poradnik dla ucznia · 2011-04-13 · poradnik stanowi obudow ę dydaktyczn ą programu jednostki...

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ

Grzegorz Lis

Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych 312[02].Z2.03

Poradnik dla ucznia

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007


1

Recenzenci: dr inŜ. Marian Jerzy Korczyński mgr inŜ. Zbigniew Miszczak Opracowanie redakcyjne: mgr inŜ. Ryszard Zankowski Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 312[02].Z2.03 „Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych”, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik teleinformatyk. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007


2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania 7

4.1. Łącze radiowe w systemach telefonii komórkowej 7 4.1.1. Materiał nauczania 7 4.1.2. Pytania sprawdzające 16 4.1.3. Ćwiczenia 16 4.1.4. Sprawdzian postępów 19

4.2. Procedury zachodzące w systemach GSM. 20 4.2.1. Materiał nauczania 20 4.2.2. Pytania sprawdzające 33 4.2.3. Ćwiczenia 34 4.2.4. Sprawdzian postępów 36

4.3. Przetwarzanie sygnału mowy w telefonii komórkowej GSM 37 4.3.1. Materiał nauczania 37 4.3.2. Pytania sprawdzające 42 4.3.3. Ćwiczenia 43 4.3.4. Sprawdzian postępów 44

4.4. Układ terytorialny sieci telefonii komórkowej 45 4.4.1. Materiał nauczania 45 4.4.2. Pytania sprawdzające 48 4.4.3. Ćwiczenia 49 4.4.4. Sprawdzian postępów 50

4.5. Budowa sieci stałej i terminala abonenckiego w GSM 51 4.5.1. Materiał nauczania 51 4.5.2. Pytania sprawdzające 56 4.5.3. Ćwiczenia 56 4.5.4. Sprawdzian postępów 57

5. Sprawdzian osiągnięć 58 6. Literatura 64


3

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o budowie, działaniu i usługach sieci telefonii komórkowej GSM oraz konstrukcji elementów infrastruktury stałej i aparatów telefonicznych GSM, a takŜe w kształtowaniu umiejętności projektowania, eksploatowania, zarządzania i serwisowania urządzeń infrastruktury stałej i telefonów komórkowych GSM.

W poradniku znajdziesz: – wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,

abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika, – cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, – materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki

modułowej, – zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści, – ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne, – sprawdzian postępów, – sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi

opanowanie materiału całej jednostki modułowej, – literaturę uzupełniającą.


4

Schemat układu jednostek modułowych w module

312[02].Z2 Urządzenia i systemy telekomunikacyjne

312[02].Z2.02

Badanie systemów radiokomunikacyjnych

312[02].Z2.01

Badanie urządzeń radiowo-telewizyjnych

312[02].Z2.03 Eksploatowanie sieci telefonii

komórkowych

312[02].Z2.04

Eksploatowanie telekomunikacyjnych systemów przewodowych


5

2. WYMAGANIA WST ĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− interpretować podstawowe pojęcia z zakresu elektroniki, − czytać schematy ideowe i montaŜowe układów i podzespołów elektronicznych, − wyjaśniać zjawiska związane z przesyłaniem sygnałów analogowych i cyfrowych, − wyjaśniać zasady przetwarzania analogowo-cyfrowego sygnałów, − wykonywać operacje logiczne i arytmetyczne na liczbach zapisanych w róŜnych kodach, − wyjaśniać działanie mikroprocesora i jego bloków, − wyjaśniać funkcje i zasady współpracy poszczególnych bloków systemu

mikroprocesorowego, − opisywać tryby pracy procesora, − charakteryzować magistrale i sygnały sterujące mikroprocesora, − wyjaśniać działanie układów wejścia/wyjścia, − opisywać zasadę działania pamięci RAM i ROM, − posługiwać się terminologią zawodową z zakresu telekomunikacji, − wyjaśniać budowę i działanie systemów telekomunikacji przewodowej

i bezprzewodowej, − posługiwać się rysunkami, schematami i opisami dotyczącymi urządzeń i sieci

telekomunikacyjnych, − wykonywać montaŜ elementów i podzespołów urządzeń i sieci telekomunikacyjnych, − uŜytkować systemy telekomunikacyjne oraz dokonywać ich przeglądów i napraw, − stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz

ochrony środowiska.


6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: − posłuŜyć się pojęciami z zakresu systemów telefonii komórkowej, − wyjaśnić budowę i działanie urządzeń składowych infrastruktury stałej w sieciach

telefonii komórkowej, − wyjaśnić budowę i działanie poszczególnych elementów składowych telefonów

komórkowych, − posłuŜyć się opisami, rysunkami i schematami przedstawiającymi architekturę oraz

procedury działania systemów telefonii komórkowych, − skonfigurować systemy operacyjne telefonów komórkowych, − przeprowadzić montaŜ elementów, podzespołów i urządzeń naleŜących do infrastruktury

stałej oraz stacji ruchomych w sieci telefonii komórkowej, − wykonać przeglądy i regulacje urządzeń telefonii komórkowej, − wykryć oraz usunąć usterki w telefonach komórkowych, − wykonać pomiary parametrów elektrycznych i radiowych w urządzeniach sieci telefonii

komórkowych, − posłuŜyć się nazewnictwem anglojęzycznym dotyczącym systemów telefonii

komórkowej, − zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące obsługi systemów

telefonii komórkowych.


7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Łącze radiowe w systemach telefonii komórkowej 4.1.1. Materiał nauczania Zakres częstotliwości przewidzianych dla GSM

Standard GSM przewiduje podczas połączenia pełną transmisję dwukierunkową na niezaleŜnych kanałach częstotliwościowych (ang. Full-duplex) stąd dla kaŜdego połączenia przewidziane są kanały częstotliwościowe dla kierunku: stacja bazowa – aparat telefoniczny (tzw. „kanały w dół”) oraz kanały częstotliwościowe dla kierunku: aparat telefoniczny GSM – stacja bazowa (tzw. „kanały w górę”).

KaŜdy jednokierunkowy kanał częstotliwościowy zarówno w paśmie 900 jak i 1800, ma szerokość 200 kHz.

Dla systemów GSM 900 oddano do dyspozycji pasmo częstotliwości 890–915 MHz (kanały w górę) oraz pasmo 935–960 MHz (kanały w dół). Natomiast dla systemów GSM 1800 częstotliwości te wynoszą: 1710–1785 MHz (kanały w górę) oraz 1805–1880 MHz (kanały w dół).

Zakresy częstotliwości przewidziane dla GSM przedstawia rysunek nr 1.

Rys. 1. Pasma częstotliwości [1, s. 23]

Podczas trwania połączenia w kanale radiowym pomiędzy telefonem a stacją bazową,

uŜyte są dwa kanały, zwane „parą dupleksową”: jeden dla kierunku „w dół” i jeden dla kierunku „w górę”. Moc i gęstość mocy w komunikacji radiowej.

Transmisja sygnału w kanale radiowym odbywa się w jednym kierunku od anteny nadawczej do anteny odbiorczej.


8

W systemach GSM dla kanałów „w dół” antena nadawcza znajduje się w stacji bazowej, a antena odbiorcza w telefonie komórkowym. Natomiast dla kanałów „w górę” role anten są odwrotne: nadaje telefon komórkowy, a odbiera stacja bazowa.

Z punktu widzenia jakości i poprawności transmisji waŜne są tu następujące parametry: – częstotliwość fali nośnej, – moc sygnału emitowanego przez izotropową (dookólną) antenę nadawczą, – odległość pomiędzy antenami, – warunki propagacji fal radiowych.

Gęstość mocy na określonej powierzchni (tzw. Stopień napromieniowania sygnałem radiowym danej powierzchni) sygnałem pochodzącym od dowolnej anteny nadawczej, obliczamy ze wzoru:

24 R

PG

π=

gdzie: G – gęstość mocy sygnału w danym miejscu [W/m2], P – moc sygnału emitowanego przez antenę nadawczą [W], R – odległość od anteny nadawczej do analizowanego miejsca [m]. Wykres przedstawiający zaleŜność gęstości mocy od odległości od anteny nadawczej przedstawia rysunek nr 2.

Rys. 2. ZaleŜność poziomu mocy w funkcji odległości od anteny nadawczej [1, s.42]

Na podstawie wartości gęstości mocy sygnału radiowego, „dostarczanego” do danego

miejsca, obliczamy moc tego sygnału, dostarczanego do anteny odbiorczej, usytuowanej w analizowanym miejscu:


9

πλ

4

2GPodb =

gdzie: Podb – moc sygnału odbieranego przez izotropową antenę odbiorczą [W], G – gęstość mocy sygnału w danym miejscu [W/m2], λ – długość fali sygnału emitowanego [m]. Warunki propagacji sygnałów radiowych.

NatęŜenie pola elektromagnetycznego sygnału emitowanego przez antenę nadawczą maleje wraz ze wzrostem odległości od ten anteny, ale takŜe zaleŜy od środowiska i tzw. warunków kanału radiowego. Współczynnik, określający, w jakim stopniu maleje natęŜenie pola elektromagnetycznego w róŜnych warunkach, jest następujący: – 1/R2 – wolna przestrzeń, – 1/R3 – teren podmiejski, – 1/R5 – centrum miasta, – 1/R1.5 – dukt uliczny. gdzie: R oznacza odległość od anteny nadawczej.

Z powyŜszego wynika, Ŝe warunki propagacyjne pogarszają się wraz ze wzrostem liczby „przeszkód” na drodze sygnału radiowego.

ZauwaŜamy takŜe, Ŝe tzw. dukt uliczny (ulica w centrum duŜego miasta z wysoką i szczelną zabudową po obu stronach) tworzy falowód i charakteryzuje się lepszymi warunkami propagacyjnymi dla sygnałów radiowych, niŜ wolna przestrzeń.

Tabela nr 1 prezentuje przykładowe poziomy sygnałów odbieranych w róŜnych odległościach i warunkach propagacyjnych, jeŜeli w odległości 10 m od nadajnika poziomy mocy są identyczne i wynoszą – 31 dBm.

Tabela 1. Przykładowe poziomy mocy w róŜnych odległościach i warunkach propagacyjnych [1, s. 46]


10

Anteny dookólne i kierunkowe w komunikacji radiowej Analiza parametrów sygnału radiowego przedstawiona wyŜej dotyczy anten

izotropowych, których kształt przypominać powinien kulę, a zdolność nadawania lub odbioru sygnałów radiowych jest identyczna we wszystkich kierunkach. W komunikacji radiowej bardzo często waŜny jest określony kierunek transmisji sygnałów, związany z lokalizacją anten nadawczej i odbiorczej. Emitowanie sygnału przeznaczonego dla jednej określonej anteny odbiorczej, znajdującej się w ustalonym miejscu, we wszystkich kierunkach jest nie tylko nieekonomiczne, ale takŜe niepotrzebnie zakłóca sygnały radiowe, pochodzące od innych systemów radiokomunikacyjnych.

W związku z tym wykorzystuje się w komunikacji radiowej anteny kierunkowe, których przykłady przedstawione są na rysunku nr 3.

Rys. 3. Przykłady anten kierunkowych [1, s. 48]

Parametrem charakterystycznym dla anten kierunkowych, odróŜniającym je od analogicznych anten dookólnych jest zysk kierunkowy podawany w decybelach [dB], który definiujemy jako stosunek poziomów mocy sygnałów emitowanych z porównywanych anten: izotropowej i kierunkowej, pozwalających na uzyskanie na identycznej powierzchni terenu w identycznej odległości od porównywanych anten nadawczych, takiej samej gęstości mocy sygnałów nadawanych przez te anteny.

Tabela prezentująca przykładowe parametry anten kierunkowych w porównaniu do analogicznej anteny izotropowej, w tym pokazująca zysk kierunkowy, przedstawia tabela 2. Tabela 2. Przykładowe parametry anten kierunkowych [1, s.85]

Rodzaj anteny Rysunek

Szerokość wiązki

Zysk Kierunkowy

RównowaŜność mocy sygnału nadawanego

Typowe zastosowanie

Idealna (izotropowa)

– 360°

w poziomie i pionie

0 dB 10 W –

Kierunkowa 3a 120° 10 dB 1 W Komórki sektorowe

Kierunkowa 3b 5° 30 dB 0,01 W Linie radiowe punkt – punkt

Dookólna 3c 350° w

poziomie i 30° – 60° w pionie

3 dB 5 W

Telefony komórkowe,

komórki dookólne


11

Zwielokrotnienie czasowe podczas transmisji radiowej w GSM KaŜdy kanał częstotliwościowy w GSM (zarówno ten „w górę” jak i „w dół” ma

szerokość 200 kHz. Podczas połączeń moŜe być on wykorzystywany jednocześnie przez 8 telefonów: występuje tu zwielokrotnienie czasowe zasobów tego kanału (ang. TDM). Mówimy, Ŝe na jednym kanale częstotliwościowym pracuje 8 kanałów rozmównych (uŜytkowych).

Organizacja wykorzystania kanału częstotliwościowego jest następująca (posłuŜymy się tu przykładowym kanałem w dół):

Antena nadawcza stacji bazowej na określonej częstotliwości (w określonym kanale częstotliwościowym) emituje kolejno ramki czasowe, z których kaŜda trwa 4 ms. Stacja bazowa emituje 250 ramek w czasie kaŜdej sekundy.

KaŜda z ramek składa się z 8 szczelin czasowych, kaŜdej o czasie trwania 0.5 ms. W kaŜdej ze szczelin czasowych stacja bazowa przesyła pakiet danych, przy czym kolejne pakiety, umieszczone w poszczególnych szczelinach czasowych, przeznaczone są dla innych odbiorców (telefonów GSM).

KaŜdy z 8 aktywnych telefonów GSM, pracujących na tym kanale radiowym, obserwuje ustaloną dla siebie szczelinę czasową i odbiera pakiety nadchodzące w tej szczelinie, ignorując pakiety pozostałe.

MoŜna więc powiedzieć, Ŝe kaŜdy z aktywnych (pozostających w stanie połączenia) telefonów GSM odbiera w czasie kaŜdej sekundy 250 pakietów, przeznaczonych wyłącznie dla niego.

Aby zapewnić drugi kierunek transmisji w połączeniu, kaŜdy z aktywnych telefonów jednocześnie nadaje w określonym kanale częstotliwościowym „w górę” i w odpowiedniej szczelinie czasowej 250 podobnych pakietów danych, kaŜdy równieŜ o czasie trwania 0.5 ms.

Ideę wspólnego wykorzystania wspólnego kanału częstotliwościowego dla 8 rozmówców przedstawia rysunek nr 4.

Rys. 4. Zasada wykorzystania wspólnej częstotliwości dla ośmiu uŜytkowników (TDM) [1, s. 98]


12

Aby antena nadawcza i odbiorcza telefonu GSM nie zakłócały się wzajemnie, standard GSM przewiduje, Ŝe szczelina czasowa, w której telefon nadaje swój pakiet jest opóźniona o 3 szczeliny w stosunku do tej, w której telefon odbiera przeznaczony dla niego pakiet.

PowyŜszy opis pokazuje, Ŝe kaŜdy z aktywnych telefonów GSM odbiera oraz nadaje (emituje) sygnały jedynie w 1/8 czasu trwania połączenia (pozostałe 7/8 czasu wspólny kanał częstotliwościowy przeznaczony jest dla pozostałych 7 uŜytkowników tego kanału). Moc i poziom mocy sygnałów radiowych.

W radiokomunikacji stosuje się pojęcie mocy sygnału nadawanego lub odbieranego, gdzie jednostką jest wat [W], a takŜe pojęcie poziomu mocy sygnału, gdzie jednostką jest decybel mocy [dBm].

Zakładamy, Ŝe moc o wartości jednego miliwata [1 mW] odpowiada poziomowi mocy zera decybeli mocy [0 dBm]. PowyŜsze pozwala nam przeliczać moc na poziom mocy i odwrotnie, zgodnie z potrzebami. Przykładowe moce i poziomy mocy sygnałów odebranych przedstawia tabela nr 3.

Tabela. 3. Przykładowe moce i poziomy mocy sygnałów odebranych [1, s. 103]

Przypomnijmy jeszcze, Ŝe wzmocnienie lub tłumienie sygnałów, które standardowo

obliczamy jako stosunek mocy tych sygnałów na wejściu i wyjściu danego wzmacniacza (tłumika), a jednostką takiego wzmocnienia (tłumienia) jest wat przez wat [W/W], obliczamy takŜe przy uŜyciu skali logarytmicznej, gdzie jednostką wzmocnienia (tłumienia) będzie decybel [dB].

Przykładowe wartości wzmocnienia (tłumienia), czyli stosunku mocy na wejściu i wyjściu w [W/W] oraz [dB] przedstawia tabela 4.


13

Tabela. 4. Przykładowe wartości wzmocnienia lub tłumienia w jednostkach liniowych i logarytmicznych [1, s. 112]

Problemy radiokomunikacyjne w systemach telefonii komórkowej.

NajwaŜniejsze negatywne zjawiska, jakie towarzyszą transmisji sygnałów za pośrednictwem fal radiowych, to: – propagacja wielodrogowa związana z uginaniem się oraz odbijaniem się fal

o przeszkody, – efekt cienia radiowego, – efekt Dopplera.

Krótko omówimy kaŜde z zagadnień. Propagacja wielodrogowa występuje podczas transmisji sygnałów radiowych w związku z występowaniem na drodze sygnału takich przeszkód, jak budynki, samochody, elementy ukształtowania terenu, itp. W związku z tym poszczególne promienie sygnału ulegają odbiciu, ugięciu i rozpraszaniu, co powoduje, Ŝe sygnał docierający do odbiornika jest wypadkową wielu sygnałów, które co prawda pochodzą z tego samego źródła, ale pokonały róŜne drogi. Powoduje to, Ŝe układy dekodujące odebrany sygnał muszą być rozbudowane i zaawansowane technologicznie.

Efekt cienia radiowego powiązany jest z propagacją wielodrogową sygnałów radiowych. Zdarza się, Ŝe do odbiornika docierają sygnały wysłane z nadajnika, ale charakteryzujące się róŜnymi amplitudami oraz fazą, jako efektami wielu róŜnych dróg transmisji tego samego sygnału. JeŜeli zdarzy się, Ŝe dwa sygnały są zgodne w fazie, wtedy ich amplitudy sumują się i uzyskujemy poprawę warunków odbioru. Gdy jednak występuje duŜe przesunięcie fazowe, a w szczególnym przypadku przesunięcie to zbliŜy się do wartości 180 stopni, (mówiąc inaczej przesunięcie wyniesie połowę długości transmitowanej fali), to sygnały będą w przeciwfazie, a w związku z tym ich wzajemne nałoŜenie się na siebie spowoduje całkowite lub prawie całkowite wytłumienie sygnału. Wówczas warunki odbioru są złe.

Dodajmy, Ŝe w przypadku fali z zakresu 900 MHz, długość fali λ wynosi około 33 cm, czyli szkodliwe przesunięcie fal, to itp. 17cm, natomiast w przypadku fali z zakresu 1800 MHz, długość fali λ wynosi około 17 cm, a szkodliwe przesunięcie fal wzniesie itp. 9 cm.

JeŜeli w związku z tym telefon GSM znajduje się itp. w samochodzie jadącym z prędkością 80 km/h, to jego antena odbiorcza wpada w zanik co 3–7 ms zaleŜnie od pasma częstotliwości, a więc kilkaset razy na sekundę. Zjawisko to nazwiemy zanikami szybkozmiennymi. Efekt cienia radiowego prezentuje rysunek nr 5.


14

Rys. 5. Efekt cienia radiowego [1, s. 143]

Efekt Dopplera, to zjawisko zmiany częstotliwości sygnałów w stosunku do częstotliwości załoŜonych, emitowanych przez źródła poruszające się.

ZałóŜmy, Ŝe telefon komórkowy nadaje sygnał radiowy o częstotliwości f1, sygnał ten rozchodzi się w środowisku z prędkością u1 (najczęściej zbliŜoną do prędkości światła), ale sam telefon porusza się z prędkością v1 (itp. rozmówca jedzie samochodem), to częstotliwość tego sygnału, odebranego przez stację bazową, będzie się róŜnić od f1 i będzie równa:

f2 = (f1* u1)/(u1-v1) jeŜeli samochód zbliŜa się do stacji bazowej, lub f2 = (f1* u1)/(u1+v1) jeŜeli samochód oddala się od stacji bazowej. W związku z ww. zjawiskiem telefon GSM zmuszony jest na bieŜąco kontrolować

własną prędkość w stosunku do stacji bazowej i odpowiednio przestrajać własne obwody, aby emitowany przez niego sygnał był poprawnie odbierany przez stację bazową. Podobnie telefon zmuszony jest na bieŜąco przestrajać własne obwody odbiorcze, aby poprawnie odbiera strumień danych (pakiety).

Dla przykładu, w paśmie 900 MHz, jeŜeli telefon porusza się z prędkością 60 km/h, przesunięcie pasma częstotliwości dla sygnałów radiowych wynosi 50 Hz. Budowa pakietu danych w GSM

Pakiet danych jest standardową i zunifikowaną jednostką informacyjną, jaka przesyłana jest w kanale radiowym od stacji bazowej do telefonu i od telefonu do stacji bazowej.

Pakiet jest słowem binarnym o długości 148 bitów, które jest transmitowane w czasie 0,5 ms. Pakiet składa się z trzech części: 57 bitów danych, potem 26 bitów tzw. sekcji

treningowej, a następnie drugie 57 bitów danych. Wynika z tego, Ŝe w jednym pakiecie udaje się przesłać tylko 114 bitów danych

(informacji uŜytkowych). Sekcja treningowa, to doskonale znany „nadawcy” i „odbiorcy” ciąg 26 bitów, który

pozwala odbiorcom upewnić się, Ŝe pakiet został przesłany prawidłowo, a zakłócenia zewnętrzne nie spowodowały przekłamać na poszczególnych pozycjach (bitach).

Ponadto warto zauwaŜyć, Ŝe sekcja treningowa umieszczona jest w środku kaŜdego pakietu, co pozwala sądzić, Ŝe jeŜeli środkowa część pakietu przesłana jest bezbłędnie, to zarówno część poprzedzająca, jak i następująca po tej sekcji równieŜ przesłana jest poprawnie. Struktura logiczna pakietu przedstawiona jest na rysunku nr 6.


15

Rys. 6. Struktura logiczna pojedynczego pakietu [1, s. 149]

Estymacja parametrów kanału radiowego

PoniewaŜ warunki propagacyjne dla telefonii komórkowych ciągle się zmieniają (szczególnie jest to powodowane przede wszystkim przemieszczaniem się abonentów, którzy pozostają w stanie aktywnym i uczestniczą w połączeniach), w systemie GSM występuje procedura ciągłego analizowania warunków propagacyjnych (lub prościej: analizowania parametrów kanału radiowego) i ciągłe dostosowywanie się do tych warunków. Proces ten nazywa się korekcją adaptacyjną lub estymacją parametrów kanału radiowego i jest wykonywany zarówno przez stacje bazowe, jak i telefony komórkowe, na bieŜąco, podczas kaŜdego połączenia.

W procesie tym waŜną rolę odgrywa ciąg 26 bitów, zwany sekcją treningową. Zasada działania korekcji adaptacyjnej jest następująca: pakiet informacyjny dzielony jest

na 3 odcinki, które nazwane są kolejno: X1 (57 bitów), X0 (sekcja treningowa 26 bitów) i X2 (57 bitów). JeŜeli cechy kanału radiowego zdefiniujemy ogólnie jako Y, to po przesłaniu w tym

kanale pakietu informacyjnego X1X0X2, gdzie kaŜda jego część ulegnie wpływom Y, do odbiorcy dotrze zmieniony nieco pakiet o treści Z1Z0Z2, przy czym

Z1 = X1*Y, Z0 = X0*Y, Z2 = X2*Y.

JednakŜe sekcja treningowa X0 jest znana stronie odbiorczej i wie ona, jakie bity

powinny do niej dotrzeć w ramach środkowej części pakietu o długości 26 bitów. Strona odbiorcza, znając poprawną sekcję treningową X0 oraz odebraną sekcję

treningową Z0 jest w stanie oszacować (obliczyć) warunki kanału radiowego:

Y = Z0 / X0,


16

Wartość Y pozwoli teraz na poprawne odczytanie obydwu 57-bitowych części informacyjnych pakietu X1 i X2:

X1 = Z1*X 0/Z0, X2 = Z2* X 0/Z0

Proces ten jest realizowany przez działania matematyczne na wielomianach

o współczynnikach „0” i „1” reprezentujących poszczególne wartości bitów. Dodać naleŜy, Ŝe proces ten odbywa się po stronie odbiorczej (stacja bazowa dla kanału

„w górę” oraz telefon komórkowy dla kanału „w dół”) 250 razy na sekundę, czyli odrębnie dla kaŜdego przesyłanego pakietu.

Omówioną procedurę wykonuje korektor kanału radiowego w stacji bazowej oraz telefonie komórkowym. 4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są główne załoŜenia organizacji kanałów radiowych w GSM? 2. Jaki typ łączności w kanale radiowym przewiduje standard GSM? 3. Jakie są główne parametry łącza radiowego w telefonii komórkowej GSM. 4. W jaki sposób zdefiniujesz pojęcie dotyczące transmisji sygnałów radiowych: moc,

poziom mocy, gęstość mocy. 5. Jak zmienia się gęstość mocy w funkcji odległości od anteny nadawczej? 6. Jaka jest zaleŜność mocy odbieranej przez antenę odbiorczą od gęstości mocy? 7. Jaka jest zaleŜność pomiędzy mocą sygnału a poziomem mocy? 8. Co oznacza pojęcie „antena izotropowa”? 9. Co to jest „zysk kierunkowy anteny”? 10. W jaki sposób w telefonii komórkowej GSM wykorzystano technologię TDM? 11. Na czym polega efekt cienia radiowego? 12. Na czym polega efekt Dopplera? 13. Jaka jest wielkość oraz zawartość pakietu w GSM? 14. Na czym polega korekcja adaptacyjna w kanale radiowym w GSM? 15. Co to jest estymacja parametrów kanału radiowego w GSM? 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Oblicz gęstość mocy sygnału nadawanego przez maszt telefonii komórkowej w paśmie 900 MHz, znajdujący się poza terenem miejskim. Obserwator znajduje się w odległości:

a) 1 km, b) 2 km

od anteny nadawczej. Moc sygnału nadawanego przez izotropową antenę nadawczą wynosi 100 W.

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŜność pozwalającą na obliczenie gęstości mocy sygnałów,


17

3) ustalić, jaka jest wartość zysku kierunkowego anteny nadawczej, 4) dokonać obliczenia gęstości mocy w odległości 1 km od anteny odbiorczej, 5) dokonać obliczenia gęstości mocy w odległości 2 km od anteny odbiorczej, 6) porównać otrzymane wyniki, 7) przeanalizować wyniki pod kątem dopuszczalnego poziomu mocy wg IRPA, 8) sformułować odpowiedź i wnioski.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

− zeszyt, − długopis, − kalkulator, − wzór na gęstość mocy, − literatura. Ćwiczenie 2

Wyznacz moc i poziom mocy sygnału dostarczanego do izotropowej anteny odbiorczej, znajdującej się w odległości

a) 1 km, b) 2 km

od nadajnika GSM. Pozostałe parametry pobierz z ćwiczenia 1.


1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŜność pozwalającą na obliczenie mocy sygnału radiowego dostarczanego do

anteny odbiorczej oraz odpowiadającego jej poziomu mocy, 3) dokonać obliczenia mocy odbieranej w odległości 1 km od anteny nadawczej, 4) dokonać obliczenia mocy odbieranej w odległości 2 km od anteny nadawczej, 5) dokonać obliczenia poziomu mocy odbieranej w odległości 1 km od anteny nadawczej, 6) dokonać obliczenia poziomu mocy odbieranej w odległości 2 km od anteny nadawczej, 7) porównać otrzymane wyniki, 8) przeanalizować wyniki, 9) sformułować odpowiedź i wnioski.


− zeszyt, − długopis, − kalkulator, − wzór na gęstość mocy, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 3

Oblicz wymagane odstrojenie odbiornika radiowego telefonu GSM od częstotliwości nośnych 950 MHz i 1850 MHz w sytuacji, gdy telefon odbierający sygnały

a) znajduje się w spoczynku, b) porusza się z prędkością 50 km/h w kierunku do anteny nadawczej, c) porusza się z prędkością 50 km/h w kierunku od anteny nadawczej, d) porusza się z prędkością 100 km/h w kierunku do anteny nadawczej, e) porusza się z prędkością 100 km/h w kierunku od anteny nadawczej.


18


1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŜności pozwalające na obliczenie przesuniętych częstotliwości nośnych, 3) dokonać obliczeń przesuniętych częstotliwości nośnych, 4) porównać otrzymane wyniki, 5) przeanalizować wyniki, 6) sformułować odpowiedź i wnioski.


− zeszyt, − długopis, − kalkulator, − wzór na gęstość mocy, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 4

Sprawdź, jaka jest poprawna treść przesłanego pakietu informacyjnego X1X0X2, którego poszczególne segmenty rozpoznane przez obwody wejściowe odbiornika są następujące:

Z1 = 111110000011111000001111100000111110000011111000001010101 Z2 = 101010101010101010101010101010101010101010101010101010101

natomiast sekcja treningowa zamiast ciągu

X0 = 11001110001100111000110011 ma postać

Z0 = 11101110111011101110111011


1) wyznaczyć poprawną wartość sekcji treningowej X0, 2) wyznaczyć ciąg charakteryzujący parametry kanału radiowego Y, 3) na podstawie otrzymanego ciągu Z1 obliczyć poprawną sekcję X1, 4) na podstawie otrzymanego ciągu Z2 obliczyć poprawną sekcję X2, 5) zapisać pełną treść poprawnego pakietu informacyjnego.


− zeszyt, − długopis, − komputer osobisty, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika.


19

4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) określić główne załoŜenia i parametry dotyczące organizacji kanałów

radiowych w GSM? 2) scharakteryzować typ łączności radiowej występujący w sieci telefonii

radiowej? 3) wymienić główne parametry kanału radiowego w GSM? 4) scharakteryzować i zastosować pojęcia związane z transmisją w kanale

radiowym: moc, poziom mocy, gęstość mocy? 5) określić główne typy anten nadawczych i odbiorczych? 6) scharakteryzować pojęcie: zysk kierunkowy anteny? 7) omówić wykorzystanie technologii TDM w systemach telefonii

komórkowej? 8) scharakteryzować zjawiska związane z transmisją w kanale radiowym:

efekt cienia radiowego i efekt Dopplera? 9) omówić zawartość i wielkość pakietu danych w standardzie GSM?

10) omówić pojęcie korekcji adaptacyjnej w komunikacji radiowej w GSM?


20

4.2. Procedury zachodzące w systemach GSM 4.2.1. Materiał nauczania Podpis elektroniczny

Telefonia komórkowa świadczy usługi telekomunikacyjne abonentom mobilnym (bezprzewodowym), gdzie naduŜycia są dalece bardziej prawdopodobne, niŜ w przypadku telefonii stałej. W związku z tym autorzy standardów GSM połoŜyli duŜy nacisk na zabezpieczenia systemu: − ochrona systemu przed dostępem do usług przez osoby niepowołane, − ochrona danych dotyczących abonentów, − ochrona informacji o połoŜeniu abonenta, − ochrona treści rozmów telefonicznych i treści przesyłanych plików, − moŜliwość blokowania telefonów przez system.

Z załoŜenia system GSM ma być odporny zarówno przed włamywaczem zewnętrznym,

jak i włamywaczem wewnętrznym (itp. nieuczciwym pracownikiem operatora telefonii komórkowej).

W celu jednoznacznej identyfikacji telefonu GSM Ŝądającego obsługi przez system (a właściwie jedynie identyfikacji karty SIM abonenta), zastosowano w telefonii komórkowej procedurę „podpisu elektronicznego”.

Definicja ten procedury w GSM jest następująca: podpis elektroniczny pozwala przesłać drogą elektroniczną takie informacje, które potwierdzą jednoznacznie o autentyczności nadawcy (tu: telefonu komórkowego).

Aby przybliŜyć tę procedurę, przypomnijmy, kaŜdy operator telefonii komórkowej uŜywa odrębnego, tajnego algorytmu kryptograficznego „A3”, który zapisany jest w sposób zaszyfrowany w kaŜdej karcie SIM naleŜącej do tego operatora oraz takŜe zapisany jest, równieŜ w sposób zaszyfrowany, w centrum identyfikacyjnym „AuC” tego operatora.

Ponadto kaŜda karta SIM posiada indywidualne hasło „H”, zapisane tam równieŜ w postaci zaszyfrowanego ciągu zero – jedynkowego.

Dodajmy, Ŝe zarówno „A3” jak i „H” są niemoŜliwe do odczytania. Przebieg procedury jest następujący: kiedy dany telefon GSM zaŜąda obsługi przez sieć,

„AuC” losuje pewien ciąg binarny (nazwijmy go X) i przesyła do telefonu GSM. Telefon, po odebraniu liczby X, korzystając z tajnego hasła „H” oraz wykorzystując tajny algorytm „A3” wykonuje pewne operacje matematyczne i oblicza wartość liczby Y, po czym odsyła tę wartość, jako swoją odpowiedź, do „AuC”. Centrum identyfikacyjne (jest to gigantyczny i dobrze chroniony komputer) w tym samym czasie, niezaleŜnie od telefonu GSM równieŜ oblicza wartość Y.

Ostatnim etapem, jaki wykonuje „AuC” jest porównanie wyników Y: własnego i otrzymanego od telefonu GSM. JeŜeli wyniki są identyczne, potwierdza to autentyczność karty SIM abonenta (autentyczność abonenta). Na tej podstawie system rozpoczyna świadczenie usługi dla telefonu. Gdyby wyniki były róŜne, system zarządza powtórzenie operacji, a kiedy wyniki znów są inne, sieć odmawia obsługi tego telefonu.

Obrazowo opisaną procedurę podpisu elektronicznego w GSM przedstawia rysunek nr 7.


21

Rys. 7. Kolejne kroki procedury podpisu elektronicznego [1, s. 211]

Warto jeszcze dodać, Ŝe algorytm szyfrujący został tak zaprojektowany, Ŝe nawet gdyby

„inny abonent” długotrwale obserwował kanał radiowy i przechwycił wiele par liczb: X, Y, to nie będzie w stanie ustalić ciągów „A3” oraz „H”. Identyfikacja karty SIM abonenta GSM

Proces identyfikowania abonentów GSM (kart SIM abonentów) przeprowadzany jest przez system kaŜdorazowo: − podczas włączania telefonu komórkowego, − podczas nawiązywania połączenia z tego telefonu.

Jak juŜ podane było wyŜej, główną rolę w procesie identyfikowania kart SIM spełnia komputer o ogromnej mocy obliczeniowej, z uwagi na pełnioną rolę pilnie strzeŜony, w którym przechowywane są tajne hasła identyfikacyjne „H” wszystkich abonentów tej sieci, a takŜe tajny algorytm kryptograficzny „A3”, zwany centrum identyfikacyjnym (ang. Authentication Centre – AuC).

Kiedy abonent włącza telefon lub nawiązuje połączenie, karta SIM wysyła do systemu zgłoszenie zawierające itp. własny nr telefonu, zwany międzynarodowym numerem abonenta ruchomego (ang. International Mobile Subscriber Identity – IMSI), zapisany w postaci strumienia 128 bitów.

Sygnał odbiera centrala obszarowa (ang. Mobile Switching Centre – MSC) obsługująca teren na którym znajduje się obecnie ten abonent. Centrala ta przeprowadzi procedurę identyfikacji abonenta i podejmie decyzję o jego autentyczności. Zgłasza się do AuC i Ŝąda wygenerowania dla tego abonenta liczby X (w opisie technicznym GSM nosi ona nazwę liczby losowej (ang. Random Number – RAND). AuC generuje liczbę RAND i poprzez MSC przesyła ją do zgłaszającego się abonenta. Telefon, korzystając z hasła „H” i algorytmu „A3” oblicza wartość liczby Y, zwanej w specyfikacjach technicznych podpisem elektronicznym (ang. Signed Response – SRES). NiezaleŜnie od telefonu, wartość liczby SRES oblicza równieŜ AuC. Następnie zarówno telefon, jak i AuC przesyłają swoje wyniki SRES do


22

centrali obszarowej MSC, a ta podejmuje decyzję o rozpoczęciu obsługi tego abonenta lub odmowie tej obsługi.

Dodajmy, Ŝe RAND, to ciąg 128 bitów, natomiast SRES, to tylko 32 bity. Proces identyfikacji karty SIM abonenta przedstawia obrazowo rysunek nr 8.

Rys. 8. Kolejne kroki identyfikacji karty SIM w standardzie GSM [1, s. 219]

Identyfikacja sprzętowa telefonów GSM

Oprócz bieŜącej, kaŜdorazowej weryfikacji autentyczności karty SIM abonenta Ŝądającego obsługi, identyfikacji podlega równieŜ aparat telefoniczny współpracujący z kartą SIM. Procedura ta odbywa się następująco: kiedy aparat włączany jest do sieci lub nawiązywane jest połączenie, aparat wysyła do centrali obszarowej MSC swój numer sprzętowy, jaki nadany mu został przez producenta (ang. International Mobile Equipment Identity – IMEI). Numer ten przekazywany jest do bazy danych zwanej Rejestrem Identyfikacji WyposaŜenia (ang. Equipment Identity Register – EIR). Bazę taką prowadzi odrębnie kaŜdy z operatorów telefonii komórkowej.

Dodajmy tu, Ŝe zgodnie w wymagania standardów GSM, kaŜdy z EIR prowadzi trzy „listy”, na których zapisywane są numery IMEI telefonów komórkowych: lista czarna – te telefony będą blokowane, lista szara – telefony obserwowane i lista biała – telefony komórkowe dopuszczone do obsługi.

Kiedy do EIR dociera zgłoszenie z numerem IMEI telefonu, sprawdzane jest, na której z list znajduje się ten numer IMEI. JeŜeli numeru nie ma na czarnej liście, rejestr EIR informuje centralę obszarową MSC, Ŝe telefon moŜe być obsługiwany przez sieć. Proces identyfikacji telefonów pokazuje rysunek nr 9.

Rys. 9. Zasada identyfikacji sprzętowej telefonów GSM [1, s. 143]


23

Włączanie telefonu GSM do sieci Gdy włączone zostanie zasilanie telefonu GSM, telefon odbiera nadchodzące sygnały

radiowe, po czym: − analizuje odbierane sygnały w paśmie GSM, − wyróŜnia sygnały pilotowe okolicznych stacji bazowych BTS, − wyszukuje najsilniejszy sygnał pilota BTS, − synchronizuje swój odbiornik do częstotliwości i fazy wybranego pilota BTS, − odczytuje z sygnału pilota dane: kraj, operator GSM, obszar centralowy, obszar

przywołań, numer komórki, częstotliwości wykorzystywane w tej komórce. Dopuszczalny poziom mocy nadajników dopuszczalny w tej komórce.

Następnie telefon ustawia optymalną moc swojego nadajnika i wysyła sygnał zgłoszenia

(Ŝądanie rejestracji w systemie), po czym oczekuje na odpowiedź. System przeprowadza identyfikację karty SIM oraz telefonu (IMEI), po czym

aktualizowane są zapisy dotyczące tego abonenta w bazach HLR i VLR (zostaną one omówione później).

Telefon nabywa uprawnień do obsługi przez sieć, co potwierdzane jest przez pojawienie się na wyświetlaczu telefonu logo operatora i informacji o poziomie zasięgu radiowego sygnału GSM w miejscu, gdzie znajduje się abonent. Skakanie po częstotliwościach

KaŜda stacja bazowa ma do dyspozycji kilka lub kilkanaście częstotliwości (kanałów częstotliwościowych). Warunki propagacyjne dla transmisji sygnałów radiowych zmieniają się w czasie, a ponadto dla jednych częstotliwości są lepsze, dla innych gorsze.

JeŜeli część z obsługiwanych w danej chwili abonentów (telefonów GSM) trafia na kanał o złych warunkach propagacji, jakość transmisji dla tych abonentów nie jest zadawalająca, powstają błędy transmisji, a co za tym idzie zarówno telefony, jak i stacja bazowa, musi zwiększyć moc anten nadawczych, co z kolei prowadzi do zwiększenia zakłóceń w kanale radiowym. W związku z tym autorzy standardu GSM opracowali procedurę, która pozwala na cykliczną zmianę częstotliwości dla wszystkich obsługiwanych w danej chwili abonentów, dzięki czemu kaŜdy z abonentów trafia na częstotliwości „lepsze” i „gorsze”. MoŜna powiedzieć, Ŝe wtedy parametry kanałów radiowych dla telefonów zostały uśrednione.

JeŜeli skakanie po częstotliwościach odbywa się wystarczająco szybko, jakość transmisji dla danego telefonu GSM w „kanale uśrednionym” jest dobra i nie wpływa negatywnie na poprawność transmitowanego sygnału. Standard GSM przewiduje moŜliwość zmiany częstotliwości nośnych kanałów radiowych dla wszystkich obsługiwanych w danym momencie telefonów GSM nawet 250 razy na sekundę. Oznacza to, Ŝe nawet kaŜdy z kolejno transmitowanych pakietów, wysyłany jest na innej częstotliwości.

Dodajmy, Ŝe opisana procedura skakania po częstotliwościach utrudnia dodatkowo ewentualny podsłuch, a takŜe pozwala obniŜyć moce nadajników stacji bazowych i telefonów o itp. 40 % (2dB). Regulacja mocy nadajników, czyli wielkość komórki

Zgodnie z załoŜeniami standardu GSM, obszar terenu zwany komórką obsługuje jeden zestaw anten nadawczo-odbiorczych „sektorowych”, a liczba kanałów częstotliwościowych przypadających na kaŜdą z komórek jest taka sama.

PoniewaŜ w centrach miast zapotrzebowanie na kanały uŜytkowe na kaŜdy km2 jest duŜo wyŜsze, niŜ poza miastami, przyjęto, Ŝe na terenach miast naleŜy zlokalizować duŜą liczbą komórek małych, natomiast poza miastami wystarczy niewielka liczba komórek, natomiast komórki te charakteryzują się duŜo większą powierzchnią.


24

Przypomnijmy tu, Ŝe pojemność sieci telefonii komórkowej, to liczba kanałów uŜytkowych przypadających na 1 km2 powierzchni terenu.

W miejscach o duŜym zaludnieniu wymagana pojemność sieci telefonii komórkowej jest bardzo duŜa (prowadzonych jest wtedy nawet kilkaset rozmów telefonicznych i innych połączeń jednocześnie), a w miejscach o małym zagęszczeniu uŜytkowników (itp. tereny rolnicze lub leśne) wystarczy, Ŝe na kaŜdy km2 przypadnie kilka kanałów uŜytkowych.

PowyŜsze informacje wskazują, Ŝe wielkość komórki zaleŜy od zapotrzebowania. Granicy pomiędzy komórkami nikt jeszcze nie widział, gdyŜ mówiąc o wielkości

komórek mamy na myśli moc nadajnika i powierzchnia terenu obsługiwana przez niego. Przypomnijmy, Ŝe telefon komórkowy analizuje parametry panujące w danej komórce

i dostosowuje się do nich. Oprócz parametrów czasowych i częstotliwościowych, dotyczy to głównie mocy. Telefon dostosowuje moc własnego nadajnika do „zaleceń” stacji bazowej, przez którą jest właśnie obsługiwany.

Podczas normalnej pracy stacja bazowa analizuje nieprzerwanie moce wszystkich aktywnych telefonów i na tej podstawie wysyła do poszczególnych stacji ruchomych zalecenia zmniejszenia lub zwiększenia mocy nadajników tak, aby poziomy mocy sygnałów docierających do stacji bazowej od poszczególnych aparatów były zbliŜone.

PoniewaŜ aktywny telefon moŜe poruszać się nawet z duŜą prędkością, zmiany mocy nadajników mogą odbywać się kilka razy na sekundę. Procedura podwyŜszania lub obniŜania mocy odbywa się stopniowo. Przykład tej procedury pokazuje rysunek nr 10.

Rys. 10. Zasada stopniowego obniŜania mocy nadajników [1, s. 223]

Zgodnie ze standardem GSM, kaŜda stacja bazowa BTS musi mieć moŜliwość regulacji

mocy własnego nadajnika w zakresie 30 dB (1000 razy), a kaŜda stacja mobilna MS (telefon komórkowy) w zakresie, co najmniej 20 dB (100 razy).

Technologia GPRS w sieciach telefonii komórkowej. GPRS (ang. General Pocket Radio System) jest sposobem na przesyłanie danych

dowolnego typu pomiędzy telefonami GSM za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej, korzystając z czasowo wolnych kanałów uŜytkowych, przeznaczonych normalnie do celów realizacji połączeń głosowych. Jakie są załoŜenia technologii GPRS? Przypomnijmy, Ŝe podczas normalnego połączenia telefon generuje 250 pakietów w kaŜdej sekundzie, kaŜdy pakiet zawiera kolejne 32 próbki sygnału mowy i trwa 0,5 ms (jest to 1/8 czasu


25

przeznaczonego na nadawanie w ramce, na określonej częstotliwości nośnej). PoniewaŜ jednak podczas normalnej rozmowy telefonicznej dźwięki przesyłane są jedynie przez 40–50 % czasu trwania tej rozmowy, pozostały czas to przesyłanie pakietów „pustych”, zawierających ciszę związaną z przerwami, jakie tworzą rozmówcy w sposób naturalny podczas rozmowy.

Standard GSM przewiduje, Ŝe jeŜeli pojawi się „milczenie w słuchawce” trwające powyŜej 0,5 s, nadajnik (telefon lub stacja bazowa) informuje o tym odbiornik (stacja bazowa lub telefon), po czym od tego momentu w kanale radiowym przesyłane są zaledwie 2 pakiety (kontrolne) na sekundę. Pozostały czas tego kanału uŜytkowego przejmuje do własnej dyspozycji stacja bazowa.

Co słyszy abonent, do którego docierają jedynie dwa pakiety kontrolne na sekundę? Aby nie czuł dyskomfortu, Ŝe jego połączenie zostało przerwane, jego telefon odtwarza mu w kółko ostatni zapamiętany 0,5-sekundowy odcinek odgłosów z otoczenia. Mówimy, Ŝe abonent ten słyszy pseudo-szum z otoczenia swojego rozmówcy. Jest on zwany szumem tła.

Decyzję o tym, czy przetwarzać na postać analogową otrzymane pakiety, czy teŜ odtwarzać abonentowi szum tła, kaŜdorazowo podejmuje koder sygnału mowy na podstawie poziomu odbieranego dźwięku.

Jak wykorzystywany jest kanał uŜytkowy, który tymczasowo zwolniony został z uwagi na „milczenie rozmówców”?

Z takich właśnie kanałów korzysta technologia pakietowej transmisji danych GPRS. Plik przygotowany w telefonie abonenta do wysłania, transmitowany będzie w postaci

kolejnych pakietów, identycznych jak pakiety sygnału mowy, z przerwami, na róŜnych częstotliwościach i w róŜnych szczelinach czasowych ramki, w zaleŜności od tego, którzy z rozmówców będą „milczeć” podczas połączenia.

Warto zauwaŜyć, Ŝe GPRS jest technologią niewymagającą połączenia w czasie rzeczywistym „on-line” o moŜe wykorzystywać jednocześnie więcej, niŜ jeden „uwolniony chwilowo” kanał uŜytkowy.

Statystyki podają, Ŝe średnia przepustowość sieci GSM dla technologii GPRS mieści się w przedziale od 30 do 80 kb/s.

Zasadę transmisji przerywanej, zastosowanej w GPRS, przedstawia rysunek 11.

Rys. 11. Transmisja przerywana, wykorzystywana w GPRS [1, s. 229]


26

Procedura śledzenia abonentów GSM Główną cechą systemów komórkowych jest dostęp do oferowanych usług z kaŜdego

miejsca na Ziemi, gdzie występuje zasięg radiowy sieci GSM dowolnego operatora. Wspomniane oferowanie usług dla telefonu jednej sieci, znajdującego się w zasięgu

innej, musi sprowadzać się przede wszystkim do dwóch funkcji: – moŜliwość wykonywania połączeń z własnego telefonu, – moŜliwość otrzymywania połączeń do własnego telefonu.

Zapewnienie swobodnego dostępu do usług GSM niezaleŜnie od miejsca, gdzie aktualnie znajduje się telefon (kontynent, kraj) wymusza na systemach telefonii komórkowej wszystkich operatorów pełnienia funkcji ciągłego śledzenia ruchu abonentów i wzajemnego informowania się w tym zakresie.

KaŜdy z systemów GSM musi na bieŜąco śledzić przemieszczanie się wszystkich telefonów na całym obszarze zasięgu danej sieci (nie tylko telefonów własnej sieci, ale takŜe wszystkich pozostałych). Jednocześnie jeden z podstawowych wymogów będących podstawą standardu GSM jest fakt, Ŝe informacja o miejscu przebywania abonenta w danej chwili jest tajemnicą tego abonenta. Dodajmy, Ŝe koszty ciągłego śledzenia „swoich” abonentów równieŜ poza granicami kraju ponosi operator GSM. Nie moŜe on jednak pobierać od abonentów Ŝadnych opłat, chyba, Ŝe abonenci korzystają z usług (połączenia, transmisja danych).

Śledzenie telefonów komórkowych jest moŜliwe tylko wtedy, gdy ich zasilanie jest włączone (stan czuwania).

Standard GSM przewiduje, Ŝe sieć z własnej inicjatywy nie wywołuje kolejno abonentów i nie sprawdza ich lokalizacji. To telefony „przypominają” systemowi „o swoim istnieniu” i informują go o własnej lokalizacji.

Jak odbywa się śledzenie abonenta? Telefon GSM będący w stanie czuwania bezustannie nasłuchuje sygnałów docierających z okolicznych stacji bazowych i wybiera spośród nich sygnał najsilniejszy uznając, Ŝe na terenie tej komórki właśnie się znajduje. W sygnale pilota stacji bazowej znajduje się itp. identyfikator obszaru przywołań, do którego naleŜy komórka.

Telefon przesyła do stacji bazowej sygnał identyfikacyjny i w ten sposób informuje ją o własnej obecności na terenie tej komórki.

Stacje bazowe na bieŜąco „zbierają” informacje od poszczególnych telefonów i informują

sterownik BSC o telefonach, jakie znajdują w poszczególnych komórkach się na danym obszarze przywołań.

Sterowniki BSC przesyłają do centrali MSC informacje o abonentach przebywających na poszczególnych obszarach przywołań obszaru centralowego.

Centrala MSC na podstawie odebranych informacji aktualizuje zapisy we własnej bazie VLR. Ponadto informuje centrale macierzyste poszczególnych abonentów (równieŜ jeŜeli są to centrale w innych krajach) o fakcie obecności tych abonentów na danym obszarze centralowym. Dzięki temu sieci macierzyste abonentów mogą aktualizować zapisy we własnych bazach HLR.

W efekcie ciągłego śledzenia ruchu abonentów: − w bazie HLR kaŜdego operatora zapisane są informacje o aktualnym miejscu

przebywania kaŜdego z abonentów tego operatora, − w bazie VLR kaŜdej centrali obszarowej zapisane są informacje o kaŜdym telefonie

komórkowym przebywającym aktualnie na terenie tej centrali. Zestawienie sygnałów występujących w komunikacji pomiędzy telefonem komórkowym

(ang. Mobile Stadion – MS) oraz stacją bazową (ang. Base Stadion – BS) dotyczących uaktualniania informacji o połoŜeniu MS, pokazuje tabela 4.


27

Tabela 4. Komunikacja telefonu komórkowego ze stacją bazową w celu uaktualnienia danych [1, s. 231]

Kierunek przesyłania sygnału

Wiadomość

od MS do BS śądanie przydziału specjalnego kanału sygnalizacyjnego

od BS do MS Przydział kanału sygnalizacyjnego (w tym nr kanału)

od MS do BS śądanie uaktualnienia informacji o połoŜeniu (w tym informacji o nowym połoŜeniu)

od BS do MS śądanie sprawdzenia autentyczności uŜytkownika (zawiera RAND)

od MS do BS Odpowiedź stacji ruchomej (zawiera SRES)

od BS do MS Polecenie rozpoczęcia szyfrowania transmisji w kanale radiowym

od MS do BS Potwierdzenie rozpoczęcia szyfrowania

od BS do MS Potwierdzenie uaktualnienia informacji o połoŜeniu MS oraz przydział nowego tymczasowego numeru identyfikacyjnego TMSI

od MS do BS Potwierdzenie otrzymania poprzedniej wiadomości

od BS do MS Zwolnienie kanału sygnalizacyjnego oraz zakończenie procedury

Przykład śledzenia abonenta GSM ZałóŜmy, Ŝe abonent jednej z polskich sieci telefonii komórkowej czasowo przebywa

w Hiszpanii w okolicach Barcelony. Centrala obszarowa MSC w Barcelonie zapisała we własnej bazie VLR fakt obecności tego „gościa” wraz z numerem obszaru przywołań, w którym gość się znajduje. Centrum NMC tej sieci komórkowej w Warszawie zapisało w bazie HLR identyfikator centrali barcelońskiej MSC, gdzie obecnie przebywa „nasz” abonent.

Aby informacje te mogły być na bieŜąco zapisywane w bazach VLR i HLR, sieci telefonii komórkowych operatora polskiego i hiszpańskiego muszą tymi informacjami się wymieniać. Komunikację pomiędzy operatorami GSM w zakresie obsługi procedur śledzenia abonentów pokazuje rysunek 11.


28

Rys. 11. Komunikacja pomiędzy operatorami w celu śledzenia ruchu abonentów [1, s. 143]

Zwróćmy uwagę, Ŝe informacja o połoŜeniu abonenta nie jest zapisywana z dokładnością

do pojedynczej komórki, lecz z dokładnością do pojedynczego obszaru przywołań. W związku z tym, jeŜeli dana centrala otrzymuje Ŝądanie realizacji połączenia do danego

abonenta przebywającego w tym terenie, zarządza wysyłanie sygnału wywołania we wszystkich komórkach naleŜących do danego obszaru przywołań. Z chwilą, gdy Ŝądany abonent odbierze telefon, telefon ten zgłasza tę informację i dopiero wtedy okazuje się, w której komórce znajduje się abonent.

Zasada poufności informacji o lokalizacji abonentów. Standard GSM mówi, Ŝe informacja o aktualnej lokalizacji kaŜdego z abonentów sieci

(nawet jeŜeli abonent ten przebywa za granicą) jest jego tajemnicą i w Ŝaden sposób inni abonenci nie mogą zorientować się, gdzie ów abonent przebywa.

Rozpatrzmy następujący przykład: Abonent polskiej sieci GSM jedzie do Hiszpanii. Będzie przebywał na terenie Barcelony. Jego telefon będzie więc obsługiwany przez tamtejszą sieć, a nasz abonent znajduje się na obszarze centralowym barcelońskiej centrali MSC.

Tak się składa, Ŝe do naszego abonenta (ab. B) telefonuje pewien Hiszpan przebywający w Barcelonie, uŜytkownik telefonu komórkowego naleŜącego do tamtejszej sieci (ab. A).

PoniewaŜ sprawą nadrzędną w standardzie GSM jest zachowanie tajemnicy, co do aktualnej lokalizacji kaŜdego z abonentów, połączenie z hiszpańskiego telefonu GSM do telefonu polskiego, nawet jeŜeli ten ostatni przebywa równieŜ w Hiszpanii, musi zostać zrealizowane poprzez centralę MSC w Polsce.

Abonent hiszpański, telefonując do abonenta polskiego, płaci za połączenie międzynarodowe, niezaleŜnie od tego, gdzie polski abonent obecnie przebywa i odbierze połączenie.

Abonent polski natomiast, odbierając połączenie w momencie gdy przebywa za granicą, zapłaci za fakt obsługi jego telefonu przez sieć GSM innego kraju.

W przytoczonym przykładzie połączenia pomiędzy abonentami polskim i hiszpańskim występuje podwójne połączenie międzynarodowe.

Zasadę realizacji połączeń międzynarodowych pokazuje rysunek 12.


29

Rys. 12. Zasada realizacji połączeń międzynarodowych do abonentów GSM [1, s. 143]

Gdyby natomiast to abonent polski, przebywając czasowo w Hiszpanii wykonał

połączenie do komórkowego abonenta hiszpańskiego, nie ma potrzeby realizowania połączenia poprzez Polskę, jak pokazuje to rysunek nr 12. Procedura zestawiania połączenia z telefonu GSM

Aby nie pominąć elementów obsługi telefonu GSM poza zasięgiem własnej sieci (itp. za granicą), prześledźmy poniŜszy przykład: ZałóŜmy, Ŝe polski abonent (ab. A) wyjechał do Barcelony, a stamtąd dzwoni do abonenta sieci stacjonarnej we Włoszech (ab. B).

Oto kolejne kroki: − Ab. A wybiera pełny nr telefonu Ŝądanego ab. B, − tel. GSM ab. A wysyła sygnał zgłoszenia do najbliŜszej stacji bazowej BS, a ta poprzez

sterownik BSC do centrali obszarowej MSC w Barcelonie, − hiszpańska centrala obszarowa MSC przeprowadza we współpracy z polskim AuC

procedurę identyfikacji abonenta A, − Barcelońska centrala MSC rozpoczyna obsługę abonenta A: przydziela mu kanał

rozmówny i zestawia połączenie z Barcelony do centrali macierzystej MSC abonenta A w Polsce,

− centrala MSC zestawia (przedłuŜa) połączenie do abonenta sieci stałej we Włoszech, − do telefonu ab. B wysyłany jest sygnał wywołania (dzwonienia), − podniesieniem mikrotelefonu ab. B odbiera połączenie.

PowyŜszy przykład ukazuje, Ŝe wszystkie połączenia inicjowane z telefonu

komórkowego danej sieci GSM realizowane są za pośrednictwem centrali macierzystej własnej sieci tego abonenta, niezaleŜnie od miejsca (kontynentu, kraju), w którym abonent ten inicjuje te połączenia.

Prześledźmy proces wywołania do telefonu komórkowego i zestawienia połączenia. Poszczególne sygnały, przesyłane w kanale radiowym pomiędzy telefonem komórkowym

(ang. Mobile Stadion – MS) oraz stacją bazową (ang. Base Stadion – BS), zestawione są w tabeli nr 5.


30

Tabela 5. Kolejne sygnały w kanale radiowym w celu wywołania abonenta komórkowego [1, s. 237]

Kierunek przesyłania

sygnału

Wiadomość

od BS do MS Przywołanie stacji ruchomej (w tym numer MS)

od MS do BS śądanie przydziału specjalnego kanału sygnalizacyjnego

od BS do MS Przydział kanału sygnalizacyjnego (w tym numer kanału)

od MS do BS Odpowiedź na przywołanie, przesyłana w przydzielonym uprzednio kanale sygnalizacyjnym

od BS do MS śądanie sprawdzenia autentyczności uŜytkownika (zawiera parametr RAND)

od MS do BS Odpowiedź stacji ruchomej (zawiera parametr SRES)

od BS do MS Polecenie rozpoczęcia szyfrowania transmisji w kanale radiowym

od MS do BS Potwierdzenie rozpoczęcia szyfrowania

od BS do MS Przesłanie parametrów dotyczących zestawianego połączenia

od MS do BS Potwierdzenie

od BS do MS Przydział kanału rozmównego (zawiera numer kanału)

od MS do BS Potwierdzenie

od BS do MS Przesłanie sygnału wołania do abonenta wywoływanego

od MS do BS Informacja o zgłoszeniu się abonenta wywoływanego

od BS do MS Potwierdzenie przyjęcia poprzedniej informacji

od MS do BS Realizacja połączenia w kanale rozmównym

Wnioski z przytoczonego przykładu są następujące:

− najdłuŜsza droga połączeniowa ma miejsce wtedy, gdy wystąpi połączenie pomiędzy abonentami dwóch sieci komórkowych, a obaj przebywają poza granicami swoich macierzystych krajów,

− kaŜde wywołanie do abonenta GSM o numerze MSISDN kierowane jest bezpośrednio do macierzystej centrali obszarowej tego abonenta,

− macierzysta centrala obszarowa wywoływanego abonenta zgłasza się do centralnej bazy HLR po informację, gdzie aktualnie przebywa ten abonent, po czym zestawia drogę połączeniową do tamtej komórki (w tym celu centrala obszarowa, gdzie przebywa Ŝądany abonent GSM, przydziela mu tymczasowy nr MSRN, sprawdza fakt obecności tu Ŝądanego abonenta, a następnie informuje HLR operatora macierzystego o fakcie rzeczywistej obecności tego abonenta.

Wywołanie do abonenta GSM z sieci stacjonarnej

ZałóŜmy, Ŝe abonent sieci stacjonarnej telefonuje do abonenta sieci GSM. Prześledźmy kolejne kroki:

− wywołanie określonego numeru MSISDN kierowane jest do centrali obszarowej NSC


31

macierzystej dla tego numeru, − centrala MSC zgłasza do centralnej bazy HLR zapotrzebowanie na informację o miejscu

przebywania (numerze centrali obszarowej) wywoływanego abonenta, − HLR przekazuje informację o fakcie wywoływania abonenta o niejawnym numerze IMSI

do centrali MSC, w której obecnie znajduje się Ŝądany abonent, − centrala obszarowa MSC po uzyskaniu informacji o zgłoszeniu wywołania do jednego

z abonentów znajdujących się na jej terenie, przydziela temu abonentowi tymczasowy numer MSRN, sprawdza obecność tego abonenta na swoim terenie i potwierdza ten fakt dla bazy HLR,

− baza HLR potwierdza dla zgłaszającej się centrali macierzystej MSC informację o lokalizacji wywoływanego abonenta na jej terenie (w tej wymianie informacji u Ŝywa się niejawnego numeru IMSI tego abonenta),

− centrala MSC macierzysta zestawia drogę połączeniową z centralą MSC, na terenie której znajduje się Ŝądany abonent,

− centrala obszarowa MSC, na terenie której znajduje się Ŝądany abonent, odszukuje we własnej bazie VLR numer obszaru przywołań, na którym przebywa Ŝądany abonent (ang. Local Area Identity – LAI),

− po ustaleniu nr LAI centrala MSC kieruje wywołanie do określonego BSC, − sterownik stacji bazowych wywołuje Ŝądanego abonenta TMSI poprzez wszystkie własne

stacje bazowe, − kiedy wywoływany abonent odbierze połączenie, stacja bazowa BTS przygotowuje

kanały uŜytkowe „w górę” oraz „w dół” oraz zestawia ostatni odcinek drogi połączeniowej: BTS – BSC – MSC, Przytoczoną procedurę zestawiania połączenia do abonenta sieci komórkowej

przedstawia rysunek 13:

Rys. 13. Procedura zestawiania połączenia do abonenta komórkowego [1, s. 243]

Przełączanie aktywnego abonenta GSM Abonent znajduje się w stanie aktywnym, jeŜeli trwa połączenie z jego telefonem

komórkowym.


32

JeŜeli abonent jest w stanie aktywnym i porusza się oraz przekracza granice komórek, dochodzi do przełączenia kanału rozmówczego z częstotliwości f1 wykorzystywanej przez stację bazową BTS1 na częstotliwość f2 wykorzystywaną przez stację bazową BTS2.

Standard GSM dopuszcza poruszanie się aktywnego abonenta z prędkością do 250 km/h. Procedura przełączania kanałów w związku z przekraczaniem przez aktywny telefon

granicy komórek inicjowane jest wyłącznie przez telefon komórkowy, który na bieŜąco analizuje docierające do niego sygnały (telefon bezustannie mierzy poziomy mocy docierających z poszczególnych stacji bazowych sygnałów i prowadzi ranking tych sygnałów, zapisując identyfikatory poszczególnych stacji bazowych).

W trakcie poruszania się abonenta dochodzi do zmiany kolejności poszczególnych stacji bazowych na liście rankingowej telefonu.

W takiej sytuacji telefon poprzez starą BTS wysyła do MSC Ŝądanie przydzielenia nowego kanału radiowego za pośrednictwem innej stacji bazowej BTS, wskazując, która to stacja (Ŝądanie takie ma wysoki priorytet).

Centrala MSC uruchamia procedurę sprawdzenia, czy istnieją wolne kanały we wskazanej stacji bazowej, JeŜeli BSC potwierdzi moŜliwość przełączenia, centrala MSC wysyła do telefonu za pośrednictwem starego kanału radiowego informację o nowym kanale radiowym, numerze szczeliny i parametrach przełączenia. We wskazanym momencie telefon przełącza się na nowe parametry.

W sytuacji, gdyby w nowej komórce nie było wolnych kanałów uŜytkowych, centrala MSC podejmuje decyzję o: − przedłuŜeniu połączenia za pośrednictwem starej komórki, − lub przełączeniu na inną niŜ wskazana, sąsiednią komórkę.

Gdyby w sąsiednich komórkach równieŜ brakowało wolnych kanałów uŜytkowych, po przekroczeniu przez sygnał poziomu krytycznego musi dojść do zerwania połączenia.

Zerwanie połączenia jest ostatecznością w procesie decyzyjnym w zakresie przełączania kanałów abonentów aktywnych.

JeŜeli aktywny abonent przekracza granice komórek naleŜących do róŜnych obszarów przywołań LAI lub róŜnych obszarów centralowych, procedura przełączania dodatkowo wiąŜe się z uaktualnieniem zapisów w bazach VLR i HLR.

Proces przełączenia kanału uŜytkowego moŜe równieŜ mieć miejsce, gdy: − zmienią się warunki atmosferyczne, − zmienią się warunki propagacji (itp. abonent porusza się w dukcie ulicznym), − pojawiają się zakłócenia na aktualnie uŜywanej częstotliwości,

Proces przełączania abonenta aktywnego w zakresie obszaru obsługiwanego przez jedną centralę obszarową MSC pokazuje rysunek nr 14.


33

Rys. 14. Procedura przełączania abonenta aktywnego [1, s. 243]

W praktyce kaŜda stacja bazowa, obsługująca jedną komórkę, ma do dyspozycji

najczęściej od 1 do 4 kanałów częstotliwościowych (czyli od 8 do 32 kanałów uŜytkowych).

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Na czym polega procedura podpisu elektronicznego? 2. W jakim celu stosuje się w GSM procedurę podpisu elektronicznego? 3. W jaki sposób procedura podpisu elektronicznego zapewnia identyfikację modułu SIM? 4. Jakie są kolejne kroki w procesie identyfikacji karty SIM abonenta GSM? 5. W jakim celu przeprowadzana jest identyfikacja sprzętowa telefonów komórkowych? 6. W jaki sposób przeprowadzana jest identyfikacja sprzętowa telefonów komórkowych? 7. Jakie czynności wykonuje telefon GSM bezpośrednio po włączeniu zasilania? 8. Na czym polega proces skakania po częstotliwościach? 9. W jakim celu standard GSM przewiduje skakanie po częstotliwościach? 10. Od czego zaleŜy w standardzie GSM wielkość pojedynczej komórki? 11. Na czym polega regulacja mocy nadajników w GSM? 12. W jakim celu przeprowadzana jest regulacja mocy nadajników stacji bazowych? 13. Na czym polega technologia GPRS? 14. Jak wykorzystuje się technologię GPRS w sieciach telefonii komórkowej? 15. Na czym polega procedura śledzenia przez system abonentów GSM? 16. W jakim celu przeprowadzane jest śledzenie abonentów GSM? 17. Jaka jest rola rejestru stacji własnych? 18. Jaka jest rola rejestru stacji obcych? 19. Jak zrealizowana jest zasada poufności o lokalizacji abonenta GSM? 20. Z jakich kroków składa się proces zestawiania połączenia z telefonu GSM? 21. Z jakich kroków składa się proces wywołania do telefonu GSM? 22. W jaki sposób realizowane jest przełączanie aktywnych abonentów pomiędzy

komórkami?


34

4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Przeprowadź proces wyliczenia wartości podpisu elektronicznego SRES na podstawie 8-bitowego hasła H oraz 24-bitowego ciągu losowego RAND generowanego przez AuC. Proces szyfrowania przeprowadź metodą sumowania „modulo 2” wielomianów 8-bitowego i 24-bitowego ze współczynnikami „0” i „1”.


1) zapisać zaproponowany ciąg H, 2) zapisać zaproponowany ciąg RAND, 3) zapisać wszystkie kroki procesu mnoŜenia wielomianów, 4) zapisać wynik, 5) ocenić długość otrzymanego wyniku, 6) ocenić prawdopodobieństwo przypadkowego otrzymania identycznego ciągu SRES nie

znając H lub nie znając RAND.

WyposaŜenie stanowiska pracy: − literatura przedstawiająca sposób mnoŜenia wielomianów, − komputer PC z programem dydaktycznym, − papier, długopis, kalkulator, − ołówek, linijka, inne przybory kreślarskie.

Ćwiczenie 2

Oblicz dostępne pasmo w łączu radiowym GSM dla potrzeb abonenta, który jako jedyny na obszarze komórki posiadającej 8 kanałów częstotliwościowych i 30 abonentów aktywnych (w stanie rozmowy) zajmujących czas trwania rozmów w 50% uruchamia dostęp do Internetu poprzez usługę GPRS.


1) obliczyć ilość całkowicie wolnych kanałów uŜytkowych w terenie komórki, 2) obliczyć dostępne pasmo związane z całkowicie wolnymi kanałami uŜytkowymi, 3) obliczyć dostępne pasmo związane z procentowym wykorzystaniem pasma kanałów

uŜywanych przez abonentów aktywnych, 4) obliczyć łączne pasmo dostępne dla transmisji danych.

WyposaŜenie stanowiska pracy: − zeszyt do ćwiczeń, − ołówek, długopis, − kalkulator, − literatura fachowa. Ćwiczenie 3

Zakładamy, Ŝe polski abonent GSM, mieszkaniec Warszawy, znajduje się na terenie Niemiec. Korzystając z własnego telefonu komórkowego telefonuje do swojego kolegi, mieszkańca Łodzi, abonenta tej samej sieci GSM, który z kolei przebywa we Francji.


35

Zapisz w punktach, jak przebiegać będzie procedura zestawiania połączenia pomiędzy wymienionymi abonentami polskiej sieci telefonii komórkowej GSM oraz jaka będzie droga zestawienia tego połączenia.


1) zapisać wszystkie wymagane informacje wstępne, 2) zapisać w punktach procedurę poszukiwania abonenta B i zestawienia połączenia między

abonentami, 3) zapisać w punktach, jaką trasą zamknie się droga połączenia pomiędzy abonentami.


− zeszyt, − długopis, − komputer osobisty, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 4

Abonent sieci GSM, poruszający się samochodem, pozostaje aktywny (prowadzi rozmowę telefoniczną) z uŜyciem zestawu słuchawkowego.

Zapisz, jakie warunki muszą zostać spełnione, aby podczas przekraczania granicy komórek połączenie nie zostało zerwane. Zapisz ponadto w punktach, jakie kroki będą wykonane przez system i pozostający w stanie aktywnym telefon komórkowy.


1) omówić w punktach proces przełączania aktywnego abonenta pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi, przyłączonymi do tego samego BSC,

2) zapisać, jakie warunki muszą zostać spełnione, aby system mógł utrzymać trwające połączenie.


− zeszyt, − długopis, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika.


36

4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie

1) omówić procedurę podpisu elektronicznego i uzasadnić, jaki jest cel stosowania w GSM tej procedury?

2) scharakteryzować kolejne kroki przeprowadzania procedury podpisu elektronicznego w GSM w związku z identyfikacją abonentów?

3) omówić kolejne kroki identyfikacji sprzętowej telefonów komórkowych? 4) wymienić kolejne etapy procesu logowania się telefonu GSM do sieci po

włączeniu zasilania? 5) scharakteryzować proces skakania po częstotliwościach oraz uzasadnić

wykorzystanie tego procesu w GSM? 6) podać warunki, od których zaleŜy wielkość pojedynczej komórki

w strukturze sieci GSM? 7) omówić zagadnienie bieŜącej regulacji mocy nadajników w GSM oraz

uzasadnić potrzebę stosowania tego procesu w GSM? 8) scharakteryzować zasadę działania technologii GPRS? 9) omówić procedurę śledzenia ruchu abonentów w sieci oraz podać

argumenty związane z koniecznością stosowania tego procesu? 10) omówić zadanie rejestrów VLR i HLR w systemie GSM? 11) wyjaśnić zasadę poufności informacji dot. połoŜenia abonenta, przyjętą

w systemie GSM? 12) omówić kolejne kroki procedury zestawiania połączenia od abonenta

komórkowego i do abonenta komórkowego? 13) scharakteryzować proces przełączania pomiędzy komórkami abonentów

aktywnych?


37

4.3. Przetwarzanie sygnału mowy w telefonii komórkowej GSM 4.3.1. Materiał nauczania Przetwarzanie A/C sygnału mowy

Analogowy sygnał mowy, powstający w mikrofonie telefonu komórkowego, poddany zostaje po wstępnej korekcji charakterystyki przetworzeniu na postać cyfrową. Przetwarzanie to odbywa się identycznie, jak w przypadku telefonii stacjonarnej i nosi nazwę cyfryzacji sygnału mowy.

Proces cyfryzacji odbywa się dwuetapowo. Pierwszym etapem jest dyskretyzacja ciągłego analogowego sygnału mowy o częstotliwościach z zakresu 300–3400 Hz na skali czasu. Nosi ona nazwę próbkowania. Próbkowanie odbywa się z częstotliwością 8 kHz.

Etapem drugim w procesie cyfryzacji sygnału mowy jest kwantyzacja, czyli przetworzenie 8 tys. próbek analogowego sygnału mowy na słowa binarne o odpowiedniej długości.

NaleŜy tutaj dodać, Ŝe w wyniku badań ustalono, iŜ aby jakość przetwarzania była zadawalająca, dokładność analizowania wartości amplitudy (wysokości) próbek powinna wynosić itp. 8 tys. poziomów (po 4 tys. dla górnej i dolnej połówki). W wyniku takiego przetwarzania kaŜda próbka sygnału mowy zamieniona jest na słowo 13-bitowe.

W wyniku ww. cyfryzacji ciągłego analogowego sygnału mowy w paśmie 0,3–3,4 kHz otrzymujemy ciąg binarny o wielkości 104 kb/s.

Ciąg ten będzie identyczny w przypadku przetworników A/C zastosowanych w systemach telefonii stałej, jak i w systemach telefonii komórkowej. JednakŜe ani w jednych, ani w drugich wartość ta nie została zaakceptowana.

W systemach telefonii stałej, w celu zmniejszenia wielkości tego strumienia przy zachowaniu minimalnej utraty jakości sygnału mowy, zastosowano układy kompresorów PCM z charakterystyką typu A lub typu µ, które pozwoliły na zmniejszenie długości słowa opisującego pojedynczą próbkę z 13 do 8 bitów, a co za tym idzie zmniejszenie wielkości strumienia binarnego z 104 do 64 kb/s. Ostatecznie wartość ta została w tamtych systemach zaakceptowana i jest stosowana do dziś. Dodajmy, Ŝe transmisja sygnału o wielkości 64 kb/s nie stanowi Ŝadnego problemu w mediach przewodowych.

W sieciach telefonii komórkowej GSM istnieje jednak „wąskie gardło” w postaci kanału radiowego. Tutaj transmisja sygnału o wielkości 64 kb/s jest nie do przyjęcia.

Dlatego drugim etapem przetwarzania sygnału mowy będzie kodowanie tego sygnału w układach specjalnego kodera mowy.

Omówiony dotychczas zakres przetwarzania sygnałów mowy pokazuje symbolicznie rysunek 15.


38

Rys. 15. Pierwsze kroki w przetwarzaniu sygnału mowy [1, s. 245]

Kodowanie sygnałów mowy w GSM

Wspomnianym wyŜej etapem drugim w procesie przetwarzania sygnału mowy jest kodowanie. Proces ten jest nieco skomplikowany i wymaga od telefonu GSM duŜej mocy obliczeniowej. Jest jednak niezbędny, gdyŜ kanałem radiowym w GSM nie moŜna przesłać oryginalnego strumienia 104 kb/s przedstawiającego sygnał mowy, ani nawet strumienia 64 kb/s przedstawiającego tenŜe sygnał mowy po kompresji.

Proces kodowania sygnału mowy (strumienia reprezentującego sygnał mowy) w telefonii komórkowej GSM jest następujący: Pierwotny strumień 104 kb/s, powstały w przetworniku A/C telefonu komórkowego i reprezentujący sygnał mowy, dzielony jest pierwotnie na odcinki 1-sekundowe, kaŜdy o długości 104 kb. Następnie kaŜdy z odcinków podzielony zostaje na 50 równych segmentów, kaŜdy po 2080 bitów. Czas trwania kaŜdego segmentu, to 20 ms. Dodajmy, Ŝe zarówno kaŜdy telefon komórkowy, jak i kaŜda stacja bazowa, posiada przygotowaną, identyczną bazę, zwaną „biblioteką sygnałów wzorcowych”. W bazie tej (jest to pamięć ROM) zapisane są róŜne próbki dźwięku. KaŜda z tych próbek trwa 20 ms. Próbki są ponumerowane słowami 104-bitowymi.

Liczba wszystkich moŜliwych próbek dźwięku jest ogromna. Wynosi ona 2104, co jest równoznaczne z liczbą 2*1031.

(Przy okazji przybliŜmy nieco tę wartość: wyobraźmy sobie zwykłą kartkę papieru w kratkę. KaŜda kratka, to kwadrat o boku 0,5 cm. ZałóŜmy teraz, Ŝe w kaŜdej z kratek chcemy umieścić bilion (czyli milion milionów) próbek dźwięku. Aby w ten sposób w kratkach zapisać wszystkie 2104 próbek, powierzchnia kuli ziemskiej jest za mała na pokrycie jej papierem w kratkę ...). Jak widzimy, liczba próbek wzorcowych dźwięku, zawartych w bazach telefonów komórkowych i stacji bazowych jest ogromna.

Po co „biblioteka sygnałów wzorcowych”? KaŜdy segment (trwający 20 ms i zawierający 160 kolejnych próbek ciągłego sygnału

mowy) to ciąg 2080 bitów. Kiedy kolejny segment ukaŜe się na wyjściu przetwornika A/C, układ kodera analizuje go i we własnej „bibliotece sygnałów wzorcowych” wyszukuje segment (dźwięk) najbardziej do niego zbliŜony. Następnie koder pobiera tylko numer


39

odnalezionej próbki, czyli słowo 104-bitowe. Potem uzupełnia jeszcze ten numer o tzw. komentarz (informację, w jakim zakresie próbka rzeczywista róŜni się od tej wybranej w bibliotece). Komentarz ten ma długość 156 bitów. Łącznie daje to ciąg 260 bitów.

Operacja taka powtarza się 50 razy w kaŜdej sekundzie, to łącznie tworzy strumień 13000 bitów na sekundę. Ciąg 13 kb/s nie jest więc pierwotną cyfrową reprezentacją sygnału mowy, ale jedynie informacją o numerach kolejnych segmentów (próbek) odnalezionych w „bibliotece sygnałów wzorcowych”. PoniewaŜ strona odbiorcza (stacja bazowa) posiada w swoich zasobach identyczną bazę próbek, wystarczy teraz, aby przesłać do niej ów ciąg numerów próbek, a odnajdzie te próbki we własnej bazie.

W związku z powyŜszym w kanale radiowym pomiędzy telefonem GSM i stacją bazową nie jest przesyłany sygnał mowy, a jedynie ciąg numerów próbek.

Strumień danych o poziomie 13 kb/s będzie moŜliwy do przesłania w kanale radiowym GSM, natomiast jakość przesyłanego dźwięku jest prawie taka sama, jakby przesyłany był rzeczywisty sygnał mowy o wielkości co najmniej 64 kb/s.

Jest to kodowanie sygnału mowy w telefonii komórkowej GSM. Kodowanie protekcyjne danych w GSM

Aby zabezpieczyć dane przygotowane do transmisji w kanale radiowym GSM (50 segmentów po 260 bitów w kaŜdej sekundzie), segmenty te zostają poddane jeszcze kodowaniu protekcyjnemu. Proces ten odbywa się następująco:

Segment 260-bitowy dzielony jest na 3 odcinki o długościach 50 bitów, 132 bity, 78 bitów.

Pierwszy z odcinków jest najwaŜniejszy, drugi o średnim poziomie waŜności, wreszcie odcinek trzeci – najmniej waŜny.

W związku z tym pierwszy z odcinków będzie kodowany dwukrotnie, drugi – jednokrotnie. Trzeci z odcinków pozostanie bez zmian.

Kodowanie ciągów bitowych realizowane jest poprzez mnoŜenie wielomianów Zasada kodowania protekcyjnego przedstawiona jest na rysunku 16.

Rys. 16. Zasada kodowania protekcyjnego w GSM [1, s. 249]

NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe w wyniku kodowania protekcyjnego kaŜdy 260-bitowych

segmentów zostaje wzbogacony o dodatkowe 196 bitów, przez co wzrasta do 456 bitów. Dzięki bitom dodatkowym część informacyjna 260-bitowa jest zabezpieczona przed przekłamaniami.


40

Przeplot bitów Kolejna procedura, której poddana jest trwająca 20 ms i reprezentowana przez 456 bitów

próbka sygnału mowy, to przeplot bitów. Zabezpiecza on strumień danych przed zakłóceniami o charakterze okresowym, takim, jak itp. zakłócające impulsy elektromagnetyczne, zaniki mocy sygnałów, itp. Sytuacje takie mogą spowodować, Ŝe zabraknie w strumieniu danych itp. 100 kolejnych bitów. Pojawia się więc problem dla układów odbiorczych.

Standard GSM przewiduje procedurę przeplotu w dwóch etapach: − najpierw przeplot bitowy, − potem przeplot blokowy.

Układem realizującym przeplot jest mapa pamięci typu RAM skonstruowana w taki sposób, Ŝe ciągi binarne moŜna zapisywać do niej wierszami, a odczytywać kolumnami. Realizowany jest w ten sposób przeplot bitowy. JeŜeli jeszcze kolumny odczytywane są w dowolnej kolejności, zapewnia to realizację etapu drugiego – przeplotu blokowego.

W technologii GSM organizacja wspomnianej pamięci RAM jest taka, Ŝe kaŜda próbka sygnału mowy dzielona jest na 8 części po 57 bitów kaŜda. Zapisuje się więc do tej pamięci 8 wierszy po 57 bitów, a odczytuje 57 części po 8 bitów.

Procedura przeplotu bitów nie powoduje kolejnego zwiększenia ilości bitów opisujących próbkę sygnału mowy. Powoduje ona jednak opóźnienie w transmisji strumienia danych o itp. 33 ms. Szyfrowanie sygnału mowy

Aby zabezpieczyć treść transmitowanego w kanale radiowym GSM strumienia danych przed podsłuchem, poddaje się go procesowi szyfrowania.

Zastosowana zostaje tu procedura podpisu elektronicznego: na podstawie zapisanego w kaŜdej karcie SIM tajnego hasła „H”, Centrum Identyfikacyjne AuC losuje liczbę (ciąg bitów) zwaną RAND, którą przesyła do telefonu GSM.

Następnie telefon komórkowy oraz centrum identyfikacyjne, jednocześnie, ale niezaleŜnie od siebie, generują na podstawie liczby RAND i hasła H charakterystycznego dla tej właśnie karty SIM abonenta, parametr szyfrujący H’.

Warto tu przypomnieć, Ŝe w GSM funkcjonują dwa poufne zakodowane ciągi binarne oznaczane jako A5 i A8 i nazywane algorytmami kryptograficznymi. Algorytm A5 zdefiniowany jest w tajnej części standardu GSM i jest wspólny dla wszystkich operatorów GSM. Jest on zapisany w zakodowanej formie na kaŜdej karcie SIM oraz w kaŜdej stacji bazowej. Natomiast A8 jest podobnym, tajnym algorytmem kryptograficznym, ale jest on inny dla kaŜdego operatora. A8 jest zapisany w kaŜdej karcie SIM oraz w AuC sieci danego operatora telefonii komórkowej.

Korzystając z algorytmów A5 i A8, jednocześnie ale niezaleŜnie od siebie, karta SIM oraz AuC generują dwa ciągi szyfrujące, oznaczone jako S1 i S2. Pierwszym z nich stacja bazowa szyfruje strumień danych, przeznaczony do wysłania „kanałem w dół” do telefonu komórkowego. Drugiego uŜyje telefon, aby zaszyfrować strumień danych przed wysłaniem go „kanałem w górę” do stacji bazowej. Odbiorniki po jednej i drugiej stronie realizują proces deszyfracji. W związku z tym zarówno telefon GSM jak i stacja bazowa BS muszą znać wartość S1 i S2.

Warto dodać, Ŝe proces szyfrowania to nic innego, jak sumowanie „modulo 2” poszczególnych bitów ciągu danych i ciągu S1 (lub S2) za pomocą bramki EXOR (kaŜda „1 logiczna” spowoduje zamianę wartości bitu ciągu danych na przeciwną, natomiast kaŜde „0 logiczne” pozostawia bit ciągu danych bez zmian).

Schemat realizacji szyfrowania sygnałów mowy w GSM pokazuje rysunek 17.


41

Rys. 17. Proces szyfrowania sygnału mowy w GSM [1, s. 251]

Modulacja sygnałów transmitowanych w kanale radiowym GSM

Sygnał mowy, jaki powstaje w mikrofonie, po przejściu przez etapy cyfryzacji, kodowania, kodowania protekcyjnego, przeplotu i szyfrowania, podany zostanie na wejście modulatora układu nadawczego. Przypomnijmy, Ŝe sygnał ten ma postać strumienia binarnego o wielkości 22,8 kb/s. Strumień cyfrowy charakteryzuje się tylko dwiema wartościami: „0 logicznym” oraz „1 logiczną”. W procesie modulacji wystąpi proces kluczowania częstotliwości generatora fali nośnej: w nadajniku pracują jednocześnie dwa generatory o określonych częstotliwościach, charakterystycznych dla danego kanału częstotliwościowego i oznaczonych jako „f0” i „f 1”. Modulator realizuje przełączanie pomiędzy tymi generatora mi: kaŜda nadchodząca „1 logiczna” powoduje, Ŝe w kanał radiowy wysyłana jest nośna o częstotliwości f1, natomiast kaŜde nadchodzące w sygnale danych „0 logiczne” spowoduje, Ŝe emitowana jest przez antenę nadawczą fala nośna o częstotliwości f0.

Demodulacja odbywa się analogicznie: odbiornik kontroluje, która częstotliwość się pojawia, a w związku z tym jaka wartość logiczna bitu została przesłana.

Proces modulacji i demodulacji w GSM pokazuje rysunek 18.

Rys. 18. Zasada modulacji i demodulacji sygnałów cyfrowych [1, s. 253]

Czas trwania pojedynczego bitu w kanale radiowym GSM wynosi itp. 4 µs, a obie

częstotliwości, reprezentujące jeden kanał radiowy, róŜnią się o 135 kHz (muszą mieścić się w kanale GSM, który z załoŜenia ma szerokość 200 kHz).


42

Wartości tych częstotliwości dla pasma 900 MHz, jak i pasma 1800 MHz, podane są tabelach częstotliwości, wchodzących w skład standardów GSM. Informacja o nich jest równieŜ dostępna w organach nadzoru na wykorzystaniem pasma radiowego (PAR, PITIP, URT, UKE). Dla przykładu podajmy, Ŝe w pierwszym kanale radiowym pasma 900 MHz dla kierunku „w górę” (od 890,1 do 890,3 MHz) kaŜde „0 logiczne” reprezentowane jest przez częstotliwość 890,133 MHz, a kaŜda „1 logiczna” – to 890,267 MHz.

Dodajmy, Ŝe układy demodulatorów GSM są bardzo skomplikowane, gdyŜ są one zintegrowane są z modułami wyznaczającymi chwilową wartość parametrów kanału radiowego. Wszystkie wymienione w tej części pracy etapy przetwarzania sygnału mowy przedstawia rysunek 19.

Rys. 19. Pełne zestawienie etapów przetwarzania sygnału mowy w GSM [1, s. 258]


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jaki jest gwarantowany zakres częstotliwości sygnałów akustycznych przenoszonych w systemach telefonii komórkowej?

2. Co oznacza pojęcie „cyfryzacja sygnału mowy”? 3. Z jakich etapów składa się proces cyfryzacji sygnałów mowy? 4. Jakie są główne parametry przetwarzania A/C sygnałów mowy w GSM? 5. Jaki jest sposób, przyjęty w GSM, zmniejszania wielkości strumienia binarnego,

odwzorowującego sygnał mowy? 6. Jak przebiega proces kodowania sygnałów mowy zastosowany w cyfrowej telefonii

komórkowej? 7. Jakie są główne parametry kodowania sygnałów mowy w GSM? 8. W jakim celu w systemach telefonii komórkowej stosuje się kodowanie protekcyjne

danych? 9. Na czym polega i w jaki sposób jest realizowane kodowanie protekcyjne w GSM?


43

10. Co oznacza pojęcie „przeplot bitów” w transmisji sygnałów w systemie GSM? 11. Jak w systemie telefonii komórkowej realizuje się szyfrowanie sygnałów mowy? 12. W jakim celu w GSM przeprowadzane jest szyfrowanie danych uŜytkowych? 13. Jaki jest format sygnałów przeznaczonych do transmisji w kanale radiowym w GSM? 14. Jak realizuje się proces modulacji danych w nadajnikach GSM?


Zapisz w punktach, jakim procesom przetwarzania podlega sygnał mowy powstający na wyjściu mikrofonu telefonu komórkowego oraz jaką rolę spełnia, jakie ma zalety i jakie ma wady kaŜdy z procesów.


1) przeanalizować kolejność etapów przetwarzania sygnałów mowy wraz z głównymi, charakteryzującymi je parametrami,

2) przeanalizować zasadność zastosowania kaŜdego z etapów przetwarzania, 3) przeanalizować podstawowe parametry wejściowe i wyjściowe kaŜdego z etapów

przetwarzania sygnału mowy, 4) przeanalizować zalety i wady kaŜdego z etapów, 5) zapisać w punktach, zgodnie z poleceniem, kolejne etapy przetwarzania sygnału mowy

wraz z wymaganymi informacjami dodatkowymi. WyposaŜenie stanowiska pracy:

− przybory do pisania, − zeszyt, − komputer wraz z materiałami dydaktycznymi, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 2

Przeprowadź kodowanie protekcyjne dowolnego ciągu uŜytkowego o długości 260 bitów zgodne ze standardem GSM. UŜyj programu komputerowego jako edytora.


1) zapisać dowolny ciąg danych, 2) przygotować ciąg kodujący dla etapu I zgodnie ze standardem GSM, 3) przygotować ciąg kodujący dla etapu II zgodnie ze standardem GSM, 4) przeprowadzić kodowanie w etapie I, 5) przeprowadzićkodowanie w etapie II, 6) zapisać otrzymany ciąg 456 bitowy jako wynik kodowania protekcyjnego.

WyposaŜenie stanowiska pracy: − stanowisko komputerowe z pakietem programów biurowych, − papier, − przybory do pisania, − kalkulator.


44


1) wyjaśnić w jaki sposób gwarantowane jest przenoszenie zakresu częstotliwości sygnałów akustycznych w systemach telefonii komórkowej?

2) wymienić z jakich etapów składa się proces cyfryzacji sygnałów mowy? 3) określić jakie są główne parametry przetwarzania A/C sygnałów mowy

w systemie GSM? 4) opisać w jaki jest sposób zmniejszana jest wielkości strumienia binarnego,

odwzorowującego sygnał mowy? 5) opisać jak przebiega proces kodowania sygnałów mowy zastosowany

w cyfrowej telefonii komórkowej? 6) wyjaśnić na czym polega kodowanie protekcyjne danych w systemach

telefonii komórkowej stosuje się? 7) wyjaśnić na czym polega „przeplot bitów” w transmisji sygnałów

w systemie GSM? 8) opisać w jaki sposób w systemie telefonii komórkowej realizuje się

szyfrowanie sygnałów mowy? 9) wskazać cel przeprowadzania w GSM szyfrowania danych uŜytkowych? 10) opisać jaki jest format sygnałów przeznaczonych do transmisji w kanale

radiowym w GSM? 11) opisać w jaki sposób realizuje się proces modulacji danych

w nadajnikach GSM?


45

4.5. Układ terytorialny sieci telefonii komórkowej 4.4.1. Materiał nauczania Pojemność sieci telefonii komórkowej

Komórka, to fragment terenu obsługiwany przez jedną stację bazową, która ze wszystkimi telefonami komórkowymi (stacjami mobilnymi) znajdującymi się na tym terenie komunikuje się za pomocą jednego zestawu anten nadawczo-odbiorczych.

Zgodnie ze standardem GSM największa dopuszczalna komórka moŜe mieć promień 35 km, a najmniejsza – tu ograniczenia nie ma (jedną komórką moŜe być jedno pomieszczenie, jedno piętro w hotelu lub biurowcu, fragment ulicy, itp.).

NiezaleŜnie od wielkości komórki liczba kanałów w niej pracujących jest stała. W związku z tym jeŜeli dany teren wymaga umoŜliwienia przez operatora prowadzenia duŜej liczby rozmów lub innych połączeń jednocześnie, nie ma innej moŜliwości, jak teren ten pokryć duŜą liczbą komórek o małych rozmiarach.

Tam natomiast, gdzie oczekiwania co do liczby kanałów uŜytkowych są małe – wystarczy mała liczba duŜych komórek.

Pojemnością sieci telefonii komórkowej jest stosunek przygotowanych przez operatora kanałów uŜytkowych przypadających na daną powierzchnię terenu do wielkości tej powierzchni. Najczęściej pojemność tę podaje się w liczbie kanałów przypadających na 1 km2.

MoŜliwa pojemność sieci danego operatora zaleŜy od: − łącznej szerokości pasma radiowego przyznanego temu operatorowi, − liczby kanałów uŜytkowych przypadających na 1 MHz pasma, − stopnia powtórnego wykorzystania tych samych częstotliwości, − rozmiaru komórek, o czym mowa była wyŜej.

Przykład obliczania pojemności sieci GSM

ZałóŜmy, Ŝe jeden z operatorów telefonii komórkowej dysponuje pasmem o szerokości 10 MHz „w górę” i 10 MHz „w dół”.

PoniewaŜ pojedynczy kanał rozmówny (uŜytkowy), to 25 kHz, operator ten moŜe utworzyć 400 kanałów „w górę” i 400 kanałów „w dół” (powiemy krótko: operator ten utworzył 400 kanałów rozmównych).

PoniewaŜ stopień wykorzystania tych samych częstotliwości wynosi 1/7, kaŜda z utworzonych komórek, niezaleŜnie od ich wielkości, będzie dysponować liczbą itp. 57 kanałów uŜytkowych.

RozwaŜmy teraz komórki o róŜnych wielkościach. JeŜeli promień komórki duŜej wynosi 30 km, to powierzchnia tej komórki wynosi itp. 2300 km2. Dostępne 57 kanałów w tej komórce podzielmy na 2300 km2. Wynik, to itp. 0,024 kanału uŜytkowego na 1 km2.

Promień komórki średniej, to 3 km. Tutaj pojemność sieci wynosi juŜ 2,4 kanału na 1 km2. Promień małej komórki wynosi itp. 300 m. Pojemność sieci wzrasta do 240 kanałów na km2.

ZauwaŜmy, Ŝe pojemność sieci zwiększa się wielokrotnie, gdy zwiększymy na danym terenie zagęszczenie stacji bazowych (komórek).

Pojawia się pytanie: Jakie są moŜliwości zwiększania pojemności sieci bez budowania kolejnych masztów? Jedną z moŜliwości jest dzielenie istniejących komórek i zamiana anten dookólnych na

sektorowe, jak pokazuje rysunek 20.


46

Rys. 20. Zasada podziału komórki dookólnej na kilka sektorowych [1, s. 143]

Strefy poziomów mocy i sąsiedztwo komórek

Wyobraźmy sobie teren, w środku którego na maszcie znajduje się antena nadawcza. MoŜemy wyróŜnić trzy strefy w zaleŜności od odległości od tej anteny:

strefa 1 – teren połoŜony najbliŜej masztu, sygnał silny, odbiór zadowalający, strefa 2 – teren połoŜony dalej od masztu, sygnał zbyt słaby dla poprawnego odbioru, ale wystarczająco silny, aby zakłócać sąsiednie stacje bazowe, strefa 3 – teren połoŜony w tak duŜej odległości od anteny nadawczej, Ŝe sygnał emitowany z tej anteny jest niesłyszalny i nie zakłóca innych nadajników.

W związku z tym projektanci sieci muszą tak dobierać poziomy mocy nadajników i ich wzajemne usytuowanie, aby strefa 2 jednej stacji bazowej nie pokrywała się ze strefą 1 innego.

Układ poprawnie zaprojektowanego sąsiedztwa pomiędzy stacjami bazowymi przedstawia rysunek 21.

Rys. 21. Strefy w otoczeniu nadajnika i zasada poprawnego sąsiedztwa komórek [1, s. 262]

PoniewaŜ strefy 2 są obszarami niskiej jakości transmisji i duŜych zakłóceń, waŜne jest, aby były one moŜliwie wąskie.


47

Struktura „plastra miodu” PoniewaŜ te same częstotliwości nie mogą być wykorzystywane przez sąsiednie stacje

bazowe ani teŜ przez stacje bezpośrednio następne, autorzy standardu GSM opracowali model pokazujący poprawne usytuowanie w terenie anten stacji bazowych, które zapewnia najwyŜszy moŜliwy stopień wykorzystania tych samych częstotliwości w róŜnych komórkach. Model ten zakłada, Ŝe kaŜda z komórek ma w przybliŜeniu kształt sześciokąta foremnego. Terytorialny układ sześciokątów przypomina strukturę plastra miodu.

Układ struktury „plastra miodu” przedstawia rysunek 22.

Rys. 22. Układ terytorialny komórek w strukturze „plastra miodu” [1, s. 143]

Rysunek nr 22 pokazuje, Ŝe stopień wykorzystania tych samych częstotliwości wynosi 7.

Oznacza to, Ŝe co siódma komórka wykorzystuje zestaw tych samych częstotliwości. Taka organizacja podziału terytorialnego sieci stacji bazowych spełnia dwa załoŜone

warunki: − dwa nadajniki wykorzystujące tę samą częstotliwość nie znajdują się blisko siebie, − sąsiednie nadajniki wykorzystują inne częstotliwości. Dwie warstwy „plastra miodu”

Zdarza się, Ŝe przedstawiony wyŜej podział terenu zgodnie z modelem „plastra miodu” nie jest wystarczający.

ZałóŜmy, Ŝe na terenie podmiejskim zbudowano centrum handlowe. O ile na terenie tym ogólnie zapotrzebowanie na kanały uŜytkowe jest niewielkie, to w tym jednym miejscu, gdzie powstało hipotetyczne centrum handlowe, wymagana liczba kanałów będzie bardzo wysoka.

Rozwiązaniem problemu będzie utworzenie dwóch warstw struktury terytorialnej „plastra miodu”, jak na rysunku 23a.


48

Rys. 23. Dwuwarstwowa struktura plastrów miodu [1, s. 264]

Odwrotna sytuacja wystąpi wówczas, gdy itp. przez centrum miasta, gdzie występuje

duŜa liczba małych komórek przeprowadzimy autostradę (abonencki przemieszczać się będą z duŜą prędkością). Wymagane jest wówczas zaprojektowanie na terenie o duŜym zagęszczeniu komórek drugiej warstwy komórek, o małej liczebności i duŜych rozmiarach. Pokazuje to rysunek 23b).

Wielowarstwowe struktury komórkowe maja zastosowanie wszędzie tam, gdzie spośród uŜytkowników sieci komórkowej na danym terenie moŜna wydzielić dwie lub więcej grup istotnie róŜniących się od siebie: − ilością aktywnych uŜytkowników, − szybkością poruszania się abonentów. 4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Dlaczego jedne „komórki” mają duŜe powierzchnie, a inne „komórki” są mniejsze? 2. Co oznacza pojęcie „pojemność sieci telefonii komórkowej”? 3. W jaki sposób obliczyć pojemnośc sieci komórkowych? 4. Od jakich czynników zaleŜy pojemność sieci telefonii komórkowej danego operatora? 5. W jaki sposób moŜna zwiększać pojemność sieci telefonii komórkowej? 6. Jakie wyróŜniamy strefy w sąsiedztwie stacji bazowej ze względu na poziom mocy? 7. Jak naleŜy dobierać lokalizacje i moce stacji bazowych dla zapewnienia poprawnego

„sąsiedztwa” komórek? 8. Dlaczego układ terytorialny sieci telefonii komórkowej nazywa się „strukturą plastra

miodu”? 9. Jakie są główne zalety stosowania „struktury plastra miodu”? 10. Dlaczego „strukturę plastra miodu” uŜyto do projektowania układu terytorialnego stacji

bazowych? 11. Kiedy stosuje się w GSM „dwuwarstwową strukturę plastra miodu”?


49


Oblicz pojemność sieci telefonii komórkowej w sytuacji, gdy maszty stacji bazowych zawierających zestawy anten dookólnych rozmieszczone są równomiernie, a promień zasięgu kaŜdej z anten nadawczych wynosi 500 m. Zakładamy, Ŝe kaŜda ze stacji bazowych dysponuje 10 kanałami częstotliwościowymi w pasmach GSM.


1) obliczyć powierzchnię jednej komórki. 2) ustalić, jaka jest liczba kanałów uŜytkowych wykorzystywanych w tej komórce. 3) wyznaczyć wartość pojemności sieci telefonii komórkowej na tym terenie.


− papier, − przybory do pisania, − kalkulator lub komputer osobisty, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 2

Ustal wymaganą przez danego operatora GSM liczbę dostępnych kanałów radiowych, jeŜeli promień pojedynczej komórki wynosi 200 m, a pojemność sieci nie moŜe być mniejsza, niŜ 240 kanałów uŜytkowych na kaŜdy km2.


1) zapisać dane niezbędne do wykonania ćwiczenia, 2) obliczyć powierzchnię jednej komórki (w przybliŜeniu kształt koła), 3) ustalić wymaganą liczbę kanałów częstotliwościowych dla kaŜdej stacji BTS, 4) ustalić liczbę wymaganych kanałów radiowych posiadanych przez operatora tej sieci.


− papier, − przybory do pisania, − kalkulator, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika.


50


1) uzasadnić zróŜnicowanie wielkości komórek? 2) zdefiniować pojęcie pojemności sieci telefonii komórkowej? 3) obliczać pojemność sieci telefonii komórkowej? 4) rozróŜniać strefy zasięgu sygnału w sąsiedztwie stacji bazowej? 5) uzasadnić, dlaczego układ komórek nazywa się „plastrem miodu”? 6) omówić wady i zalety przyjętej w GSM struktury „plastra miodu”? 7) scharakteryzować przypadki, gdy stosuje się dwuwarstwową strukturę

plastra miodu?


51

4.5. Budowa sieci stałej i terminala abonenckiego w GSM

4.5.1. Materiał nauczania

Infrastruktura stała sieci GSM System telefonii komórkowej składa się przede wszystkim z wyposaŜenia abonenckiego

(bezprzewodowego telefonu komórkowego) oraz infrastruktury stałej. PrzybliŜymy budowę infrastruktury stałej sieci GSM. NajwaŜniejszymi elementami, pełniącymi rolę węzłów komutacyjnych (podobnie jak

w sieci stacjonarnej) są centrale obszarowe (ang. Mobile Switching Centre – MSC). KaŜda z central MSC obsługuje określony obszar działania sieci danego operatora (itp. obszar jednego województwa).

Centrala MSC realizuje połączenie pomiędzy abonentami GSM znajdującymi się na terenie obsługiwanym przez tę centralę a abonentami sieci stałych, innych sieci komórkowych lub innych systemów telekomunikacyjnych i radiokomunikacyjnych.

Centrala MSC posiada stałe połączenia z innymi centralami MSC tego operatora w danym kraju. Są to połączenia typu „kaŜda z kaŜdą” i charakteryzują się wysoką przepustowością. Układ połączeń infrastruktury stałej sieci GSM przedstawia rysunek 24.

Rys. 24. Budowa infrastruktury stałej sieci GSM [1, s. 143]

KaŜda z central MSC posiada i na bieŜąco aktualizuje bazę danych nt. wszystkich

abonentów GSM (równieŜ innych sieci), przebywających tymczasowo na terenie obsługiwanym prze tę centralę. W informacji tej zapisany jest równieŜ nr tzw. obszaru


52

przywołań, w którym dany abonent aktualnie się znajduje. Pozwoli to na szybkie odnalezienie tego abonenta w sytuacji, gdy do centrali MSC dotrze Ŝądanie połączenia z tym abonentem. Baza ta nosi nazwę rejestru stacji obcych RSO lub rejestru gości (ang. Visitors Location Register – VLR).

Jak juŜ było to wspomniane, teren obsługiwany przez daną centralę MSC podzielony jest na obszary przywołań (wywołań). KaŜdym z obszarów przywołań zarządza jeden sterownik stacji bazowych (ang. Base Station Controler – BSC) połączony telekomunikacyjnym łączem stałym z centralą MSC.

Teren jednego obszaru przywołań, to średnio jeden powiat lub niewielkie miasto. Oznacza to, Ŝe w obszarze centralowym jest od kilku do kilkunastu obszarów przywołań.

Strukturę obszaru centralowego i jego podział na obszary przywołań i obszary komórek pokazuje rysunek 25.

Rys. 25. Struktura obszarowa infrastruktury stałej sieci GSM [1, s. 273]

Sterowniki stacji bazowych połączone są z centralą MSC łączami stałymi w architekturze

gwiazdy, tzn. Ŝe kaŜdy z BSC ma bezpośrednie połączenie z MSC. Wszystkie centrale obszarowe MSC danego operatora połączone są z jednostką zwaną

Centrum Zarządzania Siecią (ang. Network Management Centre – NMC). Jednostka ta nadzoruje pracę całej sieci GSM operatora.

NMC posiada centralną bazę danych dotyczącą aktualnej lokalizacji abonentów tej sieci. Baza ta nazywana jest rejestrem stacji własnych (ang. Home Location Register – HLR).

W rejestrze HLR zapisane są podstawowe informacje o kaŜdym z abonentów sieci danego operatora, takie jak kategoria, taryfa, uprawnienia, itp.

JednakŜe najwaŜniejszą informacją o kaŜdym z abonentów, zapisywaną i na bieŜąco uaktualnianą w HLR jest połoŜenie abonenta, zapisane z dokładnością do pojedynczego obszaru przywołań (kraj, operator, obszar centralowy, obszar przywołań). Dzięki tym informacjom system wie, gdzie znajduje się aktualnie kaŜdy z jego abonentów.

Drugą bazą danych, jaką posiada NMC, jest wspominany juŜ rejestr identyfikacji wyposaŜenia RIW (ang. EIR).

Wreszcie najwaŜniejsza z baz danych operatora, współpracująca z NMC i kaŜdą z central MSC: centrum identyfikacyjne AuC.

Wróćmy jednak do struktury elementów części stałej sieci GSM: do kaŜdego ze sterowników stacji bazowych, za pośrednictwem łączy stałych, przyłączone są wszystkie


53

stacje bazowe, nazywane teŜ stacjami retransmisyjnymi (ang. Base Transceiver Stadion – BTS, lub Base Stadion – BS).

To stacje BTS wyposaŜone są w interfejs radiowy, pozwalający komunikować się z telefonami komórkowymi.

Dodajmy, Ŝe kaŜda ze stacji bazowych obsługuje teren jednej „komórki”. Warto podkreślić ponownie, Ŝe poszczególne elementy infrastruktury stałej sieci GSM,

takie jak MNC, EIR, AuC, MSC, BSC i BTS są połączone za pośrednictwem stałych łączy telekomunikacyjnych, często wynajmowanych od operatorów stacjonarnych.

Aby jednak sygnały GSM mogły być transmitowane w sieciach stałych, muszą być konwertowane na format charakterystyczny dla sieci stałych.

Sieci stałe realizują równieŜ styk pomiędzy sieciami komórkowymi róŜnych operatorów, których sygnały róŜnią się formatem (nawet w tym samym kraju).

Łącza międzynarodowe znajdują się równieŜ na poziomie sieci stałych. Rolę stacjonarnych sieci telekomunikacyjnych dla połączenia sieci telefonii komórkowych pokazuje rysunek 26.

Rys. 26. Wykorzystanie sieci stałej przez systemy GSM [1, s. 274]

Rysunek wskazuje, Ŝe stała sieć telekomunikacyjna stanowi trzon systemów łączności

przewodowej i bezprzewodowej oraz systemów teleinformatycznych. Funkcje elementów składowych terminala abonenckiego

Dla abonenta sieci telefonii komórkowej infrastruktura stała jest niewidoczna. Nieodłącznym elementem, który towarzyszy abonentowi, jest natomiast jego telefon komórkowy, pełniący rolę terminala abonenckiego.

Standard GSM przewiduje, Ŝe terminal abonenta GSM składa się z dwóch elementów: − aparat telefoniczny GSM, − moduł SIM.

Połączenie to pokazuje rysunek 27.


54

Rys. 27. Terminal abonenta jako połączenie aparatu GSM i karty SIM [1, s. 143]

Dlaczego karta SIM jest tak waŜnym elementem i jakie wypełnia funkcje w terminalu

abonenta GSM? Oto główne funkcje karty SIM:

− przechowywanie parametrów usługowych i identyfikacyjnych oraz tajnych haseł i tajnych algorytmów,

− przechowywanie bieŜących informacji uŜytkownika (SMSy, ksiąŜka telefoniczna, itp.), − karta SIM (ang. Subscriber Identity Module – SIM) przechowuje w szczególności: − hasło identyfikacyjne „H” abonenta, − algorytm szyfrujący „A3” charakterystyczny dla danej sieci, − numer IMSI, − numer tymczasowy TMSI, − aktualny numer aparatu telefonicznego IMEI, − aktualny numer obszaru przywołań LAI, − uprawnienia abonenta, − kody dostępu PIN i PUK, − ksiąŜkę telefoniczną i treść SMSów.

Rola drugiego z elementów składowych terminala – wyposaŜenia sprzętowego, jakim jest aparat telefoniczny GSM, to: − realizacja wszystkich procedur związanych z przetwarzaniem sygnałów mowy, − nadawanie i odbiór sygnałów radiowych w paśmie GSM, − interfejs uŜytkownika (ekran, klawiatura, urządzenia i funkcje dodatkowe. Schemat funkcjonalny aparatu telefonicznego GSM

Poznaliśmy juŜ poszczególne etapy przetwarzania sygnałów mowy w procesie komunikacji za pośrednictwem sieci GSM, znamy rolę karty SIM i rolę aparatu telefonicznego GSM. Na tej podstawie moŜna skonstruować schemat funkcjonalny terminala abonenckiego.

Schemat funkcjonalny terminala abonenckiego przedstawia rysunek 28.


55

Rys. 28. Schemat funkcjonalny telefonu komórkowego [1, s. 278]

Schemat ten pokazuje główne kroki występujące w procesie przetwarzania sygnału

mowy od jego powstania w mikrofonie aŜ do wysłania w kanał radiowy (tor nadawczy telefonu GSM) oraz główne kroki w procesie przetwarzania otrzymanego sygnału mowy od jego odebrania aŜ do jego wyemitowania w słuchawce (głośniku) telefonu (tor odbiorczy telefonu GSM). Schemat blokowy aparatu telefonicznego GSM

Strona techniczna budowy aparatów telefonicznych GSM nieco odbiega od schematu funkcjonalnego.

Uproszczony schemat blokowy – elektryczny telefonu GSM przedstawia rysunek 29.

Rys. 29. Uproszczony schemat blokowo-elektryczny telefonu GSM [1, s. 279]

Funkcje i parametry aparatu telefonicznego GSM Podstawowe czynności, jakie wykonuje aparat telefoniczny GSM to:

− komunikacja z modułem SIM, − funkcje transmisji danych, − pomiary jakości sygnału odbieranego od „własnej” i sąsiednich stacji bazowych, − obróbka sygnału odbieranego i nadawanego, − skakanie po częstotliwościach,


56

− regulacja mocy nadajnika, − wewnętrzne funkcje dodatkowe (gry, dyktafon, kamera).

Główne parametry, wymagane standardem GSM od aparatów telefonicznych, to: − regulacja poziomu mocy co 2 dBm (od 13 dBm do 43 dBm), − ograniczenie emisji niepoŜądanych sygnałów radiowych w paśmie od 9 kHz do 12.75

GHz, − zakres dynamiki odbiornika 92 dBm (poprawny odbiór sygnałów w zakresie poziomów

od –10 dBm (0,1 mW) do –102 dBm (0,06 pW), − moŜliwie minimalny pobór mocy ze źródła zasilania.


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest infrastruktura stała sieci telefonii komórkowej? 2. Jakie funkcje w sieci GSM spełnia centrala obszarowa? 3. Co oznacza pojęcie obszar centralowy? 4. Co oznacza skrót VLR? 5. Co to jest sterownik stacji bazowych? Jaka jest jego rola w sieci GSM? 6. Co to jest obszar przywołań? 7. Jaką rolę w systemach telefonii komórkowej wypełnia NMC? 8. Do czego słuŜy AuC? 9. Jaką funkcję w sieci GSM spełnia baza EIR? 10. Jakie media łączą poszczególne urządzenia infrastruktury stałej systemów telefonii

komórkowej? 11. Z jakich podstawowych elementów skalda się terminal abonenta GSM? 12. Jakie są funkcje modułu SIM? 13. Jakie są główne bloki funkcjonalne aparatu telefonicznego GSM? 14. Z jakich głównych elementów składa się schemat blokowy telefonu komórkowego? 15. Jakie podstawowe funkcje spełnia telefon komórkowy? 4.5.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Naszkicuj z pamięci schemat blokowy, pokazujący układ elementów infrastruktury stałej sieci telefonii komórkowej GSM.

Zaznacz na wykonanym rysunku następujące elementy: − MSC, − BSC, − BTS, − HLR, − VLR, − OMC. Zapisz pełne nazwy poszczególnych elementów w języku angielskim oraz w języku polskim.


1) sporządzić rysunek, 2) oznaczyć skrótami i nazwami wszystkie elementy.


57

WyposaŜenie stanowiska pracy: − papier, − przybory do pisania, − przybory do rysowania, − komputer osobisty, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 2

Przeanalizuj schemat blokowy aparatu telefonicznego GSM, zaprezentowany na rys. 27. Ustal przeznaczenie kaŜdego z pokazanych tam bloków składowych.

Przeanalizuj równieŜ wszystkie dostępne porty, styki i interfejsy.


1) przeanalizować schemat blokowy aparatu telefonicznego GSM, 2) ustalić rolę kaŜdego z wymienionych wyŜej elementów składowych, 3) sporządzić listę elementów składowych i opisać krótko znaczenie kaŜdego z nich.


− papier, − przybory do pisania, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika. 4.5.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz:

Tak Nie 1) wymienić i scharakteryzować podstawowe elementy infrastruktury

stałej sieci telefonii komórkowej GSM? 2) zdefiniować funkcje centrali obszarowej MSC i rolę obszaru

centralowego w strukturze terytorialnej sieci GSM? 3) omówić rolę rejestru VLR w strukturze sieci? 4) scharakteryzować zadania wypełniane prze sterowniki stacji

bazowych? 5) zdefiniować obszar przywołań? 6) omówić rolę bloku NMC w strukturze sieci? 7) opisać rolę centrum identyfikacji AuC? 8) opisać rolę rejestru EIR? 9) scharakteryzować media łączące poszczególne bloki infrastruktury

stałej w sieciach telefonii komórkowej? 10) omówić podstawowe bloki składowe terminala abonenta GSM? 11) wymienić funkcje modułu SIM? 12) wymienić podstawowe układy schematu blokowego telefonu

komórkowego? 13) omówić podstawowe funkcje i usługi telefonu komórkowego GSM?


58

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uwaŜnie instrukcję. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 4. Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa. 5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed wskazaniem poprawnego wyniku.

7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas. 9. Na rozwiązanie testu masz 40 minut.

Powodzenia!


59

ZESTAW ZADA Ń TESTOWYCH 1. Obszar przywołania w strukturze sieci GSM, to teren

a) zarządzany przez jeden moduł MSC. b) obsługiwany przez jedną stację bazową. c) obsługiwany przez jeden sterownik BSC. d) gdzie znajduje się jedna warstwa „plastra miodu”.

2. Para dupleksowa, to w łączności radiowej

a) dwuczłonowa antena izotropowa. b) zestaw anten nadawczych i odbiorczych. c) zestaw składający się z nadajnika i odbiornika. d) dwie częstotliwości, dla transmisji w obu kierunkach.

3. Głównym elementem składowym centrali obszarowej MSC jest

a) moduł czasowego pola komutacyjnego. b) maszt zawierający anteny stacji bazowych. c) zespół nadajników radiowych w paśmie 900 MHz. d) twardy dysk zawierający dane adresowe abonentów.

4. Podstawowym zadaniem bazy VLR jest

a) przechowywanie danych o abonentach znajdujących się na obszarze centralowym. b) przechowywanie danych o lokalizacji abonentów danej sieci GSM. c) przechowywanie danych teleadresowych abonentów GSM. d) przechowywanie bilingów połączeń telefonicznych.

5. Nadajnik radiowy telefonu komórkowego jest wyposaŜony w a) układ kluczowania częstotliwości. b) układ kluczowania fazy. c) układ modulatora AM. d) detektor fazy.

6. Układ realizujący kodowanie protekcyjne w telefonii GSM, to

a) szyfrator wykorzystujący tajne hasło „H” i algorytm „A3”. b) standardowy modulator częstotliwości w paśmie 900 MHz i 1800 MHz. c) zespół dwóch koderów cyfrowych, przetwarzających wybrane części segmentów

danych. d) centrum identyfikacyjne sieci telefonii komórkowej zapewniające kodowanie treści

danych.


60

7. Moduły oznaczone na przedstawionym schemacie symbolem MS, to

a) stacje bazowe. b) stacje ruchome. c) moduły sterowania. d) moduły systemu radiolinii.

8. Na przedstawionym rysunku pokazano proces

a) korekcji adaptacyjnej związanej z zakłóceniami w kanale radiowym. b) dopasowywania częstotliwości nadajnika i odbiornika. c) regulacji mocy nadajnika stacji ruchomej. d) eliminacja wyŜszych harmonicznych.


61

9. Częstotliwość próbkowania sygnału mowy w telefonii komórkowej, pokazana na poniŜszym rysunku, wynosi

a) 8000 Hz. b) 800 Hz. c) 80 Hz. d) 8 Hz.

10. Dla zapewnienia wysokiej i jednakowej gęstości mocy w obszarze całej komórki, w której centrum znajduje się maszt stacji bazowej, naleŜy instalować a) anteny kierunkowe szerokie ustawione tylko w kierunku północnym. b) tylko anteny kierunkowe o moŜliwie wąskiej charakterystyce. c) anteny izotropowe na moŜliwie duŜej wysokości. d) anteny izotropowe na małej wysokości.

11. DemontaŜ z telefonu komórkowego modułu o nazwie Subscriber Identity Module (SIM)

a) wymaga jedynie usunięcia baterii. b) wykonuje się tylko w punkcje serwisowym. c) wymaga uŜycia specjalistycznych wkrętaków. d) pozwala realizować połączenia jedynie w obrębie własnej sieci.

12. Dokładne ustawienie właściwego kąta anteny odbiorczej zespołu radioliniowego

wykonuje się a) conajmniej raz na dobę. b) przy wyłączonym zasilaniu. c) przy odłączonych źródłach sygnału po stronie nadawcze. d) uŜywając stosownych przyrządów mierzących jakość sygnału.


62

13. BieŜący przegląd stanu technicznego telefonu komórkowego polega głównie na a) dokonaniu pomiaru napięcia na zaciskach ładowarki. b) sprawdzeniu jakości połączeń lutowanych w układzie telefonu. c) sprawdzeniu stanu zajętości modułu pamięci Flash tego telefonu. d) sprawdzeniu jakości i czystości zestyków i elementów manipulacyjnych.

14. Diagnostykę telefonów komórkowych NMT i GSM przeprowadza się przy uŜyciu

a) komputera osobistego ze standardowym systemem operacyjnym. b) tylko dysponując specjalistycznym oprogramowaniem. c) jedynie woltomierzy i amperomierzy laboratoryjnych. d) cyfrowego multimetra uniwersalnego.

15. Moc sygnału uŜytkowego, dostarczanego ze wzmacniacza do anteny nadawczej, naleŜy pomierzyć a) stosując miernik mocy sygnałów w odpowiednim paśmie częstotliwości. b) watomierzem wyposaŜonym w miernik współczynnika cosφ. c) tylko watomierzem mierzącym moc czynną. d) uŜywając woltomierza i amperomierza.

16. Pomiary poziomów mocy sygnałów emitowanych przez anteny nadawcze dla

poszczególnych częstotliwości nośnych zawartych w paśmie GSM moŜna wykonywać a) tylko przyrządami szerokopasmowymi. b) watomierzami prądu zmiennego. c) watomierzami prądu stałego. d) miernikami selektywnymi.

17. Nazwa Home Location Register oznacza w języku angielskim

a) domowy rejestrator rozmów telefonicznych. b) rejestr lokalizacji abonentów własnych. c) domowy rejestr lokalizacji telefonów. d) rejestr lokalizacji abonentów gości.

18. Pełna nazwa anglojęzycznego skrótu IMEI w tłumaczeniu na język polski oznacza a) numer telefonu abonenta komórkowego. b) numer sprzętowy aparatu telefonicznego. c) typ karty SIM, jaką moŜna instalować w telefonie. d) zaszyfrowany numer producenta telefonów komórkowych.

19. Skróty anglojęzyczne RAND i SRES oznaczają w tłumaczeniu na język polski

a) segment pierwszy i drugi pakietu danych uŜytkowych. b) odpowiednio częstotliwość dla transmisji w górę i w dół. c) numer seryjny karty SIM i odpowiadający jej numer telefonu GSM. d) losowy ciąg binarny i wynik obliczenia wykonanego przez AuC oraz SIM.

20. Wykonywanie czynności montaŜowo-pomiarowych związanych z instalowaniem na

masztach anten stacji bazowych wymaga a) uŜycia przenośnego komputera osobistego. b) zastosowania wszystkich środków ochrony indywidualnej. c) zapewnienia właściwej skuteczności uziemienia pracownika. d) zastosowania zabezpieczeń wymaganych przy pracy na wysokościach.


63

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ................................................................................................................. Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania

Odpowiedź Punkty

1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d 15 a b c d 16 a b c d 17 a b c d 18 a b c d 19 a b c d 20 a b c d

Razem:


64

6. LITERATURA

1. Witold Chołubowicz, Maciej Szwabe, GSM- AleŜ to proste!, WKiŁ, Warszawa 2006 2. http://www.wikipedia.pl. 3. http://www.elektroda.pl.

poradnik dla ucznia · 2011-04-13 · poradnik stanowi obudow ę dydaktyczn ą programu jednostki...

Documents