Comunicații mobile și prin satelit Rețele mobile de telecomunicații. Sistemul GSM [310096]

Comunicații mobile și prin satelit Rețele mobile de telecomunicații. Sistemul GSM

CAP.1. Prezentare generală a sistemelor mobile

de telecomunicații

1.1. Introducere

1.1.1. Sisteme de comunicații mobile

Termenul actual de sistem de comunicații mobile desemnează orice sistem de comunicație în care cel puțin unul dintre terminale poate fi mobil chiar daca la un moment dat nu este. În aceasta accepțiune comunicațiile mobile au mai multe ramuri:

mobile – terestre;

maritime – mobile; – aero – mobile; – satelit – mobile.

Acestea au evoluat relativ independent. În prezent se constată o [anonimizat] .

Se pot evidenția șapte grupe care includ mai mult sau mai puțin riguros sistemele mai răspândite:

Sisteme private de radiotelefonie;

Sisteme de radiomesagerie (radiopaging);

Sisteme de telefonie fără fir (cordless);

Sisteme de radiotelefonie celulară (sisteme celulare de telefonie mobilă);

Sisteme de comunicații mobile prin satelit;

Rețele locale fără fir (WLAN);

Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse.

1.1.1.1. [anonimizat].

Aceste sisteme pot să fie interconectate sau nu cu alte sisteme de comunicații. Sunt primele sisteme de comunicații mobile care au fost instalate. [anonimizat]. Din acest motiv nu se putea asigura confidențialitatea și nici o utilizare eficientă a canalelor radio.

1.1.1.2. Sisteme de radiomesagerie (radiopaging)

Sunt sisteme unilaterale de transmitere de mesaje pe arii largi. Legătura radio este optimizată pentru a se beneficia de avantajul asimetriei. Se utilizează radioemițătoare de putere mare (de la sute de wați la kilowați) cu antene degajate. În acest mod receptoarele pot fi de dimensiuni reduse (de buzunar), [anonimizat]. [anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat] (absența liniei de răspuns), sistemele de radiopaging să cunoască un ritm de dezvoltare remarcabil comparabil cu cel al sistemelor de telefonie celulară.

1.1.1.3. Sisteme de telefonie fără fir (cordless)

Pot fi caracterizate drept sisteme care oferă extinderea rețelei telefonice fixe prin legături radio bilaterale de voce folosind putere mica și asigurând o mobilitate redusă a terminalului. Generația analogică a sistemelor cordless a apărut prin anii 1970 și s-a bucurat de la început de un succes remarcabil. În anii care au urmat s-a evoluat generația numerică reprezentată în Europa de o variantă CT-2 și DECT (Digital Enhanced (European) Cordless Telephone), PHS (Personal Handiphone System) în Japonia etc.

În faza inițială telefoanele fără cordon au fost concepute pentru a [anonimizat], în interiorul reședințelor. În acest scop cordonul telefonic este înlocuit cu o legătură radio între terminalul conectat la rețeaua telefonică și un terminal mobil. Într-o etapă ulterioară aceste sisteme și-au extins aria de aplicații și în afara reședințelor.

1.1.1.4. Sisteme celulare de telefonie mobilă (radiotelefonie celulară)

Sunt sisteme care pot asigura transmisiuni locale, bilaterale, pe o arie de acoperire mare, către utilizatori cu mobilitate mare. Prin mobilitate mare se subînțelege atât viteza de deplasare cât și posibilitatea de circulație liberă (roaming) la nivel național și internațional.

Evoluția sistemelor celulare a început în urmă cu circa 50 de ani dar implementarea efectivă s-a materializat la sfârșitul anilor `70. Ele îmbină accesul radio cu infrastructură formată dintr-o rețea complexă dotată cu inteligență adecvată pentru administrarea mobilităților utilizatorilor.

Stațiile de bază utilizate folosesc, de regulă, puteri de ordinul waților. Puteri de acest ordin ca și antene eficiente sunt accesibile stațiilor de bază și stațiilor mobile montate pe vehicule, nu și terminalelor de buzunar. Mai mult dacă utilizatorul unui astfel de terminal se află într-o clădire, semnalul este atenuat suplimentar de către pereți. Ca urmare serviciile de care beneficiau utilizatorii acestora au fost multă vreme inferioare celor asigurate de stațiile montate pe vehicule. Cu toate aceste impedimente terminalele portabile au devenit foarte populare reprezentând în prezent referința pentru evaluarea calității. În prezent eforturile se îndreaptă spre mărirea autonomiei și spre reducerea bateriei. Sistemele celulare de început au aparținut generației analogice FDMA remarcabile fiind AMPS în SUA, NMT în Europa și MCS în Japonia. De remarcat că această generație nu a fost subiectul unei coordonări internaționale; așa se explică faptul că au existat foarte multe soluții de importanță națională. De exemplu în Japonia au fost instalate 6 sisteme iar în Europa un număr comparabil. Trecerea la generația numerică a beneficiat de experiența acumulată în instalarea și operarea rețelelor din generația analogică și au rezultat sisteme care s-au impus pe arii mult mai largi:

GSM, DCS1800 – în Europa;

USDC – (IS54) – în SUA;

IDC (PDC) – în Japonia;

varianta CDMA, IS-95, instalată în SUA.

În conceperea și proiectarea acestor sisteme s-a urmărit o utilizare cât mai eficientă a spectrului și o maximizare a capacității de preluare a traficului la nivelul fiecărei celule. Rămânând la nivelul generației a doua, analiza comparativă a sistemelor prezentate pune în evidență o serie de trăsături comune:

codarea vorbirii cu o rată redusă (13kb/s sau chiar 8kb/s), ceea ce a dus la creșterea numărului de utilizatori pe unitatea de bandă pe seama calității transmisiunii audio; acest efect este accentuat atunci când trebuie realizate operații de transcodare.

întârzierea mare a transmisiunii (200ms pe un circuit dus-întors) provocată de complexitatea prelucrării semnalului audio; această întârziere este comparabilă cu cea de pe legăturile prin satelit; este o valoare de la care se consideră că se afectează calitatea transmisiunii.

complexitatea ridicată a prelucrării semnalului atât pentru codarea convorbirii cât și pentru demodulare;

alocare fixă a canalelor de comunicație;

realizarea perechii duplex prin diviziune în frecvență (FDD); – controlul puterii terminalului mobil.

Observând aceste caracteristici se constată că spre deosebire de sistemele cordless aici s-a acceptat consum energetic ridicat la emițător, complexitate ridicată a terminalului de abonat, calitatea, relative redusă a semnalului vocal recepționat și o complexitate ridicată a rețelei.

În ultimii ani comunicațiile celulare evoluează spre utilizarea unor celule din ce în ce mai mici (microcelule). Pe această cale se asigură o capacitate mărită pentru a putea prelua traficul din ariile cu o densitate mare de utilizatori. În același timp această soluție duce la creșterea autonomiei terminalelor de abonat prin reducerea puterii de emisie mai ales dacă se folosește controlul puterii emise, mărește capacitatea sistemului, ameliorează comunicația în clădiri mari sau în locuri umbrite prin montarea adecvată a unor stații de bază, reducând totodată prețul de cost per canal de comunicație instalat. Această tendință conduce la o apropiere față de sistemele digitale cordless și readuce în prim plan problema mobilității în cazul terminalelor de viteză mare. Pentru a rezolva această problemă se apelează la concepte noi cum ar fi: rețele suprapuse, celule umbrelă etc.

1.1.1.5. Sisteme de comunicații mobile prin sateliți

Pot fi caracterizate ca sisteme capabile să asigure transmisiuni bilaterale (sau unilaterale) de voce sau de date către vehicule împrăștiate pe o arie foarte largă (chiar la nivel global). Calitatea transmisiunilor este redusă. Aceste sisteme pot fi considerate ca o limită pentru sistemele mobile constituite în jurul unor stații de bază scumpe cu arii de acoperire mare. Dintre sistemele din această categorie cele mai cunoscute sunt: Iridium, Odisey, Globalstar etc. Trebuie menționat și sistemul INMARSAT destinat comunicațiilor cu navele aflate pe mare.

Instalarea acestor sisteme se poate pe diverse tipuri de sateliți:

sateliți de orbită joasă (LEOS – Low Earth Orbit Satellites);

sateliți geostaționari (GEOS – Geostationary or Geosynchronous Orbit Satellites ;

sateliți de putere medie.

1.1.1.6. Rețele locale fără fir (WLAN)

Pot fi caracterizate ca sisteme de comunicație dedicate transmiterii de date de viteză mare în interiorul unui campus sau în clădiri mai mari asigurând mobilitate redusă pentru terminalele de date. Aria de acoperire de la terminalul radio, este ca și în cazul sistemelor cordless, redusă, de ordinul a zeci sau, cel mult, sute de metri. Cu alte cuvinte extensia asigurată se limitează la o cameră mai mare sau la câteva camere alăturate. Astfel de sisteme există de mai mulți ani dar evoluția lor a fost oarecum haotică. Sunt în exploatare variante oferite de diverși producători acoperind o gamă largă de configurații și asigurând viteze de transmisiune mergând de la sute de kb/s la paste 10 Mb/s. Evoluția contradictorie se poate explica și prin aceea că numărul de utilizatori este mult mai mic decât cel al sistemelor dedicate transmiterii de voce.

1.1.1.7. Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse

Sunt sisteme care asigură transmisiuni de date cu viteză mică pentru vehicule și pietoni, asigurând mobilitate ridicată și arie de acoperire mare. Asemenea sisteme au fost instalate de mai mulți ani în orașe mari din SUA sau Europa, dar nu s-au bucurat de dezvoltarea sistemelor de transmitere audio.

Exemple de astfel de rețele sunt: ARDIS oferită de compania Motorola și RAM oferită de Ericsson. Cele două rețele au fost concepute pentru a folosi canalele radio bilaterale constituite pentru transmisiuni radio – telefonice de voce.

Treptat, aceste rețele se apropie de arhitectura sistemelor moderne celulare având la bază microcelule cu stații de bază apropiate, mici, ieftine conectate la o infrastructură fixă. Un exemplu de rețea cu astfel de caracteristici este cea instalată de compania METRICON în San Francisco și care poate asigura transmisiuni cu cca 75kb/s.

1.1.2. Scurt istoric al sistemelor celulare de telefonie mobilă

Dezvoltarea telefoniei mobile, în special în deceniul 1980-1990, a condus la apariția a numeroase sisteme (NMT – în țările nordice, TACS – în Marea Britanie, AMPS – în SUA) și la creșterea numărului de abonați (la începutul lui 1990 existau aproximativ 1 milion de abonați în Europa). Principala problemă, apărută încă de la începutul anilor '80, a fost incompatibilitatea între sisteme mobile diferite: de exemplu, un abonat al sistemului NMT își putea folosi telefonul mobil numai pe teritoriul țărilor care aveau rețea mobilă NMT. Odată intrat într-o țară cu un alt sistem mobil, diferit de NMT, telefonul său mobil devenea inutilizabil.

A apărut astfel ideea creării unui sistem mobil pan-european, care pe lângă rezolvarea problemei anterior menționate, trebuia să aibă și o serie de alte avantaje față de sistemele clasice, avantaje dintre care menționăm:

să asigure o calitate corespunzătoare a serviciilor clasice de telefonie;

să utilizeze soluții simple de proiectare care să permită obținerea unor terminale mobile cu prețuri cât mai mici, concomitent cu costuri cât mai mici aferente instalării și întreținerii

echipamentelor de infrastructură a rețelei mobile (pentru a permite obținerea unor costuri cât mai mici pentru serviciile asigurate);

să diversifice (comparativ cu sistemele analogice) gama de servicii;

să fie compatibil cu rețeaua digitală cu integrarea serviciilor ISDN;

să asigure o utilizare cât mai eficientă a spectrului radio disponibil (în scopul de a putea avea un număr cât mai mare de abonați);

Prima decizie importantă pentru crearea acestui nou sistem mobil a fost luată în 1982 de CEPT (Conference Europeene de Postes et Telecommunications) care a alocat pentru noul sistem mobil următoarele benzi de frecvență:

890 – 915 MHz pentru comunicația în sensul mobil -> stație de bază;

935 – 960 MHz pentru comunicația în sensul stație de bază -> mobil;

Tot în 1982, CEPT a hotărât crearea unui grup special de lucru, numit GSM (Group Speciale Mobile) care să lucreze la specificațiile noului sistem mobil. Începând de la această dată, mai multe firme din diverse țări europene au început să lucreze pentru identificarea unei structuri optime a noului sistem mobil. În 1986, GSM a primit 9 propuneri distincte detaliate privind noul sistem paneuropean. Timp de un an au fost analizate cele 9 propuneri (testări, simulări experimentale etc.) ceea ce a permis comitetului să ia deciziile privind cele mai generale aspecte ale noului sistem mobil. Astfel, acesta urma să fie un sistem digital care utiliza o tehnică de acces mixtă (FDMA/TDMA – acces în frecvență cu multiplexare în timp) etc. În 1987, la Copenhaga, 13 țări europene au semnat un memorandum în care recunoșteau necesitatea creării unui sistem mobil universal, pan-european.

În 1991 apar recomandările GSM, care sunt grupate în 12 serii în peste 5000 pagini, ceea ce reflectă complexitatea sistemului adoptat. Tot în același an au loc alte evenimente care vor marca decisiv nașterea noului sistem: realizarea primei comunicații între un utilizator GSM și un utilizator PSTN, realizarea primei comunicații care a implicat un transfer al apelurilor (handover), deschiderea primelor sisteme experimentale în Europa de Vest. În 1992 se deschid primele sisteme GSM comerciale. Succesul sistemului a fost și este covârșitor, ajungându-se la sfârșitul lui 1994 ([JS96]) la 5 milioane de abonați, fiind în mare creștere. Avantajele noului sistem, comparativ cu sistemele analogice, sunt numeroase, dintre care amintim: compatibilitate cu rețelele fixe existente (inclusiv ISDN), apariția unor servicii avansate (fax etc.), creșterea confidențialității apelurilor, sensibilitatea mai redusă la interferențe, o mai bună utilizare a spectrului radio (prin utilizarea tehnicilor de modulație digitală etc.)

Ne propunem în acest capitol să dăm o imagine de ansamblu asupra celor mai importante aspecte legate de arhitectura și funcționalitatea sistemului GSM. Structurarea materialului permite o trecere logică și graduală de la arhitectura generală a sistemului până la mecanisme prin care se realizează funcțiuni particulare ale sistemului. Nu vom face însă aici referiri la soluții particulare de implementare; acestea urmează a fi prezentate într-un capitol ulterior. Principalele date tehnice ale sistemului sunt:

banda de frecvență: 900 – 1800 MHz;

transmisie numerică pe canale FDMA/TDMA;

puterea tipică 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.

Fig. 1. Arhitectura generală simplificată a unui sistem mobil de telecomunicații

1.2. Propagarea semnalelor prin mediul radio

În mediul radio există numeroase cauze care provoacă alterarea semnalului la parcurgerea drumului între sursă și destinație. Efectul diverșilor factori de mediu asupra calității semnalului recepționat presupune, pentru un studiu detaliat, un aparat matematic relativ pretențios, pe care nu-1 vom prezenta. Ne propunem să evidențiem principalii factori ce influențează propagarea semnalelor în mediul radio, punctând, acolo unde nu este prea complicat, dependențele teoretice ale diferiților parametri ai semnalului recepționat de diverși parametri de mediu. În sistemele mobile de telecomunicații, una din problemele esențiale o constituie fenomenele apărute ca urmare a propagării semnalelor în mediu liber. Astfel, semnalul recepționat de un mobil (sau stație de bază) cuprinde o componentă datorată propagării directe între emițător și receptor, precum și o sumă de componente provenite din reflexii, refracții proprii topologiei mediului (clădiri, sol, vegetație etc.). Reținem că în marea majoritate a situațiilor nu există o cale directă de recepție, de unde și suprapunerea peste semnalul emis a unor componente datorate reflexiilor.

O primă clasificare distinge trei categorii de distorsiuni în mediu radio:

distorsiuni de frecvență (efectul Doppler datorat mișcării mobilelor);

distorsiuni de amplitudine (cauzate de ceea ce literatura de specialitate numește fading Rayleigh); – distorsiuni de fază (are loc dispersia timpilor de propagare cauzată de propagarea pe căi multiple).

O altă clasificare a factorilor ce afectează calitatea semnalului transmis pe mediul radio identifică printre aceștia:

a) distanța emițător-receptor – la propagarea semnalului prin mediu radio, acesta este atenuat proporțional cu inversul pătratului distanței emițător-receptor.

Între puterea emisă, cea recepționată și distanța emițător-receptor există relația:

2

   PR  PT GT GR   (1.1) 4d

unde: PR = puterea recepționată; PT = puterea transmisă; GT GR= câștigurile la transmisie/recepție; d = distanța emițător-receptor;  = c/f(f= frecvența semnalului,  – lungimea de undă a semnalului).

Din (1.1) se obține imediat:

2

PPTR  GT GR 4cfd   (1.2)

Relația (1.2) arată clar că pentru aceeași parametri GT și GR , raportul PRPT este proporțional cu 1/ f 2 , de unde se poate deduce că, prin creșterea frecvenței de lucru a sistemului, va scădea atenuarea datorată propagării în mediul radio. Acesta este unul din motivele pentru care noile sisteme mobile sunt proiectate să lucreze într-o gamă de frecvențe cât mai ridicată;

b) Reflexiile datorate unor suprafețe precum apa, solul etc. În acest caz, semnalul recepționat va avea cel puțin două componente: o componentă directă și o componentă obținută prin reflexie. În general, a doua componentă nu este în fază cu prima, ceea ce conduce la distorsiuni ale semnalului recepționat.

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

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

În ([WY93]) se demonstrează că: P R  (  )2 sin2 4hh 1 2 (1.3)

PT 4d d

Pentru 4 hh 1 2  0,6 rad, din (1.3), cu aproximarea sin x  x, cos x  1, pentru x «1 se obține

d

PPT R  (hh d 1 2 2)2 (1.4)

Relația (1.4) descrie influența parametrilor h și d asupra raportului PR PT atunci când se iau în calcul reflexiile. Se observă imediat dependența raportului PR PT de 1/d4, comparativ cu dependența de l/d2, în cazul în care nu se consideră și reflexiile. Aceasta ne arată că, în cazul considerării efectului dat de reflexii, pe distanțe mari, atenuarea semnalului devine mult mai pronunțată;

Absorbțiile atmosferice: datorate oxigenului, apei din atmosferă etc.;

Efecte de umbrire: în calea semnalului între stația de bază și mobil, respectiv între mobil și stația de bază, pot exista obstacole ca vegetație, clădiri etc., obstacole ce vor produce o atenuare suplimentară a semnalului;

Difracții multiple: datorate denivelărilor de teren.

Efectele enumerate anterior produc o așa numită atenuare (fading) pe arii largi a semnalelor în mediul radio. Aceasta are ca rezultat o valoare medie a semnalului recepționat (medie spațială efectuată pe un interval de câteva zeci de lungimi de undă a semnalului), sau altfel spus, valoarea semnalului recepționat se mediază în spațiu pe o distanță de câteva zeci de lungimi de undă, mai mică decât cea a semnalului emis. Dintre factorii care produc atenuare locală (adică pe lungimi

spațiale de câteva lungimi de undă ale semnalului) amintim: f) Căile multiple de propagare;

Viteza mobilului: fading datorat efectului Doppler. Acest efect se manifestă printr-o deviație a frecvenței semnalului recepționat față de semnalul emis, dată de relația: fv

f  cos (1.5) d c

unde: v = viteza mobilului; f = frecvența semnalului; c = viteza luminii;  = unghiul între direcția emițător-receptor și direcția de deplasare a mobilului.

În figura 3 se prezintă schematic parametrii ce caracterizează fadingul datorat efectului Doppler.

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

Inexistența unei căi directe de propagare mobil  stație de bază- fading Rayleigh.

În concluzie, atenuările pe arii largi sunt observabile pe o rază de câteva zeci de lungimi de undă în jurul mobilului, pe când atenuarea locală este observabilă în zona unde este localizat mobilul (implicit ea se va modifica la deplasarea mobilului).

1.2.1. Modelul teoretic simplificat al atenuării canalului radio

Se poate aproxima atenuarea canalului radio printr-un model format din trei componente:

Atenuarea(dB)  A1(dB) A2(dB) A3(dB) (1.6) unde:

A1 = atenuare datorată distanței emițător-receptor (atenuare introdusă de mediul radio);

A2 = atenuarea datorată efectului de mascare (nu există o cale directă de propagare între emițător și receptor);

A3= atenuare datorată propagării pe trasee multiple. k

Raportul CPRPT este dat de relația: C    A2A3 (1.7) f r

unde: f = frecvența semnalului; r = distanța emițător-receptor; , = constante.

k

 este un factor constant în timp, dar depinde de distanța emițător-receptor și de banda de

f r

frecvență în care funcționează sistemul. Uzual [2, 4] și  = 2. A2 și A3 se pot modela probabilistic (A2 după o lege logaritmică și A3 după o lege Rayleigh).

1.2.2. Interferențe pe canale radio

Alături de cauzele ce produc alterarea semnalului radio la recepție, mai apar și interferențele (suprapunerile) semnalului util cu alte semnale radio. Interferențele pe canalele radio se pot clasifica în mai multe categorii:

interferențe independente de sistemul mobil – sunt cauzate de zgomotul termic și zgomotul extern (de exemplu zgomote parazite urbane și industriale);

interferențe de canal identic (co-channel). Sunt interferențe care apar datorită faptului că doi

utilizatori mobili, situați în puncte diferite ale sistemului emit pe o aceeași frecvență;

-interferențe de canal adiacent (adiacent channel). Sunt interferențe care apar atunci când utilizatori diferiți utilizează într-o aceeași arie geografică, canale radio adiacente în spectru.

Se poate scrie :

PR=PT+interferențe+zgomot de fond ; PR= C+I+NW

unde:

N = valoarea medie a componentei de zgomot; W = banda de frecvențe a componentei de zgomot; PR = puterea recepționată; Pr = puterea transmisă; I = nivelul interferențelor.

În sistemele mobile, pentru evaluarea clarității semnalului și a nivelului semnalelor perturbatoare se folosește ca referință raportul C/I.

1.3. Eficiența spectrală a tehnicii de acces multiplu

Termenul ―acces multiplu‖ își are originea în comunicațiile prin satelit și definește același lucru ca termenii multiplexare și trunchiere. Termenul de acces multiplu se aplică mixării semnalelor RF la frecvența benzii de bază. Scopul tehnicilor de acces multiplu este de a combina semnale de la diferite surse într-un mediu de transmisie comun, astfel încât, la destinație, semnalele diferite sau canalele să poată fi separate fără interferență mutuală. În echipamentele radio mobile celulare, utilizarea tehnicilor de acces multiplu rezultă din necesitatea de a împărți o zona limitată din spectrul radio între mai mulți utilizatori.

Termenii de modulație și multiplexare sunt foarte des confundați și interschimbați, aceștia fiind de natură complet diferită. Pentru a percepe mai clar diferența dintre cei doi termeni, aceștia vor fi definiți astfel:

Modulația – procesul utilizat pentru a transforma semnale de informații în semnale de transmisie. Multiplexarea – procesul utilizat pentru separarea diferitelor canale de informații transmise prin intermediul aceluiași mediu.

1.4. Tehnici de bază de acces multiplu

În cadrul sistemelor celulare terestre radio mobile, tehnicile de acces multiplu permit multor

utilizatori să împartă, în cel mai eficient mod, posibilitățile limitate ale unui spectru radio. În funcție de alocarea canalului vocal către utilizatorii sistemului, accesul multiplu poate fi clasificat în trei categorii, după cum urmează:

Pre-asignare. În astfel de sisteme, utilizatorului îi este alocat în mod permanent (asignat) un canal vocal, chiar dacă acesta este folosit sau nu.

Asignare la cerere. În acest caz, utilizatorului îi este alocat un canal vocal la comandă (la cerere) dintr-un grup de canale disponibile. După ce convorbirea s-a terminat, canalul este ―returnat‖ sistemului, același canal fiind apoi disponibil pentru alți utilizatori.

Acces aleator. În sistemele cu acces aleator, utilizatorii sistemului încearcă să acceseze canalele în mod aleator, fără a ține seama de sistem. Sunt posibile în acest caz ―ciocniri‖ între utilizatorii concomitenți care încearcă să acceseze același canal. Canalele sunt returnate sistemului atunci când convorbirea s-a încheiat.

Pre-asignarea este ineficientă la utilizarea în sistemele celulare, cu toate că unele canale trebuie să fie pre-asignate serviciilor de urgența din cadrul sistemului. Cea mai eficientă este asignarea la cerere și este folosită în mod frecvent în sistemele celulare actuale. Accesul aleator este o posibilitate, dar frecvența ‖ciocnirilor‖ devine inacceptabil de mare în timpul orelor de trafic maxim. În realitate, unele sisteme folosesc accesul aleator ca parte a arhitecturii accesului la cerere cu scopul de a accesa un canal disponibil de către utilizatori.

În funcție de separările semnalelor, există trei tehnici de bază de acces multiplu:

acces multiplu cu divizarea frecvențelor (FDMA) – acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)

acces multiplu cu divizarea codului (CDMA)

1.4.1. Accesul multiplu cu divizarea frecvențelor (FDMA)

Acest tip de acces a fost implementat în primele sisteme mobile și se caracterizează prin faptul că un canal radio poate fi folosit, la un moment dat, de un singur utilizator. Astfel, dacă un utilizator ce dorește realizarea unei convorbiri primește canalul i, un alt utilizator va putea realiza o convorbire pe același canal i numai după ce primul eliberează canalul. Presupunând n utilizatori ce desfășoară convorbiri simultan în sistem, o posibilă alocare a canalelor radio în sistemele cu acces simplu este prezentată în figura 4.

În acest caz, există posibilitatea ca doi utilizatori, apropiați ca distanță, să utilizeze simultan canale vecine în frecvență, ceea ce produce fenomenul numit interferență de canal adiacent. Pentru minimizarea acestui tip de interferență este necesară existența unei distanțe în frecvență între canale (bandă de gardă sau bandă de separație).

Cu ajutorul tehnicii FDMA, utilizatorii împart spectrul radio în domenii de frecvență. Acest lucru se realizează prin divizarea întregii lățimi de bandă disponibilă sistemului în sub-benzi de frecvențe înguste (canale vocale), după cum se ilustrează în figura a. Spațierea canalelor este dictată de tehnica de modulație utilizată; de exemplu ea este de 5 KHz pentru SSB și 25 sau 30 KHz pentru FM. Fiecare dintre canalele vocale este alocat numai unuia dintre utilizatorii concomitenți pe durata comunicației. FDMA este mai adecvată pentru sisteme de modulație analogică, cum ar fi FM, AM și SSB. Aceste sisteme de modulație folosesc tehnica FDMA combinată cu duplexarea frecvenței. Avantajele FDMA:

Nu există îndoieli în ceea ce privește fezabilitatea sa.

Tehnologie bine concepută și sigură.

Tehnologie flexibilă.

Nu necesită egalizarea canalelor. Dezavantajele FDMA:

Complexitatea stației de bază și necesitatea unui duplexor la stația mobilă.

Cerințe de stabilitate pentru frecvențele purtătoare, în particular, pentru spațierile de canal înguste, cum sunt cele utilizate in SSB.

Protecția împotriva unui fading major este dificil de realizat, în special pentru mobilele ce se deplasează cu viteză redusă.

Numărul de comunicații simultane este redus deoarece, la un moment dat, o purtătoare poate suporta o singură convorbire;

Existența benzii de separație, produce o micșorare a

numărului de canale radio din sistem.

Primul dezavantaj face inacceptabilă această tehnică de acces la mediu, în condițiile necesității obținerii de sisteme de capacități ridicate.

1.4.2. Acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)

Ideea de bază a acestui tip de acces este multiplexarea în timp, pe o aceeași frecvență radio, a două sau mai multe comunicații. Pe fiecare canal, timpul este decupat în sloturi de durată T. Un număr de M sloturi formează un cadru TDMA (unde M este o valoare dependentă de implementare). Fiecare utilizator mobil poate utiliza pe același canal unul sau mai multe sloturi. Reluând exemplul din paragraful precedent, pentru m < M, cei m utilizatori vor putea folosi aceeași purtătoare radio.

Cu tehnica TDMA, utilizatorii din sistem împart spectrul radio în domeniul timpului.

Aceasta se realizează prin alocarea unei fracțiuni de timp unuia și numai unuia dintre utilizatorii concomitenți pentru întreaga durată a comunicației. Pe durata acestei fracțiuni de timp, utilizatorul are acces la întreaga bandă de frecvență disponibilă sistemului. Acest caz se referă la TDMA de bandă largă (WB-TDMA, fig.b). Alternativ, in TDMA de bandă îngustă (NB-TDMA), utilizatorului i se permite accesul numai la o parte din banda de frecvența disponibilă sistemului, după cum se prezintă în fig. c. În cadrul NB-TDMA, spațierea canalelor este mărită pentru a se permite divizarea timpului între puțini utilizatori, dar rămâne sub lățimea de bandă coerentă. În cazul WB-TDMA, oricum, spațierea canalelor este mult deasupra lățimii de bandă coerentă. Tehnicile TDMA se pretează mult mai bine sistemelor digitale. Avantajele NB-TDMA:

Tehnologie bine concepută.

Cerințele pentru stabilitatea oscilatorului sunt mult mai puțin stringente în raport cu

FDMA.

Este posibil să se evite filtrele duplex la stațiile mobile prin selectarea de fracțiuni de timp diferite, atât pentru transmisie cât și pentru recepție.

Codarea se poate implementa ușor. Dezavantajele NB-TDMA:

Sunt posibile unele probleme de egalizare .

Este necesară sincronizarea dintre mobil și stațiile de bază, ceea ce poate fi o problemă

serioasă pentru vecinătatea mobilului.

Necesitatea unor durate mai mari pentru timpul de preambul și timpul de siguranță poate

avea un impact semnificativ asupra eficienței spectrului. Avantajele WB-TDMA:

Diversitatea inerentă a frecvențelor datorată fading-ului multiplu.

Se pot evita filtrele duplex în stația mobilă prin selectarea de fracțiuni de timp diferite pentru transmisie și recepție.

Dezavantajele WB-TDMA:

Tehnologie mai puțin elaborată decât cea folosită în sistemele cu NB-TDMA.

O problemă de egalizare dificilă care necesită un sistem eficient de egalizare.

Este necesară sincronizarea dintre mobil și stațiile de bază, ceea ce poate fi o problemă

serioasă în cazul vecinătății mobilului.

Necesită largi benzi continue de frecvență, care nu pot fi disponibile întotdeauna și

oriunde.

Este necesară o procesare de mare viteză.

Necesită un control al puterii pentru a preîntâmpina efectul aproape-departe în care puterea de la un utilizator situat aproape de stația de bază ar putea acoperi în cadrul aceleiași celule utilizatorii îndepărtați.

Necesitatea unor timpi de preambul și de siguranță poate avea un impact semnificativ asupra eficienței spectrului.

Fig. 6. Utilizarea spectrului în sisteme cu acces multiplu

1.4.3. Accesul multiplu cu divizarea codului (CDMA)

În ultimii 15 ani, CDMA a înregistrat un ritm rapid de creștere, devenind o tehnologie extrem de sofisticată. Derivată inițial din nevoia de securitate a comunicațiilor, CDMA a fost dezvoltată comercial începând cu mijlocul anilor 1980 de către una din cele mai avansate companii de telecomunicații din lume, Qualcomm Inc., cu sediul în San Diego, California.

CDMA este acronimul de la Code Division Multiple Acces și este una dintre așa numitele tehnologii cu „spectru dispersat‖ (spread spectrum), un grup de tehnici digitale de comunicație bazate pe folosirea undelor electromagnetice într-un spectru de lungime de undă mult mai mare decât ar fi necesar semnalului original. Aceasta ultimă caracteristică permite aplicații care au nevoie de lărgimi de bandă mari – precum Internetul de mare viteză – și reduce interferențele și zgomotul. Mesajele sunt divizate în pachete, fiecărui pachet fiindu-i atribuit un anumit cod. Mesajul este transmis, apoi decodat și reasamblat la receptor. Există peste 4.4 mii de miliarde de combinații posibile (coduri). Sistemul este responsabil nu doar pentru primele două cuvinte din numele CDMA, ci și pentru caracteristicile excepționale de securitate ale tehnologiei. Caracterul de bandă largă al CDMA face și mai dificilă spargerea barierelor de securitate.

Celelalte două cuvinte din CDMA accentuează o altă trăsătură importantă a acestei tehnologii. Ca și alte multe tehnologii de comunicații, CDMA permite un număr mare de utilizatori să folosească aceeași gamă limitată de canale radio. Totuși spre deosebire de alte tehnologii de acces multiplu – TDMA (în care nimeni nu poate accesa canalul / intervalul de timp, până când apelul respectiv fie să terminat, fie a fost mutat pe alt canal), CDMA are cu totul altă abordare. Utilizatorul nu este diferențiat printr-o frecvență separată sau printr-un anumit canal/interval de timp, ci de un cod digital unic (așa numitul pseudo-Random Code Sequence) comun telefonului mobil și stației de baza. Toți utilizatorii folosesc simultan același segment al spectrului radio. Diversele mesaje nu se amestecă, întrucât fiecare pachet de date are atașat propriul cod, asemenea unei amprente. Acest mod de utilizare al spectrului radio aduce două mari avantaje tehnologiei CDMA. Unul este eficiența spectrala foarte ridicată, care duce la capacități de aproape 10 ori mai mari comparativ cu tehnologiile analogice și de 4-5 ori comparativ cu TDMA. Celălalt este legat de puterea redusă necesară transmițătorului, cu efecte imediate precum durată de viață mai lungă pentru baterie sau timp de convorbire mai lung, precum și telefoane mai compacte mai ușoare.

În România rețeaua digitală CDMA operează în banda 450Mhz. Având această frecvență o stație acoperă teoretic o arie de 4 și respectiv de 16 ori mai mare decât stațiile care operează în benzile de frecvență de 900MHz, respectiv 1800 MHz. Cu alte cuvinte rețeaua necesită de 4, și respectiv 16 ori mai puține stații, ceea ce reduce considerabil costurile de operare. În plus tehnologia CDMA folosește transmisiuni de date în mod pachetizat (HSPSD), iar consumatorul este taxat exact pentru cantitatea de informații transferată, și nu pentru timpul petrecut în rețea. Acești doi factori se combină pentru a permite operatorului sa ofere acoperire superioară și calitate deosebită serviciilor la un preț accesibil.

Această tehnică a fost denumită și acces multiplu cu spectru distribuit (SSMA). În cadrul tehnicilor cu spectrul distribuit, semnalul transmis este plasat pe un domeniu larg de frecvență, în realitate mult mai larg decât lățimea de bandă minimă necesară pentru a transmite informațiile. De fapt, cu tehnica CDMA, fiecărui utilizator din sistem i se asignează un set unic de forme de undă timp-frecvență care este guvernat de un cod unic pseudoaleator al utilizatorului. Astfel, fiecare utilizator poate accesa domeniul timp-frecvență, în orice moment, într-o manieră unică, în concordanță cu codul său unic și propriu (fig. d). Aceste coduri de utilizator au fost astfel proiectate încât valorile pentru intercorelații sunt menținute la un nivel scăzut iar interferența interutilizatori este menținută la un nivel scăzut și acceptabil. Există diferite moduri prin care utilizatorul poate exploata domeniul timp-frecvență, și aceasta depinde de metoda de spectru distribuit utilizată de tehnica CDMA. Tehnicile posibile de spectru distribuit sunt prezentate în literatură și pot fi rezumate astfel:

Secvența directă(DS). Aceasta este cunoscută ca pseudo-zgomot (PN), caz în care purtătoarea este modulată de către o secvență de cod digital a cărei rata de bit (se referă la o rată de ―cip‖ pentru a putea face o distincție) este mult mai mare decât lățimea de banda a semnalului de informație. În forma sa cea mai simplă, purtătoarea este comutată între două faze, la 180 ș, în funcție de frecvența codului binar (forma binară pseudoaleatoare). Receptorul urmărește inversările de fază pseudoaleatoare folosind o replică memorată a secvenței de cod.

Salt de frecvență (FH). În cadrul acestei tehnici, frecvențele purtătoare, ale emițătorului și ale receptorului, sunt schimbate la intervale regulate. Această schimbare de frecvență este dictată de o secvență de cod care determină ordinea utilizării frecvenței. De fapt, nu este nimic mai mult decât FSK, cu excepția faptului că setul de frecvențe ales este mult lărgit. Este convenabil să clasificăm sistemele FH ca fiind rapide sau lente. În cazul saltului de frecvență rapid (FFH), viteza de salt depășește în mod semnificativ viteza informației. În cazul saltului de frecvență lent (SFH), viteza de salt este comparabilă cu sau este chiar mai mică decât viteza informației.

Salt în domeniul timpului(TH). În cadrul acestei tehnici, o secvență de cod dictează temporizarea transmisiei. Secvența timpilor de transmisie este memorată în receptor și este folosită pentru urmărirea transmisiei, iar în rest se ignoră canalul. Saltul în domeniul timpului nu și-a găsit aplicații largi, cu excepția sectorului militar.

―Ciripit‖ sau impuls FM. În cadrul acestei abordări, frecvența purtătoare a unui impuls transmis este variată continuu (sau baleiată) pe o bandă largă în decursul unei perioade de timp.

Forme hibride. Combinațiile hibride ale tehnicilor de mai sus sunt pe deplin realizabile. Cele mai utilizate forme de tehnici hibride de spectru distribuit sunt:

salt de frecvență și secvență directă (FH-DS);

salt de timp si frecvență (TFH);

salt de timp si secvență directă (TH-DS).

Această tehnică a fost aplicată în rețele de telefonie mobilă din SUA, Coreea de Sud (Hyunday), China, România (rețeaua Zapp) etc. Avantajele CDMA:

Protecție la interferențele intenționate și neintenționate de bandă îngustă.

Protecție la fading-ul care se produce datorită diversității inerente a frecvențelor

caracteristice pentru FH/CDMA.

Orice utilizator poate accesa sistemul în orice moment fără a aștepta un canal liber.

Nu există nici o limitare stringentă în ceea ce privește utilizatorii activi simultan. În cazul în care numărul utilizatorilor activi crește peste valoarea luată în considerare, rezultatul va fi o degradare a performanțelor pentru toți utilizatorii mai degrabă decât o interzicere a accesului.

Deoarece fiecare utilizator păstrează setul său unic de semnal în mod permanent, nu există nici o comutare de canal sau schimbări de adresă, chiar dacă utilizatorul se mută din cadrul unei celule în alta.

Serviciile de necesitate pot fi integrate în sistem – chiar și în cazul supraîncărcării

sistemului – fără a se asigna un canal anume sau interzicând accesul altor utilizatori la sistem.

Coexistența în cadrul aceleiași benzi de frecvență, cum ar fi cazul sistemelor convenționale cu bandă îngustă, este posibilă dacă nu este solicitată capacitatea globală a sistemelor

CDMA.

Securitatea convorbirii (permite o codare eficientă împotriva ascultătorilor ocazionali, deoarece fiecărui utilizator potențial îi este asignat un cod unic) – operând pe baza a aproximativ 4,4 mii de miliarde de coduri, tehnologia CDMA elimină teoretic interceptarea, clonarea sau orice alt tip de fraudă. Această caracteristică importantă a sistemului cât și accesul securizat la Internet face posibilă operarea de tranzacții bancare sau de altă natură direct de pe telefonul mobil și în condiții de securitate maximă. Se pot trimite prin intermediul telefonului documente folosind serviciul de fax sau e-mail, fără risc.

Nu există nici un interes industrial care să complice standardizarea.

Calitate deosebită a sunetului și a convorbirii – tehnologia CDMA elimină zgomotele de fond, convorbirile suprapuse și interferențele, oferind o calitate excepțională a sunetului, respectiv eliminarea întreruperilor convorbirilor și a apelurilor nepreluate. Atât zgomotele de fond electronice (cele generate de computere, stații de radio-TV etc.), cât și cele acustice sunt eliminate prin folosirea unui filtru care corespunde frecvențelor obișnuite ale vocii umane. Datorită acestei metode, zgomotele de fond ăi interferențele sunt excluse din convorbiri.

Transmisiuni de date de 153,6kbps – rețelele CDMA 2000 includ protocoale IP standard pentru pachete de date în mod pachetizat (HSPSD) la viteze foarte mari (153,6kbps). Toate terminalele folosite au încorporate din construcție un modem de mare viteza și un browser pentru Internet (Microsoft Mobile Explorer 3.0), ceea ce le oferă capacitatea de a accesa servicii Internet. De asemenea, terminalul suportă rularea de aplicații client în regim securizat (SSL/HTTPS), prin intermediul browser-ului.

Mai puține apeluri întrerupte – metoda „soft handoff‖ de transfer al convorbirilor între

celule, specifică tehnologiei CDMA, minimizează riscul perturbării convorbirilor sau al întreruperii sesiunilor pentru transfer de date. În rețeaua CDMA un apel poate fi preluat de mai multe antene în același timp, spre deosebire de alte tehnologii, în care utilizatorul este deconectat de la o antenă înainte de a fi preluat de următoarea.

Timp de convorbire mai mare și viață îndelungată pentru baterie – atunci când se efectuează un apel sistemul CDMA se asigura că fiecare telefon mobil emite la puterea minimă necesară pentru o transmisie de calitate.

Capacitate mai mare a rețelei – tehnologia CDMA oferă cea mai mare capacitate utilizatorilor prin folosirea simultană a acelorași benzi de frecvență. Prin folosirea tehnologiei cu spectru împrăștiat, CDMA are o capacitate de 10-20 de ori mai mare decât echipamentele analogice și de 4-5 ori mai mare decât alte sisteme digitale.

Dezavantajele CDMA:

Este necesar un hardware complex și costisitor. Acest lucru se datorează necesității unui sintetizator rapid de salt de frecvență, unei voci digitizate, unor procesoare rapide etc.

Este esențial un control dinamic al puterii emițătorului mobil în sensul minimizării

efectului aproape-departe.

Nu este posibilă o detecție coerentă completă în cazul unei vecinătăți a mobilului afectată de fading. Mai mult chiar, este necesară sincronizarea la nivel de ―cip‖ ceea ce este foarte dificil de realizat.

Proiectarea unui număr mare de coduri ortogonale (sau aproape ortogonale) unice și

individuale pentru mii de utilizatori necesită o muncă enormă. Pierderea ortogonalității rezultă în cazul interferenței inter-utilizator care va afecta atât eficiența cât și calitatea sistemului.

Accesul liber al utilizatorului la canale poate eventual să producă prăbușirea sistemului prin atingerea unui stadiu în care calitatea serviciului este inacceptabilă pentru toți utilizatorii. În acest caz, poate fi necesară adoptarea unei strategii de blocare a apelurilor sau forțarea terminării comunicațiilor.

Nu există nici o experiență practică în cazul sistemelor celulare terestre radio mobile.

Există unele îndoieli în ceea ce privește eficiența spectrală – această situație

urmează a fi investigată.

1.5. Spectrul de frecvență în sistemele mobile de telecomunicații

Un sistem mobil de telecomunicații utilizează o bandă (spectru) de frecvență care poate fi situat în domeniul 300Mhz – 3Ghz. Lărgimea acestei benzi de frecvență, numită și lărgime totală de bandă, e diferită de la un sistem la altul. În sistemele moderne, banda de frecvență corespunzătoare unui sistem mobil este partajată în două sub-benzi: sub-banda ascendentă (utilizată în comunicațiile pe sensul de la echipamentele mobile la stația de bază) și sub-banda descendentă (utilizată în comunicațiile pe sensul de la stația de bază la echipamentele mobile). Comunicațiile din ambele sub-benzi se realizează pe canale de comunicație. Fiecare canal de comunicație este caracterizat de o frecvență numită frecvență purtătoare. Frecvențele purtătoare sunt egal spațiate atât în sub-banda ascendentă cât și în sub-banda descendentă. De asemenea, fiecare canal de comunicație este caracterizat de o lărgime de bandă diferită de la un sistem mobil la altul. În unele sisteme, între oricare două canale de comunicație există o bandă de separație, numită bandă de gardă.

Lărgimea de bandă a canalelor de comunicație, banda de separație între canale și lărgimea totală de bandă a unui sistem mobil de telecomunicații determină numărul de canale din sistemul mobil (și implicit capacitatea sistemului mobil).

Stabilirea unei comunicații mobil  stație de bază necesită alocarea câte unui canal în fiecare dintre sub-benzi. De exemplu, în sistemul AMPS, canalele de comunicație sunt numerotate de la 1-666, primul canal având alocate două frecvențe: 825,030 MHz (pentru comunicația de la mobil spre stația de bază) și 870,030 MHz (pentru comunicația de la stația de bază spre mobil). În același sistem, pentru canalul 666 sunt alocate frecvențele 844,98 MHz și 889,98 MHz. Ulterior, pentru creșterea capacității sistemului, banda totală a sistemului mobil a fost mărită la 10 MHz (câte 5 MHz în fiecare sub-banda), rezultând o creștere cu 166 a numărului de canale din sistem. În fapt, orice sistem mobil se confruntă cu aceeași problemă fundamentală: cu o resursă limitată (banda totală a sistemului) trebuie găsite soluții pentru satisfacerea cerințelor unui număr cât mai mare de clienți. Pentru a înțelege mai bine acest fenomen, prezentăm în continuare două exemple.

Exemplul 1:

Fie o celulă cu o rată a cererilor de apel de Q = 3000 apeluri/h și o durată medie a unui apel T = 1,76 min. Care este numărul de canale necesar în celulă pentru ca probabilitatea de blocare a unei noi cereri de apel să fie cel mult B = 2% ? Soluție:

Se poate calcula ușor că încărcarea de trafic în celulă este: A= Q-T/60 erlangs (A=88).

Pentru probabilitatea de blocare maximă de B = 2% va rezulta că sunt necesare N = 100 canale (conform legii Erlang B).

Exemplul 2:

Dacă într-o celulă sunt alocate N = 50 canale și durata medie a unui apel este T = 100 s, care este rata medie a apelurilor pentru care probabilitatea de blocare a unei noi cereri de apel este de maxim B = 2% ? Soluție:

Printr-un calcul asemănător celui din exemplul anterior se obține că în aceste condiții se poate satisface o rată medie a apelurilor Q = 1450 apeluri/h.

Avantajele deosebite ale sistemelor mobile (mai ales posibilitatea de a comunica oriunde,

oricând și din orice loc), a făcut ca achizițiile de sisteme mobile să atingă cifre foarte ridicate (sunt țări unde există peste 0,1 posturi mobile/locuitor), ceea ce a condus implicit la necesitatea găsirii unor soluții de creștere a capacității acestor sisteme. Din fericire, chiar și sistemele analogice au fost proiectate cu facilități de creștere a capacității, altele fiind introduse în practică o dată cu apariția sistemelor digitale. Câteva din tehnicile de creștere a capacității sistemelor mobile vor fi tratate pe larg în paragrafele următoare.

1.6. Principiul reutilizării frecvențelor în sistemele mobile de telecomunicații

Principiul tehnicii reutilizării frecvențelor este ilustrat simplificat în figura 7.

Fig. 7. Principiul reutilizării frecvențelor

Astfel, dacă un canal radio este utilizat într-o celulă C1 de rază R, același canal se poate utiliza și într-o altă celulă C2, situată la o distanță D de prima celulă, numită distanță de reutilizare. Aceasta va face ca fiecare canal radio din spectrul sistemului mobil să poată fi utilizat, în același moment de timp, în locuri (arii) diferite din sistem, ceea ce evident va conduce la o creștere a capacității sistemului mobil (număr de abonați ce pot fi deserviți).

1.7. Mecanisme de acces la interfața radio

Unul din factorii esențiali ce influențează capacitatea sistemelor mobile este modul în care utilizatorii mobili au acces la canalele de comunicație. O primă clasificare realizată din punctul de vedere al modului de acces la interfața radio împarte sistemele mobile în două mari categorii:

Sisteme cu acces simplu – pentru această categorie de sisteme mobile, pe o purtătoare, la un moment dat, are acces un singur utilizator;

Sisteme cu acces multiplu – în acest caz, pe o purtătoare, la un moment dat, au acces simultan mai mulți utilizatori.

Din prima categorie fac parte sistemele cu acces în frecvență, iar în cea de-a doua se încadrează sistemele TDMA și CDMA.

1.8. Mecanisme de transfer ale apelurilor (handover)

În literatura de specialitate aceste mecanisme sunt întâlnite sub denumirea generică de handover. Deși termenul handover nu este încă încetățenit în limba română, îl vom folosi în ideea de a facilita utilizatorului parcurgerea acestui paragraf.

Handover-ul se definește ca fiind mecanismul prin care un terminal mobil schimbă, pe parcursul desfășurării apelului, canalul radio care îi fusese alocat inițial. Necesitatea unui astfel de mecanism se datorează posibilității ca, pe parcursul unui apel, nivelul semnalului util recepționat de mobil și/sau stația de bază să scadă sub un prag de neinteligibilitate. O altă cauză a inițierii unei cereri de handover este aceea a scăderii raportului semnal/interferență sub pragul admisibil de inteligibilitate. Handover-ul este, de cele mai multe ori, o consecință a modificării poziției geografice (ieșirea din aria de acoperire a unei celule și intrarea în aria unei alte celule atrage necesitatea modificării canalului pentru un mobil angajat într-o comunicație), dar poate fi și o consecință a înecării temporare în zgomot a unui canal radio. Deoarece în capitolul 3 se va trata handover-ul în sistemul GSM, vom discuta în cele ce urmează despre acest mecanism în cazul sistemelor analogice. Astfel, în sistemele analogice, pentru stabilirea unui handover, se parcurg etapele:

l. Se măsoară nivelul semnalului recepționat RSS (Received Signal Level):

RSS = C + I (1.8.)

2. Se măsoară periodic interferența I. Dacă RSS coboară sub un prag critic predefinit se va face o cerere de handover. Din cele două măsurători se poate calcula ușor raportul:

S 1 RSS S

  (1.9) S 1 1

Inițierea unei cereri de handover este dictată de nivelul de semnal recepționat sau de raportul S/I. Teoretic, o astfel de cerere se desfășoară (de exemplu) astfel: când nivelul de semnal atinge limita de inteligibilitate, stația de bază va emite o cerere de handover spre centrul mobil de comutație. Dacă se utilizează un prag fix pentru nivelul de semnal, metoda este însă rigidă din cauza condițiilor diferite de propagare în teren. O valoare a pragului pentru cererea de handover se consideră 100 dBm.

În scopul reducerii numărului de apeluri întrerupte, cauzate de o cerere de handover nereușită, precum și pentru diminuarea numărului de cereri de handover, se pot aplica următoarele metode. Pentru determinarea întârzierii handover-ului se introduc două praguri. Astfel, pentru prima cerere de handover (realizată la atingerea primului prag – prag 1) se poate întârzia alocarea resursei până la realizarea unei a doua cereri (această nouă cerere este făcută la atingerea celui de-al doilea prag -prag 2 de handover). Acest procedeu poate fi util atunci când celula solicitată este supraîncărcată, deoarece produce o diminuare a numărului de cereri de handover.

Pragul considerat poate fi atât nivelul semnalului recepționat, cât și raportul semnal/interferență (S/I). Un exemplu tipic de utilizare a acestui procedeu este cel din figura 8. Se observă că, fără existența a două praguri de handover, cererea unui solicitant din celula A (la trecerea în celula B) s-ar produce când deja mobilul este în interiorul celulei B.

Fig. 8. Cerere de handover cu dublu prag

Situațiile în care se fac cereri de handover bazate pe diferență de putere recepționată se tratează astfel: notăm cu  diferența de putere între semnalul recepționat de celula generatoare de handover și cel recepționat de celula căreia i se solicită resursa.

În funcție de mărimea acestei diferențe se iau următoarele decizii:

 < -3 dB: nu se acționează în nici un fel;

-3 dB <  < 0: se monitorizează semnalul;

1 dB <  < 3 dB: se pregătește o cerere de handover;

 > 3 dB: se efectuează o cerere de handover.

1.9. Algoritmi de îmbunătățire a performanțelor sistemelor mobile

Aceste proceduri sunt menite să ducă la o serioasă îmbunătățire a calității transmisiilor într-o

rețea mobilă, precum și la o adaptare la variații mari de trafic într-o aceeași celulă.

Proiectarea sistemului de telefonie mobilă trebuie să includă și măsuri pentru limitarea interferenței între frecvențele vecine. Cu toate că atât unitatea mobilă cât și transceiver-ul celulei sunt prevăzute cu un filtru de interferență (IF), trebuie evitată situația când nivelul semnalului recepționat devine prea mic în raport cu semnalul interferent. Există două îmbunătățiri care se pot aduce structurii celulare inițiale, care realizează atât o mai bună adaptare a sistemului la creșteri bruște de trafic pe arii restrânse, cât și la o reducere a interferențelor.

Prima dintre ele este sectorizarea celulară, iar cea de a doua este divizarea celulară

(,,splitting").

1.9.1. Sectorizarea celulară

Se notează canalele de comunicație cu numere de la 1 la N și se consideră că, în frecvență, diferența între purtătoare este proporțională cu diferența algebrică între numerele folosite pentru notație. Dacă se consideră un grup de bază format din N celule, atunci al n-lea set de canale (0 < n < N) se formează după regula {n, n + N, n + 2N,… }. Figura 9 arată modul de alocare a resurselor întrun grup de bază de 12 celule. Acest tip de alocare poate modela, de exemplu, un sistem cu acces simplu în frecvență atunci când toate celulele sunt echipate cu antene omnidirecționale.

Fig. 9. Alocare de resurse într-un grup de bază de 12 celule

1.9.2. Divizarea celulară (splitting)

Distanța între două celule vecine se înjumătățește, astfel încât suprafața nominală a celulei hexagonale se reduce de 4 ori (densitatea de celule în rețea crește de 4 ori).

CAP.2. Introducere in Sistemul Global pentru comunicații

Mobile (GSM)

2.1. ISTORICUL SISTEMULUI GSM

În perioada anilor ‗80, sistemele de telefonie celulară analogică au înregistrat o dezvoltare rapidă în Europa, în special în țările scandinave și Marea Britanie, dar și în Franța și Germania. Fiecare țară și-a dezvoltat propriul sistem care era incompatibil cu oricare altul în materie de echipament și operare. S-a generat astfel o situație indezirabilă, deoarece echipamentul mobil era limitat la granițele fiecărei țări și oferta de echipamente specifice era limitată. Țările europene au realizat acest lucru și în 1982, Comitetul European de Poștă și Telegraf (CEPT) a format un grup numit Grup Special Mobil (GSM) pentru a studia și dezvolta un sistem public pan-european de telefonie mobilă. Sistemul propus trebuia să îndeplinească următoarele cerințe: calitate bună a transmisiei, costuri mici pentru servicii și terminal, suport pentru deplasări internaționale, capacitate de a suporta terminale portabile, suport pentru servicii și facilitați noi, eficiență spectrală precum și compatibilitate cu sistemul ISDN.

În 1989, responsabilitatea GSM a fost transferată Institutului European de Standarde în Telecomunicații (ETSI), iar faza I a specificațiilor GSM au fost publicate în 1990. Serviciile comerciale au început pe la mijlocul anului 1991, până în 1993 s-au creat 36 de rețele în 22 de țări, iar până în 1997 încă 25 de țări au aderat la acest sistem. Deși a fost standardizat în Europa, GSM nu este doar un standard european. Rețelele GSM (inclusiv DCS1800 și PCS1900) sunt operaționale sau planificate în peste 80 de țări din toata lumea. La începutul anului 1994 s-au înregistrat 1,3 milioane de utilizatori în toata lumea, la începutul anului 1995, peste 5 milioane iar până în decembrie 1995, 10 milioane de utilizatori numai în Europa. Cu Statele Unite, având un sistem derivat din GSM numit PCS1900, sistemele GSM există pe fiecare continent, și acronimul GSM se aplică acum pentru Sistemul Global pentru comunicații Mobile.

Inițiatorii GSM au ales un sistem digital, opus sistemelor celulare analogice standardizate, cum ar fi AMPS în Statele Unite și TACS în Marea Britanie, având credința că dezvoltarea algoritmilor de compresie și a procesoarelor de semnal digitale vor permite îndeplinirea cerințelor menționate și vor îmbunătăți sistemul în ceea ce privește costul și calitatea. Cele aproape 6000 de pagini ale recomandărilor GSM încearcă să permită flexibilitate și suficientă standardizare pentru a garanta interconectarea componentelor sistemului. Acest lucru este realizat prin oferirea unei descrieri funcționale pentru fiecare entitate funcțională definită în sistem.

2.2. PRINCIPIILE DE BAZA ALE TELEFONIEI CELULARE

Conceptul de telefonie celulară a fost inventat în Statele Unite la Bell Laboratories în 1947. Au fost necesari peste 35 de ani pentru a-l pune în practică și a realiza prima rețea analogică și terminalele necesare.

O rețea celulară este compusă dintr-o serie de stații de bază de joasă putere, fiecare oferind o arie de acoperire relativ mică, care, combinate, asigură o acoperire continuă a unei regiuni date. Prin utilizarea acestor stații de putere mică, a devenit posibilă reutilizarea frecvențelor, ce a condus la o creștere a capacitații rețelei.

Acoperirea oferită de o stație de bază corespunde unui număr de utilizatori care se presupune că există în respectiva arie, numită celulă. Astfel, arii dens populate necesită celule mai mici ăi un aspect inteligent al rețelei dă posibilitatea unei conversații să continue fără întrerupere pe măsură ce utilizatorii se deplasează între aceste celule. Procesul prin care o conversație este pasată dintr-o celulă în alta este cunoscută sub numele de "hand-off".

În lume există peste 50 milioane de utilizatori de telefoane celulare. Atrase de costul relativ scăzut și capacitatea ridicată a sistemului GSM, peste 70 de țări au ales această noua tehnologie.

2.3. AVANTAJELE SISTEMULUI GSM

Eficiență mărită a spectrului radio permite o capacitate crescută a rețelei. (Poate suporta un număr mult mai mare de utilizatori).

Permite o sofisticată autentificare a utilizatorului, reducând posibilitatea fraudelor.

Previne interceptarea conversațiilor prin tehnici sofisticate de incriptare care sunt aproape în totalitate sigure.

Permite o mai bună claritate și consistentă a conversației prin eliminarea interferenței în timpul transmisiei digitale.

Simplifică transmisia de date, permițând conectarea calculatoarelor portabile la telefoanele celulare GSM.

Un singur standard ce permite deplasări internaționale între rețelele GSM din lume.

PERFORMANȚELE GSM

Multe din sistemele analogice pot oferi performanțe bune, dar GSM-ul a fost proiectat să fie mai bun decât orice sistem analogic. Calitatea convorbirii GSM este comparabilă cu sistemele analogice în condiții medii și bune, dar în condiții de semnal slab sau interferențe, sistemul GSM se comportă mult mai bine.

Calitatea radio, mărimea și timpul de viața al bateriei sunt de asemenea parametri importanți de performanța. Deoarece se utilizează un standard digital, se înregistrează un nivel ridicat de implementare a noilor tehnologii, ducând la micșorarea mărimii și greutații telefoanelor mobile. Utilizarea puternicului mod "sleep" automat duce la o semnificativă creștere a timpului de viața al bateriei.

SECURITATEA SISTEMULUI GSM

GSM oferă trei niveluri de securitate:

Nivelul de securitate I

Datele utilizatorului GSM sunt înregistrate în cartela SIM .

Cartela SIM poate fi inserată în orice terminal GSM.

Tariful este înregistrat pentru proprietarul cartelei SIM.  Sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.

Nivelul de securitate II

Sistemul GSM identifică localizarea utilizatorului.

Terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidată.

Utilizatorul poate fi identificat înainte de acceptarea convorbirii.

Nivelul de securitate III

Sunt utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face aproape imposibilă interceptarea convorbirii.

2.6. SERVICII OFERITE DE SISTEMUL GSM

De la început, proiectanții sistemului GSM au dorit o compatibilitate ISDN în termenii serviciilor oferite și controlului semnalizării utilizate. Totuși, limitările transmisiei radio, privind lărgimea de banda și costul, nu permite ratei de transfer standard ISDN de 64 kbps să fie practic atinsă.

Utilizând definițiile ITU-T, serviciile de telecomunicații pot fi împărțite în servicii de transfer, teleservicii, și servicii suplimentare. Teleserviciul de bază suportat de GSM este telefonia. Semnalul vocal este codat digital și transmis prin rețeaua GSM ca un flux de semnal digital. De asemenea, utilizatorii GSM pot trimite și recepționa date, la o rată de până la 9600 bps, utilizând o varietate de metode de acces și protocoale cum ar fi X.25 sau X.32. Deoarece GSM este o rețea digitală, nu este necesară folosirea unui modem între utilizator și rețeaua GSM, dar în interiorul sistemului GSM este necesar un modem pentru conectarea cu sistemul de telefonie obișnuit.

Așa cum este descris în recomandarea ITU-T, T.30, este posibilă transmisia și recepționarea fax-urilor, prin folosirea unui adaptor special. Un serviciu unic oferit de GSM, inexistent în sistemele analogice, este Serviciul de Mesaje Scurte (SMS). SMS este un serviciu bidirecțional pentru mesaje alfanumerice scurte (pana la 160 caractere). Pentru SMS punct la punct, un mesaj poate fi trimis unui utilizator, cu posibilitate de confirmare a primirii. SMS poate fi utilizat într-un mod diseminat, pentru a trimite mesaje cum ar fi informări generale asupra traficului, etc. Mesajele pot fi stocate în cartela SIM și citite ulterior.

Servicii suplimentare sunt oferite în specificațiile curente (Faza I), ce includ mai multe forme de transfer al apelului. În specificațiile din Faza 2, sunt oferite alte servicii suplimentare, cum ar fi identificarea apelantului, apel in așteptare, conversații multiple (conferințe).

2.7. INFORMATII GENERALE

Rețelele GSM operează în benzile de frecvență 890-915/935-960 MHz prin intermediul a

124 canale radio duplex, fiecare cu o lărgime de bandă de 200 KHz. Intervalul de frecvență dintre aceste două benzi este de 45 MHz, care este și lărgimea de bandă dintre frecvența de transmisie și cea de recepție a unui terminal GSM.

Se folosește o tehnică numită Time Division Multiple Access (TDMA) pentru a împărți un canal radio de 200 KHz în 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnal vocal separat. Spre deosebire de semnalele analogice obișnuite, transmisia unui canal de semnal vocal nu este continuă. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocal digitizat într-o serie de impulsuri scurte, totalizând o durată de 1/8 dintr-o secundă. Astfel un terminal GSM transmite o optime din timp. Avantajul tehnicii TDMA rezidă în reutilizarea frecvențelor într-o vecinătate apropiată cu o probabilitate mai mică de interferență. Aceasta asigură o eficiență mult mai mare și permite deservirea mai multor utilizatori.

2.8. ARHITECTURA RETELEI GSM

O rețea GSM este compusă din mai multe entitătți funcționale, ilustrate în Figura 1. Rețeaua GSM poate fi împărțită în trei părți. Stația mobilă (Mobile Station) este folosită de utilizator, subsistemul stației de bază (Base Station Subsystem) controlează legaturile radio cu stația mobilă (Mobile Station) și subsistemul rețelei (Network Subsystem), partea principală unde se gasește centrul de comutare al serviciilor mobile (Mobile services Switching Center), asigură comutarea apelurilor între terminalele mobile sau între terminale mobile și cele fixe, ca și controlul mobilității.

Figura 1. Arhitectura generala a rețelei GSM.

Stația mobilă și subsistemul stației de baza comunică prin interfața Um, cunoscută ca legătura radio. Subsistemul stației de bază comunică cu centrul de comutare al serviciilor mobile prin interfața A.

2.8.1. Stația Mobilă

Stația mobilă (MS) constă în echipamentul mobil (terminalul) și o cartelă inteligentă numită "Subscriber Identity Module" (SIM). Cartela SIM oferă mobilitate personală, astfel încât utilizatorul poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia în orice terminal.

Echipamentul mobil este unic identificat de "International Mobile Equipment Identity"

(IMEI). Cartela SIM conține "International Mobile Subscriber Identity" (IMSI) utilizat la identificarea de către sistem a utilizatorului, o cheie secretă pentru autentificare, și alte informații. IMEI și IMSI sunt independente, permițând mobilitate personală. Cartela SIM poate fi protejată împotriva utilizării neautorizate printr-o parolă sau un număr personal de identitate.

2.8.2. Subsistemul Stației de Bază

Subsistemul stației de bază este compus din două părți, "Base Transceiver Station" (BTS) și "Base Station Controller" (BSC). Acestea comunică prin interfața standardizată "Abis", permițând (ca și în restul sistemului) operarea între componente fabricate de diferiți producători.

BTS conține unitatile de emisie-recepție radio ce definesc o celulă și controlează protocoalele de legătură radio cu MS. Într-o arie urbană întinsă pot exista un număr mare de BTSuri dispuse, astfel încât cerințele pentru un BTS sunt performanța, portabilitate si cost minim. BSC controlează resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalelor radio și alocarea frecvențelor. BSC este conexiunea dintre MS și "Mobile service Switching Center" (MSC).

2.8.3. Subsistemul Rețelei

Componenta centrală a subsistemului rețelei este centrul de comutare a serviciilor mobile, MSC. Se comportă ca un nod normal de comutare PSTN sau ISDN, și în plus oferă funcționalitatea necesară controlului unui utilizator mobil, cum ar fi înregistrarea, autentificarea, actualizarea localizării și transferarea apelului unui utilizator mobil. De asemenea, MSC oferă conexiunea către rețelele fixe (cum ar fi PSTN sau ISDN). Comunicarea între entitatile funcționale în subsistemul rețelei folosește "Signalling System Number 7" (SS7), utilizat pentru semnalare in ISDN.

Registrul "Home Location Register" (HLR) și "Visitor Location Register" (VLR), împreună cu MSC, oferă transferul apelurilor și capabilitatile de mobilitate ale GSM. HLR conține toate informațiile administrative pentru fiecare utilizator înregistrat în rețeaua GSM corespunzătoare, împreună cu localizarea curentă a terminalului. Într-o rețea GSM există un singur HLR logic, chiar dacă poate fi implementat ca o bază de date distribuită.

Registrul "Visitor Location Register" (VLR) conține informații administrative selectate din HLR, necesare pentru controlul apelurilor și resurse pentru serviciile subscrise, pentru fiecare terminal localizat curent în aria geografică controlată de VLR. Chiar dacă fiecare entitate funcțională poate fi implementată ca o unitate independentă, toți producătorii de echipament până acum au implementat VLR împreună cu MSC, astfel încât aria geografică controlată de MSC corespunde cu cea controlată de VLR, în acest fel simplificând modul de realizare al subsistemului. MSC nu conține informații despre terminale; aceste informații sunt stocate în registrele de locație.

Celelalte două registre sunt utilizate pentru autentificare și securitate. Registrul "Equipment Identity Register" (EIR) este o bază de date ce conține o listă a tuturor echipamente mobile valide din rețea, unde fiecare stație este identificata prin IMEI. Un IMEI este marcat ca invalid dacă a fost raportat ca furat sau nu este de tipul aprobat. Centrul de autentificare "Authentication Center"

(AuC) este o bază de date protejată care conține o copie a cheii secrete stocate în fiecare cartelă SIM a utilizatorilor, care este utilizată pentru autentificare și incriptare pe un canal radio.

2.9. LEGATURA RADIO

Uniunea Internațională de Telecomunicații (ITU), care controlează alocarea internațională a spectrului radio, a alocat benzile 890-915 MHz pentru transmisie (mobil -> baza) si 935-960 MHz pentru recepție (bazămobil), pentru rețelele mobile din Europa. Deoarece acest interval a fost utilizat în anii 1980 de către sistemele analogice, CEPT a prevăzut sa rezerve subbanda înaltă de 10 MHz a fiecărei benzi pentru rețeaua GSM ce era încă în studiu. Eventual, se va aloca întreaga lărgime de bandă 2×25 MHz pentru GSM.

2.9.1. Accesul Multiplu și Structura Canalelor

Deoarece spectrul radio este o resursă limitată folosită de toți utilizatorii, a fost necesară elaborarea unei metode de a diviza banda de frecvență pentru a deservi cât mai mulți utilizatori posibili. Metoda aleasă de GSM este o combinație de acces multiplu cu divizare în timp și frecvență

"Time-Division Multiple Access" și "Frequency-Division Multiple Access" (TDMA/FDMA).

Metoda FDMA implică divizarea în frecvență a unei benzi de maxim 25 MHz în 124 frecvențe purtătoare, decalate cu 200 kHz. Una sau mai multe frecvențe purtătoare sunt atribuite fiecărei stații de bază. Fiecare din aceste frecvențe purtătoare este apoi divizată în timp, utilizând metoda TDMA. Unitatea fundamentală de timp în metoda TDMA este perioada impulsului și durează 15/26 ms (aprox. 0,577 ms). Opt perioade de impuls sunt grupate într-un cadru TDMA (120/26 ms, sau aprox.

4,615 ms), care formează unitatea de bază pentru definirea canalului logic. O perioadă de impuls pe cadru TDMA reprezintă un canal fizic.

Canalele sunt definite prin numărul și poziția perioadei de impuls corespunzătoare. Toate aceste definiții sunt ciclice și întregul model se repetă aproximativ la fiecare 3 ore. Canalele pot fi împărțite în canale dedicate, care sunt alocate unei stații mobile dedicate și canale comune, care sunt utilizate de stațiile mobile nededicate. O stație mobilă este numită dedicată dacă în momentul respectiv este în uz, și nededicată dacă este în modul așteptare.

2.9.1.1. Canalele de Trafic

Un canal de trafic (TCH) este utilizat pentru transportul semnalului vocal și a datelor. Canalele de trafic sunt definite printr-un multicadru sau un grup de 26 de cadre TDMA. Lungimea unui multicadru este de 120 ms, de unde rezultă definirea unei perioade de impuls (120 ms / 26 cadre / 8 perioade de impuls pe cadru). Din 26 de cadre, 24 sunt utilizate pentru trafic, 1 este utilizat pentru "Slow Associated Control Channel" (SACCH) și 1 nu este utilizat (Figura 2).

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

TCH-urile pentru transmisie și recepție sunt separate de 3 perioade de impuls, astfel încât stația mobilă nu trebuie să transmită și să recepționeze simultan, simplificând electronica utilizată.

În plus față de aceste TCH-uri, sunt definite și TCH-uri cu o optime de durată, și sunt folosite pentru semnalizare. În recomandări, sunt numite canale de control dedicate autonome sau "Stand-alone Dedicated Control Channels" (SDCCH).

2.9.1.2. Canalele de Control

Canalele comune pot fi accesate de stațiile mobile atât dedicate cât și nededicate. Canalele comune sunt utilizare de stațiile mobile nededicate pentru a schimba informații necesare pentru intrarea în modul dedicat. Stațiile mobile aflate deja în modul dedicat monitorizează stația de bază pentru protocol și alte informații. Canalele comune sunt definite într-un multicadru de 51 de cadre, astfel încât stațiile mobile dedicate utilizând o structură TCH multicadru de 26 de cadre pot în continuare să monitorizeze canalele de control. Aceste canale de control includ:

Canal de Control "Broadcast" (BCCH) – Transmit continuu, spre stația mobilă, informații ce includ identitatea stației de bază, alocarea frecvențelor și secvența de comutare a frecvențelor.

Canalul de Corecție al Frecvenței (FCCH) si Canalul de Sincronizare (SCH) – Canale utilizate la sincronizarea stației mobile cu structura sloturilor de timp a unei celule prin definirea limitelor perioadelor de impuls si numerotarea sloturilor de timp. Un FCCH și un SCH sunt prin definiție în slotul de timp numărul 0 (intr-un cadru TDMA).

Canal "Random Access" (RACH) – Canal utilizat de stația mobilă pentru a cere acces la rețea.

Canal "Paging" (PCH) – Utilizat pentru a informa stația mobila despre apariția unui apel. Canal "Access Grant" (AGCH) – Utilizat pentru a aloca un SDCCH către o stație mobila pentru a obține un canal dedicat, in urma unei cereri RACH.

2.9.1.3. Structura Impulsului

Există patru tipuri diferite de impuls pentru transmisie în rețeaua GSM. Impulsul normal este utilizat pentru transportul datelor și a majoritatii semnalelor. Acesta are o lungime totală de 156,25 biți, formată din două secvențe de 57 biți, o secvență de 26 biți folosită pentru egalizare, 1 bit pentru fiecare bloc de informație (utilizat pentru FCCH), 3 biți la fiecare capăt, și o secvență de protecție de 8,25 biți, ca în Figura 2. Acești 156,25 biți sunt transmiși in 0,577 ms, rezultând o rată de transfer de 270,833 kbps.

Impulsul de tip F, utilizat in FCCH și impulsul de tip S, utilizat in SCH, au lungimile identice cu impulsul normal, dar o structură internă distinctă, care astfel permite sincronizările. Impulsul de acces este mai scurt decât cel normal și este folosit pentru RACH.

2.9.2. Codarea Semnalului Vocal

Sistemul GSM este digital, astfel încât semnalul vocal care este inerent analogic trebuie digitizat. Metoda utilizată de ISDN și de sistemele curente de telefonie digitală, pentru multiplexarea liniilor pe un trunchi de mare viteză și fibre optice, este "Pulse Coded Modulation"

(PCM). Viteza fluxului de la ieșirea PCM este de 64 kbps, prea mare pentru a fi potrivita unei legături radio. Semnalul de 64 kbps, de altfel simplu de implementat, conține multă redundanță. Grupul GSM a studiat mai mulți algoritmi de codare a vocii pe baze subiective de calitate și complexitate (relative la cost, întârzieri în procesare și putere consumată) înainte de a ajunge la alegerea algoritmului "Regular Pulse Excited – Linear Predictive Coder" (RPE-LPC) cu ciclu de prezicere lung. Informații despre semnalul anterior, care nu se schimbă foarte repede, sunt utilizate pentru a prezice semnalul curent. Coeficienții combinației liniare a semnalului anterior, plus o forma codată a reziduurilor (diferența dintre semnalul prezis și cel actual), reprezintă semnalul. Semnalul vocal este codat în 260 de biți, pentru fiecare durată de 20 ms, rezultând o rată de transfer de 13 kbps.

2.9.3. Modularea și Codarea Canalelor

Din cauza interferenței electromagnetice, semnalul vocal codat sau semnalul de date transmis printr-o interfața radio trebuie să fie protejat împotriva erorilor. Sistemul GSM utilizează codarea convolutiva și organizarea pe blocuri pentru a realiza aceasta protecție. Algoritmii utilizați diferă pentru semnalul vocal și semnalul de date. Metoda utilizată pentru semnalul vocal este descrisă mai jos.

De reținut ca semnalul vocal digitizat este format din blocuri de 260 biți pentru 20 ms de semnal vocal analogic. În urma unor teste subiective, a rezultat ca anumiți biți din fiecare bloc sunt mai importanți pentru calitatea semnalului decât alții. Biții aparținând unui bloc sunt împărțiți în trei clase:

Clasa Ia 53 biți – sensibilitate mare la erori

Clasa Ib 132 biți – sensibilitate moderată la erori

Clasa II 78 biți – sensibilitate mică la erori

Clasa Ia are un cod ciclic redundant de 3 biți în plus pentru detecția erorilor. Dacă este detectată o eroare, cadrul este considerat prea deteriorat pentru a fi comprehensiv și este eliminat, fiind înlocuit cu o versiune atenuată a cadrului anterior corect. Acești 53 biți, împreună cu cei 132 de biți de Clasa Ib și o secvență terminală de 4 biți (un total de 189 biți), sunt introduși într-un codor convoluțional cu rata 1/2 cu restricție de lungime. Fiecare bit de intrare este codat ca doi biți de ieșire, bazat pe o combinație a 4 biți de intrare anteriori. Astfel codorul convoluțional scoate la ieșire 378 biți, la care sunt adaugați cei 78 de biți de Clasa II rămași, care sunt neprotejați. Astfel fiecare semnal vocal de 20 ms este codat ca 456 biți, rezultând o rată de 22,8 kbps.

Pentru o protecție mai bună cei 456 biți de la ieșirea codorului convoluțional sunt organizați în 8 blocuri de 57 biți, și aceste blocuri sunt transmise în opt impulsuri consecutive. Din moment ce fiecare impuls este transmis cu o rată de 270,833 kbps, un impuls poate transmite două blocuri de 57 biți aparținând de două cadre diferite.

Acest semnal digital este modulat pe o frecvență purtătoare utilizând un filtru Gaussian de tip GMSK. Filtrul GMSK a fost ales dintre alte scheme de modulație ca un compromis între eficiența spectrală, complexitatea emitatorului și limitarea emisiilor adiacente. Complexitatea emitatorului este legată de puterea consumată, ce trebuie minimizată pentru stația mobilă. Emisiile radio adiacente, în afara benzii alocate, trebuie strict controlate pentru a limita interferența canalelor adiacente, și a permite coexistența sistemului GSM și a vechilor sisteme analogice.

2.9.4. Egalizarea Semnalului

În domeniul de frecvențe din jurul valorii de 900 MHz, undele radio se reflecta de orice: clădiri, dealuri, automobile, avioane, etc. Astfel multe din semnalele reflectate, fiecare cu o altă fază, pot ajunge la recepție. Egalizarea este utilizată pentru a extrage semnalul dorit din reflexiile nedorite. Aceasta a fost realizată prin depistarea modului cum un semnal cunoscut transmis este modificat prin reflexie și atenuare, în vederea construirii unui filtru invers pentru a extrage semnalul dorit. Acest semnal cunoscut este o secvența de 26 de biți transmis în centrul fiecărui impuls. Modul de implementare a egalizorului nu este specificat de GSM .

2.9.5. Comutarea Frecvențelor

Stația mobilă trebuie să comute, într-un cadru TDMA între sloturile de transmisie, recepție și monitorizare, care de obicei sunt pe frecvențe diferite. Sistemul GSM utilizează acest mod inerent de comutare a frecvențelor, deoarece stația mobilă și BTS transmit fiecare cadru TDMA pe o frecvență diferită. Algoritmul de comutare al frecvențelor este emis pe canalul de control "Broadcast" BCCH. Deoarece atenuarea semnalului este dependentă de frecvența purtătoare, comutarea frecvențelor ajută la evitarea acestei probleme. În plus este diminuată și interferența canalelor adiacente.

2.9.6. Transmisia Discontinuă

Minimizarea interferenței canalelor adiacente este esențială în orice sistem celular, deoarece permite oferirea unor servicii mai bune pentru o celulă dată, sau utilizarea unor celule mai mici, astfel îmbunătătind capacitatea totală a sistemului. Transmisia discontinua (DTX) este o metoda care, bazându-se pe faptul ca o persoana vorbește mai puțin de 40% din timp într-o conversație normală, deconectează stația mobilă în timpul perioadelor de inactivitate. În plus, este conservată și puterea stației mobile.

Cea mai importantă componentă a sistemului DTX este, desigur, detectarea activității vocale. Aceasta trebuie să deosebească vocea de zgomotul de intrare, un lucru mai complicat decât pare, dacă se considera zgomotul de fond. Dacă un semnal vocal este interpretat ca zgomot, transmisia este întreruptă și un efect iritant nedorit numit "clipping" apare la recepție. Dacă, pe de altă parte, zgomotul este interpretat ca semnal vocal prea des, eficiența sistemului DTX este diminuata dramatic. Alt factor de luat în seama este ca atunci când transmisia este întreruptă, datorită naturii digitale a sistemului GSM, nu se mai aude nimic la recepție. În acest scop se generează la recepție un zgomot confortabil asemănător cu zgomotul de fond de la emisie, pentru a asigura utilizatorul despre păstrarea conexiunii.

2.9.7. Recepția Discontinuă

Altă metodă folosită pentru a conserva puterea stației mobile este recepția discontinuă. Canalul "Paging" (PCH), utilizat de stația de bază pentru a semnala un apel, este structurată în subcanale. Fiecare stație mobilă trebuie să asculte doar pe subcanalul propriu. În timpul dintre subcanalele "paging" succesive, stația mobilă poate intra în modul "sleep", cu un consum de energie aproape nul.

2.9.8. Controlul Puterii

Există definite cinci clase de stații mobile relativ la puterea de vârf transmisă, și anume 20, 8, 5, 2, și 0.8 W. Pentru a minimiza interferența canalelor adiacente și a conserva puterea, atât stația mobilă cât și stația de bază BTS trebuie să opereze la cel mai scăzut nivel de putere care să păstreze o calitate acceptabilă a semnalului. Nivelele de putere pot fi modificate în trepte de 2 dB de la puterea de vârf a clasei respective până la un minim de 13 dBm (20 mW).

Stația mobilă măsoară calitatea semnalului, și trimite informația la BSC, care decide dacă și cum nivelul de putere trebuie modificat. Controlul puterii trebuie utilizat cu atenție, deoarece există posibilitatea instabilității. Aceasta instabilitate apare la utilizarea stațiilor mobile pe canale adiacente ce își cresc puterea ca răspuns la creșterea interferenței. Acest lucru este puțin probabil să se producă în practică, dar a făcut obiectul unui studiu în anul 1991.

2.10. ASPECTE ALE REȚELEI

Asigurarea transmisiei semnalului vocal sau a datelor de o anumită calitate pe o legătură radio este doar una din funcțiile unei rețele celulare mobile. Datorită faptului ca aria geografică acoperita de rețea este divizată în celule necesita implementarea unui protocol. De asemenea, faptul ca utilizatorul are mobilitate națională și internațională, este necesar ca funcțiile de înregistrare, autentificare, transfer al apelurilor și actualizare a localizării să existe în rețeaua GSM.

Protocolul de comunicare în rețeaua GSM este structurat pe trei straturi ca în Figura 3. Stratul 1 este stratul fizic, care utilizează structura de canale descrisă anterior. Stratul 2 este stratul de legătura al datelor. Prin interfața "Um", stratul de legătura al datelor este o versiune modificată a protocolului LAPD folosit în ISDN, numit LAPDm. Prin interfața "A", este utilizat stratul 2 MTP al SSN 7. Stratul 3 al protocolului de comunicare GSM este el însuși impartit în trei substraturi:

Controlul Resurselor Radio (RR) – Controlează inițierea, menținerea și terminarea canalelor radio și a celor fixe, inclusiv protocolul.

Figura 3. Structura protocolului de comunicare în GSM.

Controlul Mobilitatii (MM) – Controlează actualizarea localizării, procedurile de înregistrare, securitatea și autentificarea.

Controlul Conexiunii (CM) – Se ocupă de controlul general al apelurilor, similar cu Recomandarea CCITT Q.931, și controlează Serviciile Suplimentare și Serviciul de Mesaje Scurte.

Comunicarea dintre diferite entități în partea fixă a rețelei, cum ar fi între HLR și VLR, este realizată prin "Mobile Application Part" (MAP). MAP este construit în vârful "Transaction Capabilities Application Part" (TCAP), stratul de vârf al SSN7. Specificațiile MAP destul de complexe, descrise în peste 500 pagini, fac obiectul celui mai lung document din recomandările GSM.

2.10.1. Controlul Resurselor Radio

Substratul de control al resurselor radio (RR) supervizează stabilirea unei legături atât radio cât și fixă, între stația mobilă și MSC. Principalele componente funcționale implicate sunt stația mobilă, stația de bază și MSC. O sesiune RR reprezintă intervalul de timp ăn care o stație mobila este în modul dedicat și asigură configurarea și alocarea canalelor radio dedicate.

O sesiune RR este întotdeauna inițializată de o stație mobilă printr-o procedura de acces, de inițializare a unei convorbiri sau de răspuns la un mesaj "paging". Detaliile procedurii de acces sau "paging", cum ar fi atribuirea unui canal dedicat și/sau a unui subcanal de "paging", sunt controlate de substratul RR. În plus, asigură și controlul altor resurse radio cum ar fi controlul puterii, transmisia și recepția discontinuă și facilitatile de sincronizare.

2.10.1.1. Pasarea Convorbirilor

Într-o rețea celulară, legaturile radio și fixe necesare nu sunt permanent alocate pe durata unei convorbiri. Pasare reprezintă comutarea unei convorbiri pe un canal sau o celulă diferită. Execuția și măsurătorile necesare pentru pasare formează unele din funcțiunile de bază ale substratului RR.

În sistemul GSM există patru tipuri de pasări ce implica transferul unei convorbiri între:

Canale (sloturi de timp) în cadrul aceleiași celule;

Celule (BTS) sub controlul aceleiași BSC;

Celule sub controlul unor BSC diferite, dar aparținând aceluiași MSC;  Celule sub controlul unor MSC diferite.

Primele două tipuri de pasări, numite pasări interne, implică doar controllerul stației de baza BSC. Pentru economie, acestea sunt controlate de BSC fară implicarea MSC, exceptând notificarea MSC despre executarea pasării. Ultimele două tipuri de pasări, numite pasări externe, sunt controlate de MSC-urile implicate.

Pasările pot fi inițiate atât de stațiile mobile sau de MSC (pentru echilibrarea încărcării traficului). O stație mobilă în modul nededicat scanează canalul de control "Broadcast" după 16 celule vecine și formează o listă cu 6 dintre cei mai buni candidați pentru posibile pasări, bazată pe calitatea semnalelor recepționate. Aceste informații sunt trimise către BSC si MSC, cel puțin odată pe secundă și sunt folosite de algoritmul de pasare.

Algoritmul după care o decizie de pasare trebuie luată nu este specificat în recomandările GSM. Există doi algoritmi de bază utilizați, ambii strâns legați de controlul puterii. Acest lucru se întâmplă datorită faptului ca BSC de obicei nu știe dacă calitatea slabă a semnalului apare datorită atenuărilor prin reflexie sau a comutării pe o altă celulă, fenomen întâlnit la celule urbane mici.

Algoritmul de "Performanta Minim Acceptata" oferă precedența controlului puterii asupra pasării, astfel încât atunci când semnalul este degradat sub un anumit nivel, puterea stației mobile este crescută. Dacă creșteri ulterioare ale puterii nu îmbunătățesc calitatea semnalului, atunci se decide o pasare. Aceasta este cea mai simplă și mai comună metodă utilizată, dar are câteva neajunsuri relativ la neclaritatea limitelor celulelor.

Metoda de "economisire a puterii" utilizează pasarea pentru a încerca să mențină sau să îmbunătățeasca un anume nivel de semnal la același consum sau mai redus. Astfel dă precedență pasării peste controlul puterii, evitând fenomenul de neclaritate a limitelor celulelor și reduce interferența dintre canale, dar este destul de complicată.

2.10.2. Controlul Mobilității

Substratul de control al mobilității (MM) este construit în vârful substratului RR, și controlează toate funcțiile relative la asigurarea mobilitatii unui utilizator, ca și cele de autentificare și securitate. Controlul localizării este legat de procedurile ce permit sistemului să știe localizarea curentă a unei stații mobile astfel încât să se poată efectua rutarea apelurilor.

2.10.2.1. Actualizarea Localizării

O stație mobilă este informată despre un apel printr-un mesaj de "paging" trimis pe canalul

PAGCH. O variantă extremă ar fi să se trimită un mesaj de "paging" fiecărei celule din rețea pentru fiecare apel, ceea ce reprezintă evident o încărcare nejustificată a traficului. O altă variantă extremă ar fi pentru stația mobilă să anunțe sistemul, prin mesajul de actualizare a localizării, despre localizarea curentă la nivelul celulei. Aceasta ar necesita trimiterea unui mesaj "paging" doar către o singura celulă, dar fi o risipa relativ la numărul mare de mesaje de actualizare a localizării. O soluție de compromis, utilizată în GSM, este de a grupa mai multe celule într-o arie de localizare. Mesaje de actualizare sunt necesare doar la deplasările dintre ariile de localizare, iar mesajele "paging" sunt trimise către stația mobilă de toate celulele aflate în aceeași arie.

Procedurile de actualizare a localizării și respectivele rutari ale apelurilor, folosesc MSC și două registre de localizare, HLR și VLR. Când o stație mobilă se deplasează într-o arie de localizare, sau într-o rețea diferită, trebuie să se înregistreze în rețea pentru a indică localizarea curentă. În mod normal, un mesaj de actualizare este trimis la un nou MSC/VLR, care înregistrează informația despre localizare și apoi o trimite la HLR. Informația trimisă la HLR este în mod normal adresa SS7 a noului VLR, dar poate fi și un număr de rutare. Motivul pentru care în mod normal nu este alocat un număr de rutare, este că într-un nou MSC/VLR, există un număr limitat de numere de rutare disponibile și ele sunt alocate la cerere pentru apeluri. Dacă utilizatorul este titularul serviciului, HLR trimite un subset de informații de înregistrare, necesare pentru controlul apelului, către noul MSC/VLR apoi trimite un mesaj către MSC/VLR-ul anterior pentru a șterge vechea înregistrare.

Din motive de performanță, GSM are de asemenea o procedură periodică de actualizare a localizării. Dacă un HLR sau MSC/VLR nu răspunde, a avea fiecare stație mobilă înregistrată simultan și a aduce baza de date la zi, va cauza o supraîncărcare. Astfel, baza de date este actualizată doar dacă apare un eveniment de actualizare a localizării. Actualizările periodice și intervalele dintre acestea sunt controlate de operator și reprezintă un compromis între viteza de reactualizare și încărcarea traficului. Dacă o stație mobilă nu se înregistrează după perioada de timp de actualizare, ea este radiată.

O procedură legată de actualizarea localizării este atașarea și detașarea de tip IMSI. Procedura de detașare permite rețelei să știe dacă o stație mobilă este indisponibilă și a evita alocarea canalelor și a trimiterii mesajelor de "paging". Procedura de atașare este similară actualizării localizării și informează sistemul că stația mobilă este din nou disponibilă. Activarea procedurilor de atașare/detașare IMSI este la nivelul operatorului pe o celulă individuală.

2.10.2.2. Autentificarea și Securitatea

Deoarece mediul radio poate fi accesat de oricine, autentificarea utilizatorilor pentru a proba că sunt cei care se pretind a fi, este un element foarte important al rețelei mobile. Autentificarea implică două entități funcționale, cartela SIM din stația mobilă și Centru de Autentificare (AuC). Fiecărui utilizator îi este atribuită o cheie secretă, stocată atât în cartela SIM cât și în AuC. În timpul autentificării, AuC generează un număr aleator care este trimis stației mobile. Atât stația mobilă cât și AuC folosesc numărul aleator în conjuncție cu cheia secretă a utilizatorului și un algoritm de incriptare numit A3, pentru a genera un răspuns (SRES) care este trimis înapoi la AuC. Dacă numărul trimis de stația mobilă este același cu cel calculat de AuC, atunci utilizatorul este autentificat. Același număr aleatoriu ca și cheia secretă sunt folosite pentru a genera cheia incriptată, utilizând un algoritm numit A8. Aceasta cheie incriptată, împreună cu numărul cadrului TDMA, folosesc algoritmul A5 pentru a genera o secvența de 114 biți care este operată logic XOR cu cei 114 biți ai impulsului (cele două blocuri de 57 biți). Incriptarea în acest sistem este o opțiune relativ paranoică, din moment ce semnalul este deja codat, rearanjat și transmis în mod TMDA, astfel asigurând protecția pentru aproape toate interceptările voluntare.

Alt nivel de securitate este asigurat de stația mobilă în raport cu utilizatorul. Așa cum s-a menționat anterior, fiecare terminal GSM este identificat de un număr unic numit Identitatea Internațională a Echipamentului Mobil (IMEI). Într-o rețea este stocată o listă de numere IMEI în Registrul de Identitate al Echipamentului, EIR. Ca răspuns la o cerere IMEI către EIR există trei posibilități:

Lista Albă – Terminalul are permisiunea de a se conecta la rețea.

Lista Gri – Terminalul este sub supraveghere pentru posibile probleme.

Lista Neagră – Terminalul sau a fost raportat ca furat, sau nu este de tipul aprobat. Terminalul nu are permisiunea de a se conecta la rețea.

2.10.3. Controlul Conexiunii

Stratul de control al conexiunii (CM) este responsabil de controlul apelurilor (CC), de controlul suplimentar al serviciilor și de controlul serviciului de mesajele scurte. Fiecare dintre acestea pot fi considerate ca substraturi separate în stratul CM. Controlul apelurilor urmărește procedurile ISDN specificate în Q.931, chiar dacă rutarea spre un utilizator mobil este unică în

GSM. Alte funcții ale substratului CC includ stabilirea apelului și selecția tipului de serviciu (inclusiv alternarea între servicii pe parcursul unui apel).

2.10.3.1. Rutarea Apelului

În comparație cu rutarea într-o rețea fixă, unde terminalul este semipermanent conectat la un oficiu central, un utilizator GSM are mobilitate națională și chiar internațională. Numărul format pentru a apela un utilizator se numește număr Utilizator Mobil (MSISDN), care este definit de planul de numerotare E.164. Acest număr include un cod de țară și un cod național de destinație care identifica operatorul utilizatorului. Primele câteva cifre din numărul rămas identifica HLR-ul utilizatorului în rețeaua locală. Un apel de la o stație mobilă este direcționată către funcția "Gateway" MSC (GMSC). GMSC este practic un comutator care poate interoga HLR-ul utilizatorului pentru a obține informația de rutare și astfel conține o tabela de legături între MSISDN și HLR-ul corespunzător. O simplificare este de a avea un singur GSMC care să controleze o rețea locală. De notat ca funcția GMSC este distinctă de funcția MSC, dat în mod normal sunt implementate în același modul funcțional. Informația de rutare, ce este returnată de GMSC, este numărul mobil al terminalului "Mobile

Station Roaming Number" (MSRN), care este de asemenea definit de planul de numerotare E.164. MSRN-urile sunt legate de planul geografic de numerotare și nu sunt atribuite sau vizibile utilizatorului.

Cea mai generală procedură de rutare începe cu interogarea HLR-ul unui utilizator apelat de către un GMSC pentru un MSRN. În mod normal HLR reține numai adresa SS7 a VLR-ului curent al utilizatorului și nu MSRN. Astfel HLR trebuie să interogheze VLR-ul curent al utilizatorului, care va aloca temporar un MSRN din stiva sa, pentru apel. MSRN este returnat HLR-ului și înapoi către GMSC, care apoi poate ruta apelul către un nou MSC. La noul MSC, este depistat IMSI-ul corespunzător MSRN-ului și terminalul este apelat în aria de localizare curentă (Figura 4).

Figura 4. Rutarea apelului pentru o stație mobila.

2.11. CONCLUZII SI COMENTARII

Telecomunicațiile evoluează înspre comunicațiile personale, a căror obiectiv este disponibilitatea tuturor serviciilor, oricând, către oricine și oriunde, printr-un singur număr de identitate și un terminal de comunicații portabil. Având o multitudine de sisteme incompatibile este imposibil de a se realiza acest obiectiv. Economiile la scara create de un sistem unic sunt suficiente pentru a justifica implementarea acestuia, fără a menționa comoditatea utilizatorilor, având un singur terminal, de a se deplasa oriunde, indiferent de granițele naționale.

Sistemul GSM și sistemul similar ce operează la 1800 MHz, numit DCS1800, sunt primele abordări ale unui adevărat sistem personal de comunicații. Cartela SIM reprezintă o abordare nouă ce implementează o mobilitate personală în plus față de mobilitatea terminalului. Împreuna cu mobilitatea internațională și suportul pentru o gamă largă de servicii cum ar fi telefonia, transferul de date, serviciul fax, serviciul de mesaje scurte și alte servicii suplimentare, GSM se apropie de îndeplinirea cerințelor pentru un sistem de comunicații personal, suficient pentru a constitui o bază pentru generația următoare de tehnologii de comunicații în Europa, Sistemul Universal de Telecomunicații Mobile (UMTS).

Alt punct unde GSM a arătat interes pentru deschidere, standarde și interoperabilitate este compatibilitatea cu sistemul ISDN, care evoluează în majoritatea țărilor industrializate, și în particular în Europa (așa numitul Euro-ISDN). GSM este primul sistem care utilizează extensiv conceptul de rețea inteligentă, în care servicii ca numerele 800 să fie concentrate și controlate de câteva centre, în loc de a fi distribuite pe fiecare centrală din țară. În spatele utilizării registrelor de tip HLR se ascunde acest concept. În plus, semnalizările între entitațile funcționale utilizează SSN7, un standard internațional deja adoptat în multe țări și specificat ca baza de semnalizare în rețele ISDN.

Cap.3. Serviciile GSM

3.1. Introducere

GSM prevede o gamă largă de servicii ce pot fi oferite abonaților, servicii pe care le vom detalia în continuare. În plus, GSM prevede un set de servicii suplimentare față de cele oferite de rețelele fixe, cum este serviciul de mesagerie scurtă (asemănător serviciului de paging).

Asigurarea serviciilor depinde de trei factori independenți unul de celălalt:

conținutul abonamentului (atât din punctul de vedere al serviciilor, cât și al ariei geografice în care abonatul are drepturi de acces). Fiecare operator de sistem oferă abonamente valabile regional (o anumită zonă geografică), național sau internațional, ce conțin pachete de servicii cu costuri diferite; – capacitatea rețelei de a oferi o anumită gamă de servicii, la un moment dat. Două rețele nu vor putea oferi aceeași gamă de servicii la un moment dat unui abonat, deoarece aceasta depinde de restricțiile impuse de rețeaua în care abonatul se află în acel moment. Cu alte cuvinte, un abonat ce are acces la un serviciu într-o rețea poate să fie restricționat la acel serviciu într-o alta rețea, dacă serviciul nu este implementat în aceasta din urmă;

capacitatea echipamentului deținut de abonat. De exemplu, este evident ca un abonat nu va putea transmite sau recepționa un fax sau un fișier de date de la un terminal vocal, ci numai dacă dispune de un echipament adecvat.

Serviciile oferite de sistemul GSM se pot împărți în trei mari categorii: a) Servicii de transport;

Teleservicii;

Servicii auxiliare;

O posibilă ierarhizare a acestor servicii este următoarea:

3.2. Servicii de transport

3.2.1. Noțiuni generale privind serviciile de transport GSM

Serviciile de transport sunt serviciile ce presupun asigurarea transferului informației, la un anumit debit, între două interfețe (puncte de acces în rețea) diferite. Teleserviciile presupun asigurarea unei comunicații între două terminale distincte din rețea și eventual între aplicațiile corespunzătoare. Serviciile auxiliare (suplimentare) au ca scop îmbunătățirea (prin adăugarea de noi facilități) a serviciilor de transport si a teleserviciilor în GSM. O imagine a relației între serviciile de transport și teleservicii este prezentată în figura 2.

fixe, urmând apoi să facem tranziția la GSM. Astfel, asigurarea unui serviciu de transport de către un operator constă în a furniza o capacitate de transmisie, cu anumite caracteristici privind debitul, coeficientul de erori, modul de transmisie (sincron/asincron). Un exemplu simplu în acest sens îl constituie transmisia duplex la 9,6 kb/s, pe o rețea analogică, între două terminale de date. Pentru aceasta, evident sunt necesare două echipamente terminale (modemuri) și două interfețe adecvate de rețea (pentru ca formatul de transmisie al datelor sa fie compatibil cu cel al rețelei analogice privind modulația, codarea etc.). Configurația utilizată în acest scop este prezentată în figura 3.

Notații folosite:

ET 1, ET2 = echipamente terminale;

NT = interfețe de rețea (Network Termination);

PSTN = Rețeaua Publică Telefonică Comutată (Public Switched Telephone Network).

Daca. în cazul PSTN, unde singurul serviciu de transport oferit este transmisia în banda de baă, pentru ISDN, de exemplu, paleta serviciilor de transport oferite este mult mai largă. în cazul GSM lucrurile devin și mai delicate. Vor fi deci necesare două funcții de adaptare pentru a realiza interconectarea unui utilizator GSM cu un utilizator al rețelei fixe:

o funcție de adaptare la echipamentul mobil (TAF – Terminal Adaptor Function), care realizează adaptarea fluxului de informație oferit de echipamentul mobil la formatul care se va transmite pe canalul radio;

o funcție de adaptare pentru accesul în rețeaua fixă (IWF – Internetworking Function), care face translația de la un flux în format, să-i spunem generic GSM, la fluxul adecvat rețelei fixe.

Poziția acestor două funcții pe lanțul de comunicație terminal mobil <-> terminal din rețeaua

fixă este prezentată în figura 4.

Fig. 4. Poziția funcțiilor de adaptare în lanțul de comunicație între un echipament mobil și un echipament din rețeaua fixă. Notații folosite:

MS == stație mobilă (echipament mobil);

NT = interfață cu rețeaua fixă;

ET = echipament terminal în rețeaua fixă.

În cazul nostru, termenul de rețea fixă trebuie înțeles generic, adică inclusiv cazul când este necesară tranzitarea mai multor rețele fixe, pentru comunicația terminal mobil <-> terminal fix

(în acest ultim caz, rețeaua fixă va fi de fapt o suprapunere de rețele fixe). Un aspect foarte important al serviciilor de transport îl reprezintă interconectarea rețelei GSM cu rețelele fixe și în special funcțiile IWF.

Conexiunea abonat GSM – abonat al rețelei telefonice publice comutate(PSTN)

Între doi abonați PSTN transmisia de date se realizează prin modemuri audio, asigurându-se anumite servicii caracterizate prin parametrii specifici de calitate ai serviciului. Acest lucru trebuie să fie posibil și în cazul în care un abonat GSM dorește să realizeze o comunicație de date cu un abonat. Cele mai populare servicii de date sunt fax și videotext. Pentru comunicația de date între un abonat GSM și unul conectat la PSTN, funcția de adaptare IWF se realizează prin intermediul unui modem audio aflat la punctul de interconectare al celor două rețele. De asemenea, abonatul va trebui sa dispună de un terminal specific comunicațiilor de date.

Conexiunea abonat GSM – abonat ISDN

Unul din scopurile principale ale GSM-ului este cel de a avea funcții care să permită o compatibilitate cât mai ridicată cu ISDN-ul, scopul final fiind integrarea GSM în ISDN. Problema cea mai importantă este diferența între debitul de transmisie pe un canal din GSM (12,6 kb/s) si debitul pe un canal ISDN, care este de 64 kb/s și se poate rezolva adaptând soluția utilizată în cazul interconectării ISDN cu PSTN:

utilizarea în punctele de interconectare a formatelor digitale standard pentru ISDN în scopul adaptării ratei de transmisie din PSTN la rata din ISDN. Utilizând aceste formate digitale se poate transfera informația cuprinsă în cadre digitale de rate mai mici pe legăturile ISDN de 64 kb/s. – altă metodă de interimat, în cazurile în care coexistă GSM, ISDN si PSTN, este utilizarea legăturilor ISDN la rata din PSTN, dar nu este recomandabilă decât pe durate scurte de timp, deoarece nu este eficientă atât din punct de vedere al serviciilor oferite abonaților, cât și din punct de vedere al vitezei de transmisie a informației prin rețea.

Conexiunea între abonații GSM GSM a fost concepută ca o rețea de acces, iar serviciile oferite abonaților sunt aceleași cu cele oferite de diferitele tipuri de rețele fixe. Diferența esențială față de rețelele fixe constă in aceea că toate serviciile pot fi oferite și în condiții de mobilitate a abonaților. Fiind o rețea de acces, o comunicație, în majoritatea cazurilor se realizează cu traversarea unei rețele fixe, iar din punct de vedere al numărului de servicii oferite, cazul cel mai fericit este cel în care rețeaua traversată este ISDN.

Există și servicii ce se realizează fără traversarea unei rețele fixe, cum sunt comunicațiile între doi abonați aflați în aceeași celulă; în acest caz Specificațiile indică folosirea unui serviciu de transport, propriu sistemului GSM, comunicația fiind asigurată la o rată de transfer a informației de circa 12,8 kb/s.

Conexiunea abonat GSM – abonat al rețelei publice de date cu comutație de pachete (PSPDN) Accesul la PSPDN se poate face în trei moduri:

acces direct al abonaților (acces X.25);

acces prin PSTN sau ISDN utilizând PAD (Packet Assembler/Disassembler) sau accesul sincron (X.32);

acces prin ISDN utilizând posibilitățile de transmisie a pachetelor de date ale acestei rețele.

Conexiunea abonat GSM – abonat al rețelei publice cu comutație de circuite (CSPDN)

CSPDN poate fi accesată direct de către abonații GSM printr-o interfață X.21 sau cu tranzitarea ISDN, caz în care interfața abonat – rețea este adaptată standardelor ISDN. Totuși, în cazul abonaților GSM ce accesează CSPDN, debitul de transmisie este limitat la 2,4, 4,8 sau 9,6 kb/s.

Asigurarea acestor servicii de date abonaților GSM presupune limitarea mobilității acestora, deoarece sunt necesare conectări pe durate mari de timp la rețelele fixe sau echipamente greu transportabile. Există și servicii ce permit mobilitatea abonaților, cum este serviciul de paging, iar GSM a fost proiectat pentru a asigura și acest serviciu (modificat față de serviciul de paging clasic), pe terminalul utilizat pentru serviciile de telefonie.

3.2.2. Lista serviciilor de transport GSM

Serviciile de transport GSM au fost definite ținând cont de serviciile deja existente în rețelele fixe. Ele permit atât asigurarea unui circuit pentru transmisia datelor, cât și accesul în rețelele de date.

Din punctul de vedere al transmisiei de date, putem vorbi de circuite cu debite cuprinse între 300 – 9600 b/s și de transmisie digitală (UDI – Unrestricted Digital Information – tip de transfer nerestricționat), dar și de transmisie analogică.

Există cartele specializate PCMCIA (Personal Computer Memory Card International

Association) ce permit branșarea computerului portabil la terminalul GSM. Aceste cartele permit asigurarea funcțiilor clasice ale modemurilor din rețelele fixe pe mediul radio, în conformitate cu standardul GSM.

3.3. Teleserviciile

3.3.1. Noțiuni introductive

Teleserviciile oferite de GSM sunt numeroase și numărul lor va crește.

Dintre acestea amintim:

Telefonia – vocea este digitalizată și transportată prin rețeaua GSM ca flux digital

Servicii de date:

Comunicații de date cu utilizatorii PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN printr-o mulțime de metode si protocoale de acces, din care cele mai cunoscute sunt X.25 și X.32;

Servicii facsimil prin utilizarea unui adaptor fax plasat la terminalul mobil;

Servicii de text, videotext, teletext;

Serviciul de mesagerie scurtă

Cel mai utilizat teleserviciu prevăzut de GSM este telefonia. Acesta permite apeluri bidirecționale între abonații GSM și orice abonat conectat la o rețea telefonică generala (fixă sau mobilă). De asemenea, se permite abonaților să apeleze alte servicii (poliție, pompieri, salvare) chiar și în condițiile expirării abonamentului, fără a se percepe taxarea lor.

Un alt teleserviciu derivat din cel telefonic este mesageria vocală. Acesta este oferit separat, tot ca un teleserviciu de bază, de mulți operatori. El presupune stocarea unui mesaj vocal, care urmează a fi retransmis ulterior către destinatarul mobil.

 Teleservicii de date: deoarece sistemul GSM a fost creat ulterior rețelei ISDN, serviciile de date au fost proiectate de la început pentru compatibilitate cu ISDN, cu singura deosebire că au apărut limitări datorate mediului radio.

3.3.2. Lista teleserviciilor

Teleserviciile de mesagerie scurtă: Se face o distincție clară între un mesaj de tip SMS-

MT/PP (Mobile Terminating Short Message Service, Point to Point) care identifică un mesaj scurt ce are ca destinatar un abonat mobil și mesajul de tip SMS-MO/PP (Mobile Originating Short

Message Service, Point to Point) care permite unui abonat să transmită un mesaj scurt către un abonat GSM. Tot în cadrul teleserviciilor de mesagerie scurtă intră și mesajele de broadcast SMSCB (Cell Broadcast Short Message Service) care permit transmiterea de mesaje de interes general către toți abonații aflați într-o arie geografică.

Mesaje scrise punct-la-punct: Acest tip de teleserviciu permite transmiterea de mesaje alfanumerice care, în cazul în care destinatarul este un abonat GSM, apar pe ecranul terminalului destinatar. Fiind asemănător cu serviciul de paging, serviciul de mesagerie scurtă are față de acesta îmbunătățiri ce permit utilizarea și a altor facilități oferite de sistemul GSM (de exemplu posibilitatea unui dialog bidirecțional între stația mobilă și rețea, ce poate conține mesaje de informare către terminalul expeditor, care anunță că transmisia s-a efectuat cu succes, sau că mesajul va fi retransmis ulterior în cazul în care mobilul destinatar nu a putut fi contactat de rețea, pentru a i se transmite mesajul).

Mesaje de difuzare (broadcast): Mesajele de broadcast sunt mesaje ce conțin informații generale, transmise digital, în mod ciclic, de către o stație de baza într-o arie geografică. Aceste mesaje pot fi monitorizate de stația de bază, cu excepția cazului în care are loc o comunicație bidirecțională cu rețeaua (de exemplu informații asupra legăturilor radio din celula). Deoarece aceste mesaje sunt adresate tuturor abonaților din aria geografică respectivă, ele nu sunt transmise în mod cifrat, ca în cazul mesajelor destinate unui singur abonat, deci acest serviciu nu va necesita subscripția specifică mesajelor destinate unui singur abonat.

Modalitatea de implementare a acestui serviciu depinde de operatorul rețelei, care își definește singur regimul de acordare a acestor mesaje (de exemplu acordate doar autorităților publice).

Serviciile de fax: acestea se implementează atât în mod manual (comutare manuală vocefax) cât și automat, funcție de terminalul abonatului.

In finalul descrierii teleserviciilor GSM vom mai aminti si faptul ca serviciile de telefonie includ și implementarea de servere vocale („cutii poștale" vocale în care mesajele pentru abonații ce nu au putut fi contactați sunt stocate și pot fi auzite imediat ce abonatul solicitat devine accesibil), prin apelarea unui număr special predefinit. O facilitate asemănătoare este prevăzută și pentru serviciul de mesagerie scurtă.

3.4. Serviciile auxiliare

3.4.1 Noțiuni generale

Serviciile auxiliare din rețelele fixe au fost create în scopul îmbunătățirii serviciilor de bază oferite de acestea (de exemplu tonuri de ocupat, de sonerie, mesaje speciale ce indică starea de liber sau de ocupat a unei linii etc.) Același lucru s-a dorit și în cazul sistemului GSM, pentru care aceste funcții au fost adaptate la mobilitatea specifica abonaților. Există două aspecte distincte legate de serviciile auxiliare: unul referitor la modalitatea în care ele modifică sau completează serviciile de bază, iar celalalt referitor la modalitatea în care un abonat poate cere serviciul dorit din variantele existente. Dintre cele mai importante amintim:

redirecționarea apelului către un alt număr sau abonat, condițional sau necondiționat;

prezentare/restricționarea prezentării numărului chemător;

apel în așteptare;

teleconferință multipartită;

utilizarea altei rețele decât a celei în care se plătește abonamentul (roaming);

Vom descrie în continuare o parte a serviciilor auxiliare oferite de sistemul GSM, precum și câteva aspecte legate de cartela GSM (SIM – Subscriber Identity Module).

Pentru simplificarea expunerii, vom folosi în continuare un termen des utilizat în cărțile de specialitate, cu sens sinonim celui de serviciu auxiliar: facilitate.

3.4.2 Lista și descrierea serviciilor auxiliare GSM Tabelul 2 (a) Serviciile auxiliare GSM.

Tabelul 2 (b) Serviciile auxiliare GSM.

Serviciile de identificare a numărului apelant permit cunoașterea numărului sau numelui abonatului chemator.

CLIP/CoLP (Calling Line Identification Presentation/Connected Line Identification Presentation) prin care abonatul poate recunoaște cine îl sună și să decidă dacă să răspundă sau nu;

CLIR/CoLR (Calling Line Identification Restriction/Connected Line Identification Presentation) dezactivează furnizarea identității apelantului;

Redirijarea apelurilor este o facilitate prezentă în toate rețelele moderne de telecomunicații. În cazul GSM redirijarea se poate face în diverse condiții (și diverse opțiuni):

redirijare necondiționată: rețeaua redirecționează apelul către o terță parte, aleasă de abonatul apelat. Aceasta are loc dacă abonatul apelat cere facilitatea CPU (Call Forwarding Unconditional);

redirijare când abonatul mobil este ocupat: apelul este transferat către o terță parte, aleasă în prealabil de abonatul apelat, prin facilitatea CFB (Call Forwarding on mobile subscriber Busy);

redirijare când abonatul mobil este inaccesibil: transferul apelului se face către o terță parte (dacă abonatul apelat a cerut facilitatea CFNRc -Call Forwarding on mobile subscriber Not Reachable); – redirijare când abonatul mobil nu răspunde: facilitate ce poate sa fie solicitată de un abonat în condițiile în care nu dorește să răspundă apelului și îl redirecționează spre un terț abonat – CFNRy (Call Forwarding on No Reply).

Apelul dublu este o facilitate prin care un abonat mobil poate comunica cu doi interlocutori în același timp, din care numai unul este activ la un moment dat. Astfel, în acest sens au fost prevăzute următoarele facilități:

facilitate de apel în așteptare (HOLD) utilizată atunci când se dorește inițierea unui apel nou, dar un alt apel este deja în desfășurare și nu se dorește întreruperea lui;

facilitate CW (Call Waiting) – abonatul apelat este avertizat de sosirea unui apel si decide dacă să răspundă sau nu. (teleconferință);

teleconferință multipartită – aceasta facilitate (MPTy – Multiparty) permite abonaților efectuarea mai multor comunicații simultane, astfel încât fiecare din participanții la teleconferință să-i poată auzi pe toți ceilalți și, simultan, să fie auzit de toți ceilalți. Pentru a se realiza teleconferința, abonatul apelant stabilește prima comunicație, o pune în așteptare, stabilește apoi cea de-a doua comunicație, apoi cea de-a treia etc. până sunt contactați toți participanții. Numărul maxim de participanți poate fi cinci și ei formează un grup. Deoarece și alți participanți la teleconferință pot iniția alte teleconferințe în același timp cu cea aflata deja în desfășurare, numărul real de persoane poate crește cu mult peste cinci (prin intercomunicarea grupurilor de maxim cinci participanți);

grupuri închise de abonați – aceasta facilitate (CUG = Closed User Group) se referă la posibilitatea alocării unui set de facilități unui grup de abonați și restricționarea accesului spre exteriorul grupului sau a altora la acest grup. O aplicație tipică este cea a unei companii care-și dotează salariații cu terminale GSM, dar interzice utilizarea lor în alte scopuri decât cele profesionale (restricționarea apelurilor). Pentru a iniția un nou apel, abonatul GSM trebuie să obțină aceasta permisiune și pentru aceasta el poate cere rețelei să blocheze o parte sau chiar toate apelurile aflate deja în așteptare. Aceasta cerere de restricționare poate fi folosită și în alte condiții cum ar fi cazul în care altcineva utilizează terminalul împreună cu cartela aferentă în lipsa proprietarului acestuia. în aceste condiții, accesul la servicii poate fi restricționat prin activarea sau dezactivarea unei parole, proprietarul lăsând libere, de exemplu, doar recepția. de apeluri si posibilitatea de a efectua convorbiri cu cost redus.

Limitarea se face prin facilitățile oferite de serviciile auxiliare în funcție de tipurile de apeluri ce se doresc a fi restricționate dintre care amintim :

limitarea apelurilor internaționale; se face funcție de poziționarea abonatului. Astfel, serviciile auxiliare GSM permit:

facilitatea BOIC (Barring of Outgoing International Calls) permite doar apeluri în țara în care se află abonatul în acel moment;

facilitatea BOIC – exHC (Barring of Outgoing International Calls except those directed toward the PLMN Home Country) care permite apeluri în țara în care este localizat în acel moment, precum și în țara în care a fost înscris ca abonat;

facilitatea BAIC (Barring All Incoming Calls) care permite abonatului ce nu dorește să fie deranjat să poate restricționa toate apelurile ce îi sunt destinate;

facilitatea BIC – roam (Barring All Incoming Calls when roaming outside the PLMN Home Country) care permite abonatului ce nu dorește să răspundă decât la apelurile sosite din țara în care a fost înscris ca abonat sa restricționeze toate celelalte apeluri;  Taxarea apelului

Dacă doi abonați aflați în convorbire doresc să afle în timp util costul convorbirii lor, ei pot apela la facilitatea AoC (Advice of Charge). Aceasta facilitate se poate referi, în funcție de terminalele aflate în comunicație, la una din următoarele situații:

o simplă indicație asupra sumei ce o va plăti abonatul dacă întrerupe în acel moment conversația;

taxarea în timpul comunicației prin cartele, etc., asemănătoare cu taxarea utilizată la telefoanele publice fixe.

O problemă ce se poate pune este cea a cazurilor în care un abonat efectuează apeluri în alt sistem GSM decât cel în care este înregistrat. În aceste situații se poate întâmpla ca valoarea apelului (ca nota de plată) afișată pe terminal sa fie diferită de valoarea ce va apărea pe nota de plată de la sfârșitul lunii, din cauza taxării diferite din cele două țări și a diferentelor dintre valorile monedelor naționale. Toate aceste aspecte se rezolva doar printr-un schimb permanent de informații între operatori, pentru ca abonatul să regăsească pe nota de plata aceeași suma cu cea afișată pe terminalul său, în momentul întreruperii convorbirii.

Facilitățile caracteristice stațiilor mobile

Stațiile mobile sunt terminale inteligente ce pot oferi o serie de funcții locale, dintre care amintim: stocarea si editarea mesajelor scurte, repetarea apelurilor eșuate etc. Totuși, există și limitări ale acestor funcții, cea mai importantă fiind numărul de repetări ale apelurilor eșuate (din cauza posibilității de supraîncărcare a rețelei).

altă facilitate este tasta „+", care permite, în cazul apelurilor internaționale, formarea automată a codului de acces la rețeaua internațională corespunzător țării în care sună abonatul mobil ce dorește să efectueze o convorbire. Prin aceasta se elimină necesitatea abonatului de a cunoaște codul de acces la internațional al țării în care se află. în plus, numărul apelat cu aceasta facilitate este recunoscut în orice țară ca fiind număr internațional (de exemplu, pentru un apel din România, în Franța se formează +33 (33 este prefixul din Franța) iar pentru același apel efectuat din Italia către Franța se va forma tot +33, deși codul de acces la rețeaua internațională este diferit pentru România si pentru Italia).

Modulul de identitate al abonatului (SIM)

În orice sistem mobil stațiile mobile trebuie să se distingă de abonatul care le folosește deoarece, în aceste sisteme, crește probabilitatea de utilizare frauduloasă a terminalului mobil. Pentru evitarea multor situații neplăcute s-a creat o modalitate de identificare a abonatului, utilizându-se un modul de identificare al abonatului SIM (Subscriber Identity Module).

Acest SIM este parte integrantă a stației mobile și conține date specifice abonatului. Are rolul de cheie a stației mobile, deoarece în momentul scoaterii ei din stația mobilă nici o altă persoană nu mai poate comunica de la acea static mobilă fără un SIM personal (decât la serviciile de urgență). Cu alte cuvinte, în sistemele mobile abonații nu sunt identificați în funcție de stația mobilă de la care efectuează convorbirea, ci pe baza acestui SIM, care conține toate datele de identitate necesare.

SIM-ul poate fi protejat printr-un cod cunoscut doar de proprietarul sau, numit PIN (Personal Identity Number) asemănător celui de la cărțile de credit.

altă facilitate oferita de SIM este cea de a stoca mesajele scurte primite de abonat pe stația mobilă în lipsa acestuia (în situația în care cartela se afla într-o stație mobilă). De asemenea, mai are posibilitatea de a alege rețeaua mobilă la care abonatul poate sa se conecteze (dacă există posibilitatea alegerii) sau să anunțe abonatul de schimbarea taxării apelurilor (dacă este cazul). După ce am enumerat câteva din avantajele acestui modul, trebuie sa încheiem discuția prezentând și dezavantajul său: nici un abonat GSM nu va putea comunica de la un terminal mobil (cu excepția apelurilor de urgență) fără acest SIM.

Funcțiile de securitate ale sistemului GSM

Rețelele radio sunt prin definiție mai puțin sigure decât rețelele fixe, deoarece există posibilitatea de a emite și recepționa unde radio de oriunde și în orice moment. Din această cauză au fost definite mai multe tipuri de funcții de securitate a rețelelor mobile, în scopul asigurării protecției rețelei împotriva unor accese frauduloase, simultan cu protejarea caracterului privat al comunicațiilor abonaților săi. Aceste funcții includ:

autentificarea abonatului pentru a preveni accesul utilizatorilor neînregistrați;

codarea căilor radio, în particular codarea informațiilor tuturor abonaților;

protecția identității tuturor abonaților sistemului, pentru a preveni divulgarea localizării acestora.

Aceste facilități nu sunt accesibile abonaților, deoarece este dificilă asigurarea protecției separate a fiecărei comunicații și a fiecărui abonat. Toate funcțiile de securitate sunt strâns legate de funcțiile SIM-ului, deoarece acesta are un rol fundamental în autentificarea abonatului, iar funcțiile de securitate aferente rețelei sunt asigurate abonatului din momentul în care acesta accesează rețeaua. În plus, SIM-ul a fost conceput astfel încât să nu se poată duplica. Aceasta, împreună cu funcțiile de securitate oferite de sistemul mobil, realizează un grad ridicat de protecție al rețelei și al utilizatorilor ei împotriva posibilelor accese frauduloase.

Cap. 4. Arhitectura stratificată funcțională GSM

PLMN (Public Land Mobile Network) – rețea publică mobilă;

PSTN (Public Switched Telephone Network) – rețea publică telefonică comutată (analogică);

ISDN (Integrated Services Digital Network) – rețea numerică cu integrarea serviciilor;

MS (Mobile Station) – stație mobilă;

SIM (Subscriber Identity Module) – modul de identitate al utilizatorului;

BTS (Base Transceiver Station) – stație de bază de emisie/recepție;

BSC (Base Station Controller) – controller de grup de stații de bază;

BSS (Base Station Subsystem) – subsistemul stației de bază;

NSS (Network Subsystem) – subsistemul rețea;

MSC (Mobile Services Switching Center) – centru de comutație al serviciilor mobile;

VLR (Visitor Location Register) – bază de date temporală sau bază de date locală;

HLR (Home Location Register) – bază de date permanentă sau bază de date generală; EIR (Equipment Identitz Register) – bază de date de gestiune a identității echipamentelor mobile;

AuC (Authentification Center) – centru de autentificare al abonaților;

Um, Abis, A, B, C, D, F, G – interfețe pentru comunicația între diverse elemente componente ale arhitecturii GSM;

4.2. Nivele arhitecturale funcționale GSM. Prezentare generală

Arhitectura stratificată funcțională a sistemului GSM a fost proiectată pentru a satisface două mari categorii de cerințe (funcțiuni):

– cerințe legate de rețeaua mobilă propriu-zisă (de exemplu alocarea resurselor, gestionarea mecanismelor de transfer etc.); – cerințe legate de interconectarea rețelei mobile cu rețelele fixe existente (PSTN, ISDN etc.). Fiecare element al arhitecturii canonice va avea o arhitectura stratificată funcțională, adaptată atât rolului acesteia în sistem, cât și interconectării cu celelalte elemente sau/și rețeaua fixă. Mai mult, subsistemul stației de baza (BSS) nu interacționează direct cu rețeaua fixă, dar îndeplinește

o mare parte din funcțiile specifice rețelei mobile. De aceea, prezentarea arhitecturii canonice a sistemului GSM se va realiza separând clar subsistemul rețea (NSS) de celelalte două subsisteme (subsistemul stației de baza si subsistemul stației mobile – BSS + MS). Ultimele două subsisteme vor fi numite subsistem BSS+MS. Această concatenare, aparent artificială, are însă o justificare consistentă din punct de vedere al rolului funcțional jucat de MS, BTS si BSC în arhitectura canonică GSM: acestea sunt module cu funcții strict specifice rețelei mobile (alocare de canale, transmisia informației pe mediul fizic etc.)

4.2.1 Arhitectura funcțională a subsistemului BSS+MS

Arhitectura funcțională a subsistemului BSS+MS este prezentată în figura 2.

Fig. 2. Arhitectura stratificată funcțională a subsistemului BSS+MS.

Nivelul fizic asigură organizarea informației pe mediul fizic. Acesta realizează:

organizarea și structurarea informației transmise pe mediul radio;

implementarea salturilor de frecvență; – transmisia/recepția în mod discontinuu;

modularea semnalului la transmisia pe mediul radio.

Aceste funcții specifice vor fi detaliate în paragraful corespunzător acestui nivel funcțional. Nivelul fizic are funcții diferite (deoarece între BTS și BSC comunicația se face pe legături terestre). În BTS, nivelul fizic este împărțit în două nivele, asociate interfețelor Um si Abis: nivelul fizic GSM asociat interfeței Um (pentru comunicația MS <-> BTS) și nivelul fizic ISDN asociat interfeței Abis (pentru comunicația BTS <-> BSC).

Nivelul legătură de date

Funcțiile acestui nivel sunt asigurate de protocoalele de nivel 2: LAPDm, LAPD, MTP2 (partea de semnalizare).

Dintre funcțiile specifice acestui nivel amintim:

structurarea informației – constă în divizarea informației sosite de la nivelele funcționale superioare în unități ce pot fi transmise pe nivelul fizic (adică în unități de lungime corespunzătoare). Altfel spus, această funcție permite segmentarea (la emisie) respectiv reasamblarea (la recepție) a blocurilor de informație de lungimi mari. Algoritmii de segmentare / reasamblare sunt identici cu cei utilizați de HDLC;  detecția și corecția erorilor – prin această funcție se urmărește asigurarea calității transmisiei. Astfel, atât LAPD cât si MTP2 utilizează un mecanism asemănător HDLC de detecție a erorilor printr-un câmp de 16 biți (CRC) calculat cu un polinom identic (x16 + x12 + x5 +l), în funcție de informația din cadru. Pe mediul radio acest mecanism nu este necesar, deoarece detecția de erori este asigurată de mecanismul de codare a canalului în toate cazurile, transferul informației de nivel 2 poate decurge după două proceduri de bază: fără retransmisii (cadrele se transmit o singură dată) sau cu retransmisii. În acest ultim caz, un receptor care detectează (la nivel 2) un cadru eronat va cere retransmisia sa;

multiplexarea – constă în asigurarea transmisiei, pe aceeași legătură fizică, a informației provenind de la utilizatori diferiți. Aceasta este o funcție esențială pentru rețelele în care trebuie asigurate conexiuni de tip punct-multipunct (de exemplu ISDN, unde la aceeași legătură fizică pot fi conectați mai mulți utilizatori). În cazul GSM, această funcție este necesară mai ales pentru comunicația între BSC si BTS, care este în general de tip punct-multipunct (informația transmisă de către BSC spre BTS poate fi destinata mai multor echipamente mobile). Pentru a distinge fluxurile multiplexate se folosește (în rețelele fixe) un așa numit câmp de identificare al punctului de acces la serviciu (SAPI – Service Access Point Identifier). Aceeași denumire, deși improprie, a fost preluată în GSM.

Nivelul 3

Aceasta are o structură diferită pentru echipamentul mobil și pentru elementele fixe din rețeaua mobilă. Vom prezenta mai întâi structura și funcțiunile acestui nivel pentru echipamentul mobil.

Nivelul 3 în stația mobilă – este compus din următoarele subnivele:

RR (Radio Resource Management) este un subnivel de gestionare a resurselor radio. El asigură funcții aferente stabilirii legăturii mobil —> MSC, mecanismelor de transfer, alocării resurselor radio (canalele) etc.;

MM (Mobility Management) este subnivelul ce gestionează mobilitatea. Acest subnivel va gestiona aspectele legate de localizare, autentificare, asocierea unui TMSI unui mobil (independent de aspectele radio ale comunicației), funcții legate de securitate;

CM (Communication Management) este subnivelul care gestionează controlul apelurilor (CC – Call Control), dar și serviciile de mesagerie scurtă și respectiv serviciile suplimentare. O funcție esențială a acestui subnivel este cea de rutare a apelurilor în sistem. Este la rândul său împărțit în 3 subnivele:

subnivelul CC – subnivel al controlului apelurilor. Funcția sa principală este de a stabili ruta fizică pe care se va desfășura ulterior convorbirea;

subnivelul SS (Suplementary Services) – subnivel de tratare a mesajelor aferente serviciilor suplimentare;

subnivelul SMS (Short Message Services) – subnivel de tratare a mesajelor scurte.

MTP (Message Transfer Part) este protocol de transport specific SS7. El este conceput să asigure atât funcții de transport pentru o rețea SS7 (gestiunea traficului, a canalelor, a rutelor) dar și funcții de rutare a mesajelor în interiorul unei rețele SS7. Primul grup de funcții este asigurat de subnivelele 1 si 2 (MTP1 respectiv MTP2), iar cel de-al doilea grup de MTP3. în cazul GSM,

MTP3 permite gestionarea concatenării legăturilor de semnalizare a legăturilor. În realitate este vorba despre asigurarea unei redundante: mai multe mesaje de semnalizare sunt trimise pe o aceeași legătură fizică (concatenare), dar exista și link-uri de rezervă, utilizate în cazul întreruperii uneia din legăturile active.

SCCP (Signal Connection Control Part) este subsistemul de comandă al conexiunilor de tip SS7 și are rolul de a gestiona transferul informațiilor de semnalizare. Una din funcțiunile principale ale SCCP este de a permite transferul semnalizărilor, independent de transferul informației propriuzise. Acest subsistem este foarte important în comunicațiile mobile, deoarece, de exemplu, modificarea poziției unui mobil se face independent de angajarea mobilului într-un apel. Transferul informațiilor legate de poziția mobilului spre echipamentele centrale (BTS, BSC, MSC) se face pe canale de semnalizare, independent de un apel propriu-zis.

În plus, SCCP oferă o funcție de dirijare a mesajelor către un punct SS7, bazată, de exemplu, pe numărul terminalului (conversie număr abonat —> cod specific unui punct de semnalizare). Deci SCCP oferă mijloacele pentru realizarea unei semnalizări nelegate de apel sau circuit prin: – realizarea conversiei număr abonat —> cod SP (Signalling Point);

o extensie a modului de adresare pentru a permite conexiuni fără stabilire prealabilă de circuit; – posibilitatea de stabilire de conexiuni logice pentru a oferi serviciile specifice nivelului rețea din structura OSI.

În vârful ierarhiei BSC se află:

DTAP (Data Transaction Application Part) gestionează comunicațiile MS <-> BSC. Ele trebuie să se refere la o conexiune radio. Pentru a putea fi separate, ele conțin o referință (identificare) a conexiunii radio. Mesajele transferate sunt cele provenite de la subnivelele CC, respectiv MM, din MS. Ca atare, acest protocol are rolul de releu de mesaje între MS si MSC;

BSSMAP (Base Station Subsystem Management Application Part) asigură schimbul de mesaje specifice aferente mecanismelor de transfer și alocării de resurse (între BSC si MSC). În fapt, mesajele generate de BSSMAP se pot clasifica în două mari categorii: a) mesaje aferente zonei acoperite de BSC (sau mesaje globale);

b) mesaje aferente unui canal radio dedicat. Din prima categorie putem aminti:

mesaje de eliberare a legăturilor de voce între MSC si BSC;

apelul în mod difuzat (în difuzare) spre un mobil aflat într-o zonă de localizare dată;

mesaje de reinițializare pentru MSC sau BSC etc. Din a doua categorie putem aminti:

mesaje de alocare/eliberare a unui canal de trafic unei stații mobile;

mesaje de gestiune a execuției mecanismelor de transfer; – mesaje de trecere în mod criptat etc.

4.2.2. Arhitectura funcțională a subsistemului NSS

Această structură funcțională este prezentată în figura 3:

Fig. 3. Arhitectura funcțională stratificată a subsistemului NSS.

În acest paragraf vor fi detaliate parțial numai subnivelele despre care nu s-a discutat în secțiunea precedentă.

ISUP (ISDN User Part) este un protocol ce asigură funcții de semnalizare necesare asigurării serviciilor ISDN;

MAP (Mobile Application Part) are funcțiuni multiple, legate în special de gestionarea mecanismelor de transfer care conduc la modificarea MSC (din cauza mobilității este necesară modificarea MSC). Dintre acestea amintim: transferul informațiilor de securitate (autentificare si criptare), transferul informațiilor de taxare etc.

TCAP (Transaction Capabilities Application Part) oferă serviciul de transmitere a informației prin rețea independent de aplicație și de procedura de stabilire a circuitului.

4.2.3. Interfețe GSM

Interfețele GSM sunt în general bazate pe SS7 cu excepția interfețelor Um (radio) si Abis (BTS-BSC). O parte din aceste interfețe sunt folosite ca în standardele GSM, altele sunt specifice proiectantului de echipament. Tabelul 1 prezintă sintetic aceste interfețe, rolul lor precum și folosirea lor conform standardelor (opțiunilor proiectantului).

Tabelul 1. Lista interfețelor sistemului GSM

N = interfața specifică constructorului

D= alegerea constructorului conform standardelor

Cap. 5. Numerotarea, criptarea transmisiei și securizarea accesului în sistemul GSM

Deoarece toate procedurile legate de localizarea, reactualizarea localizării, identificarea și autentificarea terminalului mobil etc., sunt strâns legate de sistemul de numerotare, criptare a transmisiei și securizarea accesului pe mediul radio, am considerat oportun să prezentăm aceste aspecte înainte de a descrie în detaliu procedurile specifice GSM.

În GSM numerotarea este implicată în procedurile de inițiere și rutare a unui apel, în procedurile de actualizare și reactualizare a localizării unui terminal mobil etc. Mecanismele de securizare a accesului sunt esențiale, fiind premergătoare stabilirii comunicației; criptarea transmisiei pe mediul radio este implicată în comunicația propriu-zisă, asigurând confidențialitatea apelurilor. În cele ce urmează vom prezenta întâi numerotarea în sistemul GSM, apoi criptarea și securizarea accesului.

5.1. Numerotarea în sistemul GSM

Numerotarea în sistemul GSM trebuie să țină cont de faptul că punctul de acces al abonaților în sistem nu este fix (ca în PSTN, ISDN etc.) Astfel, în rețelele fixe, un același număr este folosit pentru identificarea abonatului, a echipamentului, dar și a serviciului.

În GSM, așa cum s-a menționat, trebuie avută în vedere mobilitatea terminalului. Ca atare, există numere diferite pentru scopuri diferite: rutare, servicii, identificarea abonatului etc. Din fericire pentru utilizator, numărul de apel al unui abonat GSM rămâne unic, iar corespondența între diversele numere GSM nu este transparent; pentru acesta. Complicarea numerotării intervine în principal datorita mobilității abonatului, acesta având posibilitatea de a-și modifica poziția atât în interiorul unei rețele PLMN, dar și de a trece dintr-o rețea în alta.

Pentru a înțelege mat bine numerotarea GSM trebuie anticipat ca, de exemplu, localizarea completa a terminalului mobil în cazul unui apel sosit din rețeaua fixă presupune: rutarea apelului până la MSC gazdă al echipamentului mobil, determinarea BSC gazdă al echipamentului mobil (un MSC deservește mai multe BTS), determinarea BTS gazdă al echipamentului mobil (un BSC deservește mai multe BTS). Ca atare, o componentă foarte importantă a mecanismului de numerotare a fost concepută în vederea asigurării unor funcții de rutare mult mai consistente decât cele din rețeaua fixă.

Vom prezenta în continuare tipurile de numere GSM și un exemplu de rutare a unui apel sosit din rețeaua fixa si destinat unui abonat mobil. De asemenea va fi prezentat un subcapitol ce va trata taxarea în sistemul GSM.

Numere GSM

a) MSISDN (Mobile Station International ISDN Number) – număr internațional ISDN al stației mobile – este numărul pe care un abonat din rețeaua fixă îl va forma pentru apelarea unui mobil. Acest număr este înțeles de PSTN și permite rutarea apelului până la primul MSC din PLMN gazdă a abonatului.

Structura MSISDN este următoarea: MSISDN = CC + NDC + SN unde:

CC (Country Code) este codul țării în care se afla PLMN gazdă a abonatului mobil. Este format din maximum 3 cifre;

NDC (National Destination Code) este codul operatorului (cod PLMN). Este format din maximum 3 cifre;

SN (Subscriber Number) este un cod specific abonatului. Câteva exemple de numere MSISDN sunt prezentate în tabelul 1.

Tabel 1. Exemplu de utilizare MSISDN.

Observație: Câmpurile CC si NDC sunt utilizate de protocolul SCCP pentru determinarea HLR aferent mobilului apelat.

b) IMSI (International Mobile Subscriber Identity) – identitate internațională a abonatului mobil (sau număr internațional de identificare a abonatului mobil).

Acest număr este fix, independent de poziția abonatului în rețea. Mai mult, din rațiuni de securitate a accesului în rețea, precum și de securitate a comunicației, acest număr este transmis pe interfața radio cât mai rar posibil.

Figura 1 prezintă rolul funcțional al IMSI în rutarea unui apel provenit din rețeaua fixă și având ca destinație un abonat mobil. Astfel, într-o primă fază, apelul (notat generic cu A), pe baza numărului MSISDN, este rutat până la cel mai apropiat MSC (notat MSC 1) din PLMN gazdă a abonatului mobil. Din acest punct al rețelei, pentru rutarea apelului spre destinație este necesară determinarea poziției abonatului. Primul pas constă în determinarea MSC-ului (notat generic MSCi) în raza căruia se află mobilul.

Fig. 1. Rolul funcțional al IMSI.

Odată determinat MSCi, următorul pas îl va reprezenta rutarea apelului între MSC1 și MSCi. Pentru aceasta este necesară obținerea identității MSC, adică a numărului MSRN (Mobile Station Roaming Number), a cărui semnificație va fi detaliata ulterior. Numărul MSRN este obținut în urma dialogului MSC1 —> HLR —> VLRi —> HLR —> MSC1, dialog reprezentat în figura 1 prin succesiunea de proceduri (1), (2), (3), (4) al căror rol funcțional este detaliat în continuare:

(l): este o procedură de acces a bazei de date permanente HLR. Aici este necesară o precizare importantă: HLR nu este numai o bază în sensul clasic (o colecție ordonată de înregistrări), ea dispune și de o „inteligență" care îi permite realizarea unor funcții specifice (de exemplu dialogul cu MSC și respectiv VLR prin interfețele specifice). În HLR, corespunzător fiecărui MSISDN, sunt memorate adresa ultimului VLR în care se afla abonatul cu numărul MSISDN, respectiv numărul IMSI. Deci, folosind MSISDN-ul abonatului, procedura (1) obține adresa VLRi și IMSI aferente acestuia. • (2): folosind adresa VLRi si IMS1 determinate prin (1), această procedură trimite IMSI la adresa VLR. Ceea ce aminteam anterior pentru HLR este valabil si pentru VLR (si VLR dispune de „inteligența" necesara execuției anumitor funcții specifice). Din baza de date propriu-zisa a VLRi, pe baza IMSI, se obține MSRN.

(3): trimite MSRN către HLR (ca răspuns la (2)).

(4): permite, la rândul său, tranzitul MSRN prin HLR către MSC 1. Structura IMSI este:

IMSI = MCC + MNC + MSIN unde:

MCC (Mobile Country Code) – cod de țară pentru comunicațiile mobile. În general MCC nu este același cu numărul CC. În tabelul 2 sunt prezentate câteva corespondente CC <-> MCC.

MSIN (Mobile Station Identity Number) – câmp de identificare al stației mobile. Acest număr identifică în mod unic un abonat mobil în interiorul rețelei PLMN.

MSRN (Mobile Station Roaming Number) – număr de roaming aferent stației mobile. Așa cum s-a arătat în paragrafele anterioare, acest numar-identifică MSC-ul aferent abonatului. MSRN este un număr ce servește la rutarea apelului până la MSC-ul aferent abonatului. Nici acest număr nu este „vizibil" pentru utilizatorii GSM, iar existenta sa este o consecință a mobilității abonaților. Astfel, modificarea poziției geografice a unui abonat poate antrena si trecerea din aria deservita de un MSC în aria unui MSC vecin. În acest caz, MSRN corespunzător abonatului se va modifica. Figura 2 prezintă rutarea unui apel provenit din rețeaua fixă și destinat unui abonat mobil, până la MSC-ul în aria de acoperire a căruia se află apelantul.

Fig. 2. Rutarea unui apel abonat rețea fixă —> abonat rețea mobila pe baza MSRN.

Tot aici este descrisă si procedura (5), care, pe baza MSRN, asigura rutarea apelului (A) până la MSC-ul care deservește apelantul.

În acest moment, pentru apelarea abonatului mai trebuie determinate BSC-ul, respectiv

BTS-ul în aria cărora se află acesta. În acest scop a fost necesară definirea unor numere suplimentare. De asemenea, pentru a oferi posibilitatea securizării accesului terminalelor în rețea a fost definit și un număr de terminal. Vom prezenta în continuare aceste numere, precum si rutarea completa a apelului spre terminalul mobil.

LAI (Location Area Identity) – identificatorul ariei de localizare. Așa cum îi arată si

numele, acest număr identifică o anumită arie dintr-o rețea PLMN. Structura LAI este următoarea:

LAI = MCC + MNC + LAC

unde identificatorii MCC si MNC sunt identici cu cei din IMSI, iar LAC este identificator aferent unei zone de localizare definita de operator. LAC poate avea maxim doi octeți si se refera la aria deservita de un modul BSC.

TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) – identificator temporar al abonatului

mobil. Acest număr este un număr local (maxim 32 biți) de identificare a unui abonat mobil. El se folosește în interiorul zonei deservite de o baza de date temporară VLR si se utilizează în loc de IMSI, pentru a evita transmiterea acestuia în clar pe interfața radio. Această măsură de precauție este necesara deoarece IMSI conține identitatea abonatului mobil, ceea ce poate permite si identificarea frauduloasa a echipamentului mobil. TMSI este în schimb un corespondent local al IMSI – în interiorul zonei deservite de VLR- ceea ce face ca transmiterea sa în clar pe interfața radio să nu permită obținerea frauduloasa a identității mobilului. în plus, TMSI are o lungime mai mica decât IMSI, ceea ce va conduce la reducerea cantității de informație transportate pentru mesajele de apel.

În acest moment al expunerii se poate prezenta modul de rutare al apelului A de la MSCi până la abonatul mobil. Astfel, în baza de date VLR., corespunzător IMSI, alături de MSRN, se află stocate TMSI si respectiv LAI aferente abonatului. Pe baza LAI, apelul este rutat până la BSC-ul în aria căruia se află apelantul, iar BSC va apela, pe baza TMSI, abonatul. Este evident că modificarea poziției mobilului necesita reactualizarea corespunzătoare a numerelor TMSI, LAI, MSRN aferente abonatului.

IMEI (International Mobile Equipment Identity) – identificator de echipament. Este un

număr ce identifica de o manieră unică terminalul mobil, fiind destinat securizării accesului echipamentelor în rețeaua mobilă. Structura sa include atât o parte specifica constructorului, cât si o parte specifica de terminal (ce identifica echipamentele diferite produse de același constructor).

Din cauza utilizării sale cu caracter special, am lăsat intenționat pentru final prezentarea codului BSIC (Base Station Identity Code), numit în GSM si cod de culoare.

BSIC – codul de culoare – servește la identificarea unui grup de baza (grup elementar). Totalitatea purtătoarelor disponibile este partajată între 7 celule. Mai mult, pentru simplificarea configurărilor interne, operatorul poate decide utilizarea aceluiași algoritm de alocare al purtătoarelor radio în interiorul fiecărui grup de baza. Din această cauza, atunci când un mobil se află în zona de intersecție a doua grupuri elementare, poate recepționa mesaje pe o aceeași purtătoare de difuzare, de la doua stații de baza diferite. Pentru a separa mesajele și pentru a alege pe cel provenit de la stația de baza cea mai apropiată, trebuie făcută distincția între stațiile de baza ce utilizează o aceeași purtătoare de difuzare. Același fenomen poate apărea si la granița între doua PLMN-uri din țări diferite (nefiind obligatorie o înțelegere privind frecvențele alocate pentru purtătoarele de difuzare între operatorii PLMN din acele țări). Ca atare, BSIC va conține doua componente:

CCT – cod de culoare de țară (pe 3 biți);

CCG – cod de culoare de grup (în interiorul aceleiași PLMN

5.2. Criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio în sistemul GSM

Aspectele legate de criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio în sistemul GSM se referă la trei direcții principale:

Securizarea accesului utilizatorului în sistem;

Criptarea transmisiei pe mediul radio;

Securizarea accesului echipamentului în sistem.

Vom discuta pe rând cele trei direcții menționate anterior, pentru a crea o imagine generală despre implementarea lor prin funcții specifice în sistem.

5.2.1. Securizarea accesului utilizatorului în sistem

Acest set de funcții trebuie să asigure atât accesul în sistem numai al utilizatorilor plătitori de servicii, cât și o taxare corectă (în sensul că taxarea trebuie sa fie suportată exclusiv de cel care beneficiază de un anumit serviciu). Deci, un utilizator va avea acces în sistem numai după ce, în prealabil, are loc o autentificare a sa. In figura 3 este prezentat simplificat algoritmul de autentificare folosit în sistemul GSM.

Fiecare utilizator dispune de o cheie individuală, care este memorată în doua locuri în sistem: în modulul de identitate al utilizatorului (SIM) si în centrul de autentificare (AC). Centrul de autentificare (AC) generează numărul aleator RAND. Pe baza lui RAND și a IMSI-ki, folosind algoritmul A3, se obține numărul SRES (Signed Response), care este trimis bazei de date temporare (VLR). De asemenea, AC trimite valoarea RAND și stației mobile. Aici, ținând cont ca valoarea IMSI-ki este stocata și în modulul de identitate a utilizatorului, pe baza aceluiași algoritm de criptare A3, se poate calcula valoarea SRES, care este de asemenea transmisă bazei de date temporare. Aceasta va compara cele două valori obținute și, dacă ele sunt identice, va permite accesul utilizatorului în sistem.

Fig. 3. Principiul de autentificare în GSM.

Notații folosite în figură:

AC (Authentification Center) – Centru de autentificare;

SIM (Subscriber Identity Module) – Modul de identitate utilizator (cartela GSM);

RAND – număr aleator (generat local);

IMSl-ki – (International Mobile Subscriber Identity – Individual Key) – cheie individuala a utilizatorului.

Se impun câteva precizări pentru completare:

Algoritmul A3 este specific operatorului și poate diferi de la un operator la altul;

Cheia individuala IMSI-ki este un parametru secret, specific utilizatorului (de exemplu valoarea lui ki, deși este memorată în modulul de identitate -SIM – nu este accesibilă nici măcar acestuia);

Algoritmul A3 este un algoritm de criptare unidirecțional, în sensul că, atunci când se cunosc IMSI-ki și RAND, calcularea valorii SRES este simplă, dar invers, cunoscând valoarea RAND și SRES, calcularea lui ki este foarte complexă. Aceasta proprietate a algoritmului A3 face practic imposibilă determinarea cheii individuale a utilizatorului, chiar daca se cunosc atât valorile RAND si SRES, cât si algoritmul A3;

în concordanță cu Specificațiile GSM, s-a decis ca valoarea RAND sa fie reprezentata pe 128

biți, iar cea a lui SRES pe 32 biți. Acestea sunt restricțiile impuse algoritmului de criptare A3.

5.2.2. Criptarea transmisiei pe mediul radio

Criptarea transmisiei pe mediul radio are ca scop evitarea interceptării ilegale a apelurilor. Ideea ce trebuie reținută este aceea că acest mecanism de criptare acționează numai pe interfața radio; dacă un apel de la/spre un utilizator GSM traversează și rețeaua fixă, atunci, pe aceste porțiuni, regulile de criptare sunt diferite de cele utilizate în GSM pe interfața radio (sunt specifice rețelei traversate). Algoritmul (simplificat) de criptare a transmisiei pe mediul radio este prezentat în figura 4.

Funcționarea algoritmului este, în parte, asemănătoare cu cea a algoritmului de autentificare. Astfel, în centrul de autentificare (AC) și în stația mobilă (MS) folosind algoritmul A8, se obține valoarea cheii de criptare kC. Pe baza ei, folosind algoritmul A5, stația mobilă poate cripta transmisia între ea și BTS. Pe baza aceluiași algoritm A5, și folosind valoarea kC primită de la centrul de autentificare prin intermediul VLR, în BTS are loc decriptarea.

Fig. 4. Criptarea pe mediul de transmisie în sistemul GSM.

Notații folosite în figură:

kC – cheie de criptare;

A8 – algoritm de generare a valorii kC ;

A5 – algoritm de criptare/decriptare a transmisiei pe mediul radio, restul notațiilor având semnificația descrisa la § 2.1.

Vom face și aici câteva precizări suplimentare:

deoarece algoritmul A5 utilizează ca parametru numărul slotului informațional, rezultă că secvența de criptare va fi diferita de la un slot la altul;

-conform Specificațiilor, secvența de criptare are o lungime de 114 biți și este diferita pe cele doua sensuri de transmisie;

algoritmul A5 este unic, pe când A8 poate diferi de la operator la operator. Algoritmul A5 este unic deoarece, pentru ca orice echipament să poată comunica cu orice stație de bază, trebuie ca el sa fie implementat atât în fiecare static mobilă, cât și în fiecare stație de bază. Algoritmul A5 este necunoscut pentru publicul larg și nu este prezentat în Specificațiile GSM, din motive de securitate. Nivelul de securitate oferit de A5 este dat de simplitatea cu care, cunoscându-se secvența de criptare și numărul cadrului, se poate determina valoarea cheii de criptare kC;

se pot cripta atât transmisiile de date utile (voce, date propriu-zise) dar si semnalizările pe mediul radio, însă un dezavantaj major constă în aceea că nu se poate cripta un mesaj pe interfața radio decât după ce s-a produs autentificarea. Deci, mesajul inițial de semnalizare (cerere de acces în sistem), ce conține IMSI-ul utilizatorului, va circula în clar pe mediul radio. Acest dezavantaj se poate elimina utilizând echivalentul temporar al identității utilizatorului (alias) – TMSI.

5.2.3. Securizarea accesului echipamentului în sistem

Această funcție este destinată prevenirii utilizării aparatelor declarate ilegale (de exemplu, un aparat furat poate fi declarat ilegal prin anunțarea furtului la operator, care va pune aparatul în cauză pe o așa numită „listă neagră"). Aici discuția se poate extinde și la cartela SIM. Astfel, pentru terminalul mobil securizarea se face astfel:

în EIR (Equipment Identity Register) – baza de date a echipamentelor în care este stocata identitatea fiecărui aparat. În cadrul procedurii de acces în sistem se poate prevede și o funcție de identificare a echipamentului, care presupune interogarea bazei de date EIR, pentru verificarea echipamentului ce solicită accesul în sistem. În primele sisteme GSM aceasta funcție nu era încă implementată;

pentru cartela SIM se poate realiza securizarea prin protejarea acesteia cu o parola (la introducerea cartelei în aparat, utilizatorul trebuie sa tasteze o parola), procedeu asemănător protecției cărților de credit bancare. Echipamentul mobil este cel care va compara cuvântul tastat cu parola (corectă) înregistrată pe SIM, iar accesul la utilizarea cartelei este posibil numai dacă cele două coincid.

Cap. 6. Interfața radio în sistemul GSM

6.1. Introducere

Multe lucrări din literatura de specialitate ([JS96], [MP92]) afirmă că interfața radio este cea mai importantă dintre toate interfețele sistemului GSM. Aceasta deoarece proiectarea interfeței radio a trebuit să țină cont de foarte multe cerințe, unele dintre ele contradictorii:

interfața radio trebuie să asigure compatibilitatea între echipamentele mobile produse de diverși fabricanți și rețelele fixe gestionate de diverși operatori;

interfața radio trebuie să asigure utilizarea maximă a spectrului radio disponibil (optimizarea numărului de celule ce acoperă o zonă geografică, precum si a dispunerii acestora pentru a deservi o cantitate cât mai mare de trafic);

soluțiile tehnice aplicate pentru îndeplinirea cerințelor de la pct. b) trebuie menținute la un grad de complexitate care să țină cont de disponibilitățile tehnologice actuale, deoarece soluții sofisticate vor conduce la o creștere a costurilor sistemului și implicit la o creștere a costurilor serviciilor. De-a lungul anilor s-au efectuat numeroase cercetări, în special legate de rezolvarea cerințelor b) și c). Multe din soluțiile teoretice de maximizare a utilizării spectrului radio găsite sunt încă dificil de a fi transpuse în practică.

De asemenea, proiectarea interfeței radio a trebuit să urmărească și asigurarea unei calități corespunzătoare a serviciului atât pentru comunicațiile telefonice clasice, cât și pentru noile servicii introduse de GSM. Nu trebuie neglijat și un alt aspect: terminalele mobile se alimentează de la baterii, deci este de dorit o autonomie cât mai crescută a acestora. Aceasta va impune restricții legate de controlul nivelului de putere emis. Controlul puterii emise însă trebuie realizat și dintr-un alt considerent: minimizarea interferențelor, aspect valabil în special în zonele urbane dens populate.

A fost necesară, de asemenea, identificarea unor metode de codare a canalului radio prin coduri detectoare și protectoare de erori, adaptate unui mediu cu coeficient ridicat de erori. Pe de altă parte, proiectarea dimensiunii temporale a cadrelor GSM a trebuit să țină cont de proprietatea mediului radio de a introduce întârzieri mari de propagare.

Tehnica de acces la mediu este o tehnică de tip multiplu, care presupune divizarea benzii totale disponibile în canale fizice de 200 kHz, fiecare canal fiind divizat în 8 sloturi temporale (în sistemele GSM de generație ulterioară se vor introduce 16 sloturi temporale/canal fizic). Pentru îmbunătățirea utilizării spectrului și creșterea calității serviciului s-a adăugat la tehnica de acces la mediu și posibilitatea modificărilor de frecvență (frequency hopping), pentru comunicația mobil

—> stație de bază.

Specificările CCITT definesc un canal ca ,,porțiunea bine precizată (delimitată) dintr-o interfață". Un canal poate fi privit din două puncte de vedere:

funcționalitatea sa: canalul îndeplinește un rol în transmiterea unui tip de informație – date, semnalizare etc.;

structura sa: din punct de vedere al caracteristicilor de transmisie.

Mai simplu spus, în sistemul GSM canalele radio se pot clasifica după două criterii:

criteriul funcționalității, caz în care vom vorbi despre canale logice;

criteriul structurii, când ne referim la canale fizice (și implicit la organizarea informației pe mediul de transmisie) precum și legătura care există între canalele logice și cele fizice.

În ([XL95]), canalele logice sunt privite ca o interfață între nivelul fizic și nivelele funcționale superioare acestuia. Astfel, informația preluată de la nivelul 2 (voce, date, semnalizări etc.) este direcționată pe unul din canalele logice (în funcție de natura informației, destinatar etc.). Deoarece, așa cum se va vedea, există o mapare bine definită între canalele logice și canalele fizice, se justifică considerarea canalelor logice ca o interfață a nivelului fizic cu nivelele superioare.

O altă clasificare ([JS96]), utilizează criteriul numărului de utilizatori ai unui canal radio și distinge două categorii de canale:

canale dedicate (individuale), care pot fi folosite în comun de una sau mai multe stații mobile dintr-o celulă, atunci când acestea sunt în cursul unei comunicații;

canale comune, care sunt recepționate sau pot fi folosite de oricare stație mobilă (dintr-o celulă), atunci când aceasta nu se află angajată într-o comunicație.

În ([JS96]) se disting două stări posibile ale unui echipament mobil:

starea activă – atunci când mobilul este angajat într-o comunicație (voce, date etc.) în această stare, mobilului i se alocă o porțiune dintr-un canal radio;

starea liberă (idle state) – atunci când mobilul nu este angajat în nici o comunicație. în această stare, mobilul recepționează canalele comune, dar nu are alocat un canal dedicat.

Așa cum aminteam într-unul din paragrafele anterioare, fiecare canal radio este divizat în 8 sloturi temporale egale ca dimensiune.

În Specificațiile GSM un slot temporal este denumit ,,burst" iar conținutul unui slot temporal (secvența de biți ce ocupă interfața radio în intervalul de timp corespunzător) este numit tot ,,burst", ceea ce creează pericolul unei confuzii ([MP921). în cele ce urmează ne vom referi la conținutul unui slot temporal prin denumirea de slot informațional, evitând astfel confuzia menționată anterior.

În cele ce urmează ne propunem să prezentăm atât canalele logice cât și canalele fizice din sistemul GSM, precum și legătura canal logic <-> canal fizic. De asemenea vor fi prezentate și alte tehnici utilizate în GSM pentru optimizarea proiectării interfeței radio, astfel încât să se poată respecta cât mai multe din restricțiile menționate anterior. Astfel vom detalia: procedura de modificare a frecvenței de emisie, procedeul de transmisie discontinuă, codarea canalului radio etc.

6.2. Canalele logice în sistemul GSM

Un canal logic definește tipul de informație transmisă într-un slot sau grupuri de sloturi informaționale. Canalele logice se pot împărți, în funcție de modul de utilizare (unul sau mai mulți, respectiv toți utilizatorii mobili dintr-o celulă) astfel:

canale logice dedicate – sunt asociate unui grup de utilizatori mobili dintr-o celulă;

canale logice comune – pot fi utilizate și sunt accesibile tuturor utilizatorilor mobili dintr-o celulă.

6.2.1. Canale logice dedicate (individuale)

Canalele logice dedicate (individuale) se împart la rândul lor în: – canale de trafic;

– canale de control.

În tabelul 6.1 sunt prezentate sintetic canalele logice individuale.

Tabelul 6. 1. Canale logice individuale GSM.

Canalele de trafic sunt canale bidirecționale utilizate pentru transmisia și recepția traficului util aferent utilizatorilor mobili. În sistemul GSM, canalele de trafic pot fi la rândul lor canale de trafic cu rată întreagă, respectiv canale de trafic cu jumătate de rată. Pe un canal TCH/F, rata utilă de voce care poate fi transportată este de cca. 13 kb/s.

Canalele de control sunt canale bidirecționale asociate unui canal de trafic, destinate transmisiei informației aferente semnalizărilor, controlului de putere, controlului calității semnalului recepționat, handover etc. în sistemul GSM există patru canale de control distincte:

Canalul de control de sine stătător (SDCCH) poate fi prezent sub două forme: SDCCH/4 (cu 4 subcanale) sau SDCCH/8 (cu 8 subcanale). Acest canal este folosit pentru transportul informației ce identifică serviciul solicitat de un echipament mobil (pe sensul ascendent MS—>BTS), respectiv pentru transportul informației răspuns a stației de bază (sensul descendent BTS—>MS). De asemenea, tot pe sensul descendent se comunică și alocarea unui canal de trafic stației mobile;

Canalul de control asociat lent (SACCH) este de asemenea bidirecțional. Acesta este utilizat în următoarele scopuri:

pe subcanalul ascendent, stația mobilă comunică informații privind diverse măsurători efectuate (de exemplu, nivelul semnalelor recepționate de la BTS-uri vecine), dar și nivelul puterii proprii;

pe subcanalul descendent, stația de bază (BTS) comandă stației mobile nivelul de putere cu care aceasta din urmă trebuie să emită;

Canalul de control asociat rapid (FACCH) este utilizat în ambele sensuri pentru controlul realocărilor de canale și gestionarea mecanismelor de transfer. Deoarece mecanismele de transfer trebuie executate cât mai rapid, pentru a evita întreruperea comunicației pe durata lor, canalele FACCH pot folosi, pentru creșterea ratei, și o parte din rata canalelor de trafic.

Un canal asociat (SACCH) este alocat în conjuncție fie cu un canal de trafic (TCH), fie cu un canal de sine stătător (SDCCH), astfel:

un canal de control asociat rapid (FACCH) este alocat în conjuncție (pe același canal fizic) cu un canal de trafic cu rată întreagă sau cu un canal de trafic cu jumătate de rată (deci FACCH/H și TCH/H);

un canal de control lent (SACCH) poate fi alocat în conjuncție cu:

un canal de trafic cu rată întreagă TCH/F;

un canal de trafic cu jumătate de rată TCH/H;

În următoarele cazuri, SACCH este identificat prin SACCH/TF, respectiv SACCH/TH: – un canal de sine stătător cu 4 subsloturi SDCCH/4;

un canal de sine stătător cu 8 subsloturi SDCCH/8.

6.2.2. Canale logice comune

Sunt canale ce pot fi accesate/recepționate de oricare din mobilele aflate într-o celulă.

Canalele logice comune sunt prezentate în tabelul 6.2:

Tabel 6.2. Canale logice comune.

Canalele logice comune se clasifică ([LG95]) în:

Canalul logic comun cu difuzare (BCCH) – este unidirecțional (numai pe cale descendentă) și are rolul de a transporta diverse tipuri de informații de la stația de bază către echipamentele mobile pentru: controlul și menținerea sincronizării în timp și frecvență a echipamentelor mobile cu BTS, mesaje de identificare a stației de bază etc. El este implementat pe o frecvență purtătoare numită purtătoare de difuzare. El este rezultatul multiplexării următoarelor canale logice:

Canalul corector de frecvență (FCCH) este destinat facilitării sincronizării frecvenței proprii echipamentului după frecvență BTS. Acest canal este necesar deoarece, înainte de începerea unei comunicații între un mobil și BTS, este necesară resincronizarea acestuia după BTS;

Canalul de sincronizare (SCH) permite sincronizarea la nivel de cadru între mobil și stația de bază. Astfel BTS transmite pe acest canal logic numărul cadrului și identitatea sa (codul ,,colorat" al stației de bază). Când nu transporta informații generale legate de sincronizare de tact sau de cadru, BCCH transporta alte informații cum ar fi de exemplu numărul canalelor comune de control etc.;

Canalul logic comun de control (CCCH) este un canal bidirecțional de control pe care sunt multiplexate:

RACCH (Random Access Control Channel) – canalul comun de acces este utilizat de echipamentele mobile pentru a solicita alocarea unui canal dedicat de semnalizare (SDCCH) sau trafic (TCH) și precede faza de stabilire a unui apel inițiat de mobil. Accesul este realizat utilizând tehnica ALOHA sincron;

AGCCH (Access Grant Control Channel) – este utilizat de BTS pentru a comunica atribuirea unui canal dedicat unui mobil (de trafic – TCH sau de semnalizare – SDCCH), solicitat anterior de acesta, pe canalul RACCH;

PCH (Paging Channel) – canal de paging (apel) este utilizat de BTS pentru avertizarea echipamentelor mobile asupra apelurilor sosite din rețea.

6.3. Structura temporală a canalelor fizice în sistemul GSM

Așa cum s-a arătat în partea introductivă a acestui paragraf, unitatea de bază, în timp, folosită pentru a defini canalele fizice în sistemul GSM este slotul temporal. Sistemul GSM utilizează o metodă mixtă de acces la interfața radio: acces în frecvență cu multiplexare în timp. Accesul este în frecvență deoarece spectrul radio alocat sistemului GSM este partajat în canale radio de lărgime egală cu purtătoarele spațiate la 200 kHz. Fiecare canal este împărțit în două subcanale: unul în banda ascendentă: 890 – 915 MHz (pentru comunicația în sensul mobil —> stație de bază), celălalt în banda descendentă: 935 – 960 MHz (pentru comunicația în sensul stație de bază —> mobil). Purtătoarele corespunzătoare celor două subcanale sunt spațiate în frecvență la 45 MHz. Această împărțire a spectrului conduce la existența unui număr de 124 canale duplex în sistemul GSM.

Pentru creșterea capacității sistemului există posibilitatea măririi benzii totale de frecvență alocată sistemului prin adăugarea unei benzi suplimentare de 8 MHz în fiecare sub-bandă ([MP92]). Noile domenii de frecvență alocate pentru banda ascendentă si respectiv descendentă devin:

882 – 915 MHz pentru banda ascendentă; – 927 – 960 MHz pentru banda descendentă.

Specificațiile conțin și o altă alocare de frecvențe posibilă pentru sistemul GSM, în banda de 1800 GHz. în acest caz domeniile de frecvență alocate sunt:

1710 – 1785 MHz pentru banda ascendentă;

1805 – 1880 MHz pentru banda descendentă. Această a doua variantă este cunoscută sub numele de DCS1800.

Multiplexarea în timp, factor important de creștere a capacității sistemului, presupune definirea de sloturi temporale pe fiecare canal radio. în GSM, un slot temporal are durata de 577 ms sau, mai exact, 3/5200 s. Opt sloturi temporale consecutive formează un cadru TDMA (Time Division Multiple Access) care are durata de 4,6 ms sau, mai exact, 3/650 s. Astfel, tehnica de acces la interfața radio în sistemul GSM se poate caracteriza într-o primă aproximație astfel: spectrul de frecvență este partajat în benzi egale cu purtătoare spațiate la 200 KHz (aspectul legat de accesul în frecvență), iar transmisia pe fiecare canal radio este o succesiune de cadre TDMA (fig.6.1).

Având în vedere principiul de acces la mediu utilizat în sistemul GSM, se impun cel puțin două precizări suplimentare.

În primul rând, organizarea informației pe interfața radio (fig.6.1) face posibilă identificarea unui slot temporal dintr-un canal printr-un număr. Astfel, având în vedere periodicitatea cadrului TDMA și lungimea sa de 8 sloturi temporale, rezultă că pentru un slot temporal se va putea asocia un număr de forma 8p+k, unde:

Fig. 6.1. Principiul accesului mixt (diviziunea în frecvență și multiplexarea în timp) în sistemul GSM.

p este numărul cadrului TDMA din care face parte slotul temporal (unde se consideră cadrele TDMA numerotate în ordinea apariției lor în timp);

k este poziția slotului temporal în cadrul TDMA. În Specificații, k este denumit și numărul asociat slotului temporal (Time Slot Number). Tot în Specificații numărul 8p+k, asociat unui slot temporal, este denumit tot număr asociat slotului temporal (Time Slot Number). Pentru a elimina aceste confuzii și pentru a facilita expunerea vom folosi următoarele convenții:

numărul asociat slotului temporal, reprezentat de valoarea k anterior menționată, va fi numit numărul slotului temporal și prescurtat NST;

numărul asociat slotului temporal reprezentat de valoarea 8p+k va fi numit numărul extins al slotului temporal și prescurtat NEST.

În al doilea rând, datorită caracteristicilor propagării pe mediul radio (traiectorii multiple, întârzieri. diferite (emisie și recepție) pentru sloturi informaționale diferite) este necesară o sincronizare între momentele de recepție în stația mobilă (pe canalul descendent) și cele de emisie (pe canalul ascendent). Pentru compensarea efectului mediului de transmisie radio în GSM s-a ales soluția sincronizării momentelor de emisie ale stației mobile (pe cale ascendentă) după momentele de recepție (pe cale descendentă). Altfel spus, periodicitatea sloturilor temporale pe calea ascendentă urmărește periodicitatea sloturilor temporale pe calea descendentă. Distanța în timp între un slot caracterizat de NEST pe calea descendentă și slotul caracterizat de același NEST pe calea ascendentă este de 3 sloturi temporale. Acest mecanism este numit principiul separării temporale între canalele ascendent și descendent, iar funcționarea sa este prezentată simplificat în figura 6.2.

Necesitatea definirii unei corespondențe canal logic <-> canal fizic, precum si modul mai complex de definire (din punctul de vedere al transmisiei pe mediul fizic) al anumitor canale logice, a necesitat definirea structurilor de multicadru, supercadru și hipercadru. Succesiunea în timp a organizării informației pe mediul radio în cadrul sistemului GSM este periodică, cu perioada egală cu lungimea unui hipercadru. Necesitatea introducerii structurilor de multicadru și supercadru va rezulta mai clar în subcapitolul următor. În acest paragraf vom prezenta numai structura temporală a celor trei sisteme.

Fig. 6.2. Principiul separării temporale între canalele ascendent și descendent în stația mobilă.

Între cele trei structuri există următoarele relații temporale:

1 hipercadru = 2048 supercadre = 3h 28' 53" 760'" (6.1)

1 supercadru = 51 • 26 cadre TDMA = 6,12 s (6.2)

Un supercadru poate fi format din 51 de multicadre a câte 26 de cadre TDMA/multicadru sau din 26 multicadre a câte 51 cadre TDMA/ multicadru.

1 multicadru format din 26 cadre TDMA = multicadru 26<->120 ms (6.3)

1 multicadru format din 51 cadre TDMA = multicadru 51<->235ms (6.4)

În figura 6.3 este prezentată, simplificat, structura temporală a cadrelor GSM.

Fig. 6.3. Structura temporală a tipurilor de cadre GSM.

Structura temporală a cadrelor GSM este folosită numai pentru definirea unei corespondențe canal logic <-> canal fizic și pentru stabilirea periodicității alocării sloturilor temporale pentru diverse canale logice.

6.4. Maparea canalelor logice pe canale fizice

Prin noțiunea de mapare a canalelor logice pe canale fizice se înțelege modalitatea prin care, la un moment de timp, unui canal fizic îi sunt asociate o mulțime de canale logice. Cu alte cuvinte, acest subcapitol își propune să ofere o imagine asupra modului în care informația corespunzătoare canalelor logice este transmisă pe canalele fizice. Deși chestiunea este aparent simplă, se va arăta în continuare că stabilirea corespondențelor canale logice <-> canale fizice trebuie să țină cont de numeroase aspecte:

mediul radio este un mediu cu un coeficient foarte ridicat de erori. Va fi necesară, deci, codarea informației transmise folosind coduri detectoare si corectoare de erori;

necesitatea de optimizare a utilizării spectrului disponibil implică o proiectare foarte atentă a organizării canalelor logice destinate semnalizărilor. Ratele alocate acestor canale trebuie să asigure pe de o parte transmisia tuturor tipurilor de informații de semnalizare necesare, iar pe de altă parte trebuie să consume cât mai puțin din rata totală (capacitatea) disponibilă.

Cele menționate anterior determină anticiparea, încă de la începutul acestui subcapitol, a unei mapări diferite a canalelor de trafic, comparativ cu maparea canalelor de semnalizare.

La începutul acestui subcapitol am furnizat o definiție cu caracter mai general a canalului radio. Revenim pentru a da un corespondent mai evident al canalului radio în GSM. Astfel, așa cum am prezentat în secțiunea anterioară, pe fiecare frecvență se transmit cadre TDMA, fiecare cadru fiind compus din 8 sloturi temporale.

Se consideră că un canal fizic este structura obținută prin alocarea unui slot temporal, în fiecare cadru TDMA transmis pe o frecvență dată. Pe scurt, putem scrie:

/ canal fizic/frecvența f <-> 1 slot/(fiecare cadru TDMA transmis pe aceeași frecvență}) (6.5)

Această definiție corespunde canalelor cu rată (debit) întreagă. Există, așa cum s-a amintit și anterior, posibilitatea definirii decanale cu jumătate de rată. Pentru canale cu jumătate de rată corespondența (6.5) devine:

/ canal fizic cu jumătate de rată/frecvența f <-> 1 slot/(în oricare două cadre TDMA transmise consecutiv pe frecvența f) (6.6)

Cele două definiții anterioare sunt ilustrate și în figura 6.4.

Fig. 6.4. Definirea canalelor fizice pe interfața radio GSM. Un alt aspect al implementării interfeței radio în GSM îl constituie folosirea tehnicii saltului de frecvență (modificarea frecvenței de transmisie a unui canal fizic). Denumită Slow Frequency Hopping (SFH) ([JS96]), această tehnică constă în modificarea frecvenței de transmisie a unui canal fizic, în fiecare cadru TDMA, după o secvență predefinită de frecvențe. În fapt, dacă un modul BTS dispune de N frecvențe (f 1, f2,….fN), tehnica constă în a transmite un canal fizic pe frecvențe diferite (dintre cele N) în cadre TDMA diferite.

De asemenea, trebuie subliniat că poziția slotului temporal din cadrul TDMA corespunzător canalului fizic nu se modifică, indiferent de frecvența pe care este transmis canalul fizic. Această tehnică, ilustrată pentru un canal fizic în figura 6.5, se aplică numai în condițiile unei încărcări ridicate de trafic și are ca scop obținerea unei îmbunătățiri a performanțelor sistemului (scăderea interferențelor, micșorarea efectului reflexiilor etc.)

Fig. 6.5. Canal fizic transmis cu tehnica salturilor de frecvență (SFH) – exemplu.

Trebuie de asemenea menționat că secvențele de modificare a frecvențelor de transmisie sunt ortogonale (adică două comunicații ce se stabilesc inițial pe frecvențe diferite, dar în același slot temporal, să nu poată ajunge, în urma modificărilor frecvenței de emisie, pe o aceeași frecvență).

6.5. Transmiterea semnalelor vocale pe mediul radio

Semnalul vocal generat de utilizator în timpul convorbirii trebuie privit ca un semnal telefonic clasic: o funcție x(t) (variabilă în timp) spectru limitat la banda [300,3400] Hz. Acest semnal este partajat în porțiuni de câte 20 ms, pentru fiecare dintre ele codorul vocal furnizând o secvență de ieșire de 260 biți, care poartă numele de trafic vocal neprotejat (sau secvență de voce neprotejată) la erori. Desigur, termenul de porțiune a unui semnal nu este riguros; poate un termen mai inspirat ar fi fost cel de cadru, însă am evitat această denumire din dorința de a evita eventualele confuzii cu structurile de cadre prezentate în secțiunea anterioară. Pentru protecția la erorile mediului radio, această secvență (de 260 biți) este trecută prin codorul de canal care adaugă încă 196 biți, rezultând un total de 456 biți pentru fiecare secvență de 20 ms voce. Cei 456 biți sunt grupați în 8 grupe de 57 biți fiecare și distribuiți pe 4 cadre TDMA (1 slot/cadru).

Astfel, deoarece durata unui cadru TDMA este de aproximativ 5 ms, rezulta ca transmisia completa a secvenței de 260 de biți se incheie dupa aproximativ 20 ms (durata a 4 cadre TDMA).

Succesiunea de operații pentru transmiterea unei secvențe de 20 ms voce este ilustrată în figura 6.6:

Fig. 6.6. Succesiunea de operații pentru transmiterea unei secvențe de 20 ms voce

(în principiu)

6.6. Tehnica salturilor (modificărilor) de frecvență (SFH)

Această tehnică, specifică sistemului GSM, este destinată reducerii efectului de ,,fading" pe canalul radio și implicit îmbunătățirii calității serviciului asigurat. Principiul acestei tehnici este foarte simplu: oricare două sloturi informaționale consecutive, corespunzătoare aceluiași canal fizic, sunt transmise pe frecvențe (purtătoare) radio diferite. În acest fel, dacă o purtătoare (frecvență) radio este afectată de fading, un anumit canal fizic este afectat doar pe durata unui slot informațional. În plus, putem vorbi despre o ,,împrăștiere" a efectului de ,,fading" pe mai multe canale fizice (canalele transmise pe purtătoarea afectată). Pentru implementarea acestei tehnici trebuie respectate următoarele restricții:

frecvențele (purtătoarele) radio utilizate sunt cele care fac parte din mulțimea de frecvențe alocate stației de bază;

secvențele de salt trebuie să fie ortogonale (două canale fizice plasate pe un acelasi slot temporal trebuie să fie, în orice moment, transmise pe purtătoare diferite).

În continuare, vom lua în considerare o celulă deservită de o stație de bază căreia i-au fost alocate N frecvențe. Există două variante de implementare a tehnicii SFH:

a) Circulară, în acest caz, cele N frecvențe sunt parcurse succesiv, rezultând o periodicitate

de N în frecvența de transmisie utilizată pentru un canal fizic (adică sloturile informaționale 1, N+l, 2N+1,…, aparținând aceluiași canal fizic sunt transmise pe o aceeași frecvență fl; similar, sloturile informaționale 2, N-t-2,…, sunt transmise pe o aceeași frecvență f'2 etc.Evident, este necesar ca fl, f2,… să fie incluse în mulțimea de frecvențe alocate stației de bază);

b). Pseudo-aleatoare; în acest caz, periodicitatea frecvenței de transmisie a unui canal fizic este mai mare decât N.

Vom enumera în continuare parametrii necesari implementării tehnicii SFH și vom descrie algoritmul SFH circular. Astfel, pentru tehnica SFH se utilizează parametrii:

FN (Frame Number) cu componentele sale Tl, T2, T3, recepționate pe canalul de control

SCH;

MAIO (Mobile Allocation Index Offset) – offset de alocare;

HSN (Hopping Sequence Generator Number) – număr auxiliar pentru generarea secvențelor de modificare a frecvenței de transmisie.

În urma aplicării unui algoritm SFH specific (a sau b) se obține parametrul MAI (Mobile Allocation Index), care reprezintă identitatea următoarei frecvențe utilizate pentru transmiterea unui canal fizic. Pentru algoritmul pseudo-aleator se utilizează, în calculul lui MAI, parametrii Tl, T2,T3. În continuare vom exemplifica calculul lui MAI pentru cazul utilizării unui algoritm SFH circular (în acest caz HSN = 0). Astfel, pentru calculul lui MAI se utilizează relația MAI = (FN+MAIO) • mod N, unde a mod b este restul împărțirii lui a la b. Aplicarea operației mod N este necesară pentru menținerea MAI în domeniul 0  N-1 (adică frecvența rezultată să aparțină mulțimii de frecvențe alocate stației de bază). Reamintim faptul că frecvențele alocate stației de bază au fost notate generic 0, 1,…, N-1. În plus, algoritmul prezentat este independent de la o celulă la alta (nu există o corelație între secvențele rezultate în celule diferite). Algoritmul SFH pseudo-aleator poate fi consultat din [RS94] și nu va mai fi prezentat în această lucrare.

Mai trebuie menționat că, deși modificările relative ale frecvenței în urma aplicării tehnicii SFH sunt relativ mici (putem avea o modificare relativă maximă egală cu  25MHz/ 900 MHz  3% – 25 MHz = banda pe căile ascendentă respectiv descendentă), îmbunătățirile vis-a-vis de calitatea semnalului recepționat (mai ales în mediile afectate de fading) sunt sensibile mai ales pentru mobile cu viteză mică de deplasare. Acest efect este explicabil: fără utilizarea tehnicii SFH, în condiții de fading ridicat, semnalul recepționat de un mobil lent ar fi afectat pe o perioadă mare, întrucât acesta se îndepărtează greu (datorită vitezei mici de deplasare) din zona afectată. Modul în care se implementează tehnica SFH rămâne la latitudinea operatorului.

6.7. Transmisia și recepția pe mediul radio

În opinia autorilor, este oportun ca în finalul paragrafului dedicat organizării interfeței radio în sistemul GSM să fie prezentate principalele caracteristici ale transmisiei și recepției pe mediul radio. Vom face pentru început câteva precizări de natură a justifica organizarea și prezentarea noțiunilor ce vor fi expuse în continuare: toate mecanismele utilizate pe interfața radio GSM (modulare, demodulare, egalizare, transmisia/recepția discontinuă etc.) sunt justificate printr-un formalism matematic sofisticat, care este prezentat detaliat în diferite lucrări de specialitate (de exemplu [RS94]). Atenția noastră se va îndrepta însă în mod exclusiv spre algoritmi, pentru a nu condiționa înțelegerea noțiunilor de cunoștințele matematice ale cititorilor.

Vom prezenta totuși anumite concluzii, obținute în urma aplicării formalismelor matematice amintite anterior. Structurarea materialului din acest subcapitol va urmări o prezentare graduală a noțiunilor; vom apela însă și la noțiuni prezentate în paragrafele anterioare.În cele ce urmează vor fi prezentate lanțul complet de transmisie și respectiv de recepție pe interfața radio GSM, tehnica de modulație, algoritmul de egalizare, precum și tehnicile de transmisie/recepție discontinuă.

6.8. Lanțul de transmisie si lanțul de recepție

Prin lanț de transmisie vom înțelege mulțimea de blocuri funcționale pe care le parcurge semnalul de la generarea sa (voce, date sau informații de control) până la transmisia în eter (pe mediul radio). Parcurgerea unui bloc funcțional va atrage, evident, efectuarea unor prelucrări specifice asupra semnalului. Prin lanț de recepție vom înțelege mulțimea de blocuri funcționale pe care le parcurge semnalul de la preluarea (recepția) sa de pe mediul radio până la decodificarea sa completă (adică până când semnalul recepționat este reconstituit complet – cazul traficului de voce și date – sau până când poate îndeplini funcțiile de control specifice – cazul semnalelor de control – trafic de semnalizare). O parte din lanțul de transmisie, precum și lanțul de recepție, sunt prezentate în fig 6.7. Legătura între lanțul de transmisie și cel de recepție este realizată prin intermediul canalului radio. Trebuie precizat că, în acest caz, prin canal radio se înțelege mulțimea tuturor canalelor (trafic și semnalizare) prin intermediul cărora comunică entitățile emițător si receptor.

Așa cum s-a explicat în paragrafele anterioare, orice semnal care urmează a fi transmis pe mediul radio este întâi codat cu un cod de comprimare (pentru a reduce cantitatea de informație ce trebuie transmisă), apoi codat cu un cod detector și corector la erori (codare de canal), iar cuvântul rezultat este împărțit în 4 sau 8 grupe de 57 biți, care se vor distribui pe sloturi informaționale diferite, conform regulilor descrise în paragrafele anterioare. În lanțul de transmisie este de asemenea

Semnul  este ales după cum bitul transmis este 0 sau 1.

Cap. 7. Procedurile de semnalizare specifice GSM

7.1 . Introducere

La o comparație între rețelele GSM și ISDN, din punct de vedere al serviciilor asigurate, vom constata ca o parte a serviciilor ISDN sunt asigurate și în GSM. Comparând însă situațiile care trebuie tratate în gestionarea abonaților în cele doua rețele, vom constata cel puțin trei clase de aspecte total diferite:

Aspecte privind mobilitatea – dacă în ISDN un abonat este fix (imobil), în GSM acesta își poate modifica poziția geografică, inclusiv între PLMN distincte. Apare evident că, pentru a putea asigura serviciile plătite de abonat, rețeaua mobila trebuie să cunoască poziția geografică exactă a acestuia în orice moment. Mai mult, existența cartelei GSM (cartela

SIM) asigura independența abonatului de terminal (ceea ce nu este posibil în nici o rețea fixă). .

Aspecte privind starea terminalului – un terminal se poate afla într-una din următoarele stări:

în rețeaua fixă:

inactiv – stare corespunzătoare receptorului așezat în furcă;

activ – terminal angajat într-o comunicație cu unul sau mai multe terminale.

în rețeaua mobilă:

inactiv – stare corespunzătoare unui terminal mobil închis;

așteptare – (idle) stare corespunzătoare unui terminal mobil deschis, dar neangajat întro comunicație;

activ – stare corespunzătoare unui terminal mobil angajat într-o comunicație.

Un mobil aflat în stare inactivă nu poate recepționa sau trimite apeluri, iar tranziția mobilului din stare inactivă în stare de așteptare (la pornirea aparatului) este însoțită de acțiuni specifice.

Aspecte privind alocarea de resurse – GSM, spre deosebire de ISDN, include un segment în care transmisia are loc în mediu radio. Mecanismele de alocare a canalelor radio sunt specifice GSM, fiind necesar să se țină cont de modificarea (posibilă) a poziției geografice, care poate genera necesitatea schimbării canalului alocat inițial (mecanisme de transfer – handover).

Soluționarea aspectelor din clasele A), B), C) a presupus implementarea unor proceduri specifice GSM, pe care le-am numit proceduri de semnalizare specifice GSM (sunt numite „de semnalizare" pentru că nu transporta trafic util). Fiecare procedura trebuie privita ca o succesiune de mesaje schimbate între diverse entități ale rețelei GSM, pentru rezolvarea unui aspect dintr-una din clasele A), B), C).

Exemplu: procedura de stabilire a unui apel cu apelant fix si apelant mobil va fi succesiunea de mesaje schimbate între diverse entități ale rețelei GSM din momentul când abonatul fix formează numărul abonatului mobil până în momentul stabilirii apelului.

Având în vedere că starea unui terminal este implicată atât în procedurile specifice gestionării mobilității, cat și în cele de alocare a resurselor, procedurile de semnalizare specifice GSM se pot împărți în două mari categorii:

proceduri de gestionare a mobilității;

proceduri de alocare a resurselor (care includ atât mecanismele de alocare a canalelor radio, cât și gestionarea transferurilor).

Implementarea în special a procedurilor din ultima categorie folosește date specifice (nivelul semnalului recepționat, coeficientul de erori etc.) mediului radio, obținute atât în echipamentul mobil cât și în BTS. Putem vorbi, în fapt, de o monitorizare continuă a canalului radio, cunoscută sub numele de gestiune a legăturii radio.

7.2 Proceduri de gestionare a mobilității și a apelurilor

În rețelele GSM mobilitatea abonatului impune proiectarea si implementarea unui număr mare de proceduri specifice, deoarece fiecare serviciu oferit abonatului mobil presupune cunoașterea probabilă a localizării acestuia. Mai mult, un terminal aflat în stare inactiva (stins) nu mai are nici o referință asupra poziției geografice în care se afla (de exemplu, un abonat se poate deplasa având terminalul mobil inactiv; de aceea, la repunerea aparatului în stare de așteptare trebuie verificat dacă zona în care se afla acum abonatul s-a modificat față de zona în care terminalul s-a aflat înainte de a fi oprit). Având în vedere cele expuse, se poate vorbi despre două categorii importante de proceduri de gestionare a mobilității:

Proceduri de selecție a PLMN și a celulei de serviciu;

Proceduri propriu-zise de gestionare a mobilității.

7.2.1. Proceduri de selecție a PLMN si a celulei de serviciu

Aceste proceduri se efectuează la repornirea terminalului si după introducerea cartelei GSM în acesta. Scopurile acestor proceduri sunt următoarele:

sincronizarea terminalului pe o purtătoare de difuzare (pentru a putea primi primele informații de control din partea rețelei);

selecția PLMN care va furniza serviciile solicitate;

determinarea si selecția celulei în raza căreia se afla abonatul.

7.2.1.1. Sincronizarea terminalului pe purtătoarea de difuzare

Terminalul va măsura nivelul semnalului recepționat pe fiecare din cele 124 purtătoare din spectrul disponibil. Pe parcursul măsurătorii se realizează și o sortare descrescătoare a purtătoarelor, în funcție de măsurătorile efectuate. Ulterior, din mulțimea sortată, mobilul se va sincroniza pe prima frecvență care reprezintă o purtătoare de difuzare (purtătoarea de difuzare este detectată prin formatul special al slotului informațional TDMA transmis, diferit de formatele transmise pe orice alt tip de canal). O data sincronizat pe purtătoarea de difuzare, mobilul poate decoda si interpreta informațiile de control transmise pe purtătoarea de difuzare.

7.2.1.2. Selecția PLMN

Procedura de selecție a PLMN este corelată cu mai mulți factori, dintre care amintim:

tipul de abonament plătit: un abonat poate plăti o taxa care să-i ofere dreptul la un pachet de servicii dintr-o arie inclusă într-o PLMN (abonament regional), din toate ariile deservite de o PLMN (abonament național) sau dintr-un grup de PLMN-uri (abonament internațional);

modalitatea de selecție – automată sau manuală;

informațiile stocate pe cartela SIM – 4 PLMN interzise (rețele în care anterior abonatului nu i s-a permis accesul) si 8 rețele PLMN permise, în ordinea preferințelor.

Codul PLMN este fumizat pe purtătoarele de difuzare. Dacă selecția se face în mod manual, pe ecranul terminalului vor apărea un număr de PLMN-uri (identificat prin nume si/sau cod) care asigură serviciul în aria în care se afla mobilul; un semnal sonor special indica dacă rețeaua este interzisa sau nu (o rețea este interzisa dacă este detectată pe cartela SIM între cele 4 PLMN interzise memorate anterior). Urmează ca abonatul să aleagă rețeaua ce îi va asigura ulterior serviciul. Daca selecția se face automat, terminalul va fi cel care alege PLMN-ul (de exemplu este aleasa PLMN aflată prima între cele 8 PLMN-uri favorite). De asemenea, abonatul poate stabili dacă selecția PLMN-ului se face automat sau manual.

7.2.1.3. Determinarea și selecția celulei de serviciu

După sincronizarea pe purtătoarea de difuzare și selecția PLMN trebuie determinata si selectată celula care va asigura ulterior serviciul solicitat pentru abonat. Selecția va avea la baza mai multe criterii:

criterii radio: trebuie aleasa o celula care să asigure o calitate maxima (dintre toate celulele) a serviciului;

criterii de subscripție si localizare – o celula trebuie să facă parte din zona de acoperire în care s-a înscris abonatul. De asemenea, în caz ca identitatea zonei de localizare aferente celulei diferă de identitatea precedentei zone de localizare (care este stocata pe cartela SIM), se va iniția o procedura de actualizare a localizării. Această procedură urmărește, pe de o parte, sa verifice daca abonatul poate beneficia de serviciu în noua zonă, și apoi să modifice referințele acestuia în bazele de date VLR si HLR.

Criteriile radio se bazează pe măsurătorile radio efectuate de stația mobila si de BTS, precum și datele transmise pe purtătoarea de difuzare. Stația mobilă va măsura:

nivelul semnalului recepționat – RXLEV (Received Level). Valoarea obținută este codificata pe 6 biți si are semnificațiile date în tabelul 1.

Tabel 1. Corespondențe între valoarea RXLEV măsurată și codificarea sa (valoarea asociata).

calitatea semnalului recepționat – RXQUAL (Received Quality). Valoarea coeficientului

(procentului) de eroare de bit (BER) măsurată este codificata pe 3 biți. Corespondența între BER și RXQUAL este data în tabelul 2.

Tabelul 2 Corespondența BER <-> RXQUAL.

Stația mobilă recepționează de la BTS:

MS_TXPWR_MAX_CCH – nivelul maxim de putere cu care stația mobila poate emite pe un canal logic de acces (RACCH);

RXLEV_ACCESS_MIN – nivel minim de putere recepționată necesar pe aria de acoperire a celulei.

Criteriul radio utilizat este cunoscut sub numele de criteriul Cl și el se poate enunța sub

forma:

Dintre toate celulele a căror purtătoare de difuzare este recepționată de un mobil se alege cea pentru care C1 are valoarea maximă și pozitivă, unde: Cl = A – max(B,0), iar A = RXLEV – RXLEV_ACCESS_MIN

B = MS_TXPWR MAX_CCH- P

unde P = puterea maxima disponibilă a stației mobile.

O condiție suplimentară impusă este A > 0 (nivelul semnalului recepționat să fie mai mare decât pragul minim admisibil).

Practic, mobilul va recepționa informațiile de control transmise pe purtătoarea de difuzare din celula în care se află, precum și cele de pe purtătoarele de difuzare din celulele vecine. Apoi va evalua parametrul Cl și, dintre celulele pentru care se îndeplinesc condițiile Cl > 0 și A > 0, o va alege pe cea pentru care Cl are valoare maximă.

În final, sunt necesare câteva precizări suplimentare:

zona din interiorul unei celule unde este respectat criteriul C 1 este dependentă de stația mobilă (deoarece valoarea lui C1 depinde de puterea maxima a stației mobile). Un mobil de putere mare va putea alege între un număr mai mare de celule;

chiar dacă se îndeplinește criteriul C1, celula trebuie să nu fie blocată pentru a putea fi selectată. Blocarea unei celule se poate face (opțiune a operatorului) când, de exemplu, traficul depășește o anumită valoare maxima prestabilită. Astfel, o celulă supraîncărcată (din punct de vedere al traficului) nu va mai autoriza nici un mobil nou în aria sa până când valoarea traficului nu scade.

Un mobil poate verifica daca o celula este blocata sau nu, deoarece pe purtătoarea de difuzare este transmisă această informație. Pentru o astfel de celula, măsurătorile necesare pentru aplicarea criteriului Cl nu se mai realizează.

Toate datele anterior menționate sunt transmise de BTS pe canalul logic BCCH. Pentru facilitarea expunerii am folosit însă exprimarea „transmisie pe purtătoare de difuzare". Aceasta precizare este necesara atât pentru a clarifica rolul canalului logic BCCH, cât și pentru a elimina orice posibila incertitudine sau confuzie privind acest aspect.

7.2.2. Proceduri de gestionare a mobilității

Așa cum am mai spus, pentru a putea asigura serviciile achitate de către un abonat mobil, localizarea sa trebuie cunoscută în orice moment de timp. Poziția geografică a unui abonat este strict identificată prin numărul LAI stocat în baza de date temporara VLR care deservește aria în care se află mobilul. În cele ce urmează vom denumi arie sau zona geografică reuniunea tuturor celulelor cu același LAI. În fapt, fiecare VLR gestionează mai multe arii diferite, dar o zona geografica poate fi deservita de un singur VLR. În procedurile de gestionare a mobilității este implicata si baza de date permanentă HLR.

Pentru a înțelege mai bine mecanismele de gestionare a mobilității trebuie avute în vedere doua nivele distincte:

nivelul zonei de localizare: toți abonații dintr-o zona de localizare sunt gestionași de un

VLR si numai unul;

nivelul de abonat: fiecare zona de localizare are în evidență unul sau mai mulți abonați; gestionarea datelor pe acest nivel implică atât baza de date permanenta HLR (care conține, pentru fiecare abonat identificat prin numărul MSISDN, adresa SS7 a VLR-ului corespunzător, precum si numărul său TMSI), cât si baza de date temporara VLR (care corespunzător fiecărui abonat identificat prin TMSI conține codul ariei de localizare în care se afla acesta).

Deci HLR gestionează mai multe VLR, fiecare VLR gestionând mai multe arii de localizare (identificate prin LAI) în raza fiecăreia găsindu-se unul sau mai mulți abonați (adică unul sau mai mulți abonați cu același cod LAI). Mai mult, LAI este stocat pe cartela SIM, ceea ce permite păstrarea acestuia chiar si după ce cartela SIM a fost scoasa din mobil. De asemenea, codul LAI memorat poate fi comparat permanent cu codul recepționat pe canalul logic BCCH, iar o diferență între ele va declanșa o procedura de modificare a localizării. Se pot identifica câteva tipuri distincte si implicit câteva proceduri distincte de modificare a localizării:

localizare inițială – este necesara la primul acces al abonatului în sistem sau când, imediat după pornirea mobilului si introducerea cartelei SIM în aparat, se constată că LAI memorat este diferit de cel recepționat pe canalul logic BCCH;

actualizare a localizării – este necesară când, în urma deplasării abonatului, LAI memorat este diferit de cel recepționat pe canalul logic BCCH. Acest tip de proceduri poate presupune:

păstrarea VLR (se modifica numai LAI);

schimbarea VLR (se modifica atât LAI cat si VLR asociat mobilului).

7.2.3. Proceduri de gestionare a apelurilor

Vom prezenta în continuare principalele proceduri de gestionare a apelurilor (în fapt procedurile de tratare a noilor cereri de apel) axându-ne pe două categorii principale:

Apeluri provenite din rețeaua mobila și destinate rețelei fixe;

Apeluri provenite din rețeaua fixă și destinate rețelei mobile;

Înainte de a începe expunerea propriu-zisă trebuie făcută o precizare: în GSM tastarea numărului apelat este „off-line" (un număr introdus trebuie validat printr-o tastă dedicată situată pe terminal; numai după apăsarea acestei taste se declanșează procedura de accesare a rețelei). În rețelele fixe, numerotarea este „on-line", nefiind necesară o validare ulterioara a numărului format.

De aceea, în cele ce urmează, vom considera că un mobil efectuează o nouă cerere de apel numai după ce numărul abonatului apelat este validat.

7.2.3.1. Gestionarea apelurilor provenite din rețeaua mobilă și destinate rețelei fixe În acest caz inițiatorul este un abonat mobil, iar procedura de gestionare a apelului mobil —> rețea fixă implică subnivelele MM, RR, CC din stația mobilă. În figura 1 sunt prezentate mesajele de semnalizare schimbate între diverse entități implicate în această procedură.

Fig. 1. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de stabilire a unui apel abonat mobil —> abonat rețea fixă.

Etapele procedurii de stabilire a unui apel abonat mobil —> abonat rețea fixă sunt următoarele:

mobilul va accesa canalul RACCH pentru obținerea unui canal radio dedicat; – validarea numărului format este echivalentă, relativ la procedurile de semnalizare, cu generarea mesajului CM_SERVICE_REQUEST, care precizează identitatea mobilului (TMSI

sau IMSI), tipul serviciului solicitat etc.;

autentificarea mobilului și comutarea transmisiei în mod cifrat;

mesajul CC_SET-UP conține numărul apelat, care permite rutarea apelului spre postul apelat de către MSC (prin mesajul MIF);

rețeaua va aloca un circuit de comunicație între MSC si CA, informând mobilul despre aceasta acțiune prin mesajul CC_CALL_PROCESSING;

alocarea unui canal de trafic pentru comunicația mobil —> BSS. Este necesara precizarea ca alocarea canalului de trafic nu este obligatorie în acest moment al procedurii;

apelarea abonatului fix (declanșarea soneriei la postul fix), produce transmisia mesajului ACF către MSC. Aceasta, la rândul său, va transmite un mesaj corespunzător (CC_ALERTING) către mobil; – ridicarea receptorului de către abonatul fix determina transmiterea mesajului RIU către MSC.

Aceasta, la rândul său, informează mobilul despre posibilitatea începerii convorbirii prin mesajul

CC_CONNECT;

mobilul confirma mesajul CC_CONNECT prin CC_CONNECT_ACK si în acest moment începe convorbirea propriu-zisa.

Proceduri specifice de semnalizare au fost implementate si pentru gestionarea finalului de comunicație, aici existând două cazuri separate:

comunicația este încheiată de abonatul fix;

comunicația este încheiată de abonatul mobil. În ambele situații trebuie asigurata:

eliberarea circuitului de comunicație dintre MSC si CA;

eliberarea canalului de trafic alocat mobilului pentru comunicația mobil <-> BSS (atât pe sensul ascendent, cat si pe sensul descendent). Primul caz (comunicația este încheiată de abonatul fix) este prezentat în figura 2, iar cel de-al doilea în figura 3.

Fig. 2. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de desființare a comunicației abonat mobil —> abonat rețea fixă (la inițiativa abonatului din rețeaua fixă).

Cele, doua proceduri sunt asemănătoare și cuprind următoarele etape:

cerere/confirmare de eliberare a canalului de comunicație MSC —> CA (mesajele FIU, respectiv LIG);

desființarea canalului radio mobil <-> BSS (mesajele CC_DISCONNECT, CC_RELEASE, CC_RELEASE_COMPLETE).

În cazul primei proceduri, primul canal eliberat este cel descendent (BSS —> mobil) iar în cel

de-al doilea caz primul canal eliberat este cel ascendent. În ambele cazuri însă, mesajul CC_RELEASE_COMPLETE marchează momentul când atât canalul ascendent, cât și cel descendent au fost eliberate.

Fig. 3. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de desființare a comunicației abonat mobil —> abonat rețea fixă (la inițiativa abonatului mobil).

7.2.3.2. Gestionarea apelurilor rețea fixa —> rețea mobila

În ceea ce privește apelurile rețea fixă —> rețea mobilă, procedurile de desființare a

comunicației sunt identice celor din § 2.3.1, singura diferență constituind-o procedura de stabilire a apelului. Aceasta este prezentată în figura 4 și cuprinde următoarele faze principale:

rutarea apelului până la MSC-ul care deservește mobilul în momentul cererii de apel;

pe baza numărului MSISDN, format de abonatul din rețeaua fixă, se rutează apelul între CA si cel mai apropiat MSC, notat MSC1 (mesajul MIF);

MSC1 interoghează HLR pentru a ruta apelul către MSC-ul care deservește aria de localizare curenta a mobilului (MSC-h sau MSC-gazdă). Aceasta se realizează prin mesajul MAPJSEND ROUTING INFO, trimis de MSC1 către HLR;

pe baza MSISDN si a tabelelor interne, HLR determină adresa SS7 a MSC-h. HLR va interoga la rândul său MSC-h prin mesajul MAP_PROVIDE_ROAMING_NUMBER, pentru obținerea numărului MSRN;

MSC-h furnizează MSRN către HLR (prin mesajul MAP PROVIDE ROAMING

NUMBER ACK), iar acesta îl trimite la rândul sau lui MSC 1 (prin mesajul MAP SEND

ROUTINGJNFO ACK);

utilizând MSRN, apelul este rutat până în MSC-h (mesajul MIF);

apelarea mobilului pe baza TMSI sau IMSI. Acestea se obțin din VLR pe baza MSRN.

Mesajul de apel (paging) se transmite pe canalul de control PGH de către BSC (RR PAGING

REQUEST), în urma recepționării mesajului PAGING de la MSC;

alocarea unui canal de semnalizare pentru mobil de către BSC (RR IMMEDIATE

ASSIGNMENT), la cererea MS (RR CHANNEL REQUEST). Primul mesaj emis de mobil pe canalul de semnalizare alocat este MM PAGING RESPONSE care permite, ulterior, stabilirea unui dialog direct între MS si MSC;

autentificarea mobilului și trecerea în mod cifrat de transmisie;

alocarea unui canal de trafic dedicat pentru mobil (la interfața MSC -CC_SET-UP);

alertarea (semnal sonerie) abonatului mobil. Rețeaua este informata despre declanșarea soneriei prin mesajul CC_ALERTING. MSC transmite către MSC1 acest mesaj prin mesajul ACE;

răspuns abonat mobil (CC_CONNECT între MS si MSC; MSC transmite către MSC1 acest mesaj prin mesajul FIU).

În acest moment, conversația poate începe. Mai remarcăm faptul că MSC1 are pe toata durata acestei proceduri rolul de dirijare (rutare) a mesajelor între MSC-h si CA (lucru posibil prin funcția „gateway" implementată în fiecare MSC). Desfășurarea inițierii unui apel mobil —> mobil este foarte asemănătoare cu procedura descrisa anterior. Funcția gateway (mai exact rolul MSC1 si al CA) va fi realizata de către MSC-ul mobilului apelat.

Fig. 4. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de stabilire a unui apel abonat rețea fixa —> abonat mobil.

7.3. Proceduri de semnalizare pentru gestionarea transferurilor (handover)

7.3.1. Introducere

Transferurile (handover) se pot defini ca mecanisme prin care canalul radio alocat unei comunicații este modificat fără întreruperea acesteia. Deci, inițial, unei comunicații i se aloca un canal, iar ulterior, prin intermediul mecanismelor de transfer, acesta este modificat. Cauza care generează un transfer este deteriorarea calității sau a nivelului semnalului recepționat pe un canal. Deci, transferurile vor fi declanșate ca urmare a îndeplinirii unor așa numite criterii radio (criterii ce calculează calitatea și nivelul semnalului recepționat și compară valorile obținute cu valorile de prag predefinite). Acestea sunt, în general, specifice fiecărui operator, de aceea nu se poate vorbi despre un criteriu radio general valabil.

Un transfer este în marea majoritate a cazurilor consecință a mobilității: modificarea poziției geografice a unui mobil necesită alocarea unui nou canal de trafic (aferent noii zone geografice în care se află acesta) pentru comunicație. Mai simplu, ieșirea din aria de acoperire a unui BTS produce deteriorarea calității semnalului; în consecință, trebuie alocat un nou canal, gestionat de noul BTS (în zona căruia a intrat mobilul). Există însă și situația când un transfer este generat în urma deteriorării temporare a calității semnalului recepționat pe un canal radio (de exemplu din interferentele cu un alt canal etc.) fără modificarea poziției geografice a mobilului. Având în vedere cele afirmate anterior, putem distinge doua categorii de mecanisme de transfer:

transferuri inter-celulare. Cea mai simplă definiție a acestui tip de transfer este următoarea: dacă noul canal (alocat în urma transferului) si respectiv vechiul canal sunt gestionate de BTS-uri diferite, atunci transferul este de tip inter-celular. Acesta este o consecință:

a modificării poziției geografice a mobilului;

în cazul unei celule cu trafic foarte intens, MSC poate decide deservirea anumitor apeluri de către celulele învecinate.

transferuri intra-celulare. În acest caz, ambele canale (atât cel anterior alocat transferului, cât și cel alocat în urma transferului) sunt gestionate de același BTS. Acest tip de transfer implică proceduri foarte simple de semnalizare; de aceea, în cele ce urmează ne vom concentra pe prima categoric de mecanisme.

Transferurile inter-celulare pot fi si ele de mai multe tipuri:

fără modificarea BSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de același BTS);

fără modificarea MSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de BSC-uri diferite; cele două BSC-uri sunt însă deservite de același MSC);

cu modificarea MSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de BSC-uri diferite; cele doua BSC-uri sunt deservite de doua MSC-uri diferite).

7.3.2. Proceduri de semnalizare specifice mecanismelor de transfer

Pe toata durata unei comunicații, atât mobilul cât și BTS efectuează măsurători pe canalul radio, iar rezultatele acestora sunt transmise periodic (cu perioada 480 ms) pe SACCH (Slow Associated Control Channel – canal de control lent asociat ce transferă mesaje de supervizare). Stația mobilă măsoară și calculează:

a) pe canalul curent de comunicație (dacă se află așezată într-o comunicație cu BTS):

nivelul mediu al semnalului recepționat (RXLEV);

calitatea medie a semnalului recepționat (RXQUAL). Mediile se calculează pe 100 eșantioane (TCH), respectiv 12 eșantioane SDCCH.

b) nivelul semnalului recepționat pe purtătoarea de difuzare din celulele vecine celei în

aria căreia se află. În urma acestor măsurători și calcule se selecționează 6 celule (cu cei mai buni parametri) pentru care rezultatele sunt transmise într-un mesaj MEASUREMENT_REPORT pentru BTS. BTS face, de asemenea, măsurători pe canalele ascendente, putând comanda mobilelor modificarea diverșilor parametri:

TA (Timing Advance) – timp de decalare a emisiei;

pentru menținerea sincronismului mobil <-> BTS; – nivelul puterii transmise etc.

Pe baza rezultatelor obținute, trimise de către BTS, BSC va putea stabili celulele candidate pentru un transfer. Criteriile de declanșare ale unui transfer sunt la latitudinea operatorului; amintim aici câteva dintre ele:

scăderea RXQUAL sub pragul minim admisibil; – scăderea RXLEV sub pragul minim admisibil.

Transferul (inter-celular) are ca scop transferul comunicației din gestiunea unei celule în gestiunea altei celule. Deoarece BSC este modulul care gestionează resursele dintr-o celulă, în cursul mecanismelor de transfer aceste module (cel care deservește vechea celulă, respectiv cel care deservește noua celulă) vor schimba mesaje între ele. Cazul de transfer între doua celule care se află în aria aceluiași BSC va fi denumit transfer BSS (modificarea numai a BSS).

În cazul modificării BSC (handover intra-celular), procedura de transfer are loc prin dialogul între cele două BSC, MSC-ul care le deservește având rolul de releu.

În cazul modificării și a MSC, o particularitate interesantă este că în continuare (adică și după transfer), vechiul MSC rămâne punctul de legătură între rețeaua GSM și rețeaua fixă. Acest MSC se mai numește și MSC ancoră. Noul MSC are rol de releu pentru mesajele subnivelelor CM si

MM.

7.3.2.1. Transferuri BSS

Există două situații care trebuie evaluate:

cele două BTS (noul și vechiul) sunt sincronizate, ceea ce înseamnă că, dacă mobilul este în sincronism cu vechiul BTS, va fi în sincronism și cu noul BTS;

nu există o relație de sincronizare între cele două BTS. în acest caz, o data comutat în noua celulă, mobilul trebuie să se resincronizeze cu noul BTS.

Procedura de semnalizare aferentă acestui tip de transfer (a doua situație) este prezentată în figura 1, în care am notat: BTSo – vechiul BTS;

Fig. 1. Transfer BSS cu.BTS nesincronizate.

Etapele acestei proceduri sunt:

pe baza rezultatelor si calculelor măsurătorilor efectuate de mobil și BTSo, BSC ia decizia de transfer (punctul O pe figură);

BSC rezervă un canal în noua celulă (CHANNEL_ACTIVATION);

BTSn confirmă rezervarea canalului (CHANNEL_ACTIVATION_ACK);

BSC comandă mobilului comutarea pe noul canal (RR_HANDOVER_COMMAND);

pe TCH, mobilul emite un slot de acces (ca pe RACCH)(RR_HANDOVER_ACCESS) iar BTSn informează BSC (HANDOVER_DETECTION);

BTSn transmite mobilului informația de sincronizare (TA) pe FACCH (RR_PHYSICAL_INFO);

se stabilește conexiunea de nivel 2 între mobil și BTSn (SABM si UA);

mobilul confirma BTSn încheierea transferului (RR_HANDOVER_COMPLETE);

BSC comandă eliberarea canalului radio alocat mobilului anterior în BTSo (CHANNEL_RELEASE).

Pentru prima situație procedura este asemănătoare, cu deosebirea că cele două BTS fiind sincronizate, nu mai este necesara resincronizarea mobilului cu BTS .

7.3.2.2. Transferuri intra-MSC

Aceste transferuri implică și MSC pentru asigurarea comunicației între vechiul BSC (BSCo) și noul BSC (BSCn). Procedura este asemănătoare cu cea descrisa anterior, dar prezintă următoarele diferențe:

BSCo trimite către MSC, încapsulat în mesajul HANDOVER_REQUIRED (general de BSSMAP), o lista a celulelor în care poate fi transferată comunicația mobilului;

MSC deschide o conexiune SS7 cu BSCn (SCCP CONNECTION REQUEST) acest mesaj conține și o cerere de transfer transmisă de MSC către BSCn;

BSCn confirmă alocarea resurselor solicitate către MSC (HANDOVER REQUEST ACK, mesaj ce încapsulează un mesaj HANDOVER_COMMAND ce conține toate

informațiile necesare mobilului pentru a comuta pe noua celula si pe noul canal);

BSCn trebuie să informeze MSC despre comutarea mobilului pe noua celula (la recepția mesajului RR_HANDOVER_ACCESS va emite un mesaj BSSMAP HANDOVER DETECTION);

BSCn informează MSC despre stabilirea conexiunii de nivel 2 cu mobilul (la recepția mesajului RR_HANDOVER_COMPLETE, BSCn emite mesajul BSSMAP HANDOVER COMPLETE);

MSC va comanda BSCo eliberarea canalelor alocate anterior mobilului; de asemenea, MSC va elibera conexiunea SS7 cu BSCo .

Fără a prezenta în detaliu și această procedură, vom face numai câteva precizări (notăm MSCn noul MSC și MSCo vechiul MSC):

MSCo este cel care asigură legătura cu rețeaua fixă;

este necesară atât stabilirea unui circuit de voce, căt și a unei legături între MSCo și MSCn;

mesajele schimbate între cele două MSC sunt gestionate de protocolul MAP;

pe toată durata comunicației, după transfer, BSCn și MSCo rămân în legătură

(conectate).

Procedura, asemănătoare celor prezentate anterior, va conține suplimentar mesaje de comunicare MSCo <-> MSCn (voce și SS7) respectiv mesaje MSCo <-> BSCn

Cap. 8. Arhitecturi de interconectare între rețelele mobile

GSM și rețele fixe

8.1. Introducere

Un aspect important în proiectarea arhitecturii GSM 1-a constituit găsirea de soluții optime de interconectare cu rețelele fixe existente (ISDN, PSTN etc.). Deoarece particularitățile diverselor tipuri de rețele fixe (relativ la modul de realizare al echipamentelor de transmisie în rețea), precum și varietatea serviciilor introduse de GSM, se reflectă în structura echipamentului de interconectare, fiecare segment GSM a fost prevăzut cu două interfețe (funcții generice) specifice: IWF, respectiv TAF (fig. 8.1).

Fig. 8.1. Interfețe specifice GSM pentru interconectarea cu rețelele fixe

IWF (Networking Interworking Functions) este o funcție inclusă în fiecare MSC și realizează funcții specifice de interconectare a MSC la rețelele fixe. IWF determină utilizatorul GSM care comunică cu rețeaua să apară ca utilizator al rețelei fixe și, respectiv, utilizatorul din rețeaua fixă ce realizează o comunicație cu un utilizator GSM să poată fi privit ca utilizator GSM. Cu alte cuvinte, IWF asigură o compatibilitate la nivel de structura și servicii între GSM și rețelele fixe.

TAF (Terminal Adaptor Functions) realizează funcții specifice de adaptare între un anumit tip de terminal și mediul propriu zis de transmisie radio.

Avantajul acestei structuri constă mai ales în faptul că, indiferent de rețeaua cu care se

interconectează rețeaua mobilă GSM, modul de transmisie (modulație, codare etc.) în interiorul rețelei mobile GSM rămâne același.

Deci, pentru structura din figura 8.1, adaptarea la serviciu în interiorul rețelei GSM este asigurată de TAF, iar adaptarea GSM la rețeaua cu care se interconectează se realizează prin intermediul IWF. Astfel, modul de transmisie în interiorul rețelei mobile GSM rămâne independent de serviciile asigurate și de tipurile de rețele cu care se interconectează rețeaua mobilă GSM. Aceasta are ca rezultat o simplificare a arhitecturii interne a rețelei mobile GSM. Interconectarea cu rețelele fixe se va reduce la includerea în IWF a unor funcții specifice de interconectare, între rețeaua mobilă GSM și rețeaua fixă. În acest cadru, vom prezenta în continuare câteva din soluțiile de interconectare a rețelei mobile GSM la rețelele fixe de telecomunicații existente, adoptate de standardul și echipamentele GSM.

8.2. Interconectarea rețelei mobile GSM cu rețeaua telefonică comutată (interconectare GSM – PSTN)

8.2.1. Interconectarea între utilizatori ai serviciului de date

Traficul de date (digital) poate fi transportat de PSTN utilizând modemuri, care transformă fluxul digital în semnal analogic în banda de bază utilizată în PSTN (300 – 3400 Hz). Dintre serviciile de date care pot fi asigurate în prezent utilizând mediul fizic al PSTN amintim: fax, videotext, etc.

Conexiunea prin PSTN a doi utilizatori ai serviciilor de tip date este prezentată în fig.8.2.a. Pentru a realiza conexiunea între un utilizator GSM și un utilizator conectat la PSTN (pentru servicii de date) este evident că nu trebuie modificată conectarea utilizatorului fix la PSTN. De asemenea, este la fel de clar că al doilea modem (din schema anterioară) nu poate fi plasat decât: – în echipamentul TAF (la utilizatorul mobil);

în echipamentul IWF (în echipamentul de interconectare între rețeaua GSM și rețelele fixe).

Fig. 8.2. Interconectare GSM – PSTN (între utilizatori ai serviciului de date)

Alegerea primei soluții ar avea ca rezultat:

necesitatea proiectării unor modemuri analogice adaptate la caracteristicile mediului radio

(rată de erori ridicată, deci coduri detectoare și corectoare de erori adecvate); – utilizarea transmisiei analogice în interiorul rețelei GSM.

Deoarece prima problemă nu a putut fi rezolvată corespunzător, iar cea de a doua ar fi complicat tehnicile de transmisie în interiorul rețelei GSM, s-a ales cea de a doua soluție, rezultând schema de interconectare din figura 8.2.b.

Un astfel de modem audio poate fi inclus în fiecare MSC și poate fi atât sincron cât și asincron (cu 7,8 sau 9 biți, funcție de protocolul asincron utilizat).

Dezvoltarea rețelelor mobile de telecomunicații s-a realizat atât prin extinderea ariei lor geografice (și totodată a numărului de abonați), cât și prin diversificarea gamei de servicii implementate. Implementarea standardului de comunicații celulare digitale GSM a permis introducerea serviciilor de fax mobil, mesagerie electronică mobilă, transfer de date între terminale mobile și/sau terminale fixe etc. Schema din figura 8.2 determină mediul de transmisie GSM să apară ca ,,inserat" între echipamentul terminal și modem. Tipurile de modemuri de debit mai mic ca 9600 b/s, admise conform specificațiilor, sunt:

asincrone: V.21 (300 b/s), V.22 (1200 b/s);

sincrone: V.22(1200 b/s), V.22bis (2400 b/s),V.32 (4800 și 9600 b/s).

Problema adaptării ratei de 9600, de exemplu la rata de 13000 b/s, precum și includerea formatului asincron într-un sistem sincron de tipul GSM, sunt două exemple de funcții realizate de TAF si IWF în cazul acestei interconexiuni. Există probleme și în cazul transmisiei sincrone, deoarece modemul și terminalul nu sunt sincronizate.

Aceasta conduce la o deviație de frecvență, care nu poate fi neglijată după un anumit timp, fenomen numit și "nesincronism cu ceasul rețelei" (Network Independent Clocking). Problemele legate de interconectarea GSM – PSTN nu sunt noi; ele au apărut și la interconectarea PSTN cu ISDN.

Soluțiile adoptate în GSM pentru aceste probleme derivă din cele folosite în specificația ISDN (GSM a apărut ulterior ISDN-ului), multe dintre ele fiind folosite aici fără modificări față de cazul ISDN, atât din dorința de simplitate, cât și pentru a asigura o tranziție ușoară între GSM și ISDN.

8.2.2. Interconectarea a doi utilizatori ai serviciului de facsimil

Serviciul de facsimil, considerat ca o cheie a succesului pe piață pentru GSM, a produs mari dificultăți proiectanților rețelei GSM, deoarece protocoalele utilizate de Grup 3 fax nu au fost concepute pentru particularitățile mediului radio (întârzieri mari), iar singura interfață standardizată de conectare cu utilizatorul la PSTN este cea clasică, pe două fire. La aceste restricții s-a adăugat necesitatea ca în interiorul rețelei GSM tehnica de transmisie să rămână digitală.

Schema de interconectare dintre doi utilizatori ai serviciului de facsimil, unul din rețeaua GSM, iar celălalt din rețeaua fixă, este prezentată în figura 8.3.

Fig. 8.3. Configurație de referință pentru conectarea unui terminal facsimil mobil la PSTN

Se remarcă existența funcțiilor de adaptare atât în terminalul mobil, cât și la nivelul IWF (la nivelul IWF a fost prevăzut un modem audio).

Modul de transmisie intern rețelei GSM a rămas cel digital, iar în funcțiile TAF (funcții de adaptare terminal), a fost inclus un echipament complex numit fax adaptor. Câteva din funcțiile fax adaptorului sunt:

conversia semnalului analogic furnizat de modemul audio inclus în fax în semnal digital, împachetat în format specific rețelei GSM;

conversia inversă a semnalului digital provenit din rețeaua GSM în semnal analogic în banda de bază, semnal trimis modemului inclus în fax;

realizarea unor servicii specifice tip apel și răspuns automat etc. Deci fax adaptorul apare ca un echipament complex, de cele mai multe ori integrat în interiorul faxului mobil.

8.3. Interconectarea rețelei mobile GSM cu rețeaua ISDN

Posibilitatea de conectare la ISDN este o cerință esențială a oricărui tip de rețea de telecomunicații. ISDN utilizează pentru transmisie capacitatea unui canal bidirecțional de 64 kb/s, ceea ce a creat probleme și pentru conectarea PSTN-urilor la ISDN. Arhitectura de interconectare PSTN – ISDN este prezentată în figura 8.4.a. Față de arhitecturile anterioare, apar circuitele "adaptoare de rată de transmisie", (conforme recomandărilor CCITT V.110), care au rol în adaptarea ratei specifice fiecărui terminal la rata de transmisie pe linie.

a) Conexiune între un utilizator din rețeaua telefonică publică comutată (PSTN) și un utilizator din rețeaua ISDN

Fig. 8.4. Configurație de referință pentru conectare la ISDN (PSTN și GSM)

Asemănător se va realiza și conectarea GSM-ISDN, prin utilizarea unor circuite adaptoare de rată de transmisie (RA – Rate Adaptor) pentru conectare la liniile ISDN. Pentru realizarea interconexiunii rețea GSM – rețea ISDN, întrucât amândouă tipurile de rețele utilizează modul digital de transmitere a informației, nu sunt necesare modemuri audio între terminalul GSM și terminalul fix ISDN. Terminalul GSM apare ca și cum ar fi conectat direct în circuitul RA din ISDN.

De remarcat că primul circuit de adaptare de rată va adapta viteza de transmisie GSM la debitul în linie al ISDN, iar cel de-al doilea RA va realiza operația inversă de ,,reconstituire" a mesajului transmis din debitul liniei ISDN. Funcționarea circuitelor de adaptare de rată va fi descrisă într-un paragraf ulterior.

8.4. Interconectarea rețelei mobile GSM cu rețeaua de date cu comutație de circuite (GSM-

CSPDN)

GSM se poate interconecta la CSPDN – rețeaua publică de date comutată – în două moduri: prin ISDN sau direct. În ambele cazuri, transportul fluxului de date între IWF si

BSS se face conform specificațiilor ISDN. În cazul a) de interconectare,

IWF va realiza si funcția de translație a formatului de transmisie, X.30, în format specific CSPDN (CCITTX.71).

Evident, în cazul conexiunii prin ISDN (fig.8.5,b) această adaptare este realizată cu funcția dedicată din ISDN.

Fig. 8.5. Interconectarea GSM – CSPDN

8.5. Interconectarea rețelei mobile GSM cu rețeaua de date cu comutație de pachete

(interconectarea GSM-PSPDN)

Interconectarea GSM-PSPDN se poate realiza conform uneia din figurile 8.6 a, b. Există mai multe modalități de accesare a PSPDN de către un terminal fix, moduri derivate din tehnicile (metodele) de acces la PSPDN ale abonaților ficși. Vom prezenta pe scurt aceste tehnici de acces.

Fig. 8.6. Accesul utilizatorilor ficși la PSPDN

Accesul în mod pachet sau accesul direct se poate face după scheme generale de principiu, indicate în figurile 8.6,a, respectiv 8.6,b.

În figura 8.6,a abonatul este identificat printr-o linie de acces, iar conectarea la PSPDN se face prin intermediul unui dispozitiv numit ,,distribuitor" de pachete (PH = packet handler). Acest acces se mai numește și acces X.25, deoarece între PH si abonat comunicația se realizează conform X.25 (pe nivelele 2 și 3). Modemul utilizat nu este un modem audio și este componentă a PSTN. În figura 8.6,b schema de conectare este asemănătoare cu precedenta, numai că în acest caz comunicația abonat  PH se realizează cu traversarea PSTN. Se remarcă utilizarea modemurilor audio (datorită traversării PSTN), dar și apariția numerotării duble.

În cazul unei comunicații de date între un abonat PSTN și un abonat PSPDN, va fi accesat întâi portul de intrare în PSPDN (numărul PSTN al acestuia). Apoi, cel de-al doilea număr este folosit pentru identificarea terminalului apelat.

Deci, dacă în primul caz abonatul era identificat prin linia de acces la PSPDN, în cel de-al doilea el este identificat printr-un număr separat.

În consecință, protocolul de comunicație abonat  PH va fi diferit în cele două cazuri. În cazul prezentat în figura 8.6,b protocolul este X.32.

A treia metodă utilizează pentru acces o funcție PAD (PAD = packet assembler disassembler). Abonatul poate folosi un terminal care nu trebuie să ,,cunoască" un protocol de comunicație în mod pachet.

Această simplificare are două dezavantaje foarte importante:

accesul unui terminal la PSPDN printr-o funcție PAD limitează rata acestuia;

o legătură se poate stabili numai la inițiativa abonatului (utilizatorului) conectat la PSPDN (dacă acesta este conectat printr-o funcție PAD). Accesul la PSPDN prin PAD poate fi direct, dar și prin PSTN (caz în care se utilizează protocolul X.28 pentru comunicația terminal  PAD și X.25 pentru comunicația PAD  terminal apelat).

Fig. 8.7. Accesul prin PAD la PSPDN

A patra metodă este de a accesa PSPDN prin ISDN (fig.8.8) (acces ISDN). Și această metodă are două variante:

– prima utilizează schema din figura 8.6,b înlocuind PSTN cu ISDN (acces X.32);

-a doua utilizează schema din figura 8.8. În acest caz, interfața utilizator-rețea (UNI) între ISDN și abonat include X.25. Apelantul accesează PSPDN printr-un PH, iar accesul la PH se face prin ISDN (ISDN va prelua sarcinile legate de identificarea abonatului). Abonatul apelant formează în acest caz un singur număr, singura condiție fiind ca acesta să fie utilizator ISDN (pentru a putea fi identificat de PH).

Fig. 8.8. Accesul X.25 ISDN

Schemele folosite pentru interconectarea abonat GSM  abonat

PSPDN sunt adaptări ale schemelor prezentate anterior. Astfel, se pot folosi următoarele configurații:

interconectare în mod pachet (X.32) și acces prin PAD;

interconectare prin ISDN (se conectează abonatul GSM la ISDN, de unde acesta accesează

PSPDN ca abonat ISDN);

acces dedicat prin funcție PAD (fig.8.9,a);

acces în mod pachet (fig.8.9,b). Terminalul mobil se leagă printr-un modem audio la un PH din PSPDN.

Fig. 8.9. Interconectare GSM – PSPDN

Atât accesul ISDN, cât și accesul PSPDN utilizează un singur număr de identificare (funcția de identificare este asigurată de PH).

De asemenea, este posibilă interconectarea digitală directă (se suprimă modemurile audio). Funcția de interconectare cu PSPDN va fi plasată în modulul IWF.

În concluzie, considerând toate cazurile de interconectări, avem două mari categorii de scheme de transmisie a datelor din punct de vedere al GSM, în funcție de prezența sau absența modemului în IWF. Totuși, transmisia în zona internă a GSM exclusiv IWF este aceeași în ambele cazuri.

Aceasta permite existența unei independențe de tipurile de rețele exterioare și de prezența sau absența modemului în IWF.

ANEXĂ. Abrevieri

mobilă și MSC;

generează aspectele de securitate;

SMS-GMSC – Short Message Service – Gateway MSC – Funcția de gateway utilizată pentru transferul mesajelor scurte;

SMS-IWMSC -Short Message Service – InterWorking MSC – Funcție de dialog între MSC și

serverul de mesaje scurte pentru transmiterea mesajelor scurte de la mobil la server;