comunicații mobile
TRANSCRIPT
Comunicații mobile
Prof.dr. ing. Romulus Terebeş
Comunicații mobile
Pagină de web: http://ares.utcluj.ro/cm/cm.html
Obiective
❑ Dezvoltarea de competenţe profesionale în domeniul comunicaţiilor
mobile în sisteme de generație 2G, 3G și 4G
❑ Asimilarea cunoștințelor teoretice privind funcţionarea sistemelor de
comunicaţii mobile
❑ Dezvoltarea deprinderilor şi abilităţilor necesare pentru proiectarea și
implementarea de aplicații și servicii cu acces mobil
Examinare
- examen – probă scrisă (test grilă cu răspunsuri multiple) (3h) pondere 75%
- laborator – teste la finalul fiecărei ședințe de laborator, pondere 25% din nota
finală
Comunicații mobile
Bibliografie
1. R. Terebes- Mobile Communication Systems, Part one: GSM networks, Ed.
UTPRES, 2006
2. Specificații tehnice GSM/GPRS/UMTS/LTE http://www.3gpp.org
3. Zăhan, S. - Digital telephony in telecommunication networks: access,
transport and management, (in Romanian: Telefonie digitală. Acces,
transport, gestiune), Editura Albastră, 2000.
4. Ralf Kreher, Torsten Ruedebusch, “UMTS Signaling: UMTS Interfaces,
Protocols, Message Flows and Procedures Analyzed and Explained”
[Hardcover], Wiley; 2 edition (March 19, 2007)
5. C. Kappler – “UMTS networks and beyond”, John Wiley and sons, 2009
6. S.Zahan –Comunicatii mobile. Evolutia spre 3G, Editura Albastră, 2001
7. J. Korhonen – Introduction to 3G Comunicații mobile, Artech House Mobile
Communication series, 2003
Comunicații mobile
1.Introducere. Clasificare. Evoluţia comunicaţiilor
mobile. Standarde pentru comunicaţii mobile
Comunicații mobile
1.1 Introducere
Mobilitatea în sisteme de telecomunicații:
❑ mobilitatea serviciilor
❑ mobilitatea terminalului
❑ mobilitate în rețea
❑ mobilitatea sesiunii
❑ mobilitate personală
❑ Mobilitatea serviciilor: un serviciu (voce, date, multimedia) la care un
utilizator s-a abonat ramâne accesibil chiar dacă utilizatorul îşi schimbă
terminalul mobil sau reţeaua, folosind aceeaşi sau o altă tehnologie
- în sisteme celulare (GSM, GPRS, UMTS) mobilitatea serviciilor este
implementată prin utilizarea de cartele SIM, mecanisme de roaming şi
CAMEL (Customized Application for Mobile Network Enhanced Logic)
Comunicații mobile
❑ Mobilitatea terminalului: capacitatea unui sistem de comunicații de a
asigura continuitatea comunicațiilor în curs / conectivitate pentru
comunicații ulterioare, chiar dacă terminalul mobil îşi schimbă poziţia
în cadrul unei aceleiaşi reţele sau se deplasează în aria de acoperire a
altei reţele realizată în aceeaşi tehnologie
-“mobilitate convenţională”
- introdusă de sistemele celulare (GSM, GPRS, UMTS) şi implementată
mecanisme de handover, de actualizare a localizării , de paging şi de rutare
- presupune utilizarea unui aceluiaşi terminal
❑ Mobilitate personală: posibilitatea accesării aceloraşi servicii
independent de tipul terminalului utilizatorului şi de locaţia geografică a
acestuia
- presupune utilizarea unor mai multor terminale şi alocarea unei adrese logice
unice pentru fiecare utilizator precum şi a mai unor adrese distincte pentru
fiecare terminal (în reţele IP) sau utilizarea de cartele SIM (în reţele celulare)
1.2 Clasificarea sistemelor de comunicații mobile
a) Funcţie de modul de stabilire a conexiunilor pe durata mişcării
utilizatorilor:
Comunicații mobile
❑ Mobilitate în reţea: concept legat de capacitatea terminalelor mobile de
a forma reţele reţea ad-hoc fără fir mobile (MANET)
❑ Mobilitatea sesiunii : asigurarea continuităţii unei sesiuni de date chiar
şi la schimbarea terminalului
- presupune transferul automat al unei sesiuni în curs pe un alt terminal prin
mecanisme de handover pe verticală sau semnalizări SIP
❑ Comunicaţii quasi-mobile – conexiunile nu sunt păstrate pe durata
deplasării utilizatorilor ci se stabilesc doar în momentul în care aceştia au
ajuns la destinaţia finală
❑ Comunicaţii mobile – conexiunile sunt păstrate pe întreaga durată a mişcării
❑ Comunicaţii pervazive – infrastructura de comunicaţii se stabileşte în mod
dinamic în timpul mişcării
Comunicații mobile
b) Funcţie de tehnica de acces multiplu utilizată :
❑ Sisteme SDMA (Space Division Multiple Access)
- mai mulţi utilizatori pot utiliza aceeaşi purtătoare cu condiţia ca locaţiile lor
spaţiale să fie distincte
Exemple: sisteme celulare – staţiile de bază ce asigură acoperirea radio
a unei celule pot utiliza acelaşi set de frecvenţe purtătoare (dacă distanţa
dintre ele este suficient de mare)
- utilizarea de antene inteligente pentru separarea comunicaţiilor provenind
de la mai mulţi utilizatori în aceeaşi celulă
❑ Sisteme FDMA (Frequency Division Multiple Access)- spectrul radio este divizat în multiple frecvenţe purtătoare independente iar
fiecare frecvenţă este alocată unei comunicaţii în curs
- numărul de utilizatori este direct proporţional cu numărul de frecvenţe
disponibile
Comunicații mobile
❑ Sisteme TDMA (Time Division Multiple Access)
- organizarea unei structuri temporale pe fiecare purtătoare, fiecare interval de
timp elementar (sau grup de intervale temporale) fiind alocat unui singur
utilizator (sau unui grup de utilizatori prin multiplexare în timp)
- principalul avantaj: sporirea capacităţii
❑ Sisteme CDMA (Code Division Multiple Access)
- fiecare purtătoare poate fi utilizată de mai mulţi utilizatori cu condiţia ca
aceştia să aibă alocate coduri ortogonale independente (chipping sequence)
- tehnica cea mai utilizată DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – bazată
pe operaţii de tip SAU-EXCLUSIV pentru împrăştierea unui semnal original
într-o bandă mai largă de frecvenţe
- principalul avantaj:capacitate sporită, planificarea spectrului radio
simplificată, robustețe sporită prin mecanisme de soft handover
- dezavantaj: interferenţe datorate transmisiilor ce au loc pe canalele
temporale vecine; impune utilizarea unor timpi de gardă în care puterea de
emisie trebuie să scadă faţă de puterea nominală
Comunicații mobile
- în cazul mai multor utilizatori condiţia de orgonalitate a secvenţelor de
împrăştiere asigură neperturbarea reciprocă a comunicaţiilor simultane pe
aceeşi frecvenţă purtătoare
Exemplu: 2 utilizatori ce au alocate două coduri ortogonale:
(1,1) şi (1,-1)
d2(t)
c2(t)
s2(t)
s1(t)
s (t)
d1(t)= (1,1,1) s1(t)= (1,1) (1,1) (1,1)
d2(t)= (-1,1,-1) s2(t)= (-1,1) (1,-1) (-1,1)
Deîmprăştiere utiliz. 1: d1(t)= [(0,2) (2,0) (0,2)]·(1,1)= 2 , 2 , 2
Comparare cu un nivel de prag (0) -> 1,1,1
d2(t)= [(0,2) (2,0) (0,2)]·(1,-1)= -2 , 2 ,- 2
Comparare cu un nivel de prag (0) -> -1,1,-1
c1(t)
Secvenţe transmise
s (t)= (0,2) (2,0) (0,2)
Deîmprăştiere utiliz. 2:
d1(t)
Comunicații mobile
Comunicații mobile
❑ Sisteme OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)- principiul OFDM : un flux incident de debit mare se transmite în paralel
pe multiple fluxuri de debit mic
- principiul OFDMA : utilizatorii diferiți folosesc un set de subpurtătoare
diferite
S1
S2
…
SM
f
S1
S2
…
SN
f
Date
Debit ridicat
f1 fNf1 fN+1
f1
S1 SN
f1
S1 SNS2
Subpurtătoare
Comunicații mobile
c) Funcţie de structura legăturii
❑ sisteme unidirecţionale – principii similare cu cele ale difuziunii;
Exemplu: reţele de paging
❑ sisteme bidirecţionale – emisie şi recepţie în ambele direcţii, alternativ
sau simultan
- duplex – transmisii în ambele sensuri simultan (full duplex) sau
alternativ (semi duplex)
- tehnici de separare a sensurilor de convorbire: Frequency Division
Duplex (FDD), Time Division Duplex (TDD)
- simplex – utilizarea unei singure frecvenţe pentru ambele sensuri
FDD :
f1 f2
Distanţă duplex
TDD :
Comunicații mobile
d) Funcţie de poziţia sistemului de comunicaţii faţă de alte sisteme
❑ Sisteme private– permit stabilirea de legături doar în cadrul aceluiaşi
sistem de comunicaţii
❑ Sisteme deschise (publice) : utilizatorii pot comunica atât în reteaua
proprie cât şi cu alţi utilizatori deserviţi de alte sisteme de comunicaţii
(Ex: PLMN – Public Land Mobile Network, PSTN- Public Switched
Telephone Network)
e) Funcţie de modul de acoperire radio
❑ Sisteme necelulare
- acoperirea radio a unei regiuni geografice este realizată utilizând principii
similare cu cele utilizate în radiodifuziune sau televiziune; presupun
utilizarea unor perechi de emiţătoare/receptoare de mare putere ce asigură
acoperirea radio pentru o regiune geografică
- comunicaţiile sunt posibile doar în interiorul regiunii respective
Comunicații mobile
❑ Sisteme celulare
– acoperirea radio se realizează utilizând mai multe perechi de
emiţătoare/receptoare de mică putere. Regiunea acoperită de o pereche
se numeşte celulă
- transfer automat al legăturii (handover)
- localizare (location management)
- apelare staţiilor mobile (paging)
▪ Mecanisme de transfer automat a legăturii (handover)
- sunt implementate pentru asigurarea continuităţii comunicaţiilor active la trecerea
dintr-o celulă în alta
- în sisteme FDMA/TDMA - reprezintă transferuri automate ale convorbirilor în
curs de pe o frecvenţă purtătoare pe o altă frecvenţă dintr-o altă celulă (posibil
din aceeaşi celulă), efectuate într-un mod imperceptibil pentru utilizator
- în sisteme CDMA – toate celulele utilizează aceeaşi frecvenţă purtătoare
iar transferul legăturii se face prin schimbarea codului alocat
- implementează proceduri specifice de:
Comunicații mobile
▪ Proceduri de localizare
- consecinţă directă a mobilităţii: care este poziţia actuală (la nivel de celulă
sau grup de celule) a utilizatorului? (răspunsul este esenţial pentru a
asigura conectivitatea pentru comunicaţii ulterioare)
- soluţia : terminalul mobil îşi comunică poziţia ori de câte ori schimbă celula
sau grupul de celule; poziţia acestuia este memorată de către reţeaua de
comunicaţii în baze de date dedicate
Sisteme celulare –utilizează
mecanisme de handover pentru
asigurarea continuităţii
convorbirilor
Sisteme necelulare –
continuitatea convorbirilor în
curs nu este asigurată
Comunicații mobile
• Proceduri de apelare a staţiilor mobile (paging) – poziţia staţiei mobile
este cunoscută de obicei doar la nivel de grup de celule iar în cazul unui
apel identitatea utilizatorului apelat trebuie transmisă în fiecare celulă
aparţinând acestui grup
e) Funcţie de tipul informaţiilor vehiculate:
❑ Reţele de telefonie celulară
❑ Reţele de telefonie fără fir (cordless)
1.2.1 Acoperire celulară
- acoperirea radio este realizată folosind equipamente de putere relativ
mică, operând pe o frecvențe sau un set limitat de frecvențe – stații de
bază (BS); zona geografică acoperită radio de un astfel de emitător
poartă denumire de celulă
- utilizatorii folosesc stații mobil (MS) pentru a transmisie sau recepție
1.2 Mediul de propagare mobil
- stațiile mobile comunică doar prin intermediul stațiilor de bază
Avantaje : capacitate sporită, număr mai mare de utilizatori ce
pot folosind concomitent sistemul datorită posibilității de reutilizare a
frecvențelor; putere de emisie mai mică(MS) cu impact direct asupra
autonomiei bateriei
Probleme principale:
- propagare multicale care dă naștere la fenomene de fading
- efecte Doppler care conduc la deviații de frecvență
- interfențe cu celule ce operează pe același set de frecvențe purtătoare
(interferență co-canal)
- interferențe în canale adiacente
- sistemele celulare necesită o infrastructură complexă pentru a asigura
conectivitatea între celule
Reutilizarea frecvențelor
- aceeași/aceleași frecvență(e) pot fi utilizat(e) în zone geografice diferite
- tehnica presupune utilizarea unei părți din spectul disponibil într-o celulă;
celulele învecinate utilizează (tipic) un alt set de frecvențe purtătoare
Comunicații mobile
Comunicații mobile
-
2
3
1
1
2
3
4
5
6
7
Cluster format din 3 celule
Cluster format din 7 celule
Mărimea unui cluster influențează distanța de reutilizare a frecvențelor D
ce corespunde distanței minime la un același set de frecvențe poate fi
reutilizat
-acoperirea radio se realizează folosind structuri repetitive formate
din mai multe celule (clustere) - într-un cluster pot fi utilizate toate frecvențele
alocate unui operator - în fiecare celulă se utilizează un set distinct de frecvențe
purtătoare (maxim 15, tipic 12) Exemple
R – raza unei
celule
N – mărimea unui
cluster
- ambii parametri N și R sunt importanți la planificarea acoperirii radio
- nivelul de interferență maxim acceptat este specificat (SIR – 7-12 dB),
influențând mărimea unui cluster
- în proiectarea unui sistem celular un compromis adresând SIR și
capacitatea sistemului este adesea utilizat
Comunicații mobile
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
D
D-distanța de reutilizare
a frecvențelor
Q – factorul de reutilizare
a frecvențelor
SIR – raport semnal
zgomot –inteferență
k – nr. surse de
inferferențe
- considerațiile anterioare sunt valabile și pentru dimensionarea
parametrului R; valori mici conduc la o capacitate mare și viceversa pentru
valori mari
- în celule congestionate operatorii apelează uzual la tehnici de divizare a
celulelor (cell splitting), cu acoperire radio asigurată de alte stații de
bază cuplate la aceleași antene
120
celule mici pentru zone cu
densitate de populație
mare
Comunicații mobile
- N de valori mari/mici -> capacitate redusă/sporită în fiecare celulă
celule mari pentru zone cu
densitate de populație
mică
Celulă cu 3 sectoare
Numărul de surse de
interferență scade de la 6
(antene omnidirecționale) la 2-
> distanța de reutilizare a
frecvențelor poate scădea
Comunicații mobile
- sistemele 3G și 4G asigură acoperirea radio în mod diferit față de GSM
- UMTS (WCDMA – Wideband CDMA) – utilizează același set de
frecvențe purtătoare în fiecare celulă
Comunicații mobile
120
f1
f1
f1
f1
f1
f1
f1
- banda de frecvențe alocată unui operator
este disponibilă în fiecare celulă (față de
doar o fracțiune în sisteme 2G)
- sistemele CDMA utilizează tehnici
dedicate pentru a minimiza interferențele
(coduri ortogonale, controlul puterii etc)
- o astfel de acoperire radio permite implementarea de mecanisme de
soft-handover și macro-diversitate
Comunicații mobile
- rețelele LTE asigură acoperirea radio folosind conceptul Soft
Frequency Reuse (SFR)
- conform SFR aria de acoperire a fiecărei celule este divizată în două
regiuni: o zonă centrală de folosește întreg spectrul alocat și o zonă
exterioră ce folosește doar o parte din spectru (puterea de emisie
este mărită)
2
3
4
5
6
1
7
Power cell 7
FrequencyPower cell 1,3,5
Frequency
Frequency
Power cell 2,4,6
Structura canonică a unei rețele celulare include și un echipament cu rol de
comutație MTSO (Mobile Telephone Switching Office)
Funcții MTSO permite interconectarea unei rețele mobile celulare cu alte
rețele fixe sau moblle. gestionează locația stațiilor mobile, connects a
cellular network to other fixed or mobile networks, implementează
mecanisme de paging
- funcțiile sunt distribuite pe mai multe echipamente în rețelele derivate
din GSM.
- interferența din canalele adiacente poate fi diminuată dacă celulele
învecinate nu folosesc aceleași frecvențe purtătoare (doar în FDMA)
- acest tip de interferența este contracarat în sisteme CDMA prin
mecanisme de control al puterii
Comunicații mobile
Comunicații mobile
Tehnologie 1G 2G 2.5G 3G 4G
1950- 1990 1990 -? 2000-`? 2001-? prezent
Servicii Voce
(analogic)
Date
Voce
(digital)
Date,
Mesage
scrise
Voce
Date
(comutaţie de
pachete)
Date, voce
(debite mai mari)
multimedia
Capacitate
mai mare,
transfer IP,
multimedia
Principalele
standarde
AMPS TACS,
NMT
D-AMPS,
IS-95, GSM,
PDC
HSCSD
GPRS
EDGE
UMTS,
CDMA2000
(cdma450)
UWC-136
LTE-A
Debit maxim 1.9 kbiţi/s 9.6 kbiţi/s
(14.4
kbiţi/s)
57.6 kbiţi/s
până la 171.2
kbiţi/s
384 kbiţi/s
144 kbiţi/s
2Mbiţi/s
3 Gbiţi/s (DL)
1 Gbit/s (UL)
Tehnica de
acces multiplu
FDMA FDMA,
CDMA
TDMA
FDMA/TDMA,
TDMA
CDMA
CDMA OFDMA
Reţea nucleu Comutaţie
de circuite
Comutaţie
de circuite
Comutaţie de
circuite (voce)
Comutaţie de
pachete (date)
Comutaţie de
circuite (voce)
Comutaţie de
pachete – IP
(date)
IP
1.3.1 Reţele celulare. Evoluţia 1G,2G, 2.5G...3G...4G
1.3 Sisteme de comunicaţii mobile
Comunicații mobile
Implementări curente LTE-A
(Sursa: 3GPP TS 23.002 Network Architecture)
Bibliografie suplimentară [1] – pp. 18-28