Download pdf - sisteme si retele de comunicatii mobile

5. Sisteme de comunicaţii mobile

5.1 Introducere 5.2 Sistemul GSM5.3 Sistemul DECT5.4 Sistemul UMTS


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)



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



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%



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



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



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



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


5.1 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




Global Local



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



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



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)



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.



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



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



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



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



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




Global Local



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



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)



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 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)




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



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




Global Local



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)



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



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



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)



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



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



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



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



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



5.2.1 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



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:



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



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



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



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



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



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.



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)



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



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



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)



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)



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



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



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




Global Local



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



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



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



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



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)



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




Global Local



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



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



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



Apel iniţiat de mobil (MOC)

VLR

MSC

BSS

GMSC

MS

PSTN

6

7

5

8

3 4

1

10

2 9



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



Schimb de mesaje MOC

MOBILE


CM SERVICE REQUEST



SET UPCALL PROCEEDING


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


CM SERVICE REQUEST



SET UPCALL PROCEEDING


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




Global Local



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



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)



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)



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



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




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




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




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




Global Local



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



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



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



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)



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



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



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




Global Local



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



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



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



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:



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



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



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



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



Arhitectura GPRS (2)

MS PDN

SGSN

SGSN

MSC HLR/GR

GGSNBSS

EIRVLR

Gn

UmGb Gn Gi



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)



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



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



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



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)



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



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



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



Global



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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.



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



5.4.1 Istoria UMTS5.4.2 Arhitectura UMTS5.4.3 Interfaţa radio a UMTS5.4.4 UTRAN5.4.5 Reţeaua centrală5.4.6 Handover

Global




Global Local



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



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)



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



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)



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)



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



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



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)



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)



Familia IMT-2000 (1)



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)



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



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



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



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




Global Local



Arhitectura sistemului UMTS (1)

Arhitecura de referinţă UMTS foarte simplificată, care se aplică laambele soluţii UTRA

Similaritatea cu GSM

GSM UMTSUm Uu

A Iu



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)



Domeniile UMTS (1)

UMTS poate fi divizat şi mai mult în aşa-numitele domenii



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)



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)




Global Local



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



Împrăştierea şi separarea datelor

Împrăştierea şi separarea diferiţilor emiţători în UMTS



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



Exemplu de arbore de codare OVSF (1)



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)



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



Structura cadrelor UTRA-FDD

Un cadru radio cuprinde 15 intervale temporale (time slots):



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:



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



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



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



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



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)



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




Global Local



Structura UTRAN

UE

Nod B

Nod B

Nod B

Nod B

RNC

RNC

CN

Iub

IubIur

Iu

RNS

RNS

Nod B



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



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



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



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.




Global Local



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)



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



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



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



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



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



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



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




Global Local



Handover

Handover: transferarea unei legături între două celule sau antene vecine

UMTS operează cu două clase de bază de handover:• Handover hard• Handover soft



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)



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)



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



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



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



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



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