( ) sin4

R

T

P h h

P d d

(1.3)

Pentru 1 24

0,6h h

d

rad, din (1.3), cu aproximarea sin x x, cos x 1, pentru x 1 se obine

21 2

2( )R

T

P h h

P d (1.4)

Relaia (1.4) descrie influena parametrilor h i d asupra raportului R TP P atunci cnd se iau

n calcul reflexiile. Se observ imediat dependena raportului R TP P de 1/d

4

, comparativ cudependena de l/d2, n cazul n care nu se consider i reflexiile. Aceasta ne arat c, n cazulconsiderrii efectului dat de reflexii, pe distane mari, atenuarea semnalului devine mult mai

pronunat;

c)Absorbiile atmosferice: datorate oxigenului, apei din atmosfer etc.;d) Efecte de umbr ire: n calea semnalului ntre staia de baz i mobil, respectiv ntre mobil

i staia de baz, pot exista obstacole ca vegetaie, cldiri etc., obstacole ce vor produce o atenuaresuplimentar a semnalului;

e)Difracii multiple: datorate denivelrilor de teren.Efectele enumerate anterior produc o aa numit atenuare (fading) pe arii largi a semnalelor

n mediul radio. Aceasta are ca rezultat o valoare medie a semnalului recepionat (medie spaialefectuat pe un interval de cteva zeci de lungimi de und a semnalului), sau altfel spus, valoareasemnalului recepionat se mediaz n spaiu pe o distan de cteva zeci de lungimi de und, maimic dect cea a semnalului emis. Dintre factorii care produc atenuare local (adic pe lungimi


10/89


spaiale de cteva lungimi de und ale semnalului) amintim:f) Cile multiple de propagare;g) Viteza mobilu lui: fading datorat efectului Doppler. Acest efect se manifest printr-o

deviaie a frecvenei semnalului recepionat fa de semnalul emis, dat de relaia:

cos

c

f vf

d (1.5)

unde: v = viteza mobilului; f = frecvena semnalului; c = viteza luminii; = unghiul ntre direciaemitor-receptor i direcia de deplasare a mobilului.

n figura 3 se prezint schematic parametrii ce caracterizeaz fadingul datorat efectuluiDoppler.

Fig. 3.Parametrii caracteristici fading-ului datorat efectului Doppler

h)Inexistena unei ci directe de propagare mobil staie de baz- fading Rayleigh.n concluzie, atenurile pe arii largi sunt observabile pe o raz de cteva zeci de lungimi de

und njurul mobilului, pe cnd atenuarea local este observabil n zona unde este localizatmobilul (implicit ea se va modifica la deplasarea mobilului).

1.2.1. Modelul teoretic simplificat al atenurii canalului radioSe poate aproxima atenuarea canalului radio printr-un model format din trei componente:

1 2 3( ) ( ) ( ) ( )Atenuarea dB A dB A dB A dB (1.6) unde:

1A = atenuare datorat distanei emitor-receptor (atenuare introdus de mediul radio);

2A = atenuarea datorat efectului de mascare (nu exist o cale direct de propagare ntre

emitor i receptor);

3A = atenuare datorat propagrii pe trasee multiple.

Raportul R TC P P este dat de relaia: 2 3k

C A Af r

(1.7)

unde: f = frecvena semnalului; r = distana emitor-receptor; ,= constante.k

f r este un factor constant n timp, dar depinde de distana emitor-receptor i de banda de

frecven n care funcioneaz sistemul. Uzual [2, 4] i = 2. A2 i A3 se pot modelaprobabilistic (A2 dup o lege logaritmic i A3 dup o lege Rayleigh).

1.2.2. Interferene pe canale radioAlturi de cauzele ce produc alterarea semnalului radio la recepie, mai apar i interferenele

(suprapunerile) semnalului util cu alte semnale radio. Interferenele pe canalele radio se pot clasifican mai multe categorii:- interferene independente de sistemul mobil- sunt cauzate de zgomotul termic i zgomotul extern(de exemplu zgomote parazite urbane i industriale);

- interferene de canal identic (co-channel). Sunt interferene care apar datorit faptului c doiutilizatori mobili, situai n puncte diferite ale sistemului emit pe o aceeai frecven;-interferene de canal adiacent(adiacent channel). Sunt interferene care apar atunci cnd utilizatoridiferii utilizeaz ntr-o aceeai arie geografic, canale radio adiacente n spectru.


11/89


Se poate scrie :PR=PT+interferene+zgomot de fond ; PR= C+I+NW

unde:N = valoarea medie a componentei de zgomot; W = banda de frecvene a componentei de zgomot;PR= puterea recepionat; Pr= puterea transmis; I = nivelul interferenelor.

n sistemele mobile, pentru evaluarea claritii semnalului i a nivelului semnalelorperturbatoare se folosete ca referin raportul C/I.

1.3. Eficiena spectral a tehnicii de acces multiplu

Termenul acces multiplu i are originea n comunicaiile prin satelit i definete acelailucru ca termenii multiplexare i trunchiere. Termenul de acces multiplu se aplic mixriisemnalelor RF la frecvena benzii de baz. Scopul tehnicilor de acces multiplu este de a combinasemnale de la diferite surse ntr-un mediu de transmisie comun, astfel nct, la destinaie, semnalelediferite sau canalele s poat fi separate fr interferen mutual. n echipamentele radio mobilecelulare, utilizarea tehnicilor de acces multiplu rezult din necesitatea de a mpri o zona limitatdin spectrul radio ntre mai muli utilizatori.

Termenii de modulaie i multiplexare sunt foarte des confundai i interschimbai, acetiafiind de natur complet diferit. Pentru a percepe mai clar diferena dintre cei doi termeni, acetiavor fi definii astfel:

Modulaiaprocesul utilizat pentru a transforma semnale de informaii n semnale de transmisie.Multiplexareaprocesul utilizat pentru separarea diferitelor canale de informaii transmise prinintermediul aceluiai mediu.

1.4. Tehnici de baz de acces multiplu

n cadrul sistemelor celulare terestre radio mobile, tehnicile de acces multiplu permit multorutilizatori s mpart, n cel mai eficient mod, posibilitile limitate ale unui spectru radio. n funciede alocarea canalului vocal ctre utilizatorii sistemului, accesul multiplu poate fi clasificat n treicategorii, dup cum urmeaz:

a) Pre-asignare. n astfel de sisteme, utilizatorului i este alocat n mod permanent (asignat)un canal vocal, chiar dac acesta este folosit sau nu.

b) Asignare la cerere. n acest caz, utilizatorului i este alocat un canal vocal la comand (lacerere) dintr-un grup de canale disponibile. Dup ce convorbirea s-a terminat, canalul estereturnat sistemului, acelai canal fiind apoi disponibil pentru ali utilizatori.

c) Acces aleator. n sistemele cu acces aleator, utilizatorii sistemului ncearc s acceseze

canalele n mod aleator, fr a ine seama de sistem. Sunt posibile n acest caz ciocniri ntreutilizatorii concomiteni care ncearc s acceseze acelai canal. Canalele sunt returnate sistemuluiatunci cnd convorbirea s-a ncheiat.

Pre-asignarea este ineficient la utilizarea n sistemele celulare, cu toate c unele canaletrebuie s fie pre-asignate serviciilor de urgena din cadrul sistemului. Cea mai eficient esteasignarea la cerere i este folosit n mod frecvent n sistemele celulare actuale. Accesul aleator esteo posibilitate, dar frecvena ciocnirilor devine inacceptabil de mare n timpul orelor de traficmaxim. n realitate, unele sisteme folosesc accesul aleator ca parte a arhitecturii accesului la cererecu scopul de a accesa un canal disponibil de ctre utilizatori.

n funcie de separrile semnalelor, exist trei tehnici de baz de acces multiplu:- acces multiplu cu divizarea frecvenelor (FDMA)

- acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)- acces multiplu cu divizarea codului (CDMA)

1.4.1. Accesul multiplu cu divizarea frecvenelor (FDMA)


12/89


Fig. 4. Utilizarea spectrului n sisteme cu acces simplu.

Acest tip de acces a fost implementat n primele sisteme mobile i se caracterizeaz prinfaptul c un canal radio poate fi folosit, la un moment dat, de un singur utilizator. Astfel, dac unutilizator ce dorete realizarea unei convorbiri primete canalul i, un alt utilizator va putea realiza oconvorbire pe acelai canal i numai dup ce primul elibereaz canalul. Presupunnd n utilizatori cedesfoar convorbiri simultan n sistem, o posibil alocare a canalelor radio n sistemele cu accessimplu este prezentat n figura 4.

n acest caz, exist posibilitatea ca doi utilizatori, apropiai ca distan, s utilizeze simultancanale vecine n frecven, ceea ce produce fenomenul numit interferen de canal adiacent. Pentruminimizarea acestui tip de interferen este necesar existena unei distane n frecven ntre canale(band de gard sau band de separaie).

Cu ajutorul tehnicii FDMA, utilizatorii mpart spectrul radio n domenii de frecven. Acestlucru se realizeaz prin divizarea ntregii limi de band disponibil sistemului n sub-benzi defrecvene nguste (canale vocale), dup cum se ilustreaz n figura a. Spaierea canalelor este dictatde tehnica de modulaie utilizat; de exemplu ea este de 5 KHz pentru SSB i 25 sau 30 KHz pentruFM. Fiecare dintre canalele vocale este alocat numai unuia dintre utilizatorii concomiteni pe duratacomunicaiei. FDMA este mai adecvat pentru sisteme de modulaie analogic, cum ar fi FM, AM

i SSB. Aceste sisteme de modulaie folosesc tehnica FDMA combinat cu duplexarea frecvenei.Avantajele FDMA:a) Nu exist ndoieli n ceea ce privete fezabilitatea sa.

b) Tehnologie bine conceput i sigur.c) Tehnologie flexibil.d) Nu necesit egalizarea canalelor.Dezavantajele FDMA:a) Complexitatea staiei de baz i necesitatea unui duplexor la staia mobil.

b) Cerine de stabilitatepentru frecvenele purttoare, nparticular, pentru spaierile de

canal nguste, cum sunt celeutilizate in SSB.c) Protecia mpotriva unui

fading major este dificil derealizat, n special pentrumobilele ce se deplaseaz cuvitez redus.

d) Numrul decomunicaii simultane este redusdeoarece, la un moment dat, o

purttoare poate suporta o singur

convorbire;e) Existena benzii de

separaie, produce o micorare anumrului de canale radio din sistem.

Primul dezavantaj face inacceptabil aceast tehnic de acces la mediu, n condiiilenecesitii obinerii de sisteme de capaciti ridicate.

t

fFig. (a)

t

Fig. (b) f


13/89


Fig. 5.Tehnici de baza de acces multiplu: a) FDMA; b) WB-TDMA; c) NB-TDMA; d) CDMA

1.4.2. Acces mul tiplu cu divizarea timpului (TDMA)Ideea de baz a acestui tip de acces este multiplexarea n timp, pe o aceeai frecven radio,

a dou sau mai multe comunicaii. Pe fiecare canal, timpul este decupat n sloturi de durat T. Unnumr de M sloturi formeaz un cadru TDMA (unde M este o valoare dependent deimplementare). Fiecare utilizator mobil poate utiliza pe acelai canal unul sau mai multe sloturi.Relund exemplul din paragraful precedent, pentru m < M, cei m utilizatori vor putea folosi aceeai

purttoare radio.Cu tehnica TDMA, utilizatorii din sistem mpart spectrul radio n domeniul timpului.

Aceasta se realizeaz prin alocarea unei fraciuni de timp unuia i numai unuia dintre utilizatoriiconcomiteni pentru ntreaga durat a comunicaiei. Pe durata acestei fraciuni de timp, utilizatorulare acces la ntreaga band de frecven disponibil sistemului. Acest caz se refer la TDMA de

band larg (WB-TDMA, fig.b). Alternativ, in TDMA de band ngust (NB-TDMA), utilizatoruluii se permite accesul numai la o parte din banda de frecvena disponibil sistemului, dup cum se

prezint n fig. c. n cadrul NB-TDMA, spaierea canalelor este mrit pentru a se permite divizareatimpului ntre puini utilizatori, dar rmne sub limea de band coerent. n cazul WB-TDMA,oricum, spaierea canalelor este mult deasupra limii de band coerent. Tehnicile TDMA se

preteaz mult mai bine sistemelor digitale.Avantajele NB-TDMA:a) Tehnologie bine conceput.

b) Cerinele pentru stabilitatea oscilatorului sunt mult mai puin stringente n raport cu

FDMA.c) Este posibil s se evite filtrele duplex la staiile mobile prin selectarea de fraciuni de timpdiferite, att pentru transmisie ct i pentru recepie.

d) Codarea se poate implementa uor.Dezavantajele NB-TDMA:a) Sunt posibile unele probleme de egalizare .

b) Este necesar sincronizarea dintre mobil i staiile de baz, ceea ce poate fi o problemserioas pentru vecintatea mobilului.

c) Necesitatea unor durate mai mari pentru timpul de preambul i timpul de siguran poateavea un impact semnificativ asupra eficienei spectrului.

Avantajele WB-TDMA:

a) Diversitatea inerent a frecvenelor datorat fading-ului multiplu.b) Se pot evita filtrele duplex n staia mobil prin selectarea de fraciuni de timp diferitepentru transmisie i recepie.

Dezavantajele WB-TDMA:

f

t

Fig. (c) f

t

Fig. (d)


14/89


a) Tehnologie mai puin elaborat dect cea folosit n sistemele cu NB-TDMA.b) Oproblem de egalizare dificil care necesit un sistem eficient de egalizare.c) Este necesar sincronizarea dintre mobil i staiile de baz, ceea ce poate fi o problem

serioas n cazul vecintii mobilului.d) Necesit largi benzi continue de frecven, care nu pot fi disponibile ntotdeauna i

oriunde.e) Este necesar o procesare de mare vitez.f) Necesit un control al puterii pentru a prentmpina efectul aproape-departe n care

puterea de la un utilizator situat aproape de staia de baz ar putea acoperi n cadrul aceleiai celuleutilizatorii ndeprtai.

g) Necesitateaunor timpi de preambuli de siguran poateavea un impactsemnificativ asupraeficienei spectrului.

Fig. 6. Utilizareaspectrului n sisteme cuacces multiplu

1.4.3. Accesul mul tiplu cu divizarea codulu i (CDMA)

n ultimii 15 ani, CDMA a nregistrat un ritm rapid de cretere, devenind o tehnologieextrem de sofisticat. Derivat iniial din nevoia de securitate a comunicaiilor, CDMA a fostdezvoltat comercial ncepnd cu mijlocul anilor 1980 de ctre una din cele mai avansate companiide telecomunicaii din lume, Qualcomm Inc., cu sediul n San Diego, California.

CDMA este acronimul de la Code Division Multiple Acces i este una dintre aa numiteletehnologii cu spectru dispersat (spread spectrum), un grup de tehnici digitale de comunicaie

bazate pe folosirea undelor electromagnetice ntr-un spectru de lungime de und mult mai maredect ar fi necesar semnalului original. Aceasta ultim caracteristic permiteaplicaii care au nevoiede lrgimi de band mari precum Internetul de mare vitez i reduce interferenele i zgomotul.Mesajele sunt divizate n pachete, fiecrui pachet fiindu-i atribuit un anumit cod. Mesajul estetransmis, apoi decodat i reasamblat la receptor. Exist peste 4.4 mii de miliarde de combinaii

posibile (coduri). Sistemul este responsabil nu doar pentru primele dou cuvinte din numeleCDMA, ci i pentru caracteristicile excepionale de securitate ale tehnologiei. Caracterul de bandlarg al CDMA face i mai dificil spargerea barierelor de securitate.

Celelalte dou cuvinte din CDMA accentueaz o alt trstur important a acesteitehnologii. Ca i alte multe tehnologii de comunicaii, CDMA permite un numr mare de utilizatoris foloseasc aceeai gam limitat de canale radio. Totui spre deosebire de alte tehnologii deacces multiplu TDMA (n care nimeni nu poate accesa canalul / intervalul de timp, pn cndapelul respectiv fie s terminat, fie a fost mutat pe alt canal), CDMA are cu totul alt abordare.Utilizatorul nu este difereniat printr-o frecven separat sau printr-un anumit canal/interval detimp, ci de un cod digital unic (aa numitul pseudo -Random Code Sequence) comun telefonuluimobil i staiei de baza. Toi utilizatorii folosesc simultan acelai segment al spectrului radio.

Diversele mesaje nu se amestec, ntruct fiecare pachet de date are ataat propriul cod, asemeneaunei amprente. Acest mod de utilizare al spectrului radio aduce dou mari avantaje tehnologieiCDMA. Unul este eficiena spectrala foarte ridicat, care duce la capaciti de aproape 10 ori mai


15/89


mari comparativ cu tehnologiile analogice i de 4-5 ori comparativ cu TDMA. Cellalt este legat deputerea redus necesar transmitorului, cu efecte imediate precum durat de via mai lungpentru baterie sau timp de convorbire mai lung, precum i telefoane mai compacte mai uoare.

n Romnia reeaua digital CDMA opereaz n banda 450Mhz. Avnd aceast frecven ostaie acoper teoretic o arie de 4 i respectiv de 16 ori mai mare dect staiile care opereaz n

benzile de frecven de 900MHz, respectiv 1800 MHz. Cu alte cuvinte reeaua necesit de 4, irespectiv 16 ori mai puine staii, ceea ce reduce considerabil costurile de operare. n plustehnologia CDMA folosete transmisiuni de date n mod pachetizat (HSPSD), iar consumatorul estetaxat exact pentru cantitatea de informaii transferat, i nu pentru timpul petrecut n reea. Acetidoi factori se combin pentru a permite operatorului sa ofere acoperire superioar i calitatedeosebit serviciilor la un pre accesibil.

Aceast tehnic a fost denumit i acces multiplu cu spectru distribuit (SSMA). n cadrultehnicilor cu spectrul distribuit, semnalul transmis este plasat pe un domeniu larg de frecven, nrealitate mult mai larg dect limea de band minim necesar pentru a transmite informaiile. Defapt, cu tehnica CDMA, fiecrui utilizator din sistem i se asigneaz un set unic de forme de undtimp-frecven care este guvernat de un cod unic pseudoaleator al utilizatorului. Astfel, fiecare

utilizator poate accesa domeniul timp-frecven, n orice moment, ntr-o manier unic, nconcordan cu codul su unic i propriu (fig. d). Aceste coduri de utilizator au fost astfel proiectatenct valorile pentru intercorelaii sunt meninute la un nivel sczut iar interferena interutilizatorieste meninut la un nivel sczut i acceptabil. Exist diferite moduri prin care utilizatorul poateexploata domeniul timp-frecven, i aceasta depinde de metoda de spectru distribuit utilizat detehnica CDMA. Tehnicile posibile de spectru distribuit sunt prezentate n literatur i pot firezumate astfel:

(a) Secvena direct(DS). Aceasta este cunoscut ca pseudo-zgomot (PN), caz n carepurttoarea este modulat de ctre o secven de cod digital a crei rata de bit (se refer la o rat decip pentru a putea face o distincie) este mult mai mare dect limea de banda a semnalului deinformaie. n forma sa cea mai simpl, purttoarea este comutat ntre dou faze, la 180 , n

funcie de frecvena codului binar (forma binar pseudoaleatoare). Receptorul urmrete inversrilede faz pseudoaleatoare folosind o replic memorat a secvenei de cod.(b) Salt de frecven (FH).n cadrul acestei tehnici, frecvenele purttoare, ale emitorului

i ale receptorului, sunt schimbate la intervale regulate. Aceast schimbare de frecven este dictatde o secven de cod care determin ordinea utilizrii frecvenei. De fapt, nu este nimic mai multdect FSK, cu excepia faptului c setul de frecvene ales este mult lrgit. Este convenabil sclasificm sistemele FH ca fiind rapide sau lente. n cazul saltului de frecven rapid (FFH), vitezade salt depete n mod semnificativ viteza informaiei. n cazul saltului de frecven lent (SFH),viteza de salt este comparabil cu sau este chiar mai mic dect viteza informaiei.

(c) Salt n domeniul timpulu i(TH). n cadrul acestei tehnici, o secven de cod dicteaztemporizarea transmisiei. Secvena timpilor de transmisie este memorat n receptor i este folosit

pentru urmrirea transmisiei, iar n rest se ignor canalul. Saltul n domeniul timpului nu i-a gsitaplicaii largi, cu excepia sectorului militar.

(d) Ciripit sau impuls FM.n cadrul acestei abordri, frecvena purttoare a unui impulstransmis este variat continuu (sau baleiat) pe o band larg n decursul unei perioade de timp.

(e) Forme hibride.Combinaiile hibride ale tehnicilor de mai sus sunt pe deplin realizabile.Cele mai utilizate forme de tehnici hibride de spectru distribuit sunt:

- salt de frecven i secven direct (FH-DS);- salt de timp si frecven (TFH);- salt de timp si secven direct (TH-DS).

Aceast tehnic a fost aplicat n reele de telefonie mobil din SUA, Coreea de Sud(Hyunday), China, Romnia (reeaua Zapp) etc.

Avantajele CDMA:

a) Protecie la interferenele intenionate i neintenionate de band ngust.


16/89


b) Protecie la fading-ul care se produce datorit diversitii inerente a frecvenelorcaracteristice pentru FH/CDMA.

c) Orice utilizator poate accesa sistemul n orice moment fr a atepta un canal liber.d) Nu exist nici o limitare stringent n ceea ce privete utilizatorii activi simultan. n cazul

n care numrul utilizatorilor activi crete peste valoarea luat n considerare, rezultatul va fi odegradare a performanelor pentru toi utilizatorii mai degrab dect o interzicere a accesului.

e) Deoarece fiecare utilizator pstreaz setul su unic de semnal n mod permanent, nuexist nici o comutare de canal sau schimbri de adres, chiar dac utilizatorul se mut din cadrulunei celule n alta.

f) Serviciile de necesitate pot fi integrate n sistem chiar i n cazul suprancrcriisistemuluifr a se asigna un canal anume sau interzicndaccesul altor utilizatori la sistem.

g) Coexistena n cadrul aceleiai benzi de frecven, cum ar fi cazul sistemelorconvenionale cu band ngust, este posibil dac nu este solicitat capacitatea global a sistemelorCDMA.

h) Securitatea convorbirii (permite o codare eficient mpotriva asculttorilor ocazionali,deoarece fiecrui utilizator potenial i este asignat un cod unic) opernd pe baza a aproximativ

4,4 mii de miliarde de coduri, tehnologia CDMA elimin teoretic interceptarea, clonarea sauoricealt tip de fraud. Aceast caracteristic important a sistemului ct i accesul securizat la Internetface posibil operarea de tranzacii bancare sau de alt natur direct de pe telefonul mobil i ncondiii de securitate maxim. Se pot trimite prin intermediul telefonului documente folosindserviciul de fax sau e-mail, fr risc.

i) Nu exist nici un interes industrial care s complice standardizarea.j) Calitate deosebit a sunetului i a convorbirii tehnologia CDMA elimin zgomotele de

fond, convorbirile suprapuse i interferenele, oferind o calitate excepional a sunetului, respectiveliminarea ntreruperilor convorbirilor i a apelurilor nepreluate. Att zgomotele de fond electronice(cele generate de computere, staii de radio-TV etc.), ct i cele acustice sunt eliminate prinfolosirea unui filtru care corespunde frecvenelor obinuite ale vocii umane. Datorit acestei

metode, zgomotele de fond i interferenele sunt excluse din convorbiri.k) Transmisiuni de date de 153,6kbps reeleleCDMA 2000 includ protocoale IP standardpentru pachete de date n mod pachetizat (HSPSD) la viteze foarte mari (153,6kbps). Toateterminalele folosite au ncorporate din construcie un modem de mare viteza i un browser pentruInternet (Microsoft Mobile Explorer 3.0), ceea ce le ofer capacitatea de a accesa servicii Internet.De asemenea, terminalul suport rularea de aplicaii client n regim securizat (SSL/HTTPS), prinintermediul browser-ului.

l) Mai puine apeluri ntrerupte metoda soft handoff de transfer al convorbirilor ntrecelule, specific tehnologiei CDMA, minimizeaz riscul perturbrii convorbirilor sau al ntreruperiisesiunilor pentru transfer de date. n reeaua CDMA un apel poate fi preluat de mai multe antene nacelai timp, spre deosebire de alte tehnologii, n care utilizatorul este deconectat de la o anten

nainte de a fi preluat de urmtoarea.m) Timp de convorbire mai mare i via ndelungat pentru baterie atunci cnd se

efectueaz un apel sistemul CDMA se asigura c fiecare telefon mobil emite la puterea minimnecesar pentru o transmisie de calitate.

n) Capacitate mai mare a reelei tehnologia CDMA ofer cea mai mare capacitateutilizatorilor prin folosirea simultan a acelorai benzi de frecven. Prin folosirea tehnolo giei cuspectru mprtiat, CDMA are o capacitate de 10-20 de ori mai mare dect echipamentele analogicei de 4-5 ori mai mare dect alte sisteme digitale.

Dezavantajele CDMA:a) Este necesar un hardware complex i costisitor. Acest lucru se datoreaznecesitii unui

sintetizator rapid de salt de frecven, unei voci digitizate, unor procesoare rapide etc.b) Este esenial un control dinamic al puterii emitorului mobil n sensul minimizrii

efectului aproape-departe.


17/89


c) Nu este posibil o detecie coerent complet n cazul unei vecinti a mobilului afectatde fading. Mai mult chiar, este necesar sincronizarea la nivel de cip ceea ce este foarte dificil derealizat.

d) Proiectarea unui numr mare de coduri ortogonale (sau aproape ortogonale) unice iindividuale pentru mii de utilizatori necesit o munc enorm. Pierderea ortogonalitii rezult ncazul interferenei inter-utilizator care va afecta att eficiena ct i calitatea sistemului.

e) Accesul liber al utilizatorului la canale poate eventual s produc prbuirea sistemuluiprin atingerea unui stadiu n care calitatea serviciului este inacceptabil pentru toi utilizatorii. nacest caz, poate fi necesar adoptarea unei strategii de blocare a apelurilor sau forarea terminriicomunicaiilor.

f) Nu exist nici o experien practic n cazul sistemelor celulare terestre radio mobile.g) Exist unele ndoieli n ceea ce privete eficiena spectral aceast situaie

urmeaz a fi investigat.

1.5. Spectrul de frecven n sistemele mobile de telecomunicaii

Un sistem mobil de telecomunicaii utilizeaz o band (spectru) de frecven care poate fisituat n domeniul 300Mhz3Ghz. Lrgimea acestei benzi de frecven, numit i lrgime total de

band, e diferit de la un sistem laaltul. n sistemele moderne, banda de frecven corespunztoareunui sistem mobil este partajat n dou sub-benzi: sub-banda ascendent (utilizat n comunicaiile

pe sensul de la echipamentele mobile la staia de baz) i sub-banda descendent (utilizat ncomunicaiile pe sensul de la staia de baz la echipamentele mobile). Comunicaiile din ambelesub-benzi se realizeaz pe canale de comunicaie. Fiecare canal de comunicaie este caracterizat deo frecven numit frecven purttoare. Frecvenele purttoare sunt egal spaiate att n sub-bandaascendent ct i n sub-banda descendent. De asemenea, fiecare canal de comunicaie estecaracterizat de o lrgime de banddiferit de la un sistem mobil la altul. n unele sisteme, ntreoricare dou canalede comunicaie exist o band de separaie, numit band de gard.

Lrgimea de banda canalelor de comunicaie, banda de separaientre canale i lrgimeatotal de band a unui sistem mobil de telecomunicaii determin numrul de canale din sistemulmobil (i implicit capacitatea sistemului mobil).

Stabilirea unei comunicaii mobil staie de baz necesit alocarea cte unui canal nfiecare dintre sub-benzi. De exemplu, n sistemul AMPS, canalele de comunicaie sunt numerotatede la 1-666, primul canal avnd alocate dou frecvene: 825,030 MHz (pentru comunicaia de lamobil spre staia de baz) i 870,030 MHz (pentru comunicaia de la staia de baz spre mobil). nacelai sistem, pentru canalul 666 sunt alocate frecvenele 844,98 MHz i 889,98 MHz. Ulterior,

pentru creterea capacitii sistemului, banda total a sistemului mobil a fost mrit la 10 MHz (cte5 MHz n fiecare sub-banda), rezultnd o cretere cu 166 a numrului de canale din sistem. n fapt,orice sistem mobil se confrunt cu aceeai problem fundamental: cu o resurs limitat (banda

total a sistemului) trebuie gsite soluii pentru satisfacerea cerinelor unui numr ct mai mare declieni. Pentru a nelege mai bine acest fenomen, prezentm n continuare dou exemple.Exemplul 1:

Fie o celul cu o rat a cererilor de apel de Q = 3000 apeluri/h i o durat medie a unui apel T =1,76 min. Care este numrul de canale necesar n celul pentru ca probabilitatea de blocare a uneinoi cereri de apel s fie cel mult B = 2% ?

Soluie:Se poate calcula uor c ncrcarea de trafic n celul este:

A= Q-T/60 erlangs (A=88).Pentru probabilitatea de blocare maxim de B = 2% va rezulta c sunt necesare N = 100 canale(conform legii Erlang B).

Exemplul 2:


18/89


Dac ntr-o celul sunt alocate N = 50 canale i durata medie a unui apel este T = 100 s, care esterata medie a apelurilor pentru care probabilitatea de blocare a unei noi cereri de apel este de maximB = 2% ?

Soluie:Printr-un calcul asemntor celui din exemplul anterior se obine c n aceste condiii se poatesatisface o rat medie a apelurilor Q = 1450 apeluri/h.

Avantajele deosebite ale sistemelor mobile (mai ales posibilitatea de a comunica oriunde,oricnd i din orice loc), a fcut ca achiziiile de sisteme mobile s ating cifre foarte ridicate (suntri unde exist peste 0,1 posturi mobile/locuitor), ceea ce a condus implicit la necesitatea gsiriiunor soluii de cretere a capacitii acestor sisteme. Din fericire, chiar i sistemele analogice au fost

proiectate cu faciliti de cretere a capacitii, altele fiind introduse n practic o dat cu apariiasistemelor digitale. Cteva din tehnicile de creterea capacitii sistemelor mobile vor fi tratate pelarg n paragrafele urmtoare.

1.6. Principiul reutilizrii frecvenelor n sistemele mobile de telecomunicaii

Principiul tehnicii reutilizrii frecvenelor este ilustrat simplificat n figura 7.

Fig. 7. Principiul reutilizrii frecvenelorAstfel, dac un canal radio este utilizat ntr-o celul C1 de raz R, acelai canal se poate

utiliza i ntr-o alt celul C2, situat la o distan D de prima celul, numit distan de reutilizare.Aceasta va face ca fiecare canal radio din spectrul sistemului mobil s poat fi utilizat, n acelaimoment de timp, n locuri (arii) diferite din sistem, ceea ce evident va conduce la o cretere acapacitii sistemului mobil (numr de abonai ce pot fi deservii).

1.7. Mecanisme de acces la interfaa radio

Unul din factorii eseniali ce influeneaz capacitatea sistemelor mobile este modul n careutilizatorii mobili au acces la canalele de comunicaie. O prim clasificare realizat din punctul devedere al modului de acces la interfaa radio mparte sistemele mobile n dou mari categorii:

1. Sisteme cu acces simplu -pentru aceast categorie de sisteme mobile, pe o purttoare,la un moment dat, are acces un singur utilizator;2. Sisteme cu acces multiplu - n acest caz, pe o purttoare, la un moment dat, au accessimultan mai muli utilizatori.

Din prima categorie fac parte sistemele cu acces n frecven, iar n cea de -a doua sencadreaz sistemele TDMA i CDMA.

1.8. Mecanisme de transfer ale apelur i lor (handover)

n literatura de specialitate aceste mecanisme sunt ntlnite sub denumirea generic dehandover. Dei termenul handover nu este nc ncetenit n limba romn, l vom folosi n ideeade a facilita utilizatorului parcurgerea acestui paragraf.

Handover-ul se definete ca fiind mecanismul prin care un terminal mobil schimb, peparcursul desfurrii apelului, canalul radio care i fusese alocat iniial. Necesitatea unui astfel demecanism se datoreaz posibilitii ca, pe parcursul unui apel, nivelul semnalului util recepionat demobil i/sau staia de baz s scad sub un prag de neinteligibilitate. O alt cauz a iniierii unei


19/89


cereri de handover este aceea a scderii raportului semnal/interferen sub pragul admisibil deinteligibilitate. Handover-ul este, de cele mai multe ori, o consecin a modificrii poziieigeografice (ieirea din aria de acoperire a unei celule i intrarea n aria unei alte celule atragenecesitatea modificrii canalului pentru un mobil angajat ntr-o comunicaie), dar poate fi i oconsecin a necrii temporare n zgomot a unui canal radio. Deoarece n capitolul 3 se va tratahandover-ul n sistemul GSM, vom discuta n cele ce urmeaz despre acest mecanism n cazulsistemelor analogice. Astfel, n sistemele analogice, pentru stabilirea unui handover, se parcurgetapele:

l. Se msoar nivelul semnalului recepionat RSS (Received Signal Level):RSS = C + I (1.8.)

2. Se msoar periodic interferena I. Dac RSS coboar sub un prag critic predefinit se vaface o cerere de handover. Din cele dou msurtori se poate calcula uor raportul:

11

1 SRSS

S

S

(1.9)

Iniierea unei cereri de handover este dictat de nivelul de semnal recepionat sau de raportulS/I. Teoretic, o astfel de cerere se desfoar (de exemplu) astfel: cnd nivelul de semnal atinge

limita de inteligibilitate, staia de baz va emite o cerere de handover spre centrul mobil decomutaie. Dac se utilizeaz un prag fix pentru nivelul de semnal, metoda este ns rigid din cauzacondiiilor diferite de propagare n teren. O valoare a pragului pentru cererea de handover seconsider 100 dBm.

n scopul reducerii numrului de apeluri ntrerupte, cauzate de o cerere de handovernereuit, precum i pentru diminuarea numrului de cereri de handover, se pot aplica urmtoarelemetode. Pentru determinarea ntrzierii handover-ului se introduc dou praguri. Astfel, pentru primacerere de handover (realizat la atingerea primului prag - prag 1) se poate ntrzia alocarea resursei

pn la realizarea unei a doua cereri (aceast nou cerere este fcut la atingerea celui de-al doileaprag -prag 2 de handover). Acest procedeu poate fi util atunci cnd celula solicitat estesuprancrcat, deoarece produce o diminuare a numrului de cereri de handover.

Pragul considerat poate fi att nivelul semnalului recepionat, ct i raportulsemnal/interferen (S/I). Un exemplu tipic de utilizare a acestui procedeu este cel din figura 8. Seobserv c, fr existena a dou praguri de handover, cererea unui solicitant din celula A (latrecerea n celula B) s-ar produce cnd deja mobilul este n interiorul celulei B.

Fig. 8. Cerere de handover cu dublu pragSituaiile n care se fac cereri de handover bazate pe diferen de putere recepionat se

trateaz astfel: notm cu diferena de putere ntre semnalul recepionat de celula generatoare dehandover i cel recepionat de celula creia i se solicit resursa.

n funcie de mrimea acestei diferene se iau urmtoarele decizii:a) < -3 dB: nu se acioneaz n nici un fel;

b) -3 dB < < 0: se monitorizeaz semnalul;c) 1 dB < < 3 dB: se pregtete o cerere de handover;d) > 3 dB: se efectueaz o cerere de handover.

1.9. Algoritmi de mbuntire a performanelor sistemelor mobile

Aceste proceduri sunt menite s duc la o serioas mbuntire a calitii transmisiilor ntr-o


20/89


reea mobil, precum i la o adaptare la variaii mari de trafic ntr-o aceeai celul.Proiectarea sistemului de telefonie mobil trebuie s includ i msuri pentru limitarea inter-

ferenei ntre frecvenele vecine. Cu toate c att unitatea mobil ct i transceiver-ul celulei suntprevzute cu un filtru de interferen (IF), trebuie evitat situaia cnd nivelul semnalului recepio-nat devine prea mic n raport cu semnalul interferent. Exist dou mbuntiri care se pot aducestructurii celulare iniiale, care realizeaz att o mai bun adaptare a sistemului la creteri brute detrafic pe arii restrnse, ct i la o reducere a interferenelor.

Prima dintre ele este sectorizarea celular, iar cea de a doua este divizarea celular(,,splitting").

1.9.1. Sectorizarea celularSe noteaz canalele de comunicaie cu

numere de la 1 la N i se consider c, nfrecven, diferena ntre purttoare este

proporional cu diferena algebric ntrenumerele folosite pentru notaie. Dac se

consider un grup de baz format din N celule,atunci al n-lea set de canale (0 < n < N) seformeaz dup regula {n, n + N, n + 2N,... }.Figura 9 arat modul de alocare a resurselor n tr-un grup de baz de 12 celule. Acest tip de alocare

poate modela, de exemplu, un sistem cu accessimplu n frecven atunci cnd toate celulele suntechipate cu antene omnidirecionale.

Fig. 9. Alocare de resurse ntr-un grup de baz de 12 celule

1.9.2. Divizarea celular (splitting)

Distana ntre dou celule vecine se njumtete, astfel nct suprafaa nominal a celuleihexagonale se reduce de 4 ori (densitatea de celule n reea crete de 4 ori).

CAP.2. Introducere in Sistemul Global pentru comunicaii

Mobile (GSM)

2.1. ISTORICUL SISTEMULUI GSM

n perioada anilor 80, sistemele de telefonie celular analogic au nregistrat o dezvoltarerapid n Europa, n special n rile scandinave i Marea Britanie, dar i n Frana i Germania.Fiecare ar i-a dezvoltat propriul sistem care era incompatibil cu oricare altul n materie deechipament i operare. S-a generat astfel o situaie indezirabil, deoarece echipamentul mobil eralimitat la graniele fiecrei ri i oferta de echipamentespecifice era limitat. rile europene aurealizat acest lucru i n 1982, Comitetul European de Pot i Telegraf (CEPT) a format un grupnumit Grup Special Mobil (GSM) pentru a studia i dezvolta un sistem public pan-european detelefonie mobil. Sistemul propus trebuia s ndeplineasc urmtoarele cerine: calitate bun atransmisiei, costuri mici pentru servicii i terminal, suport pentru deplasri internaionale, capacitatede a suporta terminale portabile, suport pentru servicii i facilitai noi, eficien spectral precum icompatibilitate cu sistemul ISDN.


21/89


n 1989, responsabilitatea GSM a fost transferat Institutului European de Standarde nTelecomunicaii (ETSI), iar faza I a specificaiilor GSM au fost publicate n 1990. Serviciilecomerciale au nceput pe la mijlocul anului 1991, pn n 1993 s-au creat 36 de reele n 22 de ri,iar pn n 1997 nc 25 de ri au aderat la acest sistem. Dei a fost standardizat n Europa, GSMnu este doar un standard european. Reelele GSM (inclusiv DCS1800 i PCS1900) sunt operaionalesau planificate n peste 80 de ri din toata lumea. La nceputul anului 1994 s-au nregistrat 1,3milioane de utilizatori n toata lumea, la nceputul anului 1995, peste 5 milioane iar pn ndecembrie 1995, 10 milioane de utilizatori numai n Europa. Cu Statele Unite, avnd un sistemderivat din GSM numit PCS1900, sistemele GSM exist pe fiecare continent, i acronimul GSM seaplic acum pentru Sistemul Global pentru comunicaii Mobile.

Iniiatorii GSM au ales un sistem digital, opus sistemelor celulare analogice standardizate,cum ar fi AMPS n Statele Unite i TACS n Marea Britanie, avnd credina c dezvoltareaalgoritmilor de compresie i a procesoarelor de semnal digitale vor permite ndeplinirea cerinelormenionate i vor mbunti sistemul n ceea ce privete costul i calitatea. Cele aproape 6000 de

pagini ale recomandrilor GSM ncearc s permit flexibilitate i suficient standardizare pentru a

garanta interconectarea componentelor sistemului. Acest lucru este realizat prin oferirea uneidescrieri funcionale pentru fiecare entitate funcional definit n sistem.

2.2. PRINCIPIILE DE BAZA ALE TELEFONIEI CELULARE

Conceptul de telefonie celular a fost inventat n Statele Unite la Bell Laboratories n 1947.Au fost necesari peste 35 de ani pentru a-l pune n practic i a realiza prima reea analogic iterminalele necesare.

O reea celular este compus dintr-o serie de staii de baz de joas putere, fiecare oferind oarie de acoperire relativ mic, care,combinate, asigur o acoperire continu a unei regiuni date. Prinutilizarea acestor staii de putere mic, a devenit posibil reutilizarea frecvenelor, ce a condus la ocretere a capacitaii reelei.

Acoperirea oferit de o staie de baz corespunde unui numr de utilizatori care se presupunec exist n respectiva arie, numit celul. Astfel, arii dens populate necesit celule mai mici i unaspect inteligent al reelei d posibilitatea unei conversaii s continue fr ntrerupere pe msur ceutilizatorii se deplaseaz ntre aceste celule. Procesul prin care o conversaie este pasat dintr-ocelul n alta este cunoscut sub numele de "hand-off".

n lume exist peste 50 milioane de utilizatori de telefoane celulare. Atrase de costul relativsczut i capacitatea ridicat a sistemului GSM, peste 70 de ri au ales aceast noua tehnologie.

2.3. AVANTAJELE SISTEMULUI GSM

1. Eficien mrit a spectrului radio permite o capacitate crescut a reelei. (Poate suporta unnumr mult mai mare de utilizatori).

2. Permite o sofisticat autentificare a utilizatorului, reducnd posibilitatea fraudelor.3. Previne interceptarea conversaiilor prin tehnici sofisticate de incriptare care sunt aproape n

totalitate sigure.


22/89


4. Permite o mai bun claritate i consistent a conversaiei prin eliminarea interferenei n timpultransmisiei digitale.

5. Simplific transmisia de date, permind conectarea calculatoarelor portabile la telefoanelecelulare GSM.

6. Un singur standard ce permite deplasri internaionale ntre reelele GSM din lume.2.4. PERFORMANELE GSM

Multe din sistemele analogice pot oferi performane bune, dar GSM-ul a fost proiectat s fiemai bun dect orice sistem analogic. Calitatea convorbirii GSM este comparabil cu sistemeleanalogice n condiii medii i bune, dar n condiii de semnal slab sau interferene, sistemul GSM secomport mult mai bine.

Calitatea radio, mrimea i timpul de viaa al bateriei sunt de asemenea parametri importanide performana. Deoarece se utilizeaz un standard digital, se nregistreaz un nivel ridicat deimplementare a noilor tehnologii, ducnd la micorarea mrimii i greutaii telefoanelor mobile.Utilizarea puternicului mod "sleep" automat duce la o semnificativ cretere a timpului de viaa al

bateriei.

2.5. SECURITATEA SISTEMULUI GSM

GSM ofer trei niveluri de securitate:

Nivelul de securitate I

Datele utilizatorului GSM sunt nregistrate n cartela SIM . Cartela SIM poate fi inserat n orice terminal GSM. Tariful este nregistrat pentru proprietarul cartelei SIM. Sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.

Nivelul de securitate II

Sistemul GSM identific localizarea utilizatorului. Terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidat. Utilizatorul poate fi identificat nainte de acceptarea convorbirii.

Nivelul de securitate III

Sunt utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face aproape imposibil interceptareaconvorbirii.

2.6. SERVICII OFERITE DE SISTEMUL GSM

De la nceput, proiectanii sistemului GSM au dorit o compatibilitate ISDN n termenii

serviciilor oferite i controlului semnalizrii utilizate. Totui, limitrile transmisiei radio, privindlrgimea de banda i costul, nu permite ratei de transfer standard ISDN de 64 kbps s fie practicatins.


23/89


Utiliznd definiiile ITU-T, serviciile de telecomunicaii pot fi mprite n servicii detransfer, teleservicii, i servicii suplimentare. Teleserviciul de baz suportat de GSM este telefonia.Semnalul vocal este codat digital i transmis prin reeaua GSM ca un flux de semnal digital. Deasemenea, utilizatorii GSM pot trimite i recepiona date, la o rat de pn la 9600 bps, utiliznd ovarietate de metode de acces i protocoale cum ar fi X.25 sau X.32. Deoarece GSM este o reeadigital, nu este necesar folosirea unui modem ntre utilizator i reeaua GSM, dar n interiorulsistemului GSM este necesar un modem pentru conectarea cu sistemul de telefonie obinuit.

Aa cum este descris n recomandarea ITU-T, T.30, este posibil transmisia i recepionareafax-urilor, prin folosirea unui adaptor special. Un serviciu unic oferit de GSM, inexistent nsistemele analogice, este Serviciul de Mesaje Scurte (SMS). SMS este un serviciu bidirecional

pentru mesaje alfanumerice scurte (pana la 160 caractere). Pentru SMS punct la punct, un mesajpoate fi trimis unui utilizator, cu posibilitate de confirmare a primirii. SMS poate fi utilizat ntr-unmod diseminat, pentru a trimite mesaje cum ar fi informri generale asupra traficului, etc. Mesajele

pot fi stocate n cartela SIM i citite ulterior.

Servicii suplimentare sunt oferite n specificaiile curente (Faza I), ce includ mai multeforme de transfer al apelului. n specificaiile din Faza 2, sunt oferite alte servicii suplimentare, cumar fi identificarea apelantului, apel in ateptare, conversaii multiple (conferine).

2.7. INFORMATII GENERALE

Reelele GSM opereaz n benzile de frecven 890-915/935-960 MHz prin intermediul a124 canale radio duplex, fiecare cu o lrgime de band de 200 KHz. Intervalul de frecven dintre

aceste dou benzi este de 45 MHz, care este ilrgimea de band dintre frecvena de transmisie icea de recepie a unui terminal GSM.

Se folosete o tehnic numit Time Division Multiple Access (TDMA) pentru a mpri uncanal radio de 200 KHz n 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnalvocal separat. Spre deosebire de semnalele analogice obinuite, transmisia unui canal de semnalvocal nu este continu. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocaldigitizat ntr-o serie de impulsuri scurte, totaliznd o durat de 1/8 dintr-o secund. Astfel unterminal GSM transmite o optime din timp. Avantajul tehnicii TDMA rezid n reutilizareafrecvenelor ntr-o vecintate apropiat cu o probabilitate mai mic de interferen. Aceasta asiguro eficien mult mai mare i permite deservirea mai multor utilizatori.

2.8. ARHITECTURA RETELEI GSM

O reea GSM este compus din mai multe entitti funcionale, ilustrate n Figura 1. ReeauaGSM poate fi mprit n trei pri. Staia mobil (Mobile Station) este folosit de utilizator,subsistemul staiei de baz (Base Station Subsystem) controleaz legaturile radio cu staia mobil(Mobile Station) i subsistemul reelei (Network Subsystem), partea principal unde se gasetecentrul de comutare al serviciilor mobile (Mobile services Switching Center), asigur comutarea

apelurilor ntre terminalele mobile sau ntre terminale mobile i cele fixe, ca i controlul mobilitii.


24/89


Figura 1. Arhitectura generala a reelei GSM.

Staia mobil i subsistemul staiei de baza comunic prin interfaa Um, cunoscut ca legtura radio.Subsistemul staiei de baz comunic cu centrul de comutare al serviciilor mobile prin interfaa A.

2.8.1. Staia Mobil

Staia mobil (MS) const n echipamentul mobil (terminalul) i o cartel inteligent numit"Subscriber Identity Module" (SIM). Cartela SIM ofer mobilitate personal, astfel nct utilizatorul

poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia n orice terminal.

Echipamentul mobil este unic identificat de "International Mobile Equipment Identity"(IMEI). Cartela SIM conine "International Mobile Subscriber Identity" (IMSI) utilizat laidentificarea de ctre sistem a utilizatorului, o cheie secret pentru autentificare, i alte informaii.IMEI i IMSI sunt independente, permind mobilitate personal. Cartela SIM poate fi protejatmpotriva utilizrii neautorizate printr-o parol sau un numr personal de identitate.

2.8.2. Subsistemul Staiei de Baz

Subsistemul staiei de baz este compus din dou pri, "Base Transceiver Station" (BTS) i"Base Station Controller" (BSC). Acestea comunic prin interfaa standardizat "Abis", permind(ca i n restul sistemului) operarea ntre componente fabricate de diferii productori.

BTS conine unitatile de emisie-recepie radio ce definesc o celul i controleazprotocoalele de legtur radio cu MS. ntr-o arie urban ntins pot exista un numr mare de BTS-uri dispuse, astfel nct cerinele pentru un BTS sunt performana, portabilitate si cost minim.

BSC controleaz resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalelorradio i alocarea frecvenelor. BSC este conexiunea dintre MS i "Mobile service Switching Center"(MSC).


25/89


2.8.3. Subsistemul Reelei

Componenta central a subsistemului reelei este centrul de comutare a serviciilor mobile,MSC. Se comport ca un nod normal de comutare PSTN sau ISDN, i n plus ofer funcionalitateanecesar controlului unui utilizator mobil, cum ar fi nregistrarea, autentificarea, actualizarealocalizrii i transferarea apelului unui utilizator mobil. De asemenea, MSC ofer conexiunea ctrereelele fixe (cum ar fi PSTN sau ISDN). Comunicarea ntre entitatile funcionale n subsistemulreelei folosete "Signalling System Number 7" (SS7), utilizat pentru semnalare in ISDN.

Registrul "Home Location Register" (HLR) i "Visitor Location Register" (VLR), mpreuncu MSC, ofer transferul apelurilor i capabilitatile de mobilitate ale GSM. HLR conin e toateinformaiile administrative pentru fiecare utilizator nregistrat n reeaua GSM corespunztoare,mpreun cu localizarea curent a terminalului. ntr-o reea GSM exist un singur HLR logic, chiardac poate fi implementat ca o baz de date distribuit.

Registrul "Visitor Location Register" (VLR) conine informaii administrative selectate dinHLR, necesare pentru controlul apelurilor i resurse pentru serviciile subscrise, pentru fiecareterminal localizat curent n aria geografic controlat de VLR. Chiar dac fiecare entitatefuncional poate fi implementat ca o unitate independent, toi productorii de echipament pnacum au implementat VLR mpreun cu MSC, astfel nct aria geografic controlat de MSCcorespunde cu cea controlat de VLR, n acest fel simplificnd modul de realizare al subsistemului.MSC nu conine informaii despre terminale; aceste informaii sunt stocate n registrele de locaie.

Celelalte dou registre sunt utilizate pentru autentificare i securitate. Registrul "EquipmentIdentity Register" (EIR) este o baz de date ce conine o list a tuturor echipamente mobile validedin reea, unde fiecare staie este identificata prin IMEI. Un IMEI este marcat ca invalid dac a fost

raportat ca furat sau nu este de tipul aprobat. Centrul de autentificare "Authentication Center"(AuC) este o baz de date protejat care conine o copie a cheii secrete stocate n fiecare cartelSIM a utilizatorilor, care este utilizat pentru autentificare i incriptare pe un canal radio.

2.9. LEGATURA RADIO

Uniunea Internaional de Telecomunicaii (ITU), care controleaz alocarea internaional aspectrului radio, a alocat benzile 890-915 MHz pentru transmisie (mobil -> baza) si 935-960 MHz

pentru recepie (bazmobil), pentru reelele mobile din Europa. Deoarece acest interval a fostutilizat n anii 1980 de ctre sistemele analogice, CEPT a prevzut sa rezerve subbanda nalt de 10MHz a fiecrei benzi pentru reeaua GSM ce era nc n studiu. Eventual, se va aloca ntreagalrgime de band 2x25 MHz pentru GSM.

2.9.1. Accesul Multiplu i Structura Canalelor

Deoarece spectrul radio este o resurs limitat folosit de toi utilizatorii, a fost necesarelaborarea unei metode de a diviza banda de frecven pentru a deservi ct mai muli utilizatori

posibili. Metoda aleas de GSM este o combinaie de acces multiplu cu divizare n timp i frecven"Time-Division Multiple Access" i "Frequency-Division Multiple Access" (TDMA/FDMA).


26/89


Metoda FDMA implic divizarea n frecven a unei benzi de maxim 25 MHz n 124 frecvenepurttoare, decalate cu 200 kHz. Una sau mai multe frecvene purttoare sunt atribuite fiecrei staiide baz. Fiecare din aceste frecvene purttoare este apoi divizat n timp, utiliznd metoda TDMA.Unitatea fundamental de timp n metoda TDMA este perioada impulsului i dureaz 15/26 ms(aprox. 0,577 ms). Opt perioade de impuls sunt grupate ntr-un cadru TDMA (120/26 ms, sau aprox.4,615 ms), care formeaz unitatea de baz pentru definirea canalului logic. O perioad de impuls pecadru TDMA reprezint un canal fizic.

Canalele sunt definite prin numrul i poziia perioadei de impuls corespunztoare. Toateaceste definiii sunt ciclice i ntregul model se repet aproximativ la fiecare 3 ore. Cana lele pot fimprite n canale dedicate, care sunt alocate unei staii mobile dedicate i canale comune, caresunt utilizate de staiile mobile nededicate. O staie mobil este numit dedicat dac n momentulrespectiv este n uz, i nededicat dac esten modul ateptare.

2.9.1.1. Canalele de Tr afi c

Un canal de trafic (TCH) este utilizat pentru transportul semnalului vocal i a datelor.Canalele de trafic sunt definite printr-un multicadru sau un grup de 26 de cadre TDMA. Lungimeaunui multicadru este de 120 ms, de unde rezult definirea unei perioade de impuls (120 ms / 26cadre / 8 perioade de impuls pe cadru). Din 26 de cadre, 24 sunt utilizate pentru trafic, 1 este utilizat

pentru "Slow Associated Control Channel" (SACCH) i 1 nu este utilizat (Figura 2).

Figura 2. Structura impulsurilor, a cadrelor TDMA i a multicadrelor.

TCH-urile pentru transmisie i recepie sunt separate de 3 perioade de impuls, astfel nctstaia mobil nu trebuie s transmit i s recepioneze simultan, simplificnd electronica utilizat.

n plus fa de aceste TCH-uri, sunt definite i TCH-uri cu o optime de durat, i suntfolosite pentru semnalizare. n recomandri, sunt numite canale de control dedicate autonome sau"Stand-alone Dedicated Control Channels" (SDCCH).


27/89


2.9.1.2. Canalele de Contr ol

Canalele comune pot fi accesate de staiile mobile att dedicate ct i nededicate. Canalelecomune sunt utilizare de staiile mobile nededicate pentru a schimba informaii necesare pentruintrarea n modul dedicat. Staiile mobile aflate deja n modul dedicat monitorizeaz staia de baz

pentru protocol i alte informaii. Canalele comune sunt definite ntr-un multicadru de 51 de cadre,astfel nct staiile mobile dedicate utiliznd o structur TCH multicadru de 26 de cadre pot ncontinuare s monitorizeze canalele de control. Aceste canale de control includ:

Canal de Control "Broadcast" (BCCH) - Transmit continuu, spre staia mobil, informaii ceinclud identitatea staiei de baz, alocarea frecvenelor i secvena de comutare a frecvenelor.

Canalul de Corecie al Frecvenei (FCCH) si Canalul de Sincronizare (SCH) - Canaleutilizate la sincronizarea staiei mobile cu structura sloturilor de timp a unei celule prin definirealimitelor perioadelor de impuls si numerotarea sloturilor de timp. Un FCCH i un SCH sunt prin

definiie n slotul de timp numrul 0 (intr-un cadru TDMA).Canal "Random Access" (RACH) - Canal utilizat de staia mobil pentru a cere acces lareea.

Canal "Paging" (PCH) - Utilizat pentru a informa staia mobila despre apariia unui apel.Canal "Access Grant" (AGCH) - Utilizat pentru a aloca un SDCCH ctre o staie mobila

pentru a obine un canal dedicat, in urma unei cereri RACH.

2.9.1.3. Structura Impulsului

Exist patru tipuri diferite de impuls pentru transmisie n reeaua GSM. Impulsul normaleste utilizat pentru transportul datelor i a majoritatii semnalelor. Acesta are o lungime total de156,25 bii, format din dou secvene de 57 bii, o secven de 26 bii folosit pentru egalizare, 1

bit pentru fiecare bloc de informaie (utilizat pentru FCCH), 3 bii la fiecare capt, i o secven deprotecie de 8,25 bii, ca n Figura 2. Aceti 156,25 bii sunt transmii in 0,577 ms, rezultnd o ratde transfer de 270,833 kbps.

Impulsul de tip F, utilizat in FCCH i impulsul de tip S, utilizat in SCH, au lungimileidentice cu impulsul normal, dar o structur intern distinct, care astfel permite sincronizrile.Impulsul de acces este mai scurt dect cel normal i este folosit pentru RACH.

2.9.2. Codarea Semnalului Vocal

Sistemul GSM este digital, astfel nct semnalul vocal care este inerent analogic trebuiedigitizat. Metoda utilizat de ISDN i de sistemele curente de telefonie digital, pentrumultiplexarea liniilor pe un trunchi de mare vitez i fibre optice, este "Pulse Coded Modulation"(PCM). Viteza fluxului de la ieirea PCM este de 64 kbps, prea mare pentru a fi potrivita uneilegturi radio. Semnalul de 64 kbps, de altfel simplu de implementat, conine mult redundan.Grupul GSM a studiat mai muli algoritmi de codare a vocii pe baze subiective de calitate i

complexitate (relative la cost, ntrzieri n procesare i putere consumat) nainte de a ajunge laalegerea algoritmului "Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder" (RPE-LPC) cu ciclu deprezicere lung. Informaii despre semnalul anterior, care nu se schimb foarte repede, sunt utilizatepentru a prezice semnalul curent. Coeficienii combinaiei liniare a semnalului anterior, plus o


28/89


forma codat a reziduurilor (diferena dintre semnalul prezis i cel actual), reprezint semnalul.Semnalul vocal este codat n 260 de bii, pentru fiecare durat de 20 ms, rezultnd o rat de transferde 13 kbps.

2.9.3. Modularea i Codarea Canalelor

Din cauza interferenei electromagnetice, semnalul vocal codat sau semnalul de datetransmis printr-o interfaa radio trebuie s fie protejat mpotriva erorilor. Sistemul GSM utilizeazcodarea convolutiva i organizarea pe blocuri pentru a realiza aceasta protecie. Algoritmii utilizaidifer pentru semnalul vocal i semnalul de date. Metoda utilizat pentru semnalul vocal estedescris mai jos.

De reinut ca semnalul vocal digitizat este format din blocuri de 260 bii pentru 20 ms desemnal vocal analogic. n urma unor teste subiective, a rezultat ca anumii bii dinfiecare bloc suntmai importani pentru calitatea semnalului dect alii. Biii aparinnd unui bloc sunt mprii n treiclase:

Clasa Ia 53 bii - sensibilitate mare la erori Clasa Ib 132 bii - sensibilitate moderat la erori Clasa II 78 bii - sensibilitate mic la erori

Clasa Ia are un cod ciclic redundant de 3 bii n plus pentru detecia erorilor. Dac estedetectat o eroare, cadrul este considerat prea deteriorat pentru a fi comprehensiv i este eliminat,fiind nlocuit cu o versiune atenuat a cadrului anterior corect. Aceti 53 bii, mpreun cu cei 132de bii de Clasa Ib i o secven terminal de 4 bii (un total de 189 bii), sunt introdui ntr-un codor

convoluional cu rata 1/2 cu restricie de lungime. Fiecare bit de intrare este codat ca doi bii deieire, bazat pe o combinaie a 4 bii de intrare anteriori. Astfel codorul convoluional scoate laieire 378 bii, la care sunt adaugai cei 78 de bii de Clasa II rmai, care sunt neprotejai. Astfe lfiecare semnal vocal de 20 ms este codat ca 456 bii, rezultnd o rat de 22,8 kbps.

Pentru o protecie mai bun cei 456 bii de la ieirea codorului convoluional sunt organizain 8 blocuri de 57 bii, i aceste blocuri sunt transmise n opt impulsuri consecutive. Din moment cefiecare impuls este transmis cu o rat de 270,833 kbps, un impuls poate transmite dou blocuri de57 bii aparinnd de dou cadre diferite.

Acest semnal digital este modulat pe o frecven purttoare utiliznd un filtru Gau ssian de

tip GMSK. Filtrul GMSK a fost ales dintre alte scheme de modulaie ca un compromis ntreeficiena spectral, complexitatea emitatorului i limitarea emisiilor adiacente. Complexitateaemitatorului este legat de puterea consumat, ce trebuie minimizat pentru staia mobil. Emisiileradio adiacente, n afara benzii alocate, trebuie strict controlate pentru a limita interferena canaleloradiacente, i a permite coexistena sistemului GSM i a vechilor sisteme analogice.

2.9.4. Egalizarea Semnalului

n domeniul de frecvene din jurul valorii de 900 MHz, undele radio se reflecta de orice:

cldiri, dealuri, automobile, avioane, etc. Astfel multe din semnalele reflectate, fiecare cu o altfaz, pot ajunge la recepie. Egalizarea este utilizat pentru a extrage semnalul dorit din reflexiilenedorite. Aceasta a fost realizat prin depistarea modului cum un semnal cunoscut transmis este


29/89


modificat prin reflexie i atenuare, n vederea construirii unui filtru invers pentru a extrage semnaluldorit. Acest semnal cunoscut este o secvena de 26 de bii transmis n centrul fiecrui impuls. Modulde implementare a egalizorului nu este specificat de GSM .

2.9.5. Comutarea Frecvenelor

Staia mobil trebuie s comute, ntr-un cadru TDMA ntre sloturile de transmisie, recepiei monitorizare, care de obicei sunt pe frecvene diferite. Sistemul GSM utilizeaz acest mod inerentde comutare a frecvenelor, deoarece staia mobil i BTS transmit fiecare cadru TDMA pe ofrecven diferit. Algoritmul de comutare al frecvenelor este emis pe canalul de control"Broadcast" BCCH. Deoarece atenuarea semnalului este dependent de frecvena purttoare,comutarea frecvenelor ajut la evitarea acestei probleme. n plus este diminuat i interferenacanalelor adiacente.

2.9.6. Transmisia Discontinu

Minimizarea interferenei canalelor adiacente este esenial n orice sistem celular, deoarecepermite oferirea unor servicii mai bune pentru o celul dat, sau utilizarea unor celule mai mici,astfel mbunttind capacitatea total a sistemului. Transmisia discontinua (DTX) este o metodacare, bazndu-se pe faptul ca o persoana vorbete mai puin de 40% din timp ntr-o conversaienormal, deconecteaz staia mobil n timpul perioadelor de inactivitate. n plus, este conservat i

puterea staiei mobile.

Cea mai important component a sistemului DTX este, desigur, detectarea activitiivocale. Aceasta trebuie s deosebeasc vocea de zgomotul de intrare, un lucru mai complicat dect

pare, dac se considera zgomotul de fond. Dac un semnal vocal este interpretat ca zgomot,transmisia este ntrerupt i un efect iritant nedorit numit "clipping" apare la recepie. Dac, pe dealt parte, zgomotul este interpretat ca semnal vocal prea des, eficiena sistemului DTX estediminuata dramatic. Alt factor de luat n seama este ca atunci cnd transmisia este ntrerupt,datorit naturii digitale a sistemului GSM, nu se mai aude nimic la recepie. n acest scop segenereaz la recepie un zgomot confortabil asemntor cu zgomotul de fond de la emisie, pentru aasigura utilizatorul despre pstrarea conexiunii.

2.9.7. Recepia Discontinu

Alt metod folosit pentru a conserva puterea staiei mobile este recepia discontinu.Canalul "Paging" (PCH), utilizat de staia de baz pentru a semnala un apel, este structurat nsubcanale. Fiecare staie mobil trebuie s asculte doar pe subcanalul propriu. n timpul dintresubcanalele "paging" succesive, staia mobil poate intra n modul "sleep", cu un consum de energieaproape nul.


30/89


2.9.8. Controlul Puterii

Exist definite cinci clase de staii mobile relativ la puterea de vrf transmis, i anume 20,8, 5, 2, i 0.8 W. Pentru a minimiza interferena canalelor adiacente i a conserva puterea, att staiamobil ct i staia de baz BTS trebuie s opereze la cel mai sczut nivel de putere care s pstreze

o calitate acceptabil a semnalului. Nivelele de putere pot

Retele Mobile de Telecomunicatii - Sistemul GSM

Documents

Transcript of Retele Mobile de Telecomunicatii - Sistemul GSM