8/6/2019 celularne bezicne mreze

1/28

Prenos podataka Celularne beine mree

268

12. Celularne beine mree

Celularni radio je tehnika razvijena sa ciljem da se povea kapacitet mobilnog radio telefonskog

servisa. Sutina celularne mree se sastoji u korienju veeg broja predajnika male-snage, reda 100W ili

manje. S obzirom da je opseg pokrivanja ovih predajnika mali oblast (teritorija) se moe podeliti na

elije, pri emu se svaki deo teritorije pokriva od strane jedne antene, tj. predajnika. Svakoj eliji sedodeljuje odgovarajui frekventni opseg. Sa aspekta servisa jedna elija se opsluuje od strane jedne

bazne stanice. Baznu stanicu ini po jedan predajnik, prijemnik i upravljaka jedinica. Sa ciljem da se

izbegnu interferencije i presluavanja svakoj eliji se dodeljuje razliita frekvencija. elije koje se nalaze

na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge mogu da koriste isti frekventni opseg.

Prva odluka i zadatak projektanta kod projektovanja celularne mree se odnosi na oblikovanje

forme elija koje pokrivaju odredjenu teritoriju. Matrine kvadratne elije, Slika 1 a), imaju verovatno

najjednostavniji oblik. Ipak ova geometrija nije idealna. Ako je irina elije d, tada elija ima 4 suseda na

rastojanju d, a 4 na rastojanju d2 . Kada se mobilni korisnik kree prema granicama elije najbolje je

da sve susedne antene budu na ekvidistantnim rastojanjima. Sa ovakvim pristupom olakava se tehnika

komutacije korisnika na susednu antenu, kao i izbor antene. Heksagonalni oblik obezbedjujeekvidistantne antene. Kao to se vidi sa slike 12.1 b) za radijus heksagona, R, rastojanje izmedju centra

elije i centra susedne elije iznosi R3d= .

d d

a) kvadratni oblik b) heksagonalni oblik

Slika 12.1 Celularna geometrija

12.1. Viestruko korienje frekvencija

Kod celularnog sistema svaka elija ima svoj bazni primopredajnik. Predajna snaga predajnika

paljivo se kontrolie sa ciljem da za datu frekvenciju zraenja obezbedi pouzdanu komunikaciju, ali uz

istovremeno ogranienje snage zraenja predajnika na toj frekvenciji kako ne bi dolo do smetnje u

prijemu usled zraenja predajnika u susednim elijama. Cilj je da se u nekoj od susednih elija koristi ista

frekvencija ime se obezbedjuje uslov da se na toj frekvenciji istovremeno obavlja vei broj razgovora. U

praksi, u zavisnosti od oekivanog saobraaja svakoj eliji se dodeljuju od 10 do 50 frekvencija. To znaida su razliiti oblici viestrukog korienja frekvencija, u sutini, mogui. Na Slici 12.2 prikazani su neki

8/6/2019 celularne bezicne mreze

2/28

8/6/2019 celularne bezicne mreze

3/28

Prenos podataka Celularne beine mree

270

c) crne elije oznaavaju ponovno korienje frekvencije zaN= 19

Slika 12.2 Oblici viestrukog korienja frkvencija

Kod heksagonalnog oblika elije mogue su sledee vrednosti zaN

( ) ,...3,2,1,0I,J,JIJIN 22 =++=

Prema tome, mogue vrednosti zaNsu 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ... .Pri ovome vai sledea relacija

N3R

D=

koja se moe izraziti kao

Nd

D=

8/6/2019 celularne bezicne mreze

4/28

Prenos podataka Celularne beine mree

271

12.2. Poveanje kapaciteta

Vremenom, sve vei broj pretplatnika koristi sistem. Pri ovakvom trendu porasta saobraaj moe jednog

trenutka da postane tako gust da se dodje u situaciju kada ne postoji dovoljan broj frekvencija koje se

mogu dodeliti elijama. Da bi se uspeno izalo na kraj sa ovakvom situacijom na raspolaganju su sledeipristupi (reenja):

a) Dodavanje novih kanala - obino kada se za dati region uvodi sistem ne iskoriavaju se svi kanali.

Prema tome, sa porastom i proirenjem sistema uvode se oni kanali koji prvobitno nisu bili

iskorieni.

b) Pozajmljivanje frekvencija - mogue je pozajmiti frekvencije od susednih elija sa kojima moe

doi do sudara (congested cells). Pozajmljivanje je obino dinamiko.

c) Deoba elije - distribucija saobraaja i topografske osobine elije u najveem broju sluajeva nisu

uniformne, to nalae potrebu za poveanjem kapaciteta. Reenje je da se elije kod kojih postoji

jako izrazit saobraaj podele (vidi Sliku 12.3). Obino obim elije je od 6.5 do 13 km, dok su male

elije obima 1.5 km. Korienje manjih elija nalae smanjenje snage zraenja. Kako se mobilni

korisnici premetaju sa jednog mesta na drugo, oni prelaze iz jedne elije u drugu, a to zahteva

prenos poziva (signala) sa jedne bazne stanice na drugu. Ovaj proces se naziva handoff, a ei jekako su elije manje.

Slika 12.3 Deoba elija

d) Sektorisane elije - eliju delimo na vei broj sektora, pri emu svakom sektoru se dodeljuje

odgovarajui skup kanala. Standardno se koriste 3 do 6 sektora po

eliji.e) Mikroelije - sa smanjenjem obima elija antene se premetaju sa vrha brda ili visokih zgrada na

manje zgrade pa se na taj nain formiraju mikroelije. Smanjenjem obima elije smanjuje se i nivo

snage zraenja predajnika. Mikroelije su korisne za pokrivanje ulica u velikim gradovima, du

autoputeva, ili unutar velikih javnih zgrada. Na Slici 12.4 prikazani sui tipini parametri na osnovu

kojih elije delimo na makro i mikro.

makroelija mikroelija

poluprenikelije 1 20 km 0.1 1 km

predajna snaga 1 10 W 0.1 1W

proseno rasejavanje kanjenja 0.1 10 s 10 100 ns

maksimalna bitska brzina 0.3 Mbps 1 Mbps

Slika 12.4 Tipini parametri za makro i mikro elije

8/6/2019 celularne bezicne mreze

5/28

Prenos podataka Celularne beine mree

272

12.3. Princip rada celularnih sistema

Na Slici 12.5 prikazani su glavni gradivni blokovi celularnih sistema. Otprilike na sredini svake

elije locirana je bazna stanica (BS). Strukturu BS-a ine antena, kontroler, i vei broj primopredajnika

koji komuniciraju preko kanala dodeljenih toj eliji. Kontroler se koristi za upravljanje procesom pozivaizmedju mobilne jedinice i ostatka mree. U datom trenutku, vei broj mobilnih korisnika moe biti

aktivan i da se kree u okviru elije komunicirajui, pri tome, sa BS-om. Svaka BS povezana je sa

mobilnim telekomunikacionim komutatorskim centrom (MTSO - Mobile Telecommunications Switching

Office). Jedan MTSO opsluuje vei broj BS-ova. Obino veza izmedju BS-ova i MTSO-a je iana, ali je

mogua i beina. MTSO ima zadatak da ostvari povezivanje izmedju mobilnih jedinica. MTSO je,

takodje, povezan na javnu telefonsku, ili telekomunikacionu mreu 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 sledea dva tipa kanala:

a) Kontrolni kanali- koriste se za razmenu informacija koja se odnosi na uspostavljanje i odravanje

veze kao i odredjivanje odnosa izmedju mobilne jedinice i najblie BS.

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

Prostorija

za

komutacijuu

mobilnoj

telefoniji

Bazna primo-

predajna stanica

Bazna primo-

predajna stanica

Bazna primo-

predajna stanica

Javna telefonskakomutaciona

mrea

Slika 12.5 Blok ema celularnog sistema

Na Slici 12.6 prikazani su tipini koraci izmedju dva mobilna korisnika kontrolisani od strane MTSO-a.

1. Inicijalizacija mobilne jedinice - kada se mobilna jedinica ukljui ona analizira i bira najjai

upravljaki kanal za potrebe uspostavljanja veze ( setup channel), vidi Sliku 12.6a. elije na

razliitim frekventnim opsezima repetitivno emituju svima (broadcast) informaciju o razliitim

kanalima preko kojih se moe uspostaviti veza. Prijemnik bira najjai "setup" kanal i nadgleda tajkanal. Efekat ove procedure je taj da mobilna jedinica automatski bira BS antenu one elije preko

koje e ona raditi. Nakon ovoga sledi handshake procedura izmedju mobilne jedinice i MTSO-a,koja se ostvaruje preko BS u eliji. Handshake procedurom se identifikuje korisnik i registruje

njegova lokacija. Sve dok je mobilna jedinica ukljuena procedura analize periodino se ponavlja.

Ako mobilna jedinica predje u novu eliju ona selektuje novu BS.

2. Poziv iniciran od strane mobilne jedinice- mobilna jedinica inicira poziv slanjem broja jedinice

koju poziva preko unapred selektovanogsetup kanala (Slika 12.6b). Prijemnik u mobilnoj jediniciprvo proverava da li jesetup kanal u idle stanju ispitivanjem informacije uforwardkanalu (kanal

8/6/2019 celularne bezicne mreze

6/28

Prenos podataka Celularne beine mree

273

od BS ka mobilnoj jedinici). Kada detektuje idle stanje mobilna jedinica moe da predaje prekoodgovarajueg reverse kanala (kanal od mobilne jedinice ka BS). BS nakon ovoga alje zahtev ka

MTSO-u.

3. Paging - MTSO nakon prethodnih aktivnosti pokuava da ostvari vezu ka pozvanoj jedinici.MTSO predajepagingporuku ka odredjenim BS-ovima u zavisnosti od pozvanog mobilnog broja

(Slika 12.6c). Svaka BS predajepagingsignal po sopstvenomsetup kanalu.

4. Prihvaen poziv - pozvana mobilna jedinica prepoznaje svoj broj nadgledanjem setup kanala iodaziva se toj BS-i, koja zatim predaje odziv ka MTSO-u. MTSO zatim uspostavlja vezu izmedju

pozvane i pozivne BS. Istovremeno, MTSO bira raspoloivi kanal za prenos govora u okviru svake

BS elije i obavetava svaku BS koja nakon toga obavetava mobilnu jedinicu (slika 12.6d). Obe

mobilne jedinice se zatim podeavaju na odgovarajue dodeljene kanale.

5. Ongoing call - dok postoji veza mobilne jedinice razmenjuju govorne signale ili podatke preko

odgovarajuih BS-ova i MTSO-a (vidi sliku 12.6e).

6. Handoff (preuzimanje) - kada mobilna jedinica u toku odravanja veze predje iz jedne elije udrugu kanalni saobraaj mora da se promeni tako da se sada realizuje preko druge BS koja pripada

novoj eliji (Slika 12.6f). Sistem izvodi ove promene bez prekidanja poziva ili promene korisnika.

MTSO

MTSO

a) monitorisanje za najjai signal b) zahtev za povezivanje

MTSO

MTSO

c) paging d) poziv je prihvaen

8/6/2019 celularne bezicne mreze

7/28

Prenos podataka Celularne beine mree

274

MTS

O

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 saobraaj prema najblioj BS zauzeti

mobilna jedinica pokuava da uspostavi ponovo vezu, i nakon odredjenog broja neuspenih pozivavraa se ton o zauzetosti veze.

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

9. Call drop - u toku razgovora zbog interferencije ili slabog signala moe doi do prekida veze. Ako

BS ne moe da odri minimalni nivo signala za odredjeni vremenski period kanal prema korisniku

se prekida i o tome obavetava MTSO.

10. Calls to/from fixed and remote mobile subscriber - MTSO obezbedjuje vezu prema telefonskojmrei sa javnom komutacijom. To znai da MTSO moe da uspostavi vezu izmedju pretplatnika

povezanih na fiksnoj i mobilnoj mrei.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

8/28

Prenos podataka Celularne beine mree

275

Primer

Kao to smo naglasili kod heksagonalnog oblika elije mogue su sledee vrednosti zaN

( ) ,...3,2,1,0I,J,JIJIN 22 =++=

zaI= 2 iJ= 1 dobijamoN= 4+1+2 = 7ClusterobimaN= 7 se moe 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 iji je clusterobimaN=7

8/6/2019 celularne bezicne mreze

9/28

Prenos podataka Celularne beine mree

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 handoffodluka i vri iniciranje procedure za handoff).

- U toku drugog koraka ostatak mree postaje svestan handoff-a pa se vri restruktuiranje veze torezultira novoj lokaciji mobilne jedinice.

(1)

(2)

Staro

Novotaka

utoita

Slika 12.8 Dve osnovne akcije u toku handoff-a

8/6/2019 celularne bezicne mreze

10/28

Prenos podataka Celularne beine mree

277

12.4. Prva generacija (1G) celularnih mrea

Prve celularne telefonske mree bazirane su bile na analognom prenosu signala. Jedan od

najpoznatijih sistema iz ove generacije je AMPS (Advanced Mobile Phone Service) razvijen od stranekompanije AT&T. Ovaj sistem danas se standardno jo koristi u Severnoj Americi. Kao to je prikazano

na Slici 12.9 dva opsega irine 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 824do 849 MHz.

prenosni opseg bazne stanice 869 894 MHz

prenosni opseg mobilne jedinice 824 849 MHz

razmak izmedju predajnog i prijemnogkanala

45 MHz

opseg kanala 30 kHz

broj govornih kanala u potpunom dupleksu 790

broj upravljakuh kanala u potpunom

dupleksu

42

maksimalna snaga mobilne jedinice 3 W

obim elije, radijus 2 20 km

modulacija, govornog kanala FM. 12-kHz vrna devijacija

modulacija, upravljakog kanala FSM. 8-kHz vrna devijacija

brzina prenosa podataka 10 kbps

kodiranje radi provere greaka 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

mrea prikazane su na Slici 12.11.

Javna

komutacija

elija A

elija C

elija B

Slika 12.10 Globalna struktura 1G sistema

8/6/2019 celularne bezicne mreze

11/28

Prenos podataka Celularne beine mree

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

viestrukog

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 Tehnoloka platforma 1G sistema

12.5. Druga generacija (2G) celularnih sistema

1G celularne mree, kakva je AMPS, postale su ubrzo veoma popularne to je dovelo do potrebe

za realizovanjem sistema veeg kapaciteta. 2G sistemi su razvijeni sa ciljem da obezbede bolji kvalitet

signala, vee brzine prenosa radi podrke digitalnih servisa, i vei kapacitet.

Kljune razlike izmedju 2G i 1G sistema su sledee:

a) Kod 2G postoje kanali za digitalni prenos

b) Kod 2G postoji kodiranje korisnikih podataka

c) Kod 2G postoji sposobnost detekcije i korekcije greaka

d) Pristup kanalu - kod 2G sistema postoji vei broj kanala po jednoj eliji, ali se svaki kanal

dinamiki dodeljuje veem broju korisnika koristei TDMA i CDMA pristup.

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

8/6/2019 celularne bezicne mreze

12/28

Prenos podataka Celularne beine mree

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 stanice890-915 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 /4 DQPSK QPSK

bitska brzina nosioca 270.8 kbps 48.6 kbps 9.6 kbps

govorni koder RPE-LTP VSELP QCELP

bitska brzina kodiranja

govora13 kbps 8 kbps 8, 4, 2, 1 kbps

obim okvira 4.6 ms 40 ms 20 ms

kodiranje radi provere

od greaka

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

8/6/2019 celularne bezicne mreze

13/28

Prenos podataka Celularne beine mree

280

Primer

i). Na Slici 12.13 u koordinatnom sistemu frekvencija-vreme-amplituda grafiki su prikazane

razlike izmedju tehnika: a) FDMA/FDD; b) FDMA/TDD; c) TDMA/FDD sa veim brojem nosioca; i

d) TDMA/TDD sa veim brojem nosioca.

frekvencija

amplituda

vrem

e

uplink downlink

1f 4f3f2f

1f

2f

3f

4f (a)

frekvencija

amplituda

1f 4f3f2f

1t 2t 3t 4t

1t 2t 3t 4t

korisnik1

korisnik4

korisnik3

korisnik2

downlink

uplink

(b)

frekvencija

amplituda

downlinkuplink

1t

4t

3t

2t

1t

1f 2f

2t

3t

4t

1t

4t

3t

2t

1t

2t

3t

4t

1f

2f

vrem

e

(c)

8/6/2019 celularne bezicne mreze

14/28

Prenos podataka Celularne beine mree

281

frekvencij

amplituda

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 veim brojem nosioca; i d) TDMA/TDD

sa veim brojem nosioca

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

ii). Na Slici 12.14 u koordinatnom sistemu frekvencija-vreme-kd grafiki 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

8/6/2019 celularne bezicne mreze

15/28

Prenos podataka Celularne beine mree

282

Primer

Na nekom konkretnom sluaju definisati pojmove

a) roaming

b) handover (handoff)

Odgovor:

Obino kod beinih mrea u okviru zgrade neophodno je da postoji vei broj taaka pristupa koje

pokrivaju sve sobe. U zavisnosti od vrstoe materijala od koga su napravljeni zidovi jedna taka

pristupa, ako elimo da prijem bude kvalitetan, pokriva oblast od 10 do 20 m. Ako korisnik sada eta

(kree se po zgradi) sa mobilnom jedinicom, da bi se ostvario dobar prijem, neophodno je da se i bazna

stanica (BS) pomera od jedne take pristupa ka drugoj sve sa ciljem da se obezbedi opsluivanje (prijem i

predaja) bez prekida veze. Pomeranje (lutanje) pretplatnika izmedju taaka pristupa naziva se roaming.Mobilna jedinica zakljuuje da je tekua veza u datoj taki pristupa (na datoj lokaciji) suvie loa i

poinje sa analizom nalaenja druge take pristupa (da se povee sa drugom baznom stanicom).

Termin handoff(handover) je sposobnost pretplatnika (misli se na mobilnu jedinicu) da odri vezu

dok se pomera sa jednog mesta na drugo (vidi Sliku 12.15).

Opsluivanjeelije B

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicaA

Celularna bazna stanicA

Celularna bazna stanicA

Opsluivanjeelije A

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

8/6/2019 celularne bezicne mreze

16/28

Prenos podataka Celularne beine mree

283

12.6. GSM

GSM (Global System for Mobile Communication) je evropski standard za digitalne celularne

sisteme koji se koristi za nekoliko razliitih frekventnih opsega i to: 900 MHz, 1800 MHz, i 1900 MHz.

Osnovne prednosti ove tehnologije su te to nudi internacionalni roaming, visok kvalitet u prenosu

govornog signala, poveana sigurnost u prenosu informacije, i sposobnost da se implementira veliki broj

razliitih servisa.

Kao to 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 - mreni i komutatorski podsistem (network and switching subsystem)

Na Slici 12.17. prikazano je vie detalja koji se odnose na fiziku 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

Mreni & komutacioni

podsistem (NSS)

Drugi MSC-ovi

PDN

Slika 12.16 Referentna arhitektura GSM-a

8/6/2019 celularne bezicne mreze

17/28

Prenos podataka Celularne beine mree

284

BSC

BSC

Mobilna

stanica

(MS)

Podsistem bazne

stanice (BSS)

Mreni i komutacioni

podsistem (NSS)

AuC

OMC

MSC

VLR

HLRBTS

BTS

BTS

MS

MS

MS

EIR

Interfejs kadrugim mreama

PSTN i dr.

Um

Abis

A

Radio interfejs

Slika 12.17 Drugaiji pogled na referentnu arhitekturu GSM-a

A. Mobilna stanica

ine je elementi ME (Mobile Equipment) i SIM (Subscriber Identity Module).ME predstavlja hardver koga korisnik kupuje od proizvodjaa ili dilera. Hardver sadri sve

komponente koje su potrebne za implementaciju protokola kojim se ostvaruje interfejs mobilne stanice

(jedinice) sa korisnikom, i beini interfejs sa BSS-om. ME sadri zvunik, 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 opsluuje (tj.

tip servisa koje on moe 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 sadri line podatke o svakom korisniku

koje mu obezbedjuju da ostvari vei broj korisnih aplikacija.

Korisnici koji poseuju razliite zemlje u kojima postoji GSM sistem, a ne ele da pozovu svojkuni broj zbog visoke tarife, mogu da kupe SIM karticu zemlje koju poseuju. Na ovaj nain izbegavaju

visoke tarife koje treba platiti zbog roaming-a kao i visoke trokove biranja i uspostavljanja veze.

Imajui u vidu da SIM kartice uvaju privatnu informaciju o korisniku, imaju implementiran

mehanizam sigurnosti kartice koji ukljuuje unoenje etvorocifarskog PIN ( Personal Identification

Number) broja ime je informacija na kartici poznata ili dostupna samo onom korisniku koji zna taj broj.

B. Podsistem bazne stanice

Kao to se vidi sa Slike 12.17 BSS ine sledee dve celine: a) BTS (Base Transceiver Subsystem -bazini primopredajni podsistem) i BSC (Base Station Controller- kontroler bazne stanice).

Kao prvo, BSS treba da komunicira sa korisnikom preko relativno nepouzdanog beinogmedijuma. Ovaj medijum se karakterie ogranienim propusnim opsegom. Kao drugo, BSS treba da

8/6/2019 celularne bezicne mreze

18/28

Prenos podataka Celularne beine mree

285

podri potrebe korisnika za mobilnou, a kao tree da ostvari povezivanje sa oianom infrastrukturom

preko daleko pouzdanijih ianih protokola (veza sa javnom telefonskom mreom-PSTN). Efikasan

transfer informacija izmedju ova dva protokola (iani i beini) zadatak je BSS-a.

Kod ostvarivanja fizike komunikacije preko etera, blok BTS je partner MS-u. BTS sadri

predajnik, prijemnik i signalnu opremu. Svi ovi gradivni blokovi fiziki su locirani u centru elije gde se i

nalazi antena BSS-a. Jedna BSS moe da upravlja sa jednom ili veim brojem BTS-a.

Drugi gradivni blok BSS-a je BSC. U sutini, BSC je mali komutator unutar BSS-a i zaduen je zafrekventnim 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. Mreni i komutatorski podsistem

NSS je zaduen za rad mree. On ostvaruje komunikaciju i sa drugim mreama koje mogu biti tipa

beine i iane. Na PSTN (javne telefonske mree) GSM se spree preko ISDN protokola. NSS je

najsofisticiraniji gradivni blok GSM mree i sadri:

a) jedan hardverski gradivni blok MSC (mobile switching center)

b) etiri softverska elementa, a to su VLR (visitor location register), HLR (home locationregister),EIR (equipment identification register) i AUC (authentication center).

MSC je hardverski deo koji komunicira sa PSTN komutatorima koristei signalni protokol SS-7.

Veoma esto MSC koji komunicira sa PSTN se naziva Gateway MSC (GMSC). MSC obezbedjuje mrei

specifinu informaciju koja se odnosi na status mobilnih terminala.

HLR je softver tipa baze podataka koji manipulie auriranjem rauna mobilnog pretplatnika. Ovaj

softveruva podatke o adresi pretplatnika, tipu usluge, tekuoj lokaciji, stanju na raunu, i dr.

VLR je softver tipa baze podataka koji uva trag o lokaciji pretplatnika u okviru oblasti pokrivanja MSC-

a, tj. njegovom kretanju.

AUC uva razliite algoritme koji se koriste za identifikaciju i ifrovanje pretplatnika. Razliite

klase SIM kartica imaju ugradjene svoje sopstvene algoritme, zadatak AUC-a je da skuplja sve te

algoritme i obezbedjuje NSS-u da radi sa razliitim terminalima koji potiu iz razliitih geografskih

podruja.

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

trokove, se iskljui).

12.6.1. Aspekti radio veze kod GSM-a

GSM signali od bazne stanice prema mobilnoj jedinici prenose se u opsegu irine 25 MHz koji je

lociran u opsegu od 935 do 960 MHz, i u opsegu od 25 MHz za potrebe prenosa signala od mobilnestanice do bazne stanice iji je frekventni opseg lociran od 890 do 915 MHz. Korisnici pristupaju mrei

koristei kombinaciju FDMA i TDMA. Na svakih 200 kHz postoje radiofrekventni nosioci, to znai da

postoji ukupno 124 kanala tipa potpuni dupleks. Na Slici 12.18 prikazan je FDMA/TDMA/FDD kanal

koji se koristi kod GSM-a.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

19/28

Prenos podataka Celularne beine mree

286

1 765432 8.

.

.

200 kHz

935 MHz

25 MHz

960 MHz

100 kHz

zatitni opseg

Nosioc 1

Nosioc 2

Nosioc 124

Vremenski slotovi dodeljenjikorisnicima po jednom nosioc

Uplinkkanali

Downlinkkanali

Slika 12.18 FDMA/TDMA/FDD kod GSM-a

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

Strukture viih GSM-okvira

1 2 843 5 6 7

rep S

korisni

ki

podaci

S

vreme

GSM TDMA okvir

4.615 ms

546.5 s

s577

GSM time-slot(normal paket)

rep

korisni

ki

podaci

zatitni

prostortraining

zatitni

prostor

3 bita 3126

bitova1

57

bitova

57

bitova

890 - 915 MHz

124 kanala (200 kHz)uplink

downlink

935 - 960 MHz

124 kanala (200 kHz)

Slika 12.19 TDMA okvir kod GSM-a

Kanali se moduliu sa bitskom brzinom od 270833 kbps.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

20/28

Prenos podataka Celularne beine mree

287

12.6.2. TDMA format

GSM koristi sloenu hijerarhiju TDMA okvira kod definisanja logikih 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

burst

slot

577 s

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 logikih kanala koji su definisani

repetitivnim ponavljanjem vremenskih slotova.

Na najniem 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 sadri sledea polja:

a) trail bits - obezbedjuje sinhronizaciju prenosa mobilnih jedinica lociranih na razliitim rastojanjima

u odnosu na BS

b) encrypted bits - podaci se ifruju u blokovima po 114 bitova, a ifrovani bitovi se smetaju u dva

57-bitna polja u vremenskim slotovima.

c) stealing bit- koristi se da ukae da li ovaj blok sadri podatke ili je "pozajmljen" za potrebe

urgentnog signalnog upravljanja.

d) training sequence - koristi se da prilagodi parametre prijemnika na karakteristike tekueg putapropagacije signala i da izabere najjai signal za sluaj viestruke (multipath) refleksije.

e) guard bits - koriste se da obezbede zatitu usled preklapanja bitova, na prijemnoj strani, sainformacijom od drugih paketa koji su prisutni na prijemnoj strani zbog razliitih puteva prostiranja

signala.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

21/28

Prenos podataka Celularne beine mree

288

12.7. Kako celularni telefoni rade ?

Milioni ljudi irom sveta koriste danas celularne telefone (cell phone). U ovom tekstu ukazaemo

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 beinih

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 naunika GugliemoMarconi-a. Prirodno je bilo oekivati da e ove dve velike tehnologije jednog dana biti kombinovane u

jedinstvenu celularnu telefoniju.

Pre pojave celularnog telefona, ljudi koji su realno koristili mogunosti 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. Obino

telefon u kolima je imao snaan predajnik iji je domet bio od oko 70 km. Mali broj radio-telefonskih

kanala ograniavao je broj korisnika, to je predstavljalo osnovnu slabost ovog sistema.

Kljuna novina kod celularnog sistema predstavlja deobu grada na manje elije. Ovo omoguava

viestruko korienje jedne predajne frekvencije u samom gradu, tako da vie ljudi moe istovremeno da

koristi celularni telefon. Tako na primer, kod tipinog analognog celularnog sistema koji egzistira u SAD-u postoji oko 800 noseih frekvencija koje se mogu koristiti. Pri ovome svaka elija je obino veliine 26

km2, a elije su uobiajeno organizovane kao estougaonici (heksagoni) i formiraju veliku heksagonalnu

reetku kao to je ona prikazana na slici 12.21.

Slika 12.21 Heksagonalna reetka

S obzirom da celularni telefoni i bazne stanice koriste predajnike male snage, iste frekvencije se

mogu ponovo koristiti u nesusednim elijama. Tako na primer sive elije na slici 1. mogu ponovo koristiti

iste frekvencije. Kao to se vidi sa slike 1. svaka elija ima svoju baznu stanicu koja je locirana na nekom

stubu i malu zgradu u kojoj je smetena potrebna radio-oprema.

Jedna elija kod analognog sistema, vai za sliku 12.21., koristi sedminu od dostupnih dupleks

govornih kanala. To znai, da svaka elija (od 7 u heksagonmalnoj reetki) 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 razliite nosee radio frekvencije

svaki celularni telefon koristi dve frekvencije po pozivu dupleks kanal pri emu ukupno

postoji 395 govornih kanala, a ostale 42 frekvencije se koriste kao nosioci za upravljake kanale

svakoj eliji , sa slike 1., je dostupno 56 govornih kanala

http://cell-phone-cell.swf/http://cell-phone-cell.swf/http://cell-phone-cell.swf/

8/6/2019 celularne bezicne mreze

22/28

Prenos podataka Celularne beine mree

289

Drugim reima, u svakoj eliji, 56 korisnika moe istovremeno da razgovara koristei celularni

telefon. Sa druge strane kod digitalnog prenosa, broj dostupnih kanala se poveava. Tako na primer

digitalni sistem zasnovan na TDMA tehnici podrava tri puta vei broj poziva u odnosu na analogni

sistem, tj svakoj eliji stoji na raspolaganje oko 168 dostupnih kanala.

Celularni telefoni imaju ugradjene u sebi predajnike male snage. Kod najveeg broja celularnih

telefona predajna snaga moe da bude 0.6 W i 3 W (u odnosu na radio predajni sistem kod kojih je snaga

4W). Bazna stanica se takodje karakterie malom predajnom snagom. Predajnici male snage imajusledee dve prednosti:

predaja sa bazne stanice i sa telefona nema vei domet u odnosu na granice elije, tako da kao to

se vidi sa slike 1. obe sive elije mogu da ponovo koriste iste 56 frekvencije. Iste frekvencije se

mogu ponovo koristiti po gradu van tog dometa.

potronje snage celularnog telefona, koji se obino napaja baterijski, je relativno mala. Mala

snaga znai manje baterije, a to ini da telefon bude malih dimenzija, da se moe runo

manipulisati njime i da bide prenosivi uredjaj.

Celularni pristup zahteva veliki broj baznih stanica u okviru grada. Obino 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 sluba koja se naziva MTSO(Mobile Telephone Switching Office). U okviru ove slube obavljena su sva telefonska povezivanja prema

fiksnom postojeem telefonskom sistemu, a takodje upravlja se radom svih baznih stanica u okviru grada

ili regiona.

12.7.1. Od elije ka eliji

Ukazaemo sada na to ta se deava kada se celularni telefon premeta iz jedne elije u drugu.

Svaki celularni telefon ima svoj specifini kd. Kdovi se koriste za identifikaciju telefona, vlasnika

telefona i pruioca usluga (provajdera).

Recimo da imate svoj celularni telefon, ukljuite ga i neko pokuava da vas pozove. Scenario

digadjaja koji prati poziv je sledei:

kada prvi put ukljuite telefon on oslukuje 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 moe da pronadje (oslune) 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 elija sa kojom e komunicirati pripada njegovom sistemu koji

treba da mu prui usluge.

zajedno sa SID-om, telefon predaje zahtev za registraciju, dok MTSO uva trag o lokaciji telefona

u svojoj bazi podataka, na ovaj nain MTSO zna u kojoj eliji se nalazi telefon kada neko eli da

pozove v broj. MTSO prihvata poziv, a zatim pokuava da vas dobije. On pretrauje svoju bazu podataka da bi

ustanovio u kojoj eliji se nalazite.

MTSO komunicira sa vaim telefonom preko kontrolnog kanala i ukazuje mu koje frekvencije da

koristi, pa nakon to su se telefon i antenski stub prebacili (komutirali) na te frekvencije ostvaruje

se povezivanje. Nakon toga moete da komunicirate sa vaim sagovornikom radio vezom u oba

smera.

ako se u toku razgovora pomerite na ivicu elije, vaa bazna stanica e uoiti da je snaga

primljenog signala smanjena. U medjuvremenu bazna stanica u eliji prema kojoj se pomerate

(koja slua i meri jainu signala na svim frekvencijama, a ne samo na sedmini njoj dodeljenih)

vidi da se snaga sa vaeg telefona poveava. Obe bazne stanice koordiniu svoj medjusobni rad

preko MTSO-a, i u jednom trenutku, va telefon dobija signal preko upravljakog kanala koji mu

8/6/2019 celularne bezicne mreze

23/28

Prenos podataka Celularne beine mree

290

ukazuje da promeni frekvencije. Ovaj hand off komutira va telefon na novu eliju. (vidisliku12.22.)

Slika 12.22 Hand off efekat

Kao to se vidi sa slike 12.22. u toku putovanja signala se predaje iz jedne elije u drugu.

Ukazaemo sada na znaaj nekih osnovnih pojmova koji se odnose na karakteristine kdove kod

celularnog telefona.

ESN Electronic Serial Number- jedinstveni 32-bitni broj koji se programira u telefonu kada seon proizvede u fazi fabrikacije.

MIN Mobile Identification Number 10-cifreni broj koji se dobija na osnovu vaeg telefonskog

broja

SID System Identification Code jedinstveni petocifreni broj koji se dodeljuje svakomkorisniku od strane specijalne komisije

Dok se za ESN smatra da je neodvojivi deo telefona, MIN i SID kdovi 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 vaem telefonu, tadatelefon zna da je roaming. MTSO elije sa kojom ste u roaming-u u kontaktu sa MTSO-om vaeg

pretplatnikog sistema (operatera) proverava svoju bazu kako bi potvrdio da SID telefona koji vi koristite

je vaei. U tom sluaju va pretplatniki sistem verifikuje telefon u lokalnom MTSO-u i prati va

telefon kako se premeta iz jedne elije u drugu. Ono to je najzanimljivije je da se sve to deava u okviru

nekoliko sekundi.

12.7.3. Celularni telefoni i CB-Civil Band

Da bi razumeli dobre strane celularnih telefona kompariraemo 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 znai da kada dva korisnika komuniciraju preko CB radia oni koriste istu frekvenciju,

http://cell-phone.swf/http://cell-phone.swf/

8/6/2019 celularne bezicne mreze

24/28

8/6/2019 celularne bezicne mreze

25/28

Prenos podataka Celularne beine mree

292

manipulisati kao to se to radi sa digitalnim signalima. To je razlog zbog ega veliki broj ''kablovskih''

kompanija prelaza sada na digitalni prenos iz razloga to se vei broj kanala moe smestiti u okviru datog

propusnog opsega.

Digitalni telefoni konvertuju govorni signal u binarnu informaciju, a zatim vre njegovu

kompresiju. Kompresija omoguava da 3 10 celularnih telefonskih poziva moe da zauzme prostor kao

jedan poziv sa analognog telefona.

Veliki broj digitalnih celularnih sistema koristi FSK (Frequency Shift Key) za prenos podataka ujednom i drugom smeru koristei 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 mrea za prenos

informacije.:

Frequency Division Multuple Access (FDMA)

Time Division Multiple Access (TDMA)

Code Division Multiple Access (CDMA)

Mada ove tehnologije mogu zvuati veoma izazovno da bi se stekao potpuni oseaj o njima

neophodno je da se razjasni znaenje svake rei koja se javlja u njihovom nazivu.

Prva re ukazuje na to koji se metod pristupa (access method) koristi. Druga redeoba (division)

ukazuje na to da se pozivi dele u zavisnosti od toga koji se metod pristupa koristi, na sledei nain:

kod FDMA svakom pozivu se dodeljuje posebna frekvencija (frequency)

kod TDMA svakom pozivu se dodeljuje odredjeni deo vremena (time) ne menjajui pri tome

frekvenciju

kod CDMA svakom pozivu se dodeljuje jedinstveni kd (code)koji se proiruje u raspoloivom

frekventnom opsegu

Zadnji deo svakog imena se odnosi na viestruki pristup (mulpitle access). Ovo znai da vie odjednog korisnika moe da koristi svaku eliju.

FDMA deli spektar na razliite govorne kanale putem deobe na delove jednakog propusnog

opsega (uniform chunks of bandwidth). Da bi bolje razumeli FDMA analiziraemo rad radio stanice.

Svaka stanica predaje svoj signal na razliitoj frekvenciji u okviru dostupnog opsega. FDMA se

uglavnom koristi za analogni prenos (analog transmission). I pored toga to se ova tehnika moekoristiti za prenos digitalne informacije, FDMA se ne smatra kao efikasan metod za digitalni prenos.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

26/28

Prenos podataka Celularne beine mree

293

Kod FDMA svaki telefon koristi razliite 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). Koristei TDMA jedan uzak opseg (narrow band) irine 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 rei. Svaka konverzacija koristi radio prenos za treinu vremena. Ovo je mogue jer govorni podaci koji su konvertovani u digitalnu

informaciju se komprimuju tako da je za njihov prenos potrebno znaajno manje prostora za predaju.

Zbog toga TDMA ima tri puta manji kapacitet u odnosu na analogni sistem koji koristi isti broj kanala.TDMA sistem moe da rade u frekventnom opsegu na 800 MHz (IS-54) ili 1900 MHz (IS-136).

8/6/2019 celularne bezicne mreze

27/28

Prenos podataka Celularne beine mree

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 neto razliit i nekompatibilan nain 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 primerWindows i Linux koji se izvravaju na Intel Pentium 4. GSM sistemi koriste

ifrovanje (encryption) kako bi uinili telefonske pozive pouzdanijim. GSM, u Evropi i Aziji, radi naopsezima 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 najvei deo Azije i Afrike. U ovim

zemljama korisnici celularnog telefona mogu da kupe jedan telefon koji e biti operativan u bilo kojoj

zemlji gde se taj standard pordava. Da bi se povezali na specifini provajder usluga (operater) u ove

razliite zemlje GSM korisnik treba da promeni samo SIM (Subscriber Identification Module) karticu.

SIM kartice su u sutini prenosivi diskovi koji se mogu umetati i vaditi iz GSM celularnih telefona. One

uvaju informaciju o svim podacima koji se odnose na povezivanje kao i identifikacione brojeve koji su

neophodni za pristup pojedinom beinom provajderu usluga (operater).

CDMA koristi sasvim razliit pristup u odnosu na TDMA. CDMA nakon digitaliziranja podataka,

prourije ih ( spreads it out) po celom dostupnom propusnom opsegu. Vei broj poziva se preklapa(overload) medjusobno po kanalu pri emu se svakom pozivu dodeljuje jedinstvena kdna sekvenca.(iunique seqvece code). CDMA predstavlja oblik proirenog spektra, to znai da se podaci alju u

manjim paketima uz pomo veeg broja dostupnih frekvencija koje stoje na raspolaganju u datom

trenutku u specificiranom frekventnom opsegu.

8/6/2019 celularne bezicne mreze

28/28