platforma gsm

Platformă de laborator

Analiza staţiilor mobile GSM cu ajutorul testerului

Rohde&Schwarz CTS30

Analiza staţiilor mobile GSM cu ajutorul tester-ului R&S CTS30

13 2

Analiza staţiilor mobile GSM cu ajutorul testerului

Rohde&Schwarz CTS30

Scopul lucrării

Studiul practic asupra telefoanelor GSM în vederea însuşirii noţiunilor de bază

în ceea ce priveşte comunicaţia între telefon şi reţeaua GSM şi depistarea unor

eventuale erori de funcţionare ale telefonului.

Breviar teoretic

Actualizarea localizării (LU-location update) este o procedură prin care

mobilul comunică cu reţeaua în urma căreia reţeaua ştie exact unde se află mobilul şi

cărui BTS(base transceiver station) îi este arondat. În acest proces se verifică şi IMEI-

ul telefonului, numărul IMSI şi autentificarea în reţea.

Numărul IMSI (international mobile subscriber identity) sau numărul

internaţional al abonatului este un număr compus din cel mult 15 cifre. Acest număr

este specific fiecărei reţele şi nu se modifică în timp.

Numărul IMEI (international mobile equipment identity) sau numărul

internaţional al echipamentului. IMEI-ul conţine un număr de serie şi un identificator

care nu poate fi şters decât dacă se distruge terminalul. Deoarece în reţeaua GSM

identitatea abonatului este diferită de identitatea terminalului, aceasta poate determina

apariţia unei pieţe de terminale furate. Accesul la reţea poate fi refuzat petru că

terminalul nu este omologat, pentru că perturbă reţeaua sau pentru că face obiectul

unui furt.

SIM-ul este un microcip plantat pe o bucată de plastic de aproape un

centimetru pătrat. SIM-ul este componenta cea mai interesantă pentru un utilizator de

GSM, deoarece permite separarea echipamentului telefonic GSM de baza de date a

reţelei. Cu alte cuvinte un abonat GSM nu se determină prin identitatea staţiei mobile


13 3

ci prin identitatea SIM-ului, care poate fi introdus în orice staţie mobilă compatibilă

cu sistemul. Accesul la datele de pe cartelă este protejat cu ajutorul unei parole

constituite din numărul de identitate personal (PIN – personal identity number), exact

ca în cazul cărţilor de credit.

Clasa de putere a telefonului defineşte maximul puterii semnalului transmis.

Toate telefoanele mobile aparţin unei clase de putere ce indică maximul de putere ce

poate fi transmisă. În tabelul 1 de mai jos se poate observa corespondenţa dintre clasa

de putere şi puterea maximă emisă de telefon.

Clasa GSM900 GSM1800/GSM1900 1 --- 30dBm 2 39dBm 24dBm 3 37dBm 36dBm/33dBm 4 33dBm --- 5 29dBm ---

Tabelul 1. Corespondenţa dintre clasa de putere şi puterea maximă de emisie

PCL – power control level sau valoarea puterii semnalului transmis de telefon.

Această putere este exprimată pe baza unui index sau pe valoare exactă exprimată în

dBm. În cazul laboratorului nostru, tester-ul prin setările de fabrică, lucrează cu PCL.

Există o corespondenţă exactă între valoarea PCL şi valoarea puterii transmise de

mobil şi este prezentată în tabelul 2.

GSM şi GSM 850 Nivel de putere

Putere nominală (dB)

Toleranţă (dB) Toleranţă (dB) În conformitate cu

recomandările GSM

19 5 ±5 ±5 18 7 ±5 ±5 17 9 ±5 ±5 16 13 ±5 ±5 15 15 ±4 ±3 14 17 ±4 ±3 13 20 ±4 ±3 12 22 ±4 ±3 11 26 ±4 ±3 10 29(max. pt. clasa 5) ±4 ±3 9 31 ±4 ±3 8 33(max. pt. clasa 4) ±4 ±3 7 35 ±4 ±3 6 37(max. pt. clasa 3) ±4 ±3


13 4

5 39(max. pt. clasa 2) ±3 ±2

PCN şi PCS Nivel de putere

Putere nominală (dB)

Toleranţă (dB) Toleranţă (dB) În conformitate cu

recomandările GSM 14 4(min. pt. clasa 2) ±5 ±4 13 6 ±5 ±4 12 8 ±5 ±4 11 10(min. pt. clasa 1) ±5 ±4 10 12 ±5 ±4 9 14 ±5 ±3 8 16 ±5 ±3 7 18 ±5 ±3 6 20 ±5 ±3 5 22 ±5 ±3 4 24(max. pt. clasa 2) ±5 ±2 3 26 ±5 ±2 2 28 ±5 ±2 1 30(max. pt clasa 1) ±5 ±2

Tabelul 2. Corespondenţa dintre nivelul de putere şi puterea transmisă de mobil

Administrarea canalelor fizice în GSM

Standardul GSM specifică banda de frecvenţă de la 890 la 915 MHz pentru

legătura directă (uplink) şi de la 935 la 960 pentru legătura inversă (downlink). Cele

doua subbenzi sunt divizate în canale de 200 KHz. În GSM, banda de frecvenţă de 25

MHz este divizată, folosind FDMA, în 124 de frecvenţe purtătoare, aflate la o distanţă

de 200 KHz una de alta. (În mod normal, o bandă de frecvenţă de 25 MHz poate

furniza 125 de frecvenţe purtătoare, dar primii şi ultimii 100 de KHz sunt folosiţi ca

bandă de gardă între GSM şi alte servicii ce lucrează la frecvenţe alăturate.) Fiecare

frecvenţă purtătoare este apoi divizată în timp, folosind TDMA. Astfel, canalul radio,

cu o laţime de 200 KHz, este împărţit în 8 intervale temporale. Un interval temporal

este unitatea de timp într-un sistem TDMA şi are o durată de aproximativ 0,577 ms.

Un cadru TDMA este format din 8 intervale temporale consecutive şi are o durată de

4,615 ms. Fiecărui utilizator i se aribuie unul dintre cele 8 intervale temporale, ce

formează un cadru TDMA. În acest test se va lucra cu numărul canalului. Acest lucru

înseamnă că dacă ne referim la canalul 50, în frecvenţă înseamnă pe up-link

890MHz+100KHz+50*200KHz=900,1MHz iar pe downlink 900,1 MHz +45 MHz

=945,1MHz.


13 5

Handover-ul este poate cea mai importantă procedură ce asigură mobilitatea

utilizatorului pe parcursul unei convorbiri. Scopul procedurii este să menţină legătura

între reţea şi staţia mobilă atunci când utilizatorul trece dintr-o celulă în alta. Fizic,

handoverul reprezintă schimbarea frecvenţei de emisie. Decizia este luată datorită

degradării calităţii comunicaţiei dintre staţia mobilă şi reţea. Prezenţa unei convorbiri

în desfăşurare atunci când se face transferul determină difcultatea procedurii.

Desfăşurarea lucrării

Montajul de măsură este alacătuit din tester-ul R&S CTS30, cutia ecranată,

cablul de legătură, monitor şi tastatură si este prezentat în figura 1 de mai jos.

Figura 1 Echipamentul de laborator

SIM-ul special R&S se va folosi doar dacă telefonul analizat nu este codat

pentru a funcţiona doar într-o anume reţea mobilă. În orice caz, orice telefon va

funcţiona cu SIM-ul propriu atâta timp cât este închis şi repornit în interiorul cutiei

ecranate. Dacă se introduce telefonul deja pornit cu un alt SIM decât cel R&S sau un

telefon codat cu SIM-ul R&S, anumite teste nu vor putea fi efectuate, pe ecran

apărând un mesaj “Synchronization lost”.

În acest laborator se va testa telefonul cu un test manual. Pentru aceasta se

apasă tasta F2 până când se selectează testul “Manual” în banda de 900MHz, după

care se apasă tasta F1 pentru a porni testul.


13 6

Dacă totul este în regulă testerul CTS va face o procedură de actualizare a

locaţiei în urma căreia se vor afişa pe ecran numărul IMSI, numărul IMEI, reţelele în

care poate funcţiona telefonul, clasa de putere şi puterea maximă de transmisie.

Fiecare staţie de bază acomodează staţiile mobile transmiţând informaţii de control pe

un canal prestabilit. CTS simulează reţeaua radio, adică staţia de bază, care transmite

canalul de control. În cazul în care CTS se află în zona unei celule trebuie verificat

dacă canalul de control nu se suprapune cu cel al reţelei, caz în care ar putea exista

interferenţe şi este posibil ca telefonul să încerce să se conecteze la reţeaua reală nu la

cea simulată de CTS. Oricum probabilitatea este destul de mică de a se întampla acest

lucru deoarece telefonul se află într-o cutie ecranată total. Iniţial canalul de control

este canalul 70.

Se iniţiază un apel către telefon apăsând pe tasta F1 şi se deschide cutia pentru

a răspunde la apel după care se închide. Pe monitor apare un meniu din care se pot citi

parametrii esenţiali ai mobilului.

În acest moment se poate deschide puţin cutia ecranată şi se pune telefonul în

poziţia în care se raportează o valoare maximă a semnalului. De regulă această poziţie

este în interiorul cercurilor concentrice.

Dacă o valoare apare cu roşu atunci înseamnă că este în afara limitelor de

toleranţă admise.

Se va face un tabel în care se va analiza variaţia puterii de transmisie

(Avg.Power) în funcţie de puterea emisă de CTS şi de canalul pe care are loc

comunicaţia, aşa cum este prezentat în tabelul 3.

BS Sign

CH

1 15 30 45 60 75 90 105 124

-50dBm -75dBm -100dBm

Tabelul 3

Testarea unui telefon GSM, sau a oricărui alt telefon mobil, poate fi divizată în

două părţi: măsurători făcute pe partea de recepţie şi măsurători făcute pe partea de

transmisie. Cea mai importantă parte a măsurătorii de recepţie este testarea

sensibilităţii în multiple condiţii de propagare şi testarea sensibilităţii la interferenţe.


13 7

Testul de transmisiune presupune măsurarea erorilor de modulaţie, puterea de

transmisie, acurateţea puterii de transmisie şi rampa de putere.

Măsurători de recepţie

Măsurarea erorii de bit (BER)

În acest proces CTS trimite către telefon pachete de biţi pe care telefonul le

demodulează, le modulează din nou şi le trimite înapoi către CTS pe interfaţa radio.

CTS compară biţii transmişi cu biţii receptionaţi şi calculează astfel erorile.

Măsurătoarea de BER are trei rezultate:

RBER(residual bit error) pentru biţi de clasa 2 (Class II )…………….toleranţa 2,6%

RBER(residual bit error) pentru biti de clasa 1b (Class Ib)…………...toleranţa 0,4%

FER(frame erasure rate)……………………………………………….toleranţa 0,0%

Primii 50 de biţi sunt consideraţi cei mai importanţi pentru calitatea vocii

transmise aşa că nu este admisă nici o eroare în aceşti biţi. FER (frame erasure rate)

reprezintă cadrele şterse pe parcursul transmisiei datorate erorilor survenite în cei 50

de biţi de clasă 1a. Un cadru este şters în totaliatate în condiţiile în care chiar şi un

singur bit din acest tip este eronat.

transmisepachetedetotalNumaruleronatepachetedeNumarulFER____

___=

Tipul de măsurare a erorii de bit pentru biţi de clasa 2 presupune transmiterea

de către CTS a unor cadre de voce de 78 de biţi pe cadru. În acest test se verifică biţi

recepţionaţi de telefon fără a fi corectaţi.

Tipul de măsurare a erorii de bit pentru biţii de clasă 1b presupune

transmiterea de către CTS a unor cadre de voce de 132 de biţi pe cadru. Această

măsurătoare are loc pentru biţii din acele cadre care nu au fost şterse de către telefon.

transmisibitidetotalNumarulIbsauIIclasadeeronatibitideNumarulIbsauIIclasaRBER

________________ =

Pentru măsurarea sensibilităţii se poate apăsa tasta F2. Testerul va începe să

scadă automat puterea de emisie şi la fiecare pas calculează erorile de bit. Când încep

să sară din limitele acceptabile se opreşte şi afişează sensibilitatea telefonului.

Decrementarea puterii de emisie a testerului se poate face şi manual şi se poate merge


13 8

mai mult până când erorile afişate au valori duble faţă de cele acceptate şi chiar până

acolo unde emisia va fi pierdută. Valorile se vor nota şi se va trage concluzia asupra

sensibilitatii telefonului, dacă este sau nu în limite normale.

-pentru reţeaua GSM 900 cu BTS normal…………………......…………-

104dBm

-pentru reţeaua GSM 900 cu micro-BTS…………………………………..-

97dBm

-pentru reţeaua GSM 1800 cu BTS normal………………..………..-100/-

102dBm

-pentru reţeaua GSM 1800 cu micro-BTS…………………………………-

97dBm

În figura 2 este afişat modul de lucru al testerului pentru calcularea BER.

Figura 2 Principiul măsurării BER şi a sensibilităţii

Măsurători de transmisie

Măsurarea rampei de putere

Pentru a vizualiza rampa de putere (power ramp) se alege din meniul cu apel

în desfăşurare “Ramp” şi se apasă pe butonul Start Measure. Pe ecranul monitorului

va apărea rampa de putere a semnalului transmis de mobil. Se vizualizează practic

variaţia semnalului transmis de telefon pe durata unui segment de timp cu durata de

577 μs. Pe ecran apare de asemenea şi masca de putere care exprimă valorile maxime

admise de rampă şi care nu trebuiesc depăşite. Apăsând tasta F4 (adică butonul View

Rising) se poate mări şi vizualiza rampa de putere pe părţi (partea de început, partea

utilă adică partea de mijloc şi partea de sfârşit).


13 9

Atunci când este afişată rampa de putere se afişează şi puterea medie a

semnalului transmis de telefon, nivelul de putere pe care este setat să transmită,

canalul de trafic pe care este conectat şi eroarea de timing(Tim Err). Eroarea de

timing este dată de diferenţa între momentul în care transmite CTS şi momentul în

care transmite mobilul. Se exprimă în biţi şi poate fi negativă sau pozitivă dacă

impulsul este transmis înainte respectiv după momentul exact. Conform normelor

eroarea maxima acceptabilă este de ±2 biţi. În test se poate observa cum influenţează

numărul canalului această eroare. Dacă nivelul semnalului impulsului depăşeşte

masca de toleranţă atunci este înroşit. O mască ideală este prezentată în figura 3 de

mai jos.

Figura 3 Rampa de putere

Măsurarea fazei şi a frecvenţei

Pentru această măsurătoare, din meniul cu apel în desfăşurare, se alege

opţiunea “PhaseFreq” şi se apasă pe butonul Start Measure. Pe ecran apare un meniu

cu un grafic ce conţine eroarea de fază a semnalului transmis de mobil ca o funcţie de

timp. Mai jos sunt afişate şi valori numerice în grade pentru aceasta atât în valoare

mediată cât şi în valoare de vârf, în căsuţele “Phase Rms” respectiv “Phase Peak”, şi

mai este afişată şi eroarea de frecvenţă în căsuţa “Freq Err” măsurată în Hz.


13 10

Se vor face două tabele cu acelasi cap de tabel cu cel al tabelului 3 în care se

vor analiza parametrii Freq Err şi Phase Rms.

După aceasta se va trasa şi un grafic în care vor apărea toţi cei 3 parametrii

Avg.Power, Freq Err şi Phase Rms.

Faza instantanee )(tϕ a purtătoarei este incrementată cu 2π atunci când se

transmite un “1” şi este decrementată cu 2π atunci când se transmite un “0” aşa cum

este prezentat în figura 4.

Figura 4 Variaţia fazei

Ecartul fazei în raport cu un semnal modulat perfect se poate scrie astfel:

)()( 0 ttt δϕδωϕ +=Δ

Figura 5 Schema de principiu pentru calcularea erorii de fază

Pentru a determina eroarea de fază/frecvenţă, CTS operează în felul următor:


13 11

- trimite către mobil o purtătoare modulată de o secvenţa binară cunoscută,

mobilul după ce o prelucrează în circuitele sale o trimite înapoi către CTS. Aici este

demodulată şi calculată curba de fază reala a purtătoarei transmisă de mobil.

- cunoscând secvenţa binară, CTS poate calcula curba de fază ideală φ(t).

- se face diferenţa între curba de fază ideală şi cea reală şi rezultă

)()( 0 ttt δϕδωϕ +=Δ .

Plecând de la acest ecart de fază )()( 0 ttt δϕδωϕ +=Δ , testerul extrage

informaţia necesară calculării erorii de fază şi frecvenţă. De remarcat că o eroare de

frecvenţă face ca faza să varieze într-o manieră liniară.

Mai jos este prezentată figura 6 pentru eroarea de fază afişată de tester pe

durata unui impuls.

Figura 6 Prezentarea grafică a erorii de fază şi frecvenţă

Panta curbei erorii de fază pe durata unui burst reprezintă eroarea de pulsaţie

0δω , iar eroarea de frecvenţă se calculează în felul următor:

tE frecventa Δ

Δ∗=

ϕπ21

Ecartul dintre evoluţia medie a fazei şi cea instantanee reprezintă eroarea de

fază şi are expresia următoare:

tEttE frecventafaza ∗∗−Δ= πϕ 2)()(


13 12

Această eroare de fază este o funcţie de timp şi de aceea poate fi exprimată în

valoare de vârf (Peak) sau în valoare medie, eficace (RMS).

Un exemplu de calcul pentru aceste erori este prezentat mai jos.

-Avem o pantă de 60° pe o durată de 577 μs, aceasta înseamnă 1815 rad/s,

eroarea de frecvenţă va fi 1815/2π = 289 Hz

-Pentru eroarea de fază putem aprecia cu ochiul diferenţa faţă de valoarea

medie şi este de aproximatv 8° în punctul indicat pe figură.

Aşa cum apare mai sus, in figura 6, normele GSM prevăd ca eroarea de fază

de vârf să nu depăşească 20° şi în valoare medie să nu depăşească 5°, iar pentru

eroarea de frecvenţă, valorile maxime acceptate sunt de ±90 Hz într-un sistem GSM

900 şi de ±180Hz pentru un sistem GSM 1800.

Se vor face două tabele identice cu tabelul 3 în care se vor analiza parametrii

Freq Err si Phase Rms.

Dupa aceasta se va trasa şi un grafic in care vor aparea toti cei 3 parametrii

Avg.Power, Freq Err si Phase Rms.

Testul de handover

Ultimul test ce se poate face din meniul cu apel în desfăşurare este testul de

handover. Acest handover corespunde unei schimbări de frecvenţă şi de segment

temporal alocat transmisiei pentru a îmbunătăţi calitatea semnalului. Atunci când are

loc un handover în afara benzii originale (să presupunem că mobilul se află în banda

de 900 MHz şi are loc handover-ul în banda de 1800 MHz) pot exista două cazuri:

- combinat (combined) şi acest lucru înseamnă că a fost transferat în banda de

1800 MHz doar canalul de voce iar canalul de control a rămas tot în banda de 900

MHz

- separat (separate) şi în acest caz înseamnă că a avut loc un schimb total de

frecvenţă, ceea ce înseamnă că au trecut în banda de 1800 MHz atât canalul de voce

cât şi cel de control.

Activităţi


13 13

1).Verificaţi dacă valorile măsurate pentru eroarea de frecvenţă, eroarea de

fază, rampa de putere şi eroarea de bit se încadrează în normele impuse de standardele

GSM şi în cazul în care nu sunt, specificaţi eventualele cauze.

2).Testaţi capacitatea de handover a telefonului către reţeaua GSM1800 sau

GSM1900 atât simplu cât şi combinat. Se va repeta testul în cazul în care tester-ul este

pus să emită cu putere mare (-55dBm) sau putere mică (-100dBm). Se verifică dacă

handoverul are loc convenabil (în timp util) şi dacă sunt diferenţe între parametrii de

emisie în aceste cazuri. (Pentru configurarea tipului de handover se apasă butonul

“Config” din meniul principal).

3). Trimiteţi un SMS către telefon şi iniţiaţi un apel de la mobil către tester

apelând un număr oarecare de pe telefon, de exemplu 1234567890.

Întrebări

1). Calculaţi panta maximă a curbei erorii de fază pentru sistemul GSM900 şi

GSM1800 având în vedere erorile maxime admisibile pentru fiecare sistem în parte.

2).Calculaţi erorile de bit pentru RBER II, RBER Ib, şi FER în condiţiile în

care prin decodorul de voce au trecut 1000 de cadre şi au fost găsiţi 800 de biţi eronaţi

de clasă Ia în 35 de pachete, 4000 de biţi eronaţi de clasa II şi 3000 de biţi eronaţi de

clasa Ib.

3).Pornind de la figura 3 calculaţi care este durata a 26 de cadre, câte

impulsuri sunt, câţi biţi sunt în total şi câţi sunt informaţie utilă (o astfel de construcţie

se numeşte multicadru).

4). Calculaţi frecvenţa centrală a canalelor de comunicaţie 10, 85 şi 120 pentru

un sistem GSM900.

platforma gsm

Documents