Meranie základných parametrov signálu BTS systému GSM

DIPLOMOVÁ PRÁCA

PETER KORFANT

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Vladimír Wieser, PhD.

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)

Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

ŽILINA 2006

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií

_____________________________________________________________

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko, meno: Peter Korfant školský rok: 2005/2006

Názov práce: Meranie základných parametrov signálu BTS systému GSM

Počet strán: 50 Počet obrázkov: 17 Počet tabuliek: 1

Počet grafov: 6 Počet príloh: 2 Použitá lit.: 10

Anotácia:

Táto diplomová práca sa zaoberá zostavením pracoviska pre meranie parametrov

signálu BTS systému GSM. Pracovisko je možné pripojiť na osciloskop na meranie TX

a RX signálov. V diplomovej práci sú spracované namerané signály a ukážka

netmonitoringu.

Anotácia v cudzom jazyku:

This diploma work deals with construction of workstation for measuring parameters

of BTS signals in GSM system. The workstation is possible to connect to oscilloscope for

measuring TX and RX signals. In this diploma work are specified a measured signals and

samples of netmonitoring.

Kľúčové slová:

BTS, GSM, Mobilný telefón, mobil, TX signál, RX signál, netmonitoring

Vedúci práce: doc. Ing. Vladimír Wieser, PhD.

Recenzent práce: Ing. Vladimír Pšenák

Dátum odovzdania práce: 19. mája 2006

OBSAH

1 ÚVOD.........................................................................................1

2 GSM............................................................................................2

2.1 Globálny systém pre mobilné komunikácie GSM...........................................2

2.2 História GSM .....................................................................................................2

2.3 Služby poskytnuté GSM sieťou ........................................................................4

2.4 Architektúra GSM sieti .....................................................................................5

2.4.1 Mobilné zariadenie.......................................................................................5

2.4.2 Základná stanica subsystému.......................................................................6

2.4.3 Sieťový subsystém .......................................................................................6

2.5 Signálová časť GSM ..........................................................................................7

2.5.1 Viacnásobný prístup a štruktúra kanála .......................................................7

2.5.2 Logické kanály.............................................................................................8

2.5.3 Prevádzkové kanály ..................................................................................10

2.5.4 Riadiace (signalizačné) kanály ..................................................................11

2.5.5 Dátové bloky..............................................................................................11

2.5.6 Kódovanie kanálov a modulácia................................................................13

2.5.7 Viaccestné vylepšenie ................................................................................14

2.5.8 Frekvenčné skákanie ..................................................................................14

2.5.9 Nespojité vysielanie ...................................................................................14

2.5.10 Nespojité prijímanie...................................................................................15

2.5.11 Riadenie spotreby.......................................................................................15

2.6 Sieťová časť GSM............................................................................................16

2.6.1 Manažment rádiových prostriedkov RR ....................................................17

2.6.2 Manažment pohybu MM............................................................................18

2.6.3 Komunikačný manažment CM ..................................................................20

3 TECHNICKÝ POPIS MOBILNÉHO TELEFÓNU....... 22

3.1 Mobilný telefón.................................................................................................22

3.1.1 Charakteristika mobilov.............................................................................23

3.1.2 Multimodálne mobily.................................................................................24

3.2 Technické parametre mobilu ..........................................................................25

3.3 Vysielač NSE-1 .................................................................................................26

3.3.1 Funkčný popis ............................................................................................26

3.3.2 Pracovné režimy mobilu ............................................................................27

3.3.3 Základnopásmový modul...........................................................................28

4 REALIZÁCIA PRACOVISKA A MERANIE ................ 30

4.1 Konštrukcia meracieho pracoviska BTS signálu ..........................................30

4.1.1 Návrh stolíka..............................................................................................31

4.1.2 Prepojenie jednotlivých častí mobilu.........................................................33

4.1.3 Vymedzenie merných bodov .....................................................................35

4.1.4 Prepojenie s osciloskopom a počítačom ....................................................36

4.1.5 Zobrazenie meracieho pracoviska..............................................................37

4.2 Meranie signálov BTS stanice pomocou ETC osciloskopu ..........................38

4.2.1 Meranie RX signálu na prijímači ...............................................................38

4.2.2 Meranie TX signálu na vysielači ...............................................................42

4.3 Netmonitoring Nokia 5110 ..............................................................................46

4.3.1 Zobrazenie aktuálneho spojenia.................................................................46

4.3.2 Informácie o iných BTS staniciach............................................................47

4.3.3 BTS test......................................................................................................48

4.3.4 Možnosť používania zakázaných BTS ......................................................49

5 ZÁVER.................................................................................... 50

ZOZNAM OBRÁZKOV, GRAFOV A TABULIEK

Obr. 2.1 Architektúra GSM sieti

Obr. 2.2 Rádiové rozhranie FDMA/TDMA

Obr. 2.3 Rozdelenie logických kanálov

Obr. 2.4 Usporiadanie rámcov pre prenos

Obr. 2.5 Typy paketov v GSM

Obr. 3.1 Nokia 5110

Obr. 3.2 Prepojovací diagram

Obr. 3.3 Bloková schéma NSE-1

Obr. 4.1 Návrh stolíka meracieho pracoviska

Obr. 4.2 Kompletné rozloženie Nokie 5110

Obr. 4.3 Konektor na prepojenie klávesnice k RF modulu

Obr. 4.4 Merné body TX a RX

Obr. 4.5 Meracie pracovisko

Obr. 4.6 Aktuálne spojenie

Obr. 4.7 Zobrazenie ostatných BTS

Obr. 4.8 BTS test off

Obr. 4.9 Cell barr accepted

Graf 4.1 RX multirámec 26

Graf 4.2 RX rámce

Graf 4.3 Časové okná RX

Graf 4.4 TX multirámec 26

Graf 4.5 TX rámce

Graf 4.6 Časové okná TX

Tabuľka 3. 1 Hlavné technické údaje z NSE–1

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

2G 2nd Generation (druhá generácia)

3G 3rd Generation (tretia generácia)

3GPP 3rd Generation Partnership Project (Partnerský projekt tretej generácie)

AGCH Access Grant Channel (Kanál potvrdenia)

ASIC Application Specific Integrated Circuit (Zákaznícky obvod)

AuC Authentication Centre (Autentifikačné centrum)

BCC Broadcast Control Channel (riadiaci kánal)

BCCH Broadcast Control Chanel (Kanál riadenia vysielania)

BSC Base Station Controller (Ovládač základňovej stanice)

BTS Base Tranceiver Station (Vysielacia a prijímacia základňová stanica)

CBCH Cell Broadcast Channel (Kanál bunkových systémových informácií)

CC Call Control (Riadenie hovorov)

CCH Control Channels (Riadiace kanály)

CDMA Code division multiple Acess (Viacnásobný prístup s kodovým delením)

CEPT Conférence des administrations Européennes des Poste set

Telecommunications (Konferencia administratívy pôšt a telekomunikácií)

CID Cell ID

CM Communication Management ( Manažment komunikácie)

CRC Cyclic Redundancy Code (Cyklická kontrola redundancie)

DCS Digital Cellular System (Digitálny bunkový systém)

DS–WCDMA Direct Sequence CDMA (CDMA s priamym rozprestretím spektra)

DSP Digital Signal Processor (Digitálny signálový procesor)

DTX Discontinuous transmission (Nespojité vysielanie)

EDGE Enhanced Data Rates for Global (GSM) Evolution

(Zvýšené prenosové rýchlosti pre globálne komunikácie)

EFR Enhanced Full Rate (Zvýšená plná rýchlosť)

EIR Equipment Identity Register (Databáza zariadení)

ETC Digitálna pamäť

ETSI European Telecommunications Standards Institute

(Európsky telekomunikačný štandardizačný inštitút)

FACCH Fast Associated Control Channel (Rýchly pridružený kanál)

FCC Federal Communications Commission (Federálna komunikačná komisia)

FCCH Frequency Correction Channel (Korekčný a synchronizačný kanál)

FDMA Frequency division multiple Acess

(Viacnásobný prístup s frekvenčným delením)

GMSC Gateway MSC (brána MSC)

GMSK Gaussian - filtered Minimum Shift Keying (Gausová modulácia MSK)

GPRS General Packet Ratio service (Všeobecná paketová rádiová služba)

GSM Global system for mobile (Globálny systém mobilných komunikácií)

HLR Home Location Register (Databáza domácich účastníkov)

IMEI Subscriber Identity Module (Medzinárodné identifikačné číslo)

IMSI International Mobile Subscriber Identity

(Medzinárodné číslo mobilnej stanice)

ISDN Integrated Services Digital Network (Digitálna sieť integrovaných služieb)

ITU International Telecommunication Union

(Medzinárodná telekomunikačná únia)

MAP Mobil Application Part (Časť mobilných aplikácií)

ME Mobile Equipment (mobilné zariadenie)

MM Mobility Management (Manažment pohybu)

MMS Multimedia Message Service (Služba obrazových správ)

MS Mobile Station (Mobilná stanica)

MSC Mobile Switching Center (Rádiová ústredňa )

MSISDN Mobile Subscriber ISDN

MSRN Mobile Station Roaming Number

MTP Message Transfer Part

NDC National Destination Code

NSPS No Serve Power Save mode

PAGCH Packet Access Grant Channel (Paketový kanál povolenia prístupu)

PCS Personal Communication Services (Personálne komunikačné služby)

PCH Paging Channel (Kanál výzvy PCH)

PIN Personal Identity Number (Personálne identifikačné čislo)

PLMN Public Land Mobile Network (Verejná pozemná mobilná sieť)

POTS Plain Old Telephpne Service

PSTN Public Switched Telephone Network (Verejná telefónna sieť)

RACH Random Access Channel (Kanál náhodného prístupu)

RR Radio Resources Management (. Manažment rádiových prostriedkov)

RSSI Received Signal Strength Indication

(Indikácia úrovne prijímaného signálu)

RX Receiver (Prijímač)

SACCH Slow Associated Control Channel (Pomalý pridružený kanál)

SAW Povrchová akustická vlna

SDCCH Stand-alone Dedicated Control Chanels

(Samostatný vyhradený riadiaci kanál)

SIM Subscriber Identity Module (Účastnícky identifikačný modul)

SMS Short Message Service (Služba krátkych správ)

SRES Signed Response (Potvrdená odpoveď)

SSN 7 Signalling System Number 7 (Signálny protokol č. 7)

TCAP Transaction Capabilities Application Part

TCH Traffic Channels (Prevádzkové kanály)

TDMA Time division multiple Acess (Viacnásobný prístup s časovým delením)

TEFR Transfer channel Enhanced Full Rate

TX Transmitter (Vysielač)

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

(Univerzálny telekomunikačný systém)

VLR Visitor Location Register (Register hosťujúcich účastníkov)

WAP Wireless Aplication Protocol (Bezdrôtový aplikačný protokol)

WCDMA Wideband CDMA (Širokopásmový systém CDMA)

ZS Základňová stanica

1

1 ÚVOD

V posledných rokoch dochádza k masívnemu rozvoju rádiokomunikačných

technológií. V dnešnej dobe sú mobilné telefóny neodmysliteľnou súčasťou života viac

ako miliardy ľudí. I keď rozvoj mobilov je ďaleko v popredí, systém GSM je stále

najpoužívanejším na celom svete. Hlavný dôvod pre zvyšovanie počtu používateľov

GSM, bola dostupnosť predplatených volaní u telefónneho operátora. To umožnilo

ľuďom vlastniť mobilný telefón i vtedy, keď sa nechceli viazať zmluvou s operátorom.

GSM je svetovým systémom pre mobilné komunikácie. Je to bunková sieť, čo

znamená že mobilné telefóny sa pripojujú do siete prostredníctvom najbližšej bunky.

GSM sieť funguje na niekoľkých rádiových frekvenciách.

Cieľom diplomovej práce je navrhnúť, zostrojiť a popísať meracie pracovisko

v systéme GSM, na ktorom bude možné merať vysielacie a prijímacie signály na

prebiehajúcom spojení medzi mobilným zariadením a BTS stanicou. BTS je základňová

vysielacia stanica, cez ktorú komunikuje mobilný účastník s ostatnými užívateľmi siete.

Meracie pracovisko je navrhnuté a realizované s možnosťou pripojenia na ETC

osciloskop a pripojenia na počítač pomocou dátového kábla, ktorý využijeme pri

netmonitoringu.

Túto prácu môžeme rozdeliť na dve hlavné časti, a to teoretickú a praktickú.

V 2. kapitole je popísaná teória o GSM a v 3. kapitole o mobilom telefóne, ktorý sme

použili na meranie. V 4. kapitole je zhrnutá praktická časť, ktorá sa delí na: realizáciu

meracieho pracoviska, meranie signálov BTS stanice a netmonitoring.

Hlavným cieľom mojej diplomovej práce je umožniť budúcim študentom na

zhotovenom meracom pracovisku pozorovať deje v systéme GSM, hlavne prenos

signálov medzi mobilným telefónom a BTS stanicou.

2

2 GSM

2.1 Globálny systém pre mobilné komunikácie GSM

Je to najpopulárnejší svetový štandard pre mobilné telefóny. Telefóny GSM

používa viac ako miliarda ľudí vo viac než 200 krajinách. Rozšírenosť štandardu GSM

umožňuje vďaka "roamingovým dohodám" medzi mobilnými operátormi uskutočňovať

roamingové hovory. GSM sa od svojich predchodcov výrazne líši v tom, že obidva

kanály, signalizačný aj hlasový, sú digitálne, vďaka čomu dostal označenie mobilný

systém druhej generácie (2G). Táto skutočnosť takisto znamenala, že už hneď v

začiatkoch systém GSM umožňoval aj dátovú komunikáciu. GSM je otvorený štandard,

ktorý je v súčasnosti vyvíjaný podľa 3GPP [1].

GSM má zachovanú spätnú kompatibilitu s pôvodnými GSM telefónmi. V tej istej

dobe pokračuje GSM štandard s vývojom schopnosti paketových dát pridaných do

štandardu vo verzii z roku 1997 pod skratkou GPRS. Vyššie prenosové rýchlosti dát

predstavené ako EDGE a UMTS ( v tom prípade už ide o 3G ) vo verzii z roku 1999.

2.2 História GSM

Navzdory dnešnej popularite, začala história mobilných telefónov dávno pred

začiatkom GSM. V roku 1979 konferencia WARC vyčleňuje pre budúci mobilný systém

pásmo 900 Mhz. Skupina GSM ( z francúzskeho " Groupe Spécial Mobile") bola

založená roku 1982. Neskôr však bolo rozhodnuté, že sa zachovajú iniciálky ale zmení sa

význam skratky. Pôvodne patrila skupina pod CEPT (Conférence des administrations

Européennes des Postes et Telecommunications). Roku 1986 bolo v Paríži predložených

celkom 9. návrhov systému (analógových ako aj digitálnych TDMA a CDMA), z ktorých

mal byť vybratý vhodný budúci systém. Technické základy systému GSM boli

definované roku 1987. Tu bol vybratý plne digitálny úzkopásmový systém

TDMA/FDMA (Time and Frequency Division Multiple Access) a najdôležitejší

prevádzkovatelia sieti v Európe podpísali memorandum o zavedení systému GSM na

3

prelome rokov 1991/92. V súčinnosti s dodávateľmi sa od roku 1989 vypracovávala

špecifikácia GSM v rámci ETSI [2].

V roku 1990 bola ukončená fáza 1. špecifikácie, začína DCS prispôsobovanie, boli

zrealizované platné systémy a uskutočnil sa prvý svetový GSM kongres v Ríme so 650.

účastníkmi. DCS požiadavky boli pozastavené roku 1991, pretože prvý GSM systém

zlyhal. V tomto roku sa taktiež uskutočnil svetový GSM kongres v Nice so 690.

účastníkmi. Prvý sieťový operátor vznikol v januári 1992 vo Fínsku pod názvom Oy

radiolinja Ab a do decembra bolo zavedených 13 operátorov v 7. oblastiach. Tohto roku

bol ďalší svetový GSM kongres, tentoraz v Berlíne a zúčastnilo sa na ňom 630.

účastníkov. GSM demonštroval po prvý krát v Afrike v Telkom ’93 v Kapskom meste.

Roku 1993 boli podpísané roamingové zmluvy medzi viacerými mobilnými operátormi

a v decembri bolo otvorených 32 sieti v 18 oblastiach. Ďalej bol svetový GSM kongres

v Lisabone so 760. účastníkmi. Telkom ’93 sa udržal v Kapskom meste a bol tam ukázaní

prvý GSM systém. V roku 1994 v Afrike vypukli prvé siete do Južnej Afriky. V tom roku

sa začala prevádzka siete DCS 1800. Úspech sieti GSM bol podmienení okolnosťami,

pretože siete sú voľne prístupné a komponenty (MS, ZS, MSC) rôznych výrobcov sú

vzájomne zlúčiteľné, obzvlášť pokiaľ ide o súčinnosť MS a ZS.

V priebehu štandardizácie sa zistilo že špecifikácia ďalších rozšírení možnosti

systému a služieb trvá dlhšie ako sa očakávalo. Aby sa nebrzdilo zavádzanie systému,

štandardizácia sa vždy uzavrela v určitej fáze, napr. fáza 1, fáza 2 a fáza 2+. Pritom je

dôležitým problémom zlučiteľnosť medzi jednotlivými fázami. Aby sa zabezpečilo že

MS bude čo najjednoduchšia, musí byť infraštruktúra siete schopná zistiť, či ide o MS

fázy 1 alebo 2 a potom vykonávať príslušné funkcie [2].

Fáza 2 vznikla v roku 1994 a poskytuje prenos dát a faxovú službu. Túto službu

poskytol ako prvý Vodacom v GSM sieťach. Ďalší kongres sa uskutočnil v Aténach

so 780. účastníkmi a v decembri bolo otvorených 69 sietí v 43. oblastiach. GSM MoU je

formálne zapísané roku 1995 ako združenie registrované vo Švajčiarsku so 156. členmi

v 86. oblastiach. 1400 účastníkov sa stretlo na kongrese v Madride. Každoročne sa konali

kongresy ale stále v inom meste. Zaviedla sa služba SMS roaming. GSM fáza 2

štandardizácie bola dokončená, vrátane prispôsobovania pre PCS 1900. Táto ožíva práve

v tomto roku v USA. Telcom ’95 v Ženeve ukázala Nokia 33.6 kbps multimediálne dáta

cez GSM. Ericsson 337 vyhral súťaž mobil roku a US FCC predala v dražbe PCS

4

licenciu. V roku 1996 bol spustený 8K SIM a boli predbežne používané GSM SIM karty.

Do GSM bol zavedený stabilný linkový modem. V roku 1997 je vyrobený prvý

dvojpásmový GSM 900-1900 telefón pomoc firmy Bosh. Vývoj GSM pokračoval až do

roku 2001 kde bolo v apríli zaznamenaných 16 biliónov poslaných sms správ

a zaregistrovaných 500 miliónov používateľov GSM siete [3].

2.3 Služby poskytnuté GSM sieťou

Od začiatku projektovania sieti plánovači hľadali zlučiteľnosť s ISDN kvôli

poskytnutým službám a kontrole použitej siete. Pretože rádiový prenos bol limitovaný

kvôli šírke pásma a cene, nebolo možné rýchlosť 64 kbps štandardu B - kanála ISDN

praktický dosiahnuť. Použitím ITU - T štandardu, telekomunikačné služby môžu byť

zadelené medzi nosné služby, teleslužby a doplnkové služby. Najzákladnejšou

teleslužbou podporovanou GSM je telefonovanie. Ako u všetkých ostatných

komunikáciách aj v tejto je reč digitálne kódovaná a prenášaná cez GSM ako digitálny

prúd. Sú tu takisto núdzové volania, kde je najbližšiemu pohotovostnému útvaru

oznámená správa voľbou trojciferným číslom. Ponúka nám rozmanitosť dátových služieb.

GSM používatelia môžu posielať a prijímať dáta rýchlosťou väčšou ako 9600 bps

smerom k užívateľom POTS (Plain Old Telephpne Service), ISDN, paketových ústrední

verejnej dátovej siete ako aj k použitiu komutovaných okruhov verejnej dátovej siete

a množstva iných metód prístupu a protokolov, ako napríklad X.25 alebo X.32. Od doby

vzniku GSM je to digitálna sieť kde nie je potrebný zvukový modem medzi používateľom

a sieťou hoci zvukový modem je požadovaný vo vnútri GSM siete popretkávanej POPmi.

Ostatné dátové služby sú obsiahnuté v telefaxe skupiny 3, ako je to popísané v ITU – T

odporúčaní T.30, ktorý je podporovaný použitím vhodného faxového adaptéra.

Jedinečnou funkciou GSM, ktorá nebola používaná v starších analógových systémoch je

SMS. Je to obojsmerná služba pre krátke abecedne- číslicové správy (do 160 bitov).

Správy sú prenášané v zhromažďovanom tvare. Pre bod- to- bod SMS správa môže byť

poslaná inému účastníkovi ako prijatá a potvrdenie príjmu je poskytnuté odosielateľovi.

SMS môžu byť používané aj v cell- broadcast móde pre posielanie správ ako sú napr.

signalizačné správy. Správy môžu byť uchovávané aj v SIM karte pre ďalšie použitie.

Veľa ďalších doplňujúcich služieb bolo pridaných vo fáze II, ako identifikácia

volajúceho, čakanie na volanie, konferenčný hovor [3].

5

2.4 Architektúra GSM sieti

GSM sieť je tvorená troma funkčnými časťami a to mobilným zariadením

u užívateľa, základnou stanicou subsystému kontrolujúcou rádiové spojenie s mobilným

zariadením užívateľa. Sieťovým subsystémom, ktorého základnou časťou je rádiová

ústredňa MSC (Mobile services Switching Center) a jeho úlohou je prepájať volania

medzi mobilnými užívateľmi. Mobilné zariadenie a základná stanica subsystému

komunikujú cez Um rozhranie, čo je rádiová linka [4].

Obr. 2.1 Architektúra GSM sieti

2.4.1 Mobilné zariadenie

Mobilné zariadenie ME (Mobile Equipment) pozostáva z mobilného vybavenia

(terminálu, napr. mobilu) a smart karty nazývanej tiež SIM karta (Subscriber Identity

Module). SIM karta poskytuje osobnú mobilitu, tak že užívateľ môže mať prístup k

službám siete nezávisle od použitého mobilného zariadenia. Vložením SIM karty do

iného GSM terminálu, môže prijímať hovory, sám volať a využívať všetky ostatné

služby. Mobilné zariadenie je jednoznačne identifikovateľné tzv. IMEI číslom

(International Mobile Equipment Identity). SIM karta má tiež svoje jednoznačne

identifikovateľné číslo tzv. IMSI číslo (IMSI - International Mobile Subscriber Identity)

používané pre identifikáciu užívateľa v systéme, autentifikáciu tajného kľúča a ďalších

informácii. IMEI a IMSI čísla sú nezávislé čím dovoľujú osobnú pohyblivosť. SIM karta

je chránená proti neautorizovanému použitiu PIN číslom (Personal Identity Number).

6

2.4.2 Základná stanica subsystému

Základná stanica subsystému je zložená z dvoch častí, základnou vysielacou

stanicou BTS (Base Transceiver Station) a základnou riadiacou stanicou BSC (Base

Station Controller). Tieto komunikujú cez štandardizované Abis rozhranie dovoľujúce

činnosť medzi komponentmi vyrobenými rôznymi výrobcami. BTS zahŕňa aj rádiové

vysielače, čo definujeme ako bunku a rádiolinkový protokol s mobilným zariadením. V

husto obývanej časti, môže byť potenciálne rozmiestnených veľké množstvo BTS, čím sú

požiadavky na BTS spoľahlivo rozdelené. BSC riadi rádiové zdroje pre jednu alebo

viacero BTS. Riadi nastavenie rádiového kanálu, frekvencie a handovers. BSC je v

spojení medzi mobilným zariadením a hlavným riadiacim systémom MSC (Mobile

services Switching Center) .

2.4.3 Sieťový subsystém

Sieťový subsystém má za hlavný komponent MSC. To sa správa ako prepínací

uzol PSTN alebo ISDN a ďalej poskytuje všetky funkcie potrebné pre mobilného

užívateľa, ako registrácia, autentifikácia, lokácia, updating a presmerovanie volania na

roamingového užívateľa. MSC poskytuje spojenie s pevnou sieťou PSTN alebo ISDN.

Spojenie medzi funkčnými časťami v sieťovom subsystéme používa spojovací systém

SSN 7 (Signalling System Number 7), použitý pre hlavné spojenie v ISDN a široko

použité v súčasných verejných sieťach. Databáza domácich účastníkov HLR (Home

Location Register) a register hosťujúcich účastníkov VLR (Visitor Location Register)

spolu s MSC zabezpečuje presmerovanie volania a možnosť roamingu v GSM sieti. HLR

obsahuje všetky administratívne informácie o každom registrovanom užívateľovi v danej

GSM sieti z aktuálnej polohy mobilného zariadenia. Poloha mobilného zariadenia je

typicky vo forme signálovej adresy VLR spojenej s mobilným zariadením. Je logické, že

jedna GSM sieť má jeden HLR, hoci môže byť implementovaná ako distribuovaná

databáza. VLR obsahuje vybrané administratívne informácie z HLR potrebné pre riadenie

hovorov a poskytovanie služieb pre každé mobilné zariadenie práve umiestnené v

geografických hraniciach oblasti riadenej VLR. Hoci každý funkčný blok môže byť

začlenený ako nezávislá jednotka, všetci výrobcovia prepínacích komponentov dnes

implementujú VLR spolu s MSC, čím je zabezpečené, že geografická oblasť riadená

7

MSC korešponduje s oblasťou riadenou VLR. MSC neobsahuje podrobné informácie o

mobilných zariadeniach. Tieto informácie sú uchované v lokálnych registroch. Ďalšie dva

registre sú použité pre autentifikačné a bezpečnostné účely. Databáza zariadení EIR

(Equipment Identity Register) je databáza ktorá obsahuje list všetkých platných

mobilných zariadení na sieti, kde každé mobilné zariadenie je jednoznačne identifikované

IMEI. Číslo IMEI je označené ako neplatné ak bolo zariadenie ukradnuté. Autentifikačné

centrum AuC (Authentication Centre) spravuje databázu obsahujúcu kópie tajných

kľúčov ktoré sú uchované v SIM kartách užívateľov a sú použité pre autentifikáciu a

kódovanie prenosu cez rádiový kanál.

2.5 Signálová časť GSM

Medzinárodná telekomunikačná únia ITU, ktorá spravuje medzinárodné

rozdelenie frekvenčného spektra (a mnoho iných funkcii) určila pásmo od 890 - 915 MHz

pre spojenie mobilné zariadenie - základná stanica a pásmo od 935 - 960 MHz pre

spojenie základná stanica - mobilné zariadenie ktoré platia pre GSM siete v Európe [3].

2.5.1 Viacnásobný prístup a štruktúra kanála

Frekvenčné spektrum má limitovanú oblasť pre zdieľanie všetkými užívateľmi a

preto je potrebné navrhnutie delenia šírky pásma medzi čo najviac užívateľov. Metóda

vybratá pre GSM je kombináciou časového a frekvenčného delenia viacnásobného

prístupu TDMA/FDMA. Časť FDMA vyžaduje delenie frekvenciou 25MHz (maximálne)

šírky pásma medzi 124 nosných frekvencií oddelených 200kHz medzerou, obr. 2.2. Jedna

alebo viacero nosných frekvencií je pridelených každej základňovej stanici. Každá z

týchto nosných frekvencií je potom delená v čase použitím TDMA schémy. Základná

časová jednotka v tejto TDMA schéme sa nazýva prístupový rámec a trvá 0,577ms. Osem

prístupových rámcov je zlúčených do TDMA rámca v trvaní 4,615ms ktorý vytvára

základnú jednotku pre definíciu logického kanála. Jeden fyzický kanál je prístupový

rámec za TDMA rámec. Kanály sú definované číslami a pozíciami ktoré korešpondujú s

ich prístupovými rámcami. Všetky tieto definície sú cyklické a celá schéma sa opakuje

približne každé tri hodiny. Kanály môžu byť delené do priradených kanálov, ktoré sú

8

určené mobilným zariadeniam a spoločných kanálov, ktoré sú použité keď je mobilné

zariadenie nečinné.

Obr. 2.2 Rádiové rozhranie FDMA/TDMA

2.5.2 Logické kanály

Na jednotlivé fyzické kanály, sa vhodným spôsobom mapujú jednotlivé logické

kanály [5]. Spôsob mapovania a organizácia prenosu sú štandardom definované pre

vrstvu logických kanálov. Logické kanály môžeme rozdeliť na dve základné skupiny,

obr. 2.3:

1. Prevádzkové kanály TCH ( Traffic Channels)

2. Riadiace kanály CCH (Control Channels)

9

Obr. 2.3 Rozdelenie logických kanálov

10

2.5.3 Prevádzkové kanály

Prevádzkový kanál TCH (Traffic channel) je používaný na prenos hlasu a dátový

prenos, obr. 2.1. Prevádzkové kanály sú definované použitím 26 rámcov v multirámci,

alebo skupinou 26 TDMA rámcov, obr. 2.4. Dĺžka trvania 26 rámcov v multirámci je 120

ms, ktorá je taká dlhá ako je definovaný prístupový rámec (120 ms / 26 rámcov / 8

prístupových rámcov za 1. rámec). 24 rámcov je použitých pre spojenie, jeden je použitý

pre pomalý pridružený kanál SACCH (Slow Associated Control Channel ) a jeden je

nevyužitý. TCH pre vzostupný smer (spojenie mobilného zariadenia so základnou

stanicou) a zostupný smer (spojenie základnej stanice s mobilným zariadením) sú

oddelené v čase prístupovými rámcami, tým mobilné zariadenie nevysiela a neprijíma

naraz, čím sa podstatne zjednodušila elektronika. Tieto kanály sa nazývajú TCH s plnou

prenosovou rýchlosťou (full-rate). V implementácii sú definované aj TCH s polovičnou

prenosovou rýchlosťou (half-rate). Polovičná prenosová rýchlosť TCH zdvojnásobuje

kapacitu systému [3].

rámec 0-11: TCH rámec 12: SACCH rámec 13-24: TCH rámec 25: nepoužitý 26-multirámec

doba: 120 ms TDMA rámec doba: 60/13 ms koncový dátový nastavovacia dátový koncový bit bit postupnosť bit bit 8,25 - ochranný interval

Obr. 2.4 Usporiadanie rámcov pre prenos

11

2.5.4 Riadiace (signalizačné) kanály

Spoločné kanály môžu byť prístupné v obidvoch módoch, nečinnom aj činnom

móde. Spoločné kanály sú použité v nečinných módoch mobilného zariadenia na výmenu

informácii potrebných pre zmenu do priradeného módu. Mobilné zariadenia vždy v

priradenom móde monitoruje okolité základné stanice pre vysielacie a iné informácie.

Spoločné kanály sú definované v 51 rámci multirámca takže priradené mobilné zariadenia

použitím 26 rámcov multirámca TCH štruktúry môže stále monitorovať riadiaci kanál [3].

Tieto kanály obsahujú:

• Kanál riadenia vysielania BCCH (Broadcast Control Chanel) Nepretržite

vysiela na zostupný smer informácie obsahujúce identitu základnej stanice,

rozloženie frekvencií a frekvenčného skákania frekvencií.

• Korekčný a synchronizačný kanál FCCH (Frequency Correction Channel) a SCH

(Synchronisation Channel)

Použitím tohto kanála synchronizujeme mobilné zariadenie do časovej medzery

štruktúry bunky definovaním hraníc burst periódy a počítaním časových medzier.

Všetky bunky v GSM sieti vysielajú určite jeden FCCH a jeden SCH, ktoré sú

definované na časovej medzere 0 (bez TDMA rámca).

• Kanál náhodného prístupu RACH (Random Access Channel)

Kanál používaný mobilným zariadením pri požiadavke prístupu na sieť.

• Kanál výzvy PCH (Paging Channel)

Používaný pre upozornenie mobilného zariadenia na prichádzajúci hovor.

• Kanál potvrdenia AGCH (Access Grant Channel)

Používaný pre určenie SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Chanels)

mobilnému zariadeniu signalizujúcemu nasledujúcu požiadavku na RACH.

2.5.5 Dátové bloky

Existujú štyri typy dátových blokov používaných pre vysielanie v GSM sieťach.

Normálny dátový blok je použitý na prenášanie dát a signálov. Jeho dĺžka je 156,25 bitov

a bol vytvorený z dvoch 57 informačných bitov, 26 prípravnej sekvencie použitej pre

vylepšenie, 1 ukradnutý bit pre každý informačný blok (pre FACCH), 3 bity na každom

12

konci a 8,25 bitová sprievodná sekvencia. 156,25 bitov je prenesených za 0,577 ms,

prenosovou rýchlosťou 270,833 kbps. F dátový blok, použitý na FCCH a S dátový blok

použitý na SCH majú rovnakú dĺžku ako normálny dátový blok, ale zato majú odlišnú

vnútornú štruktúru, ktorá ich odlišuje od normálnych dátových blokoch. Prístupový

dátový blok je kratší ako normálny a je používaný len na RACH [3].

Obr. 2.5 Typy paketov v GSM

13

2.5.6 Kódovanie kanálov a modulácia

Keďže elektromagnetická interferencia sa vyskytuje všade okolo nás, kódovaná

reč alebo dátový signál prenášaný cez rádiové spojenie musí byť chránený pred chybami

pri prenose. GSM používa súčasné pôsobenie kódovania a blokový interleaving na

dosiahnutie tejto ochrany. Iný algoritmus kódovania sa použije pre reč a iný pre dátový

prenos. Spomeňme ešte raz, že hlasový kodek vytvára 260 bitový blok každých 20 ms

hlasovej vzorky. Z testovania sa vie, že niektoré bity tohto bloku sú dôležitejšie pre

rozoznanie kvality reči ako iné. Bity sú preto delené do troch tried:

• Trieda Ia 50 bitov - veľmi citlivé na chyby bitov

• Trieda Ib 132 bitov - mierne citlivé na chyby bitov

• Trieda II 78 bitov - najmenej citlivé na chyby bitov

Trieda Ia má pridaný 3 bitový cyklický redundantný kód CRC (Cyclic

Redundancy Code) pre detekciu chýb. Ak je nájdená nejaká chyba, rámec je pokladaný za

poškodený a je zamietnutý. Potom je nahradený zanedbateľne zoslabenou verziou

predchádzajúceho korektne prijatého rámca. Týchto 53 bitov, spolu s 132 bitmi Triedy IB

a 4 bitmi koncovej sekvencie (spolu 189 bitov) je vstupom do kódovača ktorý delí tieto

bity po štyroch. Každý vstupný bit je kódovaný ako dva výstupné bity, ktorých základom

sú predchádzajúce štyri vstupné bity. Kódovač takto vytvorí 378 bitov, ktoré sú pridané k

78 nekódovaným bitom Triedy II. Každých 20 ms vzorky reči je kódovaných ako 456

bitov, čo dáva prenosovú rýchlosť 22,8 kbps. Ďalšou ochranou proti burst chybám

prichádzajúcim z rádiového rozhrania je prekladanie každej vzorky. 456 bitov výstupu

kódovača je delených do 8 blokov po 57 bitoch a tieto bloky sú vysielané v 8 za sebou

idúcich time-slot burstoch. Každý time-slot burst môže niesť dva 57 bitové bloky to

znamená, že každý burst nesie frekvenciu z dvoch odlišných hlasových vzoriek. Každý

time-slot burst je prenášaný prenosovou rýchlosťou 270,833 kbps. Tento digitálny signál

je modulovaný na analógovú nosnú frekvenciu použitím GMSK (Gaussian - filtered

Minimum Shift Keying). GSMK bolo vybraté z pomedzi iných modulácii ako kompromis

využitia spektra, komplexnosti vysielania a limitovaných emisií. Komplexnosť vysielania

je spojená so spotrebou energie, ktorá je dôležitá hlavne pre mobilné zariadenie [3].

14

2.5.7 Viaccestné vylepšenie

Pri frekvencii 900 MHz sa rádiové vlny odrážajú od čohokoľvek (budovy, kopce,

auta, lietadla). Veľa odrazených signálov, každý s inou fázou, môže zachytiť anténa

mobilného zariadenia. Vylepšenie je použité na vybratie žiadaného signálu z nechcených

odrazov. Princíp je v analyzovaní ako sa signál utlmil. Konštrukciou inverzného filtra

vyberieme zvyšok žiadaného signálu. Vieme, že signál je 26 bitová sekvencia vysielaná v

strede každého time-slot burstu. Aktuálna implementácia vylepšenia je špecifikovaná v

GSM štandardoch.

2.5.8 Frekvenčné skákanie

Mobilné zariadenie vždy komunikuje, to znamená, že sa môže prepínať medzi

vysielacím, prijímacím a monitorovacím režimom v jednom TDMA rámci, ktorý je

normálne na viacerých frekvenciách. GSM využíva túto vlastnú frekvenčnú schopnosť na

začlenenie nízkej skokovej frekvencie, tam kde mobilné zariadenia a BTS vysielajú

TDMA rámce na rozdielnych nosných frekvenciách. Frekvenčný skokový algoritmus je

vysielaný na riadiacom kanále BCC (Broadcast Control Channel). Viaccestný útlm je

závislý na nosnej frekvencii, nízka skoková frekvencia pomáha zmenšiť problém.

Medzikanálová interferencia je úplne náhodná.

2.5.9 Nespojité vysielanie

Minimalizácia medzikanálovej interferencie je cieľom každej celulárnej siete. To

dovoľuje lepšie pri danej veľkosti bunky, alebo použitie menších buniek. Takto zvýšime

celkovú kapacitu systému. Nespojité vysielanie DTX (Discontinuous transmission) je

metóda ktorá vychádza z toho faktu, že ľudia hovoria menej ako 40 % času pri

normálnom rozhovore, a preto môžeme vypnúť vysielanie počas doby ticha. Ďalšou

výhodou je, že sa týmto spôsobom šetrí energia v mobilnom zariadení.

15

2.5.10 Nespojité prijímanie

Ďalšou metódou ako ušetriť energiu v mobilnom zariadení je nespojité prijímanie.

Stránkovací kanál používaný základnou stanicou na signalizovanie prichádzajúceho

volania je začlenený do subkanálov. Každé mobilné zariadenie potrebuje sledovať len

svoj subkanál. V čase medzi postupným stránkovaním subkanálov mobilné zariadenie

môže byť v spiacom móde, kedy nie je spotrebovávaná takmer žiadna energia.

2.5.11 Riadenie spotreby

Je definovaných päť tried mobilných zariadení, ktoré závisia od veľkosti

vyžarovaných výkonov – 20, 8, 5, 2 a 0,8 W. Minimalizáciou medzikanálovej

interferencie a šetrením energie na mobilnom zariadení aj na základnej stanici operujúcej

na nízkej energetickej úrovni môžeme zachovať prijateľnú kvalitu signálu. Energetická

úroveň môže byť krokovaná dole alebo hore po 2 dB krokoch. Mobilné zariadenie meria

silu signálu alebo kvalitu signálu a dodáva informácie do základnej riadiacej stanice,

ktorá rozhodne či a kedy môže byť energetická úroveň zmenená.

16

2.6 Sieťová časť GSM

Zabezpečenie vysielania hlasu alebo dát v danej kvalite cez rádiovú linku nie je

jedinou funkciou mobilnej siete. GSM mobilné zariadenie môže spájať tuzemské alebo

medzinárodné hovory na čo sú potrebné funkcie pre registráciu, autentifikáciu,

presmerovanie volania a obnovu polohy ktoré sú štandardizované v GSM sieťach.

Faktom je, že geografická oblasť uzatvorená sieťou je delená na bunky vyžadujúce

implementáciu handover mechanizmu. Tieto funkcie sú vykonávané sieťovým

subsystémom používajúcim MAP (Mobil Application Part) postavený na vrchole

protokolu SSN7 (Signalling System No. 7). Signálny protokol v GSM sieťach je

rozdelený do troch vrstiev závisiacich na rozhraní [3].

• 1. vrstva - Fyzická vrstva - používa štruktúru kanálov pre prenos vzduchom

• 2. vrstva - Dátová vrstva - používa Um a A rozhranie. Je to modifikovaná verzia

LAPD protokolu používaného v ISDN. Cez rozhranie A sa používa MTP

(Message Transfer Part) úrovne 2 SSN 7.

• 3. vrstva - Signálová vrstva - táto vrstva sa delí na tri podvrstvy:

1. Manažment rádiových prostriedkov RR ( Radio Resources Management)

Kontroluje nastavenie, udržiavanie a ukončovanie rádiových a pevných kanálov.

2. Manažment pohybu MM (Mobility Management)

Riadi aktualizovanie polohy a registračné procedúry, čo zahŕňa aj bezpečnosť a

autentifikáciu.

3. Manažment komunikácie CM ( Communication Management)

Zabezpečuje hlavné riadenie hovorov podobne ako CCITT odporúčania Q.931,

riadi aj náhradné služby a službu krátkych správ SMS.

Komunikácia medzi rozdielnymi jednotkami v pevnej časti siete, tak ako medzi

HLR a VLR je uskutočňovaná cez MAP. MAP je postavená na TCAP (Transaction

Capabilities Application Part), ktorý je na vrchole SSN 7. Špecifikácia MAP je trochu

komplexnejšia (má asi 500 strán) a patrí k jedným z najdlhších dokumentov GSM

odporúčaní.

17

2.6.1 Manažment rádiových prostriedkov RR

Táto vrstva dozerá na nadviazanie spojenia (rádiovej a pevnej linky) medzi

mobilným zariadením a MSC. Základné vyžadované funkčné časti sú mobilné zariadenie

a systém základných staníc. RR spojenie je vždy nadviazané cez prístupovú procedúru pri

odchádzajúcom volaní alebo odpovedi na stránkovaciu správu. Detaily prístupu,

stránkovacie procedúry ako keď priradený kanál je práve pripojený k mobilnému

zariadeniu a stránkovací subkanál je obsiahnutý v RR vrstve. Ďalej sú tam obsiahnuté

manažmenty rádiových vlastností ako riadenie spotreby, nespojité vysielanie a prijímanie

a časový posun.

Rádiové prepájanie – Handover

V celulárnych sieťach, rádiové a pevné linky nepotrebujú mať priradené zdroje po

celý čas volania. Handover je prepínanie prebiehajúceho hovoru do iného kanálu alebo

bunky. Vykonávanie a meranie potrebné pre handover je jednou zo základných funkcií

RR úrovne. V GSM systémoch sú štyri odlišné typy handoveru ktoré prenášajú hovory

medzi:

• Kanály v rovnakej bunke

• Bunky základnej vysielacej stanice BTS pod kontrolou rovnakej BSC

• Bunky pod kontrolou rozdielnej BSC ale v správe rovnakej MSC

• Bunky pod kontrolou rozdielnej MSC

Prvé dva typy handoveru nazývané tiež vnútorný handover predpokladajú len

jednu základnú riadiacu stanicu BSC. Posledné dva typy handoveru nazývané tiež externé

sú spravované viacerými MSC. Dôležitý aspekt GSM je že originálne MSC ostáva

dostupné pre väčšinu volacích funkcii s výnimkou nasledujúcich inter BSC handover

ktoré sú pod kontrolou novej MSC, nazývanej relay MSC. Handover môžu byť iniciované

z mobilného zariadenia alebo MSC. Počas nečinnosti mobilné zariadenie skenuje BCC až

16 okolitých buniek a vyberie podľa sily prijímaného signálu šesť najlepších pre možný

handover. Táto informácia prechádza do BSC a MSC najmenej raz za sekundu a je

použitá pri handover algoritme. Používajú sa dva základné algoritmy spojené s riadením

spotreby energie. To je preto, lebo BSC obvykle nepozná či zlá kvalita signálu je

18

zapríčinená viaccestným útlmom alebo sa mobilné zariadenie presunulo do inej bunky.

Toto obvykle platí v malých mestských bunkách. Algoritmus minimálne prijateľnej

výkonnosti dáva väčšiu dôležitosť riadeniu výkonu cez handover. Keď sa sila signálu

zhorší za istý bod, mobilné zariadenie zvýši výkon. Ak ďalšie zvýšenie výkonu nezlepšilo

signál, uvažujeme s použitím handoveru. Toto je jednoduchá a najobvyklejšia metóda,

ktorá ale vytvára "rozmazané" hranice buniek. Keď mobilné zariadenie vysiela s

maximálnym výkonom, originálne hranice sa posunú o určitú vzdialenosť a tým zasahujú

do hraníc inej bunky. Výkonová metóda používa handover na udržanie alebo zvýšenie

istej úrovne kvality signálu pri rovnakej alebo nižšej výkonovej úrovni. Tým sa vyhneme

problému "rozmazávania" hraníc buniek a redukujeme medzi kanálovú interferenciu.

2.6.2 Manažment pohybu MM

Táto vrstva je postavená na vrchole RR vrstvy a zabezpečuje funkcie

vychádzajúce z pohybu používateľa ako sú autentifikácia a bezpečnosť. Polohový

manažment je spojený s činnosťami, ktoré umožňujú systému určiť terajšiu polohu

zapnutého mobilného zariadenia a tak zabezpečiť, že prichádzajúce volania budú

pripojené.

Aktualizovanie polohy

Zapnuté mobilné zariadenie je informované o prichádzajúcom hovore cez

stránkovaciu správu posielanú po PAGCH kanály z bunky. Extrémom by mohla byť

stránka na každej bunke v sieti pre každé volanie, čo je samozrejme plytvaním šírkou

frekvenčného pásma. Ďalším extrémom by mohlo byť oznamovanie mobilného

zariadenia systému cez správy o aktuálnej polohe na jednu určenú úroveň v bunke. Toto

vyžaduje stránkovacie správy posielať len na jednu bunku, čo by mohlo byť mrhanie v

očakávaní veľkého počtu správ o aktualizovaní polohy. Kompromisné riešenie pre GSM

je zoskupovať bunky do polohových oblastí. Aktualizačné správy o polohe sú potrebné

len vtedy, keď sa pohybujeme medzi polohovými oblasťami a mobilné zariadenia sú

zaradené do buniek ich terajšej polohovej oblasti. Procedúra aktualizovania polohy a

nasledujúce smerovanie hovoru používa MSC a dva polohové registre: domáci polohový

register HLR (Home Location Register) a návštevnícky polohový register VLR (Visitor

19

Location Register). Keď je mobilné zariadenie zapnuté v novej polohovej oblasti, alebo

sa presunie do novej polohovej oblasti musí sa registrovať do siete s terajšou polohou. V

normálnom prípade sa správa aktualizovania polohy posiela do MSC/VLR ktorý

uchováva informácie polohovej oblasti a potom posiela polohovú informáciu do

užívateľovej HLR. Informácia poslaná do HLR je na štandardnej SS7 adrese novej VLR

hoci môže byť presmerované číslo. Dôvod prečo smerovacie číslo nie je štandardne

pridelené je, že existuje len limitovaný počet smerovacích čísel dostupných v MSC/VLR

a tie sú pridelené na požiadavky pre prichádzajúce volania. Ak užívateľ má právo

využívať služby, HLR pošle niektoré užívateľove informácie, potrebné pre riadenie

hovoru, do nového MSC/VLR a pošle správu aj do starého MSC/VLR na zrušenie starej

registrácie. Zo spoľahlivostných dôvodov má GSM periodickú procedúru aktualizovania

polohy. Ak HLR alebo MSC/VLR zlyhá, musí každý pohybový register súčasne

obnovovať databázu tak, aby nenastalo preťaženie. Z toho dôvodu je databáza

aktualizovaná keď sa zmení poloha. Povolenie automatickej aktualizácie a určenie doby

medzi automatickými aktualizáciami je riadené operátorom. Ak mobilné zariadenie nie je

registrované, po aktualizačnej časovej perióde je deregistrované. Procedúra prislúchajúca

aktualizácii polohy je IMSI pripojenie a odpojenie. Odpojenie sieť spozná tak, že mobilné

zariadenie je nedostupné a preto sa vyhýba zbytočnému obsadzovaniu kanálov a

posielaniu stránkovacích správ. Pripojenie je podobné ako aktualizácia polohy, informuje

systém že mobilné zariadenie je opäť dostupné.

Autentifikácia a bezpečnosť

Veľmi podstatnou časťou mobilnej siete, odkedy je frekvenčné spektrum dostupné

každému, je autentifikácia užívateľov. Autentifikácia je dôkaz, že užívateľ je ten za

ktorého sa vydáva. Autentifikácia vyžaduje dve funkčné časti – SIM kartu v mobilnom

zariadení a autentifikačné centrum AuC (Authentication Center). Každý užívateľ má svoj

tajný kľúč, ktorého jedna kópia je uložená v SIM karte a druhá v AuC. Počas

autentifikácie AuC generuje náhodné číslo ktoré pošle do mobilného zariadenia. AuC aj

mobilné zariadenie použijú náhodné číslo v spojení s užívateľovým tajným kľúčom a

použitím algoritmu A3 vygenerujú podpísanú odpoveď SRES (signed response) ktorá je

poslaná späť do AuC. Ak číslo poslané mobilným zariadením je rovnaké ako vypočítané

v AuC, používateľ prešiel úspešne autentifikáciou. Rovnaké náhodné číslo a používateľov

tajný kľúč sú použité na výpočet kľúča v algoritme A8. Tento kľúč sa spolu s číslom

20

TDMA rámca použije v A5 algoritme na vytvorenie 114 bitovej sekvencie, ktorá je zo-

XOR-ovaná so 114 bitovým burstom (dva 57 bitové bloky). Ďalšia úroveň bezpečnosti je

vo vnútri mobilného zariadenia. Ako bolo spomenuté už skôr, GSM terminál je

identifikovaný cez IMEI číslo. Zoznam IMEI čísel je v sieti uchovaný v registri zariadení

EIR (Equipment Identity Register). Hodnota vracaná v odpovedí na IMEI požiadavku do

EIR je jedna z nasledujúcich:

• Biely zápis - Terminál má povolenie pripojiť sa na sieť

• Šedý zápis - Terminál je pozorovaný sieťou pre možné problémy

• Čierny zápis - Terminál bol ukradnutý alebo nesúhlasí typ (správny typ terminálu

pre GSM sieť). Terminál nemá povolenie pripojenia sa na sieť.

2.6.3 Komunikačný manažment CM

Táto vrstva je dostupná pre riadenie hovorov CC (Call Control), náhradný

manažment služieb a manažment služby krátkych správ. Každú službu môžeme uvažovať

ako oddelenú podvrstvu CM vrstvy. Ďalšie funkcie CC podvrstvy sú nadviazanie

spojenia, výber typu služby a ukončenie spojenia.

Smerovanie hovorov

Pomocou GSM môže používateľ komunikovať v národnej ale aj medzinárodnej

sieti. Adresné číslo volané pre spojenie s mobilným užívateľom figuruje pod skratkou

MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) a je definované v E.164 číselnom pláne. Toto číslo

obsahuje kód krajiny a národný cieľový kód NDC (National Destination Code)

identifikuje užívateľovho operátora. Prvé čísla užívateľovho telefónneho čísla identifikujú

jeho HLR v PLMN. Prichádzajúce končiace sekvencie sú priamo funkciami ústredne

GMSC (Gateway MSC). GMSC je prepnuté vtedy, keď sa môže spýtať užívateľovho

HLR na získanie smerovacích informácii a takto spojiť MSISDN do korešpondujúceho

HLR. Jednoducho GSMC musí získať jeden špecifický PLMN. GSMC funkcia je odlišná

od MSC funkcie, a je obvykle začlenená do MSC. Smerovacia informácia ktorá je vrátená

do GMSC je MSRN (Mobile Station Roaming Number) a je tiež definovaná v E.164

číselnom pláne. MSRN sú spojené s geografickým číselným plánom a nie sú určené

21

užívateľom, ani nie sú pre nich dostupné. Najhlavnejšia smerovacia procedúra začína s

GMSC dotazom volajúcim užívateľov HLR pre MSRN. HLR typicky uchováva len SS7

adresu terajšieho užívateľovho VLR a nemá MSRN. HLR sa musí z toho dôvodu opýtať

terajšieho užívateľovho VLR, ktorý bude prechodne obsadzovať MSRN zo zoznamu pre

volanie. Toto MSRN je vrátené do HLR a späť do GMSC ktoré potom môže smerovať

volanie do nového MSC. V novom MSC, kde k IMSI je vyhľadané súhlasné MSRN a

mobilné zariadenie je zaradené do jeho terajšej polohovej oblasti.

22

3 TECHNICKÝ POPIS MOBILNÉHO TELEFÓNU

3.1 Mobilný telefón

Mobilný telefón (v skratke mobil) je zariadenie fungujúce ako normálny telefón,

ale s možnosťou použitia vo veľkom priestore (na rozdiel od bezdrôtového telefónu

fungujúceho iba na obmedzenú vzdialenosť). Mobilné telefóny umožňujú spojenie

s pevnou telefónnou sieťou priamou voľbou telefónneho čísla cez vstavanú klávesnicu.

Najnovšie mobily používajú kombináciu prenosu rádiových vĺn a konvenčného

telefónneho prepojovania okruhov, i keď prepojovanie paketov je už používané

v niektorých častiach mobilnej siete, obzvlášť pre službu ako internetový prístup a WAP.

Existujú i špecializované komunikačné systémy súvisiace s mobilnou komunikáciou, ale

odlišné od mobilov, napríklad satelitné telefóny a profesionálne mobilné rádio [6].

V našom prípade tvorí mobil základ zostavy meracieho pracoviska, na ktorom

bude možné merať signály BTS stanice a to konkrétne signály RX a TX. Na obr. 3.1 je

znázornený mobilný telefón Nokia 5110, ktorý som použil na realizáciu meracieho

pracoviska.

Obr. 3.1 Nokia 5110

23

3.1.1 Charakteristika mobilov

Mobily sú navrhnuté fungovať v bunkovej sieti a obsahujú štandardnú sadu

služieb GSM, ktorá umožňuje telefónom rôznych typov a v rôznych krajinách vzájomne

komunikovať.

Pred použitím telefónu je nutné zariadiť si predplatné u mobilného operátora

(poskytovateľa prenosu). Pre telefóny v sieťach GSM operátor vydá SIM kartu, ktorá

obsahuje unikátne účastnícke a autentizačné (overovacie) parametre pre daného

zákazníka. Prípadne operátor vloží zákazníkov identifikátor telefónu do jeho účastníckej

databázy, aby mikrotelefón mohol realizovať hovory do siete. Po vložení SIM karty do

telefónu sú služby prístupné. Mobily nepodporujú iba hlasové hovory, ale môžu tiež

posielať a prijímať dáta a faxy (ak je pripojený počítač), posielať a prijímať krátke správy

(textové správy), pristupovať na WAP a poskytovať kompletný internetový prístup

použitím technológií ako GPRS. Mobily obvykle majú hodiny, kalkulátor a často

umožňujú hrať nejaké hry.

Veľa operátorov podporuje službu roaming (cestovanie). Táto služba umožňuje

použitie jedného mobilu vo viacerých krajinách. Mobilný operátory obidvoch krajín

v takomto prípade musia mať dohodu o roamingu.

Prijímače GPS (lokalizačné služby) sa začínajú objavovať integrované alebo

pripojené (napríklad cez Bluetooth) k mobilom. Primárne sú určené na pomoc

pracovníkom záchrannej služby a službám pre odťahovanie vozidiel. GPS v mobilu

môžeme s vhodným navigačným softvérom použiť i pri osobnej navigácií.

24

3.1.2 Multimodálne mobily

Multimodálne (teda dvojpásmové – dualband, trojpásmové – triband alebo

štvorpásmové – quadband) mobily sú telefóny navrhnuté fungovať na viac než jednej

rádiovej frekvencii GSM. Multimodálne prípady sa vyskytujú najviac v GSM sieti, ktorá

začínala v pásme 900, ale expandovala i do pásiem 1800 a 1900 MHz. Niektoré

Multimodálne telefóny môžu fungovať i v analógových sieťach (napr. duálne pásmo, tri –

mód: AMPS 800 / CDMA 800 / CDMA 1900).

Multimodálne telefóny boli užitočné pre umožnenie roamingu, ale teraz sú

najdôležitejšie pri zavedení WCDMA (celulárnej siete 3. generácie) bez toho, aby sa

zákazníci museli vzdať mobilu so širokým pokrytím GSM. Takmer každý predaný pravý

telefón 3G (tretej generácie) je v súčasnosti WCDMA/GSM duálny mobil. To platí

i o telefónoch 2.75G založených na CDMA-2000 alebo EDGE.

Špeciálne požiadavky zahrnuté v produkcii multimodálnych mobiloch je nájdenie

spôsobu, ako zdieľať komponenty medzi rôznymi štandardami. Obvykle telefónne

klávesnice a displej môžu byť zdieľané. Naviac existujú požiadavky na každom stupni

integrácie. Zložitosť týchto požiadavok závisí na rozdieloch medzi systémami. Rôzne

varianty systému GSM majú len rôzne frekvencie a preto nie sú považované za pravé

multimediálne telefóny, ale radšej za multi – pásmové telefóny. Čo sa týka

multimodálnych telefónov IS – 95/GSM alebo telefónov AMPS/IS – 95, základné

pásmové spracovanie sa medzi jednotlivými systémami veľmi líši. To vedie k reálnym

problémom pri integrácií zložiek a tak objemnejším telefónom.

Zaujímavý špeciálny prípad multimodálnych telefónov je telefón WCDMA/GSM.

Rádiové interfejsy sa od seba veľmi líšia, ale posielanie správ z mobilnej do centrálnej

siete je veľmi podobné , čo znamená , že softvér pre zdieľanie je dosť jednoduchý.

Dôležitejšie je, že vysielací interfejs WCDMA bol navrhnutý s ohľadom na GSM

kompatibilitu. Má špeciálny mód operácie, nazývaný prerušovaný mód, v ktorom

namiesto súvislého prenosu je mobil schopný na krátky čas stopnúť posielanie a skúšať

hľadať zdroje signálu GSM v okolí. Tento mód umožňuje bezpečné medzifrekvenčné

predanie s kanálovými meraniami, ktoré môžu byť aproximované použitím “pilotných

signálov” v iných systémoch založených na CDMA.

Ďalší zaujímavý prípad sa týka mobilov sieťach DS–WCDMA a MC–CDMA –

3G variant CDMA–2000. Pôvodne čipová rýchlosť týchto telefónov bola nekompatibilná.

25

Časťou prejednávania súvisiaceho s patentom bola dohoda o použití kompatibilných

čipových rýchlostí. To by malo znamenať, že i keď vysielacie a systémové interfejsy sú

dosť rôzne, i na teoretickej úrovni, väčšina hardveru pre každý systém v telefóne má byť

spoločný a rozdiely budú najviac v softvére.

Ako vyplýva z uvedeného, väčšina súčasných mobilných sieti používa z dvoch

štandardov GSM alebo CDMA.

3.2 Technické parametre mobilu

V tabuľke č. 3.1 sú znázornené vysielacie parametre Nokie 5110 ako napríklad

kmitočtové pásma pre TX a RX signál, frekvenčné a fázové odchýlky, citlivosť a iné

dôležité parametre tohto mobilu [7].

PARAMETER JEDNOTKA

bunkový systém GSM

RX kmitočtové pásmo 935 ... 960 MHz

TX kmitočtové pásmo 890 ... 915 MHz

výstupný výkon +5 ... +33 dBm / 3.2 mW ... 2 W

duplexný odstup 45 MHz

počet RF kanálov 124

kanálový odstup 200 kHz

počet TX napájacích úrovní 15

citlivosť a statický kanál -102 dBm / BER < 2.439 %

frekvenčná odchýlka, statický kanál < 0.1 ppm

RMS fázová odchýlka < 5.0 °

špičková fázová odchýlka < 20.0 °

Tabuľka č. 3. 1 Hlavné technické údaje z NSE–1

26

3.3 Vysielač NSE-1

3.3.1 Funkčný popis

NSE-1 je rádiová vysielacia jednotka navrhnutá pre GSM siete, ktorá tvorí základ

Nokie 5110. Patrí do GSM fázy 2, výkonovej triedy 4 s vysielacími výhradami 15

výkonových úrovni a maximálnym výstupným výkonom 2 W. Tento vysielač je pravý

3V vysielač. Pozostáva zo systémového RF modulu (UP8S), užívateľského modulu

rozhrania UE4S a sústavy súčiastok. Vysielač má plný grafický displej

a programovateľné klávesy na užívateľskom rozhraní. Anténa je stabilná špirála.

Pripojenie pre externú anténu je umiestnené na zadnej časti RF konektora [8].

Obr. 3.2 Prepojovací diagram

Elektronický vysielač pozostáva z rádiového modulu, RF + systémových blokov,

UI PCB, displejový modul a audio komponenty. Klávesnica a displej sú pripojené

k rádiovému modulu pomocou prípojok. Systémové bloky a RF bloky sú prepojené

27

s PCB vedením. Vysielač je pripojený k príslušenstvám cez zadný systémový prípoj so

záťažou a prídavným zariadením.

Systémové bloky poskytujú MCU, DSP a logické riadiace funkcie v MAD ASICu,

externé pamäte, zvukové procesy a RF riadiaci hardvér v COBBA ASICu. Napájacia

sústava obvodov CCONT ASIC doručuje obidve prevádzkové napätia pre systémové

bloky a RF bloky. Nabíjacie riadenie ASIC CHAPS je integrované výkonom spínača pre

nabíjanie batérií. RF blok je navrhnutý pre prenosný telefón, ktorý pôsobí v GSM

systémoch. Cieľom RF bloku je prijímať a demodulovať rádiovo-frekvenčný signál

z BTS, a vysielať a modulovať RF signál do BTS stanice. PLUSSA ASIC sa používa pre

VKV vlny a PLL funkcie. CRFU ASIC je použitý na čele zániku.

3.3.2 Pracovné režimy mobilu

Tento mobil obsahuje 6 rozdielnych pracovných režimov:

1. Vypnutý

2. Kľudový

3. NSPS (No Serve Power Save mode)

4. Aktívny

5. Zaťažený

6. Lokálny

Vo vypnutom režime sú napájané iba obvody potrebné k zapnutiu. V kľudovom

režime, obvody sú odpojené od zdroja a bežia iba sleep hodiny. V NSPS obvody sú

vypnuté od zdroja a bežia iba sleep hodiny ak nie nájdený žiadny nositeľ signálu

v priebehu regeneračného intervalu. Cieľom tohto spôsobu je zmenšiť spotrebu energie

v nesieťovej oblasti.

V aktívnom móde všetky obvody sú zásobené energiou aj keď niektoré časti môžu

byť v pokojovom stave väčšinu času. Zaťažený mód je účinný súbežne so všetkými

predošlými módami. Pozostáva z dvoch rozdielnych rozpoložení, t. j. zaťažený

a podporovaný spôsob. Lokálny mód je používaný pre orientáciu a testovanie.

28

3.3.3 Základnopásmový modul

Obr. 3.3 Bloková schéma NSE-1

Základnopásmový modul pozostáva zo štyroch asicov: CHAPS, CCONT,

COBBA-GJ a MAD2, ktorý má na starosti základnopásmové funkcie NSE-1, obr. 3.3.

ASIC (Application Specific Integrated Circuit), nazývaný aj zákaznícky obvod, je

integrovaný obvod navrhnutý a vyrábaný pre určitú špecifickú aplikáciu. Základné pásmo

sa pohybuje od 2.8V zdrojového napájania , ktoré je dodávané pomocou zdrojového

regulovateľného asicu. V CCONT asicu je 6 jednotlivých riadených regulátorových

výstupov pre RF sekciu a dva výstupy pre základné pásmo a navyše tam je jeden +5

voltový napájací výstup VCP pre RF časť. CCONT obsahuje tiež SIM rozhranie ktoré

podporuje obidve SIM karty (3V a 5V). Funkcia hodín reálneho času je integrovaná do

CCONTu, ktorá využíva tie isté 32kHz hodiny ako sleep hodiny. Rezervné napájanie je

29

poskytnuté pre RTC, ktoré udržujú hodiny reálneho času v obehu, kým je hlavná batéria

odpojená. Rezervné napájanie dobíja polyacenová batéria. Rezervný čas s touto batériou

trvá minimálne 10 minút.

Rozhranie medzi základným pásmom a RF sekciou je riadené pomocou jedného

špecifického asicu. COBBA asic poskytuje A/D a D/A prechod z v-fázy a kvadratúru

prijímanej a vysielanej signalizačnej cesty a tiež A/D a D/A prechod prijímaného

a vysielaného akustického signálu sem a tam z UI sekcie. COBBA privádza analógový

TXC a AFC (automatické riadenie kmitočtu) signál do RF časti podľa MAD DSP

digitálneho riadenia a konvertuje analógový AGC do digitálneho signálu pre DSP. Prenos

dát medzi COBBA a MAD je zrealizované pomocou paralelného pripojenia pre

vysokorýchlostnú signalizáciu a sériové pripojenie pre PCM kódovaný akustický signál.

Digitálne spracovanie reči je riadené MAD asicom. COBBA asic je dvojitý napäťový

obvod, v ktorom digitálne súčiastky pretekajú zo základného pásma VBB a analógové

súčiastky z analógového zdroja VCOBBA.

Základné pásmo podporujú tri externé mikrofónne vstupy a dve slúchadlové

výstupy. Vstupy môžu byť prevzaté zo zabudovaného mikrofónu, z headset mikrofónu

alebo z vonkajšieho mikrofónneho zdroja signálu. Mikrofónne signály z rozdielnych

zdrojov sú pripojené separátnym vstupom na COBBA asic.

Výstup pre vnútorné slúchadlo je dvojito zakončený typom výstupu schopným

riadiť dynamickú charakteristiku slúchadla. Vstupná a výstupná selekcia zdroja signálu

a regulácia zosilnenia je vykonaná vo vnútri COBBA asicu podľa riadiacich správ

z MADu. Tóny tlačidiel, DTMF a iné zvukové tóny sú generované a kódované

prostredníctvom MADu a prenášané ku COBBA na dekódovanie. Zvonenie a externé

vibračné zvonenie riadiacich signálov vzniká MADom s oddelenými PWM výstupmi.

EMC ochrana je realizovaný použitím metalizovaného umelohmotného B-krytu

s nevodivým gumovým tesnením na spojoch. Druhá strana prístroja je tienená kostrou s

nevodivou gumou na vnútornej strane, ktorá má kontakt k základnému obvodu

prístrojovej dosky a ploche UI dosky. Teplo generované sústavou obvodov pôjde von cez

PBC obvodové plány.

Podrobnejšia bloková schéma je znázornená v prílohe č. 1.

30

4 REALIZÁCIA PRACOVISKA A MERANIE

4.1 Konštrukcia meracieho pracoviska BTS signálu

Na zhotovenie meracieho pracoviska som si vybral mobilný telefón Nokia 5110,

pretože má plnú podporu GSM siete a je jedným z najspoľahlivejších mobilov. Ďalším

dôvodom prečo som sa rozhodol pre tento mobil je tiež jeho veľkosť, podrobná servisná

schéma, ktorú som našiel na internete a jednoduchá manipulácia.

Realizáciu tohto meracieho pracoviska by som mohol zhrnúť prostredníctvom 4. bodov,

respektíve hlavných problémov, ktoré ma postupne sprevádzali ku konečnému výrobku

meracie prístroja signálu BTS stanice v GSM systéme, a to sú:

1. Návrh stolíka

2. Prepojenie jednotlivých časti mobilu

3. Vymedzenie merných bodov

4. Prepojenie s osciloskopom a počítačom

31

4.1.1 Návrh stolíka

Obr. 4.1 Návrh stolíka meracieho pracoviska

Na obrázku č. 4.1 je zobrazený pôdorys dosky stolíka. Ako pevný podklad pre toto

pracovisko som použil priesvitné plexisklo, aby bolo vidieť všetky detaily na ktorých som

pracoval. Jednotlivé časti mobilu, ako aj príslušné súčiastky umiestnené na plochu tejto

stanice sú pripevnené k jednotlivým výrezom. Jednotlivé výrezy sú očíslované systémom

postupnej montáže výrobku:

1. Závity pre upevnenie silonových nôh

2. Závity pre upevnenie UI modulu

3. Závity pre upevnenie systémového RF modulu

4. Výrez pre prepojenie RF modulu

5. Výrez pre prepojenie klávesnice

32

6. Výrez umožňujúci pripojenie F+MBUS kábla

7. Dierky na koaxiálny kábel

8. Závity na uchytenie koaxiálneho kábla

9. Dierky na prepínače

10. Výrezy pre montáž zdierok

Stolík stojí na silonových nohách vysokých 4cm umiestnených v rohoch zo

spodnej strany. Z dôvodu lepšej manipulácie sú z vrchnej strany namontované také isté

nohy o výške 2,5cm, ktoré nám pomáhajú pri manipulácií s meracím pracoviskom, ak je

potrebné otočiť ho. Hlavné časti Nokie 5110 sú našraubované pomocou 3mm skrutiek do

narezaných závitov. Výrez pod klávesnicou mobilu a systémovým RF modulom slúži

k ich vzájomnému prepojeniu. Na stolíku sú napevno pripojené dve viacpolohové

prepínače, zdierky a dva kusy koaxiálneho kábla. Na ľavej strane je napevno prilepený

akumulátor mobilu pomocou obojstrannej lepiacej pásky.

33

4.1.2 Prepojenie jednotlivých častí mobilu

Obr. 4.2 Kompletné rozloženie Nokie 5110

Rozobratím mobilného telefónu Nokia 5110 dostávame 20 dielov, tak ako je to

znázornené na obrázku 4.2 [9]:

1. ochranné sklíčko NSE – 1NX displeja

2. A- kryt

3. klávesnicové tlačidla

4. slúchadlová vložka

5. slúchadlo

6. GD40 LCD displej

M2. UI modul UE4S

34

7. rám

8. mikrofón s membránou

M1. systémový RF modul UP8T

9. B a C kryt

10. RTC batéria

11. skrutka M1.6x10 T6

12. skrutka M1.6x7 T6

13. anténa 890 – 960 MHz

14. výrobný štítok

15. logo firmy

16. skrutka M1.6x4 T6

17. protiprachová ochranná manžeta

18. tesniace čidlo

Prepojiť jednotlivé funkčné časti mobilu nebolo jednoduché aj napriek tomu, že

máme k dispozícií jeden zo starších mobilov. Prepojenie miniatúrnych vodivých plôch si

vyžaduje dobrý zrak, pevnú ruku a hlavne pevné nervy.

Jedným z najväčších problémov zostavenia tohto meracieho pracoviska bolo

prepojenie klávesnice so systémovým RF modulom, na ktorý som použil počítačový

kábel ATA 100 a UI modul. Tento kábel sa skladá z 80. tenkých káblikov, ktoré sa

jednoduchšie pájkujú na miniatúrne plochy plošného spoja, obr. 4.3. Týchto plôch je

celkovo 28 (2x14). Konektor na pripojenie k systémovému RF modulu som vyrezal z UI

časti takej istej, ale nefunkčnej Nokie 5110, na ktorý som napojil prepojovacie kábliky.

Konektor sa už potom jednoducho pritlačí a našraubuje na RF modul.

Ďalším prepojom je prepojenie akumulátora ku patričným plochám na RF module,

na ktoré som použil 4 obyčajné mäkké kábliky. Na napäťový vývod k batérií som napojil

elektrolytický kondenzátor o kapacite 2200 µF kvôli stabilizácií napätia.

Na vývody merných bodov som použil takisto kábliky z ATA 100, pretože sú to

miniatúrne vodivé bodky, na ktoré sa ťažko pájkuje.

Prepojenie antény som realizoval pomocou patričnej vyrezanej časti z B krytu

mobilu, ktorú som našrauboval na RF modul. Do toho sa anténa nasunie ako na pôvodné

miesto na mobile.

35

Obr. 4.3 Konektor na prepojenie klávesnice k RF modulu

4.1.3 Vymedzenie merných bodov

Mernými bodmi sú myslené body, pomocou ktorých môžeme odmerať signál BTS

stanice počas prebiehajúceho spojenia cez mobilný aparát. Tieto body môžeme nájsť na

servisnej schéme, uvedenej v prílohe č. 1, označené ako J XXX. V našom prípade to budú

TX a RX výstupy signálov, čiže pre TX je to J558 a J560 a pre RX to budú body J534

a J536, znázornené na obrázku 4.4.

Podrobnejší popis je možné vidieť na servisnej schéme, uvedenej v prílohe č. 1,

z ktorej som vychádzal pri vymedzení týchto merných bodov.

36

Obr. 4.4 Merné body TX a RX.

4.1.4 Prepojenie s osciloskopom a počítačom

Pripojenie na ETC osciloskop

Prepojenie na osciloskop som vyriešil dvoma BNC konektormi, ktoré sú pomocou

koaxiálneho kábla pripojené na prepínače, a tie sú už priamo pripojené na merné body

mobilu. Takisto sú na prepínač pripojené aj zdierky, ktoré nám umožňujú napojiť sa na

merné body mobilu. Pomocou BNC konektorov je možné pripojiť sa na ETC osciloskop,

pomocou ktorého môžeme sledovať prenášaný signál na počítači, oskenovať ho a patričné

spracovať.

37

Pripojenie pomocou M+FBUS kábla

M+FBUS kábel mám slúži k netmonitoringu meracieho pracoviska, ktorým sa

napojíme na počítač a sledujeme parametre BTS stanice pomocou programu

N-MONITOR na monitore.

4.1.5 Zobrazenie meracieho pracoviska

Pomocou takto skonštruovaného meracieho pracoviska je možné merať TX a RX

signály BTS stanice pri vybudovanom spojení medzi MS a BTS. Hotová konštrukcia

pracoviska je zobrazená na obr. 4.5.

Obr. 4.5 Meracie pracovisko

38

4.2 Meranie signálov BTS stanice pomocou ETC osciloskopu

4.2.1 Meranie RX signálu na prijímači

Prijímač (RX)

Je to dvojitý konverzný lineárny prijímač. Prijímaný signál z antény je napájaný

cez duplexný filter do LNA (nízkošumový zosilňovač) v CRFU 1a. Aktívne časti (RF

tranzistor a predmagnetizácia a AGC chod sústavy obvodov) sú integrované do tohto

čipu. Vstupné a výstupné zodpovedné siete sú externé. Výber zisku je daný PDATA0

riadením. Krokový zisk v LNA je aktivovaný, ak RF úroveň v anténe je okolo -45 dBm.

Za LNA je zosilnený signál (s nízkou hladinou šumu), ktorý je privádzaný na pásmový

filter, čiže SAW filter (SAW - povrchová akustická vlna). Duplexný filter a RX

medzistupeň pásmových filtrov spolu určujú aké dobré sú blokové charakteristiky proti

parazitným signálom vonkajšieho prijímaného pásma a ochranu proti rušivým odozvám,

hlavne obrazu prvého zmiešavača.

Tento filtrovaný pásmový signál je potom rozlíšený smerom dole po 71 MHz

frekvenciu, ktorá budem prvým medzifrekvenčným kmitočtom. Prvý zmiešavač je

umiestnený do CRFU 1a ASICu. Tento integrovaný zmiešavač je dvojitým balančným

Gilbertovým článkom. Všetky aktívne časti a predmagnetizácia sú vnútorné

a zodpovedajúce súčiastky sú externé. Pretože je to aktívny filter, rozšíri to tiež IF

frekvenciu. Navyše čiastkový signál splynie. Prvý lokálny signál vznikne s UHF

syntetizátorom.

Prvý IF signál bude potom pásmovou priepusťou so selekčným SAW filtrom.

Cesta z výstupu zmiešavača k IF výstupu obvodového signálu bude vyvážená. IF filter

poskytuje selektivitu pre kanály väčšie ako +/- 200 kHz. Tiež to oslabí zrkadlovú

frekvenciu druhého zmiešavača a intermodulačné signály. Na tomto mieste je potrebná

selektivita kvôli požadovanej linearite a priľahlá kanálová interferencia potom bude na

príliš vysokej úrovni pre nasledujúce stupne. Ďalším stupňom v prijímacom reťazci je

AGC zosilňovač. Ten je integrovaný do PLUSSA ASICu. AGC má analógovú reguláciu

zosilnenia. Riadiace napätie pre AGC vzniká s DA prevodníkom v COBBA v základnom

pásme. AGC poskytuje presný ziskový regulačný rozsah (minimálne 60 dB) pre prijímač.

Po AGC nasleduje druhý zmiešavač, ktorý generuje druhú strednú frekvenciu – 13 MHz.

39

Lokálny signál je generovaný v PLUSSA rozdelením výstupov VHF syntetizátora (232

MHz) na štyri, teda druhá LO frekvencia je 58 MHz. Druhý IF filter je keramický

pásmový filter pracujúci na 13 MHz. To zoslabí priľahlé kanály, až na +/- 200 kHz, kde

nie je veľký útlm. Tieto +/- 200 kilohertzové interferencie sú digitálne, filtrované

základným frekvenčným pásmom. Takže DAC sú dobré, pretože je tam dostatočný

dynamický rozsah pre odšumenie 200 kilohertzového rušiča. Takže celá RX má byť

schopná spracovať úrovne signálu v lineárnom stave. Za 13 megahertzovým filtrom je

oddeľovač, ktorý oddeľuje IF signál. Ten konvertuje a zosilňuje oddelený konečný signál

z filtra na balančný signál, privádzaný na oddeľovač a AD prevodníky v COBBA.

Oddeľovač v PLUSSA má napäťový zisk 36 dB a oddelený zisk nastavený v COBBA je

0 dB. Je to možné pre nastavenie stupňa zisku na COBBA cez riadiacu zbernicu [8].

AGC stratégia

AGC zosilňovač slúži na udržiavanie skoro konštantnej výstupnej úrovne

prijímača. AGC sa nachádza pred každým dátovým blokom, nazývaný tiež predbežným

monitoringom. Prijímač musí byť zapnutý zhruba 150 ms pred začatím dátového bloku,

potom DSP vrstvy príjmu úroveň signálu a nastavia RXC, ktorý riadi RX AGC

zosilňovač alebo odpojí LNA s PDATA0 riadiacou vetvou. Tento predbežný monitoring

je robení v tretej fáze a nastaví sedimentačné časy pre RX AGC. Predbežný monitoring je

nutný kvôli lineárnemu príjmu, kde prijímaný signál musí mať plný výkon, nesmie tam

byť žiadny výstrižok, pretože DSP nespozná, aká úroveň bude prenášaná v nasledujúcom

dátovom bloku. Je tam po najmenej 60dB presná regulácia zisku (pokračuje analogicky)

a jeden digitálny krok v LNA. Je to typické pre asi 30 až 35 dB.

RSSI musí byť namerané na rozsahu -48 až -110 dBm. Za úrovňou -48 dBm MS

ohlási BTS stanici to isté čítanie [8].

40

Nameraný signál RX

Graf č. 4.1 RX multirámec 26

Na ETC osciloskope sme namerali TDMA RX multirámec 26 znázornený na

grafe č. 4.1. Osciloskop sme nastavili na časovej osi s hodnotu 20ms na jeden dielik, čiže

celý multirámec 26 trvá 120ms. Na vertikálnej osi je nastavených 500mV na jeden dielik,

čiže amplitúda multirámca 26 bude 1,2V. TDMA rámce 0 – 11 a 13 až 24 sa využívajú

pre TCH/F, rámec č. 12 pre SSACH s posledný, 25.rámec, je prázdny [ ].

Tento multirámec pozostáva z 26 rámcov, kde dĺžka jedného je 4,615ms. Na grafe

č. 4.2 je znázornený nameraný RX rámec. Osciloskop sme v tomto prípade nastavili na

časovej osi s hodnotou 1ms na jeden dielik a na vertikálnej osi 500mV na dielik.

Nameraný rámec pozostáva z 8 časových okien, kde dĺžka jedného okna je 0,577

ms a dokopy tvoria jeden rámec s dĺžkou 4,615ms. Na grafe č. 4.3 je zobrazený RX

rámec rozdelený do časových okien, kde prvé časové okno je pre kanál CCCH

a ostatných 7 kanálov je pre TCH. V jednom časovom okne sa nachádza 156,25 bitov.

41

Graf č. 4.2 RX rámce

Graf č. 4.3 Časové okná RX

42

4.2.2 Meranie TX signálu na vysielači

Vysielač (TX)

Vysielací reťazec pozostáva z IQ modulátora, UPkonverzného zmiešavača a

výkonového zosilňovača, v ktorom je výkonová regulačná slučka.

I a Q signály sú generované pomocou základného pásma v COBBA asicu. Po

odfiltrovaní (RC sieťou) signály pokračujú do IQ modulátora v PLUSSA, kde sa generuje

modulovaná TX IF frekvencia, ktorá je na výstupnom VHF syntetizátore delená na dve

významné 116 MHz frekvencie. Výstup je umiestnený do maxima s 5 bitovými správami

v riadiacom registre. AGC zosilňovač je použitý v iných digitálnych systémoch, pretože

PLUSSA je jadrom IC. Za PLUSSA je signál zoslabený a filtrovaný pre hornú konverziu

do koncovej TX frekvencie v CRFU 1a. Hornokonverzný zmiešavač v CRFU 1a je

takzvaný zmiešavač s potlačeným zrkadlovým kmitočtom. To môže byť zoslabené

nežiadúcim postranným pásmom na hornokonverznom výstupe. Tento zmiešavač je

vlastne dvojitý balančný Gilbertov článok. Fázové meniče požadované pre potlačenie

zrkadlového kmitočtu sú tiež integrované. Potrebný miestny signál vzniká UHF

syntetizátorom, ale ochrany pre zmiešavač sú integrované do CRFU 1a. Výstup hornej

konverzie je chránený a zodpovedná sieť vytvára jednoduché zakončenie 50 Ohmovou

impedanciou.

Nasledujúcim stupňom je TX medzistupňový filter, ktorý zoslabuje rušiaci signál

zo zmiešavača, hlavne LO úniky a zrkadlovú frekvenciu zo zmiešavača. Taktiež to

zoslabí širokopásmový šum. Tento pásmový filter je SAW filter.

Za TX SAW filtrom nasleduje oddelený tranzistorový stupeň. Funkciou tohto

stupňa je zredukovať AM kapacitu. Tento úkon je realizovaný saturovanou operáciou

tranzistora V640. Charakteristická vstupná úroveň tohto zosilňovača je vyššia než

výstupná úroveň.

Zosilňovač výkonu na UP8S je 3 stupňový hybrid, ktorý má všetky vhodné siete

a zabudovanú funkciu regulácie zosilnenia. Riadenie zosilnenia sústavy obvodov

pozostáva z výkonového detektora na PA výstupe a zosilňovača odchýlky v PLUSSA.

Tam je smerové spojovacie zariadenie prepojené medzi PA výstupom a obojsmerným

filtrom, ktoré si berie vzorku z popredného súčasného výkonu so zaručeným stupňom.

Tento signál je upresnený na Schottkyho dióde, ktorý produkuje DC signál po filtrácií.

43

Tento špičkový detektor je lineárny na celej stupnici, okrem saturácií na veľmi nízkych

a vysokých úrovniach výkonu, kde tvorí tvarovanú S krivku.

Toto detekované napätie je porovnávané v zosilňovači odchýlok v PLUSSA až po

TXC napätie, ktoré je generované DA prevodníkom v COBBA. Pretože aj ziskové

regulačné krivky v PA sú lineárne na celej stupnici, regulačný obvod definuje napäťovú

slučku, ak je uzavretá. Uzavretý obvod je úplne lineárny. TXC vystupuje ako kosínusová

funkcia v tvare cos4, ktorá zredukuje prepínanie prechodov, ak pulzuje výkon hore a dole.

Pretože dynamický rozsah detektora nie je dosť široký pre ovládanie výkonu (skutočné

RF napätie) celého rozsahu, je tam TXP riadenie pre prácu pod detekovanými úrovňami.

Dátový blok sa aktivuje a zvyšuje sa TXP až kým nebude výstupná úroveň dosť vysoká,

tak začne slučka spätnej väzby pracovať. Táto slučka riadi výstup cez riadiaci vývod v PA

MMIC k požadovanej výstupnej úrovni a dátový blok má tvar krivky TXC sklonu.

Pretože slučky spätnej väzby by mohli byť nestabilné, táto je vyvážená jedným

dominantným pólom [8].

Nameraný signál TX

Graf č. 4.4 TX multirámec 26

44

Na grafe č. 4.4 je vykreslený TX multirámec 26 z BTS stanice. Je to TDMA

rámec, ktorý trvá 120 ms, pri nastavení osciloskopu 20ms na dielik na časovej osi a na

vertikálnej osi 500mV na dielik, čiže amplitúda multirámca bude 1,2V. TX multirámec

26 sa skladá takisto z 26 rámcov ako je znázornené na grafe, na ktorom je viditeľný

prázdny posledný rámec.

TX rámec je znázornený na grafe č. 4.5. Je to jeden z 25 rámcov multirámca 26.

Osciloskop sme v tomto prípade nastavili na časovej osi na 1ms na dielik a na vertikálnej

ostáva 500mV na dielik.

Tento nameraný TX rámec pozostáva takisto ako v RX rámci z 8. časových okien,

kde dĺžka jedného je 0,577 ms a dokopy tvoria jeden rámec s dĺžkou 4,615. Prvé časové

okno TX rámca je takisto pre kanál CCCH a ostatných 7 okien je pre TCH. V jednom

časovom okne sa nachádza 156, 25 bitov, ktoré je možné vidieť na nameranom grafe

č. 4.6 pre TX.

Graf č. 4.5 TX rámce

45

Graf 4.6 Časové okná TX

46

4.3 Netmonitoring meracieho pracoviska

4.3.1 Zobrazenie aktuálneho spojenia

Príkladom aktuálneho spojenia (na pásme 900/1800 MHz) je test netmonitoringu

01, ktorý nám ukazuje základné informácie o aktívnom BTS spojení [10], obr. 4.6.

Obr. 4.6 Aktuálne spojenie

Jednotlivé čísla a symboly označujú:

• 79 nám udáva použité číslo kanála

• -69 ukazuje prijímaný signálový výkon v dBm (znamienko mínus nie je

zobrazené, ak hodnota je menšia ako -99)

• xxx zobrazuje použitý prenášaný výkon (uvádzaný s * ak je vysielač je zapnutý)

• 0 a 3 označujú časový úsek (0 – 7) a predstih (0 – 63)

• x je prijatá kvalita signálu (0 – 7)

• CBCH zobrazuje typ kanálu

Je veľmi ťažké pochopiť tieto zobrazenia ak človek nie je oboznámený

s technológiou GSM. V testovacom zobrazení 01, najzaujímavejšie hodnoty sú prijatý

výkon signálu , ktorý udáva kvalitu spojenia (nižšie negatíva, vyššia kvalita) a číslo

kanálu. Pomocou nasledujúceho CID (Cell ID) čísla na teste 11 je lepšie vidieť zmenu

bunky. V dvojpásmových telefónoch kanálové číslo je vidieť, ak telefón je použitý na

47

pásme 1800 MHz (bežne nemôžeme zistiť použité pásmo). Ak číslo kanála je väčšie ako

512, mobil pracuje v pásme 1800.

Ak prebieha hovor je možné vidieť na monitore typ rečového kodeku. Ak je

zobrazený kanálový typ TEFR (Transfer channel Enhanced Full Rate), BTS a mobil sú

podporované kvalitnejším telefónnym kodekom. V našom prípade to funguje. Štandardný

plnorýchlostný rečový kanál je zobrazený ako TFR. GSM siete postavené v roku 1990

môžu obsahovať mnoho starších BTS staníc, ktoré nepodporujú EFR kodek. Môžeme ich

zistiť pomocou sieťového monitoringu.

K testovaní odlišností medzi EFR a FR kodekmi, môžeme vypnúť EFR podporu

v telefóne, napísaním #4470# (#efr0#). Po zablokovaní EFR podpory v mobile, BTS sú

nútene použiť starý FR kodek. EFR podpora je obnovená napísaním *4470# (*efr0#).

4.3.2 Informácie o iných BTS staniciach

Zobrazenie 02 hovorí viac o aktívnom spojení a 03, 04, 05 ukazuje signálové

právomoci ostatných BTS. Prvý riadok v zobrazení 03 na obr. 4.7 je pre aktuálne BTS

spojenie (identické s informáciami z 01), ďalšie riadky v 03 a všetky v 04 a v 05 ukazujú

informácie o iných BTS kanáloch. Prvé číslo je číslo kanála a tretie hodnota zľava výkon

signálu v dBm. Na týchto zobrazeniach môžeme ľahko vidieť, ako sieťový operátor

pokrýva oblasť. Ak je iba jeden aktívny BTS signál okolo -90dBm a ostatné sú oveľa

nižšie (napríklad -100dBm), máme k dispozícií iba jednu možnú BTS v tomto okamihu.

Viac BTS kanálov máme ak vidíme veľa úrovni nad -60dBm (alebo -40 dBm v mestách).

Obr. 4.7 Zobrazenie ostatných BTS

48

4.3.3 BTS test

Pre BTS testovacie účely je možné používať len jeden kanál počas celého času.

Všeobecne to znamená, že telefón komunikuje len s jednou špecifickou BTS. Ak nám

vypíše BTS TEST OFF, tak telefón pracuje normálne, obr. 4.8.

Obr. 4.8 BTS test off

Pred zapnutím BTS testu (zobrazenie 17), musíme rezervovať vybrané číslo

kanála v umiestnení 33 na SIM karte pamäte mobilu (SCM). Keďže nemôžeme

špecifikovať lokalizačné číslo, keď ukladá do pamäte telefónne čísla, môžeme použiť

nasledovný trik (ak máme pozíciu 33 práve používanú):

• Napíšeme 33# a zapamätáme si zobrazené číslo (je to jedno z uložených čísel).

• Nájdeme zodpovedný prvok v pamäti telefónnych čísel a skopírujeme ho do

pamäte telefónu.

• Ideme do originálnej položky (stále v SIM pamäti) a editujeme ju. Riadiaci názov

je “BTS TEST“. Nahradíme telefónne číslo s číslom testovaného kanála.

• Teraz môžeme presunúť skopírované telefónne číslo späť do pamäte SIM karty.

Udá nám to novú polohu (a poloha 33 bude teraz “BTS TEST”).

• Výsledok testu sa nám zobrazí po napísaní 33#. Potom by sa malo zobraziť číslo

vybraného kanála.

49

Ku konečnému zapnutiu BTS testu sa treba vrátiť k zobrazeniu 17 a stlačiť Menu

a potom Ok. Vypnúť telefón a zapnúť. Po reštarte telefónu sa zobrazí BTS TEST ON.

Potom sa telefón správa ako keby tam bol jeden GSM kanál. Telefón sa zaregistruje na

BTS v tomto kanály akokeby bol jediný, alebo ide do módu NSPS, pretože nenájde

žiadnu sieť. K vybratiu čísla kanálu v použitej oblasti treba sa pozrieť na zobrazenie 03 až

05 pred aktiváciou BTS testu.

4.3.4 Možnosť používania zakázaných BTS

BTS sú obvykle pred uvedením do prevádzky testované operátorom. Takže sú

označené ako zakázané a normálne telefóny ich ignorujú. Pokiaľ sa chcete pozrieť, čo

operátor chystá v okolí, stačí priamo v menu vyvolať test 19 a zmeniť parameter.

Zobrazenie CELL BARR, obr. 4.9:

• ACCEPTED - mobil sa chová normálne - zakázané bunky ignoruje

• REVERSE - mobil vyhľadáva len zakázané bunky

• DISCARD - mobil vyhľadáva aj zakázané, aj normálne bunky

Obr. 4.9 Cell barr accepted

50

5 ZÁVER

Úlohou mojej diplomovej práce bolo vytvoriť pracovisko na meranie základných

parametrov signálu BTS systému GSM. Vytvoril som praktickú pomôcku pre predmet

Mobilné rádiové systémy. Toto meracie pracovisko bude slúžiť študentom katedry

telekomunikácií na oboznámenie sa s GSM systémom, konkrétne s prenosom signálov

BTS stanice.

Pri realizácií som sa snažil skonštruovať meracie pracovisko tak, aby sme mohli

čo najjednoduchšie namerať signály RX z prijímača a TX z vysielača mobilu. Taktiež je

možné formou netmonitoringu overiť si informácie o BTS staniciach, na ktorých toto

zariadenie pracuje. Toto pracovisko je popísané v tejto práci spolu s patričnou potrebnou

teóriou o GSM sieti a mobilnom telefóne použitom na meranie.

Namerané výsledky sú vykreslené na viacerých rozsahoch ETC osciloskopu.

Podľa jednotlivých nastavení sme namerali multirámce 26 o celkovej dĺžke 120ms, ktoré

sa delia na 26 rámcov. Rámce sme namerali s celkovou dĺžkou 4,615ms, ktoré sa dajú

rozdeliť do 8. časových okien, kde dĺžka jedného je 0,577ms. Na prvom časovom okne

TX signálu môžeme dokonca pozorovať prenos bitov.

Moju diplomovú prácu môžu študenti použiť ako predlohu k meraniu parametrov

modernejších mobilných sieti, ktoré sa v súčasnosti zavádzajú, napríklad UMTS, EDGE,

atď.

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] http://cs.wikipedia.org/wiki/GSM

[2] http://www.cellular.co.za/gsmhistory.htm

[3] http://www.navitel.sk/gsm.html

[4] http://www.shoshin.uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html

[5] Ľ. Doboš, J. Dúha, S. Marchevský, V. Wieser : Mobilné rádiové siete,

EDIS – vydavateľstvo ŽU, 2002

[6] http://cs.wikipedia.org/wiki/Mobiln%C3%AD_telefon

[7] PAMS Technical Documentation, NSE-1 Series Transceivers, Chapter 2

GENERAL INFORMATION

[8] PAMS Technical Documentation, NSE-1 Series Transceivers, Chapter 3

SYSTEM MODULE

[9] PAMS Technical Documentation, NSE-1 Series Transceivers, Appendix 1

TRANSCEIVER NSE-1

[10] http://www.panuworld.net/nuukiaworld/misc/netmon/tests.htm

Čestné vyhlásenie

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Vladimíra Wiesera, PhD.

a používal som len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.

V Žiline 19.mája 2006

........................................

Peter Korfant

POĎAKOVANIE

Na tomto mieste by som sa chcel poďakovať všetkým, ktorý mi akýmkoľvek

spôsobom pomáhali pri písaní diplomovej práce a podporovali ma. Osobitne ďakujem

môjmu diplomovému vedúcemu doc. Ing. Vladimírovi Wieserovi, PhD., za ochotu,

poskytnutú literatúru ,odbornú pomoc a cenné rady, ktoré mi pomohli v tvorení a písaní

tejto diplomovej práce. Poďakovanie patrí aj rodičom a ich podpore pre moje štúdium

na vysokej škole.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Meranie základných parametrov signálu BTS systému GSM

Prílohová časť

Peter Korfant

2006

ZOZNAM PRÍLOH Príloha č.1 Schémy systémového modulu UP8S

Príloha č. 2 CD-ROM s diplomovou prácou

1

Príloha č. 1

1. Bloková schéma systémových RF blokov

2

2. Schéma obvodu základného pásma

3

3. Schéma obvodu napájania

4

4. Schéma obvodu CPU bloku

5

5. Schéma obvodu RF bloku

6

6. Usporiadanie súčiastok a merné body

7

8