SVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET PROMETNIH ZNANOSTI

ZAGREB

Seminarski rad za kolegij:TEHNOLOGIJA TELEKOMUNIKACIJSKOG PROMETA 2

Tema:VRSTE I ZNAČAJKE PREKAPČANJA KOD UMTS-a

Mentor: StudentDoc.dr.sc. Štefica Mrvelj Krešimir Špoljar

0035144898 / PiT

Zagreb, 2010.

Sadržaj

1. Uvod.........................................................................................1

2. Opčenito o UMTS mreži................................ ...............................2

3. Osnovni princip prekapčanja.........................................................6

4. Vrste prekapčanja.......................................................................9

4.1. Tvrdo prekapčanje.............................................................10

4.2. UMTS/GMS prekapčanje.....................................................13

4.3. Meko prekapčanje..............................................................15

4.4. Mekše prekapčanje............................................................17

5. Zaključak..................................................................................19

Literatura......................................................................................20

1. Uvod

Mogućnost obavljanja mobilnog telefonskog razgovora, bilo da se radi o

pozivanju ili primanju poziva, bilo gdje i bilo kad, glavna je prednost

današnjih mobilnih telekomunikacijskih sustava. Neometanu i neprekinutu

telefonsku vezu prilikom kretanja korisnika iz jedne ćelije u drugu omogućuje

proces prekapčanja.

Prekapčanje je nužno potrebno kako bi se u potpunosti omogućila

mobilnost korisnika, što je i glavna zadaća jednog mobilnog telefonskog

sustava kao što je UMTS.

Koncept prekapčanja odvija se prilikom mobilne aktivnosti

korisnika(mobilne stanice), pri kretanju po rubnom dijelu ćelije gdje je slaba

pokrivenost signalom pripadajuće bazne stanice. Pritom dolazi do

neprimjetnog prekapčanja, tj. mobilna stanica preuzima jači signal od

susjedne bazne stanice prilikom prelaska u njezinu ćeliju, odnosno područje

pokrivenosti njezinim signalom.

Prekapčanje omogućuje i međusobnu komunikaciju između različitih

telekomunikacijskim mrežnih tehnologija, npr. između mreža 2. i 3.

generacije. To je bitna stavka s obzirom da još uvijek postoje područja koja

nisu u potpunosti pokrivena UMTS mrežom.

Ovim seminarskim radom navest će se vrste prekapčanja i njihova

uloga u radu UMTS sustava.

2. Općenito o UMTS mreži

1

Univerzalni svjetski pokretni telekomunikacijski sustav UMTS (Universal

Mobile Telecommunication System) je dio projekta “IMT-2000”, rezultat treće

generacije (3G) mobilnih komunikacijskih sustava koje je donijela

međunarodna telekomunikacijska udruga (ITU).

Najvažnija prednost koju UMTS donosi je brzina prijenosa podataka.

Takve brzine omogućuju ne samo prijenos podataka, pristup Internetu i

mnoge druge razne aplikacije, nego i prijenos video slike, što znači mobilnu

video telefoniju, video konferencije, video na zahtjev i sl. Osim paketnog

prijenosa podataka, UMTS nudi i stalnu prisutnost na mreži.

Mrežna UMTS infrastruktura podijeljena je u tri domene: korisničku

opremu (UE – User Equipment)1, UTRAN2 i jezgrenu UMTS mrežu, slika 1.

Slika 1. UMTS mrežna infrastruktura, [4]

UMTS zemaljska radijska pristupna mreža (UTRAN) se zasniva na

širokopojasnom višestrukom pristupu u kodnoj podjeli (WCDMA – Wideband

1 UE – korisnička oprema koji čini mobilni terminal sa pripadajućom korisničkim identifikacijskim modulom2 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) – zemaljska radijska pristupna mreža

2

Code Division Multiple Access) koji je namijenjen za otvoreni prostor, široko

područje pokrivanja i javnu mrežu. Dodijeljeno je frekvencijsko područje

1920-1980 MHz (uzlazno) i 2110-2170 MHz (silazno), tako da je svakom

smjeru komunikacije dodijeljeno drugo frekvencijsko područje (FDD –

Frequency Division Duplex), [1].

Razlozi za uvođenje WCDMA su sljedeći:

veći kapacitet i bolja pokrivenost od TDMA i drugih rješenja,

mogućnost varijabilne i visoke brzine prijenosa,

prikladnost za paketski i kanalski prijenos,

omogućene višestruke istodobne usluge u jednom terminalu,

hijerarhijsko strukturiranje ćelija.

Za zatvoreni prostor, uža područja pokrivanja i privatne mreže,

predviđena je mogućnost uporabe višestrukog pristupa s vremenskom i

kodnom raspodjelom (TD – CDMA), gdje se dodijeljeno frekvencijsko područje

dijeli na načelu vremenskog odvajanja smjerova (TDD – Time Division

Duplex), [1].

Zahtjevi postavljeni na UMTS kao sustav treće generacije, prvenstveno

generirani novim, na Internetu zasnovanim uslugama, su sljedeći:

osobna pokretljivost uz prijenos govora, podataka i multimedije,

3

brzina prijenosa do 144kbit/s u svim uvjetima, do 2Mbit/s u zatvorenom

prostoru,

komutacija kanala i paketa,

simetrični i asimetrični prijenos,

podrška uslugama od uskopojasnih do širokopojasnih, uz mogućnost

podrške više usluga istodobno,

kvaliteta govora usporediva s onom u fiksnoj telefoniji,

integracija s PSTN-om i koegzistencija s 2G mrežom,

brzi pristup internetu u pokretu, [1].

U ćelijsku strukturu uvodi se hijerarhija s obzirom na brzinu prijenosa,

područja pokrivanja, gustoću korisnika i brzinu kretanja:

svjetska ćelija: do 144 kbit/s, udaljeni krajevi, slaba naseljenost, brzina

kretanja do 1000km/h,

makro ćelija: 144 – 384 kbit/s, prigradska područja, srednja

naseljenost, brzina kretanja 120 – 500 km/h,

mikro ćelija: 384 – 2048 kbit/s, gradsko područje, velika naseljenost,

brzina kretanja do 120 km/h,

piko ćelija: 2048 kbit/s, zatvoreni prostor, vrlo velika gustoća korisnika,

mirovanje ili hodanje, [1].

Hijerarhija ćelijske strukture UMTS sustava prikazana je na slici 2.

4

Slika 2. Hijerarhija ćelijske strukture, [4]

3. Osnovni princip prekapčanja

5

Kako bi se olakšalo određivanje lokacije, mreža se dijeli na određena

područja. U radijskim pristupnim mrežama pojam područja odgovara ćeliji, tj.

prostoru pokrivenom radijskim signalom bazne postaje, npr. BTS (Base

Transceiver Station) u mreži GSM ili čvor B (Node B) u UMTS mreži, slika 3.

Slika 3. Kretanje korisnika kroz ćelijski podijeljenu mrežu

Sam proces prekapčanja provodi se kroz tri faze: faza mjerenja i analize

signala, faza odluke i na kraju faza provedbe prekapčanja, slika 4.

Slika 4. Faze prekapčanja

Osnovni princip prekapčanja prikazat će se kroz model pokretljivosti.

6

Neka je mreža M1 podijeljena na područja P11, P12, … P1n kako prikazuje

slika 5.

Slika 5. Model pokretljivosti u mreži

Lokacijska informacija za ovakvu mrežu bila bi oznaka područja P1i u

kojem se korisnik trenutno nalazi. Lokacijska informacija postaje poznata u

trenutku kada se uključi terminal (u ovom primjeru P11).

Pri prijelazu iz jednog područja u drugo provodi se promjena lokacijske

informacije (u ovom primjeru iz P11 u P12). Dva su moguća načina promjene

lokacije:

kad je terminal aktivan (komunicira),

dok je terminal neaktivan (uključen, ali ne komunicira).

Promjena lokacije tijekom komunikacije, odnosno prekapčanje između

ćelija (handover), P1i P1j, mora se odvijati uz održivi kontinuitet

komunikacije, [5].

Prekapčanje između područja pokrivenosti tijekom komunikacije se

može riješiti na dva osnovna načina:

7

tvrdo prekapčanje (hard handover) – prekida se komunikacija

pristupnim kanalom u području P1i u trenutku t1 i nastavlja drugim

pristupnim kanalom u području P1j u trenutku t2, slika 6a. Kod ovakvog

prijelaza mobilna stanica održava vezu samo u jednom području u

kojem se trenutno nalazi,

meko prekapčanje (soft handover) - mobilna stanica održava vezu u

oba područja tijekom promjene lokacije (t1-t2), čime je omogućena

zamjena pristupnog kanala P1i s onim u P1j bez prekida komunikacije,

slika 6b.

a) tvrdo prekapčanje b) meko prekapčanje

Slika 6. Osnovni načini prekapčanja, [5]

Meko prekapčanje karakteristično je za mreže treće generacije i sustave

sa kodnom podjelom kanala CDMA (Code Division Multiple Access) kao što je

UMTS, što će detaljnije biti razrađeno u poglavljima koja slijede, [5].

4. Vrste prekapčanja kod UMTS-a

8

Od velike je važnosti da se proces prekapčanja sprovede neopaženo od

strane korisnika. Svako neuspješno prekapčanje će u konačnici rezultirati

prekidom veze. Time se narušava kvaliteta usluge posluživanja (QoS)3,

korisnici su nezadovoljni, te postoji mogućnost da prijeđu na drugog

operatera.

Kako se potražnja za mobilnim telekomunikacijskim uslugama

povećava, tako dolazi i do većih zahtjeva za kapacitetima mreže. Pošto

rješenje nije u postavljanju baznih stanica koje bi svojim signalom činile

velike ćelije, bitno je poraditi na smanjenju veličine ćelija u mobilnoj

telekomunikacijskoj mreži, što bi dovelo do povećanja broja procesa

prekapčanja. Pritom je vrlo važno upotrijebiti prave mehanizme prekapčanja.

Postoje četiri osnovne vrste UMTS prekapčanja:

Tvrdo prekapčanje (eng. Hard handover)

UMTS/GSM prekapčanje (eng. Inter-system handover)

Meko prekapčanje (eng. Soft handover)

Mekše prekapčanje (eng. Softer handover)

4.1. Tvrdo prekapčanje

3 QoS (Quality of Service) – pojam koji se odnosi na kvalitetu usluge

9

Ova metoda prekapčanja počela se upotrebljavati u GSM sustavu, no

pošto UMTS mreža koegzistira sa GSM mrežom, nužna je njezina primjena.

Tvrdo prekapčanje je proces gdje dolazi do prekida radio veze između

mobilne i bazne stanice na području postojeće ćelije nakon što se uspostavi

da se jačina signala trenutne bazne stanice (čvor B) snizila. Zatim se

uspostavlja nova veza sa čvorom B iz susjedne ćelije.

Postoje dva tipa tvrdog prekapčanja:

Inter – frekvencijsko prekapčanje

Intra – frekvencijsko prekapčanje

Kod Inter – frekvencijskog tvrdog prekapčanja (Slika 7.) MS prelazi u

ćeliju koja radi na drugom frekvencijskom području.

Slika 7. Inter-frekvencijsko prekapčanje

Kod Intra-frekvencijskog tvrdog prekapčanja MS prelazi u ćeliju koja je

pokrivena istim frekvencijskim područjem, slika 8.

10

Slika 8. Intra-frekvencijsko prekapčanje

Tri su osnovne faze koje se odvijaju pri tvrdom prekapčanju,

pojednostavljeno:

1. Mreža odlučuje da je potrebno izvršiti prekapčanje zbog slabljenja radio

signala na području trenutne ćelije, u odnosu na jačinu signala iz

susjedne ćelije

2. Radio veza između mobilne stanice i prvotne bazne stanice (čvor B) se

prekida

3. Uspostavlja se nova radio veza između mobilne stanice i novog čvora B

iz susjedne ćelije

Neki od slučajeva kada se provodi proces tvrdog prekapčanja su:

pri prelasku korisnika iz jedne ćelije u susjednu ćeliju koja je

pokrivena drugim frekvencijskim signalom

pri prelasku iz FDD moda u TDD mod rada

11

pri prelasku iz ćelije u kojoj nema raspoloživih kapaciteta na

postojećem kanalu, pa je potreban prelazak na drugu radnu

frekvenciju u novoj ćeliji (Inter-frekvencijsko prekapčanje)

Primjer korištenja tvrdog prekapčanja kod UMTS-a je kad se prelazi na

drugi frekvencijski pojas između mobilne stanice i UTRAN mreže. Ta

mogućnost dana je UMTS operaterima da bi se omogučilo povećanje

kapaciteta mreže. Naime, svakom operateru je dano na raspolaganje

nekoliko frekvencijskih pojaseva u rasponu od 5 MHz, te se između njih vrši

prekapčanje kad dođe do zagušenosti u jednom području.

Potreba za procesom tvrdog prekapčanja može biti inicirana od strane

mobilne stanice (UE – User Equipment) ili od strane mreže.

Glavni problem kod tvrdog prekapčanja je taj da svaka nemogućnost

ponovnog uspostavljanja veze, kod prelaska u novu ćeliju, može dovesti do

neuspješnog prekapčanja, što rezultira gubitkom veze.

4.2. UMTS/GSM prekapčanje

Ova vrsta prekapčanja poznata je i pod nazivom Inter-system

prekapčanje. Ono je potrebno kako bi se omogućila kompatibilnost između

12

različitih mobilnih sustava, u prvom redu se misli na komunikaciju između

UMTS i GSM sustava.

Inter-system prekapčanje se primjenjuje kada korisnik dolazi u područje

koje nije u potpunosti prekriveno UMTS mrežom i u slučaju kada su kapaciteti

UMTS sustava zagušeni, te je tada moguće preusmjeriti opterećenje na GSM

mrežu.

Signalizacijska procedura koja prethodi prije UMTS/GSM prekapčanja

prikazana je na slici 9.

Slika 9. Inter-system prekapčanje UMTS/GSM, [4]

Postoje dva moda Inter-system prekapčanja :

kompresijski mod (eng. compressed mode handover) – Mobilna

stanica koristi vremenske stanke koje nastaju zbog potrebnog

vremena detektiranja frekvencije na kojoj radi drugi sustav u

prijenosu za analiziranje prijema lokalnih GSM baznih stanica. MS

13

zatim uz pomoć popisa dostupnih susjednih GSM baznih stanica

(dobiven od UMTS mreže) odabire ciljanu baznu stanicu koja ima

najjači signal. Nakon odabira prikladne bazne stanice dolazi do

samog prekapčanja. Korisnička informacija se pritom kompresira u

vremenskoj domeni tako da ne dolazi do gubitka podataka.

slijepi mod (eng. blind handover) – Ova vrsta prekapčanja

pojavljuje se kada čvor B preda mobilnoj stanici potrebne podatke

o novoj ćeliji u koju prelazi, bez da MS prethodno uspostavi ikakvu

vezu sa GSM baznom stanicom. Dakle u ovom slučaju UMTS mreža

odabire optimalnu GSM baznu stanicu. Nakon toga MS locira kanal

nove ćelije, dobiva podatke o vremenskom usklađivanju, te se

naposljetku provodi prekapčanje, [6].

4.3. Meko prekapčanje

Meko prekapčanje (eng. soft handover) nužno je kada se mobilna

stanica nalazi u području preklapanja između više ćelija (maksimalno tri)

različitih baznih stanica (Slika 10.).

14

Slika 10. Područje preklapanja ćelija

Meko prekapčanje se odvija tako što je mobilnoj stanici omogućena

istovremena komunikacija sa dvije bazne stanice, te je samim time proces

prekapčanja pouzdaniji, slika 11. Mobilna stanica komunicira s baznom

stanicom putem dva odvojena kanala.

Slika 11. Meko prekapčanje

U silaznoj vezi4 MS obrađuje signale u tzv. rašljastom prijamniku (RAKE

receiver)5. U uzlaznoj vezi6 postoje značajnije razlike, jer obje bazne stanice

primaju raspršene signale koje upućuje mobilna stanica. Primljeni podaci se

upućuju u RNC(Radio Network Controller)7 gdje se provodi i vanjska petlja

4 Silazna veza – komunikacija u kojoj MS prima podatke od BS5 RAKE prijamnik – nalazi se u MS i u BS, služi za poboljšanje prijama signala6 Uzlazna veza – komunikacija u kojoj MS šalje podatke BS7 RNC – modul za upravljanje baznim stanicama (Čvor B), u GSM mreži tu ulogu ima BSC

15

kontrole snage, tj. provjerava se BLER čimbenik (BLock Error Rate) za svaki

od primljenih signala i odabire se onaj koji ima manji BLER čimbenik,

odnosno manju učestalost pojavljivanja pogreške. Za vrijeme mekog

prekapčanja aktivne su dvije petlje kontrole snage, [3].

Nakon što je proces mekog prekapčanja završen, konekcijske veze sa

prvotnim čvorom B se prekidaju.

4.4. Mekše prekapčanje

Kod mekšega prekapčanja (eng. softer handover) mobilna stanica se

nalazi u prostoru koji prekriva više sektora iste bazne stanice. Mobilna i

16

bazna stanica istovremeno komuniciraju putem dva odvojena kanala (kao i

kod mekog prekapčanja), a svaki od njih pripada drugom sektoru (Slika 12.).

Slika 12. Mekše prekapčanje

Mekše prekapčanje moguće je samo kada je mobilna stanica u

mogućnosti primati signale iz različitih sektora od iste bazne stanice. To je

moguće u slučaju preklapanja sektora ili češće kad dolazi do refleksije

signala od različitih prepreka, kao što su npr. zgrade.

U silaznoj vezi gotovo da nema razlike između mekšeg i mekog

prekapčanja, signali se također kombiniraju u rašljastom prijamniku. U

silaznoj vezi potrebna su dva PN koda kako bi mobilna stanica mogla

razlikovati signale iz različitih sektora. U uzlaznoj vezi odvija se sličan

proces, raspršeni signali se primaju u oba sektora, a nakon dekodiranja se

šalju istom rašljastom prijamniku. Pri mekšem prekapčanju aktivna je samo

jedna zatvorena petlja kontrole snage, [3].

17

8. Zaključak

Prekapčanje je proces koji ima veliku ulogu u funkcioniranju jedne

mobilne telekomunikacijske mreže kao što je UMTS, jer bez metoda

prekapčanja nebi bila ostvarena mobilnost korisnika.

Koncepti prekapčanja kao što su Inter-system prekapčanje, omogućili su

komunikaciju između UMTS i GSM mreže, te na taj način olakšali prelazak iz

18

2G u 3G mrežne sustave. To je bitno rješenje s obzirom da još uvijek postoje

područja koja nisu u potpunosti pokrivena UMTS mrežom.

Ovim seminarom prikazane su osnovne vrste i značajke prekapčanja i

svaka od tih metoda doprinosi učinkovitom funkcioniranju mobilne

telekomunikacijske mreže.

Literatura

1. Bažant, A., Gledec, G.: Osnovne arhitekture mreža, Element,

Zagreb, 2004.

2. Kaaranen, H., Ahtiainen, A.: UMTS networks : Architecture,

mobility and services, Second edition, John Wiley / Sons Ltd.,

Chichester, 2005.

19

3. Časopis Ericsson Nikola Tesla, broj 16, 2003.

4. http://oldwww.com.dtu.dk/research/networks/opnet/

UMTS_handover.pdf

5. http://old.tel.fer.hr/files/poslijediplomski/pts/3.%20Post-PTS2-

Pov.pdf

6. http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/

umts/umts-wcdma-handover-handoff.php

20