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