Comunicații mobile

2. Sistemul GSM: servicii, arhitectură, descriere

funcţională

Comunicații mobile

2.1 Introducere

❑ mai târziu standardizarea a fost încredinţată unui grup de lucru

SMG (Special Mobile Group) ce funcţiona sub cadrul

ETSI (European Telecommunications Standards Institute)

❑în 1991 denumirea se schimbă în Global System for Mobile

Communications ce include şi variantele DCS1800 şi PCS1900

❑evoluţia GSM către UMTS este standardizată de către un organism

denumit 3GPP ( 3rd Generation Partnership Project)

❑ viziunea iniţială a fost elaborată de un grup de lucru

GSM (Groupe Spéciale Mobile) înfiinţat la conferinţa

Conférence Européenne des Administrations des Poste et des

Télécommunications (CEPT) -1982

-benzi de frecvenţă iniţiale 890-915 MHz (uplink) şi 935-960 MHz

(downlink)

Comunicații mobile

❑Standardul este descris în peste 6000 pagini, sub formă de specificaţii

tehnice (recomandări)

Ex: GSM 05.03 –

codarea canalului,

GSM 11.10 – teste

ce trebuie

efectuate înainte

ca o staţie mobilă

să fie

comercializată

http://www.3gpp.org

Comunicații mobile

2.2 Categorii de servicii

-standardul a fost dezvoltat în 3 faze: Faza 1 (până în 1991),

Faza 2 (1991-1995), Faza 2+ (specificaţiile au fost elaborate anual

Release 96, Release 97, Release 98)

-teleservicii: - servicii complete ce nu necesită un alt echipament adiţional

telefonului mobil

-servicii de transport/suport (bearer services): servicii de transport a

informaţiei digitale între puncte de acces (interfeţe) standardizate

-conexiunile externe sunt posibile din/în următoarele rețele

- PSTN – Public Switched Telephone Network

- ISDN – Integrated Services Digital Network

- CSPDN – Circuit Switched Public Data Network – rețele de date

compatibile cu standardul ITU-T X.21

- PSPDN – Packet Switched Public Data Network – rețele de date

compatibile cu standardul ITU-T X.25

- Internet (doar via PSTN sau ISDN)

Comunicații mobile

Comunicații mobile

-pentru utilizarea unui serviciu de transport un utilizator poate

utiliza un echipament adiţional (ex. un laptop prevăzut cu o interfaţă

serială)- un operator GSM

poate opta pentru

implementarea tuturor

serviciilor de

transport sau doar a

câtorva

– serviciul duplex

asincron 9.6 kbiţi/s

este cel mai popular

-servicii suplimentare: CLIP/CLIR, CF etc; servicii ce oferă funcții adiționale,

implementate și tarifate opțional de către operatori

Exemple de servicii suplimentare GSM:

- dezvoltările aduse rețelei - CAMEL- SOR etc. sunt aduse de

asemenea folosind aceeași modalitate de standardizare în etape

Comunicații mobile

Comunicații mobile

- GSM este un sistem celular

- serviciile oferite sunt de tip CSD : un apel de date sau de voce utilizează

resurse dedicate

- orice staţie mobilă implicată într-o convorbire telefonică sau o sesiune

de transmitere de date este considerată de reţea ca fiind activă (dedicated

mode)

- o staţie mobilă ce nu are un canal fizic alocat este considerată de reţea

ca fiind inactivă (idle mode)

- o staţie mobilă oprită este considerată ca fiind detaşată (detached )

- o staţie mobilă pornită este considerată ca fiind ataşată (attached )

❑ Suport pentru mobilitatea terminalului

- mecanisme de transfer al legăturii (handover)

- proceduri de localizare

GSM utilizează un mecanism de handover de tip hard (“break- before-

make” - staţia mobilă este în stare activă

2.3 Suport pentru mobilitate în GSM

Comunicații mobile

- decizia de handover e luată întotdeauna de către reţea (MAHO- Mobile

Assisted HandOver) şi se bazează pe măsurători ale calităţii transmisiei şi

ale nivelului semnalului recepţionat, măsurători efectuate de staţia

mobilă precum şi de staţiile de bază

- într-o procedură de handover staţia mobilă îşi opreşte emisia pe

frecvenţa iniţială şi începe să emită din nou după ce reţeaua alocă un alt

canal radio pe o altă frecvenţă purtătoare

Procedurile de localizare sunt utilizate pentru asigurarea conectivităţii

pentru convorbiri sau sesiuni de date ulterioare (staţia mobilă este în stare

inactivă)

- în stare inactivă staţia mobilă efectuează în permanenţă măsurători

ale nivelului semnalului recepţionat şi se sincronizează cu celula cel

mai bine recepţionată

Comunicații mobile

Conceptual există trei tipuri distincte de proceduri de localizare în

sistemele celulare:

a) staţia mobilă indică reţelei orice schimbare de celulă; poziţia

acesteia este cunoscută de reţea la nivel de celulă

b) staţia mobilă comunică orice schimbare de grup de celule; poziţia

acesteia este cunoscută de reţea la nivel de grup de celule

c) staţia mobilă nu îşi comunică poziţia curentă

- sistemul GSM implementează al doilea tip de proceduri: poziţia staţiei

mobile e cunoscută la nivel de grup de celule – arie de localizare

(location area)

Arie de localizare = un grup de celule în care se va difuza un mesaj de

paging pentru a semnaliza un apel către abonat

Comunicații mobile

Mobilitatea serviciilor = un serviciu (voce, date, multimedia) la care un

utilizator s-a abonat va fi accesibil chiar dacă utilizatorul îşi schimbă

terminalul mobil sau reţeaua mobilă)

- schimbarea terminalului mobil – în GSM identitatea echipamentului

este separată de cea a utilizatorului

- identitatea utilizatorului e legată de cartela SIM (Subscriber Identity

Module) iar serviciile la care acesta s-a abonat nu sunt legate în nici un

fel de echipamentul folosit

- schimbarea reţelei mobile – în terminologie GSM – roaming

❑ Suport pentru mobilitatea serviciilor

- utilizatorul poate utiliza cartela SIM într-o reţea GSM sau non GSM

(dacă aceasta implementează o reţea de acces compatibilă) naţională, sau

internaţională

Comunicații mobile

Funcţiile legate de mobilitate sunt denumite în GSM:

- funcţii de gestiune a resurselor radio (radio resource management

functions) : handover, paging, alocare canale radio.

- funcţii de gestiune a mobilităţii (mobility management functions) –

includ pe lângă procedurile de localizare şi proceduri de

autentificare şi de setare a modului de criptat

Comunicații mobile

2.4 Caracteristici tehnice ale sistemului GSM

Banda de frecvenţe [MHz] GSM: 890-915 (uplink), 935-960 (downlink)

DCS1800: 1710-1785 (uplink),

1805-1880 (downlink)

EGSM : 880-915 (uplink), 925-960 (downlink)

Număr de frecvenţe duplex /separarea

purtătoarelor

124/200KHz

(DCS 1800 – 374/200KHz)

Tehnica de acces multiplu FDMA/TDMA (8 intervale de timp definite pe fiecare purtătoare)

Distanţă duplex 45 MHz/ (DCS 1800-95 MHz)

Debit rezultat în urma digitizării vocii 13kbps(rată întreagă)/6.5kbps (rată 1/2)

Debit rezultat în urma codării canalului 22.8 kbps (rată întreagă) /11.4kbps (half rate)

Debit maxim utilizator 9.6kbiţi/s (14.4 kbiţi/s)

Codarea vocii (full rate) Linear predictive coding /Long term

prediction/Regular Pulse Excitation –

LPC/LTP/RPE

Raza minimă/maximă a unei celule 100 m/35km (până 70 km –celule extinse)

Modulaţie Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK

Comunicații mobile

MSCBTS

BTS

BSC MSC

BSC

VLR HLR AUC

EIR

GMSC

BSS

NSS

OMC

OMS

Interfata

Um

Interfata

Abis

Interfata A

X25

PSTN

ISDN

PSPDN

CSPDN

PLMN

IWF

MS

date/voce

semnalizări

MS

2.5 Arhitectura unei rețele GSM

Comunicații mobile

❑ Subsisteme

BSS – Base Stations Subsystem – subsistemul staţiilor de bază

NSS – Network and Switching Subsystem – subsistemul reţea şi comutaţie

- fiecare subsistem este compus din unul sau mai multe echipamenteconectate prin interfeţe standardizate

BSS – staţii de bază - BTS(Base Transceiver Station)

- controler al staţiei de bază - BSC (Base Station Controller)

- transcodor TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit)

NSS – comutator servicii mobile MSC (Mobile Services Switching Centre)

- MSC de tip gateway GMSC (Gateway Mobile Services

Switching Centre)

- registrul cu localizările abonaţilor proprii HLR (Home Location Register)

- registrul cu localizările vizitatorilor VLR (Visitor Location Register)

- centrul de autentificare AuC- Authentication Centre

- registrul cu identitatea echipamentelor EIR – Equipment Identity Register

OMS – Operation and Maintenance Subsystem – sistemul de operare

şi întreţinere

Comunicații mobile

OMS – centrul de operare şi întreţinere

OMC (Operation and Maintenance Centre)

2.5.1 Staţia mobilă (MS)

❑ MT (Mobile Termination) = terminal mobil – echipamentul ce include

toate funcţiile necesare pentru conectarea pe interfaţa radio

❑ TE (Terminal equipment) = echipament terminal – echipamentul în contact

direct cu utilizatorul (laptop / PDA/fax); funcţionalitatea TE poate fi sau nu

înclusă în terminalul mobil

MT0

MT1

MT1

MT2

TE1

TATE2

TE2

4 fire ISDN

Interfață S

Interfață seriala V24/RS

232/emulată

❑ TA (Terminal adaptor)-adaptor de terminal

- MT0 include atât funcţii TE cât şi MT

-MT1 permite conectarea terminalelor

compatibile ISDN sau a terminalelor

non ISDN (calculator + modem)

(TE1/TE2)

-MT2 permite conectarea doar a

terminalelor non-ISDN

Comunicații mobile

❑ o staţie mobilă GSM nu poate opera în absenţa unei cartele SIM

(Subscriber Identity Module); microcontroller + memorie EEPROM/RAM

- o cartelă SIM conţine date statice sau dinamice :• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) – identitatea

abonatului în interiorul reţelei

• chei secrete de autentificare (Ki)/ criptare(Kc)

• coduri PIN/PUK

• identitatea temporară a utilizatorului TMSI (Temporary Mobile

Subscriber Identity)

• informaţii legate de grupul de celule în care se află utilizatorul (LAI)

• lista reţelelor interzise/ lista purtătoarelor radio ale operatorului

(ARFCn)

• numărul de telefon MSISDN (Mobile Station International ISDN

number (opţional)

• memorie la dispoziţia utilizatorului pentru stocare de informaţii

diverse (agendă, SMS-uri primite sau trimise etc)

- implementează algoritmi de criptare (A8) şi de autentificare(A3)

Comunicații mobile

▪ Funcţii principale

-emisie şi recepţie pe canalul radio alocat

- măsurători ale calitătii transmisiei/puterii semnalului recepţionat

- transmiterea măsurătorilor către BSC via BTS

- funcţii de aliniere temporală (timing advance) pentru compensarea

Întîrzierilor datorate mobilităţii

- procesări de semnale –codarea vocii, codarea canalului, modulaţie,

criptare , formare salve, egalizare, compresie de date

2.5.2 Subsistemul staţiilor de bază

▪ un BSS – mai multe BTS , un singur BSC, un echipament de tip TRAU

▪ este responsabil pentru toate funcţiile legate de accesul radio

- gestionează comunicarea radio cu staţia mobilă)

(procesări de semnale, alocarea/eliberarea resurselor radio)

- gestionează procedurile de handover (posibil asistat de MSC)

- implementează funcţii de transcodare a vocii, funcţii de adaptare a

debitului binar pentru transmisii de date

Comunicații mobile

▪ asigură transferul transparent de mesage între MS şi MSC

Staţia de bază - Base Transceiver Station

▪asigură acoperirea radio a unei celule utilizând o o pereche sau mai

multe perechi de frecvenţe purtătoare (tipic 12 într-o celulă)▪ implementează toate prelucrările de semnal pe care le efectuează

o staţie mobilă (mai puţin codarea/decodarea vocii)▪ implementează funcţii de multiplexare/demultiplexare pentru

transmisiuni pe interfaţa Abis▪ întocmeşte şi trimite către BSC rapoarte cu măsurători ale

calităţii şi puterii semnalului recepţionat de la staţii mobile active (uplink)

❑ O staţie de bază este compusă din:

- mai multe emiţătoare/receptoare ce operează fiecare pe o pereche de

frecvenţe purtătoare (TRE –transceiver equipment – echipament hardware,

TRX- TRE configurat logic: canal, putere de emisie etc.)

- o antenă sau mai multe antene omnidirecţionale sau direcţionale

duplexoare(pentru combinarea căilor de emisie şi recepţie în aceeaşi antenă)

şi combinere (combinarea mai multor căi de emisie în aceeaşi antenă)

Comunicații mobile

❑Configurație tipică cu 4 TRX

combiner/duplexor

TRX1 TRX2 TRX3 TRX4

BTSBTS

❑ unitatea de operare şi întreţinere

- este controlată distant de către BSC sau local prin conexiuni

USB/seriale

- gestionează semnalul de tact

- semnalul de tact poate fi trimis de către BSC

- o unitate de operare și întreținere

Comunicații mobile

❑ topologii de interconectare cu BSC

BSCBTS

BTS

BTS

BSCBTS

BTS

BTS

BSCBTS

BTS

BTS

stea

buclă (inel)

serială