Introducere in structura sistemelor de comunicatie radio - Principiul telefoniei celulare

Introducere in structura sistemelor de comunicatie radio - Principiul telefoniei celulare

Telefonul fara fir - a aparut din dorinta de mobilitate, in timpul unei convorbiri telefonice. Se compune din statie de baza si telefon. Statia se conecteaza la linia telefonica, iar telefonul comunica cu ea printr-un sistem radio de putere mica, activ pana la 100 - 300 m.

Frecventa de emisie poate fi fixa (setata din fabrica) sau se poate alege de catre utilizator. Creeaza probleme de securitate, cateodata interfereaza cu radioul sau TV. Se pot utiliza in jurul casei, biroului, etc. A treia generatie, aparuta in 1992 (CT3 in SUA sau DECT in Europa) suporta distante mai mari fata de statia de baza, iar tehnologia se apropie de cea a telefoanelor celulare.

Telefonul celular analogic

1946 - primul sistem de telefoane pentru automobile se pune in functiune in SUA - St. Louis - sistem cu buton de emisie - cu un emitator instalat pe o cladire inalta, un singur canal pentru emisie - receptie.

1960 - IMTS (Improved Mobile Telephone System) - Sistemul imbunatatit de telefonie mobila - foloseste emitator de 200W plasat pe o inaltime, cu 2 frecvente: una pentru emisie si una pentru receptie. Utilizatorii nu se mai aud unii pe altii ca in cazul precedent. IMTS suporta 23 de canale impartite intre 150 MHz si 450 MHz. Rezulta un    numar mic de canale, utilizatorii asteptau mult tonul. Datorita puterii mari a emitatorului, sistemele adiacente trebuiau plasate la cateva sute de km distanta, pentru a evita interferenta.

1982 - AMPS - Advanced Mobile Phone System - Sistem telefonic mobil avansat - inventat de Bell Labs.

O regiune geografica este impartita in celule de 10 pana la 20 km latime, fiecare celula folosind un anumit numar de frecvente. Frecventele de transmisie se refolosesc in celule apropiate, dar nu adiacente. Poate sa suporte 5-10 apeluri pe fiecare frecventa in celule separate si indepartate. Celulele de dimensiuni reduse necesita puteri mici, ceea ce inseamna dispozitive de dimensiuni reduse si ieftine.

Telefoanele de mana emit 0.6 W, cele de masina maxim 3 W.

Celulele au toate aceeasi dimensiune si sunt aproximativ circulare. Sunt grupate in unitati de 7 celule. Fiecare litera indica un grup de frecvente. Pentru fiecare set de frecvente exista o zona tampon de latime aproximativ egala cu doua celule distanta in care acea frecventa nu este refolosita, deci avem delimitare buna si interferenta scazuta. Daca numarul de utilizatori intr-o zona devine foarte mare (supraincarcare), se reduce puterea si se impart celulele supraincarcate in celule mai mici pentru a permite mai multe refolosiri de frecvente.

In centrul fiecarei celule se afla o statie de baza, prin intermediul ei transmit toate telefoanele din celula. Statia are un calculator si un emitator/receptor conectat la o antena. Statiile de baza se conecteaza la un singur dispozitiv (MTSO - Mobile Telephone Switching Office - Oficiu telefonic de comutare mobil). Intr-un sistem de dimensiuni mari sunt necesare mai multe MTSO. Ele se conecteaza la al doilea nivel de MTSO, s.a.m.d.

MTSO = oficii finale (ca si in sistemul telefonic) si sunt conectate la cel putin un oficiu final din sistemul telefonic. MTSO comunica cu statiile de baza, intre ele si cu PTSN - statii telefonice publice, folosind o retea cu comutare de pachete.

In orice moment, orice telefon mobil se afla intr-o celula specifica si sub controlul statiei de baza a celulei respective. Cand un telefon mobil paraseste o celula, statia de baza sesizeaza o scadere a semnalului dinspre telefon si intreaba toate statiile de baza inconjuratoare cat de puternic este semnalul pe care il receptioneaza ele de la respectivul telefon. Statia de baza transfera apoi proprietatea asupra telefonului catre celula care receptioneaza cel mai puternic semnal, aceasta fiind si celula in care se afla acum telefonul.

Telefonul este apoi informat despre noul sau sef, iar daca un apel este in derulare in acel moment, telefonul va fi obligat sa comute pe un canal nou (deoarece canalul vechi nu este refolosit in nici o celula adiacenta).

Acest proces = timp mort,aproximativ egal cu 300 ms. Atribuirea canalului se face de MTSO = centrul nervos al sistemului. Statiile de baza = radiorelee.

Canalele

Sistemul AMPS utilizeaza 832 canale full - duplex, fiecare constand dintr-o pereche de canale simplex rezultand 832 canale simplex pentru transmisie de la 824 la 849 MHz si 832 canale simplex pentru receptie de la 869 la 894 MHz. Fiecare dintre aceste canale simplex are o latime de 39 kHz. Din aceasta cauza AMPS foloseste FDM (Frequency Division Multiplexing - Multiplexare cu divizare in frecventa).

In banda de 800 MHz, undele radio au aproximativ 40 cm lungime si se propaga in linie dreapta. Ele sunt absorbite de copaci si plante si sunt reflectate de pamant si cladiri. Este posibil ca un semnal emis de un telefon mobil sa ajunga la statia de baza pe cale directa, dar si mai tarziu, reflectat de pamant sau alte obiecte. Ia nastere ecoul, care duce la distorsionarea semnalului.

Cele 832 canale se impart in 4 categorii:

control (baza catre mobil) pentru gestionarea sistemului;

paging (baza catre mobil) pentru a anunta utilizatorii de mobile ca sunt apelati;

acces (bidirectional) pentru stabilirea apelului si alocarea canalului;

date (bidirectional) pentru, voce, fax sau date.

Pentru control sunt rezervate 21 canale si acestea sunt fixate in fiecare telefon intr-un PROM. Deoarece nu pot fi folosite in celule invecinate aceleasi frecvente, numarul real de canale vocale disponibile pe celula este mult mai mic decat 832, de obicei 45.

Gestiunea apelului

Fiecare telefon mobil din AMPS are un numar special pe 32 biti si un numar de telefon de 10 cifre in PROM-ul propriu. Numarul de telefon este format dintr-un cod al zonei de 3 cifre pe 10 biti si un numar de abonat de 7 cifre pe 24 de biti.

Atunci cand este activat, un telefon scaneaza o lista programata cu 21 canale de control pentru a descoperi semnalul cel mai puternic. De pe canalele de control telefoanele determina numerele canalelor de paging si acces. Apoi, telefonul difuzeaza propriul numar serial de 32 biti si numarul de telefon de 34 biti.

Ca orice alta informatie de control din AMPS, acest pachet este transmis in forma digitala, de mai multe ori si cu un cod corector de erori, desi canalele vocale sunt analogice.

Atunci cand statia de baza aude anuntul, sesizeaza MTSO-ul, care inregistreaza existenta noului sau client si informeaza MTSO-ul clientului asupra pozitiei sale curente.

In timpul unei functionari normale, telefonul mobil se reinregistreaza la aprox. 15 minute.

Pentru a face un apel, un utilizator de mobil actioneaza telefonul, introduce numarul de apelat si apasa SEND (OK). Telefonul transmite apoi numarul de apelat si identitatea proprie pe canalul de acces. Daca acolo apare o coliziune el incearca mai tarziu din nou. Cand primeste o cerere, statia de baza informeaza MTSO-ul. Daca apelantul este un client al MTSO (sau partener), se cauta un canal liber pentru apel. Daca se gaseste unul, numarul canalului este transmis inapoi pe canalul de control. Telefonul mobil comuta apoi automat pe canalul vocal selectat si asteapta pana cand partea apelata raspunde.

Apelurile primite functioneaza diferit. La inceput, toate telefoanele libere asculta continuu pe canalul de paging pentru a detecta mesajele adresate lor. Atunci cand se face apel catre un telefon mobil (fie de la un telefon fix, fie de la alt telefon mobil) se transmite un pachet catre MTSO-ul apelatului pentru a descoperi unde se afla acesta. Se transmite apoi un pachet catre statia de baza din celula sa curenta, care apoi transmite pe canalul de paging un mesaj de intrebare catre telefonul mobil. Acesta raspunde cu "DA" pe canalul de control. Statia de baza ii spune apoi telefonului ca are un apel pe canalul x. Telefonul comuta pe canalul x si incepe sa sune.

Probleme de securitate - in general, telefoanele celulare sunt total lipsite de securitate. Oricine dispune de un receptor de banda larga se poate pozitiona si asculta tot ce se intampla intr-o celula.

Alta problema - furtul de informatie pe timpul emisiei. Utilizand un receptor pentru intreaga banda atasat la un calculator, un hot poate monitoriza canalul de control si inregistra numarul serial de 32 biti si numarul de telefon de 34 biti al tuturor telefoanelor mobile pe care le asculta. Plimbandu-se prin zona cateva ore el poate foarte usor sa construiasca o baza de date suficient de mare. El poate apoi sa aleaga un numar de telefon si sa-l foloseasca pentru apelurile proprii sau sa reprogrameze telefoane pe care sa le vanda apoi ca telefoane cu "apeluri netaxabile". Totul dureaza pana la primirea notei de plata de catre proprietarul de drept.

Se rezolva prin criptografie.

Telefoane celulare digitale

In SUA, pe langa AMPS au aparut inca patru sisteme digitale, din care au supravietuit 2 - IS- 54 si IS-95.

In Europa a aparut GSM (Global Systems for Mobile Comunication) +Australia+ceva din Asia.

GSM foloseste benzile de 900 MHz si 1.8 GHz (DCS1800 - pentru zone urbane). Utilizeaza atat FDM cat si TDM (Time Division Multiplexing - Multiplexare cu divizare in timp).

Spectrul disponibil este impartit in benzi de 50-200 kHz. In interiorul fiecarei benzi se foloseste TDM pentru a multiplexa mai multi utilizatori. Telefoanele GSM folosesc cartele inteligente (care contin un procesor). Numarul serial si numarul de telefon se afla pe cartela si nu in telefon, rezultand un grad mai mare de securitate. Se foloseste si criptarea.

Au inceput eforturile de standardizare a sistemelor mobile de generatia a 3-a - PCS - Personal Communication Services (servicii de comunicatii personale) - in SUA. Pe langa serviciul telefonic mobil acesta mai asigura servicii mobile de banda larga ca videotelefonia, video conferinta, transferul de date la mare viteza. Acelasi sistem PCS, in toate celelalte tari in afara de SUA se numeste PCNetwork - Retea de comunicatii personale . PCS sau PCN vor folosi tehnologia celulara, dar cu microcelule intre 50-100 cu latime folosirea unor puteri foarte mici (1/4 W) telefoane mici si usoare.

Pe de alta parte foarte multe celule, 40000 microcelule intr-o celula clasica, de 20 km latime. Statiile de baza (care au dimensiunea unui prajitor de paine, se pot instala pe stalpii de telefon sau in alte locuri asemanatoare).

Reteaua GSM PLMN (Public Land Mobile Network) este operationala si in Romania, de cativa ani. Aceasta retea de comunicatii mobile ofera ca principal serviciu telefonia mobila si are la baza sistemul mobil de a doua generatie GSM. GSM-PLMN ofera si transmisii de date la debite de pana la 9600 bps.

Sistemele GSM sunt considerate retele de acces la retele de telecomunicatii existente. Pentru apelurile in/din exteriorul retelei se utilizeaza retele fixe.

Din cauza mobilitatii, functiile de comutare sunt mult mai complexe decat in telefonia fixa. Apare necesitatea implementarii a 2 categorii specifice de functii:

functii de gestiune a mobilitatii - localizarea abonatilor;

functii de gestiune a resurselor radio - stabilirea si eliberarea conexiunii dintre abonatul mobil si comutatorul in zona caruia se gaseste acesta. Ele realizeaza gestionarea traficului pe canalele radio si transferul convorbirilor dintr-o celula in alta (handover).

Datorita miscarii abonatilor definirea a noi concepte:

a)      mobilitatea (roaming = hoinareala, plimbare);

b)      localizarea;

c)      transferul legaturii (handover).

a) Mobilitatea = posibilitatea de miscare si schimbare a conectarii pe interfata radio in stare inactiva a telefonului mobil.

Telefonul mobil poate fi:

detasat (oprit, inchis)

atasat (pornit)

o       inactiv - nu este utilizat

o       activ (ocupat) cand se vorbeste de el sau se transmit date

Mobilitatea poate fi:

intraretea - abonatul se misca in zona de serviciu a unei singure retele;

mobilitate nationala - in fiecare tara, de obicei, exista 2 operatori GSM, care, in unele locuri se suplinesc unul pe altul (d.p.d.v. al acoperirii geografice). Un telefon poate fi comutat dintr-o retea nationala in alta daca exista intelegere intre cei doi operatori nationali, daca exista o interfata comuna de acces si daca este posibil transferul diferitelor date (necesare identificarii abonatului, tarifarii, etc.) intre cele 2 retele GSM;

in spatiul GSM - si in interiorul altor retele GSM din alte tari;

in alte retele (non - GSM)

o       mobilitate personala (a abonatului) - pune cartela SIM (Subscriber Identity Module) intr-un echipament mobil dotat cu interfata de acces corespunzatoare;

o       mobilitatea echipamentului - este limitata de compatibilitatea cu interfata de acces a retelei PLMN.

b) Localizarea

la nivel de celula - reteaua stie in permanenta in care celula se afla abonatul si directioneaza apelul in acea celula - dezavantaj - incarca foarte mult semnalizarile in retea, deoarece mobilul trebuie sa raporteze retelei orice schimbare de celula;

la nivel de retea - reteaua nu stie, practic, decat daca abonatul este atasat sau nu. Apelul se trimite in toata reteaua. Nu necesita localizare, dar incarca foarte mult interfata radio cu semnale de apel;

la nivelul unor grupe de celule - compromis intre primele 2 metode, este metoda utilizata in GSM. Reteaua stie in ce zona (grup de celule) se afla abonatul si transmite apelul in toate celulele din acel grup.

Arie de localizare - grupul de celule in care se difuzeaza un apel catre un abonat.

Actualizarea localizarii - procedura prin care un telefon mobil comunica retelei fiecare schimbare a ariei de localizare.

c) Transferul legaturii (handover). In retelele non-GSM = handoff.

Este o procedura de gestiune a resurselor radio si deriva direct din posibilitatea de miscare a abonatului in timpul desfasurarii unei convorbiri. Datorita mobilitatii, calitatea transmisiei scade pe masura ce utilizatorul se departeaza de emitatorul care il deserveste si se apropie de emitatorul unei celule vecine.

Handover = procedura de transfer automat a unei convorbiri dintr-o celula in alta.

Pentru a realiza acest lucru patru elemente:

monitorizarea permanenta a calitatii transmisiei pentru convorbirea in curs;

monitorizarea permanenta a calitatii receptiei de la emitatoarele celulei invecinate;

definirea unei proceduri de decizie a schimbarii conexiunii;

definirea unei proceduri de comutare rapida a legaturii de pe un canal dintr-o celula pe un alt canal dintr-o alta celula.

Decizia cu privire la handover este luata de controller-ul statiei de baza.

Telefonul mobil stie de la statia de baza care sunt frecventele de referinta ale tuturor statiilor din celulele invecinate.

Telefonul efectueaza masuratori ale nivelului de semnal receptionat de la aceste statii de baza. El transmite permanent la transceiver-ul la care este conectat rapoarte cu masuratorile efectuate. Statia de baza transmite aceste masuratori mai departe la controller-ul sau, impreuna cu propriile masuratori asupra receptiei de la telefon. Controller-ul mentine pentru fiecare mobil activ o lista ordonata cu "cei mai buni vecini". Cand calitatea transmisiei pe canalul curent scade sub un anumit prag, controllerul statiei de baza ia decizia de transfer a legaturii intr-o anumita celula (prima din lista). Criteriul de calitate a transmisiei este definit ca o combinatie liniara intre nivelul semnalului receptionat de telefon, puterea sa maxima de emisie si niste (2) parametrii ce caracterizeaza celula.

In functie de celula tinta, in care se transfera convorbirea, sunt mai multe tipuri de handover:

in zona de serviciu a aceluiasi controller al statiei de baza;

in zona de serviciu a altui controller, dar in aceeasi zona de serviciu a Centrului de comutatie a serviciilor mobile;

in zone de serviciu ale altui Centru de comutatie.