proiect reţele de calculatoare - stst.elia.pub.rostst.elia.pub.ro/news/rc/teme_rc_elm_2012_13/gutu...

36
1 Universitatea “Politehnica” din Bucureşti Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Proiect Reţele de Calculatoare Arhitectura GSM Profesor coordonator Masterand Conf. Dr. Ing. Ştefan STĂNCESCU Liviu Ahile GUȚU 2013

Upload: others

Post on 24-Sep-2019

46 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1

Universitatea “Politehnica” din Bucureşti

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Proiect Reţele de Calculatoare

Arhitectura GSM

Profesor coordonator Masterand

Conf. Dr. Ing. Ştefan STĂNCESCU Liviu Ahile GUȚU

2013

2

Cuprins

Lista acronimelor ....................................................................................................................................... 4

Introducere ............................................................................................................................................... 6

Tipuri de transmisiuni ............................................................................................................................... 7

FDD (Frequency Division Duplex) .......................................................................................................... 8

TDD (Time Division Duplex) ................................................................................................................... 8

Protocoalele de acces multiplu ................................................................................................................. 9

FDMA (Frequency Division Multiple Access) ......................................................................................... 9

TDMA (Time Division Multiple Access) ............................................................................................... 10

CDMA (Code Division Multiple Access) ............................................................................................... 10

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) .......................................................................... 11

Atenuarea ................................................................................................................................................ 12

Multipath fading .................................................................................................................................. 12

GSM - Corecția erorilor ........................................................................................................................... 13

Arhitectura GSM ..................................................................................................................................... 13

GSM - Canalele fizice și logice ................................................................................................................. 16

GSM - Efectuarea și primirea apelurilor.................................................................................................. 17

Efectuarea unui apel GSM ................................................................................................................... 17

Primirea unui apel GSM....................................................................................................................... 18

GSM - Transmisia voce ............................................................................................................................ 19

Tipuri de modulații .................................................................................................................................. 20

MSK (Minimum-Shift Keying) .............................................................................................................. 20

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) ............................................................................................ 23

8 PSK .................................................................................................................................................... 25

Tipuri de Handover ................................................................................................................................. 27

1.1. Handover orizontal ....................................................................................................................... 27

1.2. Handover vertical ......................................................................................................................... 27

2.1. Handover intra-sistem .................................................................................................................. 27

3

2.2. Handover inter-sistem .................................................................................................................. 27

3.1. Handover hard .............................................................................................................................. 27

3.2. Handover soft ............................................................................................................................... 28

3.3. Handover softer ............................................................................................................................ 28

Handover-uri GSM .................................................................................................................................. 29

Handover-ul Inter BTS / Intra BSC ....................................................................................................... 30

Handover-ul Inter BSC / Intra MSC ...................................................................................................... 31

Handover-ul Inter MSC ........................................................................................................................ 32

Concluzii .................................................................................................................................................. 34

Bibliografie .............................................................................................................................................. 35

4

Lista acronimelor

AMPS - Advanced Mobile Phone System

NMT - Nordic Mobile Telephone

TACS - Total Access Communication System

GSM - Global System for Mobile Communication (sistem global pentru comunicații mobile)

GPRS - General packet radio service

EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution

LTE - long-term evolution

WiMax - Worldwide Interoperability for Microwave Access

FDD - Frequency Division Duplex (duplex de diviziune în frecvență)

TDD - Time Division Duplex (duplex de diviziune în timp)

FDMA - Frequency Division Multiple Access

TDMA - Time Division Multiple Access (tehnica de acces multiplu cu diviziune în timp)

CDMA - Code Division Multiple Access (tehnica de acces multiplu cu diviziune în cod)

WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access

MS - Mobile Station (stație mobilă)

ME - Mobile Equipment (echipament mobil)

SIM - Subscriber Identity Modul (modul de identitate a utilizatorului)

BSS - Base Station Subsystem (subsistem al stației de bază)

BTS - Base Transceiver Station (stație de bază transmițătoare)

BSC - Base Station Controller (controller-ul stației de bază)

NSS - Network Switching Subsystem (sistemul de schimbare a rețelei)

MSC - Mobile Switching System (sistem de schimbare mobil)

VLR - Visitor Location Register (registrul de locație vizitator)

HLR - Home Location Register (registrul de locație de bază)

AUC - Authentication Center (centru de autentificare)

EIR - Equipment Identity Register (registru de identificare echipament)

PSTN - Public Switched Telephone Network

IMEI - International Mobile Equipment Identity

IMSI - International Mobile Subscriber Identity

RNC - Radio Network Controller

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System

FEC - Forward Error Correction

FCCH - Frequency Correction Chanel)

SCH - Synchronization Channel

RELP - Residually-excited linear prediction

TCH - Traffic channel (canal de trafic)

CCH - Control channel (canal de control)

FACCH - Fast associated Control Channel

HO - Handover

SACCH - Slow Associated Control Channel

SIR - Signal Interface Ratio

CPM - Continuous Phase Modulation

QAM - Quadrature Amplitude Modulation

MSK - Minimum-Shift Keying

5

GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying

VCO - Voltage-Controlled Oscillator

PSK - Phase-shift keying

6

Introducere

În dezvoltarea la scara largă a comunicaţiilor mobile a contribuit posibilitatea de a creea

echipamente miniaturizate, de progresul în domeniul circuitelor integrate și de dezvoltarea unor

baterii/surse de alimentare de dimensiuni potrivite pentru folosirea în telefonia mobilă [10], aceste

lucruri facând posibilă folosirea telefoanelor mobile de către un număr mare de utilizatori. A urmat

crearea unor rețele de telefonie mobilă de mari dimensiuni (cu un număr mare de utilizatori) ce sunt

limitate la folosirea unor benzi restrânse de frecvenţe.

Sistemele de comunicaţii mobile celulare au apărut încă din anul 1980 și au cunoscut o evoluție

rapidă încercând să se ofere viteze de transmitere a pachetelor de date cât mai mari, până în ziua de azi

fiind dezvoltate patru generații:

1) Generaţia 1 (1G) a apărut în 1980 și a pus la dispoziție doar folosirea serviciului vocal. Aceasta

a funcționat în benzile de frecvență de 450 MHz și de 800-900 MHz, constând din sisteme ce

efectuau o prelucrare analogică a semnalului primit. Exemple de sisteme ale acestei generații

sunt AMPS, NMT, TACS etc. La ora acutală aceste sisteme au fost scoase din folosință, fiind

înlocuite de noile generații.

2) Generaţia 2 (2G) a fost introdusă în 1991, adăugând serviciile de transmisii de date pe lângă

serviciile vocale. Principalele avantaje aduse față de 1G constau în prelucrarea digitală a

semnalului, mărirea vieții bateriei, îmbunătățirea securității la fraudă și în faptul că face posibil

roaming-ul internațional. Această generație funcționează în benzile de frecvență de 900 MHz şi

de 1800 MHz. Cel mai cunoscut sistem al acestei generații este GSM-ul. Evoluția 2G a condus

la generația 2,5G, aceasta făcând posibilă o viteză mai mare de transmisie a pachetelor de date

cu ajutorul unor procedee special, precum GPRS (viteza maximă de transmisie a datelor fiind

de 172 Kbiți/s) și G-EDGE. Mărirea vitezei de transmisie a datelor a condus la realizarea

transmisiilor de tip multimedia. În prezent se face integrarea sistemelor 2G în 3G (aceasta fiind

construită pe baza GSM-ului) [10], această generație urmând să fie scoasă la rândul ei din

folosință.

3) Generaţia 3 (3G) a fost introdusă în 2001. Ea funcţionează în banda de frecvențe de 2 GHz,

oferă viteze de transmisie de date de maxim 2 Mbiți/s și prelucrează digital semnalul. UMTS

reprezintă versiunea dezvoltată în Europa a acestei generații. Cele mai cunoscute sisteme ale

acestei generații sunt CDMA 2000 și WCDMA.

4) Generația 4 (4G) oferă viteze ce pot ajunge până la 672 Mb/s [22] și a început recent să fie

disponibilă la nivel comercial, ea fiind de regulă disponibilă în zone aglomerate precum

aeroporturi, gări, mall-uri etc. Cele mai cunoscute sisteme 4G la ora actual sunt LTE și WiMax.

7

Tipuri de transmisiuni

În funcție de sensul în care pot fi transmise datele, avem trei tipuri fundamentale de

transmisiuni:

1) Simplex

Pentru a explica diferețele dintre aceste tipuri de transmisiuni ne imaginăm că avem două

puncte A și B.

Transmisia simplex este o transmisie unidirecțională, semnalul poate fi transmis într-un singur

sens. Precum se poate vedea în figură semnalul este transmis doar de la A la B. Un exemplu de

transmisii simplex îl întâlnim la televizor, radio etc.

2) Semi-duplex

Transmisia semi-duplex este o transmisie bidirecțională, semnalul poate fi transmis de la A la B

sau de la B la A, dar alternativ și nu simultan (nu este posibilă transmiterea unui semnal de la A la B

dacă în același timp se transmite un semnal de la B la A). Exemplu de transmisie semi-duplex: walkie-

talkie.

3) Duplex

Transmisia duplex permite transmisia simultană de la A la B și de la B la A. În timp ce vorbim

la telefon avem o transmisie duplex, cei ce vorbesc la telefon putând să se facă auziți în același timp.

Exemplu simplex, semi-duplex și duplex

O cerință esențială a sistemelor de comunicație mobilă o reprezintă capacitatea de a putea

transmite mesaje stației de bază chiar și în timp ce se primesc mesaje. Astfel avem nevoie de o

transmisie duplex ce poate fi realizată prin două metode:

8

FDD (Frequency Division Duplex)

Exemplu funcționare FDD

FDD pune la dispoziție două benzi de frecvență pentru primirea și transmiterea datelor (uplink

și downlink). Uplink-ul reprezintă transmiterea datelor de la echipamentul mobil la stația de bază.

Downlink-ul constă în primirea datelor de la stația de bază la echipamentul mobil[13].

Uplink și downlink

TDD (Time Division Duplex) TDD este de fapt un semi-duplex în care se trece foarte rapid de la primirea datelor la

transmiterea datelor, fiind perceput de oameni ca fiind un duplex (trecerea de la transmisie la recepție

este de ordinul microsecundelor).

Exemplu funcționare TDD

9

Protocoalele de acces multiplu

Din cauza lungimii de bandă limitate ce este pus la dispoziția telefoniei mobile celulare, a fost

necesară creearea unor protocoale de acces multiplu care să asigure interconectivitatea abonaților [13].

Protocoalele de acces multiplu folosite în telefonia mobilă sunt:

FDMA (Frequency Division Multiple Access) În FDMA banda totală de frecvență alocată sistemului (de 50 MHz) este împărțită în mai multe

canale de benzi de frecvență de 200 KHz (canale/subbenzi). Avem astfel 250 de canale de frecvență,

dintre care 125 sunt dedicate uplink-ului iar 125 sunt dedicate downlink-ului. Astfel FDMA alocă câte

un canal utilizatorului în urma cererii acestuia. Odată alocat canalul, acesta va fi folosit doar de

utilizatorul său până la încheiera apelului [1].

Schemă FDMA

Principalele caracteristici ale sistemelor FDMA sunt:

nu necesită o coordonare dinamică;

10

funcționează și pentru semnalele analogice;

nu este flexibilă;

banda nu este folosită în mod optim dacă traficul nu este distribuit în mod egal (de exemplu

downlink-ul este mult mai mare decât uplink-ul) [13].

TDMA (Time Division Multiple Access) În TDMA toți utilizatorii folosesc aceeați frecvență, aceștia având alocat câte un interval

temporal în fiecare canal. Astfel fiecare canal de 200 KHz este împărțit în 8 canale temporare de

perioadă fixă [1].

Schemă TDMA

Utilizatorul primește un interval temporal la cerere, acesta fiind pus doar la dispoziția sa pâna la

terminarea convorbirii. Tuturor utilizatorilor le este pusă la dispoziție în mod egal capacitatea

canalului, respectându-se conceptul de fair-play.

Principalele caracteristici ale sistemelor TDMA sunt:

necesită coordonare dinamică dar este flexibilă;

pentru transmisia datelor sunt folosite pachete, fiind necesară utilizarea unui număr mare de biţi

de sincronizare;

handover-ul se face mai ușor decât în celelalte protocoale datorită trasmisiei în pachete [13].

CDMA (Code Division Multiple Access) În CDMA banda alocată unui canal a fost marită, având dimensiunea de 1,25 MHZ iar canalul a

fost împărțit în 64 de canale de cod [1].

11

Schemă CDMA

Dintre caracteristicile sistemelor CDMA, cele mai importante sunt:

utilizarea simultană a aceeaşi frecvenţe purtătoare şi banzi de frecvenţe;

o rata de transmise a datelor pe canal ridicată;

o rezistentă mare la interferențe [13].

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) WCDMA este similară CDMA-ului, principala modificare constând în mărirea canalelor la 5

MHz [1].

În tehnologia GSM sunt folosite FDMA și TDMA, iar în 3G folosim CDMA și WCDMA.

12

Atenuarea

În timpul propagării sale prin mediu, calitatea semnalului scade din cauza obstacolelor,

atenuării, reflecției, refracției, difracției, absorbției, interferențelor, zgomotului, apărând în plus și

pierderi datorate imperfecțiunilor circuitelor de transmisie și recepție.

Între puterea de recepție și puterea de transmisie avem următoarea aproximație:

Unde este puterea de recepție, este puterea de transmisie, C este o constantă (depinde de

lungimea de undă, câștigul antenei și alți parametric tehnici), este distanța maximă pe care poate

transmite antena, este distanța între punctual de transmisie și punctul de recepție iar γ are valori

cuprinse între 2 (pentru spațiu liber de propagare) și 5 (pentru atenuări puternice datorate obstacolelor)

[1].

Astfel în cazul unui receptor mobil (precum este cazul în telefonia mobilă) apar fluctuații ale

nivelului puterii de recepție. Pentru a putea primi semnale este necesară creșterea puterii de transmisie

odată cu creșterea distanței. Receptorul nu va mai putea decodifica semnalul primit dacă puterea de

recepție scade sub un anumit prag.

Multipath fading Interferențele se pot datora și fading-ului multicale (multipath fading) care constă în

transmiterea aceluiași semnal pe mai multe trasee datorate reflecției, difracției și scattering-ului.

Consecințele fading-ului multicale constau în primirea semnalului de mai multe ori, fiecare având

propria atenuare și întârziere.

Exemplu fading multicale

13

GSM - Corecția erorilor

Rata erorilor transmisiei semnalelor depinde de viteza de transmisie (pentru trasmisiile rapide

avem o rată de erori mai mare) și de puterea de recepție. Măsurile luate pentru corecția erorile sunt:

egalizarea;

Egalizarea constă în transmiterea unei secvențe de antrenare cunoscute de ambele capete pentru

ca receptorul să identifice tipul de distorsiuni și să corecteze restul de date primite folosindu-se de

această informație.

coduri de corecție a erorilor.

Un exemplu de cod de corecție a erorilor îl constituie FEC (Forward Error Correction) care se

bazează pe trimiterea unui număr de n biți în total, din care k biți de date și n-k biți de redundanță

(raportul k/n reprezentând rata de cod). Acest fapt permite detectarea erorilor și face posibilă corectarea

unui număr limitat din acestea. FEC se bucură de cea mai bună performanță în cazurile în care erorile

de bit au loc în mod independent [1].

Arhitectura GSM

Majoritatea rețelelor GSM funcționează în banda de frecvențe de 900 MHz și de 1800 MHz.

Astfel GSM-ul folosește banda de 890 MHZ- 960 MHz unde avem alocați 50 MHz pentru trafic

(uplink 890-915 MHZ și downlink 935-960 MHz) și o bandă de separare de 20 MHz (915-935 MHz) și

banda de 1710-1880 MHz unde avem alocați 150 MHz traficului (uplink 1710-1785 MHz și downlink

1805-1880 MHz) și o bandă de separare de 20 MHz (1785-1805 MHz). Banda de separare are rolul de

a evita interferențele ce ar putea să apară între uplink și downlink [1].

Canalele de frecvență pentru FDMA în GSM

14

Schema GSM

MS este alcătuit din ME (echipament mobil) și SIM.

ME este un dispozitiv portabil/mobil ce are o identitate unică dată de un IMEI și poate efectua

transmisii voce și transmisii de pachete de date. SIM-ul este un card inteligent ce poate fi mutat din

mobil în mobil și este protejat de o parola PIN. Acesta conține identitatea IMSI și îi permite

utilizatorului să primească sau să efectueze apeluri [1].

BSS este constituit din BTS și BSC care comunică prin interfața standardizată Abis și

permițând diferite operații între componentele mai multor furnizori.

BTS codează, criptează, modulează și trimite semnalul antenei. Este împărțit în două blocuri

logice, anume Baseband unit și Radiofrequency Unit. Acesta asigură comunicarea între MS și BSC.

BSC-ul are rolul de a administra resursele radio pentru BTS, alocând frecvențele și intervalele temporal

pentru toate MS-urile care se afla în zona sa de acoperire. BSC-ul este responsabil pentru handover-uri,

puterea de control și asigură comunicarea între BTS și MSC [1].

NSS este alcătuit din MSC, VLR, HLR, AUC, EIR și este principala componentă a oricărei

rețele GSM. MSC-ul este inima rețelei, asigurând comunicarea între GSM și alte rețele, putând permite

roaming-ul pentru client cu ajutorul HLR/VLR [1].

15

VLR este o bază de date temporară a utilizatorilor mobili care se updatează de fiecare dată când

un nou utilizator intră în zona sa, conținând IMSI, zona de locație și codul de autentificare. Controlează

toate mobilele aflate în zona sa și are rolul de a micșora numărul de accesări ale HLR-ului [1].

HLR este o bază de date permanentă a utilizatorilor mobili ce acoperă o zonă de mari

dimensiuni. Conține IMSI, restricțiile roaming, prepaid/postpaid și servicii suplimentare [1].

AUC este de regulă asociat cu HLR și are rolul de a preveni orice fel de intruziuni, menținând

codurile de autentificare și algoritmii de protecție [1].

EIR (baza de date pentru identificarea echipamentelor) constitie o bază de date centralizată ce

are funcția de a controla identitatea echipamentelor mobile care operează într-o reţea mobilă (prin

IMEI) [24].

Principala modificare adusă de 3G GSM-ului o reprezintă înlocuirea BTS-urilor cu Noduri B și

a BSC-urilor cu RNC-uri [16].

Rețeaua GSM este format dintr-o mulțime de celule. Celula este zona acoperită de un BTS.

Alegerea dimensiunii unei celule se face ținând cont de numărul de utilizatori din ea, căutându-se

folosirea cât mai eficientă a resurselor. Astfel, pentru o zonă cu o densitate mare de utilizatori vom

avea o celulă mai mică decât vom avea pentru o zonă cu o densitate redusă de utilizatori. Deși forma

ariei acoperite de celulă are o formă oarecare depinzând de numeroși factori (teren, caracteristicile

antenei, clădiri, etc.), din simplitate s-a ales un hexagon ca fiind forma zonei acoperite de o celulă.

Astfel rețeaua este alcătuită dintr-o mulțime de celule apropiate ce au fiecare alocată câte o frecvență.

Celule apropiate trebuie să aibă alocate frecvențe diferite pentru a preveni apariția perturbațiilor, însă

celulele îndepărtate una de alta pot refolosi aceleași frecvențe (principiul reutilizării frecvențelor). O

grupare de celule ce folosesc frecvențe diferite formează un cluster [15].

Exemplu de clustere, celule și reutilizarea frecvențelor

16

Creșterea capacității sistemului se poate obține prin mărirea numărului de celule / BTS-uri și

micșorarea ariei celulelor / puterii de transmisie, un dezavantaj al acestui soluții constituindu-l creșterea

numărului de handover-uri [1].

Avem mai multe posibile metode de asignare a canalelor unui BTS:

asignarea fixă;

Fiecare BTS are alocat un set fix de frecvențe (acestă alocare neschimbându-se în timp).

asignarea fixă cu împrumutare;

Înainte de blocarea unui apel, BTS-ul verifică dacă poate utilize un canal liber al altui BTS.

asignarea dinamică.

MSC-ul are la dispoziție toate canalele și le alocă în funcție de cererile primite de la BTS-uri.

GSM - Canalele fizice și logice

Canalele fizice sunt sunt caracterizate de intervalul de timp specific unui anumit canal. Canalele

logice se află în canalele fizice (nu neapărat în toate intervalele sale de timp). Acestea pot fi canale de

trafic sau canale de control.

Canalele de trafic pot fi canale (full rate channels) sau (half rate channels). Canalele

se evidențiază prin faptul ca două canale pot împărți un singur canal fizic. Canalele oferă o viteză

de 13 Kb/s la care se adaugă și date FEC pentru pachetele de voce și viteze de 3,6 sau 6 sau 12 Kb/s la

care se adaugă și date FEC pentru pachetele de date. Canalele au codec-uri îmbunătățite ce oferă

viteze de 6,5 Kb/s la care se adaugă și date FEC pentru pachetele de voce, iar pachete de date pot fi

transmise cu viteze de 3 sau 6 Kb/s [1].

Din canalele de control menționăm canalul Broadcast (BCH) care este format din canalele

FCCH (frequency correction chanel) și SCH (synchronization channel), responsabile pentru corecția

frecvenței respective sincronizare. Pentru aceastea sunt folosite datele oferite de BTS, cum ar fi

rețeaua/operatorul, frecvențele folosite de BTS și de vecinii săi și posibilitatea de a folosi opțiuni

precum detectarea de voce [1].

Canalul de paginare PCH este folosit doar pentru downlink și pentru preluarea unui apel.

Canalul de acces aleator RACH este folosit doar pentru uplink când se cere inițializarea unei conexiuni

(se folosește protocolul de acces aleator ALOHA). În canalul de acordare a accesului AGCH stația

mobilă este informată de BTS referitor la rezultatul cererii de creare de conxiune. Canalele PCH,

RACH și AGCH fac parte din canalul CCCH [1].

17

Mai există în plus și alte canale de control dedicate, acestea fiind responsabile de a verifica

autentificarea, handover etc.

Canalele de trafic și de control

GSM - Efectuarea și primirea apelurilor

Efectuarea unui apel GSM

Efectuarea unui apel GSM

18

Uitându-ne la schema efectuării unui apel GSM, pasul 1 constă în trimiterea de către MS a

numărului format la BSS. În 2, BSS-ul transmite numărul format la MSC. Pașii 3 și 4 constau în

verificarea de către MSC dacă MS-ul are permisiunea de a folosi serviciul cerut folosind VLR. În caz

afirmativ, MSC-ul îi cere BSS-ului permisiunea de a aloca resursele necesare efectuării apelului.

Apelul este rutat de către MSC la GMSC (5). Pasul 6 constă în verificarea GMSC-HLR și în rutarea

apelului între cei doi utilizatori. Apelul este primit și se face rutarea înapoi la MSC prin GMSC, MSC

și BSS (7, 8, 9, 10) [1].

Primirea unui apel GSM

Primirea unui apel GSM

Uitându-ne la schema primirii unui apel GSM, avem etapa 1 în care se cere apelarea unui

abonat GSM. Etapa 2 constă în continuarea apelului la GSMC. HLR-ul se ocupă de setarea semnalului

în etapa 3. În 4 și 5 avem o cerere MSRN din partea VLR. Urmează 6 în care GMSC primește

informațiile necesare pentru MSC. În 7 se înaintează apelul MSC-ului corespunzător. Starea curentă a

MS-ului se obține în urma pașilor 8 și 9. Apelarea BSS-urilor subordinate MSC-ului are loc în pasul

10. Apoi are loc paginarea MS în pașii 11 și 12, urmate de răspunsul MS (13), verificarea securității

convorbirii (14, 15) și formarea conexiunii (16, 17).

19

GSM - Transmisia voce

Prima etapă a transmisiei voce GSM o reprezintă codarea sursei. Un exemplu de algortim de

codarea voce este RELP (Residually-excited linear prediction), ce are capacitatea de a detecta vorbirea

(nu se transmite în timpul perioadelor de liniște mărindu-se viața bateriei) și o viteză de 13 Kb/s [1].

Urmează codarea canalului în care biții trimiși sunt împărțiți în pachete în funcție de importanța

lor pentru calitatea vorbirii. Pachetul rezultant este format din 456 biți. În compoziția acestuia intră un

bloc de 189 de biți este format din 53 de biți (cei mai importanți 50 de biți cărora li se adaugă 3 biți de

paritate) și următorii 132 de biți ca importanță și de patru biți de 0. Acest bloc beneficiază de FEC.

Urmează 78 de biți care nu beneficiază de coduri de corectare a erorilor [1].

În interleaving cei 456 de biți sunt împărțiți în opt pachete de 57 de biți care se amestecă pentru

a forma opt pachete noi. Într-un burst se scrie unul din pachetele originale neamestecate și unul din

pachetele rezultate în urma amestecării [1].

Ciphering-ul are rolul de a preveni ascultarea convorbirii, folosindu-se doi algoritmi de criptare

care sunt cunoscuți de către MS și BTS. După interleaving și ciphering se formează burst-ul final,

acestuia adăugândui-se headere și trailere [1].

În modulare fiecare bit al burst-ului este transformat într-o formă de undă specificată de

modulația GMSK și este transmis de antenă, toți pașii având loc în ordine inversă la primire [1].

Transmisia voce GSM

20

Tipuri de modulații

Deoarece vocea umană se află între 300-340 KHz, la trasmisia semnalul ar fi distrus din cauza

interferențelor. Este necesar să facem modulația fiecărui semnal la o frecvență purtătoare mare

pentru a putea asigura o comunicare cât mai puțin afecatată de interferențe.

Modulațiile se împart în trei categorii:

CPM (Continuous Phase Modulation)

Reprezintă modulații de frecvență sau de fază.

Cele mai cunoscute sunt MSK și GMSK.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Caracterizat de o folosire foarte eficientă a spectrului de frecvențe pus la dispoziție.

Exemple: QPSK, 16QAM, 64 QAM.

Modulații pe mai multe purtătoare

Rezistente împotriva distorsionării canalului.

Example: OFDM, DMT. [26]

MSK (Minimum-Shift Keying)

A fost dezvoltat între anii 1950-1960. MSK este codat folosind biți ce alternează între

componentele quadrature, în mod similar OQPSK-ului, principala diferență constând în codarea

fiecărui bit ca o jumătate de sinusoidă. MSK poate fi considerat ca o un semnal cu o continuă shiftare

a fazei și frecvenței (CPFSK continuous phase frequency shift keyed) cu o separare de frecvențe de

jumătate de rată de bit [25], ce folosește două frecvențe pentru a modula semnalul.

Semnalul rezultat în urma acestei modulații este reprezentat de formula:

unde aI(t) și aq(t) codează informația (even și odd) folsind pulsuri cu durația de 2T.

21

Schimbările de mapare în faza continuă

Pentru a vedea mai exact cum funcționează MSK luăm secvanța de biți 111010000, arătând

reprezentarea fazei semnalului în mod normal și apoi cu MSK:

Fluctuațiile fazei semnalului pentru o secvență de biți

Fluctuațiile fazei semnalului pentru o secvență de biți cu MSK

22

Din figurile de mai sus se poate vedea o caracteristică a MSK ce constă în faptul că aceasta face

rotație în jurul fazei 0 (în loc să tindă spre infinit) când este trimis un număr mare de simboluri

similare [28].

Formarea semnalului MSK pornind de la o secvență de biți

Luăm un exemplu o secvență de biți NRZ pe care o “traducem” folosind MSK cu frecvențele de

1200 Hz și 1800 Hz [27]:

Formarea semnalului MSK de la o secvență de biți NRZ

23

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

Este folosit pentru modulația pachetelor de voce și pentru modulația pacehtelor de date cu

GPRS în GSM . Are o învelopare constantă a semnalului care îl face rezistent la efectul de fading și la

amplificările de putere neliniare, având neavantajul de a nu folosi în mod optim spectrul de frecvențe

pe care îl are la dispoziție.

Densitatea spectrală pentru MSK și GMSK

GMSK este o continuare a modulațiilor MSK, având în plus un filtru Gaussian față de acestea

[25]. Ecuațiile filtrului Gaussian sunt:

GMSK este caracterizată de o durata de timp de transmitere a unui bit T și de banda filtrului B

de 3 dB. În GSM produsul B*T are valoarea 0,3.

Expresia semnalului modulat x(t) folosind modulația GMSK este:

Unde ak este informație binară ce poate lua valori de +1 sau -1, h este coeficientul modulației

(în GMSK h=0,5) iar s(t) este un puls elementar de frecvență.

2 22

2

2

2 2( ) exp

ln(2) ln(2)

ln(2)( ) exp

2

Bh t B t

H f fB

24

Faza unui puls elementar φ(t) este :

unde

Astfel pentru t aparținând intervalului [n*T, (n+1)*T] avem:

[26]

Arhitectura unui modulator GMSK este:

Arhitectura modulator GMSK

Pulsuri elementare de frecvență și de fază

( ) ( ) .

t

q t s d

25

Pentru a vedea mai exact cum funcționează modulația GMSK luăm un semnal NRZ (valori de

+1 sau -1):

Semnale GMSK

8 PSK

EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) este un serviciu de transmisii de date folosit în GSM.

A apărut după GPRS și a avut rolul de a îmbunătăți capacitatea rețelei și de a îmbunătăți viteza de

transmisie de date. EDGE folosește modulația 8 PSK, prin care se face un salt de la un bit per simbol la

3 biți per simbol, triplându-se astfel viteza de transmisie față de GPRS (GMSK) [29].

Diagrama 8 PSK

Viteza de transmisie superioară a 8 PSK implică însă și o rate de erori mai mare, fiind necesară

folosirea unor coduri de corecție a erorilor superioare.

26

Rata de eroare per bit raportată la viteza de transmisie pentru BPSK, 8 PSK și 16 PSK

Capacitatea canalului în funcție de raportul semnal zgomot pentru BPSK, 8PSK, 16 PSK, 16 QAM

PSK este o modulație digitală prin care se modulează faza semnalului. Din cauza celor 8 faze

rata erorilor devine considerabil de mare, făcându-se apoi trecerea la modulațiile superioare (dar și

mai complexe) QAM [30].

27

Tipuri de Handover

Principala caracteristcă a telefoniei mobile constă în mobilitatea utilizatorului și capacitatea sa

de a purta o convorbire neîntreruptă în timpul deplasasării la viteze mari (de exemplu pe autostradă).

Parcurgerea distanțelor mari presupune trecerea din aria de acoperire a unei celule în zona altei celule.

Pentru a asigura continuitatea convorbirii este nevoie să se facă trecerea utilizatorului de la celula

inițială la noua celulă în zona căreia intră, acest process numindu-se handover. În funcție de condițiile

în care handover-ul are loc, acesta poate fi:

1.1. Handover orizontal Handover-ul orizontal constă în transferul de la o celulă la alta a unei convorbiri telefonice

aflată în desfășurare, în condițiile în care ambele celule au aceeași tehnologie de acces (ambele celule

sunt celule GSM sau ambele celule sunt celule UMTS) [17].

1.2. Handover vertical Handover-ul vertical diferă de handover-ul orizontal prin faptul că cele două celule folosesc

tehnologii de acces diferite (se face trecerea de la o celulă GSM la UMTS sau invers) [17].

2.1. Handover intra-sistem Handover-ul intra-sistem are loc când terminalele ce funcționează în mod dual FDD-TDD fac

trecerea de la FDD la TDD ca urmare a unor măsurători. El poate avea loc doar în interiorul unui singur

sistem [17]. Avem două tipuri de handover intra-sistem:

Handover-ul intra-frecvență (handover-ul intra-sistem are loc între celule cu aceeași frecvență

purtătoare) [17]

Handover-ul inter-frecvență (celulele între care are loc handover-ul au frecvențe purtătoare

diferite) [17]

2.2. Handover inter-sistem Handover-ul inter-sistem este folosit pentru a face trecerea de la o celulă la alta în contextual în

care ele folosesc diferite RAT (tehnologii de acces radio, exemplu WCDMA și GSM/EDGE) sau RAM

(moduri de acces radio, exemplu UTRA FDD și UTRA TDD) [17].

3.1. Handover hard Handover-ul hard constă în întreruperea conexiunii cu vechea celulă înaintea realizării unei noi

conexiuni cu noua celulă în a cărei zonă de acoperire se intră. Este folosit în sistemele GSM (face

28

trecerea între diferite celule cu bandă de frecvenţă diferite). Algoritmul din spatele acestui tip de

handover constă în monitorizarea SIR (raportului semnal zgomot) și efectuarea handover-ului când

valoarea SIR a celulei vecine este mai mare decât cea a celulei curente cu un anumit prag [17].

3.2. Handover soft Handover-ul soft are loc când MS-ul se află în zona comună de acoperire a două Noduri B. În

acest caz utilizatorul va transmite simultan la ambele Noduri B până va fi preluat de Nodul B

cu cel mai bun SIR [17].

H a n d o v e r s o f t

3.3. Handover softer Handover-ul softer are loc în momentul în care antenele unui Nod B ce acoperă zone diferite

primesc două sau mai multe semnale de la un utilizator. Una din cauzele des întâlnite ale acestui tip de

handover o reprezintă multipath fading-ul [1].

Handover softer

29

Handover-urile de tip soft și softer sunt implementate în sistemele. Handover-ul soft asigură o

preluare sigură a MS-ului în noua celulă în timp ce în handover-ul hard șansele realizării cu succes a

unui handover sunt micșorate de necesitatea încheierii transmisie i înainte de a putea creea

noua legătură, aceasta putând duce la încheierea convorbirii . Procesul de handover soft elimină și

problema interferenței specifică sistemului WCDMA, aducând totodată o îmbunătățire a comunicației

între utilizatori. Handover-ul soft are și anumite dezavantaje ce constau în creșterea complexității și

în consumul de resurse suplimentare [17].

Handover-uri GSM

Handover-uri GSM

Handover-ul este definit ca fiind transferul conecțiunii radio a unui MS de la un BTS la altul

sau de la o celulă ce aparține unui BTS la altă celulă ce parține aceluiași BTS, luând în considerare

poziția MS-ului și calitatea semnalului primit. Decizia de handover este făcută de BSC folosind

algoritmul de localizare. Acest algoritm compară puterea semnalului din celula în care se află cu

puterea semnalului din celulele alăturate și decide dacă este necesară schimbarea celulei [1].

30

În timpul unei convorbiri MS-ul măsoară puterea semnalului primit și calitatea canalului de

transfer, măsurând în același timp și puterea semnalului de la celulele învecinate. Din aceste măsurători

se reține valoarea medie a puterii semnalului din fiecare celulă. Avem mai multe tipuri de handover,

acestea depinzând de cele două celule implicate în handover.

Raportându-ne la desenul cu handover-uri GSM, un handover ce are loc:

Între punctele 1 și 2 este un handover Inter BTS / Intra BSC;

Între punctele 1 și 3 este un handover Inter BSC / Intra MSC;

Între punctele 1 și 4 este un handover Inter MSC.

Handover-ul Inter BTS / Intra BSC

Handover-ul Intra BSC / Inter BTS

1. MS-ul trimite de aproape două ori pe secundă BTS-ului un raport cu valorile puterii

semnalului celulei la care este conectat și celor mai bune puteri de semnal a celulelor învecinate.

2. BTS-ul adaugă propriile sale măsurători făcute pe uplinkul TCH-ului și transmite informațiile

la BSC. În BSC algoritmul de localizare decide dacă este necesar ca apelul să fie preluat de altă celulă

ca urmare a calității proaste a convorbirii sau a slabei puteri de semnal din actual celulă.

31

3. În caz afirmativ, BSC-ul comandă BTS-ului din noua celulă cu cea mai mare putere a

semnalului să activeze un TCH.

4. După activarea noului canalul de transfer, BSC-ul transmite MS-ului prin vechiul BTS un

mesaj cu noua frecvență, time slot-ul și outputul de putere la care să se schimbe.

5. MS-ul trece la noua frecvență și transmite un burst scurt cu handover de acces (handover

access) cu 8 biți de informație pe canalul FACCH.

6. Când noul BTS detectează burstul, transmite un mesaj de confirmare a primirii burstului la

BSC și trasmite stației mobile informațiile necesare pe FACCH.

7. Stația mobilă trimite un mesaj de terminare a handover-ului (handover complete).

8. Vechiului BTS i se comandă închiderea fostului canalului TCH și a canalului SACCH.

BSC-ul se ocupă de tot procesul de handover, fără a implica MSC-ul (doar îl informează când a

avut loc un handover) [18].

Handover-ul Inter BSC / Intra MSC

Handover-ul Inter BSC / Intra MSC

În acest handover BSC-ul decide din rapoartele de măsurători că apelul trebuie predate unei alte

celule ce ține de alt BSC.

32

1. BSC-ul răspunzător de celula în care se poartă convorbire inițială trimite un mesaj de

necessitate de handover (handover required) și identitatea noii celule MSC-ului.

2. MSC-ul cunoaște ce BSC controlează BTS-ul din noua celulă și îi transmite acestuia o cerere

de handover (handover request).

3. Noul BSC comandă BTS-ul să activeze un TCH care nu este folosit.

4. După activarea TCH, noul BSC trimite MSC-ului frecvența și referințele de handover

(handover reference) la MSC.

5. MSC-ul pasează informația vechiului BSC.

6. MS-ul primește referința de handover și noua frecvență la care să trecă.

7. MS-ul trimite pe un nou FACCH bursturi HO ce conțin referința de handover.

8. La primirea burstului, noul BTS trimite pe FACCH timing advance-ul (timpul necesar

semnalului ca să ajungă de la MS la BTS) stației mobile.

9. Noul BTS trimite un mesaj de detecție HO BSC-ului său care informează la rândul său pe

MSC.

10. La primirea informației de time advance MS-ul trimite mesaj de HO complete.

11. Mesajul de HO complete este trimis de noul BSC la vechiul BSC prin intermediul MSC.

12. Vechiul BTS dezactivează TCH-ul și SACCH-ul. Stația mobilă primește informațiile despre

noua celulă prin SACCH-ul asociat noului TCH [18].

Handover-ul Inter MSC

1. Vechiul BSC trimite mesaj de HO required la MSC-ul său.

2. Vechiul MSC trimite cerere de HO noului MSC.

3. Noul MSC alocă un număr HO (un număr de telefon) pentru rerutarea apelului. Se trimite un

HO request noului BSC.

4. Noul BSC comandă BTS-ul să activeze un nou TCH.

5. Noul MSC primește informațiile despre noul TCH și referința de HO (HO reference).

6. Informațiile TCH, referința de HO și numărul HO sunt trimise vechiului MSC.

7. Se formează o legătură de la vechiul MSC la noul MSC.

33

8. Se trimite o comandă HO ce conține frecvența și referința de HO la MS.

9a. MS-ul trece la noua frecvență și trimite bursturi de acces HO pe FACCH.

9b. Noul BTS detectează bursturile de acces HO și trimite pe FACCH timing advance-ul la MS.

10. Vechiul MSC este informat de detecția bursturilor de HO de către noul BSC și noul MSC.

11. MS-ul trimite un mesaj de terminare HO. Noile BSC și MSC informează vechiul MSC care

informează la rândul său vechiul BSC, eliberându-se vechiul canal TCH.

După un astfel de HO registrul HLR este updatat și comandă registrului VLR să șteargă

informațiile despre abonat (acestea nu mai sunt necesare deoarece utilizatorul a ieșit din zona VLR-

ului) [18].

Handover-ul Inter MSC

34

Concluzii

În timpul propagării sale prin mediu, calitatea semnalului scade din cauza obstacolelor,

atenuării, reflecției, refracției, difracției, absorbției, interferențelor, zgomotului, apărând în plus și

pierderi datorate imperfecțiunilor circuitelor de transmisie și recepție. Astfel în cazul unui receptor

mobil (precum este cazul în telefonia mobilă) apar fluctuații ale nivelului puterii de recepție, fiind

necesară creșterea puterii de transmisie odată cu creșterea distanței pentru a fi posibilă primirea

semnalelor. În cazul în care puterea de recepție scade sub un anumit prag receptorului îi va fi

imposibilă decodificarea semnalului primit.

Principala cerință a telefoniei mobile o reprezintă mobilitatea utilizatorului și capacitatea sa de a

purta o convorbire neîntreruptă în timpul deplasasării la viteze mari, de acest lucru fiind responsabil

handover-ul. Handover-ul hard este specific GSM-ului, în timp ce UMTS-ul este caracterizat de

handover-urile soft și softer.

Handoverul hard constă în întreruperea conexiunii cu vechea celulă înaintea realizării unei noi

conexiuni cu noua celulă în a cărei zonă de acoperire se intră, acest fapt conducând deseori la

întreruperea convorbirii în cazul în care timpul dintre încheierea conexiunii și deschiderea noii

conexiuni este prea mare.

Handover-urile GSM pot fi Inter BTS / Intra dacă are loc între două BTS-uri ce aparțin aceluiași

BSC, Inter BSC / Intra MSC dacă au loc între două BSC-uri ce aparțin aceluiași MSC și Inter MSC

dacă au loc între două MSC-uri diferite.

Decizia de handover este luată de BSC folosind algoritmul de localizare. Acest algoritm

compară puterea semnalului din celula în care se află cu puterea semnalului din celulele alăturate și

decide dacă este necesară schimbarea celulei.

Avantajele handover-ului soft constau în asigurarea unei îmbunătățiri a comunicației între

utilizatori și eliminarea problemei de interferență specifică WCDMA. Ca aspect negative avem

creșterea complexității și un consum suplimentar de resurse.

Generația a patra (4G) a început recent să să apară prin LTE și WiMax, ea fiind de regulă

disponibilă în zone aglomerate precum aeroporturi, gări, mall-uri. Aceasta oferă niște viteze de transfer

cu mult superioare celor din generația 3G și este dedicată aplicațiilor multimedia unde ar fi necesară

viteza superioară de până la 672 Mb/s.

Din cauza numărului extraordinar de mare de utilizatori ce se află într-o continuă creștere este

necesară căutarea în permanență a noi metode de a îmbunătăți performanțele rețelelor mobile.

35

Bibliografie

1. Materiale Ericsson

2. http://mercur.utcluj.ro/mobile/cursuri_scmb/Curs_1.pdf

3. http://en.wikipedia.org/wiki/GSM

4. http://en.wikipedia.org/wiki/General_Packet_Radio_Service

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution

6. http://en.wikipedia.org/wiki/Code_division_multiple_access

7. http://en.wikipedia.org/wiki/W-CDMA_%28UMTS%29

8. http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_%28telecommunication%29

9. http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX

10. http://www.atic.org.ro/ktml2/files/uploads/Com_Nicolaescu.pdf

11. http://stud.usv.ro/~nitco/anII/RLC/RC_c1.pdf

12. http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/vlcehan/discipline%20predate/rrcs/RRCS_cap%205.pdf

13. http://www.tc.etc.upt.ro/docs/cercetare//teze_doctorat/ir.pdf

14. http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/umts/umts-wcdma-radio-air-interface.php

15. http://www.comm.pub.ro/_curs/rrc/cursuri/RRC%2003%20retele%20celulare.pdf

16. http://en.wikipedia.org/wiki/Node_B

17.

http://stst.elia.pub.ro/news/RCI_2009_10/Teme_RCI_2011_12/ChircuFlorin/Handover%20UMTS.pdf

18. http://docs.4share.vn/Resources/Flashs/1/8911.swf

19. http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Mobile_Telecommunications_System

20. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_propagation

21. http://en.wikipedia.org/wiki/Path_loss

22. en.wikipedia.org/wiki/4G

23. http://www.comm.pub.ro/_curs/cmt/curs_ro.htm

24. http://www.msqe.ase.ro/Documente/retelemobile%282%29.pdf

36

25. http://en.wikipedia.org/wiki/Minimum-shift_keying

26.

http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCsQFjAA&url=http%

3A%2F%2Fwww.ti.com%2Fww%2Fcn%2Fuprogram%2Fshare%2Fppt%2Fc5000%2F21modulation_

v110.ppt&ei=Vk4WUdSdFMX1sgaH1YCwBQ&usg=AFQjCNGbiMo0dbyyjTJFJ9r7nKUFmY7ITQ&

bvm=bv.42080656,d.Yms

27. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/CML/mXxyzvq.pdf

28. http://staff.neu.edu.tr/~fahri/mobile_L7.pdf

28. http://www.m-indya.com/gprs/limitations.htm

29. http://www.rohde-schwarz.com/en/technologies/cellular/gsm-egprs-edge-evolution-vamos/gsm-

egprs-edge-evolution-vamos/gsm-egprs-edge-evolution-vamos_55921.html

30. http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-shift_keying#Quadrature_phase-shift_keying_.28QPSK.29