Comunicatii Mobile

Tema:  Noţiuni generale şi particularităţile sistemei de

comunicaţii mobile. Necesitatea de comunicare oriunde cu oricine şi în orice timp a oamenlior ca rezultat a dezvoltat sistemele de comunicaţii mobile. Dezvoltarea comunicaţiilor  mobile în ultimii ani se datorează utilizării rezultatelor microelectronicii, microprocesoarelor, elaborării şi implimentării procedurilor şi algoritmelor eficiente de compresie şi prelucrare a informaţiei precum şi utilizarea unor protocoale flexibile de telecomunicaţii. PSTN(Public Switched Telephone Network) legătura finală cu abonatul individual se realizează tradiţional printr-o pereche de fire torsate care au terminaţia la aparatul de telefon fix instalat acasă, în birou,etc. Aparatul de telefon este fix, de aceea comunicaţia prin acest telefon se numeşte comunicaţie fixă. Realizarea scopului „comunicaţie cu oricine, oriunde şi în orice timp” presupune  posibilitatea abonatului de a efectua concomitent concomiten t comunicaţii, asemanea fapt nu  poate nu poate fi realizat în sistemul de comunicaţie fixă, ci doar în sistemul de telefonie mobilă în care abonatul are posibilitatea deplasării globale cu facilitatea comunicaţiei continue. Acest fapt prezintă particularitatea specifică a sistemelor de comunicaţie mobilă. Altă particularitate o prezintă faptul că legătura cu abonatul mobil se realizează prin intermediul intrafeţei radio(unde radio). Necesitatea utilizării unui spectru de frecvenţă şi didrijarea resurselor radio(putere, bandă, numărul de canale, etc.) este cerinţa primordială a sistemelor de comunicaţie mobilă faţă de sistemul PSTN. Comunicaţiile prin unde radio pot fi efectuate prin următoare tipuri de echipamente: 1) Fix- dacă dacă antena antena echipamentu echipamentului lui nu-şi schimbă schimbă poziţia. poziţia. 2) PortabilPortabil- dacă antena antena echipamentului echipamentului este este fixă în timpul comunica comunicaţiilor, ţiilor, dar  dar   poate fi deplasată între două servicii de telecomunicaţii. telecomunicaţ ii. 3) Mobil- dacă dacă antena echipam echipamentului entului poate poate fi în mişcare mişcare şi în timpul comunicaţiilor. În dependenţa de amplasarea abonaţilor şi a componentelor sistemei de comunicaţii mobile ultimele pot fi: 1) Terestre Terestre – cînd toţi abonaţii abonaţii sistemei sistemei de comunicaţii comunicaţii mobile sunt sunt instalate instalate pe sol 2) Maritime – cînd cel puţin puţin o parte a echipamentelo echipamentelorr sistemei sistemei de comunicaţii comunicaţii mobile este a,plasată pe apă 3) Satelite – dacă cel puţin puţin unul din din abonaţi este este plasat plasat pe obiecte obiecte zburătoare zburătoare 4) Cosm Cosmice ice/s /spa paţia ţiale le O reţea mobilă diferă substanţial de cea fixă prin: a) Mobil Mobilita itatea tea abon abonaţi aţilor  lor   b) Utilizarea interfeţei radio pentru accesul multiplu al abonaţilor la reţea 1

De aceea în reţelele mobile apare necesitatea utilizării a 2 funcţii specifice de gestiune: 1) Mobilit Mobilitatea atea abonaţil abonaţilor  or  2) Resurs Resursele ele radio radio ale reţelei reţelei Funcţiile de tipul 1) se referă la localizarea abonaţilor şi efectuează direcţionarea apelului către un abonat mobil doar în celula în care la momentul dat se află abonatul mobil. Funcţiile de tipul 2) controlează stabilirea şi eliberarea conexiunii dintre oarecare abonat apelant şi abonatul mobil, realizează gestiunea traficului şi transfer de convorbire dintr-o celulă în alta. Ca urmare a posibilităţii deplasării abonaţilor a sistemei de comunicaţii mobile se definesc următoarele funcţii: 1. Roum Rouming ing (mob (mobili ilitat tatea ea)) 2. Loca Locali liza zare reaa 3. Transfe Transferul rul legăt legăturii urii (hand (hand over over / hand hand off) 1. Rouming – orice telefon mobil care este oprit (adică este deconectată alimentarea) este considerat de către reţea ca detaşat şi el nu se „vede” în reţea şi nimic nu se ştie despre poziţia lui sau dacă el este sau nu este în reţea. Cînd telefonul este pornit (adică este conectată alimentarea) el este considerat de reţea ca ataşat şi în dependenţă de metoda de localizare poate fi ştiută şi poziţia lui în reţea. Poziţia telefonică în reţea nu înseamnă cunoaşterea coordonatelor geografice, ci doar grupul de celule în care el se află.

În condiţiile de ataşare a telefonului există 2 regimuri de lucru: 1) Inactiv / pasiv pasiv / de aşteptare( aşteptare(stand stand by) by) – în această această stare telefonul telefonul în regimul regimul automat efectuează măsurări de nivelul semnalului emiţătoarelor staţiilor de  bază pentru a putea determina semnalul cu o calitate mai bună (adică semnalul la care raportul semnal/zgomot este mai mare) şi a alege ca staţia de  bază la care să se conecteze emiţătorul să aibă cel mai mare semnal. 2) Activ / ocupat ocupat – regimul regimul în care care se vorbeşte vorbeşte la telefon; telefon; aici telefonul telefonul şi şi staţia de bază măsoară în continuu nivelul semnalului pe canalul de trafic şi nivelul semnalului de la staţiile de bază vecine pentru a aprecia faptul de a continua legătura în curs de canalul care s-a început sau de a efectua schimbu legăturii  pe alt canal: în cazul cînd nivelul semnalului pe canalul de trafic trafi c scade sub un nivel dat. Posibilitatea de mişcare a abonatului şi schimbarea conectării pe interfaţa radio în  starea inactivă a telefinului mobil se numeşte – rouming  sau moblilitate .  Noţiunea de mobilitate se referă în caz general la: a. Mobilitatea Mobilitatea terminalelor terminalelor – permite permite accesarea accesarea de către abonaţi abonaţi a reţelei mobile mobile cu ajutorul terminalelor mobile în orice loc şi în orice moment de timp. Se  presupune că abonatul mobil poate deplasa cu el terminalul mobil de telefon. 2

Reţeaua mobilă trebuie să dispună de mijloacele de localizare, de identificare şi accesare a ei din partea terminalelor mobile.  b. Mobilitatea abonaţilor(persoanelor) abonaţilor(persoanel or) – reprezintă posibilitatea unui utilizator  uti lizator  de a accesa reţeaua de la orice terminal mobil în baza unui cod sau parole (sau ambele) c. Mobilitatea Mobilitatea serviciilor serviciilor – reprezintă reprezintă posibilitatea posibilitatea unui utilizator utilizator de de a ccesa ccesa serviciile reţelei mobile indiferent de locul unde se află şi care sunt reţelele intermediare utilizate. Gradul de mobilitate poate fi următoarele tipuri: a) Mobilitatea Mobilitatea intrareţea intrareţea – cînd abonatul abonatul mobil mobil se deplasează deplasează doar doar pe teritoriul unei singure reţele  b) Mobilitatea intereţea – cînd abonatul poate poat e să se deplaseze pe teritoriul mai multor reţele mobile din orice loc c) Mobilitatea Mobilitatea naţională naţională – cînd cînd 2 sau sau mai multe multe operatori operatori ale ale serviciilor  serviciilor  mobile acoperă după înţelegere teritorii diferite ale unei ţări şi abonatul din orice punct al ţării poate accesa abonaţii de pe tot teritoriul ţării. În punctele b) şi c) pentru a efectua convorbiri este necesar ca:  Să existe o înţeşegere între operatori de deservire reciprocă a abonaţilor   Să existe o interfaţă radio comună d) Mobilitatea Mobilitatea în spaţiu spaţiu GSM – permite permite utilizatoru utilizatorului lui să se deplaseze deplaseze pe teritoriul unei sau mai multe ţări unde se utilizează sistemul GSM. 2. Localizarea în reţeaua reţeaua PSDN – abonatul tot timpul este conectat doar la un singur comutător. Apelul adresat unui abonat concret tot timpul va fi direcţionat către acest comutător. În reţele mobile abonatul poate fi „conectat” la diferite comutătoare în dependenţă de locul aflării lui la momentul sosirii apelului şi pentru a putea direcţiona acest apel către abonatul dat este necesar de ştiut poziţia acestui abonat, adică pe teritoriul cărei celule sau grupului de celule el se află, aceast funcţie se numeşte –  localizare . Teoretic există 3 tipuri de localizare: 1) Localizarea Localizarea la nivel nivel de celulă celulă – cînd reţeaua reţeaua „ştie” „ştie” în permanenţă permanenţă în ce celulă se află abonatul şi la sosirea unui apel direcţionează acest apel în celula dată. 2) Localizarea Localizarea la nivel nivel de reţea – cînd se „ştie” „ştie” doar că că abonatul abonatul se află în reţea, reţea, dar nu se „ştie” pe teritoriul cărei celule şi la apariţia unui apel el este trimis în toată reţeaua. 3) Localizarea Localizarea la nivelul nivelul unui grup grup de celule celule – cînd se „ştie” „ştie” că abonatul abonatul se află într-una din celulele unui grup şi la apariţia apelului el este trimis în grupul dat de celule. Primul tip – localizarea la nivel de celulă – are următorul dezavantaj: că în reţeaua în permanenţă se ocupă canalele de semnalizare, deoarece mobilul trebuie să informeze reţeaua în permanent despre poziţia sa; dar are avantajul că apelul către abonatul este trimis direct în celula dată şi nu ocupă alte canale de apel 3

Al doilea tip – localizarea la nivel de reţea – are următorul dezavantaj: că la apariţia unui apel el se transmite în toată reţeaua şi aceasta poate duce la multe situaţii de imposibilitate de a forma mai multe apeluri concomitent; dar are avantajul că nu se ocupă canalele de semnalizare în permanenţă şi nu se consumă energie de la sursa telefonului mobil în starea lui de aşteptare. Al treilea tip – localizarea la nivelul unui grup de celule – reprezintă un compromis între primele două tipuri. 3. Transferul de legătură ( hand off / hand over ) – este o procedură de gestiune a resurselor radio necesare acestei proceduri, reesă din posibilitatea de mişcare a abonatului în timpul desfăşurării unei convorbiri. Această funcţie permite de a menţine legătura pe toată perioada convorbirii, chiar dacă abonatul traversează teritoriul mai multor celule. Datorită mobilităţii calitatea transmisiei scade pe măsura ce abonatul se îndepărtează de emiţătorul staţiei de bază şi se apropie de emiţătorul altei staţiei. Procedura de transfer automat a unei convorbiri dintr-o celulă în alta şi de pe un canal pe altul se numeşte – transferul de legătură ( hand off / hand over ) . Pentru realizarea hand over-ului sunt necesare următoarele condiţii: a) Monitorizarea permanentă a calităţii transmisiei convorbirii în curs.  b) Monitorizarea permanentă a calităţii semnalelor recepţionate de la emiţătoarele celulelor vecine. c) Definirea unei proceduri de decizie de schimbare a legăturii d) Definirea unei proceduri de cimutare rapidă a conexiunii de pe un canal dintro celulă pe alt canal în altă celulă (sau aceeşi celulă).

Tema: Conceptele de bază ale sistemelor de comunicaţii mobile . Bebzile de frecvenţă alocate sistemei de comunicaţii mobile se saturau rapid din cauza creşterii numărului de abonaţi de aceea pentru a putea satisface cerinţile crescînde de comunicaţii mobile era necesitatea de următoarele: 1) Sau să aloce benzile de frecvenţă noi 2) Sau să găsească nişte principii de organizare ale sistemei de comunicaţii mobile, ce ar permite creşterea nelimitată a capacităţii sistemei(adică creşterea numărului de abonaţi) fără a lărgi spectrul de frecvenţe(în limita  benzii date) Au fost propuse mai multe principii însă au fost utilizate doar cîteva concepte revoluţionale. 1. Coneptul multiplixării – ce permitea transmisiunea simultană pe acelaşi canal radio a mai multor abonaţi. Suplimentar la acest concept au fost utilizate mai multe metode de acces multiplu, ce permitea de asemenea accesul simultan a unui canal radio de către un număr mare de abonaţi (FDMA,TDMA,PRMA,CDMA) 4

2. Conceptul celular – ce a fosr elaborat în 1974 la Bell Laboratories şi care constă în divizarea ariei de acoperire în suprafeţe mai mici, numite – celule. Fiecare din ele avînd amplasate în centrul geometric un emiţător-receptor (numit - transiever) şi care deservea toţi abonaţii, ce se aflau pe teritoriu acestei celule. Acelaşi canal radio  putea fi utilizat simultan în oricare din celulele sistemei cu condiţia că aceste celule să fie amplasate una faţă de alta la o distanţă oarecare pentru evitarea interferenţei reciproce. 3. Conceptul de divizare a celulelor (cell split) – în cazul cînd într-o reţea, ce se află de un timp în expluatare, apare necesitatea măririi capacităţii într-o regiune dată astfel se utilizează procedura de divizare a celulelor în aşa fel ca suprafaţa acoperită de oarecare antenă de emisie recepţie sa se micşoreze. De exemplu, dacă la o celulă cu o antenă omnidirecşională a crescut brusc numărul de abonaţi, capacitatea celulei creşte de trei ori n 3

1

2 n n

Divizarea celulei are ca urmarea creşterea capacităţii de atîtea ori în cîte părţi ea a fost divizată. 4. Conceptul reutilizării frecvenţei principale – ce constă în utilizarea simultană al unuia şi aceluiaşi canal radio de către mai mulţi abonaţi în zone geografice suficient îndepărtate pentru excluderea apariţiei intefeţelor izocanal. Distanţa minimă între 2 staţii de bază (BS) ce utilizează acelaşi set de canale se numeşte – distanţa de reutilizare (D) Acest concept este cunoscut în televiziune şi în radiodifuziune unde cu ajutorul unui emiţător puternic se stăruie să acopere o suprafaţă mai mare ţi cerinţa de bază este că la hotarile ariei de acoperire nivelul semnalului să fie mai jos decît un nivel dat. În sisteme de comunicaţii mobile se utilizează emiţătoare de putere mică sau foarte mică şi cerinţa principală constă în faptul că la hotarile ariei de acoperire nivelul semnalului nu trebuie să depăşească un nivel dat. În principiu distribuirea emiţătorului pe aria de acoperire nu trebuie să fie regulată, iar celulele nu trebuie să aibă o formă sau mărime anumită.  § Dimensiunile şi formele celulelor.

În dependenţă de dimensiunile geometrice celulile se clasifică în: 1) Picocelule – cu raza de acţiune de 10÷20m şi se utilizează la întreprinderi(birouri) sau locuri unde se adună mulţi abonaţi(gară, aeroport) 2) Microcelule – cu raza de acţiune de 100m. 5

3) Celule medii – cu raza de acţiune de 100-200m. 4) Celulele macro – cu raza de acţiune în dependenţă de sistem de la 2 la 10km 5) Celulele umbrelă – care acoperă o arie deja acoperită de mai multe celule. Celula umbrelă

Luînd în consideraţie faptul că antena BS este omnidirecţională, aria de acoperire are forma unui cerc cu BS amplasată în centrul geometric, dacă mediu de propagare este omogen în toate direcţiile. Pentru evitarea unor probleme ce pot apărea în cazul, aşa numitor suprafeţe cu „probleme” de tipul 1 sau 2 Tipul 2 – se suprapun 3 celule BS BS

Tipul 1 – se suprapun 2 celule

BS

Ca rezultat pentru proiectarea şi descrierea s-a hotărît de a utiliza forme de celule ce au forme geometrice regulate, cum sunt: 1) Triunghi echilateral 2) Dreptunghi 3) Pentagon 4) Hexagon §  Elemente de bază ale sistemului de comunicaţii mobile celulare PSTN MSC 1

6

PSTN MSC 1

LC

MSC 2

LC

Elementele de bază sunt:  ME – Mobile Equipment – echipament mobil şi poate fi portabil sau transportabil  BS – Base Station –staţia de bază  MSC – Mobile Switching Centre – centru de comutaţie mobilă  LC – linii de conexiune  Radiointerfaţa ME – reprezintă un transiver ce funcţionează pe un canal radio duplex. În

sistemul GSM ME conţine cartela SIM(Subscriber Identity Number) – modulul de identitate a abonatului. Funcţia de bază ME este legătura finală cu abonatul mobil (poate fi analogică sau digitală) BS – reprezintă elementul ce efectuează legătura cu ME prin interfaţa radio, conţine, de obicei, 2 antene de recepţie şi 1 de emisie sau antena de emisie este una din antenele de recepţie. Pentru excluderea elementului fading, BS conţine cîteva receptoare şi tot atîtea emiţătoare egale cu numărul de canale utilizate în celulă. Funcţiile de bază a BS constau în efectuarea legăturii finale cu abonatul, dirjarea resurselor radio, împerună cu MSC efectuează procesele de hand over. MSC – comutarea canalelor în MSC reprezintă o centrală telefonică electronică

automată. Funcţiile de bază a MSC sunt efectuarea urmărirei generale a situaşiei în sistemele de comunicaţie mobile, dirijarea resurselor radio şi procedurilor de hand over, efectuarea legăturii dintre BS şi PSTN, realizînd în acest fel o reţea globală, ce conţine toate bazele de date din reţea. Reţea de telefonie mobilă PLMN – Public Land Mobile Network. LC – există 1 tipuri de linii de conexiune:

1) Efectuează legătura dintre MSC şi BS, poate fi realizat prin cablul, fibră optică, undă radio. 7

2) Efectuează legătura permanentă între MSC şi PSTN, se divizează prin cablu sau fibră optică. Funcţia de bază este transmiterea informaţiei pe diferite sectoare. Radiointerfaţa – în dependenţă de sistemul se utilizează diferite interfeţe radio.

Funcţia de bază constă în transmiterea informaţiei de la BS la ME şi invers. Tema:  Mecanisme de acces multiplu la interfaţa radio.  § Noţiuni generale

Organizarea sistemei celulare a comunicaţiilor mobile a fost impusă de necesitatea creşterii numărului de abonaţi ce pot fi deserviţi simultan, utilizînd doar banda de frecvenţă alocată. Eficienţa utilizării spectrului de frecvenţă se caracterizează prin numărul de abonaţi simultan deserviţi sau prin numărul de canale ce pot fi formate în această  bandă. Un rol deosebit în funcţionarea sistemei mobile îl au metodele de acces multiplu a unui canal de comunicaţie. Sistemele în care pentru schimbul de informaţie dintre abonaţi se utilizează un canal comun de comunicaţie la care are acces liber fiecare abonat se numeşte –  sistem cu acces multiplu. Se presupune că informaţia fiecărui abonat, fiind introduse într-un loc de acces a canalului, poate fi separată în alt loc de acces a canalului; cerinţa de bază de către canal este de a transmite informaţia fără a o schimba şi fără a permite acţiunea altor  semnale de perturbaţii. Forma generală a unui sistem cu acces multiplu este: SI 1 SI 2 SISINN

S1(t) S2(t) S N(t)

U '1(t)

U1(t) Ti 1 U2(t)

U '∑(t) Rx

Ti 2 U N(t) Ti N

U∑(t)

DI 1

Rx 2

DI 2

Rx N

DI  N

U '2(t)

Tx

Canalul comun de  perturbaţii şi acţiuni externe

Rx 1

U  N' (t)

Unde SI – este sursa de informaţie Ti – este emiţătorul Rx – este receptorul DI – este destinatarul de informaţie 8

Modul de alocare a canalelor permite de a realiza 2 tipuri de sisteme cu acces multiplu: 1) Necontrolate – cînd fiecărui abonat i se alocă permanent pentru utilizarea un canal de comunicaţie, la apariţia necesităţii transmiterii informaţiei abonatul transmite informaţia prin canalul alocat fără a acţiona asupra transmiterii altor  informaţii. Neajunsul constă în faptul că spectrul de frecvenţe nu se utilizează eficient fiind că un abonat nu ocupă tot timpul canalul. Avantajul constă în faptul că abonatul în orice moment de timp poate transmite informaţia. 2) Controlate – cînd canalele nu sunt fixate, fiecărui abonat, ei sunt gestionate de o sistemă centrală de control, care duce evidenţa permanentă a stării fiecărui canal şi la apariţia unei cereri de apel(acces) din partea unui abonat sistema centrală de dirijare alocă unul din canalele libere, abonatul ocupă acest canal pe perioada comunicaţiei după care canalul se consideră liber şi  poate fi din nou alocat altui abonat. Neajunsul constă în necesitatea utilizării unui sistem central de control cu fiabilitate foarte mare şi cu viteză de lucru crescută. Avantajul constă în creşterea eficienţii utilizării spectrului de 1015ori faţă de acces necontrolat. În sistemele de comunicaţii mobile se utilizează mai mult mecanisme de acces multiplu, cele mai răspîndite sunt: 1. FDMA – Frequency Division Multiple Acces 2. TDMA – Time Division Multiple Acces 3. CDMA – Code Division Multiple Acces 4. PRMA – Pachet Reserve Multiple Acces  § FDMA – accesul multiplu cu divizare în frecvenţă

FDMA se caracterizează prin faptul că un canal radio poate fi folosit la un moment dat de un singur utilizator, un alt utilizator va putea utiliza acelaşi canal radio la eliberarea lui de alt utilizator. Principiu FDMA poate fi lămurit prin următoare schemă: F F2 Canalul 3 f4 f3 f2 F 1 f1

Δf 3

Canalul 2 Canalul 1 t

Δf c

Dacă unui sistem de comunicaţie mobilă i se alocă o bandă de frecvenţă F 1÷F2, această bandă se împarte în sectoare care se numesc canale cu Δf c, formîndu-se n canale. 9

Între 2 canale vecine există o bandă de gardă pentru ca semnalul canalelor vecine să nu influenţeze reciproc unul pe celalt. Neajunsurile: 1) Necesitatea existenţei benzii de separare duce la micşorarea numărului total de canale 2) Numărul de comunicaţii simultane este redus deoarece o purtătoare poate deservi un singur abonat Avantajul constă în faptul că se pot defini canalele de bandă îngustă în care fadingul este plat (adică neselectiv în frecvenţă) Canalele de comunicaţie trebuie să asigure transmiterea informaţiei în 2 direcţii. În FDMA există 2 tehnici de organizarea canalului duplex: 1. FDD (Frequency Duplex Division) – este o bandă de frecvenţă alocată de la F1÷F2 ce se divizează în 2 benzi egale, separate între ele, cum este prezentat în următoare figură: f 1

ME→BS

1

2

f 2

f 3

n

BS→ME

1

2

f 4 n

F1

F2 2

F

2 F ΔFd

Fiecare bandă f 1, f 2 şi f 3, f 4 se sapară în canalele şi fiecare bandă se uilizează doar   pentru semnalul sau informaţia transmisă într-o singură direcţie. În sisteme de comunicaţii mobile banda de jos se utilizează pentru transmiterea în direcţia ME→BS, iar cea de sus pentru transmiterea inversă BS→ME. Canalul duplex 2 este prezentat pe aceiaşi schemă(partea de jos). ΔFd – este departajarea în frecvenţă a canalului simplex în canalul duplex. 2. TDD (Time Duplex Division) are următoare formă: F ME→BS

f 2 f 1

t

t+T/2

t+T

BS→ME

t+3/2T t+2T t

10

Funcţionare în timp a unui canal format prin FDMA pentru duplexarea TDD se organizează împărţind timpul de lucru în nişte intervale mici de timp cu durata T, în şa mod că în prima jumătate a perioadei T se efectuează transmiterea informaţiei într-o direcţie, de exemplu ME→BS, iar în următoare jumătate a perioadei T se efectuează transmiterea în direcţia inversă, adică BS→ME, după care ciclul se repetă periodic cu perioada T. Dacă banda canalului simplex este B, atunci la FDD banda canalului duplex va fi 2B, în cazul TDD banda B a canalului se împarte în secvenţe egale de timp, iar  vitezele de transmitere vor fi de 2 ori mai mici ca în cazul FDD.  § TDMA – accesul multiplu cu diviziune în timp

Sensul TDMA constă în miltiplexarea în timp a mai multor comunicaţii pe unul şi acelaşi canal(pe una şi aceeaşi purtătoare de frecvenţă). Principiul TDMA poate fi lămurit prin următoare figură: F F2

T S1

S2

S3

.......

Si

.......

Sn

F1

Garda de protecţie t

Un cadru TDMA constă din S1...Sn sloturi, in slot de timp are următoare formă: S

SYN DATA P

DATA F

G

Canalul i format prin procedura FDMA se se împarte în nişte secvenţe mai mari de timp, numite cadre TDMA, care la rîndul său se împart în n sloturi(ferestre) de timp Sn (n este diferit pentru diferite sisteme de comunicaţii mobile). În fiecare slot de timp poate fi trensmisă sau recepţionată informaţia doar unui singur abonat, iar celelalte sloturi de timp sunt ocupate de către alţi abonaţi, rezultă că pe acelaşi canal pot lucra concomitent n abonaţi, faptul constă doar în aceea că acest canal i este alocat fiecăruia din n abonaţi doar pe intervalul de timp Si. Un slot de timp are constă din: S – biţi de start SYN – biţi de sincronizare DATA – secvenţe pentru transmiterea sau recepţia informaţiei utile P – secvenţa în timpul căreia se efectuează măsurarea parametrilor canalului F – secvenţa de finalizare a sloturilor  G – secvenţa de separare între 2 sloturi vecine.

11

Cel mai mare volum de timp este ocupat de secvenţele DATA, care practic la  jumătatea acestor secvenţe se introduce o procedură de măsurare a calităţii semnalului. Canalul duplex în TDMA se obţine prin FDD sau TDD(mai rar).  Avantajele TDMA sunt:

1) Cerşterea eficienţii utilizării spectrului 2) Simplificarea echipamentului BS(pentru utilizator se utilizează un receptor  sau emiţător) 3) Micşorarea consumului de energie de către staţia mobilă 4) Sloturile în care nu emite staţia mobilă se folosesc pentru măsurarea cîmpului  Dezavantajele TDMA sunt:

1) Formarea sloturilor de timp presupune referinţa unui segment de timp şi sincronizarea tuturor abonaţilor  2) Datele trebuie transmise prin interfaţa radio de n ori mai repede pentru a avea aceeaşi viteză ca şi în cazul utilizării unui canal de către un utilizator  3) Într-un moment de timp un slot poate fi accesat de un singur utilizator, în caz contrar apar coliziuni de accesare şi toţi abonaţi primesc refuz de accesare. Principalele tehnici de acces ale sloturilor Si în sistemele de comunicaţii mobile sunt: a) Acces aleator sincron – în acest caz fiecare utilizator emite la momentul apariţiei necesităţii de transmitere(aleator), dar numai la începutul ferestrei de timp(sincron)  b) Acces de detectarea stării canalului – accesul unui canal de către un utilizator se efectuează doar în cazul cînd utilizatorul „ascultă” eterul şi detectează un canal liber, dacă nu apar coliziuni se efectuează transmisia şi acest slot se menţine ocupat atîtea cadre TDMA, cît timp  poate dura transmiterea; după terminarea comunicaţiei sistemul detectează lipsa informaţiei în slotul corespunzător şi el poate fi ocupat de alt utilizator.  § PRMA – accesul multiplu cu rezervarea pachetelor 

PRMA este utilizat în special în sistemele de comunicaţii mobile pentru transmiterea datelor care sunt orgamizate în pachete (o consecutivitate de date care conţine informaţia despre destinatar(începutul de pachet), sursa unde trebuie trimisă informaţia(sfîrşitul pachetului) şi nişte informaţii de servicii despre pachet). O întrabare importantă este alegerea lungimii pachetului, din punct de vedere al eficienţii transmiterii informaţiei utile secvenţele cu această informaţie în pachet trebuie să fie cît mai mari, iar secveţele cu informaţia auxiliară (adresa, sincronizarea, începutul şi sfărşitul) trebuie să fie cît mai mici, din acest punct de 12

vedere pachetul trebuie să aibă o lungime cît mai mare, însă din cauza necesităţii de retransmitere a pachetelor lungimea lor nu poate fi foarte mare. Astfel în fiecare segment al pachetelor se găseşte un compromis. Transmiterea prin pachete permite de a comprima informaţiile utile şi pe unul şi acelaşi canal pot fi transmise pachetel ale utilizatorului. În comunicaţie vocală activitatea vocală constituie aproximativ 38% din convorbire, ocuparea unui canal de către un utilizator indică la o lungime de 38%, în cazul organizării comunicaţiei vocale în pachete se transmit doar pachetele ce conţin informaţii utile, iar în timpul rămas pot fi transmise pachete de date sau de alţi abonaţi. Principală caracteristică a PRMA costă în rezervarea unui slot temporal pe durata transmisiei, acesta se efecuează prin efectuarea unui schimb de informaţii între BS şi utilizatori. BS transmite în regiunea de difuziune(pentru toţi abonaţii din aria de acoperire) semnale despre sloturi ocupate şi lebere. Abonaţii care au formate  pachete pentru transmitere adresează un apel sau cerere de ocupare a unui pachet într-un slot dat şi dacă nu există alţi abonaţi se tranmite cîte un pachet în fiecare slot, în caz contrar toţi abonaţi primesc refuz şi în cadrul următor acest pachet este indicat ca pachetul liber. Modul de funcţionare a PRMA este prezentat în următoare figură: Cadrul K  S1 S2 R11 R5 11 5

S3 L 4,6

S4 S5 S6 R3 R1 R8 _ 1 8

S7 L _

S8 R2 2

R11 R5 11 5

L _

L 4

R1 1

R8 _

L 6

R2 2

K+1

R11 R5 11 5

L 12

R4 4

R1 1

L _

R6 6

R2 2

K+2

Cererile pentru adresări

Cadrul constă din 8 sloturi. În cazul K+1: S3, S4 sunt libere, abonatul 4 se adresează cu cerere de acces. În cazul K+2: la S3 se adresează abonatul 12, abonatul 4 primeşte slotul 4. Utilizarea PRMA are un neajuns şi anume: laun trafic intens un pachet poate aştepta in timp foarte îndelungat pentru şi dacă el ar fi transmis cu o reţinere mare în comunicaţiile vocale ar apărea un discomfort legat cu apariţia unor intervale nedorite de lipse de semnal, de aceea pachetele cu o întîrziere mai mare de 0,01ms sunt excluse de emisie de către sistem, ce duce la pierderea unei părţi a unui sunet sau a sunetului întreg ce este mai suportabil în comunicaţiile mobile. Transmiterea prin PRMA are un avantaj ce constă în faptul că hand over-ul în interiorul unei celule sau dintr-o celulă în alta devine mult mai simplu şi se 13

efectuează daor în intervalele în transmiterea dintre 2 pachete, adică la finalizarea unui slot, dar mai multe cazuri la finalizarea unui cadru.  § CDMA – accesul multiplu cu divizarea în cod 

În lume există peste 270mln. de abonaţi CDMA, 68% din ei au acces la serviciile 3G, semestrial aproximativ 17mln. de abonaţi devin abonaţii CDMA. În Asia  penetrarea CDMA atinge nivelul de 43% din toţi abonaţii telefoniei mobile, din ei 79% au acces la servicile CDMA(datele anului 2000) Numărul total de abonaţi în Asia este aproximativ de 120mln. Tehnica CDMA face parte din familia mai generală a transmisiilor cu spectrul extins. Principiul sistemului cu spectrul extins poste fi lămurit prin următoarea figură: | D(f) | E/Δf 

Δf 

E/ΔF ΔF

f 

Idea principală a sistemului cu spectrul exstins constă în faptul că semnalul util ce  poate fi transmis într-o bandă de frecvenţă cu lăţimea Δf şi avînd energia E, iar E/ Δf (densitatea spectrală a energiei) se extinde în banda cu frecvenţa ΔF, care este mult mai largă decît Δf cu condiţia păstrării invariabile a nivelului de energie E a semnalului. Acesta duce la faptul că nivelul total al semnalului în spectrul extins se află la nivelul zgomotului şi nu poate fi interceptat de oarecare abonat, doar dacă nu se cunosc procedurile de „extragere” a acestui semnal din semnalul de zgomot. Metoda de extindere a spectrului permite de a exclude bruiajul semnalului util. Metodele de extindere a spectrelor de frecvenţă urmăresc: Extinderea în conformitate cu un cod  Necesitatea sinconizării transmisiunilor între abonaţi  Necesitatea utilizării unui dispozitiv ce ar exclude „înecarea” unui semnal mai slab de către un semnal mai puternic  Necesitatea efectuării codificării informaţiei şi a canalului de transmisie  pentru optimizarea performanţei globale şi maximizărea cantităţii de informaţie transmisă în sistem. Există 2 metode de bază de extindere a spectrului în sistemele de comunicaţii mobile: 1) FH/SS – Frequency Hopping / Speed Spectrum (extinderea spectrului  prin salt de frecvenţă) 2) DS/SS – Direct Sequence / Speed Spectrum (extinderea spectrului prin secvenţa directă) • • •

•

14

În cazul FH/SS comunicaţia este comutată succesi pe toate canalele sistemului extins prin saltul de frecvenţă. Consecutivitatea salturilor de frecvenţă trebuie să fie aceeaşi cît la emisie, atît şi la recepţie. | D(f) | Δf 

1

2

3

...

i

...

n

f 

ΔF

Abonatul1 1 5 9 40 13 4 70 Abonatul 2 8 13 17 62 4 ... ...

Saltul de frecvenţă  pe fiecare bandă de frecvenţă

Se cunosc 2 variante ale metodei FH/SS: lentă şi rapidă În varianta rapidă se realizează 2 sau mai multe salturi de frecvenţe pentru fiecare simbol transmis. În varianta lentă fiecare simbol transmis ocupă 2 sau mai multe salturi de frecvenţă. În metoda FH/SS condiţia de canal de bandă îngustă din punct de vedere al interferenţei intersimbol se reduce la micşorarea benzii de modulaţie faţă de banda de coerenţă, acesata duce la o distribuire neuniformă a puterii în banda de emisie(ΔF), însă are dezavantajul că emiţătorul şi receptorul ME şiBS să efectueze salturi sau comutări sincrone conform aceluiaşi cod la viteză mărită. FH/SS are 3 variante de implimentare: 1. ortogonală 2. aleatorie 3. combinată La varianta ortogonală fiecărui utilizator i se repartizează o secvenţă din V salturi de frecvenţă în aşa mod ca în fiecare moment de timp dat fiecare utilizator(abonat) utilizează salturi de frecvenţe diferite; capacitatea totală a sistemei creşte în comparaţie cu tehnicile FDMA şi TDMA aproximativ de 3÷4 ori, însă este limitată de numărul N de salturi. La varianta aleatorie fiecare utilizator activ are de asemenea un set de salturi de frecvenţă, însă aceste seturi nu sunt corelate între ele şi în aşa mod într-un moment de timpdat 2 sau mai mulţi abonaţi pot utiliza concomitent acelaşi salt de frecvenţe. Acest fapt duce la apariţia interfeţei dintre semnalele diferitor abonaţi, însă în rezultat poate fi brusc mărită capacitatea sistemei.

15

Există metode de restabilire a semnalului perturbat sau bitul de informaţie  perturbat poate fi aruncat(ignorat) aceasta poate duce la apariţia unor erori în comunicaţie, doar nivelul lor este foarte mic. În varianta combinată fiecărei celule îi este repartizat un set de secvenţe ortogonale, acelaşi set utilizîndu-se doar în celulele aflate la o distanţă foarte mare decît distanţa de realizare. Specefic este faptul că nu se efectuează sincronizarea secvenţelor în sistem şi aceste secvenţe sunt necorelate. Interfaţa izocanal apare numai în celule amplasate mai departe decît distanţa de reutilizare(D). Suplimentar această interfaţă se micşorează datorită necorelării secvenţelor, adică saltul de frecvenţe se efectuează în diferite celule în timp diferit. Statistica arată că ecvenţele identice din celulele diferite pot avea aceeaşi purtătoare de frecvenţă, doar o singură dată pe perioada secvenţei. Metoda DS/SS constă în multiplicarea fiecărui bit de informaţie cu o consecutivitate de cod foarte lungă (64 biţi). Aceste consecutivităţi prezintă aşa numitele funcţii Walsh(succesiuni de „0” şi „1”). La aceeaşi viteză de transmiterea informaţiei este necesară o viteză de bit mult mai mare şi un canal cu o bandă mult mai largă. Acest principiu se utilizează pe larg în sistemele de comunicaţii mobile şi constă în faptul că informaţia utilă se transmite în eter fiind multiplexată cu una sau cîteva secvenţe ortogonale; este important faptul că emiţătorul şi receptorul să fiu sincronizaţi. Schema-bloc a principiului DS/SS este: x+A+B+C

SI

x+A

x+A+B

+

+

A

B

x+A+B +

DI

x+A

+

+

+

C

B

A

Semnalul util x C

Secvenţe de extensie

Destinatar de informaţie sau sursa de informaţie

Tema:  Proiectarea reţelei de comunicaţii mobile  § Scopurile proiectării 

La proiectarea unei reţelei de comunicaţii mobile este necesar de efectuat următoarele proceduri: 1) divizarea teritoriului care este necesar de „acoperit” şi aflarea locului amplasării staţiilor de bază a fiecării celule 2) repartizarea canalelor sistemei între celulele 3) optimizarea parametrilor sistemei în timpul proiectării şi expluatării 4) calculul infrastructurii reţelei Etapele proiectării unei reţelei de comunicaţii mobile pot fi prezentate astfel: 16

1 3

4

2

1. – Planificarea acoperirii 2. – Planificarea capacităţii 3. – Planul de frecvenţe 4. – Analiza şi optimizarea La planificarea acoperirii se efectuează calculul cîmpului pe teritoriul fiecărei celule, posibilitatea interferenţei pe celule şi posibilitatea înlăturării lor. La planificarea capacităţii se efectuează calculul numărului de celule şi  posibilitatea realizării canalelor reeşind din numărul total de abonaţi, traficul  prognozat şi probabilitatea de refuz a chemării a sistemei(în sisteme de comunicaţii mobile probabilitatea de refuz de obicei nu depăşeşte 2%).  § Repartizarea seturilor de canale între celulele sistemului 

Set de canal utilizat într-o celulă reprezintă un număr de canale nevecine(nu sunt amplasate pe frecvenţe alături). Vom studia procedura de repartizare a seturilor de canale în celule de forma hexagonală utilizînd 2 factori: i şi j, care se mai numesc factori(parametri) de deplasare. Procedura constă din: 1. Se alege o celulă oarecare de pe teritoriul ce trebuie acoperit şi acestei celule iniţiale i se atribuie un oarecare set de canale. 2. Cele mai apropiate 6 celule care vor utiliza acelaşi set de canale se determină deplasîndu-se din centru celulei iniţiale perpendicular pe fiecare din laturile celulei iniţiale cu i unităţi (sub unitate se subînţelege distanţa dintre 2 celule vecine). 3. Sub un unghi pozitiv în sens geometric(de la o linie contra acelor de ceasornic) de 60º se deplasează cu j celule. Celulei obţinute i se atribui setul iniţial de canale 1. 4. Se alege o oarecare celulă ce se află între celulele ce au primit deja un set de canale şi se repetă 1÷3. 2 cuprinse între celulele cu 5. Procedura se termină atunci cînd toate celulele 7 3 trebuie2 să fie diferite; setului 1 au primit cîte 1 set de canale (toate seturile 1 7 3 diferite seturi de canale nu pot utiliza unul şi acelaşi canal). 4 6 1 2 7

De exemplu: i=2; j=1 (i≠j; i>j)

5 3

1

7

5

3 1

6

7

4

3 1

6

3 1 4

6 2

7 4

5

2 7

5

2

4 5

2

4

6

6

5 3

1 4

6 5

17

Pe teritoriul acoperit se formează grupul de celule numite clustere (ce constă din 7 celule, şi se indică cu o linie mai groasă) Numărul de celule în cluster se calculează conform următoarei formuleŞ k= i2 + ij + j 2 = 22 + 2*1 + 12 = 7 (pentru cazul dat) Distanţa minimă dintre centrele a 2 celule ce utilizează acelaşi set de canale este numită distanţa de reutilizare şi se notează prin D, se calculează conform formulei:  D

=

 R

3k 

Unde R este raza celulei Distanţa de reutilizare D dintre celulele ce utilizează acelaşi set de canale mai  poate fi calculată după formula:  D  x1,  x 2,  y1, y 2

=

 R

3 ( ( x1

+ x 2 )

2

+

( x1 − x 2 )( y1 − y 2 )

+

2

( y1 − y 2) )

- sunt coordonatele punctelor între care dorim să aflăm distanţa de

reutilizare. Cel mai des utilizate sunt valorile k = 4, 7, 12 şi D = 3,46R; 4,58R; 6R. Valorile mici a lui k se utilizează în zonele rurale şi posibil suburbane, iar k cu valorile mari(12,19) în zonele urbane cu trafic intens. Dacă toate celulele emit semnale de aceeaşi putere în timp ce creşterea lui k dice la creşterea D, pe de altă parte creşterea luui k reduce probabilitatea apariţiei interferenţei izocanal. Pentru mărirea valorii D este necesar de a minimiza distanţa de reutilizare a frecvenţei din acest punct de vedere se cere găsirea celei mai mici valori lui k ce corespunde cerinţelor de capacitate în lipsa interferenţei.  § Algoritme de repartizarea a canalelor între staţiile de bază

Există un număr mare de algoritme de repartizare a canalelor în calulele sau BS; cele mai des aplicate sunt următoarele: 1. Algoritmul de alocare fixă a canalelor între BS  – în acest caz numărul total de canale se calculează după formula:  M  = ∆ F  / ∆   f  c

este spectrul de frecvenţe alocat sistemei   f   este banda unui canal(cînd nu există benzi de gardă între canale) ∆ Toate acestea canalese reparizează uniform între toate BS. Pentru aceasta nimărul total de canale se împarte la numărul total de celule din cluster şi se află numărul de canale ce revine fiecărei BS. ∆ F  c

 M  k 

Cînd mult

n BS 

= n BS 

nu este un număr întreg primile celule din BS vor avea cu un canal mai

18

De exemplu: dacă în sistem se utilizează 50 canale: M=50, k=9 atunci repartizarea canalelor este dată de următorul tabel:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 1 0 1 9 2 8 3 7 4 6

2 1 1 2 0 2 9 3 8 4 7

3 1 2 2 1 3 0 3 9 4 8

4 1 3 2 2 3 1 4 0 4 9

5 1 4 2 3 3 2 4 1 5 0

6 1 5 2 4 3 3 4 2

7 1 6 2 5 3 4 4 3

8 1 7 2 6 3 5 4 4

9 18 27 36 45

 M  / k  = 50 / 9 = 5.55

La prima celulă se referă setul ce constă din canalele 1,10,19,28,37,46  La a doua celulă se referă setul ce constă din canalele 2,11,20,29,38,47  La a treia, a patra şi a cincea celulele se refer seturile ce conţin cîte 6 canale  La a şasa, a şaptea, a opta şi a noua celule se refer seturile ce conţin cîte 5 canale Neajunsul algoritmului constă în faptul că banda de frecvenţă a canalelor nu se utilizează efectiv. De exemplu, dacă într-o celulă sunt ocupate toate canalele şi mai apare un apel, acest apel ve primi un refuz necătînd la faptul că în celule vecine există canale libere. Avantajul acestui algoritm constă în faptul că alocarea canaului la apariţia apelului este cea mai rapidă. 

2. Distribuirea dinamică a canalelor  – constă în faptul că toate canalele se află într-un fond de rezervă a sistemei şi la apariţia unui apel în orice celulă se alocă un canal din fondul de canale după terminarea comunicaţiei cu canalul dat el este returnat în fondul de canale şi poate fi utilizat pentru convorbiri la alte celule. 19

Avantajul acestui algoritm constă în faptul că se utilizează efectiv canalele, însă alocarea unui canal pentru un apel necesită un timp mai mare. Pentru a mări eficienţa utilizării canalelor şi posibilităţii apariţiei între canale, această procedură utilizează un mecanism de comutare permanentă a convorbirilor  de pe un canal pe altu pentru a respecta valoarea D. 3. Algoritmul de repartizare impusă a canalelor – aici fiecare celulă utilizează 2 tipuri de canale: a) Canale de bază(nominale) şi la apariţia apelului în celulă se utilizează la început toate canalele nominale  b) Canale secundare care pot fi utilizate doar cînd sunt ocupate cele nominale B(A,C) A(B,C) C(A,B) C(A,B) B(A,C)

A – canale nominale (se utilizează prioritar) B,C – canale secundare (se utilizează cînd sunt utilizate toate canalele nominale)

Alocarea canalelor secundare în celula dată se efectuează controlînd lipsa apariţiei interferenţei între canaşeşe secundare şi cele nominale(din celula dată secundară şi celula vecină nominală) În cazul utilizării canalelor la apariţia canalelor nominale libere se efectuează transferul legătura de pe canal secundar ocupat pe cel nominal liber. 4. Algoritmul de repartizare hibridă – fiecare celulă are cîte un număr mic de canale repartizate fix şi aceste canale pot fi utilizate dar în celula dată şi există o rezervă de canale, fiecare din aceste canale poate fi utilizată în orice celulă. Tema: Canalul radio în sisteme de comunicaţii mobile.

 Modelarea lui.  § Noţiuni generale

Canalul în sisteme de comunicaţii mobile reprezintă banda de frecvenţă utilizată  pentru transmiterea semnalului(în ambele direcţii) şi mediu de propagare a semnalelor. În sisteme clasice de telecomunicaţii sub noţiune de canal se subînţelege totalitate de echipamente pentru pregătirea şi introducerea semnalelor în mediu de propagare şi echipamente de recepţie a semnalelor din mediu de propagare. În sisteme de comunicaţii mobile se utilizează semnale în banda de frecvenţă de 150MHz ÷ 3GHz, canalul prezintă un radio canal şi în dependenţă de amplasarea BS şi a abonatului există următoarele medii de propagare: 1) Plan deschis – cînd între antena de emisie şi recepţie nu există nici un obstacol şi transmiterea are loc prin unda directă. 20

2) Zonele rurale – se caracterizează prin faptul că nu există abstacole masive. 3) Zonele suburbane – se caracterizează prin construcţii relativ dense 4) Zonele urbane – se caracterizează prin clădiri înalte şi foarte înalte amplasate foarte des.  § Unde electromagnetice şi moduri de propagare

Clasificarea undelor electromagnetice poate fi prezentată de următoare schemă Unde radio ionosferice

terestre

troposferice

spaţiale(prin eter)  prin suprafaţă directe reflectate Unde directe se utilizează în celule cu rază foarte mare şi în picocelule. refractate Unde reflectate se utilizează în zone urbane. Unde refractate se utilizează într-o mică parte a semnalului din antena telefonului mobil. • • •

 § Propagarea undelor în aer liber(zone deschise). Pierderi de  propagare.

Atenuarea semnalului reprezintă fenomenul de micşorare a puterii semnalului în rezultatul degajării energiei pe elemente parazite. Sub noţiunea de pierderi (path loss) a nivelului semnalului utilizat, mai ales în semnale radio, se subînţelege micşorarea puterii semnalului la propagarea lui la o distanţă mare din cauza micşorării densităţii de forţă a cîmpului de unde. În cazul general pierderile în canalul radio a sistemelor de comunicaţii mobile pot fi calculate astfel: Pr   L[dB] = 10 lg (1)  Pe La propagarea în aer liber puterea semnalului în antena receptorului poate fi: C  Pr  = Pe * Gr * Ge[ ] (2) 4π *  f   2

d 

- reprezintă cîştigul antenei de emisie şi recepţie, Substituim formula (1) în (2) şi obţinem: Ge, Gr 

 L[dB] = 10 lg Gr  +10 lg Ge − 20 lg  f  [ MHz ] − 20 lg d [km] +147.6

(3)

şi Gr  nu se schimbă în timpul comunicaţiei , putem constata că pierderile semnalului în aer liber au pantă de 20dB pe decadă în dependenţă de distanţă. Ge

21

 § Pierderi prin reflecţie

Deoarece antena telefonului mobil se află în apropierea sdolului, practic în antenă nimeresc unde refelctate. În punctul de reflecţie unda suferă o modificare a direcţiei de propagare şi a fazei. În dependenţă de valoare unghiului de incidenţă faza undei reflectate se schimbă, însă pentru valoarile mici a unghiului de incidenţă această fază este egală ce -180º. Amplitudinea undei reflectate la fel depinde de unghiul de incidenţă şi poate lua valorile de la 0÷5÷6 de la unda incidentă. Modul de propagare prin unde de reflexie este următorul: d(directă) r  unda e incidentă

r(reflectată) unda reflechr  tată r r  φ reflectate φ şi directe calculul pierderilor  Cînd în antena de recepţie nimeresc unde he

se face prin formula (3). d În cazul lipsei undei directe pierderile se calculează astfel: Pr   Pe * Gr * Ge * ( =

he * hr  d 

2

)2

(4)

Substituim formula (4) în formula (1), în cazul cînd avem pierderi de propagare în unde de reflexie, şi obţinem următoare formulă:  L[ dB ] = 10 lg Gr  + 10 lg Ge + 20 lg h + 20 lg h − 40 lg d  (5) cînd h şi hr  [m] << d  [cm] rezultă că pierderile prin reflexie au o bandă de 40dB pe decadă în dependenţă de distanţă. e

r 

e

 § Pierderi prin difracţie

În zonele urbane foarte des sunt întîlnite cazurile cînd antena receptorului se află în spatele unui obstacol masiv şi unda directă nu poate nimeri în antena abonatului mobil şi dacă în spatele obstacolului nu există alte obstacole ce pot forma unde reflectate, atunci în antena ME nimeresc doar unde refractate sau difractate. Schema utilizată în acest caz este următoarea: h 0

D R 

he

hr  de

dr  22

În acest caz pentru calculul pierderilor este necesar de a afla coeficientul FresnelKirghhoff, care se găseşte prin următoare formulă: υ  =

−

h

2(d e

+

d r  )

λ d e d r 

(6)

0 h D

he

de

hr  dr 

 Ld  [dB] = 20 lg F 

 F  =

S  + 0.5

2 sin(∆ϕ + π  / ϕ ) S  + 0.5 π  )− ∆ϕ  = arctg ( 4 c + 0.5 υ 

∫ 

S  = sin( 0

π  2

υ 

∫ 

C  = cos( 0

2

 x )dx

π  2

2

 x )dx

(10) (11)

(7) (8) (9)

funcţie impară funcţie pară

Modelarea a canalului radio în sisteme de comunicaţii mobile este aflarea nivelului semnalului într-un punct A dat amplasat la o distanţă d de antena BS sau a  pierderilor semnalului în acest punct. Punctul A poate fi amplasat în orice loc al spaţiului unei celule. Se mai utilizează noţiunea de dirictivitate sau diagrama de dirictivitate ce se calculează după formula: dPu (θ , ϕ )  D(θ , ϕ ) = 4π  (10)  Pe unde  Pu este puterea unitară, iar   Pe este puterea emisă. Tema:  Metode de predicţie  § Noţiuni generale

Se utilizează 2 categorii de predicţie a valorii medii a nivelului semnalului(sau a  pierderilor) în orice punct al sistemelor de comunicaţii mobile, şi anume: 1) Impirice(globale) 2) Semiteoretice(locale) 23

Indiferent de metoda utilizată este necesară cunoaşterea profilului terenului în lungul căii de propagare pentru determinarea factorilor de corecţie pierderilor de difracţie produse de obstacole. Predicţie – este calculul sau prognizarea nivelului semnalului sau a pierderilor în

 punctul amplasării abonatului mobil.  § Metode de predicţie locale Metoda Durkin-Edwards – se utilizează în banda de frecvenţă 80-460MHz, căile

de propagare a semnalului sunt clasificate în: a) Căi optice sau directe  b) Căi obturate sau indirecte În ambele cazuri pentru calculul nivelului semnalului pierderilor se calculează h ef  a emiţătorului BS, şi anume: −

he ef 

=

he l  + k * e

2 he l  ∆ h ( d )

he l  - este înălţimea locală a antenei emiţătorului, prezintă înălţimea antenei

emiţătorului fţă de sol în locul amplasării ∆h( d ) - este parametrul legăturii de ondulaţie a solului k  - este coeficientul ce depinde de tipul căii de propagare Pentru căile de propagare optice pierderile semnalului sunt:  Lo

=  L sl  +

Ar 

- sunt pierderile prin cale optică  L - sunt pierderile semnalului la propagare în spaţiu liber   A - este atenuarea de difracţie din cauza pămîntului care este presupus plan. Valorile parametrului  A reprezintă o funcţie tabelată, care depinde de frecvenţa şi înălţimea locală a antenei emiţătorului. Pentru calea de propagare obturată se calculează şi alţi parametri suălimentari  A şi ω  , şi în acest caz atenuarea semnalului este:  Lo

 sl 

r 

r 

k 

 Lobt 

=  L sl  + (1 − ω ) Ak  + ω Ar 

- este coeficientul de pondere impiric  A - sunt pierderile suplimentare datorită difracţiei semnalului de la obstacole dintre BS şi ME. ω 

k 

Particularităţile metodei: Diferenţa dintre valorile calculate şi măsurate ale nivelului semnalului(pierderi) poate ajunge pînă la 3dB, deoarece metode nu consideră unda reflectată Pentru distanţa dintre BS şi ME mai mică de 20km nu este necesară considerarea formei sferice a pămîntului(se consideră plan) •

•

24

•

Pentru frecvenţe mai mari de 85dB este necesar de luat în consideraţie ondulaţiile terenului mai mari de 1m pentru calcularea coeficientului de corecţie.

 Metoda Lee – se utilizează în sistemele cu celule normale (raza cărora este mai

mare de 1km) şi pentru picocelule(10÷20m). Abaterea dintre valorile precise şi cele măsurate ale semnalului nu depăşesc 2÷3dB. Metoda utilizată pentru tipuri de profiluri ale căii de propagare a semnalelor  diferite componente ale formulei de calcul.

Calea  propagării

Pmed Influenţa recept. construcţii teren

Factor de corecţie

Optică

Pr =

+ α 

 P ro −10 lg(

+

Obturată Peste apă Sol-apă

Pr = Pr = Pr =

20 lg

d  d o

)

γ   

)

γ   

he ef   he l 

 P ro −10 lg(  P ro − 20 lg

d  d o

4π d 

+ L sl 

+ α 

+ α 

λ 

− 49 − 43.5 lg

d 

+ α 

d o

- este distanţa=1km  P  - este nivelul semnalului la d  =1km de la BS d  - este distanţa de la BS pînă la punctul la care se calculează nivelul semalului γ    - este panta de pierderi a semnalului λ  - este lingimea de undă d o

ro

o

25

-sunt pierderi în spaţiu liber  - este suma factorilor de corecţie datoriţi abaterii lor de la condiţiile de referinţă

 L sl  α 

Corecţiile rezultante din abaterile faţă de condiţiile de referinţă sunt date de următorul tabel: Condiţii  P e

he

Corecţie

=10W 

α 1

'

=

30m

Ge = 6dB

hr 

'

G r 

=

3m

= 0 dB

= 10 lg

α 2

=

α 3

=

20 lg Ge

'

−

α 4

=

20 lg

α 5

=

G r 

'

he , hr 

 P e 10

he

'

he 6

hr 

'

- sunt valorile

noi sau schimbate faşă de valoarile de referinţă  pentru a calcula  pierderile în cazul dat.

'

hr 

'

Se deosebesc 4 situaţii în dependenţă de profilul şi tipul căii de propagare a semnalului:

 Propagarea optică:

Unda directă he

Unda reflectată hr 

he ef 

În acest caz se obţine factorul de cîştig de înălţimea antenei de emisie  g e

=

20 lg

he ef   he

 Propagarea obturată:

h,m

he

he

hr  d,km d1

’

d

’ 2

26

În acest caz pierderile semnalului se calculează în dependenţă de un parametru ce ia în consideraţie distanţa de la BS pînă la obstacol şi de la obstacol pînă la ME. ν  = −h p

2 1 ( λ  d 1

+

1 ) d 2

Propagarea de asupra unei pînze de apă:

În acest caz se consideră următoarlele unde: 1) Unda directă 2) Unda reflectată de la o suprafaţă de apă 3) Unda reflectată de la sol din apropierea abonatului mobil 1) he

3)

2)

hr 

Abonatul se află pe apă:

1) he

Capitolul 2:

2)

hr 

Sisteme de comunicaţii mobile

Tema:  Sisteme de radiopaging   § Structura reţelei de radiopaging. Caracteristicile de bază.  Radiopaging - este un sistem mobil unilateral pentru transmiterea unor mesaje

scurte. Sistem unilateral înseamnă că ME a abonatului, care se mai numeşte pager , conţine doar partea de recepţie(n-are parte de emisie), iar BS conţine doar partea de emisie(n-are parte de recepţie). Canalul utilizat în sistemul de radiopaging este un canal duplex cu sistem de transitere a informaţiei de la BS la ME. SR(sisteme de radiopaging) pot tranmsite următoarele tipuri de mesaje: Mesaje sonore Succesiune de simboluri numerice Succesiune de simboluri alfanumerice Informaţie vizuală Combinaţie de mesaje menţionate anterior  ME(pager) au diferită structură şi diferită formă de prezentare a informaţiei. O SR are următoare structură: • • • • •

27

   N    T    S    P

T

Codor 

C

C

Codor 

C

Unde: T Codor  C C – colector  Subsistemul reţelei T – tastatura MD – modulator  DM – demodulator  LT – linie de transmisiune RR – radioreleu

   d   o   c   e    d   r   o    t   r   e   v   n   o    C

MD

RR 

RR 

DM

   T    L

MD

DM Subsistemul radio

Subsistemul reţelei realizează interfaţa între PSTN şi echipamentul ce formează semnalul pentru transmisiune paging; cele mai importnate funcţii a subsistemului reţelei sunt: a. Verificarea autentificării abonatului (fiecare abonat are un cod special)  b. Returnarea semnalului de supervizare către reţeaua PSTN pentru a informa că apelul a fost preluat şi prelucrat c. Generarea semnalelor modulătoare d. Utilizarea unor coduri conform standardelor internaţionale sau naţionale Subsistemul radio are funcţia de recepţie a semnalului modulator, demodularea lui şi generarea semnalului purtător. Semnalulu purtător este modulat cu semnalul recepţionat de la subsistemul reţelei. Serviciile de radiopaging se consideră „бедный родственник” a sistemului de comunicaţii mobile din cauza că spectrul de servicii este foarte limitat şi nu poate fi transmise decît mesaje scurte, însă SR sunt mult mai ieftine, ocupă o bandă de frecvenţă mult mai îngustă, utilizarea canalului sipmlex, echipamentele ME şi BS sunt mult mai simple, acumulatoarele ME servesc un timp mult mai îndelungat şi costul echipamentelor ME şi BS este mult mai redus. În dependenţa de modul în care se colectează, se prelucrează şi se transmite mesajul SR utilizează următoarele moduri de operare: 1) Formarea de apleluri către un terminal comun, în acest caz un număr  telefonic format în PSTN este dirijat către terminalul comun pentru a fi  prelucrat în mesaj paging. 2) Formarea de apeluri folosind semnalezări speciale, de exemplu: DTMF(Dual Tone Multiple Frequency) către un terminal comun, în acest caz terminalul recepţionează biţii formaţi de abonaţi şi se adaugă biţii ce indică adresa abonatului căutat şi este transmis către terminalul comun. 3) Formarea de apeluri către un operator uman, în acest caz operatorul preia apelul şi formează mesaje la tastatură. 28

Din punct de vedere al teritoriului acoperit se pot deosebi serviciile paging: Locale – pe teritoriul unei întreprinderi Pe teritorii relativ de strînse deservite de o singură BS şi care acoperă teritoriul unei localităţi sau o parte a acesteia Pe arii extinse – una sau cîteva BS acoperă teritoriul unei ţări sau o  parte a ei Există sisteme care se numesc: a. Paging in house – se utilizează în locuri de odihnă(plaje, restaurante), utilizează mesajele vocale  b. Voice mail box • •

•

 § Performanţele sistemului de radiopaging 

Cea mai mare performanţă a SR constă în faptul că banda de frecvenţă se utilizează foarte efectiv, de obicei, un singur canal de transmisiune paging poate deservi pînă la 10000 de abonaţi. În restul sistemelor de comunicaţii mobile pe un canal maximum de 20000 abonaţi. SR mai prezintă şi alte avantaje cum sunt: a) Echipametul simplu  b) Mesajele pot fi transmise în timp real, cît şi la un moment stabilit c) Mesajele pot fi repetate d) Timpul necesar pentru transmitere este relativ scurt e) Banda de frecvenţă este mult mai îngustă Luînd în consideraţie faptul că SR au fost printre primele sisteme de comunicaţii mobile şi au fost ieftine ele au căpătat o dezvoltare mare în primii ani. În prezent SR sunt utilizate cel mai frecvent în Asia(China,Japonia) se consideră că un abonat mobil să aibă şi un singur pager. Avantajele menţionate din alt punct de vedere se consideră dazavantaje.  § Benzile de frecvenţă utilizate în radiopaging 

În legătură cu necesitatea realizării radiopaging în condiţiile diverse şi utilizarea comună împreună cu alte sisteme de comunicaţie a benzii de frecvenţă se recomandă utilizarea următoarelor benzi:  26,1÷ 50MHz  68÷88MHz  146÷174MHz  450÷470MHz  806÷960MHz Pentru alegerea unei benzi anumite de frecvenţe pentru radiopaging este necesar  de avut în vedere mai mulţi factori, cum ar fi: a. Condiţiile de propagare 29

 b. Disponibilitatea benzii de frecvenţe în regiunea dată c. Nivelul de zgomot la recepţie, ce poate fo format de diferite sisteme d. Valoarea anumită ale puterii de emisie şi nivelul estimat al traficului Practic au fost estimate posibilităţile diferitor benzi de frecvenţă în radiopaging. Din punct de vedere al construirii unei sisteme paging cu capacitate mare în care să nu acţioneze nivelul de zgomot s-a constatat că cea mai convinabilă bandă este  banda de frecvenţă cuprinsă între 80÷160MHz. Mai protejate contra zgomotelor şi  pentru acoperirea unor arii mari sunt benzile de frecvenţă de la 450MHz şi în sus. Pentru diferite benzi de frecvenţă se observă un nivel diferit de penitraţie în interiorul clădirilor. A fost găsit nivelul pierderilor: F,[MHz]

150

250

400

800

L,[dB]

22

18

18

17

Capacitatea sistemei de paging este condiţionată de codul utilizat pentru transmiterea mesajelor. Cel mai des sunt utilizate: 1) Codul secvenţional – Golay 2) Codul POCSAG (Post Office Code Standart Advisory Group) Codul Golay a început să fie utilizat în 1973, permite realizarea sistemei cu capacitatrea aproximativ de 4000 de adrese inidviduale. Codul POCSAG a fost inventat în Marea Britanie la începutul anilor ’70, permite realizarea sistemei cu capacitatea aproximativ de 1mln de adrese individuale.  § Sistemul radiopaging ERMES –  European Radio MEssage System

A fost dezvoltat de un grup de ţări europene în anii ‘85÷’90 ca un sistem paneuropean. Acest serviciu prezintă o serie de facilităţi dintre care pot fi menţionate:  Asigură servicii suplimentare ce pot fi introduse de utilizator   Permite deplasarea abonatului şi recepţia informaţiei pe teritoriul controlat de diverşi operatori între care există o înţelegere de deservire  Permite să utilizeze spectru de frecvenţe efectiv  Realizează compatibilitatea cu ISDN Sistemul ERMES Mesaje tonale poate fi constituit din una sau mai multe reţele de operator, fiecare Mesaje reţea poate deservi o zonă specială sau aceste reţele potBSfi suprapuse. PE OMC Structura de principiu a sistemei ERMES este următoare:  .  .  . automate Mesaje controlate de operator  Mesaje PSTN Mesajele reţelei PC

 .  .  .  .

 .  .  .

PAC

PNC

PE

BS

I6

I3

I5

I4 Alte reţele

I2

I1

30

Unde : OMC – Operation and Mentenance Center  PNC – Pager Network Controller  PAC – Pager Area Controller  I1÷I6 – interfeţe OMC – centru ce dirijează activitatea întregei reţele de paging, în caz de

necesitate efectuează dezvoltarea sau reparaţia reţelei.  PNC  – controlul reţelei de paging – recepţionează toate tipurile de mesaje şi le  prelucrează la forma necesară de transmitere în reţea, este elementul de interconectare cu alte reţele, serveşte ca element de dirijare operativă a reţelei.  PAC – primeşte mesajele de la PNC, repartizează mesajele primite de diverse arii de transmietre, gestionează prioritatea mesajelor, transmite mesajele către staţiile de  bază concrete, supervizează funcţionalitatea BS.  BS – funcţia de bază constă în transmiterea mesajelor pe aria de acoperire.  PE – echipament de pager – recepţionează mesajele primite.  § Configuraţia subsistemului radio a reţelei ERMES 

Subsistemul radio al reţelei ERMES are diferite regiuni de lucru. Sistemul ERMES face parte din categoria sistemelor de comunicaţii cu reutilizarea frecvenţei pe baza unei structuri celulare de acoperire a teritoriului, fiind constituit ca un sistem pan-european se subînţelegea că toată Europa va fi acoperită cu sistemele de paging dirijate de deferiţi operatori din diverse ţări, pentru a evita perturbaţiile diverşilor operatori au fost propuse spre utilizare 3 tipuri de construire a sistemului paging.În sistemul ERMES se utilizează 16 purtătoare de frecvenţă. Un operator poate primi pentru utilizare una sau mai multe frecvenţe. Se pot realiza 3 tipuri de structuri ale reţelei: 1) Cu divizare în frecvenţă 2) Cu divizare în timp 3) Cu divizare în frecvenţă şi timpî 1) Cu divizare în frecvenţă – în acest caz grupul de frecvenţe purtătoare se împarte în 3 subgrupe fiecare din ele fiind utilizate într-o celulă a grupei de celule e reţelei ERMES, în acest caz se utilizează aceeaşi frecvenţă alocată reţelei date. 31

2) Cu divizare în timp – în acest caz în toate celulele se utilizează toată banda de frecvenţă acordată sistemei, însă în intervale diferite de timp, se utilizează cînd traficul de transmisie nu este prea intens şi permite acoperirea teritoriilo mari. 3) Cu divizare în frecvenţă şi timp – se utilizează conform următoarei tabele:

A

Δt1 f 1

Δt2 f 2

Δt3 f 3

B C

f 2 f 3

f 3 f 1

f 1 f 2

 § Protocolul de transmitere a mesajelor paging 

Poate fi exprimat prin următoare schemă: 00

01

02

0

A B

C

.........

i

1

2

D E

Sincronizare Preambul (30dB) Sincronizarea (30db)

F

G H 1

Cod Sistem Cod ţară operator  (7b) (3b) Cod arie (6b)

..........

58

3

I

K L

Adrese

59

4

M N O

P

Antet( Mesaje Mesaje(120) 3b) Informaţie adiţională (1÷7)

32

Tot timpul de funcţionare a reţelei ERMES este împărţit în secvenţe cu durata de 60min cu 60 cicluri. Fiecare ciclu are o durată de 1min şi conţine 5 subsecvenţe, fiecare cu durata de 12sec. Fiecare subsecvenţă este împărţită în 16 pachete numerotate cu literele (A, B, C, ...), iar fiecare pachet cu lungimea de 0,75sec conţine 4 tipuri de informaţie: sinconizare, despre sistem, adrese, mesaje  propriuzise. Pentru identificarea unui abonat în sistemul ERMES se utilizează un cod de identitate radio cu următoare structură:

Pe fiecare canal din toate cele 16 canale posibile se efectuează activarea unei grupe de utilizatori în intervale diferite de timp alocate pe perioada unei secvenţe egale cu 12 sec (subsecvenţa). Procedura de activare a grupei pe canalele corespunzătoare se face în corespundere cu următorul tabel: 1 3 5 7 9 11 13 15 16 14 12 10 8 6 4 2

A P O N M L K I 1 H G E F D C B

B A P O N M L K I 1 H G E E D C

C D E F G H 1 B C D E F ... A B C D E F ... P A B C D E F O P A B C D E N O P A B C D M N O P A B C Cod M N Cod L O P ACodB zonă K L M ţară N O operator  P A 3I biţiK L 7 biţi M N O3 biţiP 1 I K L M N O H Identitatea 1 I Koperator L M N G H 1 I K L M F G H 1 I K L E F G H 1 I K D E F G H 1 I

I

K

L

M N

... F ... E F ... D E F ... C Adresa D E  Numărul F ... iniţială B C D Ede grup F 18 biţi 4 biţi A B C D E P A B C D O P Adresa A B locală C N O P A B M N O P A L M N O P K L M N O

O

P

A

... F E D C B A P

... F E D C B A

G F E D C B

t

Apelarea grupurilor de abonaţi permite de a exclude recepţionare a unui abonat de un mesaj de 2 ori de la 2 BS vecine. 33

Tema:  Sisteme de telefonie fără fir   § Noţiuni generale

În ultimul timp au apărut sisteme de comunicaţie ce permit realizarea pentru abonaţii reţelei PSTN unele facilităţi de mobilitate limitată. Sistemele de telefonie fără fir fac parte anume din această clasă. Principiul funcţionării sistemei fără fir poate fi lămurit după următoare schemă de structură: PSTN

Bază

În această schemă Baza reprezintă un echipament ce permite de a efectua comunicaţie cu abonenţii reţelei PSTN dintr-o parte la frecvenţă joasă şi pe de altă  parte de a efectua comunicaţie cu ME prin interfaţa radio la frecvenţă înaltă. Există o mare deosebire între sistemele fără fir(cordless) şi sisteme celulare de comunicaţii mobile şi anume: În sistemele cordless se utilizează doar picocelulele  Numărul de abonaţi deserviţi de Bază este mult mai mic Puterea de emisie a Bazei şi ME este mult mai mică Cele mai răspîndite sisteme cordlee sunt CT2(Cordless Telephony), DECT(Digital European CT), PHS(Personal Handyphone System). • • •

 § Sistemul de telefonie fără fir CT2

Sistemul dat este realizat în 2 variante:  Analogice (vom studia)  Digitale Accesul mutiplu se realizează după FDMA. CT2 are următoarele caracteristici de bază: ΔF(ME→BS) = 914÷915MHz ΔF(BS→ME) = 959÷960MHz ΔFd = 45MHz Δf c = 25kHz  N = 40 Pemisie(BS,ME) = 10mV Alocarea canalelor radio se face la cererea echipamentelor ce se iniţializează la convorbire. 34

Distanţa la care acţionează CT2 este d=50(în interiorul clădirii) şi d=200m(în afara ei). Numărul maxim de combinaţii pentru adresa abonatului este n=104. Schema de structură a sistemului cordless CT2(BS→ME) este următoarea: ME

BS PSTN LA

Interfaţa E

E Controler  de semnal

SF

D

R 

D

SF

Controler  de semnal

R  I Cod

Schema constă din următoare elemente: SF – sintezator de frecvenţă E – emiţător  R – receptor  D – duplexor  Difuzor, microfon Ocuparea canalelor radio poate fi iniţializată de oarecare paret de BS sau ME. În cazul iniţierii unei convorbiri de ME, ME efectuează scanarea canalelor pentru găsirea canalului liber(în cazul cînd ME recepţionează semnalele de la mai multe BS ME selectează canalele libere după cea mai mare relaţie semnal/zgomot) şi emite pe acest canal un semnal cu identificarea sa. BS recepţionează acest semnal cu identificarea ME şi pe canalul corespunzător simpex transmite un semnal de  posibilitate de interconectare. La recepţia acestui semnal încetează de a mai emite semnalele de identificare şi poate fi permisă culegerea numărului abonatului apelat şi se efectuează convorbirea. Întreruperea legăturii se face cînd unul din abonaţii „pune telefonul în furcă”. Una din aplicaţiile sistemului CT constă în realizarea serviciului telepoint(se instalează una sau mai multe BS în locurile aglomerate de abonaţi, cum sunt gara, aeroport).  § Sistemul de telefonie fără fir DECT   Noţiuni de bază. Caracteristicile tehnice.

Sistemul DECT permite realizarea următoarelor aplicaţii:  Telefonul fără fir pentru abonatul privat  Sisteme telefonice la întreprinderi (unde pot fi mai multe BS)  Centrale telefonice automate la întreprinderi conectate fără fir  35

 

Serviciile telepoint Acces fără fir la LAN

Sistemul DECT are următoarele caracteristici principale: Metoda de acces multiplu de tipul TDD-TDMA Banda de frecvenţă – 1880 ÷ 1900MHz  Numărul de frecvenţe purtătoare – N = 10 canale Ecartul dintre canalele – Δf c = 1,728MHz Cadrul DECT-TDMA conţine 24 de sloturi temporale din care primele 12 sunt destinate transmiterii ME→BS, celelalte invers BS→ME Puterea maximă de emisie a ME şi BS este de 250mW Durata unui cadru este de 10msec Viteza de transmisiune a informaţiei este de 1152kbps Viteza de trafic pe slot este de 34kbps Viteza de transmisiune de semnalizare şi control este de 6,4kbps Distanţa de acţionare în interiorul încăperii este de 50m, iar în exteriorul de 200m Timpul de lucru al fiecărui canal se divizează în nişte secvenţe de timp numite cadre DECT-TDMA cu durata de 10msec.

Un cadru DECT-TDMA are următoare structură: F,[MHz] n Cadru DECT-TDMA

F2 Canalul i F1

0

0

.....

23

n+1

0

.....

23

10msec

1

t

BS→ME ...... 10 11 12 13

ME→BS .........

22 23

1slot=416,7μsec=480 32b

392b

Sincronizare

Date

48b 16b cîmp A

392biţi 320b cîmp B

56b Controlul sistemei 4

4

X

Z

36

Fiecare cadru conţine cîte 24 sloturi de timp cu durata 416,4μsec. Cîmpul A se utilizează pentru semnalizare (efectuarea legăturii şi menţinerea ei). Cîmpul B este un cîmp de trafic de transmitere a datelor utile. Cîmpul X este un cîmp de detectarea erorilor. Cîmpul Z este un cîmp de corecţie a erorilor  Sistemul DECT funcţionează conform modelului OSI-ISO.

 § Schema de structură a reţelei DECT şi principiul de funcţionare

O reţea DECT funvţionează pe baza unei centrale telefonice proprii sau dedicate. Schema de structură a reţelei DECT este următoarte: PC ME BS

I1 ID

TD

I2

PABX

I3

ID

ISDN

I4

ID

PSTN

ME

I5

BS ME BS

Magistrala 37

Schema costă din următoarele componente: CTD – centrala dedicată TD – terminalul de date ISDN – reţeaua de bandă largă I1÷I5 – intefeţe pentru conectarea CTD cu diferite utilizatori PC – procesorul central ID – interfaţa DECT, permite conectarea CTD cu BS BS poate fi amplasată de la CTD la o distanţă <800m, fiecare BS poate intreţine comunicaţii cu un trafic pînă la 5Erlangi. Un abonat în mediu poate genera un trafic  pînă la 0,2Erlangi, astfel rezultă că BS poate deservi pînă la 25 abonaţi. Înainte de a se conecta în reţea ME analizează situaţia mediului şi selectează semnalele cele mai bune(la care raportul semnal/zgomot este cel mai bun) şi este gata de a efectua comunicaţia pe pe canalul ce corespunde acestui semnal. Întotdeauna în DECT, ca şi în multe sisteme de comunicaţii mobile, prioritatea DECT de selectare a canaului de comunicaţie aparţine ME. În DECT alocare canalelor este dinamică, ce permite de a mări capacitatea sistemului de la 4 la 8 ori. În sistemul DECT există nişte particularităţi efectuării procedurii de hand over, ce constau în următoarele: după începerea comunicaţiei ME efectuează în continuu scanarea semnalelor de la canalele libere şi la momentul apariţiei unui canal cu un semnal mai bun(ce poate fi de la aceeaşi BS ce menţine comunicaţia în curs sau de la BS vecină) se decide de a efectua hand over-ul, pentru aceasta pe canalul nou găsit se începe comunicaţia concomitent cu comunicaţia pe canalul vechi, în acest moment de timp ME recepţionează semnalul util de pe 2 canale diferite. Peste un timp se deconectează canalul iniţial şi comunicaţia continuu pe canalul nou găsit. BS e reţelei DECT are următoare scheme de structură simplificată: BS CTD

R  C

I

ER 

E SF

Schema constă din R – receptor  E – emiţător  I – intrefaţa SF – sintezator de frecvenţă C – comutator  ER – echipamente radio 38

Schema de structură a ME este: AD PCM modem

AC

Mod GMSK 

LGP

FRF C E

I

SD

MC RAM ROM

P

SF

R  ER 

Schema constă din: D,M – difuzor, microfon SF – sintezator de frecvenţă AC – audio codec AD PCM modem – adaptiv digital PCM LGP – modulul de logică şi generare de pachete MC – microcontroler (cu 2 tipuri de memorie) P – panou de dirijare I – indicator şi tastatură SD – sistem digital Modulatorul GMSK  E,R – emiţător, receptor  C – circulator sau comutator  FRF – filtru de radio frecvenţă telefonie celulară AMPS - Advanced Mobile Tema:  Sitemul de telefonie

 Phone System  § Noţiuni generale. generale. Caracteristicile Caracteristicile tehnice.

AMPS – este unul din sistemele analogice de telefonie mobilă, ce a fost inventat în SUA şi a devenit fucţionabil în 1983 în Chicago, împreună cu NMT şi sistemul C a fost unul din primele sisteme de telefonie celulară. AMPS are următoarele parametrii: ΔF1 = 825÷845MHz (ME→BS) ΔF2 = 870÷890MHz (BS→ME) ΔF1 = ΔF2 = 20MHz Δf c = 30kHz = 0,03MHz  N = ΔF1/Δf c = 666ME→BS

BS→ME

f  p1 = 825,0a1sistemului 5MHz f p2 = 870,015MHz Planul de frecvenţe AMPS este următor: 1 2 825

....... 666 845

1 2 870

666

MHz 890

Canal duplex 1 1

1 ΔF = 45MHz

MHz

39

Iniţial AMPS a fost proiectat pentru un număr nu prea mare de utilizatori de aceea clusterul pentru sistemul AMPS era preconizat să fie format din 7 celule, din aceste considerente şi din perspectiva dezvoltării sistemului seturile de canale pentru fiecare celulă au fost formate după următorul principiu: a) au fost fost forma formate te 7 grupe grupe de seturi seturi  b) au fost formate 3 tipuri de seturi pentru fiecare celulă, de aceea repartizarea reparti zarea seturilor de canale pentru fiecare celulă se efectuează prin următorul tabel: 1A 1 22

2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2 3 4 5 6 7 8 23 24 25 26 27 .... .

2B 9

3B 10

4B 11

5B 12

6B 13

7B 14

1C 15

653

66 0

66 1

66 2

66 3

66 4

665

66 6

2C 3C 4C 5C 6C 7C 16 17 18 19 20 21

43 ..... 63 1 652

654

655

656

657

658

65 9

În fiecare celulă iniţial se utilizau seturile de canale ale grupeiA,iar în continuate în aceeaşi celulă puteu fi utilizate seturile de canale corespunzătoare grupelor B şi C.  § Structura sistemului sistemului AMPS şi funcţionarea lui. lui.

Schema de structură simplificată a sistemului AMPS este următoarea: BS

   N    T    S    P

LE

LE

MTX

TE

MTX

BS

 …

BS

…

BS

Elementele de bază a sistemului AMPS sunt: MTX – Mobile Telephone Exchange – reperzintă o centrală telefonică pentru abonaţii mobili, ce are legătură cu abonaţii PSTN prin LE – Local Exchange – care la rîndul său reprezintă o centrală locală şi utilizînd TE – Transit Exchange – care 40

reprezintă o centrală de tranzit. BS care pot fi conectate la MTX printr-o linie individuală sau comună. ME – echipament mobil. MTX reprezintă o centrală telefonică pentru abonaţii mobili şi efectuează comutarea corespunzătoare. Funcţionarea sistemului se efectuează sub controlul unui procesor central a MTX. Schema de structură a mtx şi legăturii BS este următoarea: MTX PSTN

PC

SC

TD BS

Ar 1 Ar 2

SL

UC

Î/T

TDP

E/R 1

E/R 2

.....

Aen E/R n

Ae2 ... Ae1

Elementele componente ale schemei sunt: PC- procesorul central SC – sistem de comutaţie TD – terminal de date SL – supervizarea liniilor  UC – unitatea centrală a BS Î/T – întîrzierea / testarea TDP – transmiterea datelor pozitive E/R – emisie/recepţie Fiecare BS utilizează 2 antene de recepţie pentru înlăturarea efectului fading şi n antene de emisie. În sistem de telefonie mobilă se observă fenomenul de scădere a nivelului recepţionat a ME, care se numeşte efectul fading . Există 2 tipuri de efect fading: a) fading rapid rapid – se datorează datorează faptului faptului că semnalu semnalull sumar în antena antena ME este este format semnale ce parcurg diverse căi  b) fading lent – este legat de fptul că ME nimereşte în „umbre” unui obstacol. ME AMPS conţine următoarele părţi componente: 41

Ae-r 

Ar 

UL

IU E/R 

IU – interfaţa utilizatorului (tastatura, LED-uri, ecran, etc.) UL – unitatea logică E/R – emiţător/receptor 

Schema de structură a unui echipament mobil în forma mai detaliată este: Ae-r 

Ar  FTBR

SD2

FTBR

ARF SF1

C

FTBE

ARF MF M6

CP MX

M6 SC/6 (666)

45MHz AFI1 SF2 34,3MHz AFI2

MNS

UL

OL Ext

DMF

DMx

Mute Rx date

10,7MH z

FTBR – filtru trece bandă de recepţie 42

SD 2 – selector de diversitate 2 C – circulator  ARF – amplificator de radiofrecvenţă SF 1,2 – Mixer de frecvenţă AFI 1,2 – amplificator de frecvenţă OL – oscilator local DMF – demultiplexor de fază MNS – măsurător nivelului de semnal DMx – demultiplexor  Ext – extensor  M6 – multiplicator de frecvenţă la 6 FTBE – filtru trece bandp de emisie ARFP – amplificator de radiofrecvenţă de putere MF – multiplexor de fază SC/6 – sintezator de canale CP – copmresor  Mx – multiplexor  UL – unitatea logică Mute – acordarea fără zgomot la canal Rx date linia de transmisiune de date – semnalul vocal nimereşte în microfon, unde este trasnsformat în semnalul electric după ce este compresat în blocul CP, multiplexat cu datele de la UL în Mx şi transferat în blocurile M6 şi MF, unde se efectuează o modulaţie în frecvenţă a purtătoarei canalului simplex de emisie, apoi semnalul se amplifică în ARFP, care are 4 trepte de reglare a semnalului. Acest semnal de reglare a puterii de emisie este generat de către UL în rezultatul analizei nivelului de semnal recepţionat de blocul MNS. Semnalul de emisie nimereşte în FTB emisie şi prin circulator trece în antena de emisie. Calea de emisie

– în ME pentru AMPS se utilizeazăpentru recepţie 2 antene diferite: una lucrează permanent la recepţie (cea din stînga) şi a doua lucrează şi la emisie şi la recepţie. Unul şi acelaşi semnal de recepţie nimereşte la antena de recepţie şi prin FTBR se aplică la selector de diversificare SD2. În SD2 se selectează semnalul cel mai puternic care este aplicat la ARF, care la rîndul său îl amplifică, iar apoi nimereşte în primul multiplexor, în rezultatul căruia se obţine  prima frecvenţă intermediară egală cu 45MHz, care este amplificată de AFI 1 şi ca rezultat frecvenţa serveşte pentru măsurarea nivelului semnalului recepţionat. La SF2 se aplică un semnal al oscilatorului loca cu frecvenţa de 34,3MHz şi se obţine a doua frecvenţă intermediară egală cu 10,7MHz, care este amplificată de AFI 2. Frecvenţa intermediară se aplică la DMF, iar după ceea la DMx, unde se face separarea semnalului vocal de semnalul de date. Semnalul vocal prin EXT se aplică difuzorului, iar datele la UL. Pentru acordul fără zgomot pe un canal, cît şi pentru trecerea de pe un canal pe altul se utilizează legătura Mute, ce deconectează pe această perioadă semnalul sonor. Calea de recepţie

43

Funcţionarea: în AMPS se utilizează un număr de canale doar pentru efectuarea  procesului de căutare şi acces, cît şi pentru semnalizarea, aceste canale se umesc S  canale şi, de obicei, se utilizează ultimele 21 de canale din 666(cîte un canal S

 pentru fiecare set de canale ca minimum), aceste canale se utilizează în ambele sensuri şi doar pe un timp foarte scurt pînă la atribuirea canalului de trafic liber. Pentru utilizarea eficientă a spectrului de frecvenţe utilizarea canalelor S în ambele sensuri, şi anume în cazul iniţierii unui apel de către ME pe canalul S din calula dată, se transmite un semnal special. Această procedură se numeşte  porcedură de acces. Şi la apariţia a două sau mai multe proceduri de acces de către abonaţii aceleeaşi BS se utilizează o procedură specială pentru evitarea apariţiei conflictelor la acăpărarea unui cana liber. Această procedură constă în următoarele: cînd ME transmite spre BS semnal de iniţiere a unei convorbiri pe canalul S iniţial BS nu eliberează mimental un canal liber de trafic, doar la apariţia peste un timp aleator de timp aceluiaşi semnal de la ME la BS, BS eliberează un canal de trafic şi în acest moment eliberează şi un canal S. Dacă doi sau cîţiva abonaţi iniţiază un apel în acelaşi moment de tmip, datorită faptului că fiecare ME repetă acest semnal  peste un timp aleator primul va primi canalul de trafic ME care are timpul repetare mai mic. În AMPS procedura de acces şi căutare se efectuează pe acelaşi canal.  Procedura de căutare este o procedură prin care o BS iniţiază o legătură cu unul din abonaţii mobili aflaţi pe teritoriul calulei pe durata legăturii BS şi MTx supraveghează calitatea comunicaţiei şi dacă este necesar se declanşează procedura de hand over intra sau inter celulară. La închierea convorbirii ME semnalizează acest lucru cu un semnal special şi BS consideră în continuare canalul de trafic utilizat în convorbire ca canali liber. În regimul de aşteptare (stand by) ME se află permanent pe un canal S deservit de altă BS. ME schimbă acest canal S. Există cazuri cînd ME recepţionează de la BS comenzi de a se transfera necondiţionat de pe un canal S pe altul, aceasta are loc cînd într-o celulă este depistat un număr mare de abonaţi, care dacă ar iniţia o convorbire sau ar fi apelaţi BS nu ar face faţă acestui trafic. Distanţa între BS ţi ME poate varia de la 0 la cîţiva zeci de km, de aici rezultă o variaţie în limitele foarte mari a nivelului semnalului recepţionat. La o scădere a cestui nivel sub nivelul limită BS şi ME întreprind măsuri legate de ridicarea calităţii prin mărirea în 4 trepte a puterii de emisie. Această procedură se utilizează  pentru a exclude posibilitatea apariţăei interfeţelor în cazul utilizării semnalului maxim de emisie.  § Supervizarea şi controlul reţelei AMPS 

Supervizarea reţelei AMPS urmăreşte următoarele: 1. controlul permanent al calităţii legăturii 2. efectuarea procedurii de căutare ME 3. accesul ME în reţea 44

4. rezolvarea conflictelor la acăpărarea unui canal Supervizarea calităţii legăturii : în PSTN sub noţiune de supervizarea calităţii

lagăturii se subînţelege procesul de aflare a stării terminalului aparatului(dacă receptorul este în furcă sau nu). În AMPS noţiunea de supervizare cuprinde: urmărirea stării abonatului menţinerea cîmpului semnaluli de recepţie la un nivel corespunzător  Pentru aceasta AMPS utilizează 2 tipuri de semnal: a) semnalul SAT – Supervisory Audio Tone  b) semnalul ST – Signalization Tone • •

Pentru semnalul SAT sunt alocate 3 frecvenţe: SAT 1

SAT 2

SAT 3

5600Hz

6000Hz

6400Hz

Acest semnal este în afara benzii canalului tonal şi se separă uşor de această bandă  printr-un filtru trece sus. Fiecare BS poate utiliza doar unul din aceste semnale SAT şi ME recepţionînd aceste semnale poate concluziona pe teritoriul a cărei BS se află şi care este următoarea BS cea mai apropiată. Fiecare ME recepţionaeză semnalul SAT corespunzător şi fără prelucrări suplimentare îl transmitespre BS, iar BS recepţionînd semnalul SAT de la ME efectuează următoarele:  hotărăşte că legătura cu abonatul mobil are o buclă închisă (canalu este controlat)  apreciază distanţa relativă de la BS la ME Sistemul AMPS a fost primul sistem de telefonie celulară cu extinderea pe arii mari. În acest sistem s-au depistat nişte neajunsuri legată de dirijarea prea centralizată a funcţionării sistemului, aceasta a dus la: a. imposibilitatea utilizării celulelor cu raza mai mică de o milă, acesat sa întîmplat din cauza că la deplasarea abonaţilor mobili era necesar de a efectua foarte des procedurile hand over, ce se primeau la nivelul MTx  b. neamplasarea BS în locul găsit conform calculului a condus la apariţia unor situaţii cînd o parte din abonaţi nu puteau efectua o legătură calitativă de la BS pe teritoriul căreia celule erau amplasaţi şi erau deserviţi de BS vecine, care nu întodeauna efectuau o comunicaţie calitativă. Însă în majoritate cazurilor BS era amplasată la o distanţă de 20÷25% de la cea care era calculată. 45

Tema:  Sistemul de telefonie celulară NMT- Nordic Mobile

Telephone  § Noţiuni generale. Caracteristicile de bază ale sistemului NMT.

Există 2 variante de realizare a sistemului NMT: NMT 450 şi NMT 900. Sistemul NMT este primul sistem complet automatizat în care a fost efectuată decentralizarea parţială a funcţiilor de bază. NMT – este un sistem analogic cu utilizarea tehnologiei de acces FDMA. Caracteristicile tehnice de bază a NMT 450 sunt: ΔF1 = 453÷457,5 MHz ΔF2 = 463÷467,5 MHz ΔF = 4,5MHz ΔFd = 10MHz Δf c = 25(20)kHz  N1 = ΔF1 / Δf c = 180 canale  N2 = ΔF2 / Δf c = 225 canale Caracteristicile tehnice de bază a NMT 900 sunt: ΔF1 = 890÷915 MHz = 25MHz ΔF2 = 935÷960 MHz = 25MHz ΔFd = 45MHz Δf c = 25(12,5)kHz  N1 = ΔF1 / Δf c = 1000 canale  N2 = ΔF2 / Δf c = 2000 canale Iniţial sistemul NMT a fost implimentat şi inventat în 1978, însă din cauza creşterii mari a numărului de abonaţi acest sistem s-a „săturat” foarte repede şi de aceea în 1986 a fost implimentat sistemul NMT 900, care în afară de numărul mărit de canale permitea de a realză şi o parte de funcţii noi.  § Structura sistemului NMT. Principalele unităţi şi funcţiile lor 

Schema bloc simplificată a sistemului NMT este: PSTN

PLMN

CT

MSC 1

ME BS1 AT1

BS2

BS3

AT2

ME

CL

CT

MSC 2 I

BS4 AT3

BS5

AT4

BS6

AT5

46

Elementele componente ale schemei sunt: CT – centrala de tranzit CL – centrala locală I – interfaţa MSC – centrul de comutaţie a abonaţilor mobili AT – arie de trafic Sistemul NMT constă din: 1) MSC 2) BS 3) ME 4) Linii de legătură: a. între MSC şi PSTN, care sunt realizate prin cablu  b. între MSC şi BS în care se utilizează semnalul de frecvenţă înaltă, care se realizează prin cablu alectric sau fibră optică

Schema bloc a MSC simplificată este următoare: PSNT

TSS GSS MTS CP

PLMN

care constă din: TSS – Telephony Subsystem GSS – Group Switched Subsystem MTS – Mobile Telephone Subsytem Funcţia de bază a MSC o efectuează GSS, unde se realizeată comutaţiile necesare. Blocurile TSS şi MTS reprezintă interfeţe TSS cu PSTN, MTS cu PLMN. În TSS (şi din TSS) sunt aplicate semnale de frecvenţă joasă ale reţelei PSTN. În MTS (şi din MTS) se aplică semnale de frecvenţă înaltă pe purtătoare utilizate şi de BS. BS asigură comunicarea radio cu ME, subcoordonarea MSC, efectuează modularea semnalelor primite de la MSC şi emiterea lor în eter; demodularea semnalelor primite de la ME şi transmiterea lor spre MSC, căutarea ME, alocarea canalelor de trafic, subcoordonarea de către MSC. 47

Fiecare BS poate utiliza 1÷40 canale de trafic şi unul sau două canale de căutare. Teritoriul deservit în sistemul NMT se împarte în arii de trafic, fiecare din ele poate coţine 4÷64 BS. Un MSC poate deservi 1÷8 arii de trafic. Pentru fiecare canal radio BS conţine emiţător/receptor ce funcţionează la o antenă comună. BS conţine echipamente de supraveghere şi control parţial al funcţionării. O BS poate acoperi celule cu razele între 1÷40km pentru NMT 450 şi 0,5÷20km pentru NMT 900. Se pot utiliza următoarele tipuri de ME:  care funcţionează în regim normal  ce funcţionează cu priorităţi   portabile  în regim de telefon public  § Funcţionarea sistemului NMT  Tipuri de canale radio utilizate.

Legătura abonaţilor mobili cu BS se efectuează pe canalele radio alocate. În dependenţă de funcţiile realizate aceste canale se clasifică în: 1. Canale de trafic – sunt canalele ce se utilizează pentru transmiterea informaţiei utile după realizarea legăturii. Întotdeauna într-o celulă trebuie să existe un canal de trafic ce este marcat ca un canal liber. 2. Canale de căutare – sunt acelea pe care BS transmite un semnal de apel către abonatul mobil. Pentru urmărirea poziţiei abonatului mobil în reţea în starea lui de aşteptare şi pentru comunicaţii de trafic în cazurile unui trafic intens, sunt markate cu un semnal special de canale de căutare. 3. Canale de acces – (numai la NMT 900) sunt canalecare au rolul de a transmite un apel de la ME spre BS pentru obţinerea unui canal de trafic după recepţia semnalului MSC. Selectează canalul de trafic îl transmite la BS carel ordonă pe ce canal să se acordeze. 4. Canale combinate de trafic şi căutare – se utilizează pentru transmiterea apelului de la BS la ME la regim de trafic intens se utilizează ca canale de trafic. Canalel de căutare şi acces formează canal de apel. Legătura între BS şi MSC poate fi realizată prin fire electrice, fibra optică, unde radio. Realizarea legăturilor de comunicaţie.

Dirijarea funcţionării sistemului NMT se efectuează de către MSC. În NMT există 2 tipuri de MSC: 1) MSC-H(Home) – MSC de apartenenţă – reprezintă acele MSC în care se realizează înregistrarea abonaţilor daţi. 48

2) MSC-V(Visited) – MSC vizitat – reprezintă acel MSC pe teritoriul căreia se află într-un moment dat abonaţii înregitraţi la alt MSC. În MSC-H se păstrează toate informaţiile despre abonaţii înregistraţi în această arie şi toate apelurile ce sunt adresate abonaţilor adresaţi în MSC-H iniţial nimeresc aici. În MSC-V conţine informaţia temporară despre abonaţii ce se află pe o perioadă de timp pe teritoriul dat. AT

AT

MSC-H MSC-V

AT

Modul de stabilire şi funcţionare a legăturii în NMT poate fi reprezentat prin următoare schemă: ON OFF

Standby

Urmarirea

ME-MSC

Conversaţie

MSC → →ME

Hand over 

Sfîrşt de convorbire Întreruperia forţată convorbirei

 § Supervizarea şi controlul reţelei  Supervizarea calităţii legăturii: se efectuează pe parcursul derulării conversaţiei şi

consată din 2 proceduri: 1. măsurarea la BS a nivelului semnalului recepţionat de la ME 2. măsurarea raportului semnal/zgomot pentru un semnal special transmis de la BS spre ME şi iîntors de la ME spre BS pe canalul de trafic. În ambele cazuri în dependenţă de rezultatele măsurărilor există 3 variante: 1) Conversaţia contiunuă (nivelul semnalului normal în ambele cazuri) 2) Cînd se caută un canal de trafic „mai bun”, în acest caz BS transmite către MSC un semnal de alarmă în care se identifică canalul pe care se efectuează o convorbire curentă a abonatului mobil dat şi se cere de a se găsi un canal pentru hand over, asemenea canal poate fi sau în celula dată, sau în alta şi în rezultat se efectuează hand over-ul 3) Nu se ia nici o măsură şi convorbirea continue pînă la întreruperea forţată Semnalul special transmis pe canalul de trafic de către BS spre ME este unic  pentru BS dată, însă diferit pentru BS vecine, semnalul dat este Δφ şi are următoare valori: 49

Δφ1 3955Hz

Δφ2 3985Hz

Δφ3 4015Hz

Δφ4 4045Hz

Transferul legăturii(hand over): în NMT transferul de legătură are un specific ce

constă în faptul că hand over-ul se face în 2 nivele de alarmă: 1) Nivelul 1 – la care se stabileşte necesitatea efectuării hand over prin analiza rezultatelor măsurării semnalului de trafic sau Δφ, în acest caz BS transmite către MSC semnalul de alarmă. Nivelul 1 reprezintă o fază pregătitoare  pentru hand over. 2) Nivelul 2 – la care MSC realizează căutarea unui canal liber de trafic mai bun şi dacă un aşa canal este găsit se realizează hand over-ul, astfel convorbirea continue pînă la pierderea lagăturii sau întreruperea ei. Accesul şi căutare în NMT:  Accesul – reprezintă obţinerea unui canal de trafic cînd apelul este iniţiat de

abonatul mobil. Căutarea – reprezintă obţinerea unui canal de trafic pentru comunicaţie cînd apelul este adresat către un abonat mobil. În reţeaua NMT se desting 2 situaţii de iniţiere al apelului către un abonat mobil şi anume: Cînd apelul este iniţiat de către un abonat al reţelei PSTN Cînd apelul este iniţiat de către un abonat al reţelei PLMN În primul caz sunt posibile 2 variante: 1) Semnalul de apel de la abonatul fix se transmite prin centrala locală şi de tranzit şi nimereşte-n MSC-H, care dirijează apelul către MSC-V a reţelei date sau altei reţele pe teritoriul căreia se află în momentul dat abonatul mobil. 2) Semnalul de apel de la abonatul PSTN se transmite prin centrala locală şi de tranzit şi nimereşte în PLMN prin orice MSC, şi anume  prin MSC-G(MSC-Gateway-de intrare), MSC-G contactează cu MSC-H şi află în acest moment abonatul apelat, după ce transmite către MSC-V şi mai departe către abonat. În cazul apelului de la PLMN la ME abonatul mobil formează numărul necesar , se declanşează procedura de proces în care se efectuează identificarea ME şi dacă ME are posibilitate de accesare a serviciului, şi se eliberează un canal de trafic după care procedura de apel este transmisă sau spre PSTN, sau spre PLMN. În cazul legăturii cu abonatul PLMN preventiv se află poziţia lui pentru a determina aria de trafic în care va fi transmis apelul. • •

Localizarea, actualizarea poziţiei, rouming, controlul identităţii ME:  Localizarea – este procedura de aflare a pozoţiei ME pentru a determina aria de

transmitere a paelului. Pentru localizare se transmite un apel special cu un identificator al ME apelate pe aria de trafic în care se află ME. Dacă informaţia despre aria de trafic lipeşte, atunci apelul este transmis în aria MSC. ME 50

recepţionează apelul cu un număr de identificare al său ce răspunde către BS, dacă  peste un timp oarecare către MSC nu provine nici un răspuns de la ME prin BS corespunzătoare apelul se repetă. Această procedură poate avea 3÷5 încercări. Dacă răspunsul nu apare apelul este refuzat.  Actualizarea poziţiei – constă în menţinerea informaţiilor despre schimbarea actuală a poziţiei ME în reţeaua PLMN. Această procedură se efectuează automat în regimul stad by al ME.  Rouming – toate datele dspre abonatul înregistrat în reţeaua se păstrează în MSCH. ME se poate deplasa pe teritoriul întregii reţele şi în cazul cînd nimereşte pe o arie deservită de MSC-V oarecare prin schimbul de informaţie cu cea mai apropiată BS permite la MSC-V să primească informaţia despre acest ME de la MSC-H. În acest caz la apariţia apelului, care iniţial permanent nimereşte la MSC-H, la apariţia apelului MSC-H va transmite apelul la MSC-V. La deplasarea MSC pe teritoriul unui nou MSC-V se va efectua înregistrarea ME pe acest nou teritoriul, informaţia va fi salvată în MSC-H şi el va transmite comanda de ştregere a infdormaţiei despre ME dat din MSC precedent.  Apelul de la abonatul mobil – pentru a iniţia o convorbire sau a avea acces la un serviciul reţelei NMT abonatul mobil formează numărul corespunzător. Apelul este transmis pe un canal de acces către BS. BS recepţionînd apelul analizează categoria abonatului şi află dacă el are acces la serviciul dat. După aceea BS solocită o parolă de acces şi dacă ME transmite automat parola corectă, atunci BS începe procedura de alocare a unui canal de trafic liber şi pe care se efectuează conectarea, apelul rămîne în reţeaua mobilă sau este transmis în PSTN în dependenţă de numărul format de abonatul mobil. Comutarea legăturii se efectuează prin MSC-V sau MSCH. În cazul cînd apelul este destinat altui abonat mobil se efectuează procedura de localizare a ME chemat. Capacitatrea reţelei NMT – sub noţiunea de capacitate se subînţelege numărul de abonaţi ce pot fi deserviţi cu o probabilitate de blocare(2%) a apelului dat. În sistemul NMT capacitatea este limitată de 2 factori: 1) Capacitatea sistemului de comutare 2) Capacitatea de trafic a subsistemului radio (numărul total de canale radio utilizate în sistem, numărul de canale repartizat fiecărei celule, principiu de alocare a canalelor de apel şi acces, numărul de celule, dimensiunile celulelor, posibilitatea de reutilizare a frecvenţei, timpii de acces, conectarea şi distrugerea conexiunii) Pentru o utilizarea mai eficientă a spectrului radio sistemul NMT sunt realizate: În zonele urbane – sistemul NMT 900 ce permite realizarea celulelor  cu dimensiunile mai mici şi de deservire a unui număr de abonaţi mai mare În zonele ruralr – sistemul NMT 450, din cauza că poate realiza celule de rază mai mare, acoperi teritorii mai mari cu un trafic mai mic. O importanţă deosebită o au : a. Timpul de realizare al apelului de la BS spre ME cce 1sec •

•

51

 b. Timpul de apelare de la ME spre BS care constă din transmiterea informaţiei pe canalul de apel cu durata de aproximativ 1sec şi timpul de alocare a canalelor liber de trafic c. Timpul realizării procedurii hand over pentru NMT 450 este de 1sec, iar pentru NMT 900 de 0,3sec d. Distrugerea legăturii este aproximativ de 0,75sec Serviciile în sistemul NMT sunt de 2 tipuri: 1) Servicii pentru abonat, care sunt:  Codarea apelului  Direcţionarea apelului către un alt număr   Transferul legăturii sub controlul abonatului apelat către un lat partener   Interceptarea apelului pentru urmărirea apelurilor rău voitare  Respectarea unei cereri de a nu fi deranjat  Informarea unui abonat ce se află într-o convorbire în desfăşurarea despre sosirea unui nou apel şi posibilitatea manipulării lui  Dezactivarea tuturor serviciilor  2) Servicii ce se referă la organizarea şi gestionarea funcţionării reţelei:  Măsurarea puterii semnalului de la ME pentru efectuarea hand over-ului  Redirecţionarea apelului către un alt număr în cazul lipsei canalelor radio(de trafic) libere  Urmărirea permanentă a ME  Divizarea abonaţilor pe categorii  Rezerve de canale pentru abonaţii cu priorităţi  § Traficul în reţele NMT 

Pentru a pute fi apelat fiecare abonat mobil trebuie să aibă un număr unic şi acest număr este format la apelarea lui şi serveşte ca identificator pentru calculul timpului utilizat în reţea. În sistemul NMT numărul abonaţilor are următoare structură: P NM1M2X1X2X3X4X5X6  Numerele telefoanelor mobile NMT:

unde: P N – este aria MSC-H; M1,M2 – sunt numerile ariei de trafic; X1...X6 – sunt numerile al abonatului. Pentru apelarea unui abonat mobil de la alt abonat din reţea PSTN trebuie formate următoarele numere: PSTN

CL

CT

PLMN

MSC

ME BS

P NM1M2X1X2X3X4X5X6 P NM1M2X1X2X3X4X5X6 X1X2X3X4X5X6 ZX1X2X3X4X5X6 Z X1X2X3X4X5X6

52

Profilul traficului: Intensitatea traficului variază în dependenţă de amplasarea celulei, anotimpului anului, pe durata zilei. Profilul operaţional a sistemei NMT reprezintă durata de utilizare de echipament a sistemei, din acest punct de vedere pot fi caracterizate următoarele echipamente: a) MSC – funcţionează practic 100% din durata unei zile, se află sub sarcina de control şi întreţine legătura cu BS la un nivel calitativ şi împre3ună cu ele efectuează urmărirea fără întrerupere a tuturor ME, funcţionează la tensiune relativ stabilă şi în condiţii termice stabile.  b) BS – funcţionează 100% din durata unei zile, dar nivelurile de ieşire ale BS cresc pe perioada apariţiei semnalelor utile; de regulă, canalul radio se află în funcţiune aproximativ de 50% din timp(2 vorbitori) c) Staţia mobilă – timpul de funcţionare este foarte mic, depinde de necesităţile şi posibilităţile abonatului, de obicei funcţionează aproximativ pe 40% la emisie în timpul unei convorbiri d) Linie de transmisiune – între MSC şi BS funcţionează 100%, între BS şi ME doar la apelarea într-o direcţie sau alta

Tema: Sistemul de comunicaţii mobile GSM- Global System  Mobile Communication  § Noţiuni de bază. Caractreristicile tehnice de bază.

Sistemul GSM a fost elaborat ca un sistem pan-european, dar în ziua de azi se utilizează larg în toată lumea. Reprezintă un sistem de generaţia a 2-a digital, a fost implementat în 1991. GSM are o capacitate de pînă la 10 ori mai mare decît sistemele de comunicaţii mobile analogice din următoarele cauze: 1) Înlocuirea transmisiunii semnalului vocal, ce efectuează o modulaţie analogică purtătoare cu modulaţia digitală a purtătoarei canalului, aceasta a  permis de a micşora relaţia semnal/zgomot pentru transmiterea calitativă a semnalului şi de asemenea a permis de a micşora cu mult distanţa de reutilizare a frecvenţei 2) Introducerea controlului puterii de emisie la ME şi BS, transmisiunea discontinue a semnalului, utilizarea saltului de frecvenţe 3) Utilizarea metodei de acces TDMA, ce presupune iniţial divizarea benzii alocate de frecvenţe în benzile de canal şi divizarea funcţionării acesteia , de 53

obicei fiecare slot este acordat pentru comunicaţie într-un singur sens unui singur abonat. GSM extinde funcţia de mibilitate la nivelul abonatului şi efectuează cîteva etape de securizare a informaţiei. 1 etapă – cifrarea informaţiei pe canalul radio după un algoritm şi o cheie specială 2 etapă – utilizarea obligatorie în reţelele GSM a cartelei SIM(modul de identificare a abonatului) accesul la care se face printr-un cod PIN(numărul de identificare a abonatului). În GSM se efectuează controlul echipamentelor mobile utilizate în reţea pentru aceasta la fiecare acces al reţelei reţeaua controlează IMEI (Interntional Mobile Equipmrnt Identity). Sistemul GSM este realizat în 2 variante: GSM 900 şi GSM 1800. Pentru GSM 900 sunt utilizate următoarele benzi de frecvenţe: ΔF1 = 890÷915MHz ΔF2 = 935÷960MHz ΔF = 25MHZ Δf c = 200kHz = 0,2MHz În fiecare bandă se utilizează 2 benzi de protecţie, fiecare din această bandă are o lăţime de Δf c/2 = 100kHz la extremele benzii.  Numărul de canale este N = ΔF1/ Δf c = 125-1 =124 canale Sitemul GSM 900 poate deserve zeci÷sute mii de abonaţi. Planul de frecvenţe are următoare formă: ME→BS 1 890

2

f,MHz

123 124 915

BS→ME 1 2 935

f,MHz

123 124 960

canal duplex 1 1

1

f,MHz

ΔFd = 45MHz

 § Arhitectura reţelei GSM  54

Arhitectura reţelei GSM are următoare structură: OMC

OMS NMC

PSTN ISDN  NSS

X.25

RSS

EIR

ME Um SIM

BTS Abis

F

BSC

VLR B

MSC XC IWF EC

BTS A

BTS

BSS BSS

HLR   AuC E

MSC XC IWF EC

BSS

Sistemul GSM constă din 3 subsisteme: 1. RSS – Radio Subsystem 2. NSS – Network and Switching Subsystem 3. OMS – Operating and Switching Mentinance Subsystem

La rîndul său RSS conţine următoarele elemente: 1) ME – obligatoriu trebuie să aibă cartela SIM 2) BTS – Base Transiever System (sistem de emisie/recepţie de bază) 3) BSC – Base Station Controler (controlerul BS) La rîndul său NSS conţine următoarele elemente: 1) MSC – la care se conectează a) XC – transcoderul ce efectuează conversia semnalului radio  b) IWF – Interworking Function – funcţie de interconectare c) EC – EchoCanceler – suprimator de ecou 2) EIR – Equipment Identity Register  3) VLR – Visitor Locaton Regiter (registru de localizare a vizitatorilor) 4) HLR – Home Location Register (registru de localizare a abonaţilor proprii) 5) AuC – Autentification Center (centru de autentificare) La rîndul său OMC conţine următoarele elemente: 1) OMC – Operating and Mentinance Center  2) NMC – Network Management Center 

55

 § Subsistemul radio RSS 

RSS constă din 2 elemente de bază: ME şi BSS. Echipamentul mobil - Sistemul GSM face destincţie între abonatul mobil şi echipamentul mobil. Echipamentul mobil este identificat prin IMEI, iar abonatul mobil. De obicei, este identificat de cartela SIM utilizată în acest ME. IMEI este un număr internaţional înregistrat într-o memorie de tip ROM a echipamentului mobil. Pentru ca în reţea să fie admise doar echipamentele ce corespund cerinţelor  tehnice a reţelei sau pentru prevenirea utilizării echipamentelor furate de fiecare dată cînd se efectuează înregistrarea în reţea a abonatului cu echipamentul dat se efectuează şi procedura de autentificare a abonatului şi echipamentului.(Abonatul  prin numărul de pe cartela SIM, iar echipamentul prin IMEI care este transmis automat către BS) Cartela SIM conţine informaţii necesare pentru conectarea unui abonat la reţeaua şi o parte din informaţii poate fi modificată, iar pe altă parte rămîne constant pe toată perioada utilizării cartelei SIM. Accesul la echipamentele se face printr-un număr  pin(parolă). Cartela SIM este implicată în funcţiile de autorizare, secretizare a informaţiei(se conţine o cheie de descifrare), administrarea apelurilor în reţea de origine şi cea vizitată se utilizează ca baza de date. În cartela SIM se mai înscrie numărul TSME(Temporaly Subscible Mobile Equipment). În cartela SIM se înscriu informaţii despre aria de localizare în care se află abonatul. BSS – reprezintă interacţiunea dintre 2 elemente de bază: BTS şi BSC.  BTS funcţionează în radiofrecvenţă şi efectuează legătura directă cu echipamentul

mobil prin intermediul semnalelor prelucrate în TDMA şi FDMA.  BSC reprezintă o unitate de control, care efectuează managementul resurselor  radio la toate BRS subordonate. BTS conţine cîte o unitate de emisie/recepţie pentru fiecare canal alocat. Capacitatea maximă a BTS este de 16 purtătoare. O configuraţie a BTS pentru zonele urbane conţine 4 purtătoare ceea ce permite conectarea simultană. În sistemul GSM nu există o alocare fixă a canalelor radio utilizate de BS, însă se utilizează o alocare hibridă. În BSC se conţine uncomutător care efectuează comutarea liniilor de abonat dsin afara reţelei mobile cu canalele radio, de aceea BSC trebuie să susţină 2 interfeţe. În interiorul BSS legătura între echipamentele se face prin linii PCM cu viteză de 2Mbps. BTS se conectează la BSC prin protocolul Abis, însă arhitectura de conectare  poate fi foarte diversă şi anume: magistrala, stea, ierarhică, etc.  § Subsistemul reţea NSS  56

Subsistemul reţea conţine o diversitate largă de echipamente ca funcţie realizate. MSC – prezintă un centru de comutaţie abonaţilor mobili, este un echipament ce realizează legătura dintre abonaţii mobili şi alte reţele, interacţionează cu celelalte echipamente prin 5 interfeţe diferite. MSC supraveghează stabilirea apelurilor şi procedurile de rutare a apelurilor în interiorul reţelei, efectuează funcţii de taxare, toate statisticile în reţea, conversia numerotării la efectuarea apelurilor. MSC efectuează următoarele funcţii tipice pentru reţeaua celulară: 1) Lista tuturor angajaţi în momentul dat într-o comunicaţie(apelaţi şi apelanţi) 2) Procedura de protecţie contra utilizatorilor neînregistraţi utilizînd pentru aceasta secretizarea informaţiei şi identificarea abontului 3) Iniţierea şi supravegherea procedurilor de transfer, localizare pentru apelurile cu abonaţii din alte reţele Un MSC cu VLR alocat poate deservi cîteva zeci de mii de abonaţi cu un trafic mediu de 0,025Erlangi. AuC – este responsabil de procesul de autorizare a unui abonat la conectarea lui la reţea. Procesul de identificare a autencităţii abonatului se face de fiecare dată cănd echipamentul mobil este pornit la reţea. În acest caz BTS recepţionează semnalele ME şi transmite în direcţia ME un semnal RAND. ME recepţionează semnalul RAND, îl multiplică cu cheia de discifrare din SIM obţine semnalul SRES care se transmite în direcţia BTS fiind prelucrat cu un algoritm A5 aceleaşi calcule şi  prelucrări se fac în BTS asupra RAND. Dacă rezultatele obţinute la prelucrarea RAND în BTS coincid se consideră că audentificarea este corectă şi abonatul are acces la servicii corespunzătoare. Audentificarea se face printr-un canal de semnalizare.  § Baze de date – registrele

În sistemul GSM există 3 baze de date: 1. HLR   2. VLR   3. EIR   Aceste baze reprezintă nişte noduri de prelucrare specială a datelor în rezultatul cărora se efectuează administrarea informaţiilor de abonat şi urmărirea localizării abonaţilor şi echipamentelor mobili. HLR – baza de date pentru parametrii abonaţilor înregistraţi în partea dată de reţea. Unele informaţii în această bază sunt introduse doar pentru prima dată în momentul înregistrării, nu se modifică şi nu se pot şterge. Alte date sunt dinamice şi se modifică pe parcursul deplasării abonatului în reţea. O reţea poate avea mai multe HLR fiecare din ele deţinînd o parte din informaţii despre abonaţi. 57

Întotdeauna un abonat va aparţine doar unui HLR. Fiecare abonat în momentul apelării va fi înregistrat şi în VLR corespunzător. Totdeauna la efectuarea unui apel de către un abonat mobil informaţia despre acest abonat este citită din HLR  corespunzător şi orice apel către abonatul mobil dat este dericţionat iniţial către HLR, unde a fost înregistrat pentru a afla poziţia lui dată. În cazul cînd abonatul se află pe teritoriul deservit de către alt MSC rutarea apelului către abonat se face prin acel MSC în care a fost înregistrat abonatul şi este indicat numărul VLR deservit de alt MSC al reţelei. VLR – conţine o copie a informaţiei HLR despre toţi abonaţii care la momentul dat se află pe teritoriul deservit de VLR coresăunzător. VLR este un registru, ce iniţiază procesul de acordare a unui număr temporar unui abonat, pe care îl trimite spre HLR, acest număr temporar pe periade reduse de timp poate fi modificat  periodic.GSM oferă opţiunea de a modifica numărul la oarecare apel. În GSM celulele sunt grupate după arie de localizare şi această arie poate conţine  pînă la 30 de celule. Un VLR poate gestiona mai multe arii de localizare. La deplasarea abonatului dintr-o arie de localizare în alta VLR corespunzător transmite spre HLR informaţia despre modificarea ariei de localizare a abonatului, cînd abonatul iese din aria de origine reţeaua alocă abonatului dat un număr  flotant(MSRN). MSRN este utilizat pentru a putea direcţiona apelurile în reţea şi se alocă pentru a putea deosebi abonatul reţelei de origine deabonatul altei reţele. EIR – este o bază de date pentru validarea ME prin IMEI, această bază conţine date despre echipamente ce sunt grupate în 3 liste: 1) Lista albă – în care se conţine informaţia despre IMEI care sunt acceptate să lucreze în reţea. 2) Lista neagră – în care se conţin toate IMEI care nu sunt acceptate în reţea 3) Lista gri – în care se conţin toate IMEI a echipamentelor care au probleme  § Module funcţionale ale NSS 

Pentru interacţiunea tuturor componentelor reţelei mobile în NSS se utilizează 3 module: 1. XC 2. IWF 3. EC Transcoderul – modulul XC se utilizează pentru efectuarea conversiei semnalelor  PCM cu viteza de 64kbps în semnalul pentru transmisiunea pe interfaţa radio cu viteza de 13kbps. Pentru efectuarea conversiei semnalului transmis în canalul GSM cu viteza de 13 kbps se completează cu aşa numitele biţii albi(fără informaţie) pînă la 16kbps, aceasta permite de a grupa pe o linie telefonică 4 canale radio şi de a obţine sumar  58

vităza de 64kbps(adică viteaza utilizată pentru transmiterea datelor în afara reţelei GSM). În acest caz pentru realizarea vitezei de 2Mbps, care este utilizată pe canalele PCM se grupează 30 canale cu viteza de 64kbps sau 120 canale cu viteza de 16kbps. Interconectarea transcoderului cu alte unităţi a reţelei mobile este are următoarea structură: MSC

30*64kbps

XC

120*64kbps

BSS

Modulul IWF este utilizat pentru accesul abonatului la funcţii de conversia  protocolului de prelucrare şi conversie de viteză de transmitere, aparţinănd echipamentelor terminale mobil şi fix. Modulul IWF conţine un anumit număr de modeme şi la apariţia unui ape către abonat mobil IWF selectează un modem concret prin care se efectuează transmiterea corespunzătoare. Acest modul asigură diverse interfeţe pentru interconectare cu echipamentele reţelei. Modulul EC este utilizat în sistemul GSM la diferite nivele la care se efectuează diverse codări şi decodări de informaţie ce duce la apariţia unui timp de reţinere/întîrziere ce poate ajunge la 80msec maximum, această întîrziere a semnalului vocal realizează un efect neplăcut ce seamănă cu un defect al reţelei PSTN. De asemenea la trecerea semnalului din reţele mobile în fixă se efectuează trecerea de transmitere de la 4 la 2 fire. Schema de structură de conexiunea modulului EC şi acţiunea lui este următoarea: PLMN PSTN BSS

MSC

EC

SD

EC poate elimina un ecou cu o întîrziere de pînă la 68msec şi funcţional EC reprezintă un defazor cu o întrecere, adică permite de a mişca faza semnalului înainte. § Subsistemul OMS Subsitemul OMS conţine 2 elemente de bază: 1. OMC – care poate fi unul sau mai multe 2. NMC – care poate fi doar singur  OMC reprezintă echipamente de comandă şi supervizare pentru toate celelalte unităţi ale reţelei, urmărindu-se concomitent şi calitatea tuturor serviciilor în reţeaua 59

OMC este conectat cu toate unităţile reţelei prin X.25. OMC efectuează următoarele funcţii principale: 1) Funcţii de prelucrare – ce constau în culegerea informaţiei de la toate unităţile reţelei, memorarea acestor informaţii şi prelucrarea lor, în rezultat poate fi realizată o funcţie de comandă sau control asupra oarecarei intetăţi sau informaţia dată poate fi transmisă spre NMC 2) Funcţii de gestionare a defectelor – în depistarea intetăţilor defecte şi repunerea lor manuală sau automată în funcţiune 3) Funcţii de întîrziere – ce permit controlul volumului de trafic 4) Funcţii degestionare a performanţelor – permit efectuarea statisticelor  şi analizei lor  5) Funcţii de gestiune a programelor – pot fi mai multe variante de  programe şi se selectează una din ele 6) Funcţii de gestionare de informaţii configurate – în cazul dat OMC  poate efectua funcţia de citire a configuraţiei fiecărei unutăţi funcţionale şi mai poate efectua reconfigura unitaţilor şi reţelei. NMC – reprezintă nivelul ierarhic superior de dirijare şi întreţinere în stare funcţională a tuturor elementelor sau unităţilor. NMC efectuează realizări de semnal de dirijare în rezultatul analizei informaţiei recepţionate de la OMC. Funcţiile NMC sunt echivalente celor OMC, însă pentru reţeaua dată reprezintă funcţii globale. Cele mai importante funcţii sunt: a) Gestiunea traficului la nivelul de reţea, în acest caz NMC depistează cu supratrafic şi poate efectua deservirea apelurilor cu prioritate sau poate efectua refuzul unui număr de apeluri mai mare ca cel stabilit.  b) Supravegherea trunchiurilor de canale şi liniilor de semnalizare c) Controlul traficului la nivelul local; în cazuri extreme NMC prin intermediul OMC poate efectua dirijarea deservirei traficului prin redistribuirea canalelor în celulă NMC poate realiza funcţiile de sinteză a reţelei şi de aceea este foarte des utilizată la dezvoltarea reţelei sau la reconfigurarea ei. § Numerotarea în sistemul GSM În sistemul GSM există 4 metode de adresare către abonatul mobil în dependenţă de segmentul reţelei pe care se efectuează adresarea către abonatul mobil. Adresarea utilizează următoarele numere: 1. IMSI – International Mobile Subscrible Identity – numărul internaţional a abonatului mobil – are semnificaţie doar în interiorul reţelei, nu se modifică niciodată. 2. TMSI – Temporary Mobile Subscrible Identity – numărul temporar a abonatului mobil – se utilizează doar pe segmentul transmiterii de la BS spre ME 3. MSISDN – Mobile Subscrible ISDN – se utilizează pentru identificarea abonatului în exteriorul reţelei mobile 60