MINISTERUL EDUCAŢIEI AL REPUBLICII MOLDOVA UNIVERSITATEA TEHNICĂ A MOLDOVEI FACULTATEA INGINERIE ŞI MANAGEMENT ÎN ELECTRONICĂ ŞI TELECOMUNICAŢII Catedra Radiocomunicații
PROIECT DE AN la disciplina “REȚELE INTELIGENTE DE COMUNICAȚII” Tema: “Proiectarea unei rețele inteligente celulare de comunicații mobile în sistemul GSM 900”
A efectuat: studentul grupei SOE-141 f/zi, Sturza Nicolae A verificat: conf. univ.,dr. I. AVRAM
Nota_________
Chişinău 2016
Cuprins INTRODUCERE I
DESCRIEREA
SISTEMULUI
GSM
900
5 1.1
Arhitectura
rețelei
GSM
6 1.2
Parametri
și
caracteristici
6 1.3
Serviciile
care
le
prestează
7 1.4
Avantajele
sistemului
GSM
8 1.5
Performanțele
sistemului
GSM
9 1.6
Securitatea
sistemului
GSM
9 II
PROIECTAREA
REȚELEI
INTELIGENTE
CELULARE
DE
COMUNICAȚII 11 2.1Calcularea numărului total de canale în sistem
11
2.2Calcularea numărului canalelor de trafic în sistem 2.3
Calcularea
numărului
de
11 celule
într-un
cluster
11 2.4
Calcularea
numarului
de
canale
intr-o
celulă
a
clusterului
12 2.5
Determinarea
distanţei
Repartizarea
canalelor
de
reutilizare
a
frecvenţei
12 2.6
în
seturi
pe
celule
13
2
2.7
Repartizarea
celulelor
Formarea
planului
în
cluster
şi
în
afara
lui
(7
clustere)
13 2.8
de
frecvențe
a
sistemului
GSM
13 CONCLUZII BIBLIOGRAFIE
INTRODUCERE GSM (Global System for Mobile Communications: inițial de la Groupe Special Mobile) este un system de telefonie mobile digital și este cel mai popular standard pentru sistemele de telefonie mobile în lume. GSM funcționează în frecvențe de 900 MHz (GSM 900), 1800 MHz (GSM 1800), și un system mai nou cu banda de 1900 MHz( GSM 1900), pe baza unei cartel cu memorie proprie, numită cartel SIM (Subscriver Identity Module), ce oferă identitatea utilizatorului în rețea cu un număr de telefonie propriu atribuit. Re țeaua GSM este concepută ca o rețea inteligentă ( IN- Intelligent Network). Rețelele de radiocomunicații mobile numerice, din care face parte și GSM ca standard European, dispunînd de o mare varietate de mesaje de semnalizare, simplifică și îmbunătățesc funcțiile legate de mobilitate. Aceasta se realizează prin procedeele de localizare și înregistrare automata în rețea. GSM oferă în primul rind calitate maxima a convorbirilor și transmisiilor de date, și, mai mult decît atît, 3
oferă posibilitatea folosirii aceluiași telefon mobil (cu aceeași cartelă SIM, și implicit același număr) și în alte rețele, pe tot globul (roaming), astfel că utilizatorul poate fi găsit chiar dacă nu se află în țară. Rețeaua GSM propriu-zisă se constituie din cellule telefonice.Fiecărei cellule îi corespunde o anumită antenna (stație de bază), amplasată pe turnuri sau clădiri înalte, pentru a se evita accesul într-o apropiere imediată a acestora, al persoanelor publice. Astfel, dacă un anumit telefon efectuează o convorbire, aflîndu-se în mi șcare el poate trece de la o celulă la altaș zonele de acoperire ale acestor cellule se întrepătrund tocmai pentru a se asigura o calitate superioară a convorbirii, fără bruiaje sau întreruperi, cauzate de lipsa de semnal. În viitor se urmărește înlocuirea sistemului GSM 900 cu cel pe 1800 MHz, sau chiar 1900 MHz, deoarece puterea acestora fiind mai mare,zonele în care nu există semnal (prin sistemul GSM 900), vor devein utilizabile (lofturi, beciuri, subsoluri). Rețeaua GSM este formată din mai multe sute de amplasamente de celule,dispuse suprapus una peste celaltă, în așa fel încît să rezulte o acoperire cu radio-emisie continua, neîntreruptă. Pe parcursul convorbirii, terminalul GSM se conectează prin unde radio la stația radio plasată în zona în care se găse ște abonatul.La trecerea dintr-o celulă în alta, apelul este trimis fără ca utilizatorul să realizeze procesul de trecere de pe un canal în altul.Stația radio are o rază de acoperire ce poate varia de la cel puțin 1 km, dacă este vorba de o zonă urbană, pînă la cel mult 30 de km în atfel de zone.Rețeaua GSM este compusă din trei păr ți principale, stația mobile (MS), stația bază de emisie-recepție (BTS) care controlează conectarea cu stația mobile, stația bază de control (BSC) care controlează stația bază de emisie-recepție și oficiul central de schimbare (MSC). Rețelele de generația întîi posedau cellule mari ( ordinal a 50 km raza), în centrul cărora se situa o stație de bază (antenna de emisie). La început, acest system aloca o bandă de frecvență de tip static fiecărui utilizator, chiar dacă acesta nici nu avea nevoie de ea la
un moment oarecare. Deci, sistemul permitea 4
furnizarea serviciului la un număr de utilizatori numeric egal cu numărul benzilor de frecvență disponibile.Prima ameliorare a constat în faptul că banda de frecvență era alocată utilizatorului doar în momentul cînd acesta avea nevoie de ea. Astfel, a fost posibilă mărirea numărului de utilizatori pe baza principiului că nu to ți telefonează în același moment de timp.Totuși, acest system necesită stații mobile cu o putere de emisie importantă (aproximativ de 8W) și deci și aparate mobile de talie și greutate respective.
I 1.1
ANALIZA SISTEMULUI GSM 900
Arhitectura rețelei GSM 900 Arhitectura rețelei GSM este împărțită în 3 părți: Partea de acces Partea de agregare Partea de core Partea de acces este partea în care echipamentul userului, adică telefonul
mobil se conectează la rețea prin intermediul undelor radio.Mai departe, în partea de agregare, informația transmisă de mai mulți useri se adună și se trimite către inima rețelei( core), unde apelurile sunt rutate.
5
Figura.1 Structura rețelei GSM În continuare voi enumera care sunt componentele acestei rețele: MS-Mobile Station – telefonul mobil și un card control. BSC supraveghează fiecare apel și decide cînd și la care BTS să expedieze un apel. MSC-Mobile Switching Center – reprezintă centrala de comutație pentru apelurile ce au loc atît în cadrul rețelei, cît și pentru cele care ies din rețea. VLR-Visitor Location Register – echipamentul ce conține informații despre abonații înscriși temporar în zona deservită de un anume MSC HLR-Home Location Registeer – Baza de date cu permisiunile și restricțiile unui abonat ( de ezemplu, dacă are sau nu voie să inițieze un apel) EIR-Equipment Identification Register – baza de date cu anumite echipamente ce sunt restricționate/interzise în rețea. SIM BTS-Base Transceiver Station – transmite/primește apeluri de la Mobile Station.BTS-urile sunt toate conectate împreună ca să-ți permită să te mu ți de la o cartelă la alta. 6
BSC-Base Station Controler – controlează alocarea, eliberează canalele radio, face conectarea rapidă între celule. O serie de BTS-uri sunt conectate la fiecare sta ție de bază de 1.2
Parametri și caracteristici Stadardul GSM 900 prevede ca telefonul mobil GSM să ocupe 2 benzi de
frecvență în jurul valorii de 900 MHz; Banda de frecvență 890 – 915MHz , pentru comunicațiile ascendente (de la mobil spre stația de bază) Banda de frecvență 935 – 960 MHz, pentru comunicațiile descendente (de lastația de bază spre mobil). Deoarece fiecare canal de frecvență utilizează pentru o comunica ție o lărgime a benzii de frecvență de 200 kHz, este posibil de a utiliza 124 de canale frecvențiale, ce pot fi împărțite între diferiți operatori. Însă, deorece numărul de utilizatori era în continuă creștere, s-a decis atribuirea unei benzi suplimentare în jurul valorii de 1800 MHz. Acesta este sistemul GSM 1800 sau DCS 1800 (Digital Communication System), a cărui caracteristici sunt identice cu cele ale GSM 900 în ceea ce privește protocoalele și serviciile. Tabelul.1 Sistemul GSM 900 GSM 900 Banda de frecvență (ascendentă) Banda de frecvență ( descendentă) Numprul de interval de timp pe cadru (TDMA) Debit total pe un canal Debitul parolei Debitul maximal de date Tehnici de multiplexare Raza celulelor Puterea terminalelor Sensibilitatea terminalelor Sensibilitatea stației de bază
890,2-915 MHz 935,2-960 MHz 8 271 kb/s 13 kb/s 12 kb/s Multiplexare frecvențială și temporală 0.3-30 km 2-8 W -102 dB -104 dB
1.3 Servicii 7
De la început, proiectanții GSM au căutat să asigure compatibilitatea rețelelor GSM și ISDN în dependență de serviciile oferite. În conformitate cu definițiile ITU-T (Internation Telecommunication Union – Telecommunication Standardisation Sector ), rețeaua GSM 900 poate oferi următoarele tipuri de servicii: Servicii de transport de informații ( bearer services) Servicii de comunicații ( teleservices) Servicii suplimantare ( supplementar services). Cînd în 1991 au apărut rețelele GSM 900, totul se axa pe oferirea de servicii „voice” la nivel înalt, în comparație cu sistemul celular analog existent atuci. Dar, chiar de la începutul tehnologia GSM oferea cîtva servicii noi, care au atras iediat atenția unei anumite categorii de utilizatori.Cele mai semnificative inovații au fost: Posibilitatea de criptare a informației Serviciul de roaming în Europa. Aceasta însemna că, spre deosebire de rețelele fixe, în care terminalul abonatului este legat la oficiul central prin cabluri, abonatul rețelei GSM poate circula atît în interiorul acestei rețele, cît și în afara țării. Pentru a apela un abonat al rețelei mobile este nevoie de a forma numărul,numit număr al abonatului rețelei digitale mobile cu integrare de servicii.Acest număr conține codul șării și codul național de destinație, care identifică operatorul care furnizează serviciile.Primele cîteva cifre identifică Home Location Register (HLR) a abonatului în rețeaua de comunicații mobile. Cea mai cunoscută ramură a activității GSM este telefonia. Deoarece GSM 900 este în esență un sistem digital de transfer de date,vocea este codificată și este transmisă sub forma unui flux digital. Un alt exemplu de serviciu este asisten ța de urgență ( numerele serviciilor de urgență pot fi apelate gratuit). În plus , există o varitate de servicii de transmisiuni de date. Abonații GSM pot să realizeze schimb de date cu abonații ISDN, ale rețelelor telefonice obișnuite, rețelelor cu comutare de pachete, rețelelor cu comutare de canale, folosind diverse metode și protocoale de acces. Este posibil transferul mesajelor faximile, utilizînd un adaptor 8
corespunzător pentru
un aparat fax. O oportunitate GSM este transmiterea
bidirecțională a mesajelor scurte (SMS). Orice abonat poate transmite un mesaj, după care va primi o confirmare de primire. Mesajele scurte pot fi folosite în regim de difuzare, spre exemplu, pentru a informa clienții despre o eventuală schimbare a condițiilor de trafic în regiune, etc. 1.4Avantajele sistemului GSM 900 Eficiența mărită a spectrului radio permite o capacitate crescută a rețelei Permite o sofisticată autentificare a utilizatorului, reducînd posibilitatea fraudelor. Previne interceptarea conversațiilor prin tehnici sofisticate de criptare , care sunt în totalitate sigure. Permite o mai bună claritate și consistență a conversațiilor prin
elimenarea
interferenței în timpul transmisiei digitale Simplifică transmisia de date, permițînd conectarea calculatoarelor portabile la telefoanele celulare GSM Un singur standard ce permite deplasări internaționale între rețelele GSM din lume. 1.5
Performanțele sistemului GSM 900
Multe din sistemele analogice pot oferi performanțe bune, dar GSM-ul a fost să fie mai bun decît orice sistem analogic.Calitatea convorbirii GSM este de semnal slab sau interferențe, sistemul GSM se comportă mult mai bine.Calitatea radio, mărimea și timpul de viață al bateriei sunt de asemenea parametri importan ți de performanță.Deoarece se utilizează un standard digital, se înregistrează un nivel ridicat de implementare a noilor tehnologii,ducînd la micșorarea mărimii și greutății telefoanelor mobile. Utilizarea puternicului mod “sleep” automat duce la o semnificativă creștere a timpului de viață al bateriei. 1.6
Securitatea sistemului GSM 900 GSM oferă trei niveluri de securitate: 9
Nivelul de securitate I 1. Datele utilizatorului GSM sunt înregistrate în cartela SIM. 2. Cartela SIM poate fi insertată în orice terminal GSM. 3. Tariful este înregistrat pentru proprietarul cartelei SIM. 4. Sistemul GSM verifică validitatea utilizatorului. Nivelul de securitate II 1. Sistemul GSM identifică localizarea utilizatorului 2. Terminalele furate pot fi deplasate sau folosirea lor invalidată 3. Utilizatorul poate fi identificat înainte de acceptarea convorbirii
Nivelul de securitate III 1. Sunt utilizate tehnici avansate de criptare pentru
a face aproape
imposibilă
interpretarea convorbirii. 2. Puterea electrică instalată necesară alimentării obiectivul este între 10 kW și 16 kW curent alternativ 380/220 V la 50 Hz. În cazul întreruperii alimentării cu energie electrică, se preconizează utilizarea unui grup electrogen mobil.
10
II
PROIECTAREA REȚELEI INTELIGENTE CELULARE DE
COMUNICAȚII 2.1Calculul numărului total de canale în sistem Tabelul 2.1 Date inițiale Rază i
j
celulă
Sistem
3
4
R, km 1,5
GSM 900
Bandă frecvențe, MHz
Canal
Suprafața de
Nr. Total
duplex, set
acopeire, Sa,
de abonați,
canale 2, 34
mii km 37
mii, Na 470
895-909/940-954
Verificăm condiția de egalitate dintre ∆F1→ME→BS şi ∆F2→BS→ME ∆fc=0,2 MHz ∆F1 = 909-895 =14 MHz ∆F2 = 954-940 =14 MHz |14|=|14| => |∆F1|=|∆F2| N=
N=
∆ F1 ∆ F2 = ∆ fc ∆fc
14 MHz =¿ 0,2 MHz
(2.1)
70 canale.
unde: ∆F – spectrul de frecvenţe alocat sistemei; ∆fc = 0,2 MHz – banda unui canal; 11
2.2 Calcularea numărului canalelor de trafic în sistem, (doar în sistemele GSM este calculat acest indicator) N tr =N −1 N tr =70−1=69
(2.2)
canale de trafic
2.3 Calcularea numărului de celule într-un cluster k =i2 +i∗ j+ j 2
(2.3)
k =32 +3∗4+ 4 2=9+12+16=37 celule
unde: k - numărul de celule în cluster; i,j - parametri de deplasare; 2.4 Calcularea numarului de canale intr-o celulă a clusteului Pentru calcule se utilizează partea întreagă ,iar partea fracționară se utilizează doar la alcătuirea planului de frecvență. N tr = c
N tr
unde:
c
N tr 69 = =1,87 ( canale ) k 37
(2.4)
este numărul de canale de trafic utilizate într-o celulă a clusterului.
Deoarece numărul canalelor în celulele clusterului reprezintă un număr fracţionar, atunci: 1 Pentru unele celule din cluster se utilizează un număr de canale de trafic egal cu partea întreagă, adică un canal, iar 2 Pentru alte celule din cluster se va utiliza un număr de canale de trafic egal cu partea întreagă plus 1 , (
N tr +1 c
), adică cîte 2 canale.
2.5 Determinarea distanţei de reutilizare a frecvenţei I
Metodă 12
Distanţa minimă dintre centrele a două celule ce utilizează acelaşi set de canale este numită distanţa de reutilizare şi se notează prin D, se calculează conform formulei: D=R √ 3 k
(2.5)
unde: D - distanţa de reutilizare a frecvenţei R[km] - raza celulei conform variantei D=1.5 √ 3∗37=1.5 √ 111=15,8 km
II
Metodă Pentru a calcula prin a doua metodă, constituim clusterele. Alegem două
celule P1 şi P2 din clustere vecine, determinînd coordonatele după axele x,y. D=R
√ 3 [ ( x −x ) +( x −x ) ( y − y )+( y − y ) ] 2
1
2
2
1
2
1
2
1
(2.5.1)
2
unde: x1,y1 – coordonatele punctului P1 x2,y2 – coordonatele punctului P2 P1 ( x 1 ; y 1) =( 10 ; 2 ) ; P2 ( x 2 ; y 2 )=( 13 ; 6 ) ;
Punctele au fost alese din repartizarea celulelor în cluster ( vezi Anexă 1 ). D=1.5
√ 3 [ (10−13 ) +( 10−13 )( 2−6 ) +( 2−6 ) ] 2
2
=
=1.5 √ 3(9+12+16) =1.5 √ 3∗37 =1.5 √ 111=1.5∗10.53=15,8 k m
2.6 Repartizarea canalelor în seturi pe celule Construim un tablel , în care numărul de coloane coincide cu numărul de celule de trafic utilizate într-un cluster. Tabelul 2.5 Repartizarea canalelor în seturi pe celulă 1 1
2 2
3 3
... …
30 30
31 31
32 32
38
39
40
…
67
68
69
33 33
34 34
35 35
36 36
37 37
13
Din tabel determinăm : 1. În celulele de la 1-32 se vor utiliza cîte 2 canale de trafic; 2. În celulele de la 33-37 se vor utiliza cîte 1 canale de trafic; 3.
Setul de canale 34 conține doar canalul 34.
2.6 Repartizarea celulelor în cluster şi în afara lui (7 clustere) ANEXA 1 ACOPERIREA TERITORIULUI
2.7 Formarea planului de frecvențe a sistemului GSM 900 ANEXA 2 PLANUL DE FRECVENȚE AL SISITEMULUI GSM 900
CONCLUZII În lucrarea dată s-a avut drept scop proiectarea unei rețele celulare mobile în sistemul GSM 900. Pentru proiectarea reţelei de comunicaţii mobile s-a propus calcularea următorilor parametrii ai reţelei, respectiv avem urmatoaele rezultate: 1 Condiţia de egalitate dintre ∆F1→ME→BS şi ∆F2→BS→ME (necesar pentru determinarea numărului total de canale radio) este respectată; 2 Numărul canalelor de trafic utilizate în reţeaua proiectată este N=69 canale; 3 Numărul de celule în cluster este k=37 celule; 4 Numărul de canale de trafic utilizate într-o celulă a clusterului
N tr c
=1,86 canale,
deoarece numărul canalelor în celulele clusterului reprezintă un număr fracţionar, atunci pentru unele celule din cluster se utilizează partea întreagă, adică 1 canal, iar pentru celelalte celule se utilizează
N tr +1 c
, adică 2 canale; 14
5 Seturile de canale, au fost formate prin metoda tabelară şi astfel am determinat că setul de canale 34 conține doar canalul 34. 6 Distanţa de reutilizare a frecvenţei s-a determinat prin două metode, și comparînd ambele rezultatele s-a obţinut aceiași valoare D =15,8(km); 7 Reprezentarea
planului de frecvenţe pe placat format A1, cu reprezentarea
canalului duplex 1;
BIBLIOGRAFIE: 1 Ciclul de prelegeri ”Comunicații mobile” partea I, Autor: conf.univ.dr. Ion Avram, UTM – 2011, 100 p. 2 http://www.ixbt.com/mobile/nmt.html (Андрей Козин, 21 сентября 2000 г.) 3 http://www.sbi-telecom.ru/uslugi-predostavlyaemye-sistemoi-nmt.html 4 http://www.eugo.ro/Diverse/index.php 5 http://www.sbi-telecom.ru/upravlenie-potokom-informacii-v-sisteme 6 http://www.sbi-telecom.ru/arhitektura-nmt.html 7 http://mymobilephone.narod.ru/celular/standarts/standart_nmt_450.htm 8 http://www.scribd.com/doc/51636743/2/Sisteme-de-comunica%C5% 9 http://facultate.regielive.ro/cursuri/electronica/comunicatii-mobile 10 Analiza circuitelor electronice. Curs ,Conspect Avram Ion 2015; 15
11 Îndrumator la mat., Dumitru B., Editura “Tehnica”, Chişinău, 2008, 628 pag.; 12 http://www.circuiteelectronice.ro/power-circuits/circuit-variator.html
16
