5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere 5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere 5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
Global
COMUNICAŢII NUMERICE 3
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţele celulare digitale (1)Reprezintă segmentul de piaţă cu creşterea cea mai rapidăSunt extensii wireless pentru reţelele tradiţionale PSTN (Public Switched Telephony Network) şi ISDN (Integrated Services Digital Network)Sunt utilizate în principal pentru trafic de voce, dar traficul de date este în continuă creştereSituaţia la nivel mondial în 2002 (mai puţin SUA,Canada)• GSM (Global System for Mobile communications )
• este cel mai popular sistem digital (70% din piaţa mondială, 370mil. de utilizatori în Europa)
• PDC (Personal Digital Cellular)• este un standard de generaţia a 2-a introdus de japonezi• deţine încă 5% din piaţă (60mil.de utilizatori)
• CDMA (Code Division Multiple Access) - 12% din piaţă• TDMA (Time Division Multiple Access) -10% din piaţă• AMPS (Advanced Mobile Phone System ) – sistem analogic (încă mai
deţine 3% din piaţă)
COMUNICAŢII NUMERICE 4
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţele celulare digitale (2)În SUA şi alte câteva ţări ce folosesc tehnologia americană (Canada, Coreea de Sud) în 2002 piaţa era împărţită astfel:• TDMA - 107mil. de utilizatori• CDMA - 135mil. de utilizatori• GSM - 16mil. (doar in America de Nord).
Existenţa mai multor standarde → probleme• acoperirea • serviciile oferite
Sistemul GSM este folosit ca pricipal exemplu de sistem celular 2G datorită:• succesului pe piaţă• arhitecturii sistemului, care a stat la baza multor alte sisteme
Alte sisteme au adoptat managementul mobilităţii, operaţia de preluare a legăturii (handover) asistată mobil şi alte idei de bazăSistemul DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) este folosit ca şi exemplu pentru telefonia cordless (fără fir), deoarece arhitectura este similară cu cea a sistemului GSM
COMUNICAŢII NUMERICE 5
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Situaţia la nivel mondial în 2007-2008
• Conform statisticilor GSM Association de la jumătatea anului 2007 respectiv 2008
Tehnologie2007 2008
Mil. utilizatori % Piaţă Mil. utilizatori % PiaţăGSM 2.377,79 80,65% 2.961,29 80,79%WCDMA 131,24 4,45% 216,43 5,90%WCDMA HSPA 4,99 0,17% 43,42 1,18%TDMA 12,13 0,41% 3,04 0,08%PDC 23,48 0,80% 9,15 0,25%iDEN 27,08 0,92% 27,61 0,75%Analog 2,02 0,07% 0,52 0,01%cdmaOne 15,55 0,53% 7,92 0,22%CDMA2000 1X 288,50 9,79% 292,48 7,98%CDMA2000 1xEV-DO 65,41 2,22% 101,17 2,76%CDMA2000 1xEV-DO Rev. A 0,17 0,01% 2,35 0,06%Total 2.948,36 100% 3.665,38 100%
COMUNICAŢII NUMERICE 6
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Evoluţia diferitelor tehnologii pe plan mondial
Nimeni nu a prevăzut puternicul succes al sistemului GSM
Sistemul analogic este în declin
În ziua de azi - sunt mai mulţi utilizatori ai telefoniei mobile decât ai celei fixe
Sistemul GSM este folosit ca principal exemplu de sistem celular 2G datorită:• succesului pe piaţă• arhitecturii sistemului, care a stat la baza multor alte sisteme
Alte sisteme au adoptat managementul mobilităţii, operaţia de preluare a legăturii (handover) asistată mobil şi alte idei de bazăSistemul DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) este folosit ca şi exemplu pentru telefonia cordless (fără fir), deoarece arhitectura este similară cu cea a sistemului GSM
COMUNICAŢII NUMERICE 7
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Generaţia a 3-a (1)
Sistemului UMTS este prezentat ca exemplu de reţea 3G
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) este propunerea Europei/Japoniei pentru generaţia a 3-a în cadrul ITU IMT-2000
Primele faze ale UMTS arată evoluţia de la GSM spre UMTS
Fazele mai târzii ale UMTS arată cu atât mai mult integrarea tehnologiei de Internet, care simplifică crearea de servicii noi şi oferă calea de migrare spre reţele mai avansate
COMUNICAŢII NUMERICE 8
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Generaţia a 3-a (2)Este prezentată evoluţia spre generaţia a 3-a şi cele trei sisteme de multiplexare: TDMA, FDMA şi CDMA.
GPRS
1G 2G 2.5G 3G
TD-SCDMA
FDM
AC
DM
ATD
MA
CT0/1AMPSNMT CT2
IS-136TDMAD-AMPS
GSM
PDC
IS-95cdmaOne
EDGE
IMT-FTDECT
IMT-SCIS-136HSUWC-136
IMT-DSUTRA FDD/W-CDMA
UTRA TDD/TD-CDMA
IMT-TC
IMT-MCcdma2000 1X EV-DOcdma2000 1X
IMT-TC
COMUNICAŢII NUMERICE 9
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Generaţia a 3-a (3)
Cei mai mulţi furnizori de servicii trec de la GSM spre UMTS
Cu introducerea GPRS în reţelele GSM, reţeaua centrala (Core Network) a fost îmbunătăţită în aşa fel, încât poate fi folosită şi pentru UMTS, cu tehnologiile radio: UTRA FDD şi UTRA TDD
UTRA (UMTS Terrestrial Radio Acces)
Aceeaşi evoluţie a avut-o şi TD-SCDMA, propunerea chinezilor pentru un sistem 3G (care a fost apoi integrată în UTRA TDD)
Simplificând, se poate spune că sistemul UMTS aduce o nouă interfaţă radio dar se bazează în prima fază pe reţeaua centrală din GSM/GPRS
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 12
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Consideraţii generale
GSM (Global System for Mobile communications)- este un sistem celular digital paneuropean.
Bazele GSM au fost puse in 1982-în cadrul CEPT (Conferinţa Europeană a administraţiilor de Poştă şi Telecomunicaţii)GSM - reprezintă un standard elaborat de ETSI (Institutul European de Standardizare în Telecomunicaţii)GSM a apărut ca o reacţie la situaţia incomodă în care se afla Europa occidentală, datorită existenţei unor sisteme celulare analogice incompatibile între ele de la o ţară la alta
Excepţie a făcut sistemul nordic NMT, care a fost utilizat simultan în mai multe ţări
COMUNICAŢII NUMERICE 13
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Scurt istoric (1)
1978 Rezervarea blocului de frecvenţe: 2 x 25 MHz la 900 MHz
1982 Fondarea unui Grup Special pentru Mobile în cadrul CEPT
1987 După lungi dezbateri şi multe influenţe politice, CEPT/GSM se decideasupra unui sistem de bandă îngustă. Parametrii fundamentali ai sistemuluinu se decid încă
1987 Se întemeiază Memorandum de înţelegere (MoU) semnat de către operatoriide sisteme celulare din 12 ţări europene
1989 GSM devine un comitet tehnic în cadrul ETSI.
1991 Primele reţele au devenit operaţionale
1992 Lansarea comercială a GSM, moment în care sistemul a fost acceptat în 39de ţări din întreaga lume
COMUNICAŢII NUMERICE 14
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Scurt istoric (2)
1993 Au fost semnate primele acorduri de roaming
1994 Au fost oferite primele servicii de date
2003 474 de reţele GSM în 172 de ţări
(70% din utilizatorii mondiali ai serviciilor mobile folosesc GSM)
2006 2 miliarde de utilizatori GSM/W-CDMA.
690 de reţele în 213 ţări (incluzând 151 de reţele comerciale cu EDGE).
81% din utilizatorii mondiali ai serviciilor mobile folosesc GSM.
2007 Peste 3 miliarde de utilizatori GSM/W-CDMA
(sursa www.gsmworld.com)
COMUNICAŢII NUMERICE 15
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Principalele Obiective
Principalele obiective urmărite în elaborarea standardului GSM au fost:• Extinderea mobilităţii abonaţilor la scară continentală sau chiar globală• Asigurarea unui grad sporit de securitate a convorbirilor • Creşterea capacităţii sistemului în vederea răspândirii şi utilizării sale în
proporţie de masă
GSM- înlocuieşte sistemele de primă generaţie, dar nu oferă rate de date aşa mari ca şi sistemele de generaţie a 3-a, de ex. UMTS.
COMUNICAŢII NUMERICE 16
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Benzi de frecvenţe (1)În Europa se folosesc frecvenţele:• 890-915 MHz pentru UL • 935-960 MHz pentru DL
DCS 1800 (Digital Cellular System), la frecvenţa de 1800MHz• 1710-1785 MHz pentru UL • 1805-1880 MHz pentru DL
Bandă de Gardă de 200kHz
45M
Banda
Duplex 95M
25M10M
75M
Nr.Purtătoare 12450 374
880 890 915
P-GSMG1 G1
925 935 960
P-GSM
1710 1785
DCS 1800
1805 1880
DCS 1800
E-GSMDownlink DownlinkUplink Uplink
Acest sistem fiind denumit GSM 900, pentru a-l distinge de versiunile ulterioare
COMUNICAŢII NUMERICE 17
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Benzi de frecvenţe (2)
Sistemul GSM american la 1900 MHz – PCS 1900 (Personal Communication Service)• 1850-1910 MHz pentru UL • 1930-1990 MHz pentru DL
Sistemul GSM 400 propus pentru a înlocui sistemul analogic în zonele cu populaţie rarefiată• 450,4-457,6 MHz / 478,8-486 MHz pentru UL• 460,4-467,6 MHz / 488,8-496 MHz pentru DL
COMUNICAŢII NUMERICE 18
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Spectrul alocat şi divizarea în frecvenţă
200 kHz
Duplex în frecvenţă- 45 MHz (GSM)- 90 MHz (DCS)
124 purtătoare FDD 374 purtătoare FDD
DownlinkBTS -> MS
UplinkMS -> BTS
935 MHz
960 MHz
25 M
Hz
915 MHz
890 MHz
25 M
Hz
1880 MHz
1805 MHz
75 M
Hz
1785 MHz
1710 MHz75
MH
z
COMUNICAŢII NUMERICE 19
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
GSM-R (1)
GSM-R (Rail) – un sistem ce a fost introdus în mai multe ţări europene pentru sistemul feroviar (GSM-R, 2002)
Acest sistem foloseşte frecvenţe separate şi oferă servicii suplimentare, care nu sunt accesibile utilizatorilor sistemului GSM public
GSM-R foloseşte 19 canale exclusive pentru operatorii feroviari – pentru voce şi date.
Caracteristici speciale ale acestui sistem sunt: apel de urgenţă cu confirmare, Voice Group Call Service (VGCS), Voice Broadcast Service (VBS).
Apelurile sunt prioritizate
COMUNICAŢII NUMERICE 20
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
GSM-R (2)
Timpi foarte scurţi de stabilire a apelului • apeluri de urgenţă <2s• apeluri de grup<5s
Apelurile pot fi direcţionate spre• toţi utilizatorii aflaţi la o anumită locaţie,• toţi cu o anumită funcţie etc.
Cea mai sofisticată utilizare a GSM-R este în dirijarea trenurilor, comutatoarelor, porţilor şi semnalelor• trenurile care nu depăşesc 160 km/h pot controla toate barierele,
comutatoarele şi semnalele• pentru trenurile ce circula cu o viteză mai mare de 160km/h controlul
poate fi menţinut utilizând GSM-R
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 22
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Serviciile Mobile în GSMGSM permite integrarea diferitelor servicii de voce şi date şi lucrul cu reţelele deja existente.GSM defineşte trei categorii de servicii: • Servicii suport (Bearer Services) • Teleservicii • Serviciile suplimentare
O staţie mobilă (MS) este conectată la PLMN (Public Land Mobile Network) prin interfaţa Um.PLMN este infrastructura necesară pentru reţeaua GSM şi se poate conecta la reţele de tranzit precum PSTN sau ISDN
COMUNICAŢII NUMERICE 23
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Asigură posibilitatea de transmisie a datelor între punctele de acces la reţea şi utilizează nivelurile inferioare OSI
În sistemul GSM clasic - serviciile suport (Bearer Services) sunt orientate pe conexiune şi folosesc comutaţia de circuite (CS) sau comutaţia pachete (PS)
Aceste servicii necesită doar cele 3 niveluri inferioare OSI
Sistemul GSM iniţial oferea rate de trasmisie de până la 9600 biţi/s pentru servicii non-voce
Serviciile suport permit trasmisii de date: • Sincrone• Asincrone• Transparente • Netransparente
Serviciile Suport (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 24
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
MT (Mobile Termination) – execută toate sarcinile specifice reţelei (TDMA, FDMA, codarea etc) şi oferă interfaţa pentru transmisia de date (S) către echipamentul terminal – TE, care poate fi conectat independentÎn funcţie de capabilităţiile lui TE, alte interfeţe sunt necesare, precum R (în conformitate cu modelul de referinţă ISDN)Serviciile suport transparente• folosesc doar funcţii ale nivelului fizic (nivel 1) pentru transmisia de date • transmisia de date are o întârziere şi o capacitate (throughput) constante,
dacă nu intervin erori de transmisie• mecanismul folosit pentru îmbunătăţirea calităţii trasmisiei este FEC
(Forward Error Correction)• în funcţie de FEC, sunt posibile rate de date de: 2.4, 4.8 sau 9.6 kbits/s.• în acest caz NU încearcă să reconstituie datele pierdute în caz de umbrire
(shadowing) sau întreruperi datorate pierderii legăturii (Handover)
Serviciile Suport (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 25
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Serviciile suport non-transparente • folosesc protocoalele nivelurilor 2 şi 3 pentru a implementa corecţia
erorilor şi controlul fluxului.• folosesc serviciile de suport transparente, adăugând un protocol de nivel
radio (RLP-Radio Link Protocol).
Transmisia de date poate fi:• Full-Duplex, sincronă cu rate de date de 1.2, 2.4, 4.8 şi 9.6kbits/s• Full-Duplex, asincronă de la 300 până la 9600 bits/s (ETSI, 1991a)
Serviciile Suport (3)
COMUNICAŢII NUMERICE 26
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Teleserviciile Sunt servicii specifice aplicaţiei şi necesită toate cele 7 niveluri OSI
Sunt servicii end-to-end (de la un terminal la altul)
Asigură capabilitatea completă de comunicaţie între utilizatori, incluzând funcţiile echipamentelor terminale
Sistemul GSM e orientat în principal pe teleservicii de voce
Servicii oferite de GSM: • apelul către numarul de urgenţă• SMS (Short Message Service)• EMS (Enhanced Message Service)• MMS (Multimedia Message Service)• Group 3 fax
COMUNICAŢII NUMERICE 27
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Servicii Suplimentare
Variază de la un distribuitor la altul
Servicii tipice: • identificarea abonatului• redirecţionarea apelului• redirijarea apelului
Caracteristici• closed user groups • multiparty
Closed user groups – sunt de mare interes pentru companii, deoarece permit o sub-reţea GSM specifică companiei, unde au acces doar membrii grupului respectiv
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 29
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura
Sistemul GSM - arhitectură ierarhică, complexă
Sistemul GSM constă din 3 subsisteme: • Subsistemul Radio – RSS (Radio Sub System)• Subsistemul de Reţea – NSS (Network Switching Subsystem) • Subsistemul de Operare – OSS (Operation SubSystem)
COMUNICAŢII NUMERICE 30
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
MFS
GGSN
SGSN
IP backbone
Internet / Intranet
MSC
HLR
PSTNAbis
AterMS
MS
MSUm
BTS
BTS
BTS
OMCInterfaţa
O
Gb
VLR
A
BSC
Arhitectura funcţională a sistemului GSM
COMUNICAŢII NUMERICE 31
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Subsistemul staţiilor de bază-BSS (1)RSS se compune din MS - staţiile mobile şi BSS - Base Station SubsistemConexiunile sunt:• între RSS şi NSS prin interfaţa A • conexiunea cu OSS, prin interfaţa O
Interfaţa A - e bazată pe comutaţia de circuite PCM-30 (2,048Mbiţi/s), purtând până la 30conexiuni de 64 kbiţi/sInterfaţa O - foloseşte sistemul de semnalizare SS7, bazat pe X.25, purtând datele de management spre/de la RSS.BSS – Subsistemul staţiilor de bază• asigură accesul în reţea şi controlează legătura radio cu mobilele,
codare/decodare vocii, adaptarea ratei de transmisie de la/spre părţile wireless ale reţelei
• este compus din 2 părţi: BTS şi BSC
COMUNICAŢII NUMERICE 32
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Subsistemul staţiilor de bază-BSS (2)
BTS- Base Trasceiver Station• conţine echipamentele radio de emisie-recepţie, ce definesc o celulă• este conectat cu mobilele prin interfaţa Um• este conectat cu BSC prin interfaţa Abis
O celulă GSM poate avea o rază de 100m până la 35km, în funcţie de mediul înconjurător şi de trafic
BSC- Base Station Controller• asigură managementul resurselor radio pentru unul sau mai multe BTS• se ocupă de setarea canalelor radio, de salturile de frecvenţă, de
efectuarea transferurilor între celule (handover)• asigură conexiunea între staţia mobilă şi MSC (Mobile services &
Switching Center)
COMUNICAŢII NUMERICE 33
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
MS- Staţia MobilăConstă din echipamentul mobil (terminalul) şi cartela SIMCartela SIM dă abonatului mobilitate, prin ea poate avea acces la serviciile la care s-a abonat, indiferent de aparatul pe care îl foloseşteInserând cartela SIM într-un terminal GSM oarecare, utilizatorul poate primi apelurile la acest terminalEchipamentul mobil este unic identificat prin codul său IMEI (International Mobile Equipment Identity)Cartela SIM conţine un cod denumit IMSI (International Mobile Subscriber Indentity) folosit pentru identificarea abonatului, o cheie secretă de autentificare Ki, TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) şi alte informaţiiCodurile IMEI şi IMSI sunt independente, asigurând astfel deplina mobilitateCartela SIM poate fi protejată de folosirea neautorizată printr-o parolă sau un nr. de identitate personal: PIN-Personal Identity NumberPuterea de transmisie a mobilelor pentru GSM 900 este de maxim 2 W; pentru GSM 1800 este doar de 1 W, deoarece celulele sunt mai mici
COMUNICAŢII NUMERICE 34
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Este componenta centrală a subsistemului de reţea
MSC se comportă ca un nod de comutaţie normal pentru PSTN sau ISDN şi furnizează toate serviciile necesare pentru a servi un abonat, cum ar fi înregistrarea, autentificarea, localizarea periodică, preluările şi rutina de apel a unui abonat ce se deplasează.MSC – sunt comutatoare digitale ISDN de înaltă performanţăMSC- poate juca şi rol de nod de tranzit pentru rutarea apelurilor către o reţea externă fixă sau mobila şi poartă denumirea de poartă (GMSC)
Semnalizarea între blocuri foloseşte sistemul SS7PSTN
MSC
GMSC
Centrul de comutaţie pentru servicii mobile MSC
COMUNICAŢII NUMERICE 35
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
HLR – Home Location Register• este registrul pentru abonaţi rezidenţi• este cea mai importantă bază de date în sistemul GSM, conţine toate
informaţiile administrative ale fiecărui abonat împreună cu locaţia curentă a mobilului (MSC şi VLR curent)
VLR – Visitor Location Register• conţine informaţii administrative selectate din HLR, necesare pentru
controlul apelului şi furnizarea serviciilor, pentru fiecare mobil localizat curent în aria deservită de VLR-ul respectiv
• poziţia unui MS este memorată la nivel de grup de celule: LAI (Location Area Index) BSC
MSC
MSCA
E
VLR
VLR
HLR
B
B
D
DC
G
AbisBTS
Registrele HLR şi VLR
COMUNICAŢII NUMERICE 36
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Subsistemul de operareSe compune din:• Centrul de operare şi întreţinere (OMC)• Centrul de autentificare (AuC)• Registrul de identificare a echipamentelor (EIR)
OMC supraveghează buna desfăşurare a operaţiilor şi funcţionarea reţelei
Funcţiile tipice ale OMC sunt: • monitorizarea traficului • raportul stărilor în care se află diversele elemente ale reţelei• managementul abonaţilor şi a securităţii• contorizare şi facturare
COMUNICAŢII NUMERICE 37
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Bazele de date AuC şi EIRAuC (Authentication Ceter) este o bază de date protejată, care înregistreazăcodul IMSI şi o copie a cheii secrete de identificare Ki, din cartela SIM a fiecărui abonat, fiind folosite pentru autentificarea utilizatorului şi criptarea informaţiei trasmise pe canalul radio.EIR (Equipment Identity Register) este o bază de date ce conţine toate IMEI înregistrate în reţea• este folosită pentru cazurile în care echipamentele terminale sunt furate,
clasificând mobilele in liste:• Neagra - cele furate şi se blochează în reţea• Gri - cele ce nu funcţionează corect• Albă - mobilele valide
BSC
MSC
MSCA
VLR
AbisBTS VLR
HLR AuC
EIR
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 39
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Interfaţa radio
Parametrii GSM 900Banda de frecvenţă Downlink 935 – 960MHz
Banda de frecvenţă Uplink 890 – 915MHz
Acces multiplu SDMA + FDMA/TDMA
Duplex FDD/TDD
Numărul de purtătare în subbandă 124
Banda unui canal radio 200kHz
Spaţiul duplex frecvenţial 45MHz
Spaţiul duplex temporal 3 intervale temporale
Cea mai interesantă interfaţă din GSM este interfaţa radio Um având parametrii:
COMUNICAŢII NUMERICE 40
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Fiecare subpurtătoare de 200 kHz, din cele 124, este divizată în cadre care se repetă continuu
Durata unui cadru este de 4,615 ms.
Un cadru este subdivizat in 8 intervale temporale GSM
Fiecare interval temporal reprezintă un canal fizic TDM cu o durată de 577 μs
Fiecare canal TDM ocupă o purtătoare de 200 kHz pentru 577 μs, la fiecare 4,615 ms
Structura cadrului TDMA
COMUNICAŢII NUMERICE 41
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Tipuri de pachete
Fiecare interval temporal dintr-un cadru TDMA conţine un pachet de date.
Sunt 5 tipuri de pachete/burst:• Pachet normal de trafic• Pachet pentru corecţia de frecvenţă• Pachet de sincronizare• Pachet de acces• Pachet de completare/dummy
COMUNICAŢII NUMERICE 42
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Pachet normal (1)DL: 935 -960 MHz124 canale [200kHz]
UL: 890 - 915 MHz124 canale [200kHz]
1 2 3 4 5 6 7 8
Secvenţă antrenare S
Dateutile tailS
Dateutiletail
Spaţiugardă
Spaţiugardă
Cadru GSM TDMA
Interval de timp GSM (burst normal)
Structuri superioare de cadre
timp
4,615 ms
546.5 μs577 μs
frecvenţă
3 biţi 57 biţi 1 26 biţi 1 57 biţi 3
COMUNICAŢII NUMERICE 43
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Pachet normal (2)
Durata unui burst este 546,5 μs şi conţine 148 de biţi organizaţi astfel:• 3 biţi de start – tail bits – sunt puşi pe 0 şi pot fi utilizaţi pentru
îmbunatăţirea performanţelor receptorului• 114 biţi de informaţie utilă – împărţiţi în două grupe de 57 de biţi• 2 biţi fanion S (stealing flag) - indică receptorului dacă câmpul de date
conţine date de utilizator sau date pentru control în reţea• 26 biţi - secvenţa de antrenare din mijlocul unui slot utilizată pentru a
adapta performanţele receptorului la caracteristicile căii de propagare curente şi pentru a selecta semnalul cel mai puternic în cazul unei propagari multicale
• 3 biţi de stop – idem cu biţii de start
COMUNICAŢII NUMERICE 44
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Alte tipuri de pachete
Pachet pentru corecţia de frecvenţă – permite staţiilor mobile să se sincronizeze cu referinţa de timp a sistemului
Pachet de sincronizare – conţine doar 78 de biţi de informaţie pentru sincronizarea în timp a MS cu BTS
Pachet de access – utilizat în faza iniţială de stabilire a conexiunii între MS şi BTS
Pachet de completare (dummy) – pachet care nu conţine informaţii
COMUNICAŢII NUMERICE 45
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Realizarea duplexului
Doi factori permit utilizarea unui configuraţii hardware simple :• Separarea în frecvenţă Uplink/Downlink (45 MHz pentru GSM 900, 95
MHz pentru GSM 1800 utilizậnd FDD)• Separarea în timp
• cadrele TDMA sunt deplasate în timp cu 3 intervale temporale (3*577 μs)
• un MS nu necesită o transmisie full-duplex• un emiţător simplu semi-duplex care comută între emisie şi recepţie
este suficient.
COMUNICAŢII NUMERICE 46
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Canale logice
Un canal fizic este un canal temporal din structura cadrului multiplex TDMArepetat la fiecare 4,615 ms
Un canal logic este succesiunea de burst-uri corespunzatoare unei anumite comunicaţiiPe un canal fizic se pot transmite unul sau mai multe canale logice
În funcţie de tipul informaţiei ce se transmite pe canalele logice avem :
• canale de trafic TCH (Traffic Channels)
• canale de control CCH (Control Channels)
COMUNICAŢII NUMERICE 47
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Canale de trafic TCH
Un canal de trafic este utilizat pentru a transmite date de utilizator (voce, fax)
Pot fi definite două categorii de canale:• canale de viteză maximă, Full-rate TCH, cu o rată de transmisie de 22,8
kbiţi/s • canale de viteză redusă la jumătate, Half-Rate TCH, cu o rată de
transmisie de 11.4 kbiţi/s
Codecuri standard de voce: • FR full rate – 13 kbiţi/s• HR half rate – 5,6 kbiţi/s• EFR enhanced full rate - 12,2 kbiţi/s• AMR Adaptive Multi rate - selectează automat modul cel mai indicat de
operare în funcţie de rata erorii
COMUNICAŢII NUMERICE 48
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Canale de control CCH (1)Canale de control CCH sunt utilizate pentru a controla accesul la mediu alocarea canalelor de trafic şi managementul mobilităţiiTrei grupuri pentru canalele de control:a. Canale de difuziuneb. Canale de control comunec. Canale de control dedicate
a. Canale de difuziune• BCCH (Broadcast Control Channel) - Canale de control de difuziune
• Emite în downlink identificatorul de celulă, opţiunile disponibile în această celulă (secvenţa de salt), frecvenţele disponibile în celulă şi în celulele vecine
• FCCH (Frequency Correction Channel) şi SCH (Synchronization Channel)• Canale de control a frecvenţei şi de sincronizare – pentru
sincronizarea mobilului la structura cadrului TDMA
COMUNICAŢII NUMERICE 49
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Canale de control CCH (2)b. Canale comune de control CCH (Common Control Channel)
• RACH (Random Access Channel) – canalul de acces aleator utilizat de mobil pentru accesul în reţea
• PCH (Paging Channel) – canalul de căutare – BTS semnalizează MS prezenţaunui apel
• AGCH (Access Grant Channel) – canalul de alocare utilizat de reţea pentruconfirmarea accesului şi alocarea unui canal dedicat
c. Canale de control dedicate DCCH(Dedicated Control Channel)
• SDCCH (Stand alone dedicated control channel) – canal de control neasociat(1,94 kbiţi/s) folosit atunci când nu există o legătură TCH între MS şi BTS
• FACCH (Fast associated control channel) – canal de control asociat pentrusemnalizare rapidă pe durata apelului
• SACCH (Slow associated control channel) – canal de control asociat pentrusemnalizare lentă pe durata apelului (950 biţi/s)
COMUNICAŢII NUMERICE 50
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Multicadrul de trafic
TCH TCH
SACCH liber
O combinaţie de 26 de cadre (fiecare cu o durată de 4,615 ms) formeazăun multicadru de trafic cu o durata de 120ms
Multicadrul este utilizat pentru TCH, SACCH şi FACCH
25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0
Multicadru de trafic (26 cadre TDMA 120 ms)
COMUNICAŢII NUMERICE 51
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Multicadrul de control
Cadrele TDMA care conţin date pentru celelalte canale logice sunt combinate într-un multicadru de control
Un multicadru de control constă din 51 de cadre TDMA şi are o durată de 235.4ms.
SCH SCH SCH
FCCH FCCH FCCHBCCH PAGCH PAGCH PAGCH
Multicadru de control (234ms) – 51 cadre TDMA
50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 46 47 48 49 50 0
COMUNICAŢII NUMERICE 52
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Ierarhia de cadre (1)Un multicadru de trafic • 26 cadre TDMA• durata de 120 ms
Un multicadru de control • 51 cadre TDMA• durata de 235,4 ms
Un supercadru• 26 de multicadre cu 51 de cadre sau• 51 de multicadre cu 26 de cadre• durata de 6,12s
Un hipercadru • 2.048 supercadre• durata de 3,5 ore
COMUNICAŢII NUMERICE 53
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Ierarhia de cadre (2)
0 1 2 … 2,045 2,046 2,047
0 1 2 … 48 49 50
0 1 … 24 25
hipercadru
supercadru
0 1 … 24 25
0 1 2 … 48 49 50
multicadru
0 1 … 6 7
cadru
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 55
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Stiva de protocoale GSM
CM
MM
RR
LAPDm
radio radio PCM PCM PCM PCM
SS7
BSSAP
MM
CM
RR’ BTSM
LAPDLAPDm
BSSAP
SS7RR’BTSM
LAPD
MS BTS BSCMSC
Um Abis A
16/64 kbiţi/s
16/64 kbiţi/s /2.048Mbiţi/s
COMUNICAŢII NUMERICE 56
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul fizic şi funcţiile sale (1)Interfaţa Um prezintă un interes deosebit, deoarece celelalte interfeţe apar între entităţi ale unei reţele fixeNivelul 1 este nivelul fizic, care gestionează funcţiile radio specifice
Funcţiile nivelulul fizic:Creearea de burst-uri corespunzătoare celor 5 formateMultiplexarea burst-urilor într-un cadru TDMASincronizarea cu BTS • corecţia întârzierii de propagare individuale între un MS şi BTS• ajustarea timpului de acces e controlată prin intermediul variabilei timing
advance, unde un burst poate fi deplasat în timp cu până la 63 de biţi mai devreme, un bit durând 3,69 μs
Identificarea canalelor idle şi efectuarea măsurărilor de calitate a canalului pe downlink
COMUNICAŢII NUMERICE 57
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul fizic şi funcţiile sale (2)
Funcţiile nivelulul fizic (continuare):
La nivelul interfeţei Um foloseşte GMSK pentru modularea digitală şi efectuează criptarea/decriptarea datelor
Codarea canalelor şi identificarea erorilor
Detecţia activităţii vocii VAD (Voice Activity Detection) şi transmisia date de voce doar daca există semnal de voce
Generarea unui SID Silence Indicator, în timpul perioadelor de “linişte”• Nu există transmisie de date, dar la recepţie nivelul fizic generează un
zgomot de fond pentru a simula conexiunea• zgomotul de fond asfel generat este adaptat la zgomotul de fond de la
interlocutor
COMUNICAŢII NUMERICE 58
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul 2 – legătură de date
Nivelul 2 este nivelul legătură de date
Pentru interfaţa Um, nivelul legătură de date este o variantă modificată a protocolului LAPD, numit LAPDm (Link Access Protocol for channel D modified)
Nivelul 2 asigură:• un transfer sigur de date• reutilizare a cadrelor de date• control al fluxului de date
COMUNICAŢII NUMERICE 59
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul 3 – nivelul de reţea
Nivelul 3 – nivelul de reţea – se subdivide în trei subniveluri:• Gestiunea resurselor radio RR (Radio Resource Management) care asigură
activarea, menţinerea şi eliberare canalelor radio• Gestiunea mobilităţii MM (Mobility management) care îndeplineşte
funcţii de înregistrare, autenticare, identificare, update al locaţiei, şi furnizare a TMSI-ului
• Gestiunea conexiunii CM (Call Management) format din: • CC (Call Control) - oferă o conexiune punct la punct între două
terminale şi e folosit de nivelurile superioare pentru stabilirea uneiconexiuni, încheierea acesteia şi schimbarea parametrilor ei
• SMS (Short Message Service) - permite transferul de mesaje• SS (Supplementary Service)
COMUNICAŢII NUMERICE 60
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Alte protocoale
La nivelul celorlalte interfeţe (Abis şi A), interne sistemului GSM, sunt utilizate protocoale diferite de cele folosite la interfaţa Um
La nivelul fizic se folosesc de regulă sisteme PCM (Pulse Code Modulation)
LAPD este utilizat pentru nivelul 2 la interfaţa Abis, iar BTSM pentru coordonarea BTS
SS7 este utilizat pentru• semnalizări între MSC şi BSC• transferul informaţiilor de control între MSC-uri HLR, VLR, AuC, EIR şi
OMC
BSSAP (BSS Application Part) poate fi utilizat de asemenea de MSC pentru controlul BSS
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 62
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Localizare
Reţeaua GSM asigură localizarea automată, pe glob, a utilizatorilor
Fiecare utilizator are un număr de identificare unic, valabil oriunde în lume
Periodic, GSM efectuează, o procedură de actualizare a locaţiei• HLR păstrează informaţii despre locaţia curentă în care se află terminalul
mobil şi VLR-ul curent• La schimbarea locaţiei MS în zona unui alt VLR, HLR trimite toate datele
utilizatorului mobil către noul VLR
Pentru a localiza un MS este nevoie de câteva numere:• MSISDN – Mobile Station International ISDN Number• IMSI – International Mobile Subscriber Identity• TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity• MSRN – Mobile Station Roamning Number
COMUNICAŢII NUMERICE 63
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Apel către mobil din reţeaua fixă (1)
callingstation
VLRHLR
GMSC MSC
BSS BSS BSS
MS
PSTN
1 2
3 6
4
5
7
8 914 15
1010 10
1111
1217
1613
7
11
COMUNICAŢII NUMERICE 64
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Apel către mobil din reţeaua fixă (2)Pas 1: Apel din reţeaua fixă catre un abonat GSMPas 2: Redirectarea apelului spre Gateway MSC din reţeaua GSMPas 3: Semnalizarea stabilirii apelului către HLRPas 4: Identificarea abonatului şi a serviciilor asociatePas 5: Trasmiterea MSRN către HLRPas 6: Redirectarea informaţiei MSRN către GMSCPas 7: Cererea de stabilire a conexiunii către MSC-ul corespunzător Pas 8 – Pas 9: Solicitarea şi recepţia stării curente a staţiei mobilePas 10: Transmisia semnalului de paging către staţiile BTS gestionate de MSCPas 11 : Transmisia semnalului de paging către mobilePas 12 – Pas 13 : Răspunsul staţiei mobile catre MSCPas 14 – Pas 15 : Verificări de securitatePas 16 – Pas 17 : Semnalizarea stabilirii conexiunii către staţia mobilă
COMUNICAŢII NUMERICE 65
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Apel iniţiat de mobil (MOC)
VLR
MSC
BSS
GMSC
MS
PSTN
6
7
5
8
3 4
1
10
2 9
COMUNICAŢII NUMERICE 66
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Schimb de mesaje MTC
MOBILE
CHANNEL REQUESTIMMEDIATE ASSIGNMENT
PAGING RESULT
AUTHENTICATION REQUESTAUTHENTICATION RESPONSE
CIPHERING MODE CMDCIPHERING MODE COMPLETE
SET UPCALL CONFIRMED
ASSIGNMENT CMDASSIGNMENT COM
ALERTING
CONNECTCONNECT ACK
SET-UP of anRR CONNECTION (MT)
SERVICE INDICATION
AUTHENTICATION
TRANSITION to CIPHERING mode
START OF CALL
TRAFFIC CHANNEL
CALL CONFIRMATION
CALL ACCEPTED
ASSIGNMENT
PSTN or ISDN
PAGING REQUEST
GSMNetwork
COMUNICAŢII NUMERICE 67
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Schimb de mesaje MOC
MOBILE
CHANNEL REQUESTIMMEDIATE ASSIGNMENT
CM SERVICE REQUEST
AUTHENTICATION REQUESTAUTHENTICATION RESPONSE
CIPHERING MODE CMDCIPHERING MODE COMPLETE
SET UPCALL PROCEEDING
ASSIGNMENT CMDASSIGNMENT COM
ALERTING
CONNECTCONNECT ACK
SET-UP of anRR CONNECTION (MO)
SERVICE INDICATION
AUTHENTICATION
TRANSITION to CIPHERING MODE
START of CALL
TRAFFIC CHANNEL
CALL CONFIRMATION
CALL ACCEPTED
ASSIGNMENT
GSMNetwork
PSTN or ISDNMOBILE
CHANNEL REQUESTIMMEDIATE ASSIGNMENT
CM SERVICE REQUEST
AUTHENTICATION REQUESTAUTHENTICATION RESPONSE
CIPHERING MODE CMDCIPHERING MODE COMPLETE
SET UPCALL PROCEEDING
ASSIGNMENT CMDASSIGNMENT COM
ALERTING
CONNECTCONNECT ACK
SET-UP of anRR CONNECTION (MO)
SERVICE INDICATION
AUTHENTICATION
TRANSITION to CIPHERING MODE
START of CALL
TRAFFIC CHANNEL
CALL CONFIRMATION
CALL ACCEPTED
ASSIGNMENT
GSMNetwork
PSTN or ISDN
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 69
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Procedura de handover
Sistemele celulare necesită proceduri de handover, având în vedere că celulele
singulare nu acoperă întreaga arie a reţelei
• Aria de acoperire a unei celule se întinde până la 35 km în jurul antenei
în zonele rurale şi până la câteva sute de metri în oraşe
• Cu cât dimensiunea celulei este mai redusă şi cu cât deplasarea staţiei
mobile este mai rapidă (până la 250 km/h în GSM), cu atât mai multe
proceduri de handover sunt necesare
• Procedura de handover nu ar trebui să cauzeze o întrerupere a
convorbirii.
• Ţinta standardului GSM este o durată maximă pentru procedura de
handover de 60 ms
COMUNICAŢII NUMERICE 70
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Motive principale
Motive principale pentru realizarea procedurii de handover (în jur de 40 au
fost identificate în standard):
• staţia mobilă se deplasează în afara ariei de acoperire a unui BTS sau,
respectiv, a unei antene a acelui BTS (Base Transceiver Station)• Rata erorii poate creşte din pricina interferenţelor, distanţa până la
BTS poate fi prea mare (maxim 35 km) etc.
• infrastructura cablată (MSC, BSC) poate decide că traficul într-o celulăeste prea ridicat şi poate comuta anumite staţii mobile pe alte celule cu
utilizare mai scăzută (dacă este posibil)
COMUNICAŢII NUMERICE 71
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Tipuri de handover in GSM (1)
Handover intra-celulă: • în interiorul unei celule, interferenţa de bandă îngustă ar putea face
imposibilă transmisia la o anumită frecvenţă• BSC-ul ar putea, în această situaţie, decide schimbarea frecvenţei
purtătoare (scenariu 1)Handover intra-BSC, inter-celulă: Staţia mobilă se deplasează de la o celulă la alta, dar rămâne sub controlul aceluiaşi BSC (Base Station Controller)• BSC-ul realizează procedura de handover, atribuie un nou canal radio în
noua celulă şi eliberează canalul vechi (scenariu 2)Handover intra-MSC, inter-BSC: deoarece un BSC controlează un număr limitat de celule, trebuie să se realizeze şi proceduri de handover între celule controlate de diferite BSC-uri • Procedura de handover trebuie realizată de către MSC (scenariu 3)
COMUNICAŢII NUMERICE 72
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Tipuri de handover in GSM (2)
Handover inter-MSC: o procedură de handover poate fi necesară între douăcelule aparţinând unor MSC-uri (Mobile Switching Centre) diferite • Ambele MSC-uri realizează împreună procedura de handover (scenariu
4)
MS MS
BTS
BSC
MSC
BSC
MSC
BSC
BTSBTSBTS
MS MS
12 3 4
COMUNICAŢII NUMERICE 73
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Decizia de handover (1)
Staţia mobilă şi staţia de bază realizează măsurări periodice ale calităţii legăturilor downlink şi, respectiv, uplink• Calitatea legăturii cuprinde nivelul semnalului şi rata erorii pe bit
Rapoartele de măsurări sunt trimise de către staţia mobilă la intervale de jumătate de secundăRapoartele de măsurători conţin nivelul calităţii pentru legătura curentăfolosită pentru transmisie şi nivelul calităţii pentru anumite canale din celulele vecine (canalele BCCH - Broadcast Control CHannel)
nivelurile recepţionate de la celulele vecine sunt însoţite de codul de identificare al acestora BSIC (Base Station Identity Code) • Acest cod este important numai pentru raportarea măsurătorilor nu şi
pentru selecţia celulei
COMUNICAŢII NUMERICE 74
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Decizia de handover (2)
MS MS
Nivel recepţionatBTS vechi
Nivel recepţionatBTS nou
BTS vechi BTS nou
HO_MARGIN
BSC-ul calculează valorile medii pe baza valorilor colectate de la BTS şi de la staţia mobilă şi, apoi, sunt comparate cu praguri cu histereză – marginea de handover (HO_MARGIN) – pentru a evita efectul ping-pong
COMUNICAŢII NUMERICE 75
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Decizia de handover (3)
Vechiul BTS trimite rapoartele către vechiul BSC împreună cu măsurătorile proprii • Pe baza acestor valori vechiul BSC ar putea decide realizarea unei
proceduri de handover şi trimite mesajul HO_Required către MSC
Rolul MSC-ului este acela de a solicita resursele necesare realizării procedurii de handover noului BSC
MSC-ul generează o comandă de handover, care este transmisă staţiei mobile
Staţia mobilă întrerupe vechea legătură radio şi accesează noul BTS
Este important să elibereze resursele de la vechile BSC şi BTS şi să semnalizeze succesul procedurii de handover utilizând mesajele de finalizare handover şi cele de eliberare
COMUNICAŢII NUMERICE 76
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Decizia de handover (4)
Raport de măsurăriRaport de măsurări
Cerere HO
Confirmare cerere HO
Cerere HO
Acces HO
HO completăHO completă
Stabilire legătură
Confirmare activare canal
Activare canal
Eliberare completăEliberare completă
Eliberarea comenzii
Decizie HO
Alocare resurse
Comandă HOComandă HOComandă HO
Eliberarea comenzii
BTS vechi BTS nouBSC nouMSCBSC vechiMS
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 78
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Securitate
GSM oferă servicii pentru securitate utilizând informaţia confidenţială
localizată în centrul de autentificare AuC (Authentication Centre) şi pe
cartela SIM (Subscriber Identity Module).
SIM-ul conţine date personale şi secrete şi este protejată de numărul personal
de identificare PIN (Personal Identity Number) împotriva utilizării
neautorizate
• Cheia secretă Ki folosită pentru autentificare şi procedurile de criptare se
află pe cartela SIM
COMUNICAŢII NUMERICE 79
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Servicii de securitate
Controlul accesului şi autentificarea• Primul pas include autentificarea unui utilizator valid pentru cartela SIM• Utilizatorul are nevoie de un număr PIN secret pentru a accesa cartela
SIM
Confidenţialitatea• Toate datele utilizatorului sunt criptate• Confidenţialiatea există doar între staţia mobilă şi BTS
Caracterul anonim• GSM transmite un identificator temporar (TMSI - Temporary Mobile
Subscriber Identity) care este atribuit din nou de către VLR (Visitor Location Register) după fiecare actualizare a poziţiei (location updating)
• VLR-ul poate schimba TMSI-ul în orice moment
COMUNICAŢII NUMERICE 80
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
AlgoritmiTrei algoritmi au fost stabiliţi pentru a asigura serviciul de securitate în GSM:
• A3 - folosit pentru autentificare
• A5 - folosit pentru criptare
• A8 - folosit pentru generarea unei chei cifrate
În standardul GSM, doar algoritmul A5 a fost disponibil public, în timp ce A3
şi A8 au fost publicate pe internet în 1998
• Algoritmii nu sunt prea puternici
• Operatorii de reţea pot folosi algoritmi mai puternici pentru autentificare
sau pot aplica o criptare mai puternică• Algoritmii A3 şi A8 sunt localizaţi în cartela SIM şi în AuC
COMUNICAŢII NUMERICE 81
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Autentificarea (1)
Autentificarea este gazduită în cartela SIM, care depozitează cheia de
autentificare individuală Ki, identificarea utilizatorului IMSI (International
Mobile Subscriber Identity) şi algoritmul A3 folosit pentru autentificare
Autentificarea foloseşte o metodă provocare-răspuns:
• controlul accesului generează un număr aleator RAND ca şi provocare
• staţia mobilă răspunde cu SRES (Signed RESponse) ca şi răspuns
Centrul de autentificare AuC execută generarea de bază a valorilor aleatoare
RAND, a SRES şi a cheilor cifrate Kc pentru fiecare IMSI şi mai apoi transmite
această informaţie la HLR (Home Location Register)
COMUNICAŢII NUMERICE 82
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Autentificarea (2)
Staţia mobilă
A3 A3
SRES*=? SRES SRES
K1
128 bit 128 bit
RAND K1
SRES 32 bit
128 bit 128 bit
SRES32 bit
SRES* 32 bit
RAND
SIM
MSC
AC
BTS
RAND
Control Acces
COMUNICAŢII NUMERICE 83
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Criptarea (1)
Pentru a asigura confidenţialitatea, toate mesajele ce conţin informaţii legate
de utilizator sunt criptate în GSM pe interfaţa aer
Dupa autentificare,staţia mobilă şi BSS-ul pot începe să folosească criptarea
aplicând cheia de cifrare Kc
• Kc este generată folosind cheia individuală Ki şi o valoare aleatoare
aplicând algoritmul A8
• Cheia Kc nu se transmite pe interfaţa aer
• Cheia Kc ar trebui să fie o cheie pe 64 de biţi care nu este foarte puternică
Staţia mobilă şi BTS-ul pot acum cripta şi decripta date folosind algoritmul A5
şi cheia de cifrare Kc
COMUNICAŢII NUMERICE 84
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Criptarea (2)
Kc 64 bit
K1 RAND
128 bit 128 bit
A8
RAND
128 bit
Kc 64 bitCheie de cifrare
data
A5 A5
data
A8
BTS Staţia mobilă
RAND
Date criptate
K1
SIM
MS
AC
A8
128bit 128bit
RAND
Control Acces
A8
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.2.1 Introducere5.2.2 Serviciile Mobile5.2.3 Arhitectura sistemului5.2.4 Interfaţa radio 5.2.5 Protocoale5.2.6 Localizare şi apel5.2.7 Handover5.2.8 Securitate5.2.9 Noile servicii de date
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 86
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Noile servicii de date
Lăţimea de bandă standard de 9,6 kbiţi/s (14,4 kbiţi/s la anumiţi operatori) disponibilă pentru transmiterea de date – nu mai este suficientăPentru îmbunătăţirea capacităţii de transmitere a datelor în GSM, sunt posibile 2 căi:• La bază, GSM-ul utilizează canale de trafic orientate pe conexiune, mai
multe canale putând fi combinate pentru a mări lăţimea de bandă. • Acest sistem se numeşte HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
• Un pas mai important îl reprezintă introducearea în GSM a unui trafic orientat pe pachete • Acest sistem se numeşte GPRS (General Packet Radio Service)
Se schimbă modelul de la gândirea conexiune/telefon la pachet/internet
COMUNICAŢII NUMERICE 87
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) furnizează transferul sub formă de
pachete pentru aplicaţiile care prezintă necesităţi de trafic cum ar fi
transmisia frecventă a volumelor mici (ex: cereri web) sau transmisia
ocazională a volumelor mici sau medii (răspunsurile web) în concordanţă cu
cerinţele
GPRS permite servicii broadcast, unicast şi multicast
Succesul serviciului GPRS se datorează comutaţiei de pachete şi noilor
modele de trafic şi aplicaţii
Operatorii realizează taxarea în funcţie de volumul datelor şi nu în funcţie de
durata conexiunii ca şi în cazul GSM sau HSCSD
COMUNICAŢII NUMERICE 88
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Scheme de codare
Sistemul alege o schemă de codare în funcţie de rata de eroare curentăRatele reale de transfer a datelor disponibile depind în mare măsură de încărcarea curentă a celulei (deoarece GPRS-ul utilizează numai intervale de timp libere) şi de capacitatea staţiei mobile
Toate serviciile GPRS pot fi utilizate în paralel cu serviciile convenţionale
CS1
interval2
intervale
3
intervale
4
intervale
5
intervale
6
intervale
7intervale
8
intervale
CS-1 9.05 18.2 27.15 36.2 45.25 54.3 63.35 72.4
CS-2 13.4 26.8 40.2 53.6 67 80.4 93.8 107.2
CS-3 15.6 31.2 46.8 62.4 78 93.6 109.2 124.8
CS-4 21.4 42.8 64.2 85.6 107 128.4 149.8 171.2
COMUNICAŢII NUMERICE 89
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Clase de dispozitive
ClasaIntervale
recepţionateIntervale
trimise
Numărul maxim de intevale
1 1 1 2
2 2 1 3
3 2 2 3
5 2 2 4
8 4 1 5
10 4 2 5
12 4 4 5
În funcţie de numărul de intervale dintr-un cadru TDMA în care pot trimite şi recepţiona pachete, terminalele GPRS se împart în următoarele clase:
COMUNICAŢII NUMERICE 90
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Clase de fiabililate
• Clasa 1 de fiabilitate poate fi utilizată în cazul aplicaţiilor foarte sensibile la erori care nu îşi pot realiza corecţii de erori.
• Dacă aplicaţiile prezintă toleranţa la erori mai ridicată, clasa 2 poate fi apropiată. • Clasa 3 este alegerea pentru aplicaţiile insensibile la erori sau pentru aplicaţiile
care pot realiza corecţii de erori.
Clasa de fiabilitate
Probabilitatea maximă de
pierdere a unui SDU (Service Data
Unit)
Probabilitatea maximă de
duplicare a unui SDU
Probabilitatea maximă de scoaterea unui SDU în afara secvenţei originale
Probabilitatea de a transmite un
SDU corupt nivelului superior
1 10-9 10-9 10-9 10-9
2 10-4 10-5 10-5 10-6
3 10-2 10-5 10-5 10-2
COMUNICAŢII NUMERICE 91
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Întârzieri în GPRS (1)
Întârzierea în interiorul reţelei GPRS este determinată de întârzierea cauzatăde accesul la canal, codarea pentru corecţia de erori şi întârzierile datorate transferului în părţile fixe şi wireless ale reţelei GPRS
GPRS nu produce întârzieri suplimentare datorate memorării pachetelor
Dacă este posibil, GPRS încearcă să transmită pachetele cât se poate de repede
În plus, GPRS-ul prezintă un jitter ridicat în comparaţie cu reţelele fixe• Această caracteristică are un impact puternic asupra utilizatorului, când,
spre exemplu, aplicaţii interactive Internet sunt utilizate prin GPRS
COMUNICAŢII NUMERICE 92
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Întârzieri în GPRS (2)
SDU 128byte SDU 1024 byte
Clasa de întârzieri Media 95% din valoarea
întârzierilorMedia
95% din valoarea întârzierilor
1 <0.5s <1.5s <2s <7s
2 <5s <25s <15s <75s
3 <50s <250s <75s <375s
4 Nespecificată
COMUNICAŢII NUMERICE 93
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura GPRS (1)Arhitectura GPRS introduce două elemente noi de reţea, care sunt denumite GSN (GPRS Support Nodes) şi care sunt de fapt rutere:• GGSN (Gateway GPRS Support Node)
• Face legătura dintre reţeaua GPRS şi reţelele externe de pachete de date (PDN – Packet Data Network) prin intermediul interfeţei Gi• Transferă pachetele către SGSN prin intermediul unei reţele GPRS bazate pe IP (interfaţa Gn)
• SGSN (Serving GPRS Support Node) suportă staţia mobilă prin intermediul intefeţei Gb.• SGSN este conectat la BSC şi se găseşte la acelaşi nivel cu MSC
Sistemul BSS a fost completat cu un nou element, denumit unitate de control pentru traficul de pachete de date PCU (Packet Control Unit)Registrul GPRS (GR- GPRS Register), care este în mod tipic o parte a HLR-ului, conţine toate datele care au legătură cu reţeaua GPRS
COMUNICAŢII NUMERICE 94
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura GPRS (2)
MS PDN
SGSN
SGSN
MSC HLR/GR
GGSNBSS
EIRVLR
Gn
UmGb Gn Gi
COMUNICAŢII NUMERICE 95
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Procedura de ataşare
Presupune realizarea unei conexiuni logice între MS şi SGSN• Această conexiune este realizată cu protocolul LLC
Cuprinde atribuirea unui identificator temporal, numit TLLI (Temporary Logical Link Identity) şi a numărului CKSN (Ciphering Key Sequence Number) utilizat pentru criptarea datelor
Odată ataşată, staţia mobilă poate deschide una sau mai multe sesiuni GPRS, denumite contexte GPRS, care sunt memorate în staţia mobilă şi în nodul SGSN corespunzător
Este creat un tunel virtual pentru transmiterea pachetelor între SGSN şiGGSN.
Tunelul este creat de protocolul GTP şi identificat printr-un identificator de tunel TID (Tunnel IDentity)
COMUNICAŢII NUMERICE 96
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Stări posibile ale unui terminal GPRS
IDLE
READY
STAND-BY
Ataşare GPRS
Detaşare
În modul idle, staţia mobilă nu poate fi găsită şi întregul context este şters În starea standby, doar deplasările între zonele de rutare sunt transmise către SGSN, nu şi modificările celulei Doar în modul ready fiecare deplasare a staţiei mobile este indicată SGSN-ului
Poziţie cunoscută la nivel de zonă de rutare
Poziţia cunoscută la nivel de celulă
COMUNICAŢII NUMERICE 97
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Clase de terminale GPRS
În funcţie de modalităţile în care un terminal se poate ataşa la reţeaua GSM/GPRS, există trei clase de terminale GPRS:• Clasa A: terminale suportă simultan atât servicii GSM,cât şi servicii GPRS.
• Procedura de ataşare, activarea, monitorizarea şi traficul sunt simultane
• Clasa B: terminale care se pot ataşa simultan la GSM şi GPRS, dar nu pot să beneficieze simultan de ambele servicii• Ele pot realiza la un moment dat fie o convorbire vocală, fie un
transfer de date• Clasa C: terminale care se pot ataşa fie pentru servicii GPRS, fie pentru
servicii GSM• Excepţie: mesajele SMS, care pot fi recepţionate sau transmise în orice
moment
COMUNICAŢII NUMERICE 98
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Moduri de acces GPRSModurile de acces GPRS specifică dacă GGSN-ul solicită autentificarea utilizatorului în punctul de acces într-un PDN.Modurile de acces GPRS sunt:• Mod de acces transparent
• GGSN nu solicită autentificare• staţia mobilă primeşte o adresă fie la abonare (adresă statică), fie la
activarea contextului (adresă dinamică)• Mod de acces non-transparent
• GGSN se comportă ca un proxy pentru autentificare • Utilizează protocolul PAP (Password Authentification Protocol) pentru
autentificareGPRS defineşte un identificator al reţelei, denumit nume al punctului de acces APN (Access Point Name).• Un APN identifică un PDN care este accesibil printr-un nod GGSN dintr-o
reţea GPRS
COMUNICAŢII NUMERICE 99
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Modelul de referinţă al protocoalelor (1)
Toate datele dintre GSN-uri sunt transferate folosindu-se GTP (GPRS
Tunnelling Protocol), care poate utiliza două protocoale diferite de transport:
• TCP (necesar pentru transmisia sigură de pachete X.25)
• UDP (utilizat pentru pachete IP)
Protocolul utilizat în backbone-ul reţelei GPRS este IP (Internet Protocol).
Pentru a se realiza adaptarea cu alte reţele, protocolul SNDCP (SubNetwork
Dependent Convergence Protocol) este utilizat între SGSN şi staţia mobilă
Pentru a obţine o fiabilitate ridicată a transferului de pachete dintre SGSN şi staţia mobilă, se utilizează controlul legăturii logice LLC (Logical Link
Control)
COMUNICAŢII NUMERICE 100
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Modelul de referinţă al protocoalelor (2)
apps.
SNDCP
Radio
MAC
RLC
FRRadio
MAC
BSSGPRLC IP
UDP/TCP
GTP
IP/X.25
GTP
BSSGP
L1/L2FR L1/L2
IP
IP/X.25
Um GiGnGb
MS GGSNSGSNBSS
UDP/TCPLLC
SNDCP
LLC
COMUNICAŢII NUMERICE 101
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Modelul de referinţă al protocoalelor (3)Protocolul BSSGP (Base Station Subsystem GPRS Protocol) este utilizat pentru a transporta informaţiile de rutare şi cele legate de QoS.
BSSGP nu realizează corecţia erorilor şi lucrează deasupra reţelei FR (Frame Relay).
Protocolul RLC (Radio Link Control) furnizează o legătură fiabilă.Nivelul de control al accesului la mediu MAC (Medium Access Control) controlează accesul cu ajutorul procedurilor de semnalizare pentru canalul radio, precum şi maparea cadrelor LLC pe canalele fizice GSM.
Interfaţa radio Um necesară reţelei GPRS nu necesită modificări fundamentale în comparaţie cu standarul GSM. • Au fost definite noi canale logice, precum şi alocarea lor pe resursele
fizice
COMUNICAŢII NUMERICE 102
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Canale logice definite în GPRSFamilie Canal Denumire Funcţie Burst
Broadcast PBCCH Packet Broadcast Common Ch. Broadcast Normal
PCCCH
PRACH Packet Random Access Ch. Acces aleatoriu Normal
PPCH Packet Paging Ch. Căutare abonat Normal
PAGCH Packet Access Grant Ch. Alocare acces Normal
PNCH Packet Notification Ch. Notificare Normal
PDCH
PDTCH Packet Data Transfer Ch. Transfer date Normal
PACCH Packet Associated Control Ch. Controlul puterii Normal
PTCCH Packet Timing Control Ch Sincronizare adaptivă Normal
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
Global
COMUNICAŢII NUMERICE 104
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Caracteristici (1)DECT – Digital Enhanced Cordless Telecommunications
Înlocuieşte vechile sisteme telefonice cordless de tip analogic
Este o puternică alternativă pentru sistemul digital CT2, care este în principal utilizat în UK şi care a fost ales ca o posibilă variantă 3G în familia IMT-2000
Punctele de acces către PSTN pot fi stabilite în interior, în cazul unor clădiri mari, spitale, oferind servicii de telefonie mult mai ieftine în comparaţie cu sistemul GSM
Poate fi folosit pentru a face legătura dintre reţeaua unui operator şi clientul situat la câteva sute de metri
Nu necesită instalarea de linii proprii
Oferă posibilitatea interacţiunii cu alte reţele, GSM, ISDN sau reţele de datePoate funcţiona până la aproximativ o distanţă de 300 de m de bază (faţă de 70 km la GSM), iar în interiorul clădirilor – maxim 50 m
COMUNICAŢII NUMERICE 105
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Caracteristici (2)Datorită ariei de acoperire limitată şi a tehnicilor de multiplexare, serviciile DECT pot deservi aproape 10 mii de oameni pe km2
Foloseşte şi o staţie fixă dar aceasta împreună cu o staţie mobilă au un preţ în jurul a 100 de euro în comparaţie cu sume de 10 mii de euro pentru o staţie de bază GSMPoate gestiona de asemenea funcţii de handover, dar nu a fost proiectat pentru a lucra la viteze mari (până la 250 km/h precum GSM)Funcţionează în intervalul de frecvenţe 1880 – 1990 MHz oferind 120 de canale duplex şi utilizând cadre de 10 msBanda de frecvenţe este împărţită între 10 frecvenţe purtătoare utilizând FDMAPe fiecare purtătoare se transmit cadre ce conţin 24 de intervale temporale (TDMA) – 12 pentru uplink şi 12 pentru downlinkSe utilizează modulaţia GMSKPutera medie de emisie a unei staţii este de 10 mW, iar cea maximă de 250 mW
COMUNICAŢII NUMERICE 106
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura sistemului
Sistemul DECT poate avea multe implementări fizice diferite în funcţie de scopul utilizării
Oricum, toate tipurile de implementare urmează logica modelului de referinţă a arhitecturii sistemului arătat în figura următoare:
4D 3D
2D
1D
PA PT
FT
HDB
PA PT
FT
localnetwork
localnetwork
globalnetwork
VDB
COMUNICAŢII NUMERICE 107
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţelele globale
O reţea globală conectează structurile de comunicaţie locale cu exteriorul
Reţeaua globală comunică cu structurile locale prin interfaţa D1
Reţelele globale pot fi:• PSTN,• ISDN,• PLMN (Public Land Mobile Network) – de exemplu GSM,• PSPDN (Packet Switched Public Data Network)
Servicii oferite:• Transportul datelor• Convertirea adreselor şi routarea datelor între reţelele locale
COMUNICAŢII NUMERICE 108
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţelele locale şi bazele de dateReţelele locale oferă servicii de telecomunicaţii locale incluzând:• comutaţie• redirecţionarea apelurilor• convertirea adreselor etc.
O reţea locală poate fi:• PBX (Private Branch Exchange)• LAN – IEEE 802.x
Sistemul DECT propriu-zis este relativ simplu, deoarece toate funcţiile tipice de reţea sunt incluse în reţelele locale sau globaleLa nivelul acestor reţele se găsesc şi bazele de date HDB (Home Data Base) şi VDB (Visitor Data Base)HDB şi VDB au funcţii similare celor ale HLR şi VLR din GSM Apelurile care sosesc sunt direcţionate către subsistemul DECT responsabil de abonatul chemat la momentul respectiv, iar VDB-ul curent informează HDB despre schimbările de locaţie
COMUNICAŢII NUMERICE 109
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţeaua DECT propriu-zisăSe compune din:• terminale radio fixe (FT)• terminale radio portabile (PT)
Oferă doar servicii de multiplexare
Acoperă nivelurile OSI 1 – 3 atât pe partea fixă cât şi pe cea mobilă a reţelei
Este posibilă implementarea unor aplicaţii portabile pe un dispozitiv
COMUNICAŢII NUMERICE 110
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura protocoluluiArhitectura protocolului DECT urmăreşte modelul de referinţă OSI În figura alăturată se pot vedea nivelurile acoperite de acest standard:• nivelul fizic• nivelul legătură de date:
• controlul accesului la mediu
• controlul legăturii de date la nivel de control cât şi la nivelul utilizatorului
• nivelul reţea
man
agem
ent
COMUNICAŢII NUMERICE 111
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul fizic
Acesta cuprinde toate funcţiile pentru:• modulaţie/demodulaţie• detecţia semnalelor de
intrare• sincronizarea şi
colectarea informaţiilor de stare
În figura alăturată se poate vedea structura unui cadru TDMA utilizat de DECT şi structura pachetelor de date
COMUNICAŢII NUMERICE 112
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul de control al accesului la mediu
Stabileşte, menţine, şi eliberează canalele pentru nivelurile superioare, activând şi dezactivând canalele fizice
Multiplexează mai multe canale logice într-un canal fizic• există canale logice pentru semnalizarea controlului reţelei, trasmisii de
date, paging şi transmiterea mesajelor în modul broadcast
Sunt definite servicii suplimentare printre care segmentare şi refacerea pachetelor şi mecanisme de control şi corecţie a erorilor
COMUNICAŢII NUMERICE 113
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul de control al legăturii de date
Nivelul DLC (Data Link Control) creează şi menţine legături stabile între terminalul mobil şi cel fix
Pentru planul C au fost definite 2 servicii: • un serviciu de tip broadcast neorientat pe conexiune pentru paging
(numit Lb) • un protocol punct la punct similar cu LAPD din ISDN dar adaptat pentru
nivelul MAC inferior.
Există unele servicii pentru planul U:• serviciu transparent neprotejat• serviciu de corecţie a erorii• servicii de adaptare a ratei de transfer• servicii pentru dezvoltări ulterioare.
COMUNICAŢII NUMERICE 114
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelul reţeaNivelul reţea este similar cu cel din ISDN şi GSM şi există doar pentru planul CAcest nivel oferă servicii pentru cererea, verificarea, rezervarea, controlul şi eliberarea resurselor staţiei fixe (conexiune la reţeaua fixă, conexiune wireless) şi ale terminalului mobil (conexiunea wireless) MM (Mobility Management) – responsabil pentru managementul identităţilor, autentificare CC (Call Control) – se ocupă de setarea conexiunii, eliberarea acesteia şi de negociereExistă 2 servicii de mesaje, unul orientat pe conexiune COMS (Connection Oriented Message Service) şi unul neorienat pe conexiune CLMS (ConnectionLess Message Service)• acestea transferă date la/de la interfaţa de interconectare a DECT cu lumea
exterioară
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 117
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Istoria UMTS
UMTS (UMTS Universal Mobile Telecommunications System) sistemul universal de telecomunicaţii mobile face parte din reţelele de generaţia a 3-a
International Communication Union (ITU) a făcut o cerere pentru propuneri în ce priveşte tehnologiile de transmisiuni radio pentru programul de telecomunicaţii mobile internaţionale IMT-2000(International Mobile Telecommunications)
IMT-2000, numit viitor sistem public de telecomunicare mobilă (FPLMTS), a încercat să stabilească un sistem de comunicare comun la nivel mondial
Numărul 2000 din IMT-2000 ar trebui să indice începutul sistemului (anul 2000+x) şi spectrul folosit (în jur de 2000 MHz)
IMT-2000 include diferite medii posibile – folosirea în interior, vehicole, sateliţi şi pietoni
COMUNICAŢII NUMERICE 118
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Conferinţa radio mondială din 1992 a identificat benzile de frecvenţă de 1885-2025 şi 2110-2200 MHz ca fiind cele ce ar trebui să fie valabile la nivel mondial pentru IMT-2000 (2 X 30 MHz au fost rezervaţi pentru serviciile mobile prin satelitÎn Europa, unele părţi ale benzilor de frecvenţă ITU pentru IMT-2000 sunt deja alocate pentru DECTMai multă lărgime de bandă este disponibilă în China pentru sistemul 3G TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access ) chinez sau posibil, pentru alte tehnologii 3G Alte frecvenţe, puţin diferite, sunt folosite de serviciile 3G din Japonia care se bazează pe W-CDMA (Wideband CDMA ) sau CDMA2000În Statele Unite, benzile de frecvenţă ITU au fost deja alocate pentru reţelele 2G sau sunt păstrate pentru alte folosinţePe lângă alocările iniţiale de frecvenţă, conferinţa mondială radio a alocat în 2000 noi benzi terestre IMT-2000 în domeniile de 800-1000 MHz, 1700-1900 MHz şi 2500-2700 MHzAceastă abordare include şi refolosirea spectrului 2G
Alocarea frecvenţelor (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 119
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Alocarea frecvenţelor (2)În Europa frecvenţele rămase au fost împărţite în benzi astfel:
• UTRA-FDD uplink: 1920-1980 MHz; downlink: 2110-2170 MHz
• UTRA-TDD uplink: 1900-1920 MHz; downlink: 2010-2025 MHz
COMUNICAŢII NUMERICE 120
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Iniţial trebuia să existe un sistem global comun, dar după multe discuţii politice şi certuri pe tema patentelor, s-a renunţat la această idee şi s-a adoptat o aşa-zisă familie de standarde 3G
Pentru tehnologiile de transmisie radio s-au primit diferite propuneri în 1998 pentru mediile interior, terestru, vehicular şi prin satelit din partea mai multor organizaţii mondiale
Propunerea europeană pentru IMT-2000 alcătuită de către institutul european pentru standarde în telecomunicaţii ETSI (European Telecommunications Standards Institute) poartă numele de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Propuneri şi realizări (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 121
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
UMTS, în forma propusă de ETSI, reprezintă mai degrabă evoluţia de la a doua generaţie GSM la a treia generaţie decât un sistem complet nou
O primă dezvoltare a GSM-ului o reprezintă EDGE (Enhanced Data rates for Global(GSM) Evolution). EDGE poate fi introdus treptat oferind câteva canale cu îmbunătăţiri EDGE. În Europa, EDGE nu a fost folosit, saltul s-a făcut direct la UMTS
UMTS face parte dintr-un proiect mai mare dezvoltat de ETSI la mijlocul anilor ’90 numit GMM (Global Multimedia Mobility)
GMM furnizează o arhitectură care poate integra terminale fixe şi mobile multiple, căi de acces la reţea diferite (GSM BSS, DECT, ISDN, UMTS, LAN,WAN, CATV, MBS), şi câteva reţele de transport principale (GSM NSS+IN, ISDN+IN, B-ISDN+TINA, TCP/IP)
Propuneri şi realizări (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 122
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
ETSI a stabilit cerinţele de bază pentru UMTS şi interfaţa radio UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access ) în 1998
Cerinţele cheie se referă la debite astfel• Accesul rural – min. 144 kbiţi/s la max. 500 Km/h • Accesul suburban – min. 384 kbiţi/s la max. 120 Km/h • Accesul urban – min. 2 Mbiţi/s la max. 10 Km/h
UMTS trebuia deasemenea să ofere şi alte servicii, unele în timp real, transmisii cu comutare de pachete şi de circuite, şi diferite rate de transfer a datelor
Handover-ul trebuie să fie posibil între celulele UMTS , dar şi între UMTS şi GSM sau reţelele prin satelit
Sistemul trebuie să fie compatibil cu GSM, ATM, IP şi reţele bazate pe ISDN
Cerinţe pentru UMTS
COMUNICAŢII NUMERICE 123
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
În faza incipientă s-au implementat celule UMTS în oraşe furnizând o serie deservicii
Câteva companii şi grupuri de interese au făcut propuneri pentru UTRA, dincare ETSI a selectat 2 pentru UMTS în ianuarie 1998:• pentru benzile împerecheate ETSI a adoptat W-CDMA• pentru benzile neîmperecheate TD-CDMA (Time Division Code Division
Multiple Access)
Benzile împerecheate sunt folosite pentru furnizorii de reţele mobile publice,în timp ce benzile neîmperecheate sunt cel mai adesea folosite pentrucomunicaţii locale
Bazele UMTS
COMUNICAŢII NUMERICE 124
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Deoarece nu s-a putut găsi un singur standard, ITU a standardizat 5 tehnologii3G pentru accesul radioIMT-DS• tehnologia cu împrăştiere directă cuprinde sisteme de bandă largă CDMA
(W-CDMA)• aceasta este tehnologia specificată pentru UTRA-FDD şi folosită de toţi
furnizorii europeni şi de cei japonezi• pentru a evita confuzia totală, numele dat de ITU pentru tehnologie este
IMT-DS• instalaţiile UMTS iniţiale sunt bazate pe W-CDMA
IMT-TC• iniţial, acest membru al familiei, numit time code, conţinea doar sistemul
UTRA-TDD, care foloseşte CDMA cu divizare în timp (TD-CDMA)• ulterior, propunerea chineză, TD-synchronous CDMA (TD-SCDMA) a fost
adăugată• ambele standarde au fost combinate şi 3GPP are grijă de dezvoltarea
acestei tehnologii
Tehnologii 3G pentru accesul radio (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 125
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
IMT-MC• CDMA2000 este o tehnologie de multi-transport, standardizată de către
3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2), care s-a format la scurttimp după ce a apărut 3GPP, pentru a reprezenta cea de-a doua ramurăprincipală în tehnologia 3G
• versiunea CDMA2000 EV-DO a fost acceptată ca standard 3GIMT-SC• îmbunătăţirea sistemelor americane TDMA, UWC-136, este o tehnologie
uni-purtătoare, promovată iniţial de către Universal WirelessCommunications Consortium (UWCC); acum este integrată în eforturile3GPP
• aplică EDGE, printre altele, pentru a îmbunătăţi standardul 2G IS-136IMT-FT• ca tehnologie frecvenţă-timp a fost selectată pentru aplicaţie o versiune
îmbunătăţită a DECT, care nu necesită mobilitate ridicată
Tehnologii 3G pentru accesul radio (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 126
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Familia IMT-2000 (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 127
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
O idee introdusă de IMT-2000 este alocarea flexibilă a unei reţele centralecătre un sistem radio de acces
Reţeaua internă clasică foloseşte SS7 pentru semnalizare, care este îmbunătăţitcu ANSI-41 (CDMAOne, CDMA2000, TDMA) sau de MAP (MobileApplication Part) (GSM) pentru a permite serviciul roaming între diferiţioperatori
Evoluţia către sistemul 4G este indicată prin folosirea reţelelor cu nucleu all-IP
Familia IMT-2000 (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 128
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
UMTS, văzut astăzi şi introdus în mai multe ţări, se bazează pe lansareainiţială standard Release 99 sau prescurtat R99• descrie noile tehnologii de acces radio UTRA FDD şi UTRA TDD, şi
standardizează folosirea unei reţele GSM/GPRS
După R99 a urmat lansarea 2000 sau R00
3GPP a decis să împartă R2000 în 2 standarde şi să le numească Release 4(Rel-4) şi Realease 5 (Rel-5)
Standardele sunt grupate în serii• De exemplu, aspectele radio sunt specificate în seria 25, realizarea
tehnică în seria 23, şi codecurile în seria 26
Lansările şi standardizările UMTS
COMUNICAŢII NUMERICE 129
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Release 4 introduce QoS (Quality of Service) în reţeaua fixă, plus câteva mediide execuţie şi noi arhitecturi ale serviciilor• propunerea chineză, TD-SCDMA a fost adaugată ca şi opţiune low
chiprate pentru UTRA-TDD
Release 5 specifică o reţea internă total diferită• reţeaua bazată pe GSM/GPRS va fi înlocuită cu o reţea cvasi- all-IP-core• interfeţele radio rămân aceleaşi însă schimbările în interior sunt imense
pentru operatorii din reţelele de telecomunicaţii care au utilizattehnologiile tradiţionale
• acest standard integrează serviciile multimedia bazate pe IP, controlate deprotocolul SIP (Session Initiation Protocol)
Release 4 şi 5
COMUNICAŢII NUMERICE 130
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Release 6 aduce îmbunătăţiri ale performanţelor pe canalele de trafic• Uplink:
• Introducerea E-DCH (Enhanced Dedicated Channel)• Downlink:
• Receptori avansaţi la UE• Capabilităţi de broadcast prin MBMS (Multimedia Broadcast/
Multimedia ServicesIntroduce framework GUP (Generic User Profile)Susţine integrarea WLANTelecomanda antenei electriceAccesarea mai uşoară a unor aplicaţii:• Serviciile de urgenţă• Mesagerie instantă• Voice şi Video over IP
Release 6
COMUNICAŢII NUMERICE 131
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Release 7• se concentrează pe problemele legate de desfăşurarea pieţei şi experienţa
clientului pentru a se asigura că serviciile şi produsele UMTS/E-DCH suntde înaltă calitate
• se studiază propuneri pentru îmbunătăţirea performanţelor• un ex: reducerea întârzierilor de call-setup
• se susţin serviciile în timp real (VoIP)• modalităţi de reducere a costurilor
• susține noi alocări de frecvenţeRelease 8 – în dezvoltare• îmbunătăţiri pentru compatibilitate cu tehnologiile viitoare – LTE (Long
Term Evolution)• evoluţia spre o reţea all-IP – SAE (System Architecture Evolution)
Release 7
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 133
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Arhitectura sistemului UMTS (1)
Arhitecura de referinţă UMTS foarte simplificată, care se aplică laambele soluţii UTRA
Similaritatea cu GSM
GSM UMTSUm Uu
A Iu
COMUNICAŢII NUMERICE 134
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţeaua UTRA (UTRAN) se ocupă cu mobilitatea la nivel de celulă şi cuprindediferite RNS (Radio Network Subsystems)
Funcţiile RNS includ cifrarea şi descifrarea canalului radio, controlulhandover-elor, administrarea resurselor radio
UTRAN este conectat la echipamentul utilizatorului (UE User Equipment) prininterfaţa radio Uu (comparabilă cu interfaţa Um din GSM)
Prin interfaţa Iu (similară interfeţei A din GSM), UTRAN comunică cu reţeauacentrală CN (Core Network)
CN conţine funcţii pentru handover inter-sisteme, gateway-uri către altereţele (fixe sau wireless), şi se ocupă de administrarea locaţiei dacă nu estenici o conexiune dedicată între UE şi UTRAN
Arhitectura sistemului UMTS (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 135
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniile UMTS (1)
UMTS poate fi divizat şi mai mult în aşa-numitele domenii
COMUNICAŢII NUMERICE 136
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniul echipamentului consumatorului este atribuit unui singur utilizator,cuprinde toate funcţiile necesare pentru a accesa serviciile UMTS şi conţine:• domeniul USIM
• conţine SIM pentru UMTS, care execută funcţii de criptare şiautentificare a utilizatorilor, şi stochează toate datele legate deutilizator necesare pentru UMTS
• domeniul echipamentului mobil• funcţiile pentru transmisii radio, precum şi cele de interfaţă cu
utilizatorul sunt localizate aici
Domeniile UMTS (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 137
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniul de infrastructură este partajat de către toţi utilizatorii, oferindservicii UMTS tuturor utilizatorilor acceptaţi şi se compune din:• domeniul reţea de acces
• conţine reţelele de acces radio (RAN)• domeniul de reţea centrală
• conţine funcţii independente pentru reţeaua de acces• poate fi împărţit în 3 domenii cu funcţii specifice
• domeniul reţelei de servire – cuprinde toate funcţiile folosite deun utilizator pentru accesarea serviciilor
• domeniul reţelei de rezidenţă (home network) – cuprindefuncţiile legate de reţeaua de rezidenţă a unui utilizator (deexemplu căutarea datelor utilizatorului)
• domeniul reţelei de tranzit – poate fi necesar dacă, de exemplu, reţeaua de servire nu poate contacta direct reţeaua principală
• toate cele 3 domenii pot fi reprezentate de fapt prin aceeaşi reţea fizică, delimitarea fiind strict funcţională
Domeniile UMTS (3)
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 139
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Cea mai mare diferenţă dintre UMTS şi GSM este dată de noua interfaţă radio– Uu
Tehnologia DS-CDMA folosită în UMTS este nouă pentru standardeleeuropeneAceastă tehnologie multiplică un şir de biţi cu o secvenţă cheie (chippingsequence)Multiplicarea duce la împrăştierea spectrală a semnalului, iar dacă secvenţade împrăştiere este unică, poate separa diferiţii utilizatoriToate semnalele folosesc aceeaşi bandă de frecvenţăPentru a separa diferiţii utilizatori codurile folosite pentru împrăştiere trebuiesă fie cvasi-ortogonale – inter-corelaţia lor să fie (aproape) 0UMTS foloseşte o rată constantă (chipping rate) de 3,84 Mchip/sDiferiţi utilizatori pot emite cu debite diferite utilizând factori de împrăştiere(număr de chips/bit) diferiţi
Interfaţa radio a UMTS
COMUNICAŢII NUMERICE 140
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Împrăştierea şi separarea datelor
Împrăştierea şi separarea diferiţilor emiţători în UMTS
COMUNICAŢII NUMERICE 141
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Diferitele şiruri de date ale emiţătorului se separă folosind coduri ortogonale
UMTS foloseşte aşa-numitele coduri OVSF (Orthogonal Variable SpreadingFactor)
Codurile ortogonale sunt generate prin dublarea unei secvenţe de împrăştiereX schimbând sau nu semnul biţilor (chips) => (X,X) sau (X,-X)
Dublarea secvenţei de împrăştiere determină împrăştierea unui bit de douăori mai mult decât cu secvenţa iniţialăFactorul de împrăştiere SF=n, în cazul secvenţei X devine 2n pentru secvenţadublatăOrtogonalitatea este garantată dacă nici un cod nu este o componentă a altuicod
Coduri OVSF
COMUNICAŢII NUMERICE 142
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Exemplu de arbore de codare OVSF (1)
COMUNICAŢII NUMERICE 143
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Ortogonalitatea este garantată dacă un cod nu a fost generat pornind de la unalt cod folosit
Dacă un utilizator emite un şir de date cu factorul de împrăştiere 2, folosindsecvenţa (1,-1), acesta nu mai poate utiliza pentru alte şiruri de date nici osecvenţă de pe sub-ramurile generate de (-1,1), dar poate utiliza oricaresecvenţă care de pe ramura (1,1)
Un exemplu de combinaţie validă de coduri OVSF cu factorii de împrştiere 2,4, 8, 16, 16 este: (1,-1), (1,1,-1,-1), (1,1,1,1,1,1,1,1), (1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1), (1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,1)
Folosirea de factori diferiţi de împrăştiere permite susţinerea diferitelor ratede transfer
Exemplu de arbore de codare OVSF (2)
COMUNICAŢII NUMERICE 144
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Modul FDD pentru UTRA foloseşte CDMA de bandă largă (W-CDMA) şiîmprăştierea cu secvenţă directăSe folosesc frecvenţe diferite pentru uplink şi downlinkIntervalele temporale în W-CDMA sunt folosite pentru susţinerea funcţiilorperiodice şi nu pentru separarea utilizatorilor
Un cadru radio constă din 38.400 chips şi are o durată de 10 ms
Un interval temporal constă din 2.560 de chipsLărgimea de bandă ocupată de un canal W-CDMA este de la 4,4 până la 5MHz (spaţierea dintre canale poate varia pentru a evita interferenţele întrecanalele diferiţilor operatori)
Debitele sunt de ordinul 2 Mbiţi/s pentru o celulăVitezele pot creşte prin dublarea numărului staţiilor de bază (costisitor)
UTRA-FDD
COMUNICAŢII NUMERICE 145
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Structura cadrelor UTRA-FDD
Un cadru radio cuprinde 15 intervale temporale (time slots):
COMUNICAŢII NUMERICE 146
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Uplink – DPDCHDPDCH – Dedicated Physical Data Channel
Transportă date ale utilizatorilor sau informaţie de semnalizare
Factorul de împrăştiere al acestui canal poate varia între 4 şi 256 =>• Rate de transfer 960, 480, 240, 120, 60, 30 şi 15 kbiţi/s
Pot fi folosiţi doar anumiţi multipli ai ratei de transfer de 15 kbiţi/s
Maxim 6 DPDCH/conexiune => un debit maxim teoretic de 5740 kbiţi/s
Rate de transfer tipice pentru utilizator şi rate necesare în canalele fizice:
COMUNICAŢII NUMERICE 147
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Uplink – DPCCHDPCCH – Dedicated Physical Control ChannelTransportă date de control doar pentru nivelul fizicFactorul de împrăştiere este de 256Fiecare conexiune la nivelul 1 are nevoie de 1 DPCCHPilotul este folosit pentru estimarea canaluluiTFCI (Transport Format Combination Identifier) precizează canaleletransportate în interiorul DPDCHFBI (Feedback Information field) este suportul de semnalizare pentru softhandoverTPC (Transmit Power Control) e folosit pentru controlul puterii detransmitere a unui emiţator (reducerea efectului de aproape-departe)Controlul puterii este realizat în fiecare interval temporal
COMUNICAŢII NUMERICE 148
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Downlink – DPCH
DPCH – Dedicated Physical Channel
Multiplexează în timp datele utilizatorilor cu cele de control
Factorul de împrăştiere poate varia între 4 şi 512
Există 17 formate de pachete
Debitele disponibile pentru datele utilizatorului variază între 6 (SF=512)şi 1.872 (SF=4) kbiţi/s
COMUNICAŢII NUMERICE 149
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Accesul la mediu (1)Pe downlink nu pot avea loc coliziuni – staţia de bază este singurul emiţătorPe uplink este necesar controlul accesului la mediu (mai mulţi emiţători)folosind un canal fizic cu acces aleatoriu (PRACH)UTRA-FDD defineşte 15 intervale temporale de acces aleatoriu în 20 msÎn fiecare interval pot fi utilizate 16 preambuluri diferite pentru accesulaleatoriuUn echipament de utilizator (UE) poate accesa un interval de accestransmiţând un preambulUE începe transmisia cu cea mai mică putere disponibilă pentru a evitainterferenţa cu alte staţii; dacă nu primeşte o confirmare, încearcă un altinterval cu un alt preambul, folosind următoarea treaptă de putereNumărul de intervale de acces disponibile poate fi definit pentru fiecarecelulă şi transmis tuturor UE printr-un canal de difuziune
COMUNICAŢII NUMERICE 150
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Accesul la mediu (2)UE parcurge următorii paşi în timpul căutării unui celule după pornire:• Sincronizare primară: cu ajutorul unui cod primar de sincronizare de
256 de chip-uri identic pentru toate celulele => sincronizare cu structurade intervale temporale
• Sincronizare secundară: UE recepţionează un cod de sincronizaresecundar care defineşte grupul codurilor de scrambling folosite în aceacelulă => sincronizare cu structura cadrelor
• Identificarea codului de scrambling: UE încearcă toate codurile descrambling din cadrul grupului identificat în pasul anterior, pentru a-lgăsi pe cel corect => UE poate recepţiona toate datele ce vor fi transmisepe un canal de difuziune
COMUNICAŢII NUMERICE 151
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
UTRA-TDDSepară canalele de uplink şi downlink în timpCadrul TDD• durează 10 ms• e format din 15 intervale temporale cu 2560 chips/interval• poate fi:• simetric: acelaşi număr de intervale pentru uplink şi downlink• asimetric: număr diferit de intervale pentru uplink şi downlinkUn cadru are cel puţin un punct de comutare între uplink şi downlinkSe poate schimba factorul de împrăştiere (1 – 16) în funcţie de rata detransfer dorită (6.624 – 414 kbiţi/s)Cel puţin un interval temporal trebuie să fie alocat pentru uplink respectivdownlinkTDD foloseşte aceleaşi coduri de împrăştiere pentru toate staţiile => staţiiletrebuie să fie strâns sincronizate, iar codul de împrăştiere este disponibil odată pe intervalSincronizarea strânsă + folosirea codurilor ortogonale => o schemă simplă decontrol al puterii este suficientăUTRA-TDD ocupă o bandă de 5 MHz per canal (UTRA-FDD foloseşte 5 MHzpentru o direcţie)
COMUNICAŢII NUMERICE 152
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Structura cadrelor UTRA-TDD
Un interval temporal conţine două câmpuri de date de 1104 chips fiecareUn midample de 256 chips este folosit pentru antrenament şi estimareacanaluluiPentru a relaxa puţin sincronizarea a fost introdus un interval de gardă(GP) pe fiecare slot
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 154
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Structura UTRAN
UE
Nod B
Nod B
Nod B
Nod B
RNC
RNC
CN
Iub
IubIur
Iu
RNS
RNS
Nod B
COMUNICAŢII NUMERICE 155
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Descrierea UTRAN
Reţeaua terestră de acces radio (UTRAN – UMTS Terrestrial Radio Access Network) se compune din mai multe subsisteme de reţea radio (RNS)
Fiecare RNS este controlat de un controler de reţea radio (RNC) şi cuprinde câteva noduri B (Node B)
RNC este echivalentul BSC, iar nodul B este echivalentul BTS din GSM
Fiecare nod B poate controla câteva antene care formează o celulăDispozitivul mobil (user equipment – UE) poate fi conectat la mai multe antene prin interfaţa radio Uu
Fiecare RNC este conectat cu reţeaua centrală (core network – CN) prin interfaţa Iu (similară interfeţei A) şi cu nodul B prin interfaţa Iub
Două RNC-uri se conectează între ele prin interfaţa Iur – importantă pentru handover
COMUNICAŢII NUMERICE 156
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Sarcinile controlerului de reţea radio – RNC
Controlul admiterii de apel
Controlul congestiei
Criptare şi decriptare
Comutaţie şi multiplexare ATM, conversie de protocoale
Controlul resurselor radio
Configurarea şi eliberarea purtătoarelor radio
Alocarea codurilor CDMA
Controlul puterii
Controlul de handover şi relocaţia în interiorul RNS
Management
COMUNICAŢII NUMERICE 157
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nodul B
Un nod B este conectat la una sau mai multe antene, creând una sau mai multe celule
Celulele pot folosi duplex cu divizare de frecvenţă (FDD), duplex cu divizare în timp (TDD), sau ambele
O sarcina importantă este controlul puterii pentru atenuarea efectului aproape-departe
Nodul B măsoară calitatea conexiunilor şi puterea semnalului
Suportă softer handover, care are loc între diferite antene ale aceluiaşi nod B
COMUNICAŢII NUMERICE 158
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Echipamentul utilizatorului
Echipamentul utilizatorului (user equipment – UE) are o vastă listă de sarcini, din care cele mai importante sunt:• măsurări de calitate a semnalului, controlul puterii, împrăştiere şi
modulaţie, şi adaptarea debitelor• cooperează în timpul unui handover şi selecţiei de celule, execută criptare şi decriptare, şi participă în procesul de alocare a resurselor radio
• implementează funcţii de management de mobilitate, negociazăpurtătoarea, sau solicită servicii de la reţea
În plus utilizatorii vor să aibă jocuri, camere, sisteme de operare, timp de stand-by mare etc.
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 160
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Reţeaua centralăReţeaua centrală (CN – core network) este în mare aceeaşi ca la GSM/GPRS
Reţeaua centrală se poate diviza în două mari părţi:• Domeniul comutaţiei de circuite (Circuit Switched Domain – CSD)• Domeniul comutaţiei de pachete (Packet Switched Domain – PSD)
COMUNICAŢII NUMERICE 161
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Structura CN
BTS
BSC
BTS
Nod B
Nod B
Nod B
RNC
MSC
VLR
EIR HLRAuC
GR
SGSN GGSN
GMSC
GiGn
PSTN
IuCS
IuPS
Iu
Abis
Iub
(3G)RNS
BSS(2G)
CN
COMUNICAŢII NUMERICE 162
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniile de comutaţieCSD• cuprinde servicii clasice de comutaţie de circuite, inclusiv semnalizare• alocarea resurselor se face la configurarea conexiunii, folosind elementele
GSM: MSC, GMSC şi VLR• se conectează la RNS prin interfaţa IuCS (parte a interfeţei Iu)• componentele CSD pot face parte din reţeaua GSM clasică, dar au nevoie
de funcţionalităţi suplimentare (noi prorocoale)
PSD• foloseşte componentele GPRS: SGSN şi GGSN• se conectează la RNS prin interfaţa IuPS (parte a interfeţei Iu)
Ambele domenii folosesc bazele de date EIR pentru identificarea echipamentelor şi HLR pentru administraţia locaţiei
COMUNICAŢII NUMERICE 163
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
UMTS – Consideraţii de marketing
Refolosirea infrastructurii existente =>• reducerea cheltuielilor• poate deveni mai atrăgător pentru operatori GSM, să implementeze UMTS• UMTS se poate impune pe piaţă folosindu-se de dominaţia GSM
O evoluţie similară GSM → UMTS este cdmaOne → cdma2000 în America
O reţea centrală cu adevărat flexibilă este cea propusă de release-urile 5 şi 6 ale standardului UMTS: domeniul de comutaţie de circuite al GSM este înlocuit cu un nucleu all-IP
COMUNICAŢII NUMERICE 164
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Stivele de protocoale pentru comutaţia de circuite/pachete
radioMACRLC
aplicaţii şiproto-coaleComutaţia
de circuiteRLC
radioMAC
ATMAAL2
SAR
ATMAAL2SAR
Uu IuCSUTRANUE 3G MSC
radioMACRLC
aplicaţii şiproto-coale
Comutaţia de pachete PDCP
radioMAC
ATMAAL5
GTP
L1L2
UDP/IP
Uu IuPSUTRANUE 3G
SGSN
RLC UDP/IPPDCP
IP,PPP,...
GTP
ATMAAL5
L1L2
GTPUDP/IP UDP/IP
IP,PPP,...
3G GGSNGn
tunel IP
COMUNICAŢII NUMERICE 165
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniul comutaţiei de circuite (CSD)
CSD foloseşte nivelul 2 de adaptare ATM (AAL2 – ATM Adaptation Layer 2) pentru transmisii de date de utilizator ca tehnologie de transport
RNC implementează controlul legăturii radio – RLC (Radio Link Control) şi nivelul de control al accesului la mediu MAC (Medium Access Control)
Nivelul fizic este localizat în nodul B
Nivelul AAL2 de segmentare şi reasamblare – SAR (Segmentation And Reassembly) este folosit la segmentarea pachetelor de date primite de la RLC în bucăţi mici, care pot fi transportate în ATM
COMUNICAŢII NUMERICE 166
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Domeniul comutaţiei de pachete (PSD)
În PSD transportul de date de bază este realizat de nivelurile inferioare: ATM cu AAL5, frame relay
Protocoalele UDP/IP sunt folosite pentru a crea o reţea IP internă UMTS
Toate pachetele destinate pentru UE sunt încapsulate folosind protocolul de tunneling GPRS – GTP (GPRS Tunnelig Protocol)
RNC realizează conversia de protocol din GTP/UDP/IP în protocolul de convergenţă de pachete de date – PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
Protocolul PDCP comprimă anteturile pentru a evita risipirea resurselor radio cu transmisia de date redundante
În UMTS, RNC se ocupă de protocolul de tunneling GTP, spre deosebire de GSM/GPRS, unde GTP e folosit doar între SGSN şi GGSN
COMUNICAŢII NUMERICE 167
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Nivelurile inferioare de la interfaţa Uu
Nivelul radio (nivelul fizic) depinde de modul UTRA (FDD sau TDD)
Nivelul MAC• coordonează accesul la mediu şi multiplexează canalele logice în canale de
transport• ajută la identificarea dispozitivului mobil şi poate cripta date
Nivelul RLC oferă trei moduri diferite de transport:• transferul în modul cu confirmare (acknowledged) foloseşte ARQ pentru
corectarea erorii şi garantează livrarea pachetelor de date o singură dată şi în ordine
• transferul în modul fără confirmare (unacknowledged) nu foloseşte ARQ, dar garantează livrarea cel puţin o dată a pachetelor, cu ajutorul numerelor de secvenţă
• transferul în modul transparent simplu expediează datele MAC fără prelucrare suplimentară
RLC execută de asemenea segmentare, reasamblare şi controlul fluxului
5. Sisteme de comunicaţii mobile
5.1 Introducere5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS
5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover
Global Local
COMUNICAŢII NUMERICE 169
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Handover
Handover: transferarea unei legături între două celule sau antene vecine
UMTS operează cu două clase de bază de handover:• Handover hard• Handover soft
COMUNICAŢII NUMERICE 170
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Handover hardEste acelaşi cu handover-ul cunoscut deja de la GSMUTRA TDD poate utiliza numai acest tip de handoverComutarea între celule TDD se realizează între intervale temporale din cadre diferiteHandover-ul inter-frecvenţă, adică schimbarea frecvenţei purtătoare este un handover hardToate handover-urile inter-sistem sunt hard în UMTSUn tip special de handover este handover-ul la un sistem satelit (inter-segment handover), care de asemenea este un handover hard, deoarece sunt folosite frecvenţe diferitePentru a da posibilitatea UE de a asculta benzile GSM, dar şi alte frecvenţe, UMTS specifică modul comprimat de transmisie pentru UTRA FDDPe durata modului comprimat UE încetează orice emisie, iar pierderile de date în acest interval pot fi evitate fie prin reducerea factorului de împrăştiere, fie prin reducerea volumului de date emise (aplicând diverse scheme de codare)
COMUNICAŢII NUMERICE 171
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Handover soft
Este un mecanism nou în UMTS faţă de GSM, şi este disponibil doar pentru modul FDD
Handover soft este cunoscut de la reţele CDMA tradiţionale, care folosesc macrodiversitatea, o proprietate fundamentală a CDMA
Un UE poate recepţiona semnale de la maxim trei antene diferite, care pot aparţine de noduri B diferite
Pe downlink, RNC împarte şirul de date şi îl trimite la nodurile B, iar UE combină datele recepţionate
Pe uplink, UE trimite simplu datele, iar RNC combină şirurile de date primite de la nodurile B
Faptul că echipamentul UE recepţionează date în acelaşi timp de la antene diferite, permite realizarea unui handover soft (comutarea de la o celulă la alta devine un proces neted şi nu unul abrupt)
COMUNICAŢII NUMERICE 172
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
MacrodiversitateaDatorită macrodiversităţii, transmisia devine mai robustă la fading-ul rapid, propagarea multicale şi umbrireDacă o cale este blocată de un obstacol, există mari şanse ca datele să poată fi în continuare recepţionate de la o altă antenăÎn timpul unui handover soft, UE primeşte comenzi de control al puterii de la toate nodurile B implicate, micşorând puterea de transmisie atâta vreme cât încă primeşte comenzi de reducere a puterii,evitând astfel interferenţaCu cât interferenţa introdusă într-o celulăde UE este micşorată, cu atât capacitatea celulei este mai mareFără acest control, breathing-ul de celulăar fi şi mai problematic decât este în reţeleleCDMA
UE Nod B
Nod B RNC CN
COMUNICAŢII NUMERICE 173
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Realizarea handover soft (1)
Toate mecanismele referitoare la handover-ul soft sunt amplasate în cadrul UTRAN, deoarece CN nu suportă handover soft
Când se execută un handover soft între două noduri B care nu aparţin aceluiaşi RNC, apare deosebirea între RNC de servire (serving RNC – SRNC) şi RNC de drift (DRNC)
SRNC controlează conexiunea şi expediază toate datele la şi de la CN
SRNC expediază datele primite de la CN către propriul nod B, dar şi la DRNC prin interfaţa Iur
Nod B
Nod B DRNC
SRNC CN
Iub
Iub
IuIurUE
COMUNICAŢII NUMERICE 174
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Realizarea handover soft (2)
Datele recepţionate de nodul B de jos, sunt expediate de către DRNC la SRNC
SRNC combină ambele şiruri de date şi expediază un singur şir de date spre CN, care nu observă nimic din recepţia simultanăDacă UE se mişcă mai jos şi cade în afara ariei de transmisie a nodului B de sus, două RNC (SRNC şi DRNC) rezervă resurse pentru transmisie de date, deşi nici un nod B al lui SRNC nu transmite date pentru acest UE
Pentru evitarea acestei risipe de resurse, se poate executa o relocare a SRNC, care implică şi CN, deci este un handover hard
COMUNICAŢII NUMERICE 175
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Tipuri de handover (1)
Nod B1
Nod B2
RNC2
RNC1 3G MSC1
Iub
Abis
Iu
Iur
UE1
Nod B3 3G MSC2
BSCBTS 2G MSC3
A
UE2
UE3
UE4
Uu
COMUNICAŢII NUMERICE 176
Capitolul 5 - Sisteme de comunicaţii mobile
Tipuri de handover (2)Tipuri de handover obişnuite într-o reţea combinată UMTS/GSM:• Intra-nod B, intra-RNC: UE1 se mişcă de la o antenă la cealaltă a aceluiaşi
nod B1 (softer handover): nodul B1 execută combinarea şi împărţirea datelor
• Inter-nod B, intra-RNC: UE2 se mişcă de la nodul B1 la nodul B2: RNC1suportă handover soft prin combinarea şi împărţierea datelor
• Inter-RNC: când UE3 se mişcă de la nodul B2 la nodul B3, pot avea loc două handover-uri de tipuri diferite:• Handover intern inter-RNC: RNC1 se comportă ca un SRNC, iar RNC2
ca un DRNC• Handover extern inter-RNC: are loc relocaţia interfeţei Iu (handover
hard)• Inter-MSC: MSC2 preia conexiunea şi execută un handover hard• Inter-system: UE4 se mişcă dintr-o reţea 3G UMTS într-o reţea 2G GSM –
handover hard foarte important datorită acoperirii limitate a reţelelor 3G