evolucija mobilnih telekomunikacionih sistema

Evolucija mobilnih

telekomunikacionih sistema

mr Dejan Nemec [email protected]

mailto:[email protected]


• Dvodnevni kursevi iz oblasti telekomunikacija

• 17 godina

• 300 kurseva

• oko 4000 polaznika

• 12 naslova-udžbenika (još neki u pripremi)

• Specijalističke strukovne studije „Komunikacione tehnologije“

• akreditovane studije II stepena (u rangu sa master)

• pravo na upis – 180 ESPB

• nastava u vidu NKT kurseva

• u najavi Master strukovne studije

nkt.uns.ac.rs

nkt.uns.ac.rs

Evolucija mobilnih telekomunikacionih sistema

Uvod

Evolucija mobilnih telekomunikacionih sistema 6/108

nkt.uns.ac.rs

Uvod

• Komunikacija (lat. comunicacio) prema definiciji predstavlja čin prenošenja razumljive informacije

• sposobnost komuniciranja, kako u realnom vremenu tako i u posrednom komuniciranju kroz vremensku distancu, u direktnoj je vezi sa razvojem čoveka i njegove civilizacijske tekovine

• potreba za komuniciranjem bila je i na početku ljudskog evolucijskog razvoja

• ta potreba je prisutna i danas

• potreba za komuniciranjem čak se i povećava sa tehnološkim razvojem

• čovek današnjice ima izraženu potrebu za brzom, sveobuhvatnom i neometanom komunikacijom koju prati pristup informacijama

• tu potrebu može da zadovolji kroz sistem mobilnih komunikacija koji je prisutan u skoro svakoj tački na Zemlji


nkt.uns.ac.rs

Uvod

• Mobilnost, komunikacija i brzi pristup informacijama danas su

većini žitelja razvijenih i zemalja u razvoju u vrhu liste prioriteta

• zbog toga razvoj tehnologije za prenos podataka doživljava neverovatan

napredak u relativno kratkom periodu

• Mobilna telefonija je danas jedan od najpopularnijih vidova

komuniciranja u savremenom svetu

• omogućava telefonski servis, prenos podataka i druge napredne servise


nkt.uns.ac.rs

Uvod

• Mobilna radio-komunikacija podrazumeva komunikaciju u kojoj je

bar jedan učesnik u vezi mobilan

• veza se ostvaruje pomoću mobilnog terminala

• Sistemi (mreže) mobilnih komunikacija određuju

• način prenosa informacija

• obradu poziva

• pružanje servisa

• Servisi opisuju posebne i dodatne mogućnosti komuniciranja

• govor, podaci, tekst, video

• SMS (Short Message Service)

• EMS (Enhanced Messaging Service)

• MMS (Multimedia Messaging Service)


nkt.uns.ac.rs

Istorijat

• 1844. (24. maj) – Samuel Morse, prvi žični telegrafski sistem na relaciji Baltimore-Washington (SAD) • ovo je datum nastanka električnih telekomunikacija

• 1855. (27. mart), Srbija – telegrafska linija Beograd-Kragujevac-Aleksinac i spajanje preko Save sa carsko-kraljevskim telegrafom Austrougarske monarhije

• 1851. (septembar) – položen prvi kabl preko Lamanša • 1851. (decembar) – prva internacionalna telegrafska linija Pariz-London

• 1858. – položen kabl preko Atlanskog okeana (SAD-Engleska, 5000 km)

• 1865. (17. maj) – u Parizu stvorena UIT (Union Internationale Telegrafique) • 20 država učesnica, prvi telegrafski pravilnik

• 1863-1865. – Secesionistički rat u SAD, prva primena telegrafa u vojne svrhe

• 1876. – Alexander Graham Bell, prvi telefon

• 1892. – postavljena prva telefonska centrala u SAD


nkt.uns.ac.rs

Istorijat

• Kraj XIX veka – genijalna otkrića u oblasti fizike elektromagnetskih oscilacija, koja predstavljaju naučnu osnovu na kojoj su izgrađene radio-komunikacije • Joseph Henry – utvrdio oscilatornu prirodu električnih opterećenja

• J. C. Maxwell – dao matematičku interpretaciju elektromagnetskih pojava

• Heinrich Hertz – prvi proizveo, detektovao i merio elektromagnetske talase

• 1897. – Guglielmo Marconi, prvi patent za bežičnu telegrafiju • N. Tesla je u to doba eksperimentisao sa radio talasima, ali je prvi patent prijavio 1898.

• 1927. – prva radio-komunikacija u javnom saobraćaju

• 1934. – javna demonstracija televizije u Londonu

• 1960. – lansiran prvi telekomunikacioni satelit


nkt.uns.ac.rs

Istorijat

• Britanski inženjeri proučavaju Markonijev bežični telegraf


nkt.uns.ac.rs

Istorijat

• Tri homogena razdoblja u razvoju telekomunikacija

• Sredina XIX veka – kraj II Svetskog rata • razvijeno je tržište telekomunikacionih usluga

• konkurencija između zapadnih sila za dobijanje licenci za polaganje i eksploataciju podmorskih kablova i kopnenih puteva

• stvorene su globalne telekomunikacione mreže

• Posle II Svetskog rata – 1980-te • stvaranje niza međunarodnih institucija

• među kojima je i ITU (International Telecommunication Union, 1947. god.)

• važi princip jednakosti među državama i stabilna kooperacija između državnih monopola

• 1980-te – danas • reforma telekomunikacija, dva ključna principa: slobodna konkurencija i privatizacija

• demonopolizacija državnih operatora • razdvajaju se telekomunikacije i pošta i stvaraju se novi privatni operatori

• grade se nove mreže, uvode se novi servisi, a konkurencija dovodi do snižavanja cena


nkt.uns.ac.rs

Istorijat mobilne telefonije

• Ideja mobilne telefonije se pojavila početkom XX veka

• 1908. – profesor Albert Jahnke i „Oakland Transcontinental Aerial

Telephone and Power Company“ su tvrdili da su razvili bežični telefon

• optuženi su za prevaru, bez dokaza, ali proizvodnja nije nastavljena

• 1918. – nemačka železnica testira bežični telefon u vojnim vozovima

(Berlin-Zossen)

• 1924-1926. – prvi javni mobilni telefoni u vozovima za putnike I klase


nkt.uns.ac.rs


• 1940. – prvi „ručni“ uređaji (Walkie-Talkie)

• II Svetski rat – koriste se telefonski

radio-linkovi u vojne svrhe


nkt.uns.ac.rs


• 1940-te – mobilni telefoni u automobilima

• 1947. (9. oktobar) – prvi telefonski poziv između automobila i aviona

• 1947. – SAD, inženjeri kompanije „Bell“ (D.H.Ring i V.R.Jang) predložili

upotrebu heksogonalne ćelije i usmerenih antena koje bi odašljale signale u tri različita

smera za potrebe mobilne telefonije instalirane u vozila

• tehnologija za masovnu upotrebu tih uređaja nije postojala niti su bile odobrene frekvencije

• tako će ostati sve do 1960-tih godina

• 1958. – SSSR, prvi mobilni telefon za automobile


nkt.uns.ac.rs


• SSSR, Леонид Куприянович

• 1955. – voki-toki, 1,2 kg, domet 1,5 km

• 1957. – voki-toki, 50 g, domet 2 km

• 1957. – mobilni telefon LK-1, 3 kg, ~ 30 km, ~ 30 h

• 1958. – mobilni telefon, 500 g

• 1961. – džepni telefon, 70 g, 80 km domet

• 1965. – Bugarska „Radiotehnika“

prezentovala baznu stanicu koja se

povezuje na jednu telefonsku liniju

i mogla je da opsluži 15 korisnika


0G Mobilna telefonija

„nulte“ generacije


nkt.uns.ac.rs

0G – Istorijat mobilne telefonije

• „0G“

• 1946. – SAD, St. Louis, AT&T, MTS (Mobile Telephone Service)

• 1949. usledila komercijalizacija (100 gradova, autoput)

• omogućena veza sa PSTN

• pozivi uspostavljani manuelno pomoću operatera

• dugme za „pričanje/slušanje“

• korisnička oprema teška 36 kg

• frekvencijski opseg 150 MHz

• do 2012. se koristila u ruralnim područjima


nkt.uns.ac.rs


• „0G“

• 1964. – SAD i Kanada, IMTS (Improved Mobile Telephone Service)

• automatsko uspostavljanje dupleks veze

• tri opsega – 40 MHz, 150 MHz i 450 MHz

• bazna stanica pokrivala prečnik oko 80 km

• terminal iz dva dela: transiver (i antena) i handset

• postojale kompanije koje su i 2008. nudile servis


nkt.uns.ac.rs


• „0G“

• 1952. – Nemačka, A-Netz

• analogna mreža, manuelna komutacija

• radila između 156 MHz i 174 MHz

• 1968. pokrivala 80% Nemačke

• 1971. imala maksimum od 11.000 korisnika

• 1972. – B-Netz

• 1986. imala 158 baznih stanica i 27.000 korisnika

• radila na 150 MHz


nkt.uns.ac.rs


• „0G“ • 1956. – Švedska, MTA (Mobile Telephony system version A)

• prva automatizovana mreža mobilne telefonije koja ima osnovne odlike današnjih

• korisnici iz automobila komuniciraju sa korisnicima javne telefonske mreže


• pulsno biranje putem brojčanika

• 1962. – MTB

• tonsko biranje (1965)


• maksimum 600 pretplatnika

• 1971. – MTD, manuelni mobilni sistem (zamenjena 1987. sa NMT)


• 20.000 korisnika

• 700 operatera

• 1976. implementiran u Danskoj i Norveškoj – bio moguć roming


nkt.uns.ac.rs


• „0G“ • 1966. – Norveška, OLT

(Offentlig Landmobil Telefoni (Public Land Mobile Telephony)) • 1981. bilo 30.000 pretplatnika


• proširena na 450 MHz zbog kompatibilnosti sa MTD

• zamenjena 1990. sa NMT

• 1971. – Finska, ARP mreža (AutoRadioPuhelin (Car Radio Phone)) • jedna od prvih uspešnih javnih komercijalnih mobilnih mreža

• 1978. pokrivala 100% države sa 140 baznih stanica

• ćelijski sistem, ali handover nije bio „neprekidan“

• radila na 150 MHz, 80 kanala

• prvo half-dulpex, kasnije full-duplex

• 1977. imala 10.800, a 1986. god. 35.560 korisnika

• analogni signal bez kriptovanja – moguće prisluškivanje

• ugašena 2000. god. zajedno sa NMT-900



prve generacije


nkt.uns.ac.rs


• „1G“ • 1973. – Martin Cooper, Motorola –

prvi „ručni“ mobilni telefon

• 1,1 kg, dimenzije 23 x 13 x 4,5 cm

• 30 minuta razgovora, 10 sati punjenja

• 1971. – AT&T podnela zahtev za stvaranjem ćelija (baznih stanica) za mobilne telefone FCC komisiji

• zahtev je odobren 1982. godine

• tada je stvoren AMPS (Advanced Mobile Phone System)

• prvi širokokorišćen analogni ćelijski sistem u SAD

• frekvencijski opseg 824 do 894 MHz

• korišćen u Izraelu i Australiji

• analogni AMPS je zamenjen digitalnim 1990. god.

• 1979. – Japan, NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation)

• sistem sličan AMPS-u

• 1988. – NTT Hicap – veći kapacitet


nkt.uns.ac.rs


• „1G“ • 1981. – Nordijske zemlje, NMT (Nordisk MobilTelefoni)

• 1981. i Saudijska Arabija uvodi ovaj sistem

• kasnije korišćen u mnogim evropskim (i u Srbiji) i azijskim zemljama

• radi na 450 MHz i 900 MHz

• 1983. – UK, TACS (Total Access Communication System) • sistem sličan AMPS-u

• koristi se u Velikoj Britaniji, Italiji i Irskoj

• radi na 900 MHz

• ETACS je naprednija verzija sa više kanala

• 1985. – Nemačka, C-Netz (C-450) • radi na 450 MHz

• kanal širine 20 kHz

• ćelije 15-20 km i mikroćelije 2-3 km

• 1986. – Švedska, Mobitex (OSI standard) – paketski prenos

• 1983. – Motorola i IBM, DataTex, prenos podataka • 800 MHz

• brzina 19,2 kbit/s

• koristi se za paging sisteme


nkt.uns.ac.rs


• „1G“


nkt.uns.ac.rs

Mobilni radio sistemi

• Mobilni sistemi se mogu podeliti na • Klasični sistem mobilnih radio-veza (LMR – Land Mobile Radio)

• funkcionalni, odnosno privatni (PMR – Private Mobile Radio)

• konvencionalni – zasnovan na klasičnoj, jednostavnoj arhitekturi

• tranking sistem – naprednije tehnologije, veće mogućnosti

• TETRA

• javni sistem mobilnih radio-veza (PAMR – Public Access Mobile Radio)

• Pejdžing sistem (Paging)

• POCSAG – analogni sistem (kraj 1970-tih, početak 1980-tih)

• ERMES – digitalni dvosmerni sistem

• Mobilna telefonija (Mobile Telephony)

• „bežična telefonija“ za kućnu upotrebu

• ćelijski sistemi (1-5...G)

• satelitski sistemi


nkt.uns.ac.rs


• Funkcionalni privatni sistemi • 68-87,5 MHz, 146-174 MHz, 440-470 MHz

• uređaji rade na malom broju kanala

• ručno biranje kanala

• jednofrekvencijska simpleks mreža

• samo jedna stanica može biti aktivna, ostali slušaju

• dvofrekvencijska simpleks i semidupleks

• bazna stanica šalje na f1, a ručne stanice na f2

• kod semidupleks BS može da prosledi signal sa ručne stanice

• dupleks mreže

• zahtevaju dva dupleksna kanala

• jedan dupleks za jednu stanicu, a drugi za drugu stanicu


nkt.uns.ac.rs


• Trunking sistemi

• postoji zajednički skup radio-kanala

• jedan ili podskup radio-kanala se dodeljuje jednoj zoni pokrivanja

• veći broj korisnika može da koristi sistem

• uvodi se MSC (Master System Controller)

• dele sa na

• MPT1327 analogne sisteme

• TETRA digitalne sisteme

• ETSI definisao frekvencijske opsege

• sistemi javne bezbednosti, 380-400 MHz

• civilni korisnici, 410-430 MHz, 450-470 MHz, 870-876 (uplink) i 915-921 (downli.) MHz

• koristi se TDMA princip


nkt.uns.ac.rs


• TETRA


nkt.uns.ac.rs


• Bežična telefonija

• CT1 (Cordless Telephony)

• 1980-te

• analogni signal na 900 MHz

• CT2

• 864-868 MHz

• mogu da se povežu i na ćelijski javni sistem

• DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

• digitalan sistem na 1,9 GHz

• povoljan za PBX

• bazne stanice

u „privatnom“ ćelijskom sistemu

• mnogo funkcija



druge generacije


nkt.uns.ac.rs

2G

• Drugu generaciju predstavljaju digitalni ćelijski sistemi

• Pan-evropski sistem GSM

• Američki sistemi

• DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone System 800 i 1900)

• prva mreža 1993.

• objedinjuje IS-54 i IS-136 (dodate nove funkcije)

• TDMA pristup

• ugašena 2007-2008 i data prednost GSM-u i 3G-u

• IS-95 (Interim Standard 95)

• 1995, CDMA pristup, digitalna ćelijska tehnologija

• zamenjen sa IS-2000 (CDMA2000)

• Japanski sistem JDC ili PDC (Personal Digital Cellular)


nkt.uns.ac.rs

GSM

• 1991. – Finska, komercijalni start 2G

• standard GSM

• Global System for Mobile Communications

• originalno Groupe Spécial Mobile

• razvoj počeo 1982. u Evropi

• digitalna ćelijska mreža

• komutacija kola

• full-duplex prenos govora

• 1992. poslata prva SMS (Short Message Service)

• GSM-900 – uplink 890-915 MHz, downlink 935-960 MHz

• GSM-1800 – uplink 1710-1785 MHz, downlink 1805-1880 MHz


nkt.uns.ac.rs

GSM

• Definisano je 14 frekvencijskih opsega

System Band Uplink - Mobile To Base (MHz) Downlink - Base To Mobile (MHz)

T-GSM-380 380 380.2 – 389.8 390.2 – 399.8 Trunking GSM


GSM-450 450 450.6 – 457.6 460.6 – 467.6 kompatibilan sa NMT, retko se koristi

GSM-480 480 479.0 – 486.0 489.0 – 496.0

GSM-710 710 698.2 – 716.2 728.2 – 746.2

GSM-750 750 777.2 – 792.2 747.2 – 762.2


GSM-850 850 824.2 – 849.2 869.2 – 893.8 SAD, Kanada, Latinska Amerika

P-GSM-900 900 890.0 – 915.0 935.0 – 960.0 Primary GSM

E-GSM-900 900 880.0 – 915.0 925.0 – 960.0 Evropa, Srednji istok, Afrika, Azija-Pacifik

R-GSM-900 900 876.0 – 915.0 921.0 – 960.0 Railway GSM


DCS-1800 1800 1710.2 – 1784.8 1805.2 – 1879.8 Evropa, Srednji istok, Afrika, Azija-Pacifik

PCS-1900 1900 1850.2 – 1909.8 1930.2 – 1989.8 SAD, Kanada, Latinska Amerika


nkt.uns.ac.rs

GSM


nkt.uns.ac.rs

GSM

• Dual-band telefoni

• rade npr. u GSM-900 i GSM-1800 (Evropa)

ili GSM-850 i GSM-1900 (SAD)

• Tri-band telefoni

• rade u tri opsega

• Quad-band telefoni

• rade u sva 4 bitna opsega – skuplji su,

ali danas su sve češći

• često podržavaju frekvencije

UMTS, LTE, GPS, Wi-Fi...


nkt.uns.ac.rs

GSM

• iPhone 6 – nije samo 2G

Network

Technology GSM / CDMA / HSPA / EVDO / LTE

2G bands GSM 850 / 900 / 1800 / 1900 - A1549 (GSM), A1549 (CDMA), A1586

CDMA 800 / 1700 / 1900 / 2100 - A1549 (CDMA), A1586

3G bands HSDPA 850 / 900 / 1700 / 1900 / 2100 - A1549 (GSM), A1549 (CDMA),

A1586

CDMA2000 1xEV-DO - A1549 (CDMA), A1586

TD-SCDMA 1900 / 2000 - A1586

4G bands

LTE band 1(2100), 2(1900), 3(1800), 4(1700/2100), 5(850), 7(2600), 8(900),

13(700), 17(700), 18(800), 19(800), 20(800), 25(1900), 26(850), 28(700),

29(700) - A1549 GSM, A1549 CDMA

LTE band 1(2100), 2(1900), 3(1800), 4(1700/2100), 5(850), 7(2600), 8(900),

13(700), 17(700), 18(800), 19(800), 20(800), 25(1900), 26(850), 28(700),

29(700), 38(2600), 39(1900), 40(2300), 41(2500) - A1586

Speed HSPA 42.2/5.76 Mbps, LTE Cat4 150/50 Mbps, EV-DO Rev.A 3.1 Mbps

GPRS Yes

EDGE Yes


nkt.uns.ac.rs

GSM

• FDMA+TDMA tehnika pristupa kanalu

• uplink i dowlink opsezi se dele na 125 „parova“ podkanala (nosioca)

• razmak između nosilaca je 200 kHz, a parovi su „udaljeni“ 45 MHz

• svakoj ćeliji se dodeljuje određeni broj nosilaca, zavisi od saobraćaja


nkt.uns.ac.rs

• FDMA+TDMA tehnika pristupa kanalu

• svaki nosilac se vremenski deli na GSM ramove brzine 271 kbit/s

• GSM ram se deli vremenski na 8 time-slot-ova

• saobraćaj pojedinih korisnika se prenosi u pojedinim time-slot-ovima

• uz korisničke podatke prenose se

i kontrolni biti i zaštitni razmak

GSM


nkt.uns.ac.rs

GSM

• Logički kanali su mapirani u fizičkim kanalima brzine

od 100 bit/s do 22,8 kbit/s

• saobraćajni kanali, TCH (Traffic CHannels)

• nose kodovani govor ili podatke

• kontrolni kanali, CCH (Control CHannels)

• nose podatke za signalizaciju i sinhronizaciju

• Samo određene kombinacije između logičkih kanala su dozvoljene

u istom fizičkom kanalu


nkt.uns.ac.rs

GSM

• Kontrolni kanali CCH (Control CHannels)

• Broadcast, difuzni downlink kanali BCH (Broadcast CHannels) • šalju se svim mobilnim terminalima u ćeliji

• nose informacije o sinhronizaciji i sistemu, kao što su npr. kodovi identiteta bazne stanice koje zahtevaju terminali

• SCH (Synhronization CHannel)

• FCCH (Frequency Correction CHannel)

• BCCH (Broadcast Control CHannel)

• Zajednički kontrolni kanali CCCH (Common Control CHannels) • nisu dodeljeni samo jednom mobilnom terminalu, a služe u svrhu pejdžinga i pristupa terminala

• PCH (Paging CHannel)

• AGCH (Access Grant CHannel) ili RACH (RACH - Random Access CHannel)

• Dodeljeni kontrolni kanali DCCH (Dedicated Control CHannel) • dodeljeni jednom mobilnom terminalu, a potrebni su za vreme uspostavljanja poziva prenoseći

informaciju dobijenu merenjem raznih parametara terminala, prvenstveno potrebnu za handover • SDCCH (Stand-alone Dedicated Control CHannel)

• SACCH (Slow Associated Control CHannel)

• FACCH (Fast Associated Control CHannel)


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

MS (Mobile Station)

• SIM kartica (Subscriber Identity Module) – zaštićena PIN kodom (Personal Identification Number),

identifikuje korisnika sistemu koristeći IMSI broj (International Mobile Subscriber Identity)

• IMEI (International Mobile Equipment Identity) – jedinstveni broj mobilne stanice


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura BSS (Base Station Subsystem)

• povezuje MS sa mrežom i kontroliše radio link

• BTS (Base Transceiver Station) – „bazna stanica“ poseduje transivere i antene, upravlja

protokolima na radio linku koji komuniciraju sa MS;

najčešće se nalazi u centru ćelije i emituje signale čija snaga je definisana veličinom ćelije

• BSC (Base Station Controller) – kontroliše grupu baznih stanica i upravlja radio resursima;

zadužen za uspostavljanje kanala, handover, kontrolu snage BTS...


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

• BSS topologije

• Lanac

• jeftin

• lak za implementaciju

• Prsten

• omogućena redundansa

• prsten se teško širi

• Zvezda

• česta konfiguracija u prvim GSM sistemima

• skupa

• BTS

GSM arhitektura


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

NSS (Network & Switching Subsystem)

• upravlja komunikacijama između mobilnih korisnika

• održava informacionu bazu korisnika

• upravlja mobilnošću korisnika


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

MSC (Mobile Switching Centre)

• centralna komponenta NSS

• obavlja komutacione funkcije

• obezbeđuje vezu sa drugim mrežama

• poseduje GMSC (Gateway Mobile Switching Centre) – veza sa PSTN


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

HLR (Home Location Register)

• baza podataka sa informacijama o matičnim korisnicima

AuC (Authentication Centre)

• sadrži kopije ključeva svih SIM kartica, koji se koriste za autentifikaciju


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

VLR (Visitor Location Register)

• baza podataka sa informacijama o gostujućim korisnicima

• podatke dobija od HLR-a gde su korisnici registrovani


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

ELR (Equipment Location Register)

• baza podataka o validnim mobilnim stanicama (IMEI)

• pomaže pri pronalaženju ukradenih MS-ima i drugim zloupotrebama


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

GIWU (GSM InterWorking Unit)

• obezbeđuje interfejs ka mrežama za prenos podataka


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

OMC (Operational & Maintence Centre)

OSS (Operation & Support Subsystem)

• povezuje sve elemente i obezbeđuje funkcionisanje sistema

• kontroliše saobraćajno opterećenje BSS

• neke funkcije se prebačene na BTS (jer ih ima puno)


nkt.uns.ac.rs

GSM arhitektura

• NSS – obično na jednom mestu


nkt.uns.ac.rs

2G prenos podataka

• CSD (Circuit Switched Data)

• prenos podataka komutacijom kola u GSM-u

• jedan vremenski slot (govorni kanal) se alocira za prenos podataka

• 9,6 kbit/s

• prevaziđeno

• HSCSD (High-Speed CSD)

• koristi efikasnije metode ispravljanja grešaka – 14,4 kbit/s

• može da zauzme 4 vremenska slota – 57,6 kbit/s

• dodatno se naplaćuje


nkt.uns.ac.rs

2G evolucija

• 2,5G – GPRS (General Packet Radio Service)

• best effort paketski prenos podataka

• više korisnika deli resurse pa nema QoS-a

• brzine 50-114 kbit/s

• koristi više vremenskih slotova

• npr. 4 (downlink) + 1 (uplink), brzine 80/20 kbit/s

• integrisan u GSM Release 97

• u praksi se pojavio 2000. god.


nkt.uns.ac.rs

2G evolucija

• 2,75G – EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)

• naziva se i EGPRS (Enhanced GPRS)

• standardizovan u GSM Release 98

• implementira se u praksi od 2003.

• standardizovan kasnije i u 3G

• koristi naprednije tehnike modulacije signala (8-PSK)

• teoretski dostiže brzinu od 473 kbit/s korišćenjem 8 time-slot-ova

• obično se limitira na 135 kbit/s zbog štednje resursa



treće generacije


nkt.uns.ac.rs

3G

• 3G je bazirana na skupu standarda IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) koje je usvojila ITU

• 3G podražava • telefoniju

• pristup Internetu

• mobilni

• fiksni

• video pozive

• mobilnu TV

• 3G podržava servise brzine najmanje 200 kbit/s (IMT-2000) • 3,5G i 3,75G podržavaju broadband brzine (npr. 1-2 Mbit/s)

• brzine prenosa zavise od brzine kretanja korisnika


nkt.uns.ac.rs

3G

• Sredinom 1980-tih osmišljen koncept za budući IMT-2000 • 2000. doneta istorijska odluka o usvajanju specifikacija

• predviđene frekvencije od 400 MHz do 3 GHz

• IMT-2000 je rezultat kolaboracije • grupa unutar ITU – ITU-R, ITU-T

• grupa van ITU – 3GPP, 3GPP2, UWCC

• IMT-2000 karakteristike • podržava širok opseg servisa i aplikacija

• TDMA, FDMA i CDMA pristupi

• dostupna tehnologija krajnjim korisnicima

• ostvarena kompatibilnost sa prethodnim sistemima

• obezbeđena modularnost, laka proširivost


nkt.uns.ac.rs

3GPP, 3GPP2

• U cilju nadogradnje različitih postojećih sistema 1998. formiraju se dve grupe

• 3GPP (3rd Generation Partnership Project) – razvija sisteme bazirane na GSM-u

• GPRS

• EDGE

• W-CDMA (UMTS)

• HSDPA

• kasnije i 4G (E-UTRA – LTE Evolved UMTS Terrestrial Radio Access)

• 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) – formira se da pomogne razvoj sistema koji koriste CDMA tehniku

• 1xRTT (One Times Radio Transmission Technology) – brzine do 144 kbit/s

• EV-DO (Evolution Data Optimized) – downlink brzine do 2,4 Mbit/s

• EV-DO Rev. A – downlink brzine do 3,1 Mbit/s

• EV-DO Rev. B – downlink brzine do 4,9 Mbit/s

• 4G – UMB (Ultra Mobile Broadband) – downlink brzine do 288 Mbit/s


nkt.uns.ac.rs

3G standardi

• Postoje mnogi standardi koji se „reklamiraju“ kao 3G

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) • početak 2001.

• koristi se u Evropi, Japanu, Kini (ali različiti interfejsi) i drugim zemaljama gde se koristi GSM

• uplink 1885-2025 MHz, downlink 2110-2200 MHz

• postoji više vrsta interfejsa • W-CDMA (najčešće)

• TD-SCDMA – komercijalizovan 2009. u Kini

• HSPA, HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access)

• CDMA2000 – početak 2002. • EV-DO, Rev A, Rev B

• Postoje i standardi koji formalno zadovoljavaju IMT-2000 specifikacije i odobreni od ITU kao 3G standardi, ali se obično ne deklarišu kao 3G, već kao posebne tehnologije • DECT

• Mobile WiMAX


nkt.uns.ac.rs

W-CDMA

• W-CDMA (Wideband – Code Division Mulitple Access)

• spada (naziva se i) u UMTS tehniku UTRA-FDD (UMTS Terrestrial Radio Access – Frequency-Division Duplexing)

• uplink 1920-1980 MHz, downlink 2110-2170 MHz • brzine – 384 kbit/s (wide area access), do 2 Mbit/s (local area access)

• koristi DS-CDMA (Direct Sequence CDMA)

• u svakom smeru se koristi kanal širine 5 MHz • zbog ovoga W-CDMA je bio kritikovan da troši mnogo spektra


nkt.uns.ac.rs

HSPA

• HSPA (High Speed Packet Access)

• poboljšava W-CDMA sisteme

• predstavlja softversku nadogradnju na W-CDMA

(2008. – 90% se upgrade-ovalo)

• sastoji se od

• HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)

• do 14 Mbit/s

• bazira se na prenosu korišćenjem deljenog kanala i modulaciji višeg reda

• HSUPA (High Speed Uplink Packet Access)

• do 5,76 Mbit/s

• dodaje novi transportni kanal


nkt.uns.ac.rs

HSPA+

• HSPA+ (Evolved High Speed Packet Access)

• 2009, poboljšava HSPA

• koristi DC (Dual-Carrier) tehniku, 2x2 MIMO i 64-QAM

• korisnik se povezuje sa dve ćelije (antene) istovremeno

• može da koristi više kanala od 5 MHz (1-4)

• po jednom nosiocu od 5 MHz – downlink 42 Mbit/s, uplink 10,8 Mbit/s

• npr. sa 4 nosioca (20 MHz) – downlink 168 Mbit/s, uplink 22 Mbit/s

• u praksi brzine po korisniku su manje

• 2013. – MC-HSPA (Multi-Carrier HSPA), 4x4 MIMO

• brzine do 672 Mbit/s


nkt.uns.ac.rs

HSPA+

• 3C-HSDPA

• korisnici često žele bursty saobraćaj

• u jednom trenutku jedan korisnik koristi svih 15 MHz


nkt.uns.ac.rs

CDMA2000

• CDMA2000 se naziva i C2K i IMT-MC (IMT Multi-Carrier)

• CDMA2000 je familija 3G standarda razvijena od 3GPP2

• govor

• 1xRTT

• 1X Advanced

• podaci

• 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized): Release 0, Revision A, Revision B,

• UMB (Ultra Mobile Broadband)


nkt.uns.ac.rs

1xRTT i 1X Advanced

• 1xRTT (1 times Radio Transmission Technology)

• naziva se i „1X“

• koristi isti dupleksni kanal širine 1,25 MHz kao IS-95

• naprednim tehnikama postiže veći kapacitet

• podržava paketski prenos do 153 kbit/s (realno 80-100 kbit/s)

• 1X Advanced

• brojnim pobošanjima

omogućava i do 4 puta

više korisnika


nkt.uns.ac.rs

EV-DO

• EV-DO (Evolution-Data Optimized) je standard za bežični prenos podataka, tipično za broadband pristup Internetu • prve specifikacije su nastale 1999; danas se neke sve manje koriste

• koristio se i naziv 1xEV-DO

• postoji nekoliko revizija standarda (Release 0, A, B, C) • Release 0

• downlink 2,4 Mbit/s, uplink 153 kbit/s

• Release A • downlink 3,1 Mbit/s, uplink 1,8 Mbit/s

• funkcioniše na „all-IP“ principu

• Release B • uvodi multi-carrier mogućnost (obično se 2-3 nosioca grupišu, mada standard

dozvoljava do 15) • po nosiocu: downlink 4,9 Mbit/s, uplink 1,8 Mbit/s

• sa 3 nosioca (kanala): 14,7/5,4 Mbit/s

• Release C, naziva se UMB (Ultra Mobile Broadband) • MIMO tehnika, brzine do 280 Mbit/s


Satelitska

mobilna

telefonija


nkt.uns.ac.rs

Satelitska mobilna telefonija

• LEO (Low Earth Orbit) • ispod 2500 km

• Iridium (780 km)

• Globalstar (1400 km)

• MEO (Medium Earth Orbit) • 10.000 km

• HEO (High Earth Orbit) • 20.000 km

• GPS

• GEO (Geostationary Earth Orbit) • 36.000 km

• TV difuzija

• Thuraya – satelitska telefonija


nkt.uns.ac.rs


• Pokrivanje zemljine površine


nkt.uns.ac.rs


• Sateliti

oko nas


nkt.uns.ac.rs


• Pokrivanje

satelita

niskih

orbita


nkt.uns.ac.rs


• Globalstar


nkt.uns.ac.rs


• Iridium


nkt.uns.ac.rs


• Telefoni

• Thuraya (GEO)

• „satelitska maska“ za iPhone5



četvrte generacije


nkt.uns.ac.rs

4G

• 4G treba da omogući karakteristike koje je 2008. definisala ITU-R

• IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced)

• sveobuhvatna „all-IP“ mobilna širokopojasna rešenja

• ne podržava komutaciju kola

• podrška raznih uređaja (laptop, smart telefoni...)

• ultra-broadband brzine pristupa Internetu

• IP telefonija

• mrežne igre

• real-time multimedija

• QoS

• HDTV

• interoperabilnost sa prethodnim sistemima


nkt.uns.ac.rs

4G

• IMT-Advanced karakteristike • brzine

• 100 Mbit/s kada se korisnik kreće velikim brzinama

• 1 Gbit/s kada je korisnik relativno stacionaran u odnosu na baznu stanicu

• dinamička raspodela resursa u cilju podrške velikog broja korisnika

• skalabilna širina kanala 5-20 MHz, opciono 40 MHz

• besprekidno povezivanje – handover i roming

• mogućnost ponude multimedijalnog servisa visokog kvaliteta


nkt.uns.ac.rs

4G

• Dva „4G“ sistema je razvijeno krajem 2010-tih:

• WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) IEEE 802.16 serija standarda

• IEEE 802.16e-2005 – osnova Mobile WiMAX-a

• prvi put implementiran u Južnoj Koreji 2007.

• 2008. – SAD

• LTE (Long Term Evolution)

• 3GPP razvio standarde na bazi GSM/EDGE/UMTS/HSPA

• prva implementacija 2009. u Norveškoj i Švedskoj

• E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) – naziv za radio interfejs u LTE

• 3,9G – prve generacije Mobile WiMAX-a i LTE-a nisu bile prave 4G, jer su podržavale brzine znatno manje od 1 Gbit/s

• međutim, ipak ih smatraju 4G tehnologijama


nkt.uns.ac.rs

4G

• Kasnije razvijeni IMT-Advanced kompatiblni standardi

• Mobile WiMAX Release 2

• IEEE 802.16m-2011, a menja ga 802.16.1-2012

• radi na 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz

• širine kanala: 5 MHz, 8,75 MHz i 10 MHz

• LTE-Advanced

• predložen od strane NTT DoCoMo (Japan)

• stadardizovan 2011. od strane 3GPP

• radi na 800, 900, 1800, 2100 i 2600 MHz

• negde definisano i 450 i 3600 MHz

• širina kanala 5-20 MHz


nkt.uns.ac.rs

4G

• 4G

• ne podržava komutaciju kola

• paketska „all-IP“ mreža

• ne koristi tehniku proširenog spektra DSSS, odnosno CDMA

• menja je tehnika OFDMA – omogućava velike brzine i pored multipath fedinga

• podržava MIMO tehniku i smart antene


nkt.uns.ac.rs

4G ključne tehnologije

• Performanse radio sistema se u najvećoj meri utvrđuju na osnovu najbitnijeg faktora – odnos signal-šum, SNR (Signal-to-Noise Ratio)

• Bilo bi dobro da je signal koji se prenosi što jači • u mrežama koje koriste nelicencirani opseg jačina signala se mora limitirati

kako bi se izbegla interferencija

• mora se uložiti dosta truda kako bi se signal na prijemu što više izolovao od šuma koji postoji u sredini

Snaga

Frekvencija

Šum

SNR1

SNR2

Signal 1

Signal 2


nkt.uns.ac.rs


• Šenonova teorema – ne postoji teoretski maksimum brzine

prenosa podataka

• C – kapacitet u bit/s

• B – propusni opseg u Hz

• Modulacija koja može da obezbedi veći odnos signal-šum, može

da postigne i veće brzine prenosa

• npr, jednim nivoom signala se predstavlja više bita

• može se beskonačno povećavati broj nivoa, ali u nekom trenutku će šum

početi da utiče na odluku na prijemu

𝐶 = 𝐵 log2 1 +𝑆

𝑁


nkt.uns.ac.rs


• Brzina prenosa zavisi od dometa

• na putu kroz prostor dolazi do degradacije signala

• sa povećanjem rastojanja stanice od AP tačke nivo signala će opadati, a time

će se smanjivati SNR

• kada SNR postane toliko mali da ne može da podrži veliku brzinu, stanica će se

prebaciti u drugi režim sa manjom brzinom prenosa koja podržava manji SNR

Primljeni

signal

APStanica 1

Rastojanje

Stanica 2

Šum


nkt.uns.ac.rs


• SNR (Signal-to-Noise Ratio)

• veći SNR – više informacija se može prenositi

• analogija sa okom čoveka i detektovanjem upaljene lampe

• tokom noći lakše detektovati upaljenu lampu nego danju

• šum je ambijentalno osvetljenje koje je manje noću (veći SNR)

• ako smo bliže kući lakše je detektovati upaljenu lampu

• SNR se povećava sa smanjenjem rastojanja

• ako je sijalica jača (40 W vs. 150 W) lakša je detekcija

• SNR se povećava sa povećanjem snage emitovanja

• cilj – povećati SNR koji se može „utrošiti“ na

• povećanje brzine prenosa

• povećanje rastojanja

• ili pomalo na oba aspekta


nkt.uns.ac.rs


• QAM

• 16-QAM

• 1 simbol – 4 bita

• 64-QAM


• predloženo da se koristi u LTE


nkt.uns.ac.rs


• QAM

• 256-QAM


• 802.11ac


nkt.uns.ac.rs


• QAM

• 512-QAM – 9 bita

• 1024-QAM – 10 bita

• 2048-QAM – 11 bita

• 4096-QAM – 12 bita

• powerline Ethernet

• u žičnim sistemima se postiže veći nivo jer je šum manji

• npr. neki ADSL sistemi postižu 32768-QAM (1 simbol – 15 bita)


nkt.uns.ac.rs


• Multipath – višestruka propagacija signala

• signal se prostire različitim putanjama od izvora do odredišta

• primljeni signal će biti zbir svih signala koji stižu do prijemnika

• u zavisnosti od faze signala postoje dve ekstremne situacije

1

Stanica 1

Stanica 2

3

2

a)

Signal 1

Signal 2

Signal 1

Signal 2

b)


nkt.uns.ac.rs


• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulacija

• široki frekvencijski kanal se deli na više podkanala (podnosioci)

• svakim podkanalom se prenosi deo podataka

• OFDM je povezana sa FDM tehnikom

• svakom korisniku se dodeljuje jedan kanal, a zaštitni opseg se koristi za

izbegavanje interferencije

• zaštitni opsezi su zauzimali deo ukupnog opsega koji se mogao koristiti za

prenos podataka

Band

1

Frekvencija

Guard

bandBand

2

Guard

bandBand

3


nkt.uns.ac.rs


• OFDM bira kanale koji se preklapaju, ali ne interferiraju

• koristi Furijeovu transformaciju

• kanali se lako mogu razdvojiti jedan od drugog

• kanali su „ortogonalni“ (nezavisni)

• na svakoj frekvenciji podnosioca svi ostali podnosioci ne utiču na konačnu

formu signala

• u tačkama gde se nalaze maksimumi pojedinih podnosilaca, ostali nosioci

imaju nultu amplitudu

• podaci se prenose

frekvencijama koje

odgovaraju

maksimumu

podnosilaca


nkt.uns.ac.rs


• OFDM

• ukupan opseg se deli na veći broj ortogonalnih podnosilaca

• između njih se bira odgovarajući frekvencijski razmak

• svaki podnosilac se posebno moduliše i nosi deo podataka

• tok podataka se deli na N paralelnih tokova

• npr. 802.11a tok podataka deli na 52 niza bita (4 pilota + 48 podaci)

• max brzina 54 Mbit/s

5180

52 podkanala, svaki širine

312,5 kHz

5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320

MHz

. . .

20 MHz

8 kanala u

donjem delu opsega od 5 GHz


nkt.uns.ac.rs


• OFDMA (OFDM Access)

• različiti korisnici koriste različite podkanale u različito vreme


nkt.uns.ac.rs


• MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tehnika

• koristi više antena koje šalju i primaju podatke u isto vreme

• koristi različite tehnike kako bi povećao SNR

• usmeravanje predajnog snopa

• prostorni diversiti

• MRC (Maximal-Ratio Combining)


nkt.uns.ac.rs


• Usmeravanje predajnog snopa, TxBF (Transmit Beamforming) • više predajnih antena poboljšava signal na prijemu

• signali prelaze različite putanje i na prijemu se sabiraju

• razlika u fazi utiče na snagu primljenog signala – dva ekstrema

• faze na predaji se pažljivo podešavaju kako bi se povećao SNR

• predajnik mora dobiti povratnu informaciju od prijemnika

• povratne informacije validne kratko vreme (npr. prijemnik se pomera)

• ne mogu se koristiti u slučaju brodkasta i multikasta

Predajnik

sa više

predajnih

antena

Prijemik

sa jednom

prijemnom

antenom

(2x1)

Signal 1

Signal 2

Signal 1

Signal 2


nkt.uns.ac.rs


• Prostorni diversiti – koristi multipath fenomen • prepreke mogu da umanje snagu signala, ali signal može i da se odbije od njih

(npr. metalna površina je kao „ogledalo“)

• moguće „videti“ jednu AP više puta

• MIMO sa više antena šalje radio signal u isto vreme

• svaki signal se naziva prostorni tok (spatial stream)

• fizički razmak između antena utiče da signal prelazi različitu putanju, a ta pojava se naziva prostorni diversiti (spatial diversity)

• Predajnik na istoj frekvenciji može da šalje i različiti tok podataka • to je prostorni multipleksing, SDM (Space Division Multiplexing)

Predajnik Prijemnik


nkt.uns.ac.rs


• Prostorni diversiti

• prijemni uređaj poseduje više antena/prijemnika

• prijemnik nezavisno dekodira signale koji stižu na njegovu antenu

• radio signali sa svih prijemnika se kombinuju

• korišćenjem složenog matematičkog proračuna dobija se mnogo bolji prijemni

signal nego kada se koristi samo jedna prijemna antena ili kada se koristi TxBF

tehnika

Podaci

podeljeni u

dva niza

Predajnik

Tx1

Prijemnik

Tx2

Txn

Rx1

Rx2

Rxn

Reflektujući

objekat

Podaci

.

.

.

.

.

.

Multipath


nkt.uns.ac.rs


• Višestruka refleksija signala može da utiče na feding signala na nekim

frekvencijama (frequency selective fading)

• neki podnosioci u kanalima širine 20 MHz ili 40 MHz su jači od drugih

• MRC (Maximal-Ratio Combining) tehnika omogućava prijemniku da

koreliše signale koje prima od različitih antena

• ukupan signal je jači od bilo

kog pojedinačnog signala

• MRC može da poveća

osetljivost prijemnika

• MRC zahteva procesiranje

digitalnog signala

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Frekvencija (MHz)

10

5

-35

-30

-25

-20

-15

0

-5

-10

Kva

lite

t ka

na

la (

dB

)MRC

Antena 1

Antena 2

Antena 3


nkt.uns.ac.rs


• Pokrivanje područja


nkt.uns.ac.rs


• MU-MIMO (Multi User MIMO)

• povećava kapacitet (broj korisnika)


nkt.uns.ac.rs

4G primena

• Srbija (MTS, Telenor, VIP) – proleće 2015.

• Nemačka – 2010.

• Skandinavija – 2010.

• Hrvatska – 2012.

• Slovenija – 2014.

• Italija – 2014.

• UK – 2012.

• SAD – većina nudi LTE, a neki WiMAX

• WiMAX je bio popularan 2005-2010.



pete generacije


nkt.uns.ac.rs

5G

• Bežična industrija se već priprema za 5G

• mnoga toga je još uvek u fazi razvoja

• standardi još nisu definisani

• predviđanja se da će se to desiti negde 2019.


nkt.uns.ac.rs

5G

• Neka viđenja

• 40 puta brža od 4G

• omogućiće „8K“ video stream u 3D

• Nokia – 100 Mbit/s po korisniku

kada je najveće opterećenje

• veoma malo kašnjenje

• koristiće opseg 60 GHz, 73 GHz

• velike brzine, ali mali domet i

ne prolazi lako kroz zidove

• „ćelije“ će biti manje, biće više antena

• makroćelije – 35 km

• mikroćelije – 2 km

• pikoćelije – 200 m

• femtoćelije – 10 m

Evolucija mobilnih

telekomunikacionih sistema

mr Dejan Nemec [email protected]



evolucija mobilnih telekomunikacionih sistema

Documents