28
Prenos podataka – Celularne bežične mreže 268 12. Celularne bežične mreže Celularni radio je tehnika razvijena sa ciljem da se poveća kapacitet mobilnog radio telefonskog servisa. Suština celularne mreže se sastoji u korišćenju većeg broja predajnika male-snage, reda 100W ili manje. S obzirom da je opseg pokrivanja ovih predajnika mali oblast (teritorija) se može podeliti na ćelije, pri čemu se svaki deo teritorije pokriva od strane jedne antene, tj. predajnika. Svakoj ćeliji se dodeljuje odgovarajući frekventni opseg. Sa aspekta servisa jedna ćelija se opslužuje od strane jedne bazne stanice. Baznu stanicu čini po jedan predajnik, prijemnik i upravljačka jedinica. Sa ciljem da se izbegnu interferencije i preslušavanja svakoj ćeliji se dodeljuje različita frekvencija. Ćelije koje se nalaze na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge mogu da koriste isti frekventni opseg. Prva odluka i zadatak projektanta kod projektovanja celularne mreže se odnosi na oblikovanje forme ćelija koje pokrivaju odredjenu teritoriju. Matrične kvadratne ćelije, Slika 1 a), imaju verovatno najjednostavniji oblik. Ipak ova geometrija nije idealna. Ako je širina ćelije d, tada ćelija ima 4 suseda na rastojanju d, a 4 na rastojanju d 2 . Kada se mobilni korisnik kreće prema granicama ćelije najbolje je da sve susedne antene budu na ekvidistantnim rastojanjima. Sa ovakvim pristupom olakšava se tehnika komutacije korisnika na susednu antenu, kao i izbor antene. Heksagonalni oblik obezbedjuje ekvidistantne antene. Kao što se vidi sa slike 12.1 b) za radijus heksagona, R, rastojanje izmedju centra ćelije i centra susedne ćelije iznosi R 3 d = . d d R a) kvadratni oblik b) heksagonalni oblik Slika 12.1 Celularna geometrija 12.1. Višestruko korišćenje frekvencija Kod celularnog sistema svaka ćelija ima svoj bazni primopredajnik. Predajna snaga predajnika pažljivo se kontroliše sa ciljem da za datu frekvenciju zračenja obezbedi pouzdanu komunikaciju, ali uz istovremeno ograničenje snage zračenja predajnika na toj frekvenciji kako ne bi došlo do smetnje u prijemu usled zračenja predajnika u susednim ćelijama. Cilj je da se u nekoj od susednih ćelija koristi ista frekvencija čime se obezbedjuje uslov da se na toj frekvenciji istovremeno obavlja veći broj razgovora. U praksi, u zavisnosti od očekivanog saobraćaja svakoj ćeliji se dodeljuju od 10 do 50 frekvencija. To znači da su različiti oblici višestrukog korišćenja frekvencija, u suštini, mogući. Na Slici 12.2 prikazani su neki

12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

268

12. Celularne bežične mreže

Celularni radio je tehnika razvijena sa ciljem da se poveća kapacitet mobilnog radio telefonskog servisa. Suština celularne mreže se sastoji u korišćenju većeg broja predajnika male-snage, reda 100W ili manje. S obzirom da je opseg pokrivanja ovih predajnika mali oblast (teritorija) se može podeliti na ćelije, pri čemu se svaki deo teritorije pokriva od strane jedne antene, tj. predajnika. Svakoj ćeliji se dodeljuje odgovarajući frekventni opseg. Sa aspekta servisa jedna ćelija se opslužuje od strane jedne bazne stanice. Baznu stanicu čini po jedan predajnik, prijemnik i upravljačka jedinica. Sa ciljem da se izbegnu interferencije i preslušavanja svakoj ćeliji se dodeljuje različita frekvencija. Ćelije koje se nalaze na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge mogu da koriste isti frekventni opseg.

Prva odluka i zadatak projektanta kod projektovanja celularne mreže se odnosi na oblikovanje forme ćelija koje pokrivaju odredjenu teritoriju. Matrične kvadratne ćelije, Slika 1 a), imaju verovatno najjednostavniji oblik. Ipak ova geometrija nije idealna. Ako je širina ćelije d, tada ćelija ima 4 suseda na rastojanju d, a 4 na rastojanju d2 . Kada se mobilni korisnik kreće prema granicama ćelije najbolje je da sve susedne antene budu na ekvidistantnim rastojanjima. Sa ovakvim pristupom olakšava se tehnika komutacije korisnika na susednu antenu, kao i izbor antene. Heksagonalni oblik obezbedjuje ekvidistantne antene. Kao što se vidi sa slike 12.1 b) za radijus heksagona, R, rastojanje izmedju centra ćelije i centra susedne ćelije iznosi R3d = .

d d

R

a) kvadratni oblik b) heksagonalni oblik

Slika 12.1 Celularna geometrija

12.1. Višestruko korišćenje frekvencija

Kod celularnog sistema svaka ćelija ima svoj bazni primopredajnik. Predajna snaga predajnika pažljivo se kontroliše sa ciljem da za datu frekvenciju zračenja obezbedi pouzdanu komunikaciju, ali uz istovremeno ograničenje snage zračenja predajnika na toj frekvenciji kako ne bi došlo do smetnje u prijemu usled zračenja predajnika u susednim ćelijama. Cilj je da se u nekoj od susednih ćelija koristi ista frekvencija čime se obezbedjuje uslov da se na toj frekvenciji istovremeno obavlja veći broj razgovora. U praksi, u zavisnosti od očekivanog saobraćaja svakoj ćeliji se dodeljuju od 10 do 50 frekvencija. To znači da su različiti oblici višestrukog korišćenja frekvencija, u suštini, mogući. Na Slici 12.2 prikazani su neki

Page 2: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

269

od njih. U principu, ako oblik čine N ćelija, a svakoj ćeliji se dodeli isti broj frekvencija, tada će svaka ćelija imati k/N frekvencija, gde je k ukupan broj frekvencija koje se dodeljuju sistemu. Parametri na osnovu kojih se odredjuje višestruko korišćenje frekvencija su:

• D - minimalno rastojanje izmedju centara ćelija koje koriste isti frekventni opseg (nazivaju se kokanali)

• R - radijus ćelije • d - rastojanje izmedju centara susednih ćelija ( R⋅= 3d ) • N - broj ćelija u obliku koji se ponavlja (svaka ćelija u obliku ima jedinstven frekventni opseg)

koga nazivamo faktor višestrukog korišćenja (reuse factor)

1

234

42

312

41

3

23

14

42

31

12

34

32

14

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

237

1

546

a) šema ponovnog korišćenja frekvencije b) šema ponovnog korišćenja frekvencije za N = 4 za N = 7

Page 3: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

270

c) crne ćelije označavaju ponovno korišćenje frekvencije za N = 19

Slika 12.2 Oblici višestrukog korišćenja frkvencija

Kod heksagonalnog oblika ćelije moguće su sledeće vrednosti za N

( ) ,...3,2,1,0I,J,JIJIN 22 =∗++=

Prema tome, moguće vrednosti za N su 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ... . Pri ovome važi sledeća relacija

N3RD

⋅=

koja se može izraziti kao

NdD

=

Page 4: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

271

12.2. Povećanje kapaciteta

Vremenom, sve veći broj pretplatnika koristi sistem. Pri ovakvom trendu porasta saobraćaj može jednog trenutka da postane tako gust da se dodje u situaciju kada ne postoji dovoljan broj frekvencija koje se mogu dodeliti ćelijama. Da bi se uspešno izašlo na kraj sa ovakvom situacijom na raspolaganju su sledeći pristupi (rešenja):

a) Dodavanje novih kanala - obično kada se za dati region uvodi sistem ne iskorišćavaju se svi kanali. Prema tome, sa porastom i proširenjem sistema uvode se oni kanali koji prvobitno nisu bili iskorišćeni.

b) Pozajmljivanje frekvencija - moguće je pozajmiti frekvencije od susednih ćelija sa kojima može doći do sudara (congested cells). Pozajmljivanje je obično dinamičko.

c) Deoba ćelije - distribucija saobraćaja i topografske osobine ćelije u najvećem broju slučajeva nisu uniformne, što nalaže potrebu za povećanjem kapaciteta. Rešenje je da se ćelije kod kojih postoji jako izrazit saobraćaj podele (vidi Sliku 12.3). Obično obim ćelije je od 6.5 do 13 km, dok su male ćelije obima 1.5 km. Korišćenje manjih ćelija nalaže smanjenje snage zračenja. Kako se mobilni korisnici premeštaju sa jednog mesta na drugo, oni prelaze iz jedne ćelije u drugu, a to zahteva prenos poziva (signala) sa jedne bazne stanice na drugu. Ovaj proces se naziva handoff, a češći je kako su ćelije manje.

Slika 12.3 Deoba ćelija

d) Sektorisane ćelije - ćeliju delimo na veći broj sektora, pri čemu svakom sektoru se dodeljuje

odgovarajući skup kanala. Standardno se koriste 3 do 6 sektora po ćeliji. e) Mikroćelije - sa smanjenjem obima ćelija antene se premeštaju sa vrha brda ili visokih zgrada na

manje zgrade pa se na taj način formiraju mikroćelije. Smanjenjem obima ćelije smanjuje se i nivo snage zračenja predajnika. Mikroćelije su korisne za pokrivanje ulica u velikim gradovima, duž autoputeva, ili unutar velikih javnih zgrada. Na Slici 12.4 prikazani sui tipični parametri na osnovu kojih ćelije delimo na makro i mikro.

makroćelija mikroćelija

poluprečnik ćelije 1 – 20 km 0.1 – 1 km predajna snaga 1 – 10 W 0.1 – 1W

prosečno rasejavanje kašnjenja 0.1 – 10 µs 10 – 100 ns maksimalna bitska brzina 0.3 Mbps 1 Mbps

Slika 12.4 Tipični parametri za makro i mikro ćelije

Page 5: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

272

12.3. Princip rada celularnih sistema

Na Slici 12.5 prikazani su glavni gradivni blokovi celularnih sistema. Otprilike na sredini svake ćelije locirana je bazna stanica (BS). Strukturu BS-a čine antena, kontroler, i veći broj primopredajnika koji komuniciraju preko kanala dodeljenih toj ćeliji. Kontroler se koristi za upravljanje procesom poziva izmedju mobilne jedinice i ostatka mreže. U datom trenutku, veći broj mobilnih korisnika može biti aktivan i da se kreće u okviru ćelije komunicirajući, pri tome, sa BS-om. Svaka BS povezana je sa mobilnim telekomunikacionim komutatorskim centrom (MTSO - Mobile Telecommunications Switching Office). Jedan MTSO opslužuje veći broj BS-ova. Obično veza izmedju BS-ova i MTSO-a je žičana, ali je moguća i bežična. MTSO ima zadatak da ostvari povezivanje izmedju mobilnih jedinica. MTSO je, takodje, povezan na javnu telefonsku, ili telekomunikacionu mrežu i ostvaruje vezu izmedju pretplatnika fiksne i mobilne telefonije. Svakom pozivu MTSO dodeljuje govorni kanal, obavlja handoff, i nadgleda pozive radi potrebe tarifiranja.

Veza izmedju mobilne jedinice i BS-a se uspostavlja po sledeća dva tipa kanala:

a) Kontrolni kanali- koriste se za razmenu informacija koja se odnosi na uspostavljanje i održavanje veze kao i odredjivanje odnosa izmedju mobilne jedinice i najbliže BS.

b) Kanal za saobraćaj - koristi se za prenos govora i podataka izmedju korisnika.

Prostorijaza

komutacijuu

mobilnojtelefoniji

Bazna primo-predajna stanica

Bazna primo-predajna stanica

Bazna primo-predajna stanica

Javna telefonskakomutaciona

mreža

Slika 12.5 Blok šema celularnog sistema

Na Slici 12.6 prikazani su tipični koraci izmedju dva mobilna korisnika kontrolisani od strane MTSO-a. 1. Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica uključi ona analizira i bira najjači

upravljački kanal za potrebe uspostavljanja veze (setup channel), vidi Sliku 12.6a. ćelije na različitim frekventnim opsezima repetitivno emituju svima (broadcast) informaciju o različitim kanalima preko kojih se može uspostaviti veza. Prijemnik bira najjači "setup" kanal i nadgleda taj kanal. Efekat ove procedure je taj da mobilna jedinica automatski bira BS antenu one ćelije preko koje će ona raditi. Nakon ovoga sledi handshake procedura izmedju mobilne jedinice i MTSO-a, koja se ostvaruje preko BS u ćeliji. Handshake procedurom se identifikuje korisnik i registruje njegova lokacija. Sve dok je mobilna jedinica uključena procedura analize periodično se ponavlja. Ako mobilna jedinica predje u novu ćeliju ona selektuje novu BS.

2. Poziv iniciran od strane mobilne jedinice- mobilna jedinica inicira poziv slanjem broja jedinice koju poziva preko unapred selektovanog setup kanala (Slika 12.6b). Prijemnik u mobilnoj jedinici prvo proverava da li je setup kanal u idle stanju ispitivanjem informacije u forward kanalu (kanal

Page 6: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

273

od BS ka mobilnoj jedinici). Kada detektuje idle stanje mobilna jedinica može da predaje preko odgovarajućeg reverse kanala (kanal od mobilne jedinice ka BS). BS nakon ovoga šalje zahtev ka MTSO-u.

3. Paging - MTSO nakon prethodnih aktivnosti pokušava da ostvari vezu ka pozvanoj jedinici. MTSO predaje paging poruku ka odredjenim BS-ovima u zavisnosti od pozvanog mobilnog broja (Slika 12.6c). Svaka BS predaje paging signal po sopstvenom setup kanalu.

4. Prihvaćen poziv - pozvana mobilna jedinica prepoznaje svoj broj nadgledanjem setup kanala i odaziva se toj BS-i, koja zatim predaje odziv ka MTSO-u. MTSO zatim uspostavlja vezu izmedju pozvane i pozivne BS. Istovremeno, MTSO bira raspoloživi kanal za prenos govora u okviru svake BS ćelije i obaveštava svaku BS koja nakon toga obaveštava mobilnu jedinicu (slika 12.6d). Obe mobilne jedinice se zatim podešavaju na odgovarajuće dodeljene kanale.

5. Ongoing call - dok postoji veza mobilne jedinice razmenjuju govorne signale ili podatke preko odgovarajućih BS-ova i MTSO-a (vidi sliku 12.6e).

6. Handoff (preuzimanje) - kada mobilna jedinica u toku održavanja veze predje iz jedne ćelije u drugu kanalni saobraćaj mora da se promeni tako da se sada realizuje preko druge BS koja pripada novoj ćeliji (Slika 12.6f). Sistem izvodi ove promene bez prekidanja poziva ili promene korisnika.

MTSO

MTSO

a) monitorisanje za najjači signal b) zahtev za povezivanje

MTSO

MTSO

c) paging d) poziv je prihvaćen

Page 7: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

274

MTSO

MTSO

e) poziv u toku f) handoff

Slika 12.6 Primer realizacije poziva

Druge funkcije koje se obavljaju od strane sistema su:

7. Call blocking - ako su u toku poziva svi kanali predvidjeni za saobraćaj prema najbližoj BS zauzeti

mobilna jedinica pokušava da uspostavi ponovo vezu, i nakon odredjenog broja neuspešnih poziva vraća se ton o zauzetosti veze.

8. Call termination - kada jedan od korisnika prekine vezu MTSO se obaveštava o tome i oba kanala kod BS-ova se oslobadjaju.

9. Call drop - u toku razgovora zbog interferencije ili slabog signala može doći do prekida veze. Ako BS ne može da održi minimalni nivo signala za odredjeni vremenski period kanal prema korisniku se prekida i o tome obaveštava MTSO.

10. Calls to/from fixed and remote mobile subscriber - MTSO obezbedjuje vezu prema telefonskoj mreži sa javnom komutacijom. To znači da MTSO može da uspostavi vezu izmedju pretplatnika povezanih na fiksnoj i mobilnoj mreži.

Page 8: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

275

Primer Kao što smo naglasili kod heksagonalnog oblika ćelije moguće su sledeće vrednosti za N

( ) ,...3,2,1,0I,J,JIJIN 22 =∗++=

za I = 2 i J = 1 dobijamo N = 4+1+2 = 7 Cluster obima N = 7 se može kreirati kako je to prikazano na Slici 12.7.

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

B

GC

A

E

FD

Slika 12.7 Celularna heksagonalna arhitektura čiji je cluster obima N=7

Page 9: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

276

Primer Na Slici 12.8 prikazane su dve osnovne akcije u toku handoff-a.

- U toku prvog koraka, handoff proces upravljanja odredjuje da je handoff postupak potreban (donosi se handoff odluka i vrši iniciranje procedure za handoff). - U toku drugog koraka ostatak mreže postaje svestan handoff-a pa se vrši restruktuiranje veze što rezultira novoj lokaciji mobilne jedinice.

(1)

(2)

Star

o

Novotačka

utočišta

Slika 12.8 Dve osnovne akcije u toku handoff-a

Page 10: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

277

12.4. Prva generacija (1G) celularnih mreža

Prve celularne telefonske mreže bazirane su bile na analognom prenosu signala. Jedan od najpoznatijih sistema iz ove generacije je AMPS (Advanced Mobile Phone Service) razvijen od strane kompanije AT&T. Ovaj sistem danas se standardno još koristi u Severnoj Americi. Kao što je prikazano na Slici 12.9 dva opsega širine od po 25 MHz se koriste kod AMPS-a, jedan za prenos od BS-a ka mobilnoj jedinici (MS) u opsegu od 869 do 894 MHz, a drugi za prenos od MS ka BS-u u opsegu od 824 do 849 MHz.

prenosni opseg bazne stanice 869 – 894 MHz prenosni opseg mobilne jedinice 824 – 849 MHz razmak izmedju predajnog i prijemnog kanala

45 MHz

opseg kanala 30 kHz broj govornih kanala u potpunom dupleksu 790 broj upravljačkuh kanala u potpunom dupleksu

42

maksimalna snaga mobilne jedinice 3 W obim ćelije, radijus 2 – 20 km modulacija, govornog kanala FM. 12-kHz vršna devijacija modulacija, upravljačkog kanala FSM. 8-kHz vršna devijacija brzina prenosa podataka 10 kbps kodiranje radi provere grešaka BCH (48, 36,5) i (40, 28,5)

Slika 12.9 Parametri AMPS-a

Na Slici 12.10 prikazana je struktura 1G sistema. Karakteristike ostalih tipova 1G celularnih

mreža prikazane su na Slici 12.11.

Javnakomutacija

ćelija A

ćelija C

ćelija B

Slika 12.10 Globalna struktura 1G sistema

Page 11: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

278

AMPS NAMPS TACS NMT450 NMT900 C450

bazna Tx MHz

869-894

869-894

935-960

463-468

935-960

461-466

bazna RX MHz

824-849

824-849

890-915

453-458

890-915

451-456

metod višestrukog

pristupa

FDMA

FDMA

FDMA

FDMA

FDMA

FDMA

modulacija

FM

FM

FM

FM

FM

FM

dodeljeni prostor radio-kanalu

30 kHz

10 kHz

25 kHz

25 kHz

12.5 kHz

20 kHz(b)

10 kHz(m)

broj kanala

832

2496

1000

200

1999

222(b)

444(m)

CODEC

NA

NA

NA

NA

NA

NA

dodela spektra

50 MHz

50 MHz

50 MHz

50 MHz

50 MHz

50 MHz

Slika 12.11 Tehnološka platforma 1G sistema

12.5. Druga generacija (2G) celularnih sistema

1G celularne mreže, kakva je AMPS, postale su ubrzo veoma popularne što je dovelo do potrebe za realizovanjem sistema većeg kapaciteta. 2G sistemi su razvijeni sa ciljem da obezbede bolji kvalitet signala, veće brzine prenosa radi podrške digitalnih servisa, i veći kapacitet.

Ključne razlike izmedju 2G i 1G sistema su sledeće:

a) Kod 2G postoje kanali za digitalni prenos b) Kod 2G postoji kodiranje korisničkih podataka c) Kod 2G postoji sposobnost detekcije i korekcije grešaka d) Pristup kanalu - kod 2G sistema postoji veći broj kanala po jednoj ćeliji, ali se svaki kanal dinamički dodeljuje većem broju korisnika koristeći TDMA i CDMA pristup.

Osnovne karakteristike različitih 2G celularnih sistema prikazane su na Slici 12.12.

Page 12: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

279

GSM IS-136 IS-95

godina uvodjenja 1990 1991 1993

metod pristupa TDMA TDMA CDMA

propusni opseg bazne stanice 935-960 MHz 869-894 MHz 869-894 MHz

propusni opseg mobilne stanice 890-915 MHz 824-849 MHz 824-849 MHz

razmak izmedju predajnog i prijemnog

kanala 45 MHz 45 MHz 45 MHz

propusni opseg kanala 200 kHz 30 kHz 1250 kHz

broj dupleks kanala 125 832 20

maksimalna snaga mobilne jedinice 20 W 3 W 0.2 W

korisnici po kanalu 8 3 35

modulacija GMSK π/4 DQPSK QPSK

bitska brzina nosioca 270.8 kbps 48.6 kbps 9.6 kbps

govorni koder RPE-LTP VSELP QCELP

bitska brzina kodiranja govora 13 kbps 8 kbps 8, 4, 2, 1 kbps

obim okvira 4.6 ms 40 ms 20 ms

kodiranje radi provere od grešaka

1/2 od konvolucione brzine

1/2 od konvolucione brzine

1/2 brzine konvolucione brzine u

predaji, a 1/3 od brzine u

prijemu

Slika 12.12 Karakteristike 2G celularnih telefonskih sistema

Page 13: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

280

Primer

i). Na Slici 12.13 u koordinatnom sistemu frekvencija-vreme-amplituda grafički su prikazane razlike izmedju tehnika: a) FDMA/FDD; b) FDMA/TDD; c) TDMA/FDD sa većim brojem nosioca; i d) TDMA/TDD sa većim brojem nosioca.

frekvencija

ampl

ituda

vrem

e

uplink downlink

1f 4f3f2f ∗1f

∗2f

∗3f

∗4f

(a)

frekvencija

ampl

ituda

1f 4f3f2f

1t 2t 3t 4t

1t 2t 3t 4t

korisnik1

korisnik4

korisnik3

korisnik2

downlink

uplink

(b)

frekvencija

ampl

ituda

downlinkuplink

1t

4t

3t

2t

1t

1f 2f

2t

3t

4t

1t

4t

3t

2t

1t

2t

3t

4t

∗1f

∗2f

vrem

e

(c)

Page 14: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

281

frekvencija

ampl

ituda

1f 2f

4t

3t

2t

1t

4t

3t

2t

1t

uplink

downlinkvrem

e

(d)

Slika 12.13 a) FDMA/FDD; b) FDMA/TDD; c) TDMA/FDD sa većim brojem nosioca; i d) TDMA/TDD sa većim brojem nosioca

Napomena: FDD - frequency division duplexing; TDD - time division duplexing

ii). Na Slici 12.14 u koordinatnom sistemu frekvencija-vreme-kôd grafički su prikazane razlike izmedju tehnika CDMA/FDD i CDMA/TDD.

Korisnik 1

Korisnik 7Korisnik 6Korisnik 5Korisnik 4Korisnik 3Korisnik 2

Uplink

Downlink

CDMA/FDD CDMA/TDD

dok

Uplink Downlink

vreme

afrekvencij Slika 12.14 a) CDMA/FDD; b) CDMA/TDD

Page 15: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

282

Primer Na nekom konkretnom slučaju definisati pojmove

a) roaming b) handover (handoff)

Odgovor:

Obično kod bežičnih mreža u okviru zgrade neophodno je da postoji veći broj tačaka pristupa koje pokrivaju sve sobe. U zavisnosti od čvrstoće materijala od koga su napravljeni zidovi jedna tačka pristupa, ako želimo da prijem bude kvalitetan, pokriva oblast od 10 do 20 m. Ako korisnik sada šeta (kreće se po zgradi) sa mobilnom jedinicom, da bi se ostvario dobar prijem, neophodno je da se i bazna stanica (BS) pomera od jedne tačke pristupa ka drugoj sve sa ciljem da se obezbedi opsluživanje (prijem i predaja) bez prekida veze. Pomeranje (lutanje) pretplatnika izmedju tačaka pristupa naziva se roaming. Mobilna jedinica zaključuje da je tekuća veza u datoj tački pristupa (na datoj lokaciji) suviše loša i počinje sa analizom nalaženja druge tačke pristupa (da se poveže sa drugom baznom stanicom).

Termin handoff (handover) je sposobnost pretplatnika (misli se na mobilnu jedinicu) da održi vezu dok se pomera sa jednog mesta na drugo (vidi Sliku 12.15).

Opsluživanje ćelije BCelularna bazna stanica

A

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicaA

Opsluživanje ćelije A

Slika 12.15 a) pre handoff -a b) nakon handoff -a

Page 16: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

283

12.6. GSM

GSM (Global System for Mobile Communication) je evropski standard za digitalne celularne sisteme koji se koristi za nekoliko različitih frekventnih opsega i to: 900 MHz, 1800 MHz, i 1900 MHz. Osnovne prednosti ove tehnologije su te što nudi internacionalni roaming, visok kvalitet u prenosu govornog signala, povećana sigurnost u prenosu informacije, i sposobnost da se implementira veliki broj različitih servisa.

Kao što je prikazano na Slici 12.16 GSM je organizovan u tri glavna segmenta. To su segmenti:

a) MS (mobile station), tj. mobilna stanica ili mobilna jedinica b) BSS - podsistem bazne stanice (base station subsystem) c) NSS - mrežni i komutatorski podsistem (network and switching subsystem) Na Slici 12.17. prikazano je više detalja koji se odnose na fizičku predstavu arhitekturnih elemenata

GSM-a i odnos izmedju ovih elemenata.

ME

SIM

BTS BSC

AUC EIR

MSC

VLR HLR

PSTN

Mobilna stanica(MS)

Podsistem baznestanice (BSS)

korisnik

Mrežni & komutacionipodsistem (NSS)

Drugi MSC-ovi

PDN

Slika 12.16 Referentna arhitektura GSM-a

Page 17: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

284

BSC

BSC

Mobilnastanica(MS)

Podsistem baznestanice (BSS)

Mrežni i komutacionipodsistem (NSS)

AuC

OMC

MSC

VLR

HLRBTS

BTS

BTS

MS

MS

MS

EIR

Interfejs kadrugim mrežama

PSTN i dr.Um

Abis

A

Radio interfejs

Slika 12.17 Drugačiji pogled na referentnu arhitekturu GSM-a

A. Mobilna stanica Čine je elementi ME (Mobile Equipment) i SIM (Subscriber Identity Module). ME predstavlja hardver koga korisnik kupuje od proizvodjača ili dilera. Hardver sadrži sve

komponente koje su potrebne za implementaciju protokola kojim se ostvaruje interfejs mobilne stanice (jedinice) sa korisnikom, i bežični interfejs sa BSS-om. ME sadrži zvučnik, mikrofon, tastaturu i radio modem.

Drugi elemenat MS-a je SIM, pametna kartica koju kupuje pretplatnik, a koristi se radi identifikacije specifikacija korisnika koje se odnose na njegovu adresu i tip servisa koji se opslužuje (tj. tip servisa koje on može da koristi). Pozivi kod GSM-a usmereni su ka SIM-u, a ne ka terminalu. Kratke poruke se takodje mogu memorisati u SIM kartici. SIM kartica sadrži lične podatke o svakom korisniku koje mu obezbedjuju da ostvari veći broj korisnih aplikacija.

Korisnici koji posećuju različite zemlje u kojima postoji GSM sistem, a ne žele da pozovu svoj kućni broj zbog visoke tarife, mogu da kupe SIM karticu zemlje koju posećuju. Na ovaj način izbegavaju visoke tarife koje treba platiti zbog roaming-a kao i visoke troškove biranja i uspostavljanja veze.

Imajući u vidu da SIM kartice čuvaju privatnu informaciju o korisniku, imaju implementiran mehanizam sigurnosti kartice koji uključuje unošenje četvorocifarskog PIN (Personal Identification Number) broja čime je informacija na kartici poznata ili dostupna samo onom korisniku koji zna taj broj.

B. Podsistem bazne stanice Kao što se vidi sa Slike 12.17 BSS čine sledeće dve celine: a) BTS (Base Transceiver Subsystem -

bazični primopredajni podsistem) i BSC (Base Station Controller - kontroler bazne stanice). Kao prvo, BSS treba da komunicira sa korisnikom preko relativno nepouzdanog bežičnog

medijuma. Ovaj medijum se karakteriše ograničenim propusnim opsegom. Kao drugo, BSS treba da

Page 18: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

285

podrži potrebe korisnika za mobilnošću, a kao treće da ostvari povezivanje sa ožičanom infrastrukturom preko daleko pouzdanijih žičanih protokola (veza sa javnom telefonskom mrežom-PSTN). Efikasan transfer informacija izmedju ova dva protokola (žičani i bežični) zadatak je BSS-a.

Kod ostvarivanja fizičke komunikacije preko etera, blok BTS je partner MS-u. BTS sadrži predajnik, prijemnik i signalnu opremu. Svi ovi gradivni blokovi fizički su locirani u centru ćelije gde se i nalazi antena BSS-a. Jedna BSS može da upravlja sa jednom ili većim brojem BTS-a.

Drugi gradivni blok BSS-a je BSC. U suštini, BSC je mali komutator unutar BSS-a i zadužen je za frekventnim administriranjem kao i handover-om izmedju BTS-ova u okviru BSS-a. Hardver BSC-a u okviru jedinstvenog BTS-a lociran je na anteni, a kod multi-BTS sistema u komutatorskom centru sa ostalim hardverskim elementima NSS-a.

C. Mrežni i komutatorski podsistem

NSS je zadužen za rad mreže. On ostvaruje komunikaciju i sa drugim mrežama koje mogu biti tipa bežične i žičane. Na PSTN (javne telefonske mreže) GSM se spreže preko ISDN protokola. NSS je najsofisticiraniji gradivni blok GSM mreže i sadrži:

a) jedan hardverski gradivni blok MSC (mobile switching center) b) četiri softverska elementa, a to su VLR (visitor location register), HLR (home location register),

EIR (equipment identification register) i AUC (authentication center).

MSC je hardverski deo koji komunicira sa PSTN komutatorima koristeći signalni protokol SS-7. Veoma često MSC koji komunicira sa PSTN se naziva Gateway MSC (GMSC). MSC obezbedjuje mreži specifičnu informaciju koja se odnosi na status mobilnih terminala.

HLR je softver tipa baze podataka koji manipuliše ažuriranjem računa mobilnog pretplatnika. Ovaj softver čuva podatke o adresi pretplatnika, tipu usluge, tekućoj lokaciji, stanju na računu, i dr. VLR je softver tipa baze podataka koji čuva trag o lokaciji pretplatnika u okviru oblasti pokrivanja MSC-a, tj. njegovom kretanju.

AUC čuva različite algoritme koji se koriste za identifikaciju i šifrovanje pretplatnika. Različite klase SIM kartica imaju ugradjene svoje sopstvene algoritme, zadatak AUC-a je da skuplja sve te algoritme i obezbedjuje NSS-u da radi sa različitim terminalima koji potiču iz različitih geografskih područja.

EIR je takodje softver tipa baze podataka koji upravlja identifikacijom mobilne opreme sa aspekata kvarova i kradja mobilne jedinice (kada se prijavi kradja telefona, taj telefon, da ne bi pravio troškove, se isključi).

12.6.1. Aspekti radio veze kod GSM-a

GSM signali od bazne stanice prema mobilnoj jedinici prenose se u opsegu širine 25 MHz koji je lociran u opsegu od 935 do 960 MHz, i u opsegu od 25 MHz za potrebe prenosa signala od mobilne stanice do bazne stanice čiji je frekventni opseg lociran od 890 do 915 MHz. Korisnici pristupaju mreži koristeći kombinaciju FDMA i TDMA. Na svakih 200 kHz postoje radiofrekventni nosioci, što znači da postoji ukupno 124 kanala tipa potpuni dupleks. Na Slici 12.18 prikazan je FDMA/TDMA/FDD kanal koji se koristi kod GSM-a.

Page 19: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

286

1 765432 8...

200 kHz

935 MHz

25 MHz

960 MHz

100 kHzzaštitni opseg

Nosioc 1

Nosioc 2

Nosioc 124

Vremenski slotovi dodeljenjikorisnicima po jednom nosiocu

Uplink kanali

Downlink kanali

Slika 12.18 FDMA/TDMA/FDD kod GSM-a

Na Slici 12.19 dat je detaljan format jednog TDMA okvira kod GSM-a.

Strukture viših GSM-okvira

1 2 843 5 6 7

rep Skorisnič

ki podaci

S

vremeGSM TDMA okvir

4.615 ms

546.5 sµ

sµ577

GSM time-slot (normal paket)

repkorisnič

ki podaci

zaštitniprostor training zaštitni

prostor

3 bita 3126 bitova157

bitova57

bitova

890 - 915 MHz124 kanala (200 kHz)uplink

downlink

935 - 960 MHz124 kanala (200 kHz)

Slika 12.19 TDMA okvir kod GSM-a

Kanali se modulišu sa bitskom brzinom od 270833 kbps.

Page 20: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

287

12.6.2. TDMA format

GSM koristi složenu hijerarhiju TDMA okvira kod definisanja logičkih kanala (vidi Sliku 12.20).

0 1 2 2045 2046 2047...hyperframe

0 1 2 48 49 50...

0 1 24 25...

superframe

0 1 24 25...

0 1 2 48 49 50...

0 1 6 7...

multiframe

frame

burstslot

577 µs

4.615 ms

120 ms

235.4 ms

6.12 s

3 h 28 min 53.76 s

Slika 12.20 Formati okvira kod GSM-a

U osnovi, svaki frekventni opseg od 200 kHz se deli na osam logičkih kanala koji su definisani

repetitivnim ponavljanjem vremenskih slotova. Na najnižem nivou je vremenski slot nazvan paketni (burst) period koji je trajanja

15/26ms=0.577ms. Pri bitskoj brzini od 270833 kbps svaki vremenski slot je trajanja 156.25 bitova.

Vremenski slot sadrži sledeća polja:

a) trail bits - obezbedjuje sinhronizaciju prenosa mobilnih jedinica lociranih na različitim rastojanjima u odnosu na BS

b) encrypted bits - podaci se šifruju u blokovima po 114 bitova, a šifrovani bitovi se smeštaju u dva 57-bitna polja u vremenskim slotovima.

c) stealing bit - koristi se da ukaže da li ovaj blok sadrži podatke ili je "pozajmljen" za potrebe urgentnog signalnog upravljanja.

d) training sequence - koristi se da prilagodi parametre prijemnika na karakteristike tekućeg puta propagacije signala i da izabere najjači signal za slučaj višestruke (multipath) refleksije.

e) guard bits - koriste se da obezbede zaštitu usled preklapanja bitova, na prijemnoj strani, sa informacijom od drugih paketa koji su prisutni na prijemnoj strani zbog različitih puteva prostiranja signala.

Page 21: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

288

12.7. Kako celularni telefoni rade ?

Milioni ljudi širom sveta koriste danas celularne telefone (cell phone). U ovom tekstu ukazaćemo ukratko na osnovne principe njegovog rada. Jedan od najinteresantnijih principa za celularni telefon je usko vezan sa principom rada kod radio prenosa. Telefon je 1876. godine, otkriven od strane Alexandar Graham Bell-a, koreni bežičnih komunikacija su trasirani od strane inventivnih radova na polju radija koje je sproveo Nikola Tesla 1880. godine, a koji su formalno prezentirani 1894. godine od strane mladog italijanskog naučnika Gugliemo Marconi-a. Prirodno je bilo očekivati da će ove dve velike tehnologije jednog dana biti kombinovane u jedinstvenu – celularnu telefoniju. Pre pojave celularnog telefona, ljudi koji su realno koristili mogućnosti mobilnih komunikacija instalirali su telefone u svojim kolima. Kod radio-telefonskog sistema, postoji jedna centralna antena koja je locirana na nekoj visokoj zgradi u okviru grada. Ovaj sistem je bio kapaciteta od 25 kanala. Obično telefon u kolima je imao snažan predajnik čiji je domet bio od oko 70 km. Mali broj radio-telefonskih kanala ograničavao je broj korisnika, što je predstavljalo osnovnu slabost ovog sistema. Ključna novina kod celularnog sistema predstavlja deobu grada na manje ćelije. Ovo omogućava višestruko korišćenje jedne predajne frekvencije u samom gradu, tako da više ljudi može istovremeno da koristi celularni telefon. Tako na primer, kod tipičnog analognog celularnog sistema koji egzistira u SAD-u postoji oko 800 nosećih frekvencija koje se mogu koristiti. Pri ovome svaka ćelija je obično veličine 26 km2, a ćelije su uobičajeno organizovane kao šestougaonici (heksagoni) i formiraju veliku heksagonalnu rešetku kao što je ona prikazana na slici 12.21.

Slika 12.21 Heksagonalna rešetka

S obzirom da celularni telefoni i bazne stanice koriste predajnike male snage, iste frekvencije se mogu ponovo koristiti u nesusednim ćelijama. Tako na primer sive ćelije na slici 1. mogu ponovo koristiti iste frekvencije. Kao što se vidi sa slike 1. svaka ćelija ima svoju baznu stanicu koja je locirana na nekom stubu i malu zgradu u kojoj je smeštena potrebna radio-oprema. Jedna ćelija kod analognog sistema, važi za sliku 12.21., koristi sedminu od dostupnih dupleks govornih kanala. To znači, da svaka ćelija (od 7 u heksagonmalnoj rešetki) koristi sedminu od dostupnih kanala tako da ona koristi jedinstveni skup frekvencija, i da pri tome ne postoje kolizije:

• ukupno na nivou grada su dozoljene 832 različite noseće radio frekvencije • svaki celularni telefon koristi dve frekvencije po pozivu – dupleks kanal – pri čemu ukupno

postoji 395 govornih kanala, a ostale 42 frekvencije se koriste kao nosioci za upravljačke kanale • svakoj ćeliji , sa slike 1., je dostupno 56 govornih kanala

Page 22: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

289

Drugim rečima, u svakoj ćeliji, 56 korisnika može istovremeno da razgovara koristeći celularni telefon. Sa druge strane kod digitalnog prenosa, broj dostupnih kanala se povećava. Tako na primer digitalni sistem zasnovan na TDMA tehnici podržava tri puta veći broj poziva u odnosu na analogni sistem, tj svakoj ćeliji stoji na raspolaganje oko 168 dostupnih kanala.

Celularni telefoni imaju ugradjene u sebi predajnike male snage. Kod najvećeg broja celularnih telefona predajna snaga može da bude 0.6 W i 3 W (u odnosu na radio predajni sistem kod kojih je snaga 4W). Bazna stanica se takodje karakteriše malom predajnom snagom. Predajnici male snage imaju sledeće dve prednosti:

• predaja sa bazne stanice i sa telefona nema veći domet u odnosu na granice ćelije, tako da kao što se vidi sa slike 1. obe sive ćelije mogu da ponovo koriste iste 56 frekvencije. Iste frekvencije se mogu ponovo koristiti po gradu van tog dometa.

• potrošnje snage celularnog telefona, koji se obično napaja baterijski, je relativno mala. Mala snaga znači manje baterije, a to čini da telefon bude malih dimenzija, da se može ručno manipulisati njime i da bide prenosivi uredjaj.

Celularni pristup zahteva veliki broj baznih stanica u okviru grada. Obično veliki gradovi mogu da

imaju i po stotinu antenskih stubova. S obzirom da veliki broj ljudi koristi celularni telefon cena po korisniku je relativno niska. U okviru svakog grada postoji centralna služba koja se naziva MTSO (Mobile Telephone Switching Office). U okviru ove službe obavljena su sva telefonska povezivanja prema fiksnom postojećem telefonskom sistemu, a takodje upravlja se radom svih baznih stanica u okviru grada ili regiona.

12.7.1. Od ćelije ka ćeliji

Ukazaćemo sada na to šta se dešava kada se celularni telefon premešta iz jedne ćelije u drugu. Svaki celularni telefon ima svoj specifični kôd. Kôdovi se koriste za identifikaciju telefona, vlasnika telefona i pružioca usluga (provajdera). Recimo da imate svoj celularni telefon, uključite ga i neko pokušava da vas pozove. Scenario digadjaja koji prati poziv je sledeći:

• kada prvi put uključite telefon on osluškuje za SID na kontrolnom kanalu. Kontrolni kanal je specijalna frekvencija koju koristi telefon i bazna stanica da bi se ''medjusobno dogovorili'' o uspostavljanju poziva i promeni kanala. Ako telefon ne može da pronadje (oslušne) svoj kontrolni kanal on zna da je van-dometa (out of range) i prikazuje na ekranu poruku ''no service''.

• kada primi SID, telefon komparira primljeni SID sa svojim programiranim SID-om. Ako dodje do uparivanja SID-ova, telefon zna da ćelija sa kojom će komunicirati pripada njegovom sistemu koji treba da mu pruži usluge.

• zajedno sa SID-om, telefon predaje zahtev za registraciju, dok MTSO čuva trag o lokaciji telefona u svojoj bazi podataka, na ovaj način MTSO zna u kojoj ćeliji se nalazi telefon kada neko želi da pozove vš broj.

• MTSO prihvata poziv, a zatim pokušava da vas dobije. On pretražuje svoju bazu podataka da bi ustanovio u kojoj ćeliji se nalazite.

• MTSO komunicira sa vašim telefonom preko kontrolnog kanala i ukazuje mu koje frekvencije da koristi, pa nakon što su se telefon i antenski stub prebacili (komutirali) na te frekvencije ostvaruje se povezivanje. Nakon toga možete da komunicirate sa vašim sagovornikom radio vezom u oba smera.

• ako se u toku razgovora pomerite na ivicu ćelije, vaša bazna stanica će uočiti da je snaga primljenog signala smanjena. U medjuvremenu bazna stanica u ćeliji prema kojoj se pomerate (koja sluša i meri jačinu signala na svim frekvencijama, a ne samo na sedmini njoj dodeljenih) vidi da se snaga sa vašeg telefona povećava. Obe bazne stanice koordinišu svoj medjusobni rad preko MTSO-a, i u jednom trenutku, vaš telefon dobija signal preko upravljačkog kanala koji mu

Page 23: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

290

ukazuje da promeni frekvencije. Ovaj hand off komutira vaš telefon na novu ćeliju. (vidi sliku12.22.)

Slika 12.22 Hand off efekat

Kao što se vidi sa slike 12.22. u toku putovanja signala se predaje iz jedne ćelije u drugu. Ukazaćemo sada na značaj nekih osnovnih pojmova koji se odnose na karakteristične kôdove kod celularnog telefona. ESN – Electronic Serial Number- jedinstveni 32-bitni broj koji se programira u telefonu kada se on proizvede u fazi fabrikacije. MIN – Mobile Identification Number – 10-cifreni broj koji se dobija na osnovu vašeg telefonskog broja SID – System Identification Code – jedinstveni petocifreni broj koji se dodeljuje svakom korisniku od strane specijalne komisije Dok se za ESN smatra da je neodvojivi deo telefona, MIN i SID kôdovi se programiraju u telefonu u trenutku kada se on aktivira

12.7.2. Roaming Ako SID kontrolnog kanala se ne upari sa SID-om koji je programiran u vašem telefonu, tada telefon zna da je roaming. MTSO ćelije sa kojom ste u roaming-u u kontaktu sa MTSO-om vašeg pretplatničkog sistema (operatera) proverava svoju bazu kako bi potvrdio da SID telefona koji vi koristite je važeći. U tom slučaju vaš pretplatnički sistem verifikuje telefon u lokalnom MTSO-u i prati vaš telefon kako se premešta iz jedne ćelije u drugu. Ono što je najzanimljivije je da se sve to dešava u okviru nekoliko sekundi.

12.7.3. Celularni telefoni i CB-Civil Band Da bi razumeli dobre strane celularnih telefona kompariraćemo njega sa CB radio prenosom ili sa voki-toki-em (walkie-talkie):

• potpuni-dupleks u odnosu na polu-dupleks – oba, voki-toki i CB radio, su uredjaji tipa polu-dupleks, to znači da kada dva korisnika komuniciraju preko CB radia oni koriste istu frekvenciju,

Page 24: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

291

pri čemu samo jedan korisnik može da priča. Celularni telefon je uredjaj koji koristi potpuni-dupleks, što znači da može da se koristi jedna frekvencija za govor, a druga različita za slušanje. Oba korisnika mogu da govore pri tome istovremeno.

• kanali – voki-toki obično koristi jedan kanal, dok CB radio koristi 40 kanala. Tipični celularni telefon može da komunicira preko 1664 kanala ili više.

• opseg – voki-toki može da predaje na rastojanju od 1.6 km koristeći pri tome 0.25 W predajnik. CB radio s obzirom da ima veću snagu može da predaje na rastojanju od 8 km jer koristi 5 W predajnik. Celularni telefon je operativan u okviru ćelije i može da komutira sa ćelije na ćeliju kako se pomera iz jedne u drugu. Na ovaj način ćelije pružaju mobilnom telefonu neograničeni opseg. Neki koji celularni telefon može da vozi svoja kola na deonici od 100 km, a da pri tome razgovara neprekidno koristeći pristup ćelijske organizacije.

U poludupleks radio prenosu, predajnik i prijemnik koriste istu frekvenciju.

U jednom trenutku samo jedan od njih može biti aktivan kao predajnik.

U potpunom dupleks radio prenosu, oba predajnika emituju na različitim

frekvencijama tako da obe strane istovremeno učestvuju u prenosu. Celularni telefon koristi potpuni dupleks prenos

Digitalni celularni telefoni koriste istu radio tehnologiju kao i analogni telefoni, ali rade na različit način. Analogni sistemi ne iskorišćavaju u potpunosti mogućnosti koje postoje u procesiranju signala izmedju telefona i celularne mreže, naime analogni signali se ne mogu komprimovati, a i sa njima lako

Page 25: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

292

manipulisati kao što se to radi sa digitalnim signalima. To je razlog zbog čega veliki broj ''kablovskih'' kompanija prelaza sada na digitalni prenos iz razloga što se veći broj kanala može smestiti u okviru datog propusnog opsega. Digitalni telefoni konvertuju govorni signal u binarnu informaciju, a zatim vrše njegovu kompresiju. Kompresija omogućava da 3 – 10 celularnih telefonskih poziva može da zauzme prostor kao jedan poziv sa analognog telefona. Veliki broj digitalnih celularnih sistema koristi FSK (Frequency Shift Key) za prenos podataka u jednom i drugom smeru koristeći AMPS (Advanced Mobile Phone Service). FSK koristi dve frekvencije, jedna za digitalnu jedinicu, a druga za digitalnu nulu.

12.7.4. Tehnologija za celularni pristup Postoje tri standardne tehnologije koje se koriste kod standardnih celularnih mreža za prenos informacije.:

• Frequency Division Multuple Access (FDMA) • Time Division Multiple Access (TDMA) • Code Division Multiple Access (CDMA) Mada ove tehnologije mogu zvučati veoma izazovno da bi se stekao potpuni osećaj o njima

neophodno je da se razjasni značenje svake reči koja se javlja u njihovom nazivu. Prva reč ukazuje na to koji se metod pristupa (access method) koristi. Druga reč deoba (division)

ukazuje na to da se pozivi dele u zavisnosti od toga koji se metod pristupa koristi, na sledeći način: • kod FDMA svakom pozivu se dodeljuje posebna frekvencija (frequency) • kod TDMA svakom pozivu se dodeljuje odredjeni deo vremena (time) ne menjajući pri tome

frekvenciju • kod CDMA svakom pozivu se dodeljuje jedinstveni kôd (code) koji se proširuje u raspoloživom

frekventnom opsegu Zadnji deo svakog imena se odnosi na višestruki pristup (mulpitle access). Ovo znači da više od

jednog korisnika može da koristi svaku ćeliju. FDMA deli spektar na različite govorne kanale putem deobe na delove jednakog propusnog opsega (uniform chunks of bandwidth). Da bi bolje razumeli FDMA analiziraćemo rad radio stanice. Svaka stanica predaje svoj signal na različitoj frekvenciji u okviru dostupnog opsega. FDMA se uglavnom koristi za analogni prenos (analog transmission). I pored toga što se ova tehnika može koristiti za prenos digitalne informacije, FDMA se ne smatra kao efikasan metod za digitalni prenos.

Page 26: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

293

Kod FDMA svaki telefon koristi različite frekvencije za predaju i prijem signala

TDMA je metod pristupa koji se koristi od strane Electronics Industry Alliance and the Telecommunications Industry Association za Interim Standard 54 (IS-54), i Interim Standard 136 (IS-136). Koristeći TDMA jedan uzak opseg (narrow band) širine 30 kHz i trajanja 6.7 ms se deli prostorno- vremenski na tri vremenska slota (three time slots). Uzak opseg ukazuje na ''kanale'' u tradicionalno smislu reči. Svaka konverzacija koristi radio prenos za trećinu vremena. Ovo je moguće jer govorni podaci koji su konvertovani u digitalnu informaciju se komprimuju tako da je za njihov prenos potrebno značajno manje prostora za predaju. Zbog toga TDMA ima tri puta manji kapacitet u odnosu na analogni sistem koji koristi isti broj kanala. TDMA sistem može da rade u frekventnom opsegu na 800 MHz (IS-54) ili 1900 MHz (IS-136).

Page 27: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

294

TDMA deli frekvenciju na vremenske slotove.

TDMA se takodje koristi kao tehnologija pristupa kod GSM-a (Global System for Mobile Communications). Ipak GSM implementira TDMA na nešto različit i nekompatibilan način u odnosu na IS-136. Treba shvatiti to tako kao da su GSM i IS-136 dva operatvina sistema koja rade na istom procesoru, kao na primer Windows i Linux koji se izvršavaju na Intel Pentium 4. GSM sistemi koriste šifrovanje (encryption) kako bi učinili telefonske pozive pouzdanijim. GSM, u Evropi i Aziji, radi na opsezima od 900 MHz i 1800 MHz , a u Americi na opsegu 1900 Mhz. On se koristi kod digitalnih celularnih telefona PCS zasnovanih sistema (Personal Communications Service-PCS). GSM takodje predstavlja osnovu za IDEN (Integrated Digital Enchanced Network) koji predstavlja popularni sistem uveden od strane Motorola. GSM je internacionalni standard u Evropi, Australiji, i najveći deo Azije i Afrike. U ovim zemljama korisnici celularnog telefona mogu da kupe jedan telefon koji će biti operativan u bilo kojoj zemlji gde se taj standard pordžava. Da bi se povezali na specifični provajder usluga (operater) u ove različite zemlje GSM korisnik treba da promeni samo SIM (Subscriber Identification Module) karticu. SIM kartice su u suštini prenosivi diskovi koji se mogu umetati i vaditi iz GSM celularnih telefona. One čuvaju informaciju o svim podacima koji se odnose na povezivanje kao i identifikacione brojeve koji su neophodni za pristup pojedinom bežičnom provajderu usluga (operater). CDMA koristi sasvim različit pristup u odnosu na TDMA. CDMA nakon digitaliziranja podataka, prošurije ih (spreads it out) po celom dostupnom propusnom opsegu. Veći broj poziva se preklapa (overload) medjusobno po kanalu pri čemu se svakom pozivu dodeljuje jedinstvena kôdna sekvenca. (iunique seqvece code). CDMA predstavlja oblik proširenog spektra, što znači da se podaci šalju u manjim paketima uz pomoć većeg broja dostupnih frekvencija koje stoje na raspolaganju u datom trenutku u specificiranom frekventnom opsegu.

Page 28: 12. Celularne bežične mreže - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/rmif/Materijal/Novo Materijal/Pogl-12-Celul i bez... · Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica

Prenos podataka – Celularne bežične mreže

295

Kod CDMA svaki telefonski podataka ima svoj jedinstveni

kôd

Svi korisnici predaju u istom širokopojasnom (wide-band) delu spektra. Svaki korisnički signal se raspodeljuje u okviru celokupnog opsega pomoću jedinstvenog kôda za proširenje (unique spreading code). Na prijemnpoj strani isti jedinstveni kôd se koristi za vraćanje signala u prvobitnu formu. S obzirom da CDMA sistem treba tačno vremenski da markira svaki deo signala, on obaveštava GPS sistem o ovim promenama. U odnosu na AMPS, kod CDMA, od 8 do 10 nezavisnih poziva se može ostvariti preko istog kanala. CDMA tehnologija je osnova za Interim standard 95 (IS-95) koji radi u frekventnim opsezima od 800 i 1900 MHz. U idealnom slučaju TDMA i CDMA tehnike su transparentne jedna drugoj. U praksi snažniji CDMA signali premošćavaju prag šuma TDMA prijemnika, dok snažniji TDMA signali mogu da uzrokuju preopterećenje i loš rad kod CDMA prijemnika.