Nivelul Fizic AL Sistemului DE Comunicatie Gsm
=== com_gsm ===
Trăim într-o lume a mișcării continue. Și singura soluție pentru a nu pierde contactul cu ceea ce se întâmplă în jurul nostru este un instrument de comunicare. Știrile le primim prin intermediul radioului sau televizorului, dar acest lucru nu (mai) este suficient. Acum avem nevoie să comunicăm noi cu alții, să transmitem și să primim date, fax-uri și alte informații.Totul este simplu atunci când stai într-un birou și calculatorul este legat la linia telefonică. Dar ce se întâmplă dacă ești în mașină ? Dacă nu ai un telefon prin apropiere și pager-ul este insuficient ?
Astfel a apărut ideea de telefonie mobilă. Aceasta este cea care răspunde acum tuturor acestor exigențe. La Conferința Internațională asupra Telefoniei Mobile de la Copenhaga, specialiștii afirmă că GSM și DCS1800 vor fi suficiente pentru a asigura satisfacerea nevoilor de comunicație mobilă ale omenirii acestui sfârșit de secol. Ușurința în utilizare, accesul acestuia în zone mai greu accesibile prin tehnologiile clasice, largă utilitate, posibilitatea de deplasare liberă în întreaga zona de acoperire în timp ce se comunică cu un alt utilizator și multiplele tipuri de servicii asigurate au făcut din telefonia mobilă să devină în scurt timp o adevarată industrie în telecomunicații, o industrie ce crește rapid și care reprezintă coloana vertebrală pentru succesul în afaceri și o parte din stilul de viață modern din întreaga lume.
În zilele noastre se depun eforturi intense pentru a interconecta sistemele de telefonie mobilă între ele precum și cu alte sisteme de comunicații, scopul fiind crearea unui sistem global și complet de comunicații.
Acest sistem de comunicație prezintă un mare avantaj în sensul că, în caz de accidente, incendii, catastrofe naturale, este singurul sistem ce poate fi folosit cu eficiență datorită independenței funcționării lor de infrastructurile realizate în prealabil. Toate acestea sunt posibile datorită utilizării undelor electromagnetice drept mijloc de transmitere a informatiei.
1.1. Scurt istoric
Istoria utilizării undelor electromagnetice ca mijloc de comunicare începe în anul 1897 odată cu acordarea patentului de inventator al telegrafului inginerului Guglielmo Marconi.
Prima transmisie la distanță, fără fir, a vocii umane s-a făcut, însă, încă din 1880 cu ajutorul unui sistem inventat de Graham Bell – fotofonul (denumit ulterior radiofon). Acesta utiliza lumina solară modulată de semnalul vocal prin intermediul unui element fotosensibil, transmisă prin reflexie și demodulată la recepție cu ajutorul unui dispozitiv cu seleniu.
Primele comunicații radiofonice mobile s-au realizat în domeniul marinei militare, deoarece aceasta avea nevoie stringentă de o comunicație între nave și oastă.
Primele aplicații mobile terestre s-au datorat eforturilor și tenacității departamentului circulației rutiere a poliției din Chicago. Problemele apărute (limitarea la valori inacceptabile de mici a zonei de acoperire a stației mobile a cărei putere de emisie nu putea fi crescută din cauza lipsei unei surse de alimentare mobile puternice) au fost rezolvate odată cu introducerea modulației în frecvență de către Edwin H. Amstrong în anul 1935 când s-a reușit ca zona de acoperire să devină mult mai mare. Primul sistem de telefonie mobilă (Poliția din Detroit, S.U.A., 1921) utiliza o purtătoare de 2 MHz, iar emițătorul și generatorul electric pentru alimentarea acestuia erau instalate pe 2 platforme mobile distincte.
În 1940 au fost alocate noi frecvențe între 30 și 50 MHz și s-a schimbat tipul modulației (din modulație în amplitudine în modulație în frecvență). Cu trecerea timpului au apărut noi tipuri de utilizatori cum ar fi companii private, agenții guvernamentale și chiar persoane individuale. Astfel fiecare și-a construit propriul sistem de comunicații mobile, alocându-se periodic noi benzi de frecvență între 40 și 500 MHz.
După cel de-al doilea război mondial, compania Bell System a inaugurat în 1946 la Saint Louis un sistem unic de transport al informațiilor între utilizatori cu caracteristici foarte diferite (voce/date, mobili/ficși, persoane individuale/companii private/agenții guvernamentale, etc.), sistem numit Serviciul public intern de comunicații radio mobile terestre (D.P.L.M.R.S.-Domestic Public Land Mobile Radio Service ). Acest sistem folosea 3 canale în apropiere de 150 MHz. Deși erau repartizate 6 canale de câte 60 MHz fiecare, nu se puteau utiliza decât 3 datorită nivelului mare de interferență cu canalul adiacent.
În 1947 a fost instalat un sistem tip magistrală de-a lungul autostrăzii New York – Boston și care utiliza frecvențe între 35 și 45 MHz.
Între 1955 numărul canalelor disponibile într-un sistem la 150 MHz a fost crescut de la 6 la 11 canale prin reducerea benzii acestora de la 60 MHz la 30 MHz. În 1956 s-au alocat 12 noi canale în banda de 450 MHz . Toate aceste sisteme funcționau manual.
În 1964 a fost instalat primul sistem mobil automat pe 150 MHz – MJ, iar în 1969 s-a automatizat și sistemul pe 450 MHz.
Încă de la început sistemul mobil de telecomunicații a fost foarte scump, dar acest lucru nu a frânat dezvoltarea lui. Una din problemele ivite a fost limitarea de bază și spectrul insuficient de frecventă alocat și repartizat, pe fiecare zonă fiind disponibile 21-23 canale. O altă problemă a fost incompatibilitatea dintre sisteme analogice diferite.
Acest lucru a dus la elaborarea de noi concepte care să conducă la creșterea puternică a capacității sistemului în limitele benzii de frecvență alocate.
Un prim concept a fost cel al multiplexării, adică posibilitatea transmiterii simultane pe același canal radio a comunicațiilor mai multor utilizatori. Acest lucru a fost pus în practică mai târziu în anul 1970.
Al doilea concept, conceptul celular, elaborat în 1947 la compania Bell Laboratories, ce constă în divizarea zonei de serviciu în regiuni mai mici denumite celule, unde fiecare celulă e dotată cu propriul ei emițător/receptor, a fost principiul revoluționar de organizare a sistemelor mobile.
Adevăratul sistem radio mobil celular a apărut în anul 1983 în orașul Chicago din S.U.A.
Dar în același timp, a început să apară acest sistem radio mobil celular și în alte țări și astfel serviciile telefoniei celulare au căpătat o puternică poziție în orașele dezvoltate. Primul sistem celular apărut a fost în Japonia în 1979, urmat în 1980 și 1981 de realizări în țările scandinave.
1.2.Standarde
Deoarece aceste sisteme nu s-au dezvoltat în același timp, au apărut și standarde diferite. Principalele standarde sunt:
Advanced Mobil Phone Service ( AMPS ) – sistem analog, utilizat în S.U.A., standard EIA-553, banda de 800MHz; dezvoltat pe baza unui proiect original al firmei AT&T; acum este existent în alte 70 de țări. Variante digitale: Narrow-AMPS si Digital-AMPS;
Nordic Mobil Telephone ( NMT ) – sistem analog proiectat pentru sisteme mici de 20000 – 30000 de utilizatori, având 180 canale, fiecare dintre ele ocupând 25 sau 30 KHz în banda de 450 MHZ. Versiunile ulterioare lucrează în banda de 900 MHz, având 1000 de canale cu o lățime de banda de 25 KHz sau 2000 de canale cu 12,5 KHz. Sistemul NMT este folosit în prezent în 30 de țări din lume;
Total Acces Communications Service ( TACS ) -sistem analog folosit în Europa de către 25 de țări, având o capacitate de 1320 de canale cu o lățime de 25 KHz; o formă specifică a fost dezvoltată în Japonia, denumită JTACS, și în Anglia, denumită Extended-TACS.
Global System for Mobile communication ( GSM ) – sistem digital apărut datorită necesității de a realiza o infrastructură celulară deschisă, și anume o compatibilitate între sistemele celulare din diferite țări europene, compatibilitate care să permită trecerea granițelor, folosirea acelorași terminale și obținerea acelorași servicii, etc.
Aspectul comercial al comunicațiilor celulare
Creșterea explozivă a numărului de abonați, a dus la extinderea rețelelor celulare, la creșterea capacității și la mărirea zonei de acoperire a unei celule. Aria de acoperire ( coverage ) reprezintă un procent din suprafața unei țări, acoperit de serviciile celulare sau porțiunea unei regiuni unde serviciile celulare mobile sunt valabile. Capacitatea se referă la numărul de apeluri ce pot fi prelucrate în orice celulă și în orice moment de timp. De asemenea capacitatea se referă la posibilitatea de a servi cât mai mulți în același timp.
Aspectul comercial ține cont de mai mulți parametrii cum ar fi:
costul proprietății – prețul terminalului, plata subscrierii si alte taxe;
calitatea serviciului – calitatea transmisiei semnalului vocal, posibilitatea de a accesa serviciile, transferul sau blocarea apelului, securitatea transmisiei si serviciile auxiliare ( cutie poștală, transmisii de date, fax );
demografia, statutul social al populației sau societății – numărul locuitorilor ce își permit un telefon celular, numărul locuitorilor ce au nevoie de un telefon celular.
1.4.Tranziția de la sistemul celular analogic la sistemul digital
În special în Europa și în S.U.A. au crescut foarte mult serviciile telefonice celulare, iar capacitățile celulare au fost modificate. Regiunile cele mai critice sunt orașele mari cu un număr mare de abonați și cu un trafic mare în orele de vârf. Prin reutilizarea spectrului, o frecvență a unui canal poate fi reutilizată, doar dacă se respectă o distanță minimă, prescrisă de operator.
Există câteva reguli de mărire a capacității celulare:
– banda radio marginită – fiecărui canal îi corespunde o banda cât mai
mică;
– împărțirea în microcelule;
– împărțirea pe sectoare a unei celule;
– tehnici de multiplexare în timp ( tehnici digitale );
Acoperirea zonelor moarte ( zonele în care serviciile telefonice nu sunt valabile ) și a zonelor fierbinți (în care serviciile telefonice nu sunt suficiente la un trafic intens ) contribuie la alegerea topografiei rețelei.
Sistemul radio analogic realizează o transmisie, dar care va fi distorsionată în drumul spre receptor. Perturbațiile care afectează calitatea transmisiei sunt : fading-ul, interferențele între canale, semnalele parazite sau recepția multipath ( pe mai multe căi ).
Sistemul radio digital nu transmite semnalul audio sub formă analogică, ci îl transformă într-un semnal digital, îl codează și îl cifrează. Codarea digitală și mecanismele de corecție a erorilor, vor înlătura toate perturbațiile enumerate mai sus. În condiții ideale de recepție, calitatea semnalului vocal este aceeași în cazul sistemului analogic si digital. În condiții critice de recepție ( nivel scăzut la recepție, fading, recepția multipath ) performanțele sistemului digital sunt net superioare celui analogic.
1.5. Aspecte economice și politice
Odată cu dezvoltarea rețelei de telefonie celulară, tot mai multe companii de telecomunicații, posturi naționale și consorții au devenit din ce în ce mai interesate în deservirea unui număr cât mai mare de abonați și în creșterea calității serviciilor la un preț cât mai mic. Terminalele mobile și celelalte dispozitive hard au cunoscut o evolutie rapidă și s-au perfecționat odată cu dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare. Costul cât mai mic al terminalelor și serviciilor, calitatea cât mai bună sunt principalii factori ce determină marchetingul operatorilor de rețea.
Datorită dezavantajelor ce au apărut la sistemele analogice, a fost nevoie și s-a găsit o soluție care să elimine aceste neajunsuri. Acesta este sistemul GSM care elimină unul din marele dezavantaje și anume incompatibilitatea dintre sisteme.
C A P I T O L U L I I
SISTEMUL DIGITAL CELULAR DE TELEFONIE MOBILĂ PAN-EUROPEAN GSM
Istoricul sistemului GSM
În anii ’80, telefonia analogică a înregistrat creșteri rapide în Europa, în special în Anglia, Scandinavia, Franța și Germania, fiecare țara dezvoltând alt sistem, ceea ce a condus la incompatibilități privind echipamentele terminale folosite și modul de operare. Astfel în anul 1982, realizând dezavantajele ce decurg din situația creată, Comisia Europeană pentru Poștă și Telegrafie ( C.E.P.T. ) a format un grup de studiu denumit Grupul Special Mobil ( G.S.M. ) care avea rolul să proiecteze și să dezvolte un standard Pan European pentru comunicațiile celulare mobile. În 1984 se stabilesc trei părți de lucru ( Working Parties ) pentru definirea și descrierea serviciilor oferite de GSM, interfeței radio, transmisiei semnalelor de protocol și a interferențelor și arhitecturilor rețelelor. În anul următor s-a discutat și adoptat o listă de recomandari (peste o sută ). În 1986 s-a stabilit un nucleu permanent care să continue coordonatele activităților. În anul 1987, înființarea Memorandului Înțelegerii ( MoU ), format din 18 națiuni din Europa prin care fiecare consimte să implementeze sistemul GSM în propria țară.
În 1989, responsabilitatea realizării sistemului GSM a fost transferată Institutului European pentru Standarde de Telecomunicații ( ETSI ). Aceasta publică în anul următor prima faza a specificațiilor GSM: pentru banda de 900 MHz, sunt aplicate într-un sistem digital celular cu banda de 1,8 MHz ( DCS 1800 ), în Regatul Unit al Marii Britanii.
Anul 1992 este anul introducerii oficiale pe piată a serviciilor GSM. Aceste servicii, față de cele analogice, au numeroase avantaje si servicii cum ar fi:
calitate superioară a semnalului vocal ( egală sau mai mare decât cea existentă în tehnologia analog celulară );
cost redus al terminalelor și al serviciilor;
nivel înalt de securitate (confidențialitate și prevenirea fraudelor );
posibilitatea convorbirilor internaționale;
terminale portabile;
preformarea numărului;
convorbiri între 3 abonați;
apel rapid;
convorbire în așteptare, etc.;
Caracteristicile tehnice principale pentru GSM, sunt:
frecvența de recepție: 935,2 – 959,8 MHz;
frecvența de emisie: 890,2 – 914,8 MHz;
tehnologii folosite: combinație de FDMA/TDMA spread spectrum CDMA;
securitate: interfață radio pentru criptare semnal;
frecvența de eșantionare: 200 kHz;
rata de transfer pe canal voce: 13 kBps;
lățime canal: 25 kHz.
În viitor sistemul GSM va deveni un sistem universal în circa 15 ani adică între anii 1995 – 2010 ducând la apariția UMTS ( Universal Mobile Telecommunications Systems ), sistem care va permite realizarea comunicării oriunde pe glob prin interconectarea rețelei de sateliți cu cea GSM. Astfel se lucrează la elaborarea unor noi standarde pentru mărirea vitezei de transmisie de la 9,6 kbps la 64 kbps.
Acest sistem UMTS va combina următoarele domenii existente: telefonia mobilă, telefonia wireless ( vor fi lansate telefoane dual mode ), servicii mobile de date și serviciile prin satelit.
2.2. Servicii oferite de un sistem GSM
Serviciile GSM standard se găsesc în conceptul ISDN și sunt împărțite în trei categorii:
teleservicii;
servicii susținute ( purtate );
servicii suplimentare.
Servicii GSM în faza I
Teleservicii:
telefonie (semnal vocal ) – se face cu o rată de transmisie de 13 kbps;
apeluri posibile – se fac cu o rată de transmisie de 13 kbps;
servicii cu mesaje scurte: punct la punct și punct la multipunct (difuzarea în celulă ); – informații alfanumerice de la utilizator și de la rețea la utilizator;
telefax.
Servicii susținute:
transmisie sincronă de date – pentru toate aceste servicii – rata de transmisie este de 300 – 9,6 kbps;
transmisie asincron de date;
transmisie asincronă a pachetelor de date comutate și ansamblate;
transmisie alternativă a semnalului vocal și a datelor.
Servicii suplimentare
apel direcționat – de exemplu atunci când abonatul nu este găsit sau atunci când abonatul nu răspunde;
apel oprit – de exemplu pentru apeluri internaționale.
Servicii GSM în faza 2
teleservicii – telefonie – rata de transmisie pentru aceste servicii este
de 6,5 kbps;
– mesaje scurte;
servicii susținute – accesul sincron la pachetele de date dedicate – rata
de transmisie este de 2,4 – 9,6 kbps;
– servicii suplimentare – prezentarea identității liniei apelate;
– restricții de prezentare a liniei apelate;
– apel în așteptare;
– apel blocat;
– comunicare între mai multe părți;
– servicii de date suplimentare nestructurate;
– grup de utilizatori îngrădiți ( limitați );
– bariere determinate de operator;
– informații despre încărcarea liniei.
2.3. Conceptul celular
Elementele fundamentale ale conceptului celular
La primele sisteme de comunicații radio mobile în care o legătură era simplă între transmițător și receptor, nu se asigură transmisia pe 2 căi, iar abonatul care suna, nu primea repede răspunsul și deci nici confirmarea că apelurile sale au ajuns la adresele stațiilor mobile. Deci următorul obiectiv a fost stabilirea legăturii de transmisie pe 2 căi, cu obținerea răspunsului imediat și simplificarea rețelei.
La vechile sisteme pentru a acoperi o zona cât mai mare se folosea un singur emițător de putere mare și înălțat cât mai sus posibil. Conceptul celular înlocuiește acest emițător cu mai multe emițătoare de putere mică distribuite pe întreaga zonă, fiecare acoperind cu semnal o zona mai mică denumita celulă. Astfel, celula este acea zonă în care un emițător de putere mică deservește mobilele aflate în zonă. În figura 2.1. este reprezentată o posibilă distribuție a celulelor.
A1 B1 C1
D1 E1 F1 A2
G1 H1
I1 D2
Fig. 2.1. Exemplu de structură celulară
În general distribuția emițătoarelor nu trebuie să fie uniformă, iar celulele nu trebuie să aibă o formă anume.
Scopul dezvoltării conceptului celular de sisteme de comunicații este acela de a avea posibilitatea creșterii nelimitate a capacității sistemului folosind o banda de frecvență dată. Dar banda de frecvența fiind limitată apare o limitare a creșterii capacității sistemului. Astfel a apărut unul din elementele fundamentale ale conceptului celular și anume reutilizarea frecvenței.
1.Reutilizarea frecvenței
Constă în utilizarea unui canal radio de comunicație pe aceeași frecvență în zone geografice distincte suficient de îndepărtate între ele pentru ca interferența izocanal să fie neglijabilă. Aceasta idee nu este nouă ( e utilizată în televiziune și în radiodifuziune ), ci nouă este aplicarea acestui concept pe arii restrânse, cum ar fi aglomerațiile urbane.
În celelalte aplicații reutilizarea frecvenței apărea în mod natural prin puterea limitată de alimentare a unei antene de emisie și pierderile inerente de propagare, ambele conducând la o limitare a distanței până la care semnalul util își păstrează nivelul peste un prag utilizabil tehnic. În sistemele mobile, însă se impune distanța maximă până la care unda electromagnetică emisă trebuie să se păstreze peste valoarea de prag, distanță mult mai mică decât cea posibil a fi atinsă cu puterile de emisie disponibile, și alegerea unei valori a puterii de emisie care să asigure, pe de o parte, acoperirea cu semnal a întregii zone propuse și, pe de altă parte, să nu producă perturbații și interferențele nedorite în zonele alăturate. În figura 2.1., celulele notate cu litere diferite utilizează seturi diferite de canale pentru evitarea interferențelor. Celule suficient de depărtate ( în figura 3.1., A1, A2 sau D1, D2 ) pot utiliza același set de canale.
Prin reutilizarea frecvenței un sistem celular de comunicații mobile poate susține simultan un număr de convorbiri mult mai mare decât numărul total de canale alocate. Factorul de multiplicare este o funcție de mai mulți parametrii ai sistemului dar, în principal, de numărul total de celule.
2. Divizarea celulelor
Acesta este al doilea element fundamental al conceptului celular. Dacă numărul total M de canale alocate este divizat în N seturi, atunci fiecare set va contine un număr m = M/N de canale. Dacă un singur set este utilizat în fiecare celulă, atunci este posibil ca în unele celule numărul total de apeluri simultane să depășească valoarea m. Creșterea în continuare a traficului oferit ( capacitatea celulei ) implică modificarea limitelor acesteia în sensul divizării ariei în celule mai mici și utilizarea câte unui set de canale în fiecare din noile celule. Acest proces se numește divizarea celulei.
În figura 2.2., s-a divizat celula F1 din figura 2.1.
B1 C1
A1
I3
A2
D1 E1 D6 E6
B6
D2
H1 I 1
G1
Fig. 2.2. Divizarea celulelor
În celula F1 cererea de trafic depășeste capacitatea de m canale și astfel ea este împărțită în 4 celule notate cu B6, C6, H6, I6. Același lucru se va întâmpla și dacă traficul va depăși capacitatea celorlalte celule. Celulele mici se mai numesc și microcelule, iar cele mari, macrocelule.
Deci odată cu creșterea traficului, vor dispărea macrocelulele și vor fi numai microcelule dar nu s-a solicitat creșterea lărgimii benzii de frecvență alocate.
Tehnicile de reutilizare a frecvenței și divizare a celulelor permit sistemelor celulare de a-și atinge obiectivul servirii unui număr foarte mare de convorbiri într-o arie dată utilizând un spectru restrâns de frecvență. Divizarea celulelor permite, de asemenea, adaptarea distribuției spațiale a canalelor la distribuția reală de trafic, deoarece zonele cu trafic mic sunt servite de celule cu arie mare ce au la dispoziție același număr de canale ca și celulele de arie mică ( microcelule )
ce servesc zone cu trafic intens.
Celulele formează grupe ce se repetă în rețea denumite clustere. Un cluster conține toate seturile de canale din sistem, dar fiecare set o singură dată și poate fi ales de forma arbitrară în jurul unei celule de referință. Dacă D este distanța ce separă două celule ce utilizează același set de canale și R raza celulei ( raza cercului circumscris hexagonului ) atunci raportul D/R se numește distanță de reutilizare izocanal și se calculează cu formula:
unde N este numărul de celule pe cluster. Dacă acesta este mai mare, cu atât separația între celulele ce folosesc același canal este mai mare și, ca urmare, interferența izocanal este mai mică.
Calculele și experimentele făcute au dictat folosirea unui model alcătuit din șapte celule într-un cluster. Cu acest model, distanța dintre 2 celule cu același set de canale este de 2,5 – 3 diametre de celulă și este suficientă pentru a reduce interferența. Fiecare arie din rețeaua celulară are un cod, o stație mobilă din aceasta arie trebuie să fie calată cu acest cod, într-o manieră similară cu utilizarea codurilor de arii în rețeaua publică fixă, cu diferența că în rețeaua publică fixă, telefoanele sunt fixe și codurile de arii nu pot fi schimbate. În rețeaua telefonică celulară este introdusă o inteligență mai mare, un echipament de rutare audio adițional și registre care urmăresc și memorează localizarea stațiilor mobile în ordinea rutării apelurilor. Aceste registre pot transmite informații de la o celulă la alta în funcție de necesități. Stația mobilă trebuie să fie echipată cu un sintetizor de frecvență, cu care să poată schimba rapid frecvența de operare iar rețeaua trebuie să aibă un echipament suficient de bun astfel încât la o funcționare sigură, transferurile ( handover sau handoff ) sunt direcționate la locul corect al celulei.
2.4.Arhitectura sistemului celular
Zona de serviciu este împărțită după cum am arătat mai sus într-un număr adecvat de celule. Fiecare celulă este dotată cu un echipament de control pentru conectarea cu orice mobil din celulă. Totalitatea echipamentului formează stația de bază ( BS ), iar locul în care se află se numește sediul celulei. Stațiile de bază sunt conectate prin cabluri ( cupru sau fibră optică ) la centrul de comutare. Acesta este practic o centrală telefonică complexă controlabilă prin software. El asigură legătura în rețeaua telefonică fixă și permite, de asemenea, testarea și întreținerea întregii rețele mobile. Tot aici se ține evidența convorbirilor pentru întocmirea facturilor individuale. Serviciul de bază este cel telefonic. În figura 2.3. este prezentată arhitectura de bază a unui sistem celular:
BS BS
BS
BS BS BS
MTSC
PTSN
BS – Stație de bază
MTSO – Centrul de comunicare al sistemului mobil
PTSN – Rețeaua telefonică fixă
Fig. 2.3. Arhitectura de bază a unui sistem celular
Am ales ca reprezentare a unei celule, hexagonul pentru că el asigură o separare optimă între două celule ce folosesc aceeași frecventă și pentru a elimina astfel riscul interferențelor. În condiții normale de propagare, semnalul radio poate fi aproximat cu un patern ( arie ) hexagonal, diferențe apărând în zone cu o geografie dificilă. Am folosit denumirea de MTSO deoarece este denumirea originală introdusă de Bell Laboratories ( MTSO – Mobile Telecommunications Switching Office ). În decursul evoluției sistemelor MTSO a căpătat o nouă denumire și anume MSC ( Mobile Switching Center ) adică centrul de comutare al sistemului mobil.
În continuare vom analiza fiecare din componentele ce alcătuiesc un sistem mobil celular.
2.4.1.Descrierea unităților componente
2.4.1.1.Stația mobilă (MS)
Cea mai cunoscută parte a rețelei celulare este statia mobilă. Fiecare din MS conține o unitate de control, un emițător/receptor, o unitate logică și o antenă ( sau două ). Unitatea de control este o interfață utilizator gen aparat portabil cu butoane de comandă și control, indicatoare luminoase, etc. Emițătorul/receptorul este cu sinteză de frecvență pentru a se putea acorda pe oricare din canalele alocate. Unitatea logică interpretează acțiunile utilizatorului și comenzile primite din sistem controlând emițătorul/receptorul și unitățile de control. Pentru emisie este utilizată o singură antenă, iar pentru recepție sunt utilizate două antene în scopul diversității.
Această structură se găsește la orice stație mobilă. Diferențele între ele constau în puterea lor și aplicațiile la care sunt utilizate: stații mobile fixe ( montate permanent în mașină și pot să transmită o putere RF maximă de 20 W ), unități portabile ( telefoane pentru sacoșă ce pot emite până la 8 W ) și unități portabile de ținut în mână ce pot emite puteri de până la 2 W.
Câteva dintre canalele radio alocate sunt utilizate drept canale de control pentru stabilirea și terminarea convorbirilor. Aplicând același principiu al utilizării eficiente a spectrului de frecvență numărul canalelor de control este redus la minimum. Obișnuit, fiecare BS are un singur canal de control. Din mulțimea canalelor de control din sistem un MS alege pentru monitorizare pe cel recepționat cu nivel maxim. El se acordă automat pe acest canal, se sincronizează și interpretează datele recepționate. În cea mai mare parte a timpului MS se află în această stare. Eventual, aceste se reacordă pe alt canal dacă recepția celui curent nu se mai face în condiții satisfăcătoare. Datele recepționate pe canalul de control conțin numerele de identificare ale MS solicitate pentru convorbiri. Când o unitate mobilă detectează propriul număr de identificare, el măsoară nivelul semnalului pe canalele de control recepționate și transmite un semnal de răspuns pe canal, deci, către stația de bază cu cel mai mare nivel recepționat. Sistemul alocă automat un sistem vocal unității mobile ( dacă este unul disponibil ) și îi transmite pe acest canal semnalul de apel către utilizator.
Pe parcursul desfășurării convorbirii, la intervale de câteva secunde, sistemul măsoară nivelul semnalului recepționat de la mobil și, eventual, decide transferul convorbirii către o altă BS. Dacă identifică o asemenea BS transferul ( handover ) înseamnă, de fapt, alocarea unui nou canal de comunicatie din setul repartizat noii BS. Simultan MSC alocă un nou trunchi acestei convorbiri, trunchi ce leagă noua BS de MSC. Examinarea periodică a nivelului semnalului recepționat de la MS se numește localizare. Operațiunea are ca scop stabilirea BS ce asigură cea mai bună calitate comunicației cu mobilul considerat și nu este echivalentă cu localizarea geografică a unității mobile.
2.4.1.2. Modul de identificare al abonatului
O stație mobilă este în mod unic identificată printr-un “ număr de identificare ” internațional al echipamentului stației mobile ( IMEI – International Mobile Station Equipment Identify ), iar un abonat este identificat printr-un “ număr de identificare a abonatului mobil “ ( IMSI – International Mobil Subscriber Identify ), care poate fi în mod practic continut de o cartelă de abonat numită SIM ( Subscriver Identify Module ). Fără SIM stația mobilă nu este operațională. Deci SIM-ul este o cartelă telefonică inteligentă cu un mic calculator, o memorie permanentă și este introdusă într-un cititor din stația mobilă înainte ca aceasta să fie folosită. Parametrii memorați în cartela SIM sunt date personale ale abonatului precum și numărul de identificare al acestuia ( numărul de telefon ). Mesajele scurte recepționate de la rețea pot fi de asemenea memorate pe această cartelă. Înainte de utilizarea stației mobile, trebuie să se introducă pe cartela SIM 4 digiți ce reprezintă un număr personal de identificare ( PIN – Personal Identification Number ). Dacă din greșeală PIN este introdus de trei ori la rând, atunci stația se blochează și poate fi deblocată cu 8 digiți ce reprezintă cheia personală de deblocare ( PUK – Personal Unblocking Key ) de asemenea stocată în memorie. Introducerea de memorii mai bune ( mai mari ) și microprocesoare superioare au dus la obținerea unor cartele SIM flexibile utilizate și pentru alte servicii, cum ar fi creditul sau alte servicii GSM.
2.4.1.3. Descrierea celulelor
Componentele unei celule sunt: BTS ( Base Transceiver Station ) și BSC ( Base Station Controller ). Stația de bază este poziționată de obicei în centrul celulei și reprezintă interfața între stația mobilă și rețeaua celulară. Ea adăpostește și echipamentul radio emisie/recepție care definește, funcție de puterea sa, raza de acțiune a celulei. O stație de bază are între 1 și 60 de emițătoare/receptoare fiecare, reprezentând un canal radio ( RF ). În mediile urbane va fi necesar un număr mai mare de BTS. Rolul ei este de a stabili legătura dintre celulă și terminalul mobil.
BSC administrează resursele radio ale BTS, numărul stațiilor BTS fiind de ordinul zecilor și chiar sutelor. BSC administrează frecvența, schimbă funcțiile atunci când este necesar, iar partea sa hard poate fi plasată în același loc cu BTS sau acolo unde este centrul de comutare mobil ( MSC ). Această componentă, BSC, face conectarea terminalului mobil la MSC și translatează canalul voce de la rata 13 Kbps folosită în transmisii radio la rata de 64 Kbps necesară pentru legătura cu PSTN și compatibilitatea cu rețelele ISDN.
Aria de acoperire a unei celule se definește ca fiind zona geografică în care un echipament emisie/recepție realizează legături radio între MSC și terminalele mobile. Aria de acoperire a unei celule este cuprinsă între 1 – 25 mile, aceasta fiind proiectată în funcție de zona în care acționează celula, traficul la care este supusă, înălțimea antenei și puterea emițătorului. Există două zone diferite: mediul rural, caracterizat de o arie mai mare afectată fiecărei celule pentru că numărul de abonați este scăzut ( RSA – Rural Service Area ) și mediul urban, cu o arie mai mică, dând astfel posibilitatea de a implementa mai multe celule care să satisfacă numărul mare de solicitări ( MSA – Metropolitan Service Area ). O altă abreviere utilizată des este cea de RSA + MSA = CGSA adică Celullar Geographic Service Area.
Aria de acoperire scade proporțional cu creșterea traficului la care este supusă ( trafic mare – arie mică de acoperire ).
Numărul de emițătoare dintr-o celulă se calculează astfel: numărul total de perechi de canale/numărul de celule cu același patern (patern = 4, numărul perechi canale = 395, numărul de emițătoare dintr-o celulă < 395/4 = 98 ).
Tipul de celule se definește în funcție de aria de acoperire astfel:
pentru x > 2000 feet avem de a face cu o macrocelulă
pentru 400 < x < 2000 feet avem de a face cu o microcelulă
pentru x < 400 feet denumirea este de picocelulă.
Descompunerea unei celule se face în zonele cu un trafic congestionat, diminuând aria de acțiune, dar mărind numărul de abonați. De exemplu, o celulă cu o rază de acțiune de 8 mile este descompusă în 4 celule cu o rază de 2 mile, fiecare dintre ele având o stație radio proprie cu o putere limitată pentru aria dată. Această metodă a fost folosită inițial în sistemele celulare analogice pentru a surmonta incapacitatea acestora de a susține un număr mare de abonați.
Puterea transmițătoarelor existente într-o celulă este mai mare decât cea a stațiilor fixe dintr-o rețea radio 2 way, și anume: 100 W ERP ( excepție fac cele folosite în celulele din mediul rural, RSA, au o putere de 500 W ERP ). Pentru terminalele mobile puterea maximă folosită este de 3 W ERP, iar pentru cele portabile 600 mW ERP.
Numărul de abonați deserviți de orice sistem wireless este influiențat de numărul de canale alocate pentru comunicații voce și durata acestora. Din experiența sistemelor celulare implementate, specialiștii au realizat un tabel ce poate indica predictiv numărul necesar de canale ce pot suporta o anumită încărcare de trafic. Unitatea de măsură se numește Erlang, iar 1 Erlang reprezintă media numărului de canale ocupate într-o oră de o conversație telefonică ( de exemplu: dacă un grup de canale au 12,35 Erlangs, înseamnă că într-o oră numărul de canale necesare este de 12 ). Sistemele celulare sunt proiectate să ofere minimum gradul B.01 de asigurare cu servicii, ceea ce reprezintă o convorbire blocată din 100. Folosind acest grad un sistem poate deservi 20 – 30 abonați pe un canal. În cazul sistemelor analogice, fiecare abonat folosea un singur canal la un moment dat, dar acest canal era distribuit mai multor abonați deoarece nu toți realizau apeluri în același timp.
Legătura dintre celulă și MSC se poate face folosind circuite analogice ( 2/4 fire ), circuite digitale, fibră optică sau microunde, alegerea depinzând de tipul de celulă folosit, facilitățile zonei geografice, bugetul alocat:
circuite analogice 2 fire – fire de cupru folosite în cazul microcelulelor de capacitate mică; folosite în cazul aplicațiilor simple, aceste circuite nu necesită conectarea la MSC, ci la o linie telefonică locală cuplată prin switch la PTSN;
circuite analogice 4 fire – foarte răspândite la începutul telefoniei celulare, folosite acum în puține situații în care nu pot fi implementate circuitele digitale, iar cerințele sistemului sunt mici ca să justifice o altă investiție;
circuite digitale – legăturile digitale sunt folosite des între celule și MSC, ele putând avea lungimi de ordinul milelor sau pot fi restrânse într-o clădire. În general, se realizează legături digitale la o rată de transfer de 1,544 Mbps (DS1) sau 45 Mbps (DS3). Pentru aplicații în clădiri sunt recomandate cablurile protejate pentru evitarea interferenței.
fibră optică – datorită lărgimii de bandă mare, cablul optic poate transporta dacă este necesar tot spectrul celular. Unele legături folosesc un semnal analogic care modulează sistemul RF cu un semnal optic, iar altele folosesc dispozitive care digitizează semnalul RF înainte de a trece prin cablul optic. Lungimea maximă folosită pentru acest tip de legături este de 40 km fără a necesita un repetor optic.
microunde – se folosesc pentru legături între macrocelulele și MSC la frecvențe de 2 sau 6 GHz. Pentru cuplarea microcelulelor, datorită dimensiunilor și poziției lor se realizează legături pe frecvența de 23 sau 38 GHz.
2.4.1.4. Descrierea MSC – Mobile Switching Center
MSC determină care celulă va fi asigurată unui terminal mobil, la un moment dat, pentru serviciul solicitat. Într-un sistem celular complet există 2 MSC alăturate care operează ca celule diferite. MSC monitorizează puterea semnalului la terminalul mobil, determinând astfel poziția acestuia în aria de servicii celulare și asignează celula cea mai apropiată pentru realizarea serviciului solicitat. Dacă celula apelată nu poate prelua mesajul din cauze tehnice sau de trafic, sistemul central redirecționează terminalul către celulele vecine. MSC realizează și gestionarea accesului pe canal voce/paging pentru evitarea suprapunerilor. În acest sens al 11-lea bit al secvenței de transmisie are 2 stări ( liber/ocupat ) care indică exact starea canalului la un moment dat. MSC acționează sub controlul unor instrucțiuni soft, iar în cazul sistemelor celulare analogice, el realizează și functia de administrare a rețelei.
2.4.1.5. GMSC – Gate-way Mobile Services Switching Center
GMSC – Centrul de comutație de aces către serviciile mobile – este o centrală telefonică digitală care coordonează traficul spre și dinspre rețeaua telefonică publică comutată ( PSTN ), reprezentând interfața între aceasta și rețeaua de radio – telefonie. GMSC cu toate registrele sale este capabil să ruteze apelurile de la rețeaua fixă la stațiile mobile ( via BSC și BTS ) și invers ( via BTS și BSC ). Astfel GMSC alimentează rețeaua celulară cu date specifice dinspre stațiile mobile și numărul acestor interferențe va fi ales în funcție de dimensiunea rețelei. Dacă traficul din interiorul rețelei celulare cere schimbarea capacității, această schimbare poate fi furnizată de către GMSC-uri și MSC-uri, care pot exista în acelasi timp în rețea. Principala diferență dintre GMSC și MSC este că cel din urmă nu are accesul la rețeaua telefonică fixă ( publică ) și nu transmite informații despre registrul de localizare a adresei (HLR). GMSC este obligatoriu în cazul în care rețeaua telefonică nu este o rețea în întregime digitală.
2.4.1.6. Bazele de date ale MSC ( VLR, EIR )
VLR – Registrul stațiilor mobile vizitatoare ( Visitor Location Register ) este o bază de date ce conține informații referitoare la toate stațiile mobile aflate în zona de serviciu a MSC. Fiecare MSC are asociat un registru VLR. Acesta conține identitatea temporară a abonatului mobil ( TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identify ) care reduce traficul de date către HLR (Home Location Register). Registrul de localizare a adresei (HLR) alimentează (G)MSC-ul cu datele necesare despre abonat când un apel vine de la rețeaua pubică, iar registrul de localizare al vizitatorului (VLR) îndeplinește o funcție opusă, furnizând (G)MSC-ului date necesare despre abonat când un apel vine de la o stație mobilă.
EIR – Registrul pentru identitatea echipamentului ( Equipment Identify Register ) este folosit pentru verificarea identității echipamentului stației mobile, identificând stațiile furate sau pe cele neautorizate. Acest registru conține lista telefoanelor celulare omologate și a celor declarate furate. Există un registru central ( CEIR ) administrat de Secretariatul Permanent al MoU din Irlanda. Fiecare membru al MoU trebuie să lege registrul EIR din rețeaua proprie la CEIR. Implementarea EIR este o metodă nouă de securitate a sistemului GSM și permite găsirea tuturor numerelor seriale ale echipamentelor mobile când acestea sunt șters, sau există defecțiuni la parte hard a statiei mobile. Identitatea echipamentului mobil internațional ( IMEI ) nu este doar numărul serial al stației mobile, ci el dezvăluie identitatea constructorului, țara în care a fost produs și tipul acordului pe frecvență. Ideea este de a controla identitatea fiecărei înregistrări sau setări a apelului fiacărei stații mobile, iar când acest lucru depinde de IMEI, se admite blocarea sau accesul stației mobile la sistem. De exemplu, o stație mobilă este interzisă folosirii dacă nu respectă recomandările de calitate RF, cum ar fi: stația emite în impulsuri și distorsionează alte servicii radio din aceeași arie. Astfel, operatorul poate controla această stație mobilă și o poate deconecta de la rețeaua mobilă.
Bazele de date ale GMSC ( OMC, AC, HLR )
OMC – Centrul de operare și întreținere ( Operation and Maintenance Center ) – are accces la (G)MSC și BSC, prelucrează mesajele de eroare ce vin de la rețea și controlează încărcarea traficului în BSC și BTS. OMC menține calitatea transmisiei prin controlul permanent al componentei sistemului.
HLR – Registrul de localizare a adresei ( Home Location Register ) – este o bază de date utilizată pentru ținerea evidenței abonaților permanenți conținând date ca: tipul de abonament, serviciile la care abonații au acces, date despre poziția curentă a acestora, date necesare pentru determinarea identității abonaților, etc. O rețea GSM poate să conțină unul sau mai multe HLR care pot fi amplasate în același amplasament cu MSC ( GMSC ) sau separat. Datele temporare din SIM include: adresa VLR, numărul la care apelurile trebuie să fie direcționate și câțiva parametrii de tranzit pentru autenticitate și descifrare. IMSI este memorat permanent în cartela SIM și este utilizat la identificarea unui abonat din sistemul GSM. Primii 3 digiți din IMSI identifică codul mobil al țării ( MCC – Mobile Country Code ), următorii 2 digiți reprezintă codul rețelei mobile ( MNC – Mobile Network Code ) iar ultimii până la 10 digiți reprezintă numărul de identificare al abonatului mobil (MSIC – Mobile Subscriber Identification Number ). De exemplu IMSI = 262024542751010, identifică un abonat din Germania, cu MCC=262, un operator privat cu MNC = 02, iar numărul de identificare al abonatului înscris în rețea este MSIC=4542751010. Numărul cu care abonatul poate fi căutat în rețeaua publică este total diferit de IMSI, iar digiții săi sunt furnizați de registrul HLR.
AC – Centrul de autentificare (Authentication Center ) este o unitate funcțională, conectată la HLR, cu scopul de a furniza parametrii necesari autentificării ( verificării identității stației precum și cheia de cifrare atribuită fiecărui utilizator cu scopul asigurării secretului convorbirii. AC cunoaște exact ce algoritm a fost folosit la calcularea valorilor de intrare și transmisie rezultatelor cerute. Toți algoritmii pentru procedurile de autentificare sunt memorați în AC, ei fiind protejați împotriva abuzurilor. Calculele de pe cartele SIM, aflată într-o arie asignată la un AC, conțin aceiași algoritmi pentru autentificare ca și în AC. Dacă AC furnizează parametrii de intrare și ieșire pentru acești algoritmi la fiecare HLR sau VLR, fiecare registru poate verifica stația mobilă.
În concluzie sistemul de radiotelefonie mobilă digitală celulară, GSM, este format din 3 componente principale:
subsistemul rețea;
subsistemul radio;
centrul de operare și întreținere.
În figura 2.4. sunt prezentate elementele componente ale unui sistem de radiotelefonie mobilă celulară digitală GSM:
Rețea telefonică publică
comutată
Transmisie de informații
Cale de convorbiri și
transmisie de informație
GMSC – Centrul de comutație de acces către serviciile mobile;
MSC – Centrul de comutație pentru rețeaua mobilă;
HLR – Registru de apartenență;
VLR – Registrul stațiilor vizitatoare;
AC – Centru de autentificare;
EIR – Registru pentru identitatea echipamentului;
OMC – Centrul de operare și întreținere;
BSC – Controlor al stațiilor de bază;
BTS – Stație de bază emisie/recepție;
MS – Stație mobilă.
Figura 2.4. Elementele componente ale unui sistem de radiotelefonie mobilă celulară digitală GSM
Contabilizarea apelurilor
MSC conține un pachet hard/soft necesar înregistrării serviciilor folosite de abonat în vederea contabilizării lor și emiterii facturii de plată. Partea contabilă nu este o funcția a MSC, ci este realizată de un al centru pe baza informației primite de la acesta.
Legături MSC1 – MSC2. Standardul IS41
Numărul de porturi ale switch-lui sunt multiplu de 24 pentru a se adapta ratei de transfer DS1, ele fiind folosite pentru legături MSC – celulă, MSC – PSTN sau MSC1 – MSC2. Inițial, protocoalele folosite pentru realizarea legăturilor între MSC-uri erau specifice fiecărui fabricant de switch-uri. Pentru realizarea compatibilității TIA a elaborat standardul Interim Standard # 41 ( IS41 ) care permite diferitelor MSC-uri să schimbe date între ele, astfel încât MSC2 să primească informația HLR de la MSC1 atunci când un abonat din MSC1 trece în zona deservită de MSC2.
Repere în timp:
1987 – versiunea inițială a IS41, denumită IS41- Revision “0”;
1990 – versiunea IS41 Revision “A” incompatibilă cu versiunea “0”. Permite și transferul unor caracteristici cum ar fi: call waiting și call forwarding. Protocol înglobat SS7 pentru legături punct – la – punct între MSC-uri
1991 – versiunea IS41 Revision “B”. Permite legături directe între mai multe MSC și oferă suport pentru folosire telefoanelor celulare dual-mode: celular analogic – celular digital bazat pe tehnologia TDMA;
1995 – versiunea IS41 Revision “C”. Oferă suport pentru transmisii de mesaje, pentru telefoane dual-mode: celular analogic – celular digital bazat pe tehnologia CDMA și pentru echipamente DMH ( Data Message Handler ) – ce permit contorizarea convorbirii și calculul facturii în timp real pentru eliminarea fraudei.
Descrierea terminalelor mobile
Terminalul mobil este un telefon celular fix, mobil sau portabil care se încadrează în specificațiile tehnice trasate de Institutul European pentru Standarde în Telecomunicații ( ETSI ), pentru sistemul celular GSM. Aceste specificații lasă cale liberă inițiativei producătorilor de telefoane, dintre care recunoscuți în Europa sunt Siemens, Alcatel, Ericsson, Nokia, Benefon, Motorola, NEC, Nortel, Qualcomm, Samsung, Philips, Sony, Matra, Matsushita ( Panasonic ), Hughes. Fiecare din acești producători au adus modificări echipamentelor celulare pentru ca acestea să fie integrate în sistemul GSM ( toate sunt modulare capabilitate facilă de up-grade, permit administrarea traficului DCS1800, suportă protocolul de transmisie C7 și PSTN ) și pentru a deservi cât mai bine cerințele operatorilor celulari. Diferența dintre ele constă în dimensiunea aparatelor design, dimensiunea bateriilor, afișaj, numărul și dimensiunea butoanelor, rata de operare optimă și bineînțeles prețul.
Cererea de terminale mobile în Europa este în continuă creștere, fiind direct independentă de noile aplicații ce se dezvoltă de migrarea dinspre sistemul analog către cel digital, de prețurile scăzute ale telefoanelor celulare și de gradul de familiarizare al oamenilor cu acestea. Firma de consultanță „ Frost & Sullivan “, în studiul său “ European Cellular Telephone Markets “, indică existența unui volum de telefoane celulare în valoare de 2,6 miliarde $, valoare ce se estimează că va crește până la 4 miliarde $ în anul 2000 ( segmentul testat se compune din terminale analogice, digitale GSM și DCS(PCN)1800 ).
O reală creștere a vânzărilor de telefoane celulare este dată de noile dezvoltări în clasa de aplicații multimedia, ce folosesc metode de editare și combinare a datelor într-o varietate de formate. Frost & Sullivan afimă că multimedia este liantul dintre industria comunicațiilor calculatoarelor, audio/video și posibilităților de interconectare dintre acestea. Utilizatorii vor putea transmite și recepționa imagini cu rezoluție mare, fișiere din calculator și semnale voce folosind infrastructura celulară digitală. Noul produs al firmei Nokia, Communicator 9000, este primul telefon celular care integrează semnale digitale voce, fax, mesaje SMS, e-mail, Internet și care are și unui organizer.
Localizarea abonaților și realizarea convorbirilor
Sistemul de radiotelefonie mobilă permite realizarea unei legături telefonice între un abonat fix și un abonat mobil sau între doi abonați mobili, fără ca poziția abonatului să fie cunoscută în prealabil de corespondentul acestuia.
În cadrul sistemului radiotelefonie mobilă de digitală GSM, evidența stațiilor mobile, a pozițiilor acestora, este realizată prin intermediul celor două registre,VLR și HLR.
Stația unui abonat al sistemului de radiotelefonie mobilă se poate afla în una din următoarele stări:
oprită ( inactivă );
activată;
ocupată atunci când o comunicație este în desfășurare;
liberă.
În cazul în care este activată, stația mobilă poate comunica. Pentru a fi acceptată de rețea, stația mobilă trebuie să comunice către rețea și să fie recunoscută de aceasta pe baza numărului de identificare a echipamentului stației mobile ( IMEI ) și după caz, pe baza numărului de identificare internațional al abonatului mobil ( IMSI ). Acceptarea în sistem a stației mobile se caracterizează prin înscrierea în registrul VLR al MSC care gestionează comunicatiile radiotelefonice din zona în care se află abonatul mobil, după care se poate realiza comunicația.
Mecanismul de securitate al sistemului celular GSM este implementat în 3 elemente distincte ale sistemului:
– Subscriber Identify Module ( SIM ).
Fiecare telefon celular are un număr de cod denumit SIM care este implementat în interiorul acestuia și care identifică abonatul.
– Electronic Serial Number ( ESM )
Acest număr este asignat terminalului celular de către producător și îl identifică pe acesta.
-System Identification Number ( SID ).
Acest număr identifică zona din care se inițiază apelul.
2.5.1 Înregistrarea ( Registration )
După ce stația mobilă este trecută în starea on, aceasta scanează întreaga bandă de frecvență a sistemului GSM cu un algoritm sigur de scanare încercând să detecteze prezența unei rețele în cel mai scurt timp. Când rețeaua este detectată, stația mobilă se calează pe canalul de bază, citește informațiile de la sistem și pe bază lor stația mobilă este capabilă să-și determine poziția curentă din rețea. Dacă localizarea curentă nu este aceeași cu cea corespunzătoare ultimei stări off a stației, trebuie aplicată o procedură de înregistrare. La început, stația mobilă cere un canal de la rețea, care va fi asigurat la stația de bază. După conectare la infrastructură, stația mobilă cere sistemului să actualizeze poziția ( localizarea poziției ). Această dorință este trimisă mai departe prin BSC la (G)MSC, care are o autentificare a stației mobile, după ce a capturat această acțiune de la distanță. După recepționarea corectă a parametrilor de identificare, (G)MSC dacă localizează MS într-o nouă poziție și dacă această opțiune este utilizată în rețea, atunci atribuie o identitate temporară ( TMSI ) pe care stația mobilă trebuie să o recunoască. În tabelul 1 sunt descrise acțiunile cerute într-o procedură de înregistrare și relațiile dintre diferitele entități din rețea:
MS BTS BSC (G)MSC VLR HLR ACȚIUNE
Cerere de canal
Comandă de activare a canalului
Recunoașterea activării canalului
Atribuirea canalului
Cerere de actualizare a poziției
Cerere de autentificare
Răspunsul pentru autentifivare
Compararea parametrilor de autentificare
Atribuirea unei noi arii și identității temporare
Recunoașterea noii arii și identității temporare
Introducerea noii arii și a
identității în VLR și HLR
Eliberarea canalului
Tabelul 2.1. Înregistrarea în rețea
2.5.2. Stabilirea convorbirii
Înainte de stabilirea unei convorbiri, stația mobilă trebuie să treacă în starea on și înregistrată în sistem. Sunt două proceduri diferite: una pentru mobilul ce reprezintă originea convorbirii ( MOC – Mobile Originated Call – inițiază convorbirea ) și alta pentru mobilul ce reprezintă sfârșitul convorbirii ( MTC – Mobile Terminated Call – mobilul căutat ). Înainte de startul convorbirii, în cazul primei proceduri, vor fi schimbate 14 mesaje diferite între stația mobilă și rețea ca în tabelul 2:
MS BTS ACȚIUNE
Cerere de canal
Atribuire de canal
Cerere de stabilire a convorbirii
Cerere de autentificare
Răspuns pentru autentificare
Comandă pentru cifrare
Cifrarea este completă
Mesaje de setare, indică numărul dorit
Procesarea apelului, rețeaua rutează apelul la numărul dorit
Atribuirea unui canal de trafic pentru schimbul de date între utilizatori
Atribuirea este completă
Avertizarea numărul apelat nu este ocupat și telefonul sună
Conectarea, partea sunată acceptă convorbirea
Convorbirea este activă și ambele părți pot să vorbească între ele
Schimbul datelor vocale
Tabelul 2.2. Stabilirea convorbirii
2.5.3. Realizarea convorbirilor
În rețeaua radiotelefonică mobilă există 3 cazuri de comunicații și anume:
abonat mobil ( chemător ) – abonat din rețeaua fixă ( chemat );
abonat din rețeaua fixă ( chemător ) – abonat mobil ( chemat );
abonat mobil ( chemător ) – abonat mobil ( chemat );
Le vom studia pe fiecare în parte.
a). Dacă abonatul mobil dorește să apeleze un abonat al rețelei fixe, acesta solicită sistemului de stații de bază din zonă un canal fizic pentru realizarea convorbirii ( canal de trafic ).
În acest scop, la fiecare stație de bază, cel puțin un canal fizic este rezervat pentru realizarea apelurilor. La rândul ei, stația mobilă are un sistem care permite supravegherea periodică a semnalelor recepționate de la stațiile de bază din zonă ( până la 16 stații de bază ), cu posibilitatea de a selecționa stația cu cea mai bună recepție. Către stația de bază, pe canalul de apel, se transmite solicitarea de convorbire. Stația de bază informează controlorul stațiilor de bază,care atribuie un canal de comunicație anunțând aceasta stației mobile. În același timp, se stabilesc numărul temporar de apel, un cifru și cheia de codare a convorbirii, necesare pentru secretizarea legăturii în cadrul subsistemului radio. Numărul temporar de apel ramâne fixat de exemplu atâta timp cât abonatul mobil se află în zona de acțiune a unui VLR, iar cheia de codare și cifrul se schimbă la fiecare convorbire realizată. În figura 2.5. sunt reprezentate elementele ce iau parte la realizarea unei legături radiotelefonice:
1 1 3 3 3 Rețea telefonică
publică comutată 6 5 4 4 4 MS
2 2
VLR HLR
1- Apel; 2- Verificarea identității abonatului mobil, stabilirea cheii și a cifrului; 3- Transmiterea apelului către abonatul fix; 4- Transmiterea revers apelului și a răspunsului abonatului chemat; 5- Comanda de atribuire canal-radio; 6- Atribuirea canalului radio și stabilirea căii de convorbire.
Figura 2.5. Cazul abonat mobil chemător – abonat fix chemat
Concret, pentru stabilirea unui canal de comunicații, abonatului mobil formează numărul solicitat și apoi apasă pe butonul de apel, transmițând pe canalul de apel solicitarea corespunzătoare. Cererea de apel ajunge prin intermediul stației de bază și controlorului acestuia la registrul VLR care declanșează procedeul de autentificare a abonatului mobil și pregătește codarea canalului de comunicație. Apoi intre centrala telefonică MSC și contolorul stației de bază este rezervat un circuit de legătură prin care să aibă loc tranzitarea apelului abonatului mobil.
În rețeaua telefonică se stabilește, pe baza informațiilor furnizate de BSC, un traseu telefonic spre abonatul chemat și se transmite apelul către acesta. În momentul în care abomatul chemat a primit semnalul sonor de apel, se transmite abonatului chemător revers- apelul și se așteaptă răspunsul abonatului chemat. La primirea acestui semnal de răspuns, controlorul stațiilor de bază atribuie abonatului mobil un canal de trafic.
Procedura, deși aparent complicată, este realizată cu scopul de a se reduce la minimum utlizarea canalelor radio, care sunt astfel ocupate doar pe timpul desfășurării efective a convorbirii telefonice.
Atunci când nu există canal liber pentru trafic în momentul primirii semnalului de răspuns se transmite un mesaj înregistrat către abonatul chemat, prin care acesta este solicitat să rămână pe linia telefonică, așteptând să se elibereze un canal radio pentru trafic.
b). Dacă un abonat din rețeaua fixă dorește să apeleze un abonat al rețelei mobile, abonatul chemător ( fix ), formează numărul de telefon atribuit abonatului mobil ( număr ISDN ). Localizarea abonatului mobil se realizează prin intermediul HLR, adresa din HLR la care sunt înregistrate datele abonatului mobil apelat este extrasă din numărul ISDN de abonat.
Interogarea HLR poate fi realizată fie de o centrală telefonică clasică, fie de o centrală MSC ( figura 2.6. ), apelul fiind rutat către aceasta de către rețeaua publică comutată care a recunoscut faptul că apelul este adresat unui abonat GSM.
Fiind interogat, HLR comunică adresa registrului VLR în care se află acesta. Prin intermediul MSC-ului de tranzit se ajunge la MSC-ul în a cărui zonă de acțiune se află abonatul mobil. Acesta este înregistrat în VLR cu numărul de apel temporar ( TMSI ) corespunzător. Numărul TMSI a fost în prealabil comunicat abonatului mobil ( echipamentul acestuia nefiind în mod concret cunoscut de către utilizator ) la intrarea în zona gestionată de VLR și ori de câte ori, prin procedee proprii fiecărui operator, acest număr este modificat, cu condiția ca stația mobilă să fie activată. Se declașează procesul de căutare pentru a stabili celula radio în care se află abonatul. Răspunsul acestuia la apel permite determinarea poziției sale. Dacă este ocupat, MSC transmite semnalul corespunzător de ocupat.
7 6 5 3 3 Rețea telefonică
publică comutată
8 8 8 8 8
MS 4 4 2 2
VLR HLR
1- Apel; 2- Interogarea HLR pentru a determina zona în care se află situat abonatul mobil; 3- Stabilirea legăturii cu MSC în a cărui zonă se află MS; 4- Interogarea VLR asupra datelor abonatului mobil; 5,6,7- Apelul către abonat și pregătirea atribuirii canalului radio; 8- Răspunsul abonatului, atribuirea canalului radio și stabilirea căii de convorbire.
Figura 2.6. Cazul abonat fix chemător, abonat mobil chemat
Dacă abonatul este liber, MSC stabilește către controlorul stațiilor de bază o cale de comunicație. Ca și în cazul precedent, VLR identifică abonatul chemat și pregătește codarea pentru canalul de trafic, MSC supraveghează evenimentele telefonice și transmite semnalele corespunzătoare. Abonatul chemat este avertizat, iar abonatul chemător primește mesajul corespunzător faptului că apelul a ajuns la abonatul chemat. Atunci când abonatul mobil răspunde, este selecționat un canal radio de comunicație care se conectează la canalul stabilit până la MSC și întreaga comunicație este astfel realizată.
c). În cazul legăturii între doi abonați mobili există două situații:
dacă abonații, chemător și chemat, se află în zona de acțiune a aceluiași VLR;
dacă abonații se află în zona de acțiune a două VLR diferite sau a două MSC diferite;
În prima din aceste două situații, gestiunea legăturii este efectuată de VLR, urmând parțial, procedeele expuse la punctele a) și b) pe secțiunile de traseu de la stația mobilă chemătoare până la BSC și de la BSC la stația mobilă chemată.
În a doua situație, în canalul de legătură este inclus și tronsonul de comunicație realizat, interiorul MSC în cazul a două VLR aparținând aceluiași MSC sau între MSC-uri.
2.5.4. Asigurarea legăturii în cursul deplasării abonatului mobil ( Handover )
Principala particularitate a sistemului de radiotelefonie mobilă constă în menținerea legăturii telefonice în cazul deplasării abonatului mobil. Aceasta este realizată de sistemele de radiotelefonie celulară și în particular de sistemul GSM prin procedee adecvate.
În sistemele de radiotelefonie analogică celulară actuale ( NMT 450, NMT 900, TACS, etc. ) ca și în sistemul GSM, transferul legăturii radio de la o stație de bază la alta, în cursul convorbirii se realizează în mod automat fără contribuția participanților la convorbire și fără ca aceștia să sesizeze transferul.
În dimensionarea capacitătii sistemelor și alocarea canalelor radio se ține seama de faptul bine cunoscut că este mult mai supărător pentru abonat să fie întrerupt în cursul unei convorbiri decât de exemplu, să aștepte o perioadă de timp ceva mai mare pentru a avea acces în sistem.
În sistemul GSM, receptorul abonatului mobil este prevăzut cu posibilitatea de a supraveghea, în pauzele dintre secvențele de timp în care abonatul comunică, nivelurile recepționate de la mai multe stații de bază aflate în zonă și să comunice rezultatele observațiilor, prin intermediul unui canal “logic” de control, către stația de bază cu care se află în legătură și de aici către controlul stațiilor de bază. Astfel, stația mobilă MS aflată în celula 1 se deplasează către celula 2 (figura 2.7.).
În zona de tranzit de la celula 1 la celula 2, stația mobilă MS recepționează semnalele emise de BTS¹ cât și de BTS², raportând prin intermediul BTS¹ către BTS² observațiile asupra nivelurilor de semnal. Atunci când nivelul semnalului recepționat de la BTS¹ la stația mobilă scade sub nivelul pragului de declanșare a procedurii de transfer, controlorul BSC¹ verifică dacă BTS² dispune de un canal liber pentru comunicație iar în caz afirmativ îl rezervă și comandă preluarea legăturii de către BTS² și eliberarea canalului corespunzător utilizat pentru legătura cu BTS¹.
1 AC
MS
2
Rețeaua telefonică
3 publică comutată
4
Figura 2.7. Schema de asigurare a legăturii în cursul deplasării abonatului mobil
Dacă la BTS² nu există un canal liber, atunci legătura este menținută de BTS¹ până la scăderea nivelului la recepție sub pragul de sensibilitate al receptorului, moment în care legătura se întrerupe.
Dacă stația mobilă își continuă deplasarea din celula 2 în celula 3, transferul legăturii radio de la BTS² la BTS³ se face în mod similar cu cazul anterior, cu remarca faptului că operația de transfer de la BSC¹ la BSC² este comandată de către MSC¹.
În mod analog se procedează la trecerea stației mobile din celula 3 în celula 4, comanda procedurii de transfer fiind efectuată de MSC¹.
În cazul deplasării stației mobile din zona controlată de un registru VLR în zona controlată de un alt registru VLR, în particular, în cazul de față din zona MSC¹ ( cu VLR¹ ) în zona MSC² ( cu VLR² ), după efectuarea transferului legăturii radio ( de la BTS³ la BTS4 ), datele despre stația mobilă se șterg din VLR¹ fiind în prealabil înregistrate în VLR². Totodată, trecerea stației mobile într-o zonă controlată de un alt VLR decât cea în care se află la începutul convorbirii este comunicată către HLR care efectuează modificările corespunzătoare în datele conținute în HLR.
În desfășurarea unei convorbiri radiotelefonice se aplică principiul prin care controlul și gestiunea legăturii este realizată de către centrala telefonică mobilă ( MSC ) prin care s-a stabilit inițial legătura, indiferent de faptul că la terminarea convorbirii stația mobilă a părăsit sau nu zona de acțiune a centralei telefonice mobile respective.
Procedeul de treansfer al legăturii între celule este același, indiferent de faptul că stația mobilă a fost stație chemătoare sau stație chemată.
2.5.5. Procesarea unor apeluri speciale
În situația unor apeluri în caz de urgență, operatorul celular trebuie să stabilească în prealabil un mod de realizare a legăturii dintre un telefon celular și Salvare, având în vedere că abonatul formează 961, număr ce trebuie translatat de către MSC în 10 digiți pentru a se realiza convorbirea. Problemele care apar decurg din faptul că Salvarea nu are cum să localizeze abonatul ce are nevoie de ajutor. Soluția este ca pe baza unei localizări geografice generale MSC să asocieze ce 10 digiți cu o zonă specifică. MSC poate să discearnă din care celulă și din ce zonă a fost lansat apelul și să transmită via PSTN un cod specific acelei arii.
2.5.6. Parametrii de securitate
2.5.6.1. Autentificare ( AC )
Prin procedura de autentificare se verifică validitatea cartelelor SIM ale abonaților și dacă ele sunt permise în rețeaua celulară. Autentificarea utilizează algoritmul de autentificare A3 ce este memorat în cartela SIM și la AC. Acest algoritm folosește doi parametrii de intrare: unul este cheia de autentificare Ki, memorată în SIM și în rețea, iar al doilea parametru este numărul generat aleator ( RAND ), transmis la stația mobilă prin interfața Um. Rezultatul SRES, este returnat prin intermediul interfeței Um de la stația mobilă la rețea, unde este comparat cu valoarea calculată la AC. Parametrii de cuantificare RAND și SRES sunt memorați în registrele HLR și VLR iar parametrii de securitate cei mai importanți ( A3 și Ki ) sunt memorați în locuri sigure și niciodată nu sunt transmiși pe interfețele Um.
Ki RAND (SRES)
= ?
SRES DA/NU
MS
Interfață Um
Figura 2.8. Principiul autentificării
2.5.6.2. Cifrarea
Cifrarea se poate aplica ușor transmisiei digitale, pentru că șirul de biți trebuie să fie codificat ( cifrat ) cu o metodă cunoscută de ambele părți ale interfeței Um. Dacă pentru cifrarea la emisie se folosește un algoritm A5, la recepție se folosește pentru descifrare același algoritm A5 și se obțin datele inițiale. Acest algoritm are nevoie de o cheie de cifrare specifică Kc, calculată cu ajutorul unui număr aleator ( RAND ), ce vine de la rețea, și cu ajutorul cheii de identificare Ki, ambii parametrii reprezentând intrările algoritmului A8 ce este memorat în cartele SIM și în rețea. La startul procedurii de cifrare, rețeaua comandă stația mobilă să pornească cifrarea cu o secvență de cifrare specifică, așa cum se observă și în figura 2.9., și 2.10.
Kc
Ki RAND Kc
DATE date
cifrate DATE
MS Interfața Um Rețea
Kc
Figura 2.9. Calcularea Figura 2.10. Startul și execuția
cheii de cifrare cifrării
2.5.6.3. Identitatea temporară a abonatului mobil (TMSI – Temporary Mobile Subscriver Identify)
Pentru a putea preveni un posibil intrus de la identificare ( un abonat care să nu poată fi identificat ), GSM utilizează TMSI, care este un număr atribuit permanent, o identitate temporară a abonaților din rețea. Identitatea temporară este asignată în timpul procedurii de actualizare a procedurii, iar stația mobilă utilizează acest număr temporar când aceasta răspunde la rețea sau când inițiază o convorbire. Când MS este comutată în starea off, are loc o memorare a TMSI în cartela SIM, astfel încât identitatea temporară să fie valabilă și atunci când MS revine în starea on. Atribuirea, administrarea și actualizarea TMSI sunt făcute de registrul VLR.
2.6. Transmisii de date într-o rețea celulară digitală
Aplicațiile care necesită transmisii de date prin metode wireless sunt în continuă creștere datorită necesităților impuse activităților de zi cu zi ale omului modern, activități în care se solicită un grad de mobilitate crescut. Mediile folosite pentru transmisii de date sunt: rețea celulară digitală, rețele radio private (PMR – Privat Mobil Radio ), paging, rețele radio specializate (SMR – Specialized Mobile Radio ) și sateliți. Sistemul paging este folosit pentru transmisia datelor sub formă de mesaje și este unidirecțional, în comparație cu celelalte metode menționate care sunt bidirecționale.
Von prezenta în continuare, două metode folosite pentru transmisii de date în rețelele celulare digitale:
Folsirea unui circuit de comutare pe un canal al rețelei celulare;
Folosirea pachetelor de date digitale într-o rețea celulară CDPD.
2.6.1. Folsirea unui circuit de comutare pe un canal al rețelei celulare
Circuitul de comutare este un echipament cu funcția de a permite abonatului să folosească un canal voce pentru transmisii fax sau modem.
Această formă de transmisie wireless a datelor este transparentă pentru opratorul celular, acesta neștiind când canalul este folosit pentru date în loc de voce și deci neputând stabili cu exactitate volumul datelor transmise. Acest fapt conduce la următoarele dezavantaje ale metodei:
Tehnice
Apar erori în timpul proceselor hand-over ( legătura este întreruptă pentru maximum 400 ms la trecerea dintr-o celulă în alta cu frecvența diferită ). Datorită fenomenului “ blank and burst “ datele nu sunt recepționate complet și transmisia trebuie repetată. Există, de asemenea, riscul apariției interfețelor între celule sau slăbirea semnalului la un moment dat, ceea ce conduce la recepția incorectă a mesajului de date. Rata de transmisie obținută prin folosirea acestor circuite comutate este cuprinsă între 2,4 – 9,6 kbps, rată adecvată schimburilor de fax-uri sau de fișiere între calculatoare, dar relativ mică față de cerințele altor aplicații. În prezent s-au proiectat și circuite care lucrează la o rată de 14,4 kbps, obișnuită în transmisiile de date pe linie telefonică.
2. Comerciale
Transmisia de date va fi contorizată la fel ca o convorbire telefonică, lucru ce dezavantajează abonații.
Metodei i-au fost aduse următoarele îmbunătățiri:
elaborarea unui nou protocol ( ETC – Enhanced Throughput Cellular ). Este protocolul ce permite realizarea rapidă a legăturilor prin circuitul comutat și mărirea numărului de transmisii corecte;
realizarea compatibilității cu protocoalele ISDN. Acest lucru este posibil în rețelele GSM ce pot lucra, dezvolta, aplicații ISDN. Pentru celularul analogic încă se mai cercetează posibilitățile de realizare a compatibilității rețelei cu ISDN.
telefon celular cu două numere. Terminalul celular va aloca un număr pentru transmisii voce și altul pentru transmisii de date, decizia cu privire la tipul semnalului față de numărul format fiind luată de MSC pe baza informației conținută în HLR.
2.6.2. Folosirea pachetelor de date digitale într-o rețea celulară CDPD
Este o metodă în care transmisia pachetelor de date se face în perioadele scurse între terminarea unei convorbiri și începutul alteia și deci nu folosește tot canalul voce pentru realizarea transmisiei de date. Tehnologia CDPD este proiectată în ideea de a folosi timpii morți dintr-un sistem celular pentru transmisii de date. Prin timpi morți se înțelege nu numai canalele libere la un moment dat, dar mai ales pauza dintre două apeluri pe același canal.
Metoda Saltului de Canal
CDPD folosește metoda “ saltului de canal “ și a fost dezvoltată în 1992 de către IBM și un număr de firme implicate în rețelele celulare, cum ar fi AT&T. Saltul de canal ( similar saltului de frecvență ) permite trecerea de pe un canal pe altul și realizarea transmisiei prin exploatarea la maximum a capacitătii rețelei celulare. CDPD necesită instalarea unor echipamente speciale denumite: MDBS – Mobil Data Base Station și MDG – Mobil Data Gateway. În figura 2.12. se observă că datele sunt transportate inițial de către canalul 2. Echipamentul MDBS poate monitoriza 200 de canale la intervale de milisecunde și detectează care canal este liber, moment în care terminalul este înștiințat să treacă pe cel liber ( în figura 2.11. canalul 1 ).
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
Transmisii voce
Transmisii CDPD
Figura 2.11. CDPD – Schema “ saltului de canal “
Saltul de canal poate fi determinat de timpul setat de operatorul celular pentru transmisii continue de date pe un canal sau poate fi forțat în cazul în care apare o cerere de comunicație voce care are prioritate pe orice canal. Avantajele CDPD sunt rata de transmisie a datelor de 19,2 kbps, controlul superior al erorilor, folosirea la maxim a capacității rețelei (în medie folosită pentru transmisie voce la o capacitate de 60 % ).
CDPD permite aplicații: e-mail, Internet www, localizarea și urmărirea vehicolelor ( AVLN ), monitorizarea de la distanță a aplicației pentru controlul acesteia. Metoda asigură transmisia datelor și în rețelele celulare analogice AMPS.
Forumul CDPD are peste 100 de membrii, cuprinzând operatori celulari în sistemul analogic și digital, producători de terminale celulare și soft, iar ultimile specificații tehnice au fost publicate în ianuarie 1995.
C A P I T O L U L I I I
NIVELUL FIZIC
Nivelul fizic al sistemului GSM reprezintă totalitatea schemelor și mecanismelor ce fac posibilă comunicația între stația mobilă și stația de bază pe un canal radio mobil. El mai poartă numele de procedurile nivelului fizic.
Aceste mecanisme includ modulația, controlul puterii, codarea și alte detalii pentru organizarea, stabilirea și menținerea unui canal.
3.1.Accesul trunchiat la sistem
Sistemul radio trunchiat este sistemul în care numărul canalelor utilizabile în sistemul radio este mai mic decât numărul tuturor posibililor utilizatori.
Trunchierea este un proces în care utilizatorii împart numărul limitata de canale în câteva moduri ordonate. Acest lucru este posibil pentru că probabilitatea ca fiecare să vrea un canal în același timp este foarte mică. Metoda împărțirii canalelor se numește acces și este garantat la utilizarea multiplă a sistemului prin divizarea acestuia în unul sau mai multe domenii de operare: frecvență, timp, spațiu, sau cod.
Sistemul telefonic celular este un sitem radio trunchiat, pentru că dispune de câteva canale pentru abonații care doresc să folosească sistemul în același timp.
3.1.1.Accesul multiplu prin divizarea frecvenței ( FDMA – Frequency Division Multiple Acces )
Acest tip de acces este forma cea mai comună pentru accesul trunchiat. Utilizatorii au alocat un canal dintr-un set limitat de canale ordonate în domeniul frecvență, deci canale cu bandă îngustă rezultate prin divizarea spectrului total de frecvențe alocat sistemului. Unui utilizator sau grup de utilizatori i se poate aloca permanent un canal. Dacă numărul canalelor valabile este mai mare decât 15, se poate obține o eficiență ridicată a trunchierii, dacă alocarea inițială a canalelor este făcută de la un canal de control comun, la care sunt acordate toate stațiile radio la început când încearcă să utilizeze sistemul. Cu acest canal de control, stația radio descoperă semnalele de date ce conțin informații despre frecvența cu care trebuie să se facă transmisia și recepția, atunci când traficul este mare. Atunci când sunt mai mulți utilizatori decât poate suporta rezerva canalelor de frecvență, utilizatorii sunt blocați la accesul în sistem. O caracteristică a sistemului FDMA este utilizarea exclusivă a unei frecvențe de către un utilizator până când el va avea nevoie de o altă frecvență de la rețea.
Eficiența utilizării spectrului este bună dar este ridicat volumul de date ce trebuie prelucrat de stația de bază care are de memorat starea ocupat/neocupat a fiecărui canal precum și de ținut evidența apelurilor de acces în sistem.
3.1.2. Acesul multiplu cu divizarea în timp ( TDMA – Time Division Multiple Acces )
TDMA definește ferestre de timp pe fiecare canal. Un astfel tip de sistem radio are nevoie doar de o singură frecvență de operare, iar utilizatorii au accesul la acest canal în concordanță cu o programare. În sistemele digitale moderne TDMA se folosesc tehnici digitale de compresie a vocii și o codare modernă, ce duc la scurtarea timpului de treansmisie a mesajelor vocale, micșorează redundanța și perioadele de liniște din timpul convorbirii. Utilizatorii împart canalul fizic în sistemul TDMA, fiecare ocupând câte o fereastrâ de timp, iar durata de repetare a împărțirii canalului cu aceleași ferestre de timp se numește cadru. Fereastra de timp asignată, adeseori se numește canal, de aici observându-se și asemănarea cu tehnica FDMA. Durata unei ferestre de timp într-un sistem GSM este de 577s și dacă avem 8 utilizatori rezultă o durată a cadrului de 577s * 8=4.616ms.
3.1.3. Accesul multiplu cu divizarea spațiului ( SDMA – Space Division Multiple Acces )
Accesul multiplu cu divizarea spațiului este utilizat în toate sistemele celulare, atât analogice cât și digitale, permițându-se accesul multiplu la un canal RF comun (sau un set de canale), utilizatorii aflâdu-se în celule diferite. Factorul de limitare pentru acest tip de acces este factorul de reutilizare a frecvenței în sistem. Un set de frecvențe utilizat într-o celulă poate fi repetat în altă celulă, oriunde în sistem, folosind o distanță suficientă între celule identice pentru prevenirea interferenței între canale. În utilizarea sistemului SDMA s-au găsit diverse inovații cum ar fi :
microcelulele – cu stații de dază de mică putere ( circa 0,3 mW ) amplasate în zonele cu trafic intens;
celule umbrelă – celule foarte mari proiectate să dirijeze traficul semnalelor într-un câmp al microcelulelor;
sectorizarea celulelor – o celulă acoperă de exemplu sectoare între 120º sau 60º cu antene diferențiale;
antene inteligente.
3.1.4. Accesul multiplu prin divizarea codului ( CDMA – Code Division Multiple Acces )
CDMA este o tehnică mai nouă pentru tehnologia celulară și nu este utilizat în GSM. Acest tip de acces utilizează transmisia în spectrul extins. Astfel, toți utilizatorii pot accesa un același canal RF la același moment de timp prin utilizarea de către fiecare a unui cod specific de înaltă viteză. Stația de bază și utilizatorii transmit simultan în întreaga bandă alocată, dar utilizând coduri diferite, preferabil ortogonale, pentru multiplicarea benzii semnalului de bază
3.1.5. Operarea duplex
Traficul între stațiile radio se face în modul duplex, mod favorabil pentru orice transmisie și recepție în orice direcție, exceptând situațiile speciale. Sunt două căi importante de setare a canalelor de comunicații duplex.
3.1.5.1. Divizarea duplex a frecvenței ( FDD – Frequency Division Duplex )
Este foarte scump și dificil să se construiască un radio care să transmită și să recepționeze semnale la același moment de timp pe aceeași frecvență. De aceea se obișnuiește să se definească un canal de frecvență cu două frecvențe de operare separate, una pentru transmisie și una pentru recepție. Sistemele filtru se numesc duplexoare, utilizează o singură antenă și canalul de frecvență ( perechea de frecvențe ) în modul full-duplex.
3.1.5.2. Divizarea duplex a timpului ( TDD – Time Division Duplex )
Cele mai multe sisteme radio mobile, așa cum ar fi sistemele publice de siguranță nu cer utilizatorilor să opereze în modul full-duplex. Stațiile radio în aceste sisteme, transmit și recepționează pe aceeași frecvență, dar niciodată în același moment de timp. Acest mod de operare se numește semi-duplex ( half- duplex ) și operatorii care utilizează acest mod vor furniza o indicație prin care anunță că au terminat de transmis și sunt gata să recepționeze un răspuns de la un alt utilizator. Avantajele sistemului half-duplex sunt:
când este utilizată o singură frecvență spectrul se reduce la jumătate;
duplexoarele sunt grele și scumpe; operarea half-duplex elimină folosirea acestora;
atunci când utilizatorul este ascultător ( transmisia este în starea off ), bateria din stația mobilă poate fi conservată, astfel încât pot fi folosite baterii de dimensiuni mai reduse. Astfel bateriile mici și ușoare și inexistența duplexoarelor fac din stația mobilă radio cu operare half-duplex, un terminal foarte popular, la un cost mic și de neînlocuit. Un alt nume pentru modul half-duplex este TDD – Time Division Duplex și este utilizat în sistemele TDMA, pentru motivele și avantajele enumerate mai sus.
3.2. Canalul radio
Canalul radio este acel canal pe care circulă informația cu ajutorul tehnicilor radio de trunchiere. Codurile, tehnicile, schemele și procesele utilizate în ordine pentru a face posibilă comunicarea între stațile de bază și stația mobilă reprezintă nivelul fizic. În transmisia informației pe canalul radio apar o serie de probleme pe care le vom trata în continuare.
3.2.1. Probleme
Informația care circulă între transmițător și receptor este distorsionată de cinci influiențe distructive: modulatorul, mediul de transmisie, sursele de zgomot, fenomenul de fading și demodulatorul.
În cazul folosirii unui telefon celular analogic, la marginea ariei de acoperire a celulei se pot auzi influiențele nefaste ale canalului: fluierături, fading, pocnituri și interferențe cu alți utilizatori de telefoane celulare analogice.
Aceleași fenomene afectează și transmisia în sistemul digital, doar un singur pocnet putând fi interpretat ca o parte a unei silabe sau poate inversa un singur bit de date și va ascunde sfârșitul cadrului de date dacă nu sunt luate măsuri speciale de creșterea redundanței datelor pe canal, ce va diminua importanța fiecărui bit de date. Specialiștii consideră ca transmisia este bună pentru un raport semnal/segment SNR=40 dB. Dacă acest raport scade însă sub 10 dB atunci convorbirea este puternic afectată, luându-se măsuri de îmbunătățire.
Luându-se în considerare aceste probleme ce apar la transmisia datelor pe canalul radio, proiectarea unui sistem de comunicații pentru un mediu mobil este probabil sarcina cea mai dificilă în comunicații. Astfel proiectanții au căutat să rezolve aceste probleme astfel:
să facă câteve prezumții;
înțelegerea problemelor specifice, prin alcătuirea de modele statice;
supervizarea unei probe lungi, prin care să se confirme înțelegerea și validarea prezumțiilor asumate.
3.2.2. Caracteristicile canalului radio
Canalul radio mobil de 900 MHz este liniar. Un aspect important al acestuia este lățimea de bandă ocupată, care poate cauza alterări ale amplitudinii, frecvenței sau fazei purtătoarei. De aceea se dorește ca sistemele să transporte informații într-un segment foarte restrâns al spectrului, deoarece spectrul este limitat.
Sursele ce produc neplăceri într-un canal radio sunt zgomotele și interferențele. Transmisiile informației pe canalele adiacente produc interferența, al cărui efect poate fi măsurat cu raportul putătoare/interferență ( C/I ).
Problemele ce apar într-un canal se pot împărți în două tipuri:
Probleme ce apar atunci când stația mobilă nu se mișcă condiții numite și condiții statice.
Probleme ce apar atunci când stația mobilă se mișcă condiții numite și condiții dinamice.
Acestea din urmă apar pe lângă cele de ordin static ceea ce face rezolvarea lor mai dificilă.
3.2.2.1. Condiții statice
În cazul în care nici o stație mobilă nu se mișcă, canalul este cu zgomot aditiv Gaussian și este generat de propagări atmosferice, cu pierderi mai mari decât cele cu legi de ordinul 5 sau 6. Deoarece canalul este o frecvență selectivă și sunt mai multe drumuri de propagare de la stația de bază la cea mobilă, toate datele se vor propaga pe mai multe căi iar la recepție se va face o egalizare.
3.2.2.2. Condiții dinamice
Dacă stația mobilă se mișcă către alte stații radio-mobile, pe lângă efectele propagării terestre, apar și influiențe negative cum ar fi fadingul Rayleich. Atunci diferitele unde radio pot urma o varietate de drumuri către receptorul mobil, sunt dependente de frecvență și pot să-și schimbe faza. Fadingul multipath este fenomenul care face ca o imagine TV să fie transmisă și pe alte căi, oferind o cale în oglindă între transmițător și antena de recepție TV. Fadingul Rayleich are distribuția statistică de tip Rayleich.
Prin fading se înțelege variația lentă și în limite mari a densității de putere a undei la locul de recepție.
3.2.3. Analize cantitative ale canalului radio
Formula lui Shanon-Hartley, exprimă capacitatea unui canal mai precis cum circulă informația pe acel canal și are expresia următoare:
unde C – este capacitatea canalului măsurată în biți pe secundă;
B – reprezintă lățimea de bandă măsurată în Hz;
S/N- reprezintă raportul dintre puterea semnalului la recepție și puterea zgomotului.
Se observă că o creștere a capacității este dată de creșterea raportului semnal/zgomot, creștere ce duce și la înlăturarea distorsiunilor dacă la recepție se folosește suplimentar un egalizor. Biții sunt grupați în simboluri, fiecare simbol fiind format din m biți, iar perioada acestuia se notează . Putem defini rata de transmisie sau rata datelor astfel:
unde R este rata de transmisie.
Pentru un bit se definește durata unui bit
dacă mai mulți biți formează un simbol ( m biți ), atunci perioada unui bit va fi micșorată
Deoarece spectrul este o sursă limitată, se introduce moțiunea de eficiență lățimii de bandă R/B sau rata de informații pe hertz:
Creșterea ratei informației se face odată cu scăderea produsului , astfel încât se poate micșora lățimea de bandă sau perioada bitului . În sistemul GSM se realizează o modulare a datelor de tip GMSK ( Gaussian Minimum Shift Keying ) cu un produs de 0,3, unde fiecare simbol este reprezentat pe un bit. Acest produs este numit simplu produs , iar lățimea de bandă B a filtrului Gaussian din modulatorul GMSK este de 81,3 kHz. Durata bitului (sau simplu T ) este inversa frecvenței de bit , ce are valoarea 270,833 bps.
T=3,692s
Numărul de biți pe secundă care circulă pe un canal de bandă B se numește eficiență spectrală și poate fi crescută prin creșterea densității de informație, care se măsoară în biți pe Hz. Modulatorul GSM-GMSK este un exemplu de schemă de modulare cu două nivele, unde fiecare simbol reprezintă doar un bit
M = 2
deci avem 2 simboluri care pot fi 0 sau 1.
3.2.4. Funcționarea subsistemului radio. Structura semnalelor utilizate
După cum am arătat mai înainte, în sistemul GSM, interfața radio, aflată între MS și BTS, utilizează banda de 900 MHz și principiul de lucru cu diviziune în timp cu acces multiplu TDMA.
Benzile de frecvență utilizate sunt:
890 – 915 MHz pentru sensul de transmisie de la stația mobilă către stația de bază.
935 – 960 MHz pentru sensul de transmisie de la stația de bază către stația mobilă.
În fiecare din aceste benzi sunt stabilite câte 124 frecvențe purtătoare, distanțate între ele cu 200 KHz ( figura 3.1. ).
890 890,2 890+0,2k 914,8 915 935 935,2 935+0,2k 959,8 960
a)Emisie stație mobilă–recepție stație de bază b)Emisie stație de bază–recepție stație mobilă
Figura 3.1. Benzile de frecvență atribuite pentru serviciul de radio-telefonie mobile celulară în banda 900 MHz și în particular pentru sistemul GSM.
La fiecare stație de bază se repartizează un număr de purtătoare, în funcție de traficul estimat în celula respectivă. Distanța între o purtătoare utilizată pentru recepție la stația de bază și cea utilizată pentru emisie, pentru realizarea unui canal de comunicații duplex, este 45 MHz.
Pe fiecare purtătoare sunt multiplexate cu diviziune de timp câte 8 canale “ fizice “ care asigură transmisia într-un singur sens ( figura 3.2. ).
0 1 2 3 4 5 6 7 k = 1 ÷ 124
fp-frecvența purtătoare
7 6 5 4 3 2 1 0 -poziția “în timp” a
canalului utilizat
MS
Fig. 3.2. Comunicarea pe canale de comunicații cu acces multiplu cu diviziune în timp.
În acest fel, comunicația dintre MS și BTS se realizează pe o pereche de canale “ fizice “ cu diviziune în timp, pe două purtătoare distanțate la 45 MHz între ele, situate Între cele două subbenzi alocate. Deci opt stații mobile pot să realizeze legătura radio cu stația de bază pe o pereche de frecvență purtătoare.
În același timp se pot defini și canale “ logice “ care se transmit prin intermediul canalelor fizice comune sau dedicate și se deosebesc între ele prin natura informațiilor transmise.
Există două tipuri principale de canale logice:
canale de trafic pe care, sau se transportă vorbire codată, sau se efectuează transmisiuni de date;
canale de control pe care se transmit date de semnalizare și sincronizare și care la rândul lor pot fi divizate în:
canale de control radio, transmise continuu de către statiile de bază;
se transmit informații de sincronizare precum și informații de sistem, cum ar fi codul de identificare al stației de bază;
– canale de control comune, utilizate pentru apelarea statiei mobile și pentru realizarea accesului acesteia la sistem;
– canale de control dedicate, alocate fiecărei stații mobile în parte în timpul efectuării convorbirii pentru transmiterea măsurătorilor ( de nivel de recepție ) efectuate de stația mobilă, precum și pentru semnalizările necesare în procesul de transfer al legăturii radio de la o stație de bază la altă stație de bază.
Schema generală de prelucrare a semnalului în cadrul sistemului GSM, la stația mobilă este prentată în figura 3.3.
64 kbit/s 13 kbit/s 22,8 kbit/s
Convertor Codare a Codare a Modulator
A/D vorbirii canalului
R
Canal
radio
64 kbit/s 13 kbit/s 22,8 kbit/s
Convertor Decodare Decodare a Demodulator
D/A a vorbirii canalului
R CSI
CSI = informație despre intensitatea de moment a câmpului
R = “ rezervă “ de informație
Fig. 3.3. Schema generală de prelucrare a semnalelor la stația mobilă
În conformitate cu cerințele impuse de compatibilitatea ISDN, convertorul A/D extrage din semnalul vocal un număr de 8000 eșantioane/secundă. Compandarea este realizată cu legea A cu 8 biți.
Codorul vocal reduce viteza de transmisie la 13 kbit/s. Deoarece în cadrul sistemului de radiocomunicații mobile apar adesea interferențe importante este necesar să se urmărească în codarea canalului realizarea unor măsuri de protecție împotriva întrepătrunderii simbolurilor. Urmează modularea și transmiterea pe canalul radio.
La recepție erorile sunt detectate și corectate. Fluxul de biți la care s-a redus rata erorilor este trecut apoi printr-un decodor și transformat într-un semnal PCM și printr-un convertor D/A se obține semnalul analog corespunzător.
Structura generală de organizare a semnalului digital este prezentată în figura 3.5.
Cea mai mare unitate de timp utilizată este hipercadrul, cu durata de 3h 28 min 53 s 760ms, care conține un număr de 2048 supercadre. Durata unui supercadru este deci:
Ficare supercadru este format la rândul său din 1326 cadre TDMA. La acest nivel se pot întîlni două structuri puțin diferite și anume: supercadrul poate fi împărțit fie în 26 multicadre, fie în 51 multicadre. În primul caz durata unui multicadru este 235,4 ms, iar în al doilea caz de 120 ms. În primul caz un multicadru are 51 cadre TDMA, iar în al doilea are 26 cadre TDMA. În acest mod durata unui cadru TDMA va fi:
Fiecare cadru TDMA conține 8 ferestre de timp cu durata de:
În funcție de utilizare, o fereastră de timp poate să conțină:
informații curente;
corecția de frecvență;
corecția de sincronizare
informația de acces.
În fiecare fereastră de timp alocată în mod corespunzător pentru comunicarea cu un abonat mobil, se transmit 156,25 biți ( incluzând spațiul de gardă ). Structurile ferestrelor de timp, pentru cele patru tipuri de informații prezentate mai sus sunt arătate în figura 3.5. Durata de transmisie pentru un bit este deci de:
s
iar debitul de transmisie este:
kbit/s
De remarcat faptul că perioada de gardă utilizată pentru transmiterea informațiilor curente este corespunzătoare unui debit de 8,25 biți, ceea ce reprezintă o durată de s, iar timpul de propagare necesar pentru o distanță de ordinul a 35 km ( raza maxima uzual admisă pentru o celulă hexagonală ) este de 117 s deci de aproape patru ori mai mare.
Pentru a depăși acest incovenient, este necesar ca, periodic, să se transmită o corecție de sincronizare care modifică timpii de transmisie ai echipamentului mobil în funcție de distanța reală dintre mobil și stația de bază.
Se observă că în cazul informațiilor de acces, când nu este cunoscută poziția mobilului față de stația de bază, perioada de gardă utilizată este de 68,25 biți, corespunzând unei durate în timp de s care este de peste două ori mai mare decât timpul de propagare pentru distanța de 35 km.
Având deci stabilită viteza de transmisie de 271 kbit/s și structura semnalului, rezultă că utilizarea pentru acoperire a unor celule hexagonale cu latura mai mare de 35 km nu este indicată.
După cum am spus, în sistemul GSM se utilizează modulația de tip gaussian cu deplasare minimală GMSK. Descrierea în timp a impulsurilor utilizate este dată de relația:
(1)
unde Q(x) este funcția gaussiană a erorilor:
(2)
Ținând seama de relația (2), relația (1) devine:
(3)
unde prin T s-a notat perioada de repetiție a impulsurilor.
Ținând seama de expresiile (1) și (3) se desprinde forma impulsurilor utilizate ca rezultat al diferenței a două funcții gaussiene ale erorilor, decalate în timp ca în figura 3.5.
În radiofrecvență, clasa de emisie utilizată este de tipul 271KF7W, adică transmisia semnalului de radiofrecvență se face cu modulație de frecvență, lărgimea de bandă utilizată fiind de 270 KHz ( notat prin 270KF ). Indicativul 7 arată faptul că semnalul de modulație este rezultat din multiplexarea în timp a mai multor canale numerice, iar W arată că informația transmisă poate fi de mai multe tipuri și anume: telefonie, telegrafie, radiodifuziune sonoră, facsimil, transmisiuni de date. Q(t)
1
0,5 Q[α(t-T/2)]
Q[α(t+T/2)]
a).
-T/2 0 T/2 t
g(t)
b).
0 t
a). Funcții gaussiene ale erorilor, decalate în timp;
b). Semnal în impuls.
Fig. 3.5. Semnal în impuls “ tip GMSK “
3.2.5. Factori de limitare și câteva soluții
Într-un sistem de comunicații există 3 factori de limitare: puterea de transmisie limitată, zgomotul și interferența și imposibilitatea de a obține o lățime de bandă dorită ( cât mai mică ). GSM este un sistem de comunicații de bandă limitată într-un mediu ostil. Pentru a înlătura erorile introduse de canalul de transmisie, se realizează o codare a canalului, codare ce ține cont de redundanța datelor vocale. Astfel în structura de date vor exista biți mai importanți și alții mai puțin importanți acodându-li-se protecții diferite. Dacă stațiile mobile trec dintr-o celulă în altă celulă, atunci ele se vor angaja într-o conversație ordonată cu stațiile de bază și cu celelalte stații mobile, conversație numită semnalizare. Aceste mesaje de semnalizare conțin printre altele, semnale de bază și rapoarte BER, comenzi de ajustarea puterii și de alinierea în timp, instrucțiuni în starea off și testări de ascultare a canalului pentru egalizarea ajustărilor.
3.3. Frecvențele în sistemul GSM
3.3.1. Numărul canalelor
GSM a fost primul sistem celular digital creat și comercializat, cu un domeniu de frecvență de 900 MHz. Există și excepții de la acest domeniu de frecvență, cum ar fi DCS-1800, PCS-1900, standardul NADC, acesta din urmă nu este un sistem pur digital pentru că folosește un canal de control analogic.
În tabelul 3.1. sunt prezentate principalele caracteristici ale sistemelor de radiotelefonie mobilă celulară.
Tabelul 3.1. Principalele caracteristici ale sistemelor de radiotelefonie mobilă celulară
3.3.2. GSM de bază
GSM de bază se referă la prima generație a acestor sisteme, instalată în prezent în fiecare țară europeană. Aceasta utilizează două benzi de frecvență de 25 MHz, în gama de 900 MHz, stația mobilă transmite în gama 890 – 915 MHz, iar stația de bază transmite în banda de 935 – 960 MHz. Punctele finale din nivelul fizic sunt statia mobilă și stația de bază și în funcție de ordinea în care privim ierarhia rețelei, direcția MS-BTS este numită legătura directă ( uplink-ul ), iar direcția BTS-MS este numită legătura inversă ( downlink-ul ). Ca și în sistemele analogice populare, este utilizat spațiul de 45 MHz pentru duplex; stația de bază transmite întotdeauna frecvența superioară din perechea duplex. Benzile de frecvență sunt divizate în 125 canale, numerotate de la 0 la 124, cu o lățime de 200 kHz. În sistem, doar numărul absolut al canalelor de frecvență radio ( ARFCN – Absolute Radio Frequency Channel Number ) este utilizat, adică canalele numerotate de la 1 la 124. Canalul cu numărul 0 este utilizat ca o legătură între serviciul GSM și alte servicii pe frecvente mai mici. Cu acești parametri putem calcula frecvența actuală pentru un ARFCN:
Ful(n) = 890,0 MHz + 0,2 MHz · n
Fdl(n) = Ful(n) + 45 MHz
unde n = ARFCN, 1 ≤ n ≤ 124.
Orice frecvență poate fi atribuită unei stații mobile de către o stație de bază, făcând o selecție între 1 și aproximativ 16 frecvențe ( numărul de canale corespunzător BTS este 16 ). Numărul de canale al BTS depinde de rețea și de densitatea de trafic în aria acoperită de stația de bază, iar accesul la aceste canale de frecvență se face cu tehnica FDMA.
3.3.3. GSM extins
În acest caz există două frecvențe duplex, una pentru legătura directă, una pentru legătura inversă și în plus avem 10 MHz adunați la sfârșitul părții inferioare a ambelor benzi de frecvență, existând în acest caz alte 50 de canale de frecvență în plus numerotate de la 974 la 1023. Canalul numărul 0 nu va mai fi folosit ca legătură de control cu alte servicii de frecvență mai mică, el va fi utilizat ca un canal normal în sistemul GSM extins. Rolul lui este preluat de canalul cu numărul 974 ( 880 MHz ). Formulele de calcul ale frecvențelor canalelor sunt:
Ful(n) = 890 MHz + 0,2 MHz · n, cu n = ARFCN, 0 ≤ n ≤ 124
Ful(n) = 890 MHz + (0,2 MHz) · (n – 1024),
cu n = ARFCN, 975 ≤ n ≤ 1023
Fdl(n) = Ful(n) + 45 MHz.
3.4. Nivelele de putere în radiofrecvență
Echipamentele radio în sistemul de telefonie mobilă celulară GSM diferă între ele, pe lângă alte caracteristici și prin nivelele de putere diferite pe care le produc.
Echipamentele sunt grupate în clase de putere așa cum se poate vedea în tabelele 3.2.,3.3.,3.4.
Tabelul 3.2. Nivele de putere în sistemul GSM
Tabelul 3.3. Nivele de putere în DCS-1800
Tabelul 3.4. Nivele de putere pentru micro -BTS în GSM și DCS-1800
3.5. Transmisiile pe canalele radio
După cum am arătat sistemul de telefonie celulară mobilă GSM permite împărțirea canalelor în ambele domenii: timp și frecvență. Metodele utilizate pentru a face posibilă alocarea în domeniul timp, se numesc tehnici TDMA, și acestea aduc o complexitate în plus sistemului în comparație cu sistemele analogice celulare.
3.5.1. Cadrul TDMA
Deoarece canalele de frecvență sunt de 200 kHz, creșterea eficienței în utilizarea spectrului se va face prin introducerea tehnicilor TDMA, prin care fiecare canal de frecvență este suplimentar divizată în 8 ferestre de timp, numerotate de la 0 la 7 și fiecare din aceste ferestre este asignată unui utilizator individual. Un set de ferestre de timp se numește cadru TDMA și toți utilizatorii unei singure frecvențe împart un cadru comun.
De exemplu, dacă unui mobil îi este atribuit fereastra de timp numărul 1, acesta transmite doar pe durata ferestrei 1 și va aștepta 7 ferestre până va ajunge din nou fereastra 1 și va putea transmite din nou. Comutația periodică și regulată a transmisiei ( starea on, respectiv starea off ) stației mobile se numește transmisie tren de impulsuri, lungimea unei ferestre de timp echivalentă unui impuls este de 577 μs, iar cea a unui cadru TDMA este de 4,615 ms ( 8 · 577 μ s = 4,615 ms ). Utilizarea tehnicilor TDMA reduce efectiv alocarea pentru fiecare canal de trafic la 200 kHz/8 = 25 kHz, ce eate echivalentă cu sistemul analogic, iar dacă o stație mobilă transmite un impuls după fiecare 4,615 ms, atunci frecvența este de 216,68 Hz, frecvență care este în gama audio.
3.5.2. Divizarea duplex în timp ( TDD – Time Division Duplex)
Când se utilizează tehnica TDMA, nu este necesar să se transmită și să se recepționeze semnale la același moment de timp în modul full-duplex, ci se poate folosi momentul de transmisie TDD. În figura 3.6. este reprezentat simplificat un cadru TDMA, iar în figura 3.7. este reprezentat TDD în sistemul GSM.
6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1
4,615 ms
CADRU TDMA
Figura 3.6. Cadru TDMA
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 BTS transmite
5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 MS transmite
Figura 3.7. TDD în sistemul GSM
Această tehnică oferă unei stații mobile numeroase avantaje printre care enumerăm:
nu este nevoie de duplexoare. Cerințele sunt: să aibă un comutator rapid pentru sintetizare, un filtru RF de trecere și o antenă rapid comutabilă;
creșterea duratei de viață a bateriilor sau reducerea greutății acestora;
calitate superioară și cost mic al telefoanelor.
Există și dezavantaje ale acestei tehnici. Un dezavantaj este acela că prin definirea ferestrelor de timp se presupune existența unei referințe de timp în sistem și o sincronizare a tuturor comunicațiilor, ceea ce scumpește echipamentul.
Dar pe ansamblu, avantajele prevalează în raport cu dezavantajele și se apreciază că tehnica TDMA va sta la baza tehnicii de acces multiplu pentru viitorul sistem global de comunicații mobile.
3.6. Transmisie de impulsuri
Cerința ca o stație mobilă să transmită într-o singură fereastră de timp și să aștepte ( să nu transmită ) șapte ferestre este o cerință puternică prin care are loc comutația în stare on și off a puterii RF. Dacă o stație mobilă nu respectă aceste specificații, ea va perturba alte stații mobile care transmit în ferestrele de timp adiacente și pe frecvențele adiacente. Specificațiile GSM fac ca stațiile mobile să emită o putere în timp specifică. În figura 3.8. este prezentat un exemplu de variație a puterii în timp.
dB
-6
-30
-70
0
10μs 8μs 10μs 542,8μs 10μs 8μs 10μs
Figura 3.8. Nivelul de putere pe durata unui impuls
Din această figură se observă că o stație mobilă poate să comute în starea on sau off într-un timp de 28 μs, realizându-se astfel o gamă dinamică mai mare de 70 dB. După ce are loc efectuarea rampei puterii de radiofrecvență, o stație mobilă transmite informații pe durata a 542,8 μs, adică un impuls.
3.7. Avansul de timp și controlul puterii
În interiorul unei celule, stațiile mobile se pot afla la diferite distanțe de stația de bază. Depinzând de această distanță față de stația de bază, timpul de întârziere și atenuarea semnalului emis de o stație mobilă, sunt probabil diferiți de întârzierea și atenuarea semnalelor emise de celelalte stații mobile. Dacă folosim tehnicile TDMA și dacă timpul de transmisie a impulsurilor este corect, la fel de corect se va face și recepția la stațiile de bază receptoare. Pentru a evita coliziunea semnalelor de la stațiile mobile ce transmit în ferestre de timp adiacente, stația de bază măsoară timpul de întârziere introdus de fiecare stație mobilă și comandă acele mobile ale căror impulsuri sosesc cu întârzieri mari, să crească durata de transmisie a impulsului în timp. Pentru compensarea atenuării, care crește odată cu distanța față de stația de bază aceasta din urmă comandă mobilele să utilizeze diferite nivele de putere, astfel încât puterea ce sosește la stația de bază să fie aproximativ la fel pentru fiecare fereastră de timp. În concluzie, un mobil aflat la o distanță mai mare de stația de bază, trebuie să emită un nivel de putere mai ridicat. În figura 3.9. este ilustrată problema creșterii timpului și controlul puterii pe o legătură directă. Mobilul A, mai îndepărtat de stația de bază decât mobilul B transmite pe durata ferestrei de timp cu numărul n, iar mobilul B transmite pe durata ferestrei următoare, adică n+1. La stația de bază receptoare, impulsul transmis de A sosește cu un interval mai mic și parțial suprapus peste impulsul transmis de stația mobilă B.
A B
Tsn Tsn+1
Figura 3.9. Creșterea timpului și controlul puterii
3.8. Structura ferestrelor
În acest paragraf se va analiza informația care circulă între stații, cum ar fi datele ( zero, unu ) ce sunt cuprinse în ferestrele de timp. S-a arătat anterior, că este alocat un timp de 542,8 μs din fereastră, pentru transmisii de date mai precis 147 biți. În prezent se transmit 148 biți în fiecare fereastră de timp, dar prima și ultima jumătate de bit, sunt rezervate pentru timpul de comutație off-on respectiv on-off. În funcție de fereastra de timp și forma impulsului, există mai multe structuri ce vor fi explorate în continuare.
3.8.1. Fereastră normală
Fereastra normală este cea mai folosit în sistemul GSM și se transmite într-o fereastră de timp de la stația de bază sau de la stația mobilă.
În figura 3.10. este desenată structura în domeniul timp a ferestrei normale. Informația propriu-zisă ocupă doar o porțiune din fereastra de timp, biții rămași fiind folosiți pentru control, modulare și demodulare.
T DATE CODATE S INSTRUCȚIUNI S DATE CODATE T GP
3 57 1 26 1 57 3 8,25
148 biți = 546,2μs
Figura 3.10. Structura în domeniul timp a impulsului normal
BIȚII DE CAPĂT ( T – TAIL BITS )
Acest grup conține 3 biți de zero necesari resetării memoriei egalizorului Viterbi din receptor este prezent la începutul și la sfârșitul fiecărui impuls și este utilizat ca timp de gardă. Durata acestor biți acoperă perioada de nesiguranță în care are loc trecerea impulsului de putere a stației mobile din starea low în starea high și invers. Biții din capăt sunt întotdeauna setați la valoarea zero, pentru ca acestă setare mai ajută și la procesul de demodulare care cere câțiva biți inițiali de valoarea zero.
DATE CODATE
Cele 2 intervale de timp de 57 biți fiecare conțin semnalul vocal codat, iar la recepție se folosește același cod pentru refacerea datelor transmise.
FLAG DE ȘTERGERE ( S – STEALING FLAG )
Acești 2 biți dau o indicație receptorului despre conținutul impulsului, adică dacă sunt mesaje uzuale de menținere a legăturii între stațiile mobile sau se transmit datele vocale ale utilizatorilor. Datele vocale ale utilizatorilor se mai numesc și trafic, iar în timpul convorbirii, mesaje importante de semnalizare vor fi schimbate pentru a completa un transfer.
SECVENȚA INSTRUCȚIUNE
Aceasta este o secvență fixă de biți, cunoscută atât de mobil cât și de stația de bază, care permite sincronizarea receptoarelor cu impulsurile. Sincronizarea permite receptoarelor să refacă corect datele. Secvența instrucțiune trebuie să fie indusă în fiecare impuls normal pentru a compensa efectele multipath fading.
Reapelul datorat propagării multipath este efectul reflexiilor de clădiri, forme de relief și alte obstacole a semnalului transmis.
Rezultatul este suprapunerea acestor semnale care ajung la receptor pe diferite drumuri; aceste semnale, în funcție de drumul parcurs au timpi de întârziere și atenuări diferite.
În figura 3.11. este reprezentat principiul acestui efect. Semnalul principal de la stația mobilă ajunge direct la receptor ( BTS ) fără întârziere și exact în fereastra de timp alocată ( linia groasă din figură ). Al doilea semnal ( desenat cu linie subțire ) este reflectat de clădiri și ajunge la BTS cu întârziere și atenuat. Al treilea semnal ( reprezentat cu linie întreruptă ) este reflectat de munți și ajunge la BTS cu o întârziere și atenuare mai mare. Aceste semnale ajung la recepție la momente de timp diferite și cu nivele de putere diferite și astfel rezultă o “ pătare “ a semnalului de la recepție sau o reducere a vitezei de refacere a datelor de la recepție.
MUNȚI
CLĂDIRI
TSn TSn+1
Figura 3.11. Principiul efectului multipath
Pentru ca receptorul să poată separa aceste semnale, adică o refacere clară a datelor este utilizată o secvență de instrucțiuni. Există 8 secvențe definite în GSM. Toate codările într-o celulă împart aceeași secvență de instrucțiuni. Trebuie luate măsuri ca această secvență de biți să nu se repete și în partea de date codată a impulsului și să facem astfel încât secvența de instrucțiuni să fie o parte unică în impuls.
Partea receptorului care înlătură distorsiunile și neclaritățile datelor și care are nevoie de secvența instrucțiune se numește egalizor. Un egalizor este un filtru care mediază semnalele diferite și obține un semnal nonambigu.
Egalizorul face aceasta, la început, prin urmărirea secvenței instrucțiune dacă este distorsionată ( urmărirea se face în fiecare fereastră de timp ) și dacă este, ajustează propria caracteristică pentru a da originalul. Egalizorul știe cum trebuie să arate toate secvențele instrucțiune și rețeaua indică egalizorului cum trebuie să arate o secvență instrucțiune pentru o celulă particulară. Dacă secvența instrucțiune există, egalizorul GSM poate face o compensare pentru întârzieri mai mari de 16 μs.
Cu alte cuvinte secvența instrucțiune ajută egalizorul, care este o parte a secțiunii receptorului unui radio digital să demoduleze conținutul biților secvenței de date din impuls. Dacă, de exemplu, un bit este cunoscut la recepție, egalizorul detectează funcția filtrului impusă pentru semnalul modulat.
Această funcție a filtrului este făcută să transmită ca o interfață radio, incluzând și fenomenele de multipath și efectul Doppler. Prin aplicarea funcției inverse a filtrului ( egalizorul face aceasta prin calcularea coeficientului filtrului digital ) la partea de semnal ce conține date ( 2 timpi de 57 biți ), egalizorul regenerează simbolurile actuale modulate.
PERIOADĂ DE PROTECȚIE ( GP – GUARD PERIOD )
Pe durata perioadei de protecție nu se transmit date, această perioadă fiind rezervată pentru timpul de ramping. Luând lungimea bitului definită în sistem ca 3,69 μs/bit, perioada de protecție poate fi calculată ca 8,25 biți · 3,69 μs/bit = 30,4 μs, care este aproximativ egală cu timpul cât durează rampingul puterii ( figura 3.8. ). Pe durata acestui timp, 2 impulsuri consecutive, de la două module, se pot suprapune parțial ( impulsul trecut face rampa down și impulsul curent face rampa up ). Nu se transmit date pe durata perioadei de protecție și comunicația nu este distorsionată cât timp puterile de ieșire de RF realizează rampele.
3.8.2. Fereastră de acces
În interiorul unei celule trebuie menținută o sincronizare strictă, astfel încât impulsurile de la stațiile mobile să sosească la stația de bază în ferestrele de timp care le sunt alocate. În ipoteza că legătura a fost stabilită corect trebuie să se facă ajustarea și sincronizarea. Există o situație inițială în care stația de bază poate face o estimare preliminară pentru setarea avansului de timp pentru un mobil, o cale până la stația de bază care să măsoare timpul de întârziere a impulsului. Întârzierea este proporțională cu distanța dintre stația de bază și mobil, iar distanța poate fi modificată. Dacă această măsurare a fost făcută pe un impuls normal, ar fi o probabilitate mare ca impulsurile de la mai multe mobile să se suprapună la stația de bază, în particular când mobilele transmit de la nivelul unei celule mari. Pentru a evita această situație nedorită, mobilele utilizează un impuls scurt, pe durata accesului inițial, care ia în considerare celulele cu rază maximă. Dacă o stație mobilă este la marginea unei celule mari, impulsul său scurt încă nu se suprapune cu impulsurile normale adiacente. Acest tip de impuls utilizat pentru această propagare se numește fereastră de acces.
Semnificația biților este aceeași cu cea de la fereastra normală. Secvența de sincronizare are aceeași semnificație cu secvența instrucțiune cu diferența că secvența de sincronizare este mult mai lungă pentru că egalizorul are nevoie de mai multă informație. De asemenea, perioada de protecție GP are o lungime mai mare. Timpul actual pentru GP este 68,25 biți · 3,69 μs/bit = 251,8 μs.
Se demonstrează, făcând calcule pentru distanța maximă ( la BTS ), că fereastra de acces poate supraviețui. Ignorând condițiile de propagare și considerând că viteza undelor radio este similară cu viteza luminii, rezultatul este o distanță maximă de 251,8 μs · 3 · 108 m/s = 75,5 km.
Noile unde radio s-ar putea propaga pe 2 distanțe între stații în ordinea următoare: o cale de la BTS la stația mobilă, unde stația mobilă este sincronizată în timp cu sistemul și o altă cale de la stația mobilă la stația de bază. Pentru a nu avea ciocniri, în aceeași celulă, între ferestrele de acces și ferestrele normale, distanța maximă între stația mobilă și BTS este jumătate din întârzierea maximă, adică 37,75 Km.
3.8.3. Fereastră de corecție a frecvenței
Atunci când timpul este o nevoie critică în sistem, stația de bază va da mijloacele pentru ca o stație mobilă să se sincronizeze cu secvența master a sistemului. Pentru a realiza aceasta, stația de bază transmite pe durata unor intervale cunoscute sigur, un semnal undă sinus pur pentru perioada unei ferestre de timp, aceasta fiind mai confortabil pentru stațiile mobile. Depinzând de tipul modulatorului utilizat în sistemul GSM poate fi realizată prin folosirea unei secvențe fixe de biți de valoare ( 000… ) în fereastrei de timp. Stația mobilă cunoaște cu precizie când să aștepte o fereastră de corecție a frecvenței. Depinzând de calitatea clock-ului de referință din stația mobilă, proiectanții de stații mobile pot determina când este necesar să resincronizeze stația mobilă. În figura 3.12. este reprezentată structura ferestrei de corecție a frecvenței.
T SECVENȚĂ DE BIȚI FIXĂ T GP
3 3 8,25
148 biți = 546,12 μs
Figura 3.12. Structura ferestrei de corecție a frecvenței
3.8.4. Fereastră de sincronizare
Când o stație mobilă pornește să sincronizeze cu rețeaua, aceasta detectează doar frecvența unde canalul de bază este localizat. Mobilul nu are însă o cheie cu care să demoduleze și să decodeze informația provenită direct de pe canalul de bază, informație ce conține câteva valori ale parametrilor sistemului. Așa cum a fost explicat și mai înainte, cheia este una din cele 8 secvențe de instrucțiuni diferite. Stația de bază comandă mobilelor ce cheie să utilizeze cu fereastra de sincronizare.
Conținutul acestui tip de fereastră este similar cu fereastra normală cu diferența este secvența de sincronizare, care este mai lungă și prezența datelor codate de dimensiune mai mică. Datele codate contin BSIC ( Base Station Information Code ), indicând secvența de instrucțiuni corectă și NCC ( National Color Code ).
3.9. Dimensiunea celulei
În calcularea dimensiunilor unei celule se iau în considerare mai mulți factori cum ar fi: relieful zonei considerate, distribuția populației, distribuția zonelor cu trafic intens, starea și posibilitățile de dezvoltare a rețelei telefonice, etc.
În standardul GSM, raza unei celule normale ia valori în domeniul 2-35 km. Raza maximă este dictată de durata intervalului de gardă la sfârșitul fiecărui pachet de acces. Valoarea maximă se poate dubla la 70 km dacă se utilizează 2 canale temporale pentru un utilizator. Microcelulele sunt celule cu rază mică de 2 km.
3.10. Canale logice
Pe lângă informațiile schimbate de utilizatori în sistem circulă un anumit volum de informații legate de controlul acestui schimb. Cele două tipuri de informații sunt transmise pe canale de tip diferit: canale de trafic (TCH) pentru informatia de bază și respectiv canale de control (CCH) pentru informația auxiliară.
În standardul GSM, definit structural conform arhitecturii OSI cu 7 nivele, există două tipuri de canale de trafic și trei tipuri de canale de control. În continuare le vom analiza pe fiecare în parte.
3.10.1. Canale de trafic
Canalele de trafic sunt folosite exclusiv pentru comunicația propriu-zisă, prin ele transmițându-se două tipuri de informații: voce sau date.
Există două tipuri de canale de trafic: de viteză normală, adică 22,8 kb/s, notate cu TCH/F și de viteză redusă, adică 11,4 kb/s, notate cu TCH/H (H-half rate). Într-un canal fizic este instalat fie un singur canal TCH/F fie două canale TCH/H. În primul caz, canalul de trafic ocupă un canal temporal, cadru cu cadru. În cel de-al doilea caz, cele două canale de trafic sunt instalate în același canal temporal dar îl folosesc în mod alternativ, unul în cadrele impare, iar celălalt în cadrele pare.
GSM oferă o mare varietate de canale de trafic pentru comunicație vocală sau de date. În tabelul 3.5. acestea se notează prin TCH/αβ unde α se înlocuiește cu H sau F, iar β, în cazul comunicației de date, precizează rata de transfer în kbs: 9,6 , 4,8 sau 2,4.
Tabelul 3.5. Canalele logice ale sistemului GSM
3.10.2. Canale de control
Principala funcție a canalelor de semnalizare/control este de a transfera aceste informații.
Aceste canale sunt divizate în trei categorii:
canale de difuziune (BCCH);
canale comune de control (CCCH), oricând la dispoziția tuturor utilizatorilor;
canale de control dedicate unui singur utilizator (USCC) pe o durată de timp finită.
Canalele de tip BCCH sunt folosite în faza premergătoare stabilirii unei conexiuni de comunicații. Ele sunt unidirecționale: de la stația de bază la terminal. Din această categorie fac parte canale logice de difuziune la nivelul celulei (BCCH), de corecție a frecvenței (FCCH) și de sincronizare (SCH).
Canalele comune de control CCCH sunt folosite de toți utilizatorii în faza de acces. Aceste canale sunt bidirecționale și permit realizarea a 2 tipuri distincte de funcții: paging și acces. Funcția de paging este folosită pentru apelurile din rețea destinate unui abonat mobil (MS), iar funcția de acces este folosită pentru apelurile inițiate de MS. Din categoria CCCH fac parte: canalele logice de paging și de confirmare a accesului (ACCH) care utilizează numai sensul de la stația de bază la MS al unui canal radio duplex. Pe sensul invers sunt instalate canalele logice de acces aleator (RACH) folosite când abonatul solicită un canal dedicat de semnalizare. Deoarece solicitarea este permisă la orice moment de timp, accesul are un caracter aleator pentru rețea. Pe un canal fizic se poate instala un canal comun de control, acesta fiind folosit fie pentru funcția de paging fie pentru funcția de acces aleator, căci pe sensul stație de bază la MS nu se vor transmite mesaje de paging și de confirmare a accesului.
Spre deosebire de canalele de trafic, care sunt instalate fiecare pe câte un canal fizic, canalele logice BCCH și CCCH, puse la dispoziția abonaților mobili într-o celulă dată, sunt instalate pe același canal fizic corespunzător canalului temporal 0 al așa numitei purtătoare BCCH ale celulei (figura 3.13.).
R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R
51 CADRE
51· 4,615 = 235 ms
Sens MS→BSS
F S B B B B C F S C C C C C C F S C C C C C C C C I
51 CADRE
51· 4,615 = 235 ms
Sens MS→BSS
R – RACH B – BCCH F – FCCH
S – SCH C – PCH/AGCH I – liber
Figura 3.13. Organizarea unui multicadru de control
Pe sensul MS-BSS toate cele 51 de canale logice, din fiecare cadru, sunt de tipul RACH.Pe sensul BSS-MS, se disting 5 grupe de câte 10 cadre, cadrul 51 fiind disponibil. Primul grup are o structură diferită față de celelalte patru. Prin aceasta se urmărește reducerea la minimum a consumului de canale pentru alte funcții de acelea care conferă capacitate sistemului.
Canalele de control dedicate USCCH sunt fie autonome (SDCCH), fie asociate unui canal dat (ACCH). Ambele tipuri sunt bidirecționale.
Canalele autonome se clasifică după numărul de subcanale în SDCCH/4 respectiv SDCCH/8. Aceste canale sunt folosite în procesul de stabilire a unui canal de comunicație în conformitate cu serviciul solicitat de utilizator.
Canalele asociate ACCH sunt asociate pentru semnalizare, fie unui canal TCH, fie unui canal SDCCH. Sensul BSS-MT este utilizat pentru controlul puterii și avansul momentului de emisie a terminalului. Pe sensul invers sunt transmise informații referitoare la starea terminalului, cum ar fi rezultatul măsurătorilor de câmp efectuate de MT, rezultate care stau la baza procedurilor de transfer, etc.
Se deosebesc două tipuri de canale de control asociate: cu acțiune rapidă (FACCH) și cu acțiune lentă (SACCH). FACCH este folosit pentru comenzi de transfer între celule sau realocare de canal în cadrul aceleiași celule. DACCH se instalează prin înlocuirea informațiilor din TCH curent cu informațiile de comandă urgentă. Biții semafor indică dacă conținutul pachetului respectiv corespunde canalului de trafic sau FACCH.
Canalele cu acțiune lentă sunt de 4 tipuri, în funcție de tipul canalului de trafic la care sunt asociate. SACCH/TF, SACCH/TH asistă TCH/F sau TCH/H, iar SACCH/C4, SACCH/C8 asigură canalele SDCCH/4 respectiv SDCCH/8. Pe sensul BSS-MS, prin SACCH se transmit comenzi pentru controlul puterii de emisie și avansul emisiei la MT. Pe sensul invers, MT răspunde transmițând nivelul puterii folosite la emisie, puterea recepționată și calitatea semnalelor de la stațiile de bază învecinate celulei curente.
În tabelul 3.6. sunt prezentate sumar diferitele canale logice și direcțiile transmisiei utilizate de ele în sistemul GSM.
Canalul logic Direcția de transmisie
TCH MS BTS
FACCH MS BTS
BCCH MS BTS
FCCH MS BTS
SCH MS BTS
RACH MS BTS
PCH MS BTS
AGCH MS BTS
SDCCH MS BTS
SACCH MS BTS
Tabelul 3.6. Canale logice și direcțiile transmisiei în sistemul GSM
3.11. Structuri de cadru
Informația, adică traficul și semnalizarea sunt ordonate în cadre după care acestea sunt mapate în interiorul ferestrelor de timp. Cadrele sunt strict organizate în structuri ce apar ca niște combinații de canale, una după alta, iar la recepție aceste date trebuie să fie prezente în orice moment de timp și trebuie organizate cu minimul de întârzieri și erori.
3.11.1. Combinații de canale
Combinațiile de canalele sunt utilizate întotdeauna cu combinații de canale fizice (timp, frecvență). Aceste combinații sunt descrise în continuare (RACH, PCH și AGCH sunt grupate în CCCH):
TCH/F+FACCH/F+SACCH/F;
TCH/H(0,1)+FACCH/H(0,1)+SACCH/H(0,1);
TCH/H(0)+FACCH/H(0)+SACCH/H(0)+TCH/H(1)+FACCH/H(1)+SACCH/H(1);
FCCH+SCH+CCCH+BCCH;
FCCH+SCH+BCCH+SDCCH/4+SACCH/4;
CCCH+BCCH;
SDCCH/8+SACCH/8;
Fiecare combinație de canale logice, cere un singur canal fizic, iar prin tehnica TDMA se pot crea până la 8 canale fizice pe o purtătoare. Este posibil să existe diferite combinații de canale pe o purtătoare. Analog, într-un cadru TDMA, ferestrele de timp sunt organizate pe o purtătoare. Există de asemenea structuri cu câteva cadre făcute pentru a fixa numărul cadrelor TDMA care permit canalelor logice să se ordoneze în interiorul ferestrelor de timp. Există o diferență mare între canalele logice care transportă date vocale și cele care transportă date pentru semnalizări (nu voce) și anume o structură cu 26 cadre este utilizată pentru combinația canalelor de trafic și o structură cu 51 cadre este utilizată pentru combinația de semnalizare.
3.11.2. Structură de cadre pentru canalele de trafic
TCH/F – Combinația 1
Primele 12 cadre (figura 3.14.) sunt utilizate la transmisia traficului de date, de asemenea pot fi utilizate pentru transmisia datelor cu 9,6;4,8 sau 2,4kbps. Urmează un cadru SACCH și apoi alte cadre pentru traficul de date, iar ultimul cadru este inactiv, pe acesta netransmițându-se nimic. Acest cadru liber oferă stației mobile timp să îndeplinească alte sarcini, așa cum ar fi măsurarea semnalelor străine de la celulele vecine, sau din propria celulă. Lungimea totală a acestei structuri cu cadre este 26 · 4,615 ms = 120 ms.
T T T T T T T T T T T T S T T T T T T T T T T T T I
T = TCH S = SACCH I = IDLE 26 cadre = 120 ms
TCH/H – COMBINAȚIA 2 SAU 3
Figura 3.14. Structura de cadre pentru TCH/F
Pentru transmisia canalelor vocale cu rata înjumătățită este nevoie tot de o structură de 26 cadre, iar în acest caz canalele sunt transmise alternativ, un canal logic utilizând alt cadru TDMA. Această structură este utilizată, dacă cele două canale cu rata înjumătățită sunt alocate la același moment de timp, așa cum este combinația 3. Dacă este necesar doar un singur canal cu rata înjumătățită, se aplică combinația 2, în care unul din două cadre este liber (unul ocupat, unul liber), pe durata cadrului liber stația mobilă având posibilitatea să în deplinească și alte sarcini.
T t T t T t T t T t T t S T t T t T t T t T t T t S
T = TCH1 S = SACCH1 t = TCH2 s = SACCH2
TCH/H – COMBINAȚIA 2 SAU 3
Figura 3.15. Structura cadrelor pentru TCH/H
FACCH a fost menționat la început ca un canal de semnalizare. Acesta e de prioritate mare, deține rutina de trafic a datelor și uneori, când este cerut, FACCH substituie în întregime sau o parte din canalul de trafic.
3.11.3. Structura cadrelor pentru semnalizare (51 de cadre)
Cadrele de semnalizare nu transprtă date vocale, iar structura cu 51 cadre este mai complexă decât cea cu 26 cadre. Vom avea câte o structură diferită pentru cele 4 combinații de canale.
FCCH + SCH + CCCH + BCCH – combinația 4
Această combinație este foarte asemănătoare ca funcționare cu canalul de control direct, din rețelele analogice. Toate canalele utilizate în această combinație pot avea direcții de la BTS la MS, sau invers. Există diferite structuri pentru ambele cazuri, atât pentru legătura directă cât și pentru legătura inversă.
Pentru legătura inversă (downlink), combinația 4 oferă spațiu pentru CCCH, care poate fi un PCH (pentru a apela MS) sau un AGCH (alocă un canal unei MS). Nu reprezintă importanță poziția ocupată de canale în structura 51 – multicadru, aceasta depinzând de semnalele necesare celulei. Totuși, canalele FCCH și SCH sunt plasate în cadre consecutive. Această construcție simplă este făcută astfel încât stația mobilă să se sincronizeze în frecvență cu canalul de bază, înainte de sincronizarea în timp a datelor. Calea directă (uplink) este utilizată doar de MS, ce transmit impulsuri de acces aleator pe canalul RACH prin care se cer alte canale de semnalizare de la stația de bază (figura 3.16.)
FCCH și SCH reprezintă canalul de bază, iar stația de bază poate transmite una din frecvențele alocate celului pe durata cadrului cu numărul 0. Frecvența transmisă prin intermediul acestei combinații de canale este utilizată ca o referință pentru celulele vecine, acestea din urmă clasificând-o pe prima (celula în care a fost transmisă frecvența), ca o celulă adiacentă.stațiile mobile din celulele vecine fac măsurători periodice să vadă cât durează frecvența în fereastra numărul 0.
F S BCCH CCCH F S CCCH F S CCCH F S CCCH F S CCCH I
0 1 2 – 5 6 – 9 10 11 12 – 19 20 21 22 – 29 30 31 32 – 39 40 41 42 – 49 50
Legătura inversă F = FCCH S = SCCH CCCH(PCH, AGCH) I = Inactiv
R R ………..…..R R……..…..R R….…..……R R……….…….R R …..………….R
0 1 10 11 20 21 30 31 40 41 50
Legătura directă R = RACH
51 CADRE = 235,38 ms
Figura 3.16. Structura cadrelor pentru combinația de canale numărul 4
FCCH + SCH + CCCH + BCCH + SDCCH/4 + SACCH/4 – combinația 5
Aceasta este o combinație minimă pentru celule mici cu unul sau două transmițătoare-receptoare. Expresia SDCCH/4+SACCH/4, sugerează faptul că sunt alocate 4 subcanale unui canal fizic. În figura 3.17. este reprezentată structura cadrelor pentru această combinație.
F S BCCH CCCH F S CCCH CCCH F S SDCCH0 SDCCH1 F S SDCCH2 SDCCH3 F S SACCH0 SACCH1 I
1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1
F S BCCH CCCH F S CCCH CCCH F S SDCCH0 SDCCH1 F S SDCCH2 SDCCH3 F S SACCH2 SACCH3 I
1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 1
legătura inversă BCCH+CCCH+4SDCCH/4 F = FCCH S = SCH
SDCCH3 R R SACCH2 SACCH3 R R ..………………………. R R SDCCH0 SDCCH1 R R SDCCH2
4 1 1 4 1 1 1 ……………………….. 1 1 4 4 1 1 4
SDCCH3 R R SACCH0 SACCH1 R R ……………………….. R R SDCCH0 SDCCH1 R R SDCCH2
4 1 1 4 1 1 1 ………………………… .1 1 4 4 1 1 4
legătura directă R = RACH + SDCCH/4
51 CADRE = 235,38 ms
Figura. 3.17. Structura cadrelor pentru combinația canalelor numărul 5
În această structură, sunt reprezentate două situații: una este legătura directă în care distanța dintre subcanalele SDCCH este de 15 cadre, cealaltă este legătura inversă în care distanța este de 36 de cadre. Se dorește să se reducă ciclul răspunsului la un multicadru. Dacă, de exemplu stația de bază comandă MS să se identifice, răspunsul poate fi trimis după 15 cadre mai târziu. Aceeași problemă se pune și pentru cealaltă direcție, cu singura diferență că rețeaua are mai mult timp alocat pentru răspuns. Avem două structuri multicadru pentru cele două direcții, iar timpul corespunzător canalului SACCH este jumătate din timpul canalului SDCCH.
CCCH + BCCH – combinația 6
Dacă o stație de bază conduce un număr foarte mare de transmițătoare-receptoare este probabil că numărul canalelor CCCH folosite în combinația 4 să nu fie suficient pentru o activitate corectă. Asignarea combinației 6 are sens să se facă doar atunci când este aplicată împreună cu combinația 4; astfel combinația 6 duce la creșterea capacității de control a combinației 4 deja existente. Combinația 4 ocupă întotdeauna cadrul cu numărul 0, combinația ocupă cadrele cu numerele 2, 4 sau 6.
SDCCH/8 + SACCH/8 – combinația 7
Dacă o celulă utilizează combinația 4, aceasta nu furnizează semnale, cu care stația mobilă să poată realiza sarcinile de bază așa cum ar fi validarea unei convorbiri și înregistrarea. Combinația 7 este făcută să furnizeze rutina de semnalizare într-o celulă, rutina pe care trebuie să o realizeze semnalele într-o celulă. Expresia SDCCH/8 + SACCH/8 arată că 8 DCCH-uri diferite pot fi utilizate cu 8 SACCH-uri în această combinație, și pot fi servite 8 legături paralele pe un canal fizic. Structura cadrelor pentru această combinație este reprezentată în figura 3.18.
SDCCH0 SDCCH1 ………………. SDCCH7 SACCH4 ….……….. SACCH7 I I I
0 3 4 7 ….…………… 28 31 32 35 …….…….. 44 47 48 49 50
SDCCH0 SDCCH1 ……………… SDCCH7 SACCH0 …………… SACCH3 I I I
0 3 4 7 .……………… 28 31 32 35 ..…………. 44 47 48 49 50
downlink SDCCH/8 + SACCH/8 I = Idle
Figura 3.18. Structura cadrelor pentru combinația canalelor numărul 7
3.11.4. Canalul difuzat într-o celulă (CBCH-Cell Broadcast Channel)
Canalul difuzat într-o celulă este privit ca o proprietate în plus a sistemului GSM și conține o parte a grupului de servicii cu mesaje scurte (SMS). Prin CBCH un operator are posibilitatea să transmită mesaje la abonații săi. Când o celulă dorește să furnizeze aceste servicii, BCCH trebuie să transmită instrucțiunile necesare recepționării CBCH care este întotdeauna localizat într-o subfereastră secundă a SDCCH independent de vreme și este transmis în combinația de canale 5 sau 6. Acest canal este transmis doar pe direcția înversă (downlink).
COMBINAȚIILE DINTRE STRUCTURILE CU 26 CADRE ȘI CELE CU 51 CADRE
Până acum, structurile multicadru 26 (canale de trafic) și structurile multicadru 51 (canale de semnalizare) au fost explicate ca niște structuri de sine stătătoare și nu s-a pus problema combinației dintre ele. Se introduce un nou format de cadru, numit supercadru cu o lungime de 51·26 = 1326 cadre, lungime ce permite supercadrului să absoarbă conținutul celor 26 și 51 de cadre. Un supercadru poate fi văzut ca o structură cu 26 de cadre, în care fiecare cadru este o structură multicadru cu 51 de cadre sau o structură cu 51 de cadre în care fiecare cadru este o structură cu 26 de cadre. La fel se introduce noțiunea de hipercadru care conține 2048 de supercadre și durează 3,5 ore. Când se descrie structura cadrelor de semnalizare e bine să se cunoască care cadru este transmis la un moment dat și dacă stația mobilă recepționează canalul SDCCH(0) sau SDCCH(2). Pentru a micșora posibilitatea ambiguității, cadrele sunt numerotate într-un mod special. Presupunem că există trei numărătoare notate cu T1, T2 și T3. Numărătorul T1 contorizează numărul de supercadre, astfel încât la completarea unui supercadru, acest numărător este incrementat cu o unitate. Numărătorul T2 contorizează numărul cadrelor ce conțin date vocale, iar numărătorul T3 contorizează cadrele de semnalizare. După 1326 cadre TDMA numărătoarele T2 și T3 sunt resetate, vor continua funcționarea din starea 0 și astfel se marchează durata unui supercadru, iar T1 este incrementat cu o unitate. Numărătorul T1 se va reseta după 2047 cadre. Dacă se cunosc valorile numărătoarelor T1, T2 și T3 atunci se știe exact ce este în fiecare cadru și în fiecare fereastră de timp. Numărul de cadre conținut de numărătoarele T2 și T3 este trimis pe canalul SCH la MS și furnizează acesteia din urmă o indicație inițială de prevalare a structurii de cadre în timp. Cu doar aceste două numere (T2 și T3) este o sarcină ușoară pentru stația mobilă să urmărească BCCH și informațiile despre sistem. Având aceste informații o stație mobilă știe când să asculte și când să facă o transmisie. Structura cu 26 cadre sau cea cu 51 cadre se aplică la o singură fereastră de timp dintr-un cadru TDMA, iar dacă o stație mobilă este comandată să oprească convorbirea în fereastra de timp 4 odată cu structura de semnalizare și să restabilească traficul în fereastra de timp 2. Aceasta este posibil, dar trebuie să luăm în considerare că avem structuri diferite în cele două ferestre (figura 3.19).
B T S TDMA Frame
0 1 2 3 24 25 0 1 2 3 47 48 49 50
Figura 3.19. Alocarea ferestrei de timp cu maparea în diferite structuri de canale
3.12. Exemplu de funcționare a unei stații mobile
Vor fi tratate următoarele probleme: 1-sincronizarea cu rețeaua, 2-localizarea datelor actualizate și 3-stabilirea convorbirii.
3.12.1. Sincronizarea cu rețeaua
Când o stație mobilă trece în starea on, trebuie să se sincronizeze cu rețeaua și reușește să realizeze această procedură în trei pași. La început, stația mobilă se sincronizează în frecvență, apoi în timp, iar în final citește datele celulei și sistemului de la canalul de bază sau de la BCCH. Această procedură este pur pasivă, pentru că nu sunt schimbate mesaje. Prima sarcină a unei stații mobile este să descopere frecvența care este transmisă pe FCCH, SCH și BCCH. În sistemul GSM, o stație de bază trebuie să transmită ceva în fiecare fereastră de timp a canalului de bază. Chiar dacă aceste ferestre de timp nu sunt alocate pentru comunicația cu orice stație mobilă, stația de bază va putea transmite impulsuri “manechin” predefinite în ferestrele de timp neocupate ale canalului de bază. Dacă stația de bază umple toate ferestrele de timp neocupate ale canalului de bază și difuzează acest canal, atunci densitatea de putere pentru această frecvență este mai mare decât densitatea oricărui canal din celulă, care are doar o parte din ferestrele de timp ocupate. Această particularitate a canalului de bază ajută stația de bază să găsească ușor frecvența. Stația mobilă scanează simplu canalele fizice cu nivele de putere aparentă ridicată. După descoperirea unuia din aceste canale cu nivele de putere ridicată, stația mobilă va căuta canalul FCCH ușor de găsit în canalul de bază. Dacă se vizualizează spectrul emis de o stație de bază cu un analizor de spectru se poate determina canalul de bază, acesta determinând o creștere a densității spectrale pentru o lățime de bandă de 270 kHz. De asemenea, canalul de bază prezintă o creștere energetică la 67 kHz de centrul densității spectrale, această creștere fiind canalul FCCH.
FCCH
947,6 MHz
Figura 3.20. Spectrul stației de bază GSM
Dacă FCCH nu este prezent, atunci canalul difuzat nu este de bază și stația mobilă se întoarce să investigheze canalul cu următorul nivel de putere ridicat. Acestă procedură se repetă până când un canal FCCH este în final găsit. După sincronizarea stației mobile cu sistemul în domeniul frecvență, urmează sincronizarea în domeniul timp. Pentru aceasta stația mobilă utilizează un canal SCH ce este cunoscut pentru că urmează canalului FCCH determinat anterior. De la canalul SCH, stația mobilă obține informații despre numărul cadrului curent și despre secvența instrucțiune a celulei. Cu această informație afișată în SCH, canalul BCCH este accesibil total stației mobile, aceasta din urmă putând citi informații despre localizarea celulei și accesarea stației de bază. această sincronizare în timp și frecvență durează între 2 și 5 secunde, dar există și situații când poate dura și 20 de secunde. Când MS este trecută în starea off, ea memorează câteva informații în cartela SIM despre frecvența canalului de bază și despre localizarea celului. Dacă stația mobilă se întoarce în starea on, ea cunoaște deja canalul de bază, procesul de sincronizare fiind în acest caz mult mai rapid.
3.12.2. Localizarea datelor actualizate
Două condiții diferite determină stație mobilă să realizeze o procedură de localizare a datelor actualizate:
forțată de către rețea;
trecerea la o nouă arie de localizare.
O rețea poate forța o stație mobilă să facă o localizare a datelor când aceasta din urmă trece în starea on. Dacă toate stațiile se autoidentifică la trecerea în starea on, atunci rețeaua va ști exact care din stațiile mobile sunt active și celulele în care se află, reducând-se traficul de semnal în rețea. De asemenea, stațiile mobile anunță întotdeauna rețeaua când trec în starea off. Dacă stația mobilă este trecută în este trecută în starea on într-o arie diferită de cea memorată pe cartela SIM, sau dacă intră într-o nouă arie, atunci inițiază o procedură de localizare a datelor actualizate, informează rețeaua despre această nouă poziție pentru a se putea ruta un nou apel de la rețeaua publică la stația mobilă. Procedura de localizare a datelor actualizate este ilustrată în tabelul 3.7 împreună cu canalele logice care sunt utilizate în timpul acestei proceduri. Înainte de schimbul de mesaje pentru procedură, MS cere un canal de semnalizare RACH pe care plasează un impuls de acces aleator. După trimiterea acestui impuls, stația mobilă ascultă canalul AGCH de la stația de bază. Dacă stația de bază nu răspunde după un timp bine stabilit, impulsul de acces aleator este repetat. După recepționarea AGCH-ului, stația mobilă comută pe noul canal ce reprezintă legătura dintre stația mobilă și stația de bază. Pe noul canal (SDCCH), stația mobilă comunică stației de bază că dorește să facă o localizare a datelor actualizate. După ce rețeaua procesează această cerere, ea va permite MS să înceapă procedura de autentificare. Dacă identificarea este corectă, rețeaua atribuie noua arie de localizare și face cunoscut mobilelor că noua localizare este încărcată în registrele VLR și HLR, iar dacă este necesar rețeaua atribuie o identitate temporară (TMSI) stației mobile. Acum procedura de localizare a datelor este făcută, iar canalul dedicat nu mai este necesar, el fiind eliberat pentru alte utilizări.
CANAL LOGIC STAȚIE MOBILĂ STAȚIE DE BAZĂ
RACH Cerere de canal
AGCH Alocarea canalului
SDCCH Cerere pentru localizarea datelor
actualizate (este transmisă pe
canalul alocat)
SDCCH Cerere de identificare de la rețea
SDCCH Răspunsul de identificare de la MS
SDCCH Cerere de transmisie în modul cifrat
SDCCH Recunoașterea modului cifrat
SDCCH Confirmarea localizării datelor
actualizate, includerea opțională a
asignării identității temporale
SDCCH Recunoașterea noii localizări și
identități temporale
SDCCH Canalul este eliberat de la rețea
Tabelul 3.7. Principiul localizării datelor actualizate
3.12.3. Stabilirea convorbirii
Dacă o stație mobilă este trecută în starea on și deja are făcută localizarea datelor actualizate, ea se află într-o stare numită inactivă cu datele actualizate (idle updated). Dacă o stație mobilă este chemată de la rețeaua publică, stația de bază primește un mesaj de avertizare pe canalul PCH, îl trimite în continuare spre stația mobilă, iar aceasta din urmă răspunde cu o cerere de canal. Întreaga procedură de stabilire a convorbirii este descrisă în continuare în tabelul 3.8.
CANAL LOGIC STAȚIE MOBILĂ STAȚIE DE BAZĂ
PCH Avertizarea stației mobile
RACH Cerere de canal
AGCH Alocare de canal
SDCCH Răspunsul la avertizarea de la rețea (acesta este deja
transmis pe canalul alocat)
SDCCH Cerere de identificare de la rețea
SDCCH Răspunsul de identificare de la stația mobilă
SDCCH Cerere de transmisie în modul cifrat
SDCCH Recunoașterea modului cifrat
SDCCH Mesaj de setare pentru începerea convorbirii
SDCCH Confirmare
SDCCH Alocarea unui canal de trafic
FACCH Recunoașterea canalului de trafic
FACCH Alertare
FACCH Conectarea mesajelor când mobilul este ridicat din cârlig
FACCH Acceptarea conectării mesajelor
TCH Schimb de date vocale
Tabelul 3.8. Principiul stabilirii convorbirii – mobil sfârșitul convorbirii
3.13. Codarea vorbirii în GSM
În sistemele radio analogice convenționale, semnalul vocal continuu de frecvență joasă, cunoscut și sub numele de semnal în banda da bază, modulează o purtătoare de radiofrecvență. Semnalul vocal poate fi găsit în amplitudine, fază sau frecvența semnalului radio transmis. Tehnicile utilizate pentru modificarea purtătoarei se numesc modulații (MA,MP sau MF). La receptor se va efectua demodularea semnalului pentru obținerea semnalului original în banda de bază. perturbațiile din canalul radio, permit adunarea efectelor lor la caracteristicile purtătoarei radio. Modulația suplimentară cauzată de către canal produce efecte auzibile, care pot deranja utilizatorul. Care este situația într-un sistem de transmisie digital? În prima parte a acestui capitol, s-a arătat că sistemul GSM utilizează tehnica TDMA, prin care nu se transmit continuu informații pe canal. Stările logice distincte într-un sistem digital, zerourile și stările de unu, sunt transmise cu câteva tehnici de modulație speciale, în schimbul unui aspect continuu de schimbare a purtătoarei. Întrucât capacitatea de transmisie pe un canal este limitată, este de dorit ca numărul biților tranmiși pe canal să fie minim. Dispozitivul care transformă vocea umană într-un semnal de date digital, transmite semnalul pe interfața radio și reface semnalul vocal analogic la recepție se numește codec vocal sau transcodor. Acesta este o parte a fiecărei stații mobile, proiectate pentru transmisii vocale. Codecurile vocale sunt prezente și în stațiile mobile ce nu transmit voce, dar transmit date sau facsimil. Funcționarea transcodorului vocal este atribuită BTS și poate fi plasat chiar și în BSC, în funcție de cerințele de proiectare. Codecul vocal cu rată întreagă, utilizat în GSM, folosește din întreg canalul alocat unei stații mobile, o fereastră de timp în fiecare cadru TDMA. Se poate folosi eventual și un codec cu o jumătate de rată, prin care se reduce la jumătate informația vocală ce circulă pe canal și astfel doi utilizatori pot folosi în același timp aceeași fereastră de timp dintr-un cadru TDMA. Două stații mobile cu jumătate de rată pot utiliza aceeași resursă, pe care o utilizează un mobil cu rata întreagă prin transmisia alternantă în fereastra de timp asignată.
3.13.1. Cerințele pentru transcoderul vocal în sistemul GSM
Transcoderul vocal nu trebuie doar să facă conversia analog-digitală și digital-analogică, ci trebuie să îndeplinească și următoarele cerințe:
● redundanța inerentă a semnalului în banda de bază, trebuie redusă semnificativ. Redundanța pentru sunetele vocale este destul de mare, și dacă ea este redusă, rămâne un timp suplimentar în care ceilalți utilizatori pot folosi canalul. În urma reducerii redundanței trebuie să se obțină o informație minimă, care codată, să permită la recepție obținerea semnalului vocal;
● calitatea transmisiei vocale în condiții de propagare radio bune (fără perturbații care să producă erori în transmisia de biți și la recepție) să fie cel puțin egală cu calitatea transmisiei în sistemul radio celular convențional în aceleași condiții;
● pauzele care apar în desfășurarea normală a conversației, trebuie detectate în ordine și se suspendă opțional transmisia radio pe durata acestor perioade. Această facilitate contribuie la reducerea traficului, reducerea interferenței între celule și creșterea duratei de viață a bateriei în telefonul portabil. Această funcționare este numită transmisie discontinuă (DTX).
3.13.2. Funcționarea transcoderului vocal în sistemul GSM
Schema bloc din figura 3.21. prezintă toate componentele cerute în procesul transcodării vocale.
A A B C la
D modulator
Microfon
Filtru Convertor Codec
trece-bandă analog/digital vocal
D E D de la
A modulator
Difuzor Filtru Convertor
trece-jos digital/analog
Figura 3.21. Procesarea semnalului audio
Transformarea vocii umane într-un semnal electric este făcută de un microfon. Dacă se realizează direct conversia semnalului într-un semnal digital, se va forța convertorul ADC să lucreze mai mult decât este necesar. Pentru a reduce această muncă în plus, semnalul este filtrat și astfel se vor obține componentele cu frecvența sub 4 kHz, iar banda de bază a semnalului vocal este restricționată la lățimea de bandă minimă (300 Hz – 3400 Hz), suficientă pentru refacerea vocii. După filtrare se va face o eșantionare a semnalului, astfel după fiecare 125 μs o valoare este eșantionată din semnalul analogic și cuantizată cu un cuvânt de 13 biți. Intervalul de eșantionare de 125μs provine de la frecvența de eșantionare de 8 kHz, ce reprezintă 8000 eșantionări pe secundă. Procesul de eșantionare și conversie analog/digitală este prezentat în figura 3.22. În acest caz cuantizarea se face cu 3 biți și se obțin doar 8 nivele diferite de cuantizare. Se folosește o frecvență de eșantionare de 8 kHz pentru că se respectă teorema eșantionării care spune că frecvența de eșantionare trebuie să fie cel puțin dublul frecvenței maxime a semnalului eșantionat. Semnalul este cuantizat cu 13 biți și vom obține 213=8192 nivele de cuantizare. O rată de 8000 eșantioane pe secundă se obține la ieșirea A din convertorul analog/digital și cum fiecare eșantion este reprezentat prin 13 biți, rezultă o rată de 8000 · 13 = 104 kbps. Această interfață în procesul de codare a vorbirii este cunoscut sub denumirea de interfață audio digital (DAI). Codorul vocal trebuie să reducă semnificativ această rată (104 kbps) prin extragerea componentelor irelevante din fluxul de date de pe interfața DAI. Sistemul GSM utilizează două procedee de reducere a redundanței traficului, ce vor fi descrise în continuare.
t t
semnal de intrare semnal eșantionat
t
semnal de eșantionare
Figura 3.22. Conversia analog-digitală prin eșantionare și cuantizare
3.13.2.1. Codor liniar predictiv și analiza regulată cu puls de excitație
La fiecare 20 ms, 160 valori de eșantioane de la ADC sunt luate și încărcate într-o memorie intermediară. O analiză a setului eșantioanelor vocale produce 8 coeficienți de filtru, și un semnal de excitare a unui invariant în timp. Acest filtru poate fi privit ca o imitare digitală a întinderii vocii umane, coeficienții filtrului reprezintă modificările vocii, iar semnalul de excitare reprezintă sunetul. O corectă setare a coeficienților filtrului și a semnalului de excitare produce un sunet specific vocii umane. Reducerea redundanței se face în 4 pași, însă aceasta nu poate fi prea mare. Cele 160 eșantioane transformate în coeficienții filtrului sunt divizate în 4 blocuri a câte 40 eșantioane fiecare (un bloc reprezentând 5 ms din voce). Acestor 4 blocuri le corespund 4 secvențe, iar fiecare secvență conține al patrulea eșantion din cele 160 eșantioane. Astfel secvența numărul 1 conține eșantioanele 1, 5, 9, 13,…, 37, secvența numărul 2 conține eșantioanele 2, 6, 10, 14,…, 38, secvența 3 conține eșantioanele 3, 7, 11, 15,…, 39, secvența 4 conține eșantioanele 4, 8, 12, 16,…, 40. Prima reducere se face atunci când codorul vocal selectează secvența cu energia cea mai mare. Acest codor liniar predictiv (LPC) și analizor cu puls de excitație regular (RPE) are o memorie de aproximativ 1ms. O considerare pe termen lung a blocurilor vecine nu este performantă în cazul de față. Există numeroase corelații în voce umană, în special pe vocalele lungi, cum ar fi vocala “a” în cuvântul “casă”, ce apar succesiv în eșantioanele din intervalul de 5 ms. Ținând cont de aceste similarități din vocea umană, codorul liniar predictiv, poate reduce semnificativ cantitatea de informații transmisă.
3.13.2.2. Analizor cu predicție pe termen lung (LTP – long term prediction analysis)
Funcționarea LTP acceptă o secvență selectată de analiza LPC/RPE, acesta va căuta dintre toate secvențele anterioare trecute pe la el (aceste secvențe vor mai sta în altă memorie intermediară pentru 15 ms) pe secvența care are corelația cea mai mare cu secvența curentă. Se poate spune de asemenea, că LTP cută o secvență dintre cele deja recepționate, pe ce mai apropiată de secvența corect recepționată de la LPC/RPE. LTP poate să transmită doar o valoare ce reprezintă diferența dintre cele două secvențe împreună cu un indicator, care spune receptorului aflat la celălalt capăt al canalului radio, care secvență dintre cele recepționate recent, trebuie selectată pentru comparație. Astfel, receptorul cunoaște ce valoare diferențială trebuie aplicată pentru o anumită secvență, și cantitatea de informație ce circulă pe canal se reduce de 4 ori. Rezultatul codorului vocal este un bloc de 260 biți (cadru vocal) la fiecare 20ms (poziția B în figura 3.22), aceasta corespunzând unei rate nete a datelor de 13 kbps, reducerea datelor făcându-se cu un factor egal cu 8. Datele vin de la codorul vocal la codorul canalului, după care vor merge la modulator în transmițător. Codorul de canal adună câteva redundanțe înapoi în fluxul de date, dar o face cu deosebită atenție și o anumită ordine, astfel încât receptorul aflat la celălalt capăt al canalului afectat de zgomot să poată corecta erorile de biți datorate canalului. Prin aceasta codorul de canal dublează rata de transmisie a datelor la valoarea 22,8 kbps. Biții cadrului vocal conțin toate informațiile necesare, pentru a valida decodorul vocal din receptor să reconstruiască semnalul vocal din datele obținute de la decodorul de canal (poziția E în figura 3.22). înainte de intrarea în codorul de canal, cei 260 de biți din fiecare cadru vocal, sunt împărțiți în diferite clase, acordându-se acestor clase de funcții și anumite importanțe. Există 3 clase ale biților vocali. Biții de clasa 1A descriu coeficienții filtrului, amplitudinile blocului și parametri LTP. Acești biți vor avea importanța cea mai mare și o protecție mare din partea procesului de codare a canalului. Următoarea clasă ca importanță, 1B (132 biți din 260), conțin indicatori RPE, pulsuri RPE și alți câțiva parametri LTP. Ultima ca importanță este clasa 2 (78 biți din 260), conține pulsuri RPE și parametri de filtru. Fluxul de 104 kbps din poziția F din figura 3.22 reprezintă reproducerea semnalului digital vocal, iar în final DAC transformă fluxul într-un semnal analogic. Filtrul trece jos plasat înaintea difozorului este necesar pentru a înlătura efectele eșantionării.
3.13.2.3. Transmisie discontinuă (DTX)
Așa cum s-a menționat la început, o altă cerință a transcodorului vocal este detecția pauzelor în vorbire. Când o pauză este detectată, trebuie să suspende transmisia radio pe durata pauzei. Opțiunea DTX duce la reducerea interferenței dintre celulele adiacente și stațiile mobile ce aparțin de aceeași stație de bază. Timpul de transmisie este redus când se utilizează transmisia DTX, consumul de putere al terminalului portabil este redus, aceasta dând posibilitatea utilizatorului să folosească terminale cu baterii mici. Pauzele în vorbirea normală ocupă cam 50% din durata unui ciclu, deci un canal telefonic este utilizat pentru transmiterea convorbirii doar jumătate din timpul convorbirii. Posibilitatea invocării funcțiilor DTX aplicate specific codecului va include două proprietăți adiționale:
● detecția activității vocale (VAD – Voice Activity Detection) – prin care se poate detecta prezența sau absența vorbirii la microfon;
● absența totală a sunetelor din receptor pentru o perioadă de timp va fi deranjantă pentru utilizatorul ce recepționează la celălalt capăt al canalului radio. Astfel utilizatorul va avea tendința să vorbească mai tare sau să închidă pe durata acestor perioade de liniște. De aceea e nevoie de un zgomot de fond minim pe durata pauzelor, zgomot numit și zgomot de confort. Acest zgomot se obține prin transmiterea cadrelor cu descriptorul de liniște (SID – Silence Descriptor) cu o rată mică la fiecare 480 ms. Recepționând cadrul SID, decodorul vocal de la recepție are o legătură falsă cu un generator de zgomot de fond. În figura 3.23 este desenat blocul folosit la codare, transmisie și decodare vocii în sistemul GSM.
TRANSMISIE
RADIO
A
D
Figura 3.23. Funcțiile de procesare a vorbirii utilizate în GSM.
3.14. Codarea canalului
Protecția transmisiei informației se realizează prin codarea canalului, acest cod aducând în plus biți de date la fluxul de date pentru a obține un mijloc de protecție a informației originale. Acesta dă datelor o mai mare securitate și există posibilitatea identificării și corectării datelor incorecte de pe traseul RF. O schemă foarte simplă de codare a canalului este să se rupă fluxul de date ce trebuie transmis în blocuri mici sau cuvinte și atunci se adună un singur bit la fiecare bloc, care spune receptorului dacă cuvântul (blocul) este corect. Tabelul 3.9 este o ilustrare a acestei metode simple de paritate, la fiecare 7 biți, un al optulea bit este adăugat, acest din urmă bit fiind egal cu suma modulo 2 a celor 7 biți. Dacă la recepție suma de paritate nu este corectă (suma este impară), atunci receptorul știe că unul din ultimii biți 7 biți transmiși este eronat. Aceasta este o metodă de codare foarte simplă, dar este folosită în comunicațiile cu fir și nu este folosită în comunicațiile radio. Prin această metodă se poate detecta dacă un bit sau doi sunt eronați dar nu pot fi detectate erorile. Pentru toate cuvintele recepționate greșit, nu se poate face o corecție a acestora, dar se poate cere o retransmisie a acestora. mecanismele de codare a canalului utilizate în GSM sunt mai complexe și vor fi explicate în continuare.
Tabelul 3.9. Respectarea parității la detectarea erorilor
3.14.1. Codarea datelor vocale
Pentru datele vocale se realizează codarea în doi pași. La început vom avea un cod bloc de codare a biților din clasa 1A, acesta fiind un cod ciclic simplu de utilizat pentru detecția erorii. Acest cod adună 3 biți de paritate la data vocală, ce reprezintă o indicație pentru decodor dacă sunt erori. Aceasta este prima etapă pentru codor și ultima pentru decodor. Etapa secundă este menținerea detecției erorilor astfel încât dacă codul bloc detectează o eroare în clasa de biți 1A, atunci toți cei 260 de biți din bloc sunt abandonați, adică blocul este trecut la codecul vocal. Când un bloc este descărcat în acest mod, codecul vocal este informat că un bloc vocal a fost descărcat și codecul va încerca să interpoleze data vocală.
Funcția a doua în codarea canalului este codarea convoluțională care adaugă biți redundanți în așa fel încât decodorul să poată detecta și corecta erorile. Acest cod este aplicat la ambele clase de biți 1A și 1B (incluzând și biții de paritate generați la clasa 1A). pentru ca un cod să poată corecta erorile, un număr cunoscut de biți suplimentari trebuie adăugat la fluxul original, acești biți numindu-se biți redundanți. Codul convoluțional aplicat în sistemul GSM, utilizează o rată de 0,5 (r = 1/2) și o întârziere de 5 (K = 5). Prin impunerea acestor parametri vor fi 5 biți consecutivi utilizați pentru calculul biților redundanti și pentru fiecare bit de date se va mai adăuga un bit redundant. După ce biții de date sunt codați, încă 4 biți vor mai fi adăugați de valoare 0 ce sunt utilizați la resetarea codului convoluțional. În figura 3.24 este reprezentat cum este generat codul convoluțional, iar în tabelul 3.10 se dă un exemplu de utilizare a generatorului. În momentul în care circuitul generator al codului convoluțional este pornit, toate celulele de memorie sunt în starea 0.
INPUT
M M M M
OUT
Figura 3.24. Cod convoluțional
Tabelul 3.10. Exemplu de cod convoluțional
În figura 3.25 este reprezentată schema completă de codare a canalului pentru toți biții vocali. Este interesant de observat că clasa 2 de biți cu importanța cea mai mică, nu are o protecție deosebită. În această schemă 189 biți intră în codorul convoluțional, 2·189 = 378 biți se obțin la ieșire și 78 biți din clasa 2 sunt adunați la 378 obținându-se 456 biți. Acest număr de biți reprezintă 4 timpi de câte 144 biți, 114 fiind numărul biților dintr-un cadru sau 8 timpi de câte 57, ce reprezintă numărul biților puși într-un subbloc.
Codarea bloc a
clasei 1A Clasa 1A Clasa 1B Clasa 2
( 3 CRC biți ) 50 biți 132 biți 78 biți Figura3.25. Codul bloc și convoluțional
al datelor vocale cu rată întreagă
50 biți 3 132 biți 4
378 biți 78 biți
3.14.2. Reordonarea, restructurarea și internivelarea
Se știe că cei 456 biți se potrivesc perfect în 4 ferestre de timp. Dacă aceste date sunt introduse în 4 impulsuri consecutive, atunci întregul bloc vocal ar fi susceptibil la pierderile unui impuls. Impulsurile au în mod obișnuit pierderi pe canalele radio, aceasta putându-se întâmpla, de exemplu, pe durata trecerii stației mobile printr-un tunel sau pe durata oricărui tip de interferență.
Pentru a micșora acest risc de a avea pierderi, datele sunt împrăștiate pe un spațiu mai mare de 3 impulsuri, astfel cei 456 biți sunt împrăștiați în 8 impulsuri de câte 57 biți fiecare.
Datele nu sunt puse în ordine în aceste subblocuri, dar sunt reordonate înainte ca ele să fie împachetate într-o fereastră de timp. Prin acest procedeu, descrește probabilitatea ca întregul grup de biți consecutivi să fie distrus pe canalul radio. Cei 456 de biți sunt împărțiți în 8 subblocuri în următorul fel:
bitul numărul 0 intră în subblocul 1
bitul numărul 1 intră în subblocul 2
Se continuă în acest mod până când toate subblocurile sunt ocupate. Această procedură de punere a biților în subblocuri este numită reordonare-restructurare, iar împachetarea subblocurilor în 8 impulsuri este numită internivelare diagonală.
Tabelul 3.11. Schema de reordonare pentru un canal de trafic
Biții de ordin par
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Figura 3.26. Internivelarea diagonală a datelor vocale
3.14.3. Codarea canalelor ce transmit date (nu transmit date vocale)
Schema de codare pentru canalele ce utilizează date este foarte complexă, biții de date trebuind să fie protejați într-un mod superior fața de biții datelor vocale. Un singur bit eronat în data vocală dă naștere la pierderi într-un cadru vocal și deci nu este catastrofal.
3.14.3.1. Canalul cu rata 9,6 kbps
Fluxul de biți este divizat în 4 blocuri de 60 de biți fiecare pentru un total de 240 biți, ce sunt codați întotdeauna cu un cod convoluțional. La codarea datelor vocale, codul bloc nu este aplicat anterior codului convoluțional, pentru că detecția erorii este deja îndeplinită de echipamentul terminal. Întotdeauna, prin aplicarea codului convoluțional sunt adăugați 4 biți de valoare 0 pentru resetarea codorului. Parametrii codului convoluțional sunt aceeași cu cei de la datele vocale, adică 1/2 iar întârzierea 5.
Astfel codul acceptă 244 biți dând la ieșire 488 de biți. Deci față de cei 456 biți utilizați în schema de codare există un exces de 32 biți. Deoarece fiecare bit de date are mai multă importanță decât fiecare bit din datele vocale, schema de internivelare pentru date va fi mult mai complexă decât cea utilizată la codarea datelor vocale. Internivelarea acoperă 22 de cadre, folosite fiind numai 19. Deoarece în sistemul GSM un subbloc este o entitate de 114 biți, fiecare impuls din cele 19 va conține 6 biți (19·6 = 114). Pentru 456 biți nu se pot folosi doar 22 de impulsuri fiind necesară o schemă de mapare mai complexă. Astfel, schema desparte blocul de 456 biți în 16 părți de câte 24 biți fiecare, două părți a câte 18 biți fiecare, două părți a câte 12 biți fiecare și două părți a câte 6 biți fiecare. Un impuls conține informații de la 5 sau 6 blocuri de date consecutive, în următorul mod: 4 părți de 24 biți fiecare (96biți) și o altă parte de 18 biți, sau o parte de 12 biți și o parte de 6 biți. Primul și al 21-lea impuls conțin 6 biți fiecare, următorul și al 19-lea conțin 12 biți fiecare, al 3-lea și al 20-lea impuls conțin 18 biți fiecare. Cele 6 impulsuri sunt utilizate din plin, iar în cele 16 impulsuri care rămân putem pune câte 24 biți. Efectuând calculul rezultă că toți cei 456 biți sunt incluși în 22 cadre de trafic (figura 3.27.).
K K+1 K+2 K+3 Numărul impulsului
Contribuția diferitelor blocurilor consecutive
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5
Figura 3.27. Schema de transmisii de date pe același canal cu rata de 9,6 kbps
9,6 kbps
240 biți ( = 12 kbps ) 4
Cod convoluțional r = 1/2, k = 5
488 biți codați
Renunțarea la 32 biți codați
456 biți codați
Figura 3.28. Schema de codare pentru transmisia de date cu rata de 9,6 kbps
3.14.3.2. Canalul cu rata de 2,4 kbps
O schimbare în schema de transmisii de date pe același canal cere o implementare diferită a nivelului fizic, devenind mai dificilă și mai scumpă obținerea diferitelor servicii cu o singură stație mobilă. Pentru a respecta aceste cerințe se va folosi aceeași schemă de transmisii pe același canal, același cod convoluțional, însă cu parametrii diferiți: rata 1/6, iar întârzierea 5. Datele vin de la echipamentul terminal cu o viteză de 3,6 kbps fiind deja corectate de codul de corecție. Datele codate sunt divizate în blocuri de 72 de biți, la care sunt adăugați 4 biți de 0, întârzierea fiind 5. Codul convoluțional transformă 76 biți de la intrare în 76 x 6 = 456 biți de ieșire codați ce sunt mapați în 8 subblocuri, în același mod ca la codarea vocală. În figura 3.29 este reprezentat codul convoluțional pentru canalul de date cu rata de 2,4 kbps.
2,4 kbps
codare în echipamentul terminal
72 biți ( = 3,6 kbps ) 4
Cod convoluțional r = 1/6, k = 5
456 biți codați
Figura 3.29. Schema de codare pentru transmisia de date cu rata de 2,4 kbps
3.14.4. Codarea canalelor ce transmit semnalizări
Datele de semnalizare au o importanță mult mai mare decât datele utilizatorilor (cele vocale), ce pot să apară în rețea. Informația de semnalizare conține un maxim de 184 biți ce trebuie să fie codați și nu se face nici o diferențiere dacă tipul informației de semnalizare este conținut într-un canal BCCH, PCH, SDCCH sau SACCH, pentru că formatul acestor canale este întotdeauna același, formatele speciale fiind rezervate pentru SCH și RACH. Schema de codare este împărțită în doi pași: primul pas este un cod bloc care trebuie să detecteze și să corecteze erorile adunând 40 biți de paritate la cei 184 biți, rezultând astfel 224 biți codați; pasul următor este codul convoluțional cu aceiași parametri utilizați la codarea canalului de trafic (rata 0,2 și întârzierea 50). Codul dublează numărul de biți de intrare și adună încă 4 biți de resetare a codorului, obținându-se 456 biți. Aceștia sunt împărțiți în subblocuri, primele 4 subblocuri conținând biții de ordin par, iar următoarele 4 subblocuri conținând biții de ordin impar (figura 3.30 și tabelul 3.12).
Biții
pari
Biții
impari
Nr. impulsului 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Figura 3.30. Schema cocanalizării pentru semnalizări
Tabelul 3.12. Schema de reordonare pentru un canal de semnalizare
Revenind la structura multicadru, se observă că există întotdeauna 4 cadre TDMA consecutive ce conțin canalele BCCH, CCCH, SDCCH sau SACCH. Explicația este că cele 4 cadre consecuțive transportă blocul complet al informațiilor de semnalizare pe un canal de semnalizare, între aceste cadre neexistând date vocale. Revenind la structura cu 26 de cadre se observă că SACCH ocupă doar un cadru TDMA din cele 26 de cadre, iar conținutul lui poate fi stocat oriunde până în momentul în care 4 impulsuri SACCH vor fi citite. Figura 3.31 înglobează diferite scheme de codări și cocanalizări pentru diferite canale logice de semnalizare și de trafic pentru nivelul fizic.
BCCH, PCH, AGCH,
TCH/F FACCH SDCCH,SACCH SCH, RACH DATA TCH
1
2
Figura 3.31. Schema de codare și cocanalizare
3.14.5. Cifrarea
Cifrarea este aplicată după codarea diferitelor canale logice și este independentă de tipul canalului: de semnalizare sau de trafic. Detaliile despre cifrare sunt secrete sau prezintă ca principiu metoda cifrării care constă în sumarea XOR. Secvența de date ce trebuie transmisă este sumată XOR cu o cheie care este cunoscută la recepție și în acest mod se obțin datele (tabelul 3.13).
Tabelul 3.13. Principiul cifrării
3.15. Modulația digitală
După digitizarea, codarea și cifrarea semnalului vocal și a semnalizărilor, urmează o modulație digitală prin care o purtătoare radio este modulată de semnalul digital. Informația digitală poate modula diferite caracteristici ale purtătoarei, cum ar fi amplitudinea (MA), frecvența (MF) sau faza (MP), aceste modificări făcându-se sincron cu informația digitală. Caracteristicile canalului ce suportă transmisia, precum și tipul aplicației, determină tipul de modulație ce se va folosi (modulațiile digitale cele mai cunoscute sunt ASK, FSK și PSK). Perechea modulator-demodulator se numește modem, iar informația ce modulează purtătoarea este binară.
3.15.1. ASK, FSK și PSK
Dacă se realizează deplasarea amplitudinii purtătoarei, în funcție de informația binară, modulația se numește ASK. Dacă amplitudinea purtătoarei este comutată între două condiții: full on și full off are loc practic o deplasare între două purtătoare: o purtătoare care este întotdeauna prezentă și una care nu este niciodată prezentă. Dacă informația binară deplasează frecvența, aceasta este echivalentă cu deplasarea între două sau mai multe purtătoare cu frecvențe diferite. Această modulație se numește FSK și în mare măsură este utilizată în sistemele analogice celulare pentru funcțiile de semnalizare. Ca și la FSK se poate realiza deplasarea între două purtătoare ce diferă între ele prin fazele lor relative. Acest tip de modulație este cunoscut sub numele de PSK.
3.15.2. Reprezentarea I/Q
O purtătoare se poate reprezenta ca un rotitor în I/Q, unde I reprezintă partea în fază a vectorului în orice moment de timp, iar Q contribuția în cuadratură, iar lungimea vectorului reprezintă nivelul de ieșire. Dacă are loc o rotire a vectorului purtătoarei în planul I/Q, se rezolvă o funcție cosinus pe direcția I și o funcție sinus pe direcția Q. Dacă purtătoarea este modulată ușor FSK, nu se va observa o schimbare în reprezentarea I/Q, iar rata de rotire a vectorului se modifică așa cum se modifică valoarea frecvenței. Dacă puterea de transmisie crește, în planul I/Q va crește diametrul cercului de vectorul rotitor, iar dacă purtătoarea nu este modulată, atunci ea este o formă de undă continuă (CW) și cercul în planul I/Q apare ca în figura 3.32. Pentru o modulație ASK cercul din planul I/Q va arăta ca în figura 3.33.
Q Q
Vectorul rotitor al purtătoarei
I I
Figura 3.32. Undă constantă sau Figura 3.33. Modulație în amplitudine
modulație în frecvență
3.15.3. BPSK (Binary Phase Shift Keying)
Ca un exemplu, se consideră o modulație BPSK reprezentată în figura 3.34, cu doar două purtătoare care diferă între ele prin fază. Deplasarea între aceste două purtătoare se face în funcție de rata datelor, iar purtătoarele diferă între ele cu o fază de 180º.
Q
0 1 I
Figura 3.34. BPSK
3.15.4. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
În cazul QPSK avem 4 purtătoare cu 4 faze diferite și se va obține o eficiență maximă la demodulare dacă unghiul dintre două purtătoare este de 90º. Reprezentarea I/Q este cea di figura 3.35, fiecare purtătoare fiind plasată în câte un sfert de cadran. În reprezentarea I/Q fiecare fază este numită simbol și fiecare simbol în cazul figurii de mai jos reprezintă 2 biți.
Q
10 00
I
01
Figura 3.35. QPSK
3.15.5. Biți și simboluri
În exemplul anterior avem 4 faze purtătoare, fiecare fază reprezentând un simbol format din 2 biți: 00, 01, 10, 11. La receptor, pe baza biților recepționați se va stabili succesiunea fazelor. Numărul biților ce constituie un simbol poate fi foarte mare; dacă luăm cazul modulației 16 QAM, există atât deplasare în amplitudine cât și în fază, și pentru fiecare simbol există un punct distinct în planul I/Q. Dacă numărul de biți pentru fiecare simbol crește, trebuie să existe o susceptibilitate mai bună a semnalului la zgomot și mai multe cerințe pentru a obține o acuratețe la receptor. Creșterea numărului de biți pe simbol, duce la un număr mare de puncte în planul I/Q și diferențele dintre faze devin foarte mici. Interferențele în canalul radio crează schimbarea amplitudinii și a fazei purtătoarei ducând la erori. Modulația în GSM folosește doar un bit pe simbol.
3.15.6. Zgomot și erori
Când un semnal este transmis de la transmițător la receptor, zgomotul se va adăuga la semnal. În cazul modulației digitale, zgomotul se va adăuga la componenta I sau Q sau cel mai probabil la ambele componente, modificând amplitudinea acestor componente. Dacă zgomotul adăugat este de amplitudine suficientă, poziția rezultantă a vectorului la schimbarea fazei în timp, poate apare într-un alt loc în planul I/Q rezervat pentru un simbol diferit. În acest caz este dorit ca zgomotul să aibă amplitudinea mică și dacă raportul dintre energia fiecărui bit (Eb) și puterea zgomotului raportată la lățimea de bandă (No), Eb/No crește, problemele erorilor pot fi foate mici.
3.15.7. GMSK (Gaussian Minimim Shift Keying)
Modulația specifică pentru sistemul GSM este GMSK cu BT = 0,3 și rata 270516 kbauds. GMSK este un tip de modulație FSK cu anvelopă constantă unde frecvența modulată este rezultatul unei modulații da fază făcută cu atenție. Cea mai importantă proprietate a GMSK este anvelopa constantă a acestui tip de modulație, proprietate ce face potrivită utilizarea amplificatoarelor de înaltă eficiență. Un mod ușor de a înțelege semnalul GMSK este prezentarea mai întâi a semnalului MSK. Obținerea acestui semnal este reprezentată în figura 3.36. În figură startul se dă cu un flux de date intitulat “data” care va modula purtătoarea în modul MSK. Fluxul de date este reprezentat de 10 biți ce au valorile 1101011000 și în continuare va fi divizat într-un flux de biți pari și impari. Aceste fluxuri se obțin din “data” prin alegerea biților pari și impari, durata pe care o are în timp fiind de două ori mai mare, iar valorile biților fiind +1și –1. Prin utilizarea acestor două fluxuri se creează un semnal cu o purtătoare cu AM minimă. Formele de undă a patra și a cincea sunt versiunile de înaltă frecvență, respectiv de joasă frecvență ale purtătoarei. Atunci GMSK este o formă a MSK având două versiuni ale purtătoarei ce diferă prin frecvență. Semnalul MSK se obține începând cu bitul 2, cu ajutorul tabelului 3.14, forma de undă rezultantă MSK fiind a șasea formă de undă din figura 3.36.
1 1 0 1 0 1 1 0 0 0
Data
Biți
impari
Biți
pari
Frecvența
“H”
Frecvența
“L”
MSK
Figura 3.36. Generarea MSK
Tabelul 3.14. Tabel de adevăr MSK
Cele două purtătoare de frecvență, “high frequency” (H) și “low frequency” (L) trebuie să fie ortogonale pentru un timp egal cu Tbit. Cele două forme de undă, sin ωH(t) și sin ωL(t) sunt ortogonale dacă
în radio ortogonal putând însemna că există diferență între cele două forme de undă sau nu se confundă una cu cealaltă. În cazul sistemului GSM cele două frecvențe, H și L diferă una față de cealaltă prin rata datelor, a formelor de undă modulate. La o rată de 270,833 corespunde o frecvență de 135,4 kHz, la jumătate de rată frecvența este de 67,7 kHz, indexul de modulație fiind η = 67,7/135,4 = 0,5. Pentru a obține un semnal GMSK trebuie să plecăm de la un semnal MSK, iar formele de undă ale datelor filtrate cu un filtru gaussian cu BT = 0,3 (B = 81,3 kHz, T = 3,7 μs). Dacă în figura 3.36 înlocuim fluxul de date “data” cu o secvență de biți nuli “00000000000” și apoi cu un flux de date “0101010101”, se vor obține formele de undă “high frequency” sau “low frequency”. Aceste două exemple demonstrează natura FM a semnalului MSK cât și nevoia câtorva biți de valoare nulă pentru recepție. GMSK netezește faza tranziției de la un bit la următorul atunci când tranziția rapidă este complet activată. În figura 3.39 este reprezentată o funcție numită codor diferențial ce folosește un tabel de adevăr similar cu cel pentru obținerea semnalului MSK. Această codare diferențială a datelor este utilizată pentru două motive:
● necesitatea unei demodulări coerente: codarea diferențială transferă receptorului responsabilitatea de a avea propria referință de fază, deoarece datele nu ascund această referință de fază în propria fază, ci în modificările acesteia;
● alocarea (atribuirea) unei polarități simbolurilor; în acest caz simbolurile “0” și “1” devin “+1”, respectiv “-1”.
MSK este măsurat cu traiectoria frecvenței sau cu traiectoria fazei corespunzătoare. În evoluția fazei se observă prezența câtorva unghiuri ascuțite și absența deplasărilor bruște ale fazei, aceste tipuri de modificări ducând la dispariția zonelor de modulație AM (figura 3.41). În continuare datele vor fi filtrate cu un filtru gaussian pentru a reduce suplimentar modulația AM și lățimea de bandă ocupată. Figura 3.42 prezintă cazurile MSK și GMSK pentru date codate diferențial și traiectoria fazei rezultate. Prin introducerea filtrului se observă o netezire a unghiurilor ce apar la tranziția fazei. Ca un sumar, orice purtătoare modulată, chiar și prtătoarea GMSK poate fi exprimată cu relația:
unde ω0(t) este frecvența purtătoare, θ(t) este faza, iar a(t) este amplitudinea. În cazul sistemilui GSM, ω0(t) este dictată de rețea în timpul transferurilor și de aspectele FDMA ale sistemului; amplitudinea a(t) este controlată pentru a preveni suprapunerea canalelor și interferența cu canalele adiacente. Singurul parametru rămas pentru modulare este θ(t) prin care se poate realiza o deplasare a frecvenței, modulatorul GMSK asemănându-se din acest motiv cu OQPSK, numai că simbolul nu este format din 2 biți, ci doar dintr-un singur bit.
h(t) H(F)
t/F
Figura 3.37. Caracteristicile unui filtru gaussian
RF cosωt
I
Date codate u(t)
diferențial ∫
Integrator FTJ Gaussian Q
RF -sinωt
Figura 3.38. Modulatorul GMSK
Simb. n
x y
Simb. n-1
Figura 3.39. Codorul diferențial și tabelul de adevăr
1
DATA
0
+ΔP
-ΔP
Figura 3.40. Traiectoria frecvenței – MSK
1
DATA
0
+180º
+90º
0º
-90º
-180º
Figura 3.41. Traiectoria fazei – MSK
1
DATA
0
+180º
+90º
0º
-90º
-180º
Figura 3.42. MSK – GMSK – Traiectoriile fazelor
3.16. Saltul de frecvență
Propagarea semnalului radio și calitatea corespunzătoare legăturii vocale sunt influiențate de mediul înconjurător. Pentru ca stația de bază să poată valida toate frecvențele într-o celulă se introduce saltul de frecvență (slow frequency hopping = SFH), deoarece frecvența de operare este schimbată cu fiecare cadru TDMA. Saltul de frecvență rapid (FFH) este utilizat în sistemele cu spectrul extins, schimbarea frecvenței de operare se face de mai multe ori pe durata unui simbol, deci de mai multe ori într-un cadru TDMA. Pentru saltul de frecvență SFH în stațiile mobile există sintetizatoare care vor schimba frecvența de mai multe ori în fiecare cadru și vor monitoriza celulele vecine, astfel încât saltul de frecvență să nu producă interferențe între canale. Pentru a funcționa bine, un sintetizor de frecvență trebuie să fie capabil să schimbe o frecvență și să valideze una nouă într-un timp de aproximativ 557μs. Stația mobilă realizează saltul de frecvență atunci când ajunge la marginea celulei sau atunci când intră într-o arie de interferență ridicată. Stației mobile îi pot fi atribuite diferiți algoritmi de salt de frecvență. Unul din acești algoritmi este saltul ciclic în care saltul este făcut direct de la un capăt la celălalt al unei liste de frecvențe atribuite: este atribuită prima frecvență, apoi a doua, a treia, până când lista se repetă. Un alt algoritm general este saltul aleator în care saltul este făcut într-un mod oarecare direct din lista de frecvență. Când stația mobilă își asumă saltul de frecvență, informează sistemul despre canalul atribuit, algoritmul utilizat, informarea făcându-se cu un număr de secvențe de salt de frecvențe. Canalul de bază nu este folosit la salt, el transportă FCCH, SCH, și BCCH și este canalul prin care stația mobilă măsoară periodic semnalele din celulele vecine, se realizează sincronizarea. FCCH, SCH și BCCH există doar în fereastra de timp numărul zero a canalului de bază, celelalte ferestre fiind ocupate de câteva tipuri de date pentru controlul puterii. Există două implementări diferite pentru saltul de frecvență în stația de bază – unul din acești algoritmi este saltul în banda de bază, utilizat dacă stația de bază are câteva transmițătoare-receptoare, fiecare dintre acestea operând pe o frecvență fixă în concordanță cu frecvența de salt atribuită; – o altă implementare este sintetizorul de salt –în acest caz stația de bază are unul sau două transcievere, iar saltul de frecvență este făcut de transciever.
C A P I T O L U L I V
C O N C L U Z I I
Lucrarea a analizat pricipalele aspecte ale sistemului de radiotelefonie celulară GSM, principii și caracteristici generale, în special cele legate de nivelul fizic al acestui sistem. Este evident că problemele pe care le ridică înțelegerea și realizarea unui sistem de radiocomunicații mobile de o complexitate tehnică relativ mare, impun o studiere mult mai amănunțită a componentelor sistemului și a filozofiei acestuia.
De asemenea, de o complexitate mare sunt problemele legate de analiza traficului în sistemele celulare, de propagare și recepție în condiții de oraș, etc., aspect care nu face obiectul acestei lucrări, dar care merită o abordare corespunzătoare.
Introducerea în țara noastră a sistemului NMT 450 și mai ales a sistemului GSM și ținând cont de extinderea rapidă a acestuia din urmă în Europa și în alte zone ale lumii impune o sporire a atenției pe care specialiștii în comunicații să o acorde diferitelor aspecte ale acestui sistem.
Dezvoltarea sistemului GSM este foarte rapidă și în scurt timp este posibil ca acesta să ajungă să devină un sistem de comunicații universal. Se preconizează, de asemenea, ca până în anul 2000, GSM să ofere o gamă largă de noi servicii, deja specificate în faza 2+, cum ar fi:
ASCI (Advanced Speech Call Items) care aduce o serie de servicii noi de fonie cum ar fi: serviciul de difuziune celulară vocală, serviciul de apel pentru un grup și serviciul de prioritate în stabilirea apelurilor.
GPRS (General Cacket Radio Services) va introduce un tip nou de servicii de date, exploatând o structură de pachete a mesajelor care este mai puțin restrictivă asupra întârzierilor absolute și relative între pachete. GPRS poate aloca dinamic până la 8 canale temporale pentru un utilizator mobil.
CAMEL (Customised Application for Mobile Networks Enhanced Logic) asigură infrastructura necesară operatorilor pentru a oferi servicii noi, chiar dacă abonatul părăsește rețeaua de înregistrare.
Compresia datelor conform standardului V42bis cu o capacitate de compresie de 2 până la 3 ori pentru text obișnuit.
Comunicație de date prin circuite de mare viteză (HSCSD) prin asigurarea de 8 canale temporale pentru un utilizator.
HSCSD, GPRS și ASCI pot fi privite ca posibile servicii pentru UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).
Este important de înțeles rolul uriaș pe care îl au agențiile naționale din domeniu și societățile concurente din sfera serviciilor de dezvoltare de noi sisteme de radiocomunicații, de servicii și tehnologii. Atâta vreme cât utilizarea spectrului radio este controlată de organisme guvernamentale și nu de operatorii de rețele, fabricanții de echipamente sau cercetători, politica din domeniul tehnic este un alt element fundamental în evoluția spre noi tehnologii și servicii. Pentru un guvern care dorește să păstreze industria națională competitivă într-un domeniu cu o evoluție atât de rapidă ca cel al comunicațiilor mobile, implicarea progresivă în dezvoltarea tehnologiei este vitală.
B I B L I G R A F I E
ION BOGDAN Sisteme celulare pentru comunicații mobile,
Editura Matrix Rom, București, 1998.
ION BOGDAN Comunicații mobile, Note de curs,
Universitatea Tehnică “ Gheorghe Asachi “
Iași, 1998.
* * * Revista Telecomunicații, pag. 18 – 23,
nr. 2/1992.
* * * Revista Telecomunicații, pag. 7 – 17,
nr. 1/1993.
* * * Revista Telecomunicații, pag. 22 – 37,
nr. 2/1997.
RAYMOND STEELE Mobile Radio Communications, Publishers
London, 1997.
=== DESEN1 ===
1 hipercadru = 2048 supercadre ( 3 h 28 min 53 s 760 ms )
0 1 2 3 4 5 6 2041 20422043 2044 20452046 2047
= 51 multicadre ( fiecare a 26 cadre )
1 supercadru = 1326 cadre ( 6,12 s ) = 26 multicadre ( fiecare a 51 cadre )
0 1 2 3 47 48 49 50
0 1 24 25
1 multicadru = 26 cadre TDMA ( 120 ms ) 1 multicadru = 51 cadre TDMA ( 235,385 ms )
0 1 2 3 22 23 24 25 0 1 2 3 47 48 49 50
1cadru TDMA=8 ferestre de timp de 4,615 ms
TB – biți pentru delimitare
( tail bits )
GP – perioadă de protecție 0 1 2 3 4 5 6 7
( guard period ) 1 fereastră de timp = 0,577 ms ( 156,25 biți )
Informații curente TB Biți cifrați Secvență de recuperare Biți cifrați TB GP
3 58 26 58 3 8,25
Corecția de frecvență TB 3 Biți ficși 142 TB3 GP8,25
Corecția de sincronizare TB Biți cifrați Secvență de sincronizare Biți cfrați TB GP
3 39 64 39 3 8,25
Informația de acces TB Secvență de sincronizare Biți cifrați TB GP
8 41 36 3 68,25
Figura 3.5. Structura în timp a unui hipercadru utilizat în sistemul de radiotelefonie mobilă digitală GSM
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Nivelul Fizic AL Sistemului DE Comunicatie Gsm (ID: 161313)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.