Tipuri de antene folosite în 3G. Interfețe utilizate de sistemele UMTS [628069]

Temă nr.25
Tipuri de antene folosite în 3G. Interfețe utilizate de sistemele UMTS

Grup a 445C
Costache Radu
Sandu Maria -Lucia
Stan Teodor
Stoica Ioana
Vasile Vlad

Cuprins

I. Introducere în 3G
1.1 Arhitectura generală UMTS
1.2 Echipamente din arhitectura UMTS

II. Interfețe utilizate de sistemele UMTS
2.1 Interfețe radio
2.2 Interfețe interne
2.2.1 Interfața Iur
2.2.2 Interfața Iub
2.2.3 Interfața Iu

III. Antene folosite în tehnologia 3G

IV. Simularea unor antene

V. Bibliografie

I. Introducere în 3G

După 2G și 2,5G, următoarea generație de tehnologie de telecomunicație mobilă este 3G.

Serviciile 3G realizează transferul a două tipuri de informații: voce și date. Acest tr ansfer se bazează
pe un set de standarde pentru dispozitivele mobile și pentru rețelele de telecomunicații mobile, care
respectă specificațiile Internaționale pentru Telecomunica ții-2000(IMT -2000).
UMTS (Universal Telecommunications System) este un standar d de comunicație radio mobil ă 3G
care are la bază standardul GSM.
Acesta permite utilizatorului să acceseze o gamă largă de servicii, cum ar fi serviciile multi -media,
având rate de transmisie a datelor mari.
O altă îmbunătățire care apare în cazul aceste i tehnologii este reducerea costurilor terminalelor,
având dimensiuni mici și fiind ușor de utilizat. Pe lângă aceast a se îmbunătățește și calitatea vorbirii.

1.1 Arhitectura generală UMTS:

UMTS este alcătuită din 3 părți și anume: UE sau U ser Equipment, UMTS RAN sau UTRAN
(Universal Terrestrial Radio Access Network) și Core Network. Între UE și UMST RAN se află o
interfață Uu, interfaț ă radio, iar între UMST RAN și Core Network avem interfața Iu.
Din câte se poate observa și în schem a generală a aceste arhitecturi, în interiorul UMTS RAN mai
există două interfețe și anume Iub și Iur.

1.2 Echipamente din arhitectura UMTS
În continuare vom prezenta echipamentele care alcătuiesc arhitectura UMTS.
UE sau U ser Equipment este responsabil cu procesarea semnalului radio și reprezintă practic,
interfața dintre utilizator și rețea, fiind un echipament terminal, adică ME sau Mobile Equipment. Acesta
încorporează stack -ul de protocol al interfeței radio, dar și elementele de operare pentru interfața
utilizato rului. Tot aici găsim și un slot în care se află un “Universal Subscriber Identity Module”, zis și
USIM. Acest cip conține informații specifice utilizatorului și cheia de autentificare, care permite accesul
utilizatorului la rețea.
Infrastuctura rețelei f ixe care conține facilitățile pentru transmiterea radio se numește Radio Access
Network (RAN). Aceasta încapsulează toate sarcinile legate de transmiterea informațiilor prin radio.
În continuare vom vorbi despre echipamentele pe care le conține UMTS RAN.
RNS(Ra dio Network System) reprezintă sistemul de echipamente al stațiilor de bază, care conține
unul sau mai multe Node B, care sunt, de fapt stații de bază(BS), dar și un RNC(Radio Network
Controller). Între Node B și RNC legătură se realizează cu ajutorul unei interfețe de tip Iub. În UMTS
RAN, RNS comunică cu un alt RNC printr -o interfața de tip Iur.

RNC(Radio Network Controller) contoleaz ă stațiile de bază din interiorul RNS -ului(Node B)și se
ocupă de funcționarea centralizată a acestuia. Prin intermediul int erfețelor Iu, Iur și Iub , realizează
schimburile de protocoale între echipamente .
Node B corespunde stației de bază de transmițător(BTS) din GSM. Un Node B poate gestiona una
sau m ai multe ce lule și e conectat cu RNC printr -o interfață Iub. Alături de si stemul de ante nă, acest
echipament include un recetor CDMA , care convertește semnalele interfeței radio într -un flux de date ,
care apoi e transmis mai departe la RNC. În sens invers , CDMA pregătește datele prim ite, pentru
transport prin interfața radio și îl gh idează spre amplificatorul de putere .
Core Network face legătura între informațiile transmise de utilizatori și destinație, fiind o arie largă
de rețea. În interiorul acesteia se găsesc mai multe echipamente precum sisteme de comutare, dar și
gateway -uri către alte rețele, de exemplu: rețele integrate de servicii digitale (ISDN) sau internet.
Conține și ba ze de date care realizează managementul mobilității și transportul pachetelor de date din
internet .
Între UMTS RAN și Core Network există un alt tip de interfață, mai exact Iu, care leagă RNC -ul
conținut de RNS, de Rețeaua de bază(Core Network).

II. Interfețe utilizate de arhitecctura UMTS

Aceste interfețe sunt clasificate în două categorii:
2.1.Interfața radio
2.2.Interfețe interne

2.1.Interfa ța radio
Această interfață este cea mai importantă dintre toate datorită faptului că realizează legătura
dintre stațiile de bază(numite Node B -uri) și terminalele mobile. Din punct de vedere conceptual,
interfața radio este împărțită în două plane: Planul de control și Planul utilizatorului.
Planul de control (Control Plane) : acest plan este responsabil cu semnalizarea .
Planul utilizatorului (User Plane): acest plan realizează transmiterea efectivă a datelor pentru
utilizatori .
Cele două plane prezentate mai sus au o arhitectură care se împarte în trei nivele(layer):
– L1-nivelul fizic(physical layer): realizează comunicarea prin intermediul canalului de transport.
Mai exact, realizează adaptarea informațiilor de la canal ul logic în scopul obținerii accesului la mediul
de transmisiune radio.
– L2-nivelul legătură de date(data link layer): acest nivel are în componen ță două substraturi și
anume: MAC(Medium Access Control) și RLC(Radio Link Control).
– L3-nivelul rețea(network layer): acesta este structurat în mai multe subnivele, cel mai jos
subnivel fiind RRC, care asigur ă interfață cu nivelul L2 .

Din punct de vedere schematic, protocoalele pe interfața radio sunt reprezentate în figură de mai
jos:

Acces multiplu pe interfața radio
Accesul multiplu pe interfața radio se poate realiza în următoarele moduri:
– DS-CDMA de bandă largă cu separare în timp, WCDMA(TDD -Time Division Duplexing) cu
următoarele benzi de frecvență: 1920 -1980MHz -downlink și 2110 -2170MHZ -uplink.
– DS-CDMA de bandă largă cu separare în frecvența, WCDMA(FDD -Frequency Division
Duplexing) cu următoarele benzi de frecvență: 1920 -1980Mhz -downlink și 2110 -2170MHz -uplink.
Semnalele fizice care se pot transmite prin intermediul antenei sunt convertite prin
intermediul procesului de modulație pe frecvența purtătoare corespunzătoare. Sunt folosite următoarele
tipuri de modulații digitale: 16 -QAM(Quadrature Amplitude Modulation) și QPSK(Quadrature Phase
Shift Keying).
Comparând cele două moduri prin care se poate realiza accesul multiplu pe interfața
radio(FDD și TDD), luăm în considerare următorii parametri:

FDD TDD
Banda canal radio(QPSK): 5MHz Banda canal radio(QPSK): 5MHz
Durata cadru: 10ms Durata cadru: 10ms
Nr. Sloturi temporare: 15 Nr. Sloturi temporare: 15
Debitul chip: 3.84Mcps Debitul chip: 3.84Mcps
Factor de împrăștiere(DL/UL): 512:4/256:4 Factor de împrăștiere(DL/UL): 16:1/16:1
Rata de simbol pe purtătoare: 7.5/15kbps Rata de simbol pe purtătoare: 240 /240kbps
Nr. de canale radio în bandă: 12 Nr. de canale radio în bandă: 4

Sloturile de pe o purtătoare sunt dispuse astfel:

2.2 Interfete interne
Interfețele interne ale tehnologiei UMTS sunt clasificate asfel:
• Interfața Iur
• Interfața Iub
• Interfața Iu
2.2.1 Interfața Iur
Iur este o interfață prin care sunt separate RNS -urile. Interfața aduce noi capabilități de a
utiliza sistemul: managementul resurselor radio, mecanismul de mobilitate, macro -diversitate. În ceea ce
privește macro -diversitatea, DRNS -urile(Drift Radio Network Subsystem) pot realiza macrodiversitate,
separare/combinare de fluxuri de date care sunt comunicate prin intermediul propriilor celule.
Mecanismul de mobilitate(mobilitatea între RNC -uri) se bazează pe structura p rotocolului pe interfața
Iur. Funcțiile protocoalelor interfeței Iur sunt următoarele: managementul interfeței Iur, managementul
traficului a canalelor comune și managementul traficului a canalelor dedicate. Managementul resurselor
globale are rolul de a o feri semnalizare în scopul îmbunătățirii resurselor radio și caracteristicile O&M
pentru interfețele Iur. Această funcție este considerată opțională și a fost introdusă ulterior în scopul
gestionării resurselor radio între RNC -uri, pentru anumite metode de poziționare avansate, dar și pentru
optimizarea Iur. Schema bloc pentru separarea RNSAP -ului și transportul pe interfața Iur este prezentată
în figură de mai jos:

Urmând o cale logică, interfața Iur este o interfață punct la punct între SRNS și toate DRNS.
Astfel, nu există o clasificare mai bună a RNS -urilor decât SRNS și DRNS. Totuși, este necesar ca
această interfață să fie fezabilă chiar și când nu avem o legătură fizică directă între două RNS -uri.
2.2.2 Interfața Iub
Pentru tehnologia U MTS este necesar un sistem de dimensionare care are ca scop
determinarea capacității informațiilor transmise. Cele mai mari constrângeri apar la interfețele radio și
Iub. Interfața Iub face lagatura dintre Node B și RNC. Fiind similară cu interfața Iur, in terfața Iub se
bazează pe principiul transmisiunii protocolului. Este necesar ca o astfel de legătură să se bazeze pe un
model logic de NodeB. Această interfață poate comanda dacă este necesară adăugarea unor link -uri
radio sau stații de bază pe celulă. F uncțiile interfeței Iub sunt următoarele: Managementul transportului
interfeței Iub, Operation & Maintenance în Node B, Operation & Maintenance pentru Transport,
Managementul traficului în canalele comune, Managementul traficului în canalele dedicate,
Mana gementul traficului de downlink(FFS), Managementul sincronizării.
Arhitectura interfeței Iub se bazează pe următoarele straturi funcționale:
– Radio Network Layer: sunt definite procedurile legate de modul de operare al Node B -ului
– Transport Layer: este alcătuit din U ser Plane și Control Plane
Cele două straturi funcționale au următoarele caracteristici: NBAP -protocol de semnalizare,
Signalling Bearer -protocol punct la punct, ALCAP -stabileste calea de transmisiune spre U ser Plane,
Data Stream -uplink și downlink, AAL2 -layer peste ATM( Asynchronous Transfer Mode ).

Structura protocoalelor interfeței Iub este prezentată în figură de mai jos:

2.2.3 Interfața Iu
Interfața Iu este necesară pentru transm iterea informațiilor între UTRAN și Core Network.
Mai exact, leagă RNC -ul din UTRAN cu echipamentele din CN. Datorită faptului că CN este alcătuit
din mai multe echipamente, interfața Iu este împărțită în două interfețe: Iu -CS(Circuit Switched) și Iu –
PS(Pa cket Switched). Iu -CS realizează legatura dintre MSC și RNC, iar Iu -PS realizează conectarea
între SGSN(Serving GPRS Support Node) și RNC.
Este necesar că interfața Iu să fie configurată astfel încât să fie capabilă să suporte:
interconectarea dintre RNC și CN indiferent de producătorul elementelor, toate serviciile UMTS,
interconectarea la rețeaua Core a GSM -ului, menținerea dependenței dintre nivelele Control și U ser
Plane, permiterea evoluției independente a tehnologiilor în cadrul Core, Radio Acces ș i rețelelor de
transport, configurarea ca o interfață deschisă și multi -vendor și facilitarea migrării unor servicii din
domeniul CS la domeniul PS.
Procedurile suportate de interfață Iu sunt:
– procedura necesară stabilirii, menținerii și eliberării Radi o Access Bearers;
– procedurile necesare pentru relocarea SNRS -ului;
– procedura pentru suportarea serviciului de Broadcast pe celulă;
– un set de proceduri generale care nu sunt legate de un anumit terminal mobil.
Funcțiile principale ale unei Interfețe Iu sunt: Managementul RAB(Radio Access Bearer),
Radio Resource Management -administreaza resursele radio și informațiile Broadcast, Managementul
link-ului Iu, Mobility management, Securitatea informațiilor de pe link. Managementul semnalizărilor
interfeței Iu este una dintre funcțiile cele mai importante deoarece asigură un transfer optim al rețelei de
radio de semnalizare între UTRAN și CN.

Structura protocoalelor interfețelor Iu -CS și Iu -PS este prezentată în figurile de mai jos:

III. Antene folosite în tehnologia 3G
Antena este un dispozitiv în general metalic utilizat pentru a transmite sau recepționa energia sub
formă de unde radio. Acest element poate fi vizibil sau inclus în dispozitivele electronice,reprezentând
atât o modalitate de transmisie c ât și de recepție a informației. Informația fiind transmisă cu ajutorul
undelor radio.
Antena asigură adaptarea de la dispozitivul de ghidaj la mediul liber. Ghidul de undă sau cablul
coaxial reprezintă dispozitivul de ghidaj utilizat pentru a transporta e nergia electromagnetică de la sursă
la antenă, în cazul antenelor de emisie sau de la antena la receptor în cazul antenelor de recepție.
Antena la emisie:

Un alt rol important al antenelor în noile sisteme de comunicații este reprezentat de ideea
dispozitivelor direcționale, astfel este necesară optimizarea/accentuarea radiației energiei pe anumite
direcții și reducerea/anularea pe altele.
Pentru o eficiență mai bună, mi șorând astfel numărul de dispozitive, se folosește o singură antenă
atât pentru em isie cât și pentru recepție, dar se pot folosi și antene diferite pentru cele două tipur i de
semnale.
Undele radio se transmit prin mediul liber, astfel trebuie să ținem cont și de efectele perturbatoare
din mediul înconjurător, acesta neputând fi optimiza t.
Undele electromagnetice sunt formate din vectorii de câmp magnetic și c âmpul electric care se
formează în urma parcurgerii unui conductor de curentul electric. Cu ajutorul legilor lui Maxwell se pot
explica aceste fenomene, observându -se astfel cum câm purile electric și magnetic se generează reciproc,
fiind inseparabile.
Undele electromagnetice precum undele infraroșii se deplasează cu aceeași viteză, având diferite
lunigimea de undă( λ) și frecvența(f), astfel acestea se deplasează cu o viteză egală cu viteza luminii:
λ=c/f.
Când vorbim despre o antenă trebuie să ținem cont de anumiți parametrii caracteristici cum ar fi:
• Caracteristic a de radiație
• Eficiența antenei
• Câștigul antenei

• Banda
• Polarizația
• Directivitatea
• Aria efectivă maximă
Caracteristică d e radiație se definește cu ajutorul unei funcții matematice sau printr -o reprezentare
grafică în funcție de coordonatele spațiale. Aceasta se reprezintă în zona de câmp îndepărtat, zonă în
care distana până la antenă nu influențează distribuția unghiulară a câmpului.
Se pot distinge două tipuri de grafice : diagram a de câmp reprezentând amplitudinea câmpului
electric sau magnetic recepționat la o distanță constantă în funcție de unghi sau diagram a de putere în
care se observă variația spațială a densității de putere, pătratul amplitudinii câmpului electric sau
magnetic, la o distanță constantă, funcție de unghi. Aceste diagrame sunt reprezentate la scara liniară sau
logaritmică în dB.

Observând diagramele de mai sus , vedem mai mulți lobi repreze ntând direcțiile în care radiază o
antenă. Lobii minori reprezentând radiații în direcții nedorite și lobul principal fiind lobul de putere
maximă pe care antena transmite cea mai mare informație utilă.
Se pot distinge trei tipuri principale de antene :
-antena izotropă, o antenă ideală, nerealizabilă practic , ce radiază în toate direcțiile în mod egal
neavând pierderi. Acest tip de antenă este utilizat pentru a carcateriza proprietăți ale antelelor reale .
-antena directivă, radiază sau recepționează semnal mai e ficient pe unele direcții decât pe altele
-antena omnidirectiva, are o caracteristică directivă într -un plan și nondirectiva în planul ortogonal
Eficiența antenei este un parametru care ține cont de pierderile la intrarea dar și în structura antenei.
Din c auză componentei rezistive a antenei se constată o scădere a puterii, folosindu -se astfel , pentru
realizarea fizică a antenelor , materiale bune conductoare.
Câștigul antenei , unul dintre cei mai importanți parametrii ai unei antene, este legat atât de
direct ivitate dar și de eficiența acesteia.

Pentru a determina câștigul relativ se folosește o antenă izotropă, astfel acesta se poate defini c a
raportul dintre câștigul de pune re într -o direcție dată și câștigul de putere al unei antene izotrope pe
aceeași di recție.
Câștigul maxim al unei antene poate fi între 1,76dB pentru o antenă reală și până la 40 -50dB pentru
antenele foarte mari , dar greu realzabile, însă acesta nu poate fi mai mic de 0dB. Alegerea unei antene în
funcție de câștig reprezintă un factor foarte important fiind necesar să ținem cont de anumite aspecte,
dacă știm exact unghiul pe care vom primi semnalul, antenele TV, dorim să avem un câștig mare pe acea
direcție, dar dacă nu știm din ce direcție acest semnal este primit , este bine să ave m un câștig al antenei
cât mai mic, antenele pentru telefoanele mobile sau de GPS. Prin creșterea factorului de câștig al antenei
se va observa o scădere a benzii.
Banda descrie gama de frecvențe în care antena poate radia sau recepționa energie. Banda folosită în
rețelele UMTS este de 2100MHz.
Uniunea Internațională de Telecomunicații(UIT) este un organism ce atribuie fiecărui serviciu o
anumită bandă de frecvențe. Deoarece spectrul este limitat, este necesară o împărțire rațională și
distribuirea corespunzătoare a ac estuia către diferitele servicii.
O antenă radiază în toate direcțiile, în unele mai mult și în altele mai puțin astfel band a se definește
în acea zonă de frecvențe în care caracteristicile antenei au valori măsurabile comparativ cu cele de pe
frecvența ce ntrală. De aceea pentru o antenă nu se va specifica o singură frecvență , ci o gamă de
frecvențe.
În continuare vom prezenta un tabel cu diferite tipuri de antene uzuale și banda corespunzătoare :
Antena Frecvența
centrală Gama de
frecvențe Procent/R aț
io Bandă în
procente
Patch 1GHz 985-
1015MHz 1.0305:1 3%
, intensitatea radiatiei44puterea totala acceptata (intrata)inUGainP

Dipol 1GHz 960-
1040MHz 1.083:1 8%
Horn 1GHz 154-
1848MHz 12:1 169.4%
Spirală 1GHz 95-
1900MHz 20:1 180.5%

Polarizația se definește cu ajutorul vectorului de câmp electric instantaneu, astfel ext remitatea
acestuia desenează o figură în timp de -a lungul direcției de propagare. Aceasta apare în momentul în
care undele vor radia mai mult pe o direcție decât pe alta.
Se pot distinge 3 tipuri de polarizare:
-Liniar ă
– Circulară
-Eliptic ă

Vom det alia polarizația de tip liniar, aceasta fiind folosită în transmisiuni. Se împarte în alte două
subcategorii și anume polarizația liniară verticală și polarizația liniară orizontală, în funcție de c âmpul
descris de vector, dacă acesta oscilează înt r-un plan vertical sau orizontal față de direcția de propagare.
Având aceste două tipuri de polarizație este posibilă transmiterea sau recepționarea a două fluxuri
diferite de date indepenedente una de cealaltă , pe aceeași frecvență.
Polarizația verticală s e folosește în cazul comunicațiilor mobile , pe când cea orizontală se folosește
în sistemele de difuziune.

Directivitatea este defini tă pe o anumită direcție ca un raport între intensitatea de radiație și
intensitatea de radiație medie. Directivitatea m aximă se obține pentru direcția maximului intensitatiii de
radiație. În cazul antenelor izotrope D=1.

În teoria antenelor , pentru a produce o directivitate redusă este necesară o antenă mică, astfel cu cât
dimen siunea antenei este mai mare, comparativ cu λ, cu atât directivitatea devine mai bună. Astfel
antenele parabolice sunt considerate a avea o directivitate foarte bună datorită lungimii de un dă mari.
Aria efectivă ( apertur a ) diferă de suprafața geometrică a antenei și este aria echivalentă de radiație
a acesteia. Este direct proporțională cu directivitatea antenei:

Aria efectivă ne oferă inf ormații legate de cât de multă putere putem recepționa de la o undă
electromagnetică , dar și cât de mult putem transmite pe o anumită direcție.
Având în vedere toți acești parametrii referitori la antene, vom prezenta câteva antene specifice
rețelelor 3G.
Făcând referire la telefonia mobilă, antenele trebuie să aibă o directivitate cât mai mare , dar câștigul
să fie mic , deoarece nu știm exact locul în care transmitem , existând posibilitatea ca dispozitivul să se
deplaseze. Serviciul 3G este oferit utilizatorilor în banda 2100MHz, se cunoaște faptul că antenele de
bandă largă au un câștig mai redus, astfel dacă dorim să acoperim o gamă mai mare de frecvențe, 900-
2100MHz trebuie să ținem cont de acest aspect.
Un criteriu important în alegerea unai antene îl reprezintă distanța până la stația de bază a
operatorului. În continuare vom prezenta câteva antene special folosite pentru transmiterea informației
în relele 3G.

Ante na A3017
Acest tip de antenă ajută la îmbunătățirea calității convorbirilor, crește viteza de
internet/transmisiilor de date, dar și a timpului de utilizare a acumulatorului. Conectând această antenă la
terminalul de comunicații mobile se îmbun ătățește semna lul și se obțin avantajele anterioare.
04
radUUDUP
2
04emAD


Un alt tip de antenă folosită în re țelele de radiocomunica ții sunt antenele de tip MIMO , mai multe
intrări și mai multe ieșiri, utilizând o metodă de mărire a capacității unei unde radio prin exploatarea
propagării multicale. Aceasta folosește diversitatea de polarizare cu polarizarea în x.
Pentru a realiza recepționarea semnalului simultan de la mai multe stații , se utilizează antene de tip
omnidirecționale, atât pentru emisie cât și pentru recepție de semna l RF.
Un alt tip de antene direc ționale sunt antele de tip Yagi . Față de antenele omnidirecționale , acestea
nu pot recepționa în același timp semnale de la diferiți utilizatori. Au totuși un avantaj major, acela că
distanța de recepționare a semnale lor este considerabil mai mare. Este necesară specificarea direcției pe
care semnalul este transmis sau recepționat. Realizarea acestor antene constă în amplasarea mai multor
elemente paralele în linie, elementele reprezentând dipoli în jumătate de lungime de undă. Dacă dorim
recepționarea unui semnal RF cu o intensitate redusă sau plasat la o distanță destul de mare , acest tip de
antenă este ideal.

Bibliografie

• UMTS – the fundamentals – Walke B._ Seidenberg R._ Althoff M.P. (2001 )

• UMTS network and radio access technology – Castro J.P. (2001)

• Introduction to UMTS Signalling and Interfaces

• http://electronica -azi.ro/2012/11/02/antene/

• https://www.vreausemnal.ro/cum -functioneaza -repetoarele -gsm-3g.html

• https://ro.wikipedia.org

• www.dipolnet.ro

• www.elpismedia.ro/antena -a3017 -castig -17dbi -3g-4g-lte.html

• http://www.antenna -theory.com

• Curs Antene și Propagare – Cristian Anghel

• documente puse la dispoziție în cadrul unor training -uri desfășurate pe perioadă practicii de
vară într -o companie din domeniul telecomunicațiilor

• http://what -when -how.com/roaming -in-wireless -networks/umts -interfaces -and-protocols –
third -generation -networks/

• http://www.3glteinfo.com/utran -interfaces -and-protocols/

• http://www.umtsworld.com/technology/u tran_interfaces.htm

• https://alldocs.net/04 -umts -technology

• http://www.academia.edu/6870992/UMTS_Signaling_UMTS_INTERFACES_PROTOCOL
S_MESSAGE_FLOWS_AND_PROCEDURES_ANALYZED_AND_EXPLAINED

• http://www.radio -electronics.com/info/cellulartelecomms/umts/umts -wcdma -network –
architecture.php

• http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm