Celularne bežične mreže

poglavlje XII

Celularne bežične mreže

Celularni radio je tehnika razvijena sa ciljem da se poveća kapacitet mobilnog radio telefonskog servisa.

Suština celularne mreže se sastoji u korišćenju većeg broja predajnika male-snage, reda 100 W ili manje.

S obzirom da je opseg pokrivanja ovih predajnika mali oblast (teritorija) se može podeliti na ćelije

Svaki deo teritorije pokriva od strane jedne antene, tj. predajnika. .

Svakoj ćeliji se dodeljuje odgovarajući frekventni opseg.

Sa aspekta servisa jedna ćelija se opslužuje od strane jedne bazne stanice.

Baznu stanicu čini po jedan predajnik, prijemnik i upravljačka jedinica.

Sa ciljem da se izbegnu interferencije i preslušavanja svakoj ćeliji se dodeljuje različita frekvencija.

Ćelije koje se nalaze na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge mogu da koriste isti frekventni opseg

Celularne bežične mreže – prod.

Celularna geometrija

Prvi zadatak projektanta kod projektovanja celularne mreže se odnosi na oblikovanje forme ćelija koje pokrivaju odredjenu teritoriju.

Matrične kvadratne ćelije, imaju verovatno najjednostavniji oblik.

Ipak ova geometrija nije idealna..

d dAko je širina ćelije d,

tada ćelija ima 4 suseda na rastojanju d,

a 4 na rastojanju d0.5

Kada se mobilni korisnik kreće prema granicama ćelije najbolje je da sve susedne antene budu na ekvidistantnim rastojanjima.

Sa ovakvim pristupom olakšava se tehnika komutacije korisnika na susednu antenu, kao i izbor antene.

Heksagonalni oblik obezbedjuje ekvidistantne antene.

Celularna geometrija – prod.

RZa radijus heksagona, R, rastojanje izmedju centra

ćelije i centra susedne ćelije iznosi d= R0.33 .

Višestruko korišćenje frekvencija

Kod celularnog sistema svaka ćelija ima svoj bazni primopredajnik.

Predajna snaga predajnika pažljivo se kontroliše sa ciljem da za datu frekvenciju zračenja obezbedi pouzdanu komunikaciju, ali uz istovremeno ograničenje snage zračenja predajnika na toj frekvenciji kako ne bi došlo do smetnje u prijemu usled zračenja predajnika u susednim ćelijama.

Cilj je da se u nekoj od susednih ćelija koristi ista frekvencija čime se obezbedjuje uslov da se na toj frekvenciji istovremeno obavlja veći broj razgovora.

Višestruko korišćenje frekvencija – prod. U praksi, u zavisnosti od očekivanog saobraćaja svakoj ćeliji se dodeljuju

od 10 do 50 frekvencija.

Različiti oblici višestrukog korišćenja frekvencija su mogući.

Ako oblik čine N ćelija, a svakoj ćeliji se dodeli isti broj frekvencija, tada će svaka ćelija imati k/N frekvencija, gde je k ukupan broj frekvencija koje se dodeljuju sistemu.

Parametri na osnovu kojih se odredjuje višestruko korišćenje frekvencija su:

D- minimalno rastojanje izmedju centara ćelija koje koriste isti frekventni opseg (nazivaju se kokanali) R- radijus ćelije d- rastojanje izmedju centara susednih ćelija ( d = R 0.33 ) N - broj ćelija u obliku koji se ponavlja (svaka ćelija u obliku ima jedinstven frekventni opseg) koga nazivamo faktor višestrukog korišćenja (reuse factor)

Šema ponovnog korišćenja frekvencije za N=4

1

234

42

312

41

3

23

14

42

31

12

34

32

14

Šema ponovnog korišćenja frekvencije za N=7

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

Šema ponovnog korišćenja frekvencije za N=19

Izbor vrednosti N

Povećanje kapaciteta

Vremenom, sve veći broj pretplatnika koristi sistem.

Pri ovakvom trendu porasta saobraćaj može jednog trenutka da postane tako gust da se dodje u situaciju kada ne postoji dovoljan broj frekvencija koje se mogu dodeliti ćelijama.

Da bi se uspešno izašlo na kraj sa ovakvom situacijom na raspolaganju su sledeći pristupi (rešenja):

Dodavanje novih kanala

Pozajmljivanje frekvencija

Deoba ćelije

Sektorisane ćelije

Mikroćelije

Povećanje kapaciteta-prod.

Obično kada se za dati region uvodi sistem ne iskorišćavaju se svi kanali.

Sa porastom i proširenjem sistema uvode se oni kanali koji prvobitno nisu bili iskorišćeni.

Moguće je pozajmiti frekvencije od susednih ćelija sa kojima može doći do sudara (congested cells).

Pozajmljivanje je obično dinamičko.

Dodavane novih kanala

Pozajmljivanje frekvencija

Distribucija saobraćaja i topografske osobine ćelije u najvećem broju slučajeva nisu uniformne, što nalaže potrebu za povećanjem kapaciteta.

Rešenje je da se ćelije kod kojih postoji jako izrazit saobraćaj podele

Obično obim ćelije je od 6.5 do 13 km, dok su male ćelije obima 1.5 km.

Korišćenje manjih ćelija nalaže smanjenje snage zračenja.

Povećanje kapaciteta-prod.Deoba ćelija

Kako se mobilni korisnici premeštaju sa jednog mesta na drugo, oni prelaze iz jedne ćelije u drugu, a to zahteva prenos poziva (signala) sa jedne bazne stanice na drugu.

Ovaj proces se naziva handoff, a češći je kako su ćelije manje.

Povećanje kapaciteta-prod.

Sa smanjenjem obima ćelija antene se premeštaju sa vrha brda ili visokih zgrada na manje zgrade pa se na taj način formiraju mikroćelije.

Smanjenjem obima ćelije smanjuje se i nivo snage zračenja predajnika.

Mikroćelije su korisne za pokrivanje ulica u velikim gradovima, duž autoputeva, ili unutar velikih javnih zgrada.

Sektorisanje ćelija

Ćeliju delimo na veći broj sektora, pri čemu svakom sektoru se dodeljuje odgovarajući skup kanala.

Standardno se koriste 3 do 6 sektora po ćeliji.

Mikroćelije

Parametri makro- i mikro-ćelija

Blok šema celularnog sistema

Prostorijaza

komutacijuu

mobilnojtelefoniji

Bazna primo-predajna stanica

Bazna primo-predajna stanica

Bazna primo-predajna stanica

Javna telefonskakomutaciona

mreža

Gradivni blokovi celularnog sistema

Svaka BS povezana je sa mobilnim telekomunikacionim komutatorskim centrom (MTSO - Mobile Telecommunications Switching Office). Jedan MTSO opslužuje veći broj BS-ova. Obično veza izmedju BS-ova i MTSO-a je žičana, ali je moguća i bežična. MTSO ima zadatak da ostvari povezivanje izmedju mobilnih jedinica. MTSO je, takodje, povezan na javnu telefonsku, ili telekomunikacionu mrežu i ostvaruje vezu izmedju pretplatnika fiksne i mobilne telefonije. Svakom pozivu MTSO dodeljuje govorni kanal, obavlja handoff, i nadgleda pozive radi potrebe tarifiranja

Otprilike na sredini svake ćelije locirana je bazna stanica (BS). Strukturu BS-a čine antena, kontroler, i veći broj primopredajnika koji komuniciraju preko kanala dodeljenih toj ćeliji. Kontroler se koristi za upravljanje procesom poziva izmedju mobilne jedinice i ostatka mreže. U datom trenutku, veći broj mobilnih korisnika može biti aktivan i da se kreće u okviru ćelije komunicirajući, pri tome, sa BS-om.

Uspostavljanje veze

Veza izmedju mobilne jedinice i BS-a se uspostavlja po sledeća dva tipa kanala:

Kontrolni kanali- koriste se za razmenu informacija koja se odnosi na uspostavljanje i održavanje veze kao i odredjivanje odnosa izmedju mobilne jedinice i najbliže BS.

Kanal za saobraćaj - koristi se za prenos govora i podataka izmedju korisnika.

Tipični koraci

Tipični koraci izmedju dva mobilna korisnika kontrolisani od strane MTSO-a su:

inicijalizacija mobilne jedinice

poziv iniciran od strane mobilne jedinice

pagging

prihvaćen poziv

ongoing call

handoff

Inicijalizacija mobilne jedinice Kada se mobilna jedinica uključi ona analizira i bira najjači upravljački kanal za potrebe uspostavljanja veze (setup channel)

Ćelije na različitim frekventnim opsezima repetitivno emituju svima (broadcast) informaciju o različitim kanalima preko kojih se može uspostaviti veza.

Prijemnik bira najjači "setup" kanal i nadgleda taj kanal.

Efekat ove procedure je taj da mobilna jedinica automatski bira BS antenu one ćelije preko koje će ona raditi.

MTSO

monitorisanje za najjači signal

Inicijalizacija mobilne jedinice – prod.

Nakon ovoga sledi handshake procedura izmedju mobilne jedinice i MTSO-a, koja se ostvaruje preko BS u ćeliji.

Handshake procedurom se identifikuje korisnik i registruje njegova lokacija.

Sve dok je mobilna jedinica uključena procedura analize periodično se ponavlja.

Ako mobilna jedinica predje u novu ćeliju ona selektuje novu BS.

Poziv iniciran od strane mobilne jedinice Mobilna jedinica inicira poziv slanjem broja jedinice koju poziva preko unapred

selektovanog setup kanala

Prijemnik u mobilnoj jedinici prvo proverava da li je setup kanal u idle stanju ispitivanjem informacije u forward kanalu (kanal od BS ka mobilnoj jedinici).

Kada detektuje idle stanje mobilna jedinica može da predaje preko odgovarajućeg reverse kanala (kanal od mobilne jedinice ka BS).

BS nakon ovoga šalje zahtev ka MTSO-u.

MTSO

zahtev za povezivanje

Paging MTSO nakon prethodnih aktivnosti pokušava da ostvari vezu ka pozvanoj jedinici.

MTSO predaje paging poruku ka odredjenim BS-ovima u zavisnosti od pozvanog mobilnog broja

Svaka BS predaje paging signal po sopstvenom setup kanalu.

MTSO

Paging

Prihvaćen poziv Pozvana mobilna jedinica prepoznaje svoj broj nadgledanjem setup kanala i odaziva se toj BS-i, koja zatim predaje odziv ka MTSO-u.

MTSO zatim uspostavlja vezu izmedju pozvane i pozivne BS.

Istovremeno, MTSO bira raspoloživi kanal za prenos govora u okviru svake BS ćelije i obaveštava svaku BS koja nakon toga obaveštava mobilnu jedinicu

Obe mobilne jedinice se zatim podešavaju na odgovarajuće dodeljene kanale.

MTSO Poziv je prihvaćen

Ongoing call

Dok postoji veza mobilne jedinice razmenjuju govorne signale ili podatke preko odgovarajućih BS-ova i MTSO-a

MTSO

Poziv u toku

Handoff (preuzimanje)

Kada mobilna jedinica u toku održavanja veze predje iz jedne ćelije u drugu kanalni saobraćaj mora da se promeni tako da se sada realizuje preko druge BS koja pripada novoj ćeliji

Sistem izvodi ove promene bez prekidanja poziva ili promene korisnika.

MTSO

Handoff

Druge funkcije Druge funkcije koje se obavljaju od strane sistema su:

Call blocking - ako su u toku poziva svi kanali predvidjeni za saobraćaj prema najbližoj BS zauzeti mobilna jedinica pokušava da uspostavi ponovo vezu, i nakon odredjenog broja neuspešnih poziva vraća se ton o zauzetosti veze.

Call termination - kada jedan od korisnika prekine vezu MTSO se obaveštava o tome i oba kanala kod BS-ova se oslobadjaju.

Call drop - u toku razgovora zbog interferencije ili slabog signala može doći do prekida veze. Ako BS ne može da održi minimalni nivo signala za odredjeni vremenski period kanal prema korisniku se prekida i o tome obaveštava MTSO.

Calls to/from fixed and remote mobile subscriber - MTSO obezbedjuje vezu prema telefonskoj mreži sa javnom komutacijom. To znači da MTSO može da uspostavi vezu izmedju pretplatnika povezanih na fiksnoj i mobilnoj mreži.

Prva generacija (1G) celularnih mreža

Prve celularne telefonske mreže bazirane su bile na analognom prenosu signala.

Jedan od najpoznatijih sistema iz ove generacije je AMPS (Advanced Mobile Phone Service) razvijen od strane kompanije AT&T.

Ovaj sistem danas se standardno još koristi u Severnoj Americi.

Dva opsega širine od po 25 MHz se koriste kod AMPS-a, jedan za prenos od BS-a ka mobilnoj jedinici (MS) u opsegu od 869 do 894 MHz, a drugi za prenos od MS ka BS-u u opsegu od 824 do 849 MHz.

Parametri AMPS-a

Struktura 1G sistema

Javnakomutacija

ćelija A

ćelija C

ćelija B

Karakteristike ostalih 1G sistema

Druga generacija (2G) celularnih sistema

1G celularne mreže, kakva je AMPS, postale su ubrzo veoma popularne što je dovelo do potrebe za realizovanjem sistema većeg kapaciteta.

2G sistemi su razvijeni sa ciljem da obezbede bolji kvalitet signala, veće brzine prenosa radi podrške digitalnih servisa, i veći kapacitet.

Ključne razlike izmedju 2G i 1G sistema su sledeće:

Kod 2G postoje kanali za digitalni prenos

Kod 2G postoji kodiranje korisničkih podataka

Kod 2G postoji sposobnost detekcije i korekcije grešaka

Pristup kanalu - kod 2G sistema postoji veći broj kanala po jednoj ćeliji, ali se svaki kanal dinamički dodeljuje većem broju korisnika koristeći TDMA i CDMA pristup

Karakteristike 2G celularnih telefonskih sistema

Primer Na nekom konkretnom slučaju definisati pojmove:

roaming

handover (handoff)

Pomeranje (lutanje) pretplatnika izmedju tačaka pristupa naziva se roaming.

Mobilna jedinica zaključuje da je tekuća veza u datoj tački pristupa, tj. na datoj lokaciji suviše loša i počinje sa analizom nalaženja druge tačke pristupa kako bi se povezao sa drugom baznom stanicom.

Termin handoff (handover) je sposobnost pretplatnika (misli se na mobilnu jedinicu) da održi vezu dok se pomera sa jednog mesta na drugo

Odgovor:

Preuzimanje

Opsluživanje ćelije BCelularna bazna stanica

A

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicaA

Opsluživanje ćelije A

pre handoff

nakon handoff

GSM

GSM (Global System for Mobile Communication) je evropski standard za digitalne celularne sisteme koji se koristi za nekoliko različitih frekventnih opsega i to:

Osnovne prednosti ove tehnologije su te što nudi:

internacionalni roaming

visok kvalitet u prenosu govornog signala

povećana sigurnost u prenosu informacije

sposobnost da se implementira veliki broj različitih servisa

900 MHz

1800 MHz

1900 MHz

Tri glavna segmenta GSM-a

GSM je organizovan u sledeća tri glavna segmenta:

MS (mobile station) - mobilna stanica ili mobilna jedinica

BSS (base station subsystem) - podsistem bazne stanice

NSS (network and switching subsystem) - mrežni i komutatorski podsistem

ME

SIM

BTS BSC

AUC EIR

MSC

VLR HLR

PSTN

Mobilna stanica(MS)

Podsistem baznestanice (BSS)

korisnik

Mrežni & komutacionipodsistem (NSS)

Drugi MSC-ovi

PDN

Drugačiji pogled na arhitekturu GSM-a

BSC

BSC

Mobilnastanica(MS)

Podsistem baznestanice (BSS)

Mrežni i komutacionipodsistem (NSS)

AuC

OMC

MSC

VLR

HLRBTS

BTS

BTS

MS

MS

MS

EIR

Interfejs kadrugim mrežama

PSTN i dr.Um

Abis

A

Radio interfejs

Mobilna stanica

Čine je sledeća dva gradivna bloka:

ME (Mobile Equipment)

SIM (Subscriber Identity Module)

ME mobilne stanice

ME predstavlja hardver koga korisnik kupuje od proizvodjača ili dilera.

Hardver ME-a čine komponente koje su neophodne za:

ME sadrži:

implementaciju protokola kojim se ostvaruje interfejs mobilne stanice sa korisnikom,

bežični interfejs sa BSS-om

zvučnik

mikrofon

tastaturu

radio modem

SIM mobilne stanice

SIM, pametna kartica koju kupuje pretplatnik, a koristi se radi identifikacije specifikacija korisnika koje se odnose na njegovu adresu i tip servisa koji se opslužuje (tj. tip servisa koje on može da koristi)

Pozivi kod GSM-a usmereni su ka SIM-u, a ne ka terminalu.

Kratke poruke se takodje mogu memorisati u SIM kartici.

SIM kartica sadrži lične podatke o svakom korisniku koje mu obezbedjuju da ostvari veći broj korisnih aplikacija.

Korisnici koji posećuju različite zemlje u kojima postoji GSM sistem, a ne žele da pozovu svoj kućni broj zbog visoke tarife, mogu da kupe SIM karticu zemlje koju posećuju. Na ovaj način izbegavaju visoke tarife koje treba platiti zbog roaming-a kao i visoke troškove biranja i uspostavljanja veze. Imajući u vidu da SIM kartice čuvaju privatnu informaciju o korisniku, imaju implementiran mehanizam sigurnosti kartice koji uključuje unošenje četvorocifarskog PIN (Personal Identification Number) broja čime je informacija na kartici poznata ili dostupna samo onom korisniku koji zna taj broj.

Podsistem bazne stanice - BSS BSS čine sledeće dve celine:

BTS (Base Transceiver Subsystem - bazični primopredajni podsistem)

BSC (Base Station Controller - kontroler bazne stanice)

BSC

BSC

Mobilnastanica(MS)

Podsistem baznestanice (BSS)

Mrežni i komutacionipodsistem (NSS)

AuC

OMC

MSC

VLR

HLRBTS

BTS

BTS

MS

MS

MS

EIR

Interfejs kadrugim mrežama

PSTN i dr.Um

Abis

A

Radio interfejs

Podsistem bazne stanice – prod.

Prvo: BSS komunicira sa korisnikom preko relativno nepouzdanog bežičnog medijuma. Ovaj medijum se karakteriše ograničenim propusnim opsegom Drugo: BSS treba da podrži potrebe korisnika za mobilnošću Treće: BSS treba da ostvari povezivanje sa ožičanom infrastrukturom preko daleko pouzdanijih žičanih protokola (veza sa javnom telefonskom mrežom-PSTN). Efikasan transfer informacija izmedju ova dva protokola (žičani i bežični) zadatak je BSS-a.

Kod ostvarivanja fizičke komunikacije preko etera, blok BTS je partner MS-u. BTS sadrži predajnik, prijemnik i signalnu opremu. Svi ovi gradivni blokovi fizički su locirani u centru ćelije gde se i nalazi antena BSS-a. Jedna BSS može da upravlja sa jednom ili većim brojem BTS-a. Drugi gradivni blok BSS-a je BSC. U suštini, BSC je mali komutator unutar BSS-a i zadužen je za frekventnim administriranjem kao i handover-om izmedju BTS-ova u okviru BSS-a. Hardver BSC-a u okviru jedinstvenog BTS-a lociran je na anteni, a kod multi-BTS sistema u komutatorskom centru sa ostalim hardverskim elementima NSS-a.

Mrežni i komutatorski podsistem - NSS NSS je zadužen za rad mreže.

On ostvaruje komunikaciju i sa drugim mrežama koje mogu biti tipa bežične i žičane.

Na PSTN (javne telefonske mreže) GSM se spreže preko ISDN protokola.

NSS je najsofisticiraniji gradivni blok GSM mreže i sadrži:

jedan hardverski gradivni blok nazvan MSC (mobile switching center)

četiri softverska elementa

VLR (visitor location register)

HLR (home location register)

EIR (equipment identification register)

AUC (authentication center)

Mrežni i komutatorski podsistem - NSS

HLRHLR je softver tipa baze podataka koji manipuliše ažuriranjem računa mobilnog pretplatnika. Ovaj softver čuva podatke o adresi pretplatnika, tipu usluge, tekućoj lokaciji, stanju na računu, i dr.

VLRVLR je softver tipa baze podataka koji čuva trag o lokaciji pretplatnika u okviru oblasti pokrivanja MSC-a, tj. njegovom kretanju.

AUCAUC čuva različite algoritme koji se koriste za identifikaciju i šifrovanje pretplatnika.

EIREIR je softver tipa baze podataka koji upravlja identifikacijom mobilne opreme sa aspekata kvarova i kradja mobilne jedinice

komunicira sa PSTN komutatorima koristeći signalni protokol SS-7.

MSC koji komunicira sa PSTN se naziva Gateway MSC (GMSC).

obezbedjuje mreži specifičnu informaciju koja se odnosi na status mobilnih terminala.

Hardverski elemenat MSC

Softverski elementi

Aspekti radio veze kod GSM-a

GSM signali od bazne stanice prema mobilnoj jedinici prenose se:

Korisnici pristupaju mreži koristeći kombinaciju FDMA i TDMA.

Na svakih 200 kHz postoje radiofrekventni nosioci, što znači da postoji ukupno 124 kanala tipa potpuni dupleks

u opsegu širine 25 MHz koji je lociran u band-u od 935 do 960 MHz

u opsegu od 25 MHz za potrebe prenosa signala od mobilne stanice do bazne stanice čiji je frekventni opseg lociran od 890 do 915 MHz.

FDMA/TDMA/FDD kanal

1 765432 8...

200 kHz

935 MHz

25 MHz

960 MHz

100 kHzzaštitni opseg

Nosioc 1

Nosioc 2

Nosioc 124

Vremenski slotovi dodeljenjikorisnicima po jednom nosiocu

Uplink kanali

Downlink kanali

TDM

Strukture viših GSM-okvira

1 2 843 5 6 7

rep Skorisnič

ki podaci

S

vremeGSM TDMA okvir

4.615 ms

546.5 s

s577

GSM time-slot (normal paket)

repkorisnič

ki podaci

zaštitniprostor

trainingzaštitniprostor

3 bita 3126 bitova

157

bitova57

bitova

890 - 915 MHz124 kanala (200 kHz)uplink

downlink

935 - 960 MHz124 kanala (200 kHz)

Kanali se modulišu sa bitskom brzinom od 270833 kbps.

TDMA formatGSM hierarchy of frames

0 1 2 2045 2046 2047...

hyperframe

0 1 2 48 49 50...

0 1 24 25...

superframe

0 1 24 25...

0 1 2 48 49 50...

0 1 6 7...

multiframe

frame

burst

slot

577 µs

4.615 ms

120 ms

235.4 ms

6.12 s

3 h 28 min 53.76 s

Kako celularni telefoni rade ?

Heksagonalna rešetka

Handoff efekat

Tehnologija za celularni pristup

Postoje tri standardne tehnologije koje se koriste kod standardnih celularnih mreža za prenos informacije.:

Frequency Division Multuple Access (FDMA)

Time Division Multiple Access (TDMA)

Code Division Multiple Access (CDMA)

FDMA

Svaki telefon koristi različite frekvencije za predaju i prijem

signala

TDMA

TDMA deli frekvenciju na

vremenske slotove

CDMA

Kod CDMA svaki telefonski podataka ima svoj jedinstveni

kôd