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
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
Top Related