232624366-Retele-Mobile-de-Telecomunicatii-Sistemul-GSM.docx

REŢELE MOBILE DE TELECOMUNICAŢII. SISTEMUL GSM Cuprins - Pag. 1

Comunicaţii mobile şi prin satelit Reţele mobile de telecomunicaţii. Sistemul GSM

Cap1. Prezentare generală a sistemelor mobile de telecomunicaţii. 1.1 1.1. Introducere. 1.1 1.1.1. Sisteme de comunicaţii mobile 1.11.1.1.1. Sisteme private de radiotelefonie 1.11.1.1.2. Sisteme de radiomesagerie (radiopaging) 1.11.1.1.3. Sisteme de telefonie fără fir (cordless) 1.1 1.1.1.4. Sisteme celulare de telefonie mobilă (radiotelefonie celulară) 1.21.1.1.5. Sisteme de comunicaţii mobile prin satelit 1.31.1.1.6. Reţele locale fără fir (WLAN) 1.31.1.1.7. Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse. 1.3 1.1.2. Scurt istoric al sistemelor celulare de telefonie mobilă 1.4 1.2. Propagarea semnalelor prin unde radio. 1.5 1.2.1. Modelul teoretic simplificat al atenuării canalului radio. 1.7 1.2.2. Interferenţe pe canale radio. 1.7 1.3. Eficienţa spectrală a tehnicii de acces multiplu. 1.8 1.4. Tehnici de bază de acces multiplu. 1.8 1.4.1. Accesul multiplu cu divizarea frecvenţelor (FDMA). 1.9 1.4.2. Accesul multiplu cu divizarea timpului (TDMA). 1.10 1.4.3. Accesul multiplu cu divizarea codului (CDMA). 1.11 1.5. Spectrul de frecvenţă în sistemele mobile de telecomunicaţii. 1.14 1.6. Principiul reutilizării frecvenţelor în sisteme mobile de telecomunicaţii. 1.15 1.7. Mecanisme de acces la interfaţa radio. 1.15 1.8. Mecanisme de transfer ale apelurilor (handover). 1.16 1.9. Algoritmi de îmbunătăţire a performanţelor sistemelor mobile. 1.17 1.9.1. Sectorizarea celulară. 1.17 1.9.2. Divizarea celulară (splitting). 1.17

Cap2.Introducere în Sistemul Global pentru comunicaţii Mobile (GSM). 2.1 2.1. Istoricul sistemului GSM 2.1 2.2. Principiile de bază ale telefoniei celulare 2.1 2.3. Avantajele sistemului GSM 2.2 2.4. Performanţele GSM 2.2 2.5. Securitatea sistemului GSM 2.2 2.6. Servicii oferite de sistemul GSM 2.2 2.7. Informaţii generale 2.3 2.8. Arhitectura reţelei GSM 2.3 2.8.1. Staţia mobilă 2.4 2.8.2. Subsistemul staţiei de bază 2.4 2.8.3. Subsistemul reţelei 2.4 2.9. Legătura radio 2.5 2.9.1. Accesul multiplu si structura canalelor 2.5 2.9.1.1. Canalele de trafic 2.5 2.9.1.2. Canalele de control 2.6 2.9.1.3. Structura impulsului 2.6 2.9.2. Codarea semnalului vocal 2.6 2.9.3. Modularea si codarea canalelor 2.7 2.9.4. Egalizarea semnalului 2.7 2.9.5. Comutarea frecvenţelor 2.7


2.9.6. Transmisia discontinuă 2.8 2.9.7. Recepţia discontinua 2.8 2.9.8. Controlul puterii 2.8 2.10. Aspecte ale reţelei 2.8 2.10.1. Controlul resurselor radio 2.9 2.10.1.1. Pasarea convorbirilor 2.9 2.10.2. Controlul mobilităţii 2.10 2.10.2.1. Actualizarea localizării 2.10 2.10.2.2. Autentificarea si securitatea 2.11 2.10.3. Controlul conexiunii 2.11 2.10.3.1. Rutarea apelului 2.11 2.11. Concluzii si comentarii 2.12

Cap.3. Serviciile GSM. 3.1 3.1. Introducere. 3.1 3.2. Servicii de transport. 3.1 3.2.1. Noţiuni generale privind serviciile de transport GSM 3.1 3.2.2. Lista serviciilor de transport GSM. 3.4 3.3. Teleserviciile. 3.4 3.3.1. Noţiuni introductive. 3.4 3.3.2. Lista teleserviciilor. 3.5 3.4. Serviciile auxiliare. 3.6 3.4.1. Noţiuni generale. 3.6 3.4.2. Lista şi descrierea serviciilor auxiliare GSM. 3.6

Cap.4. Arhitectura stratificată funcţională GSM. 4.1 4.1. Arhitectura canonică a sistemului GSM. 4.1 4.2. Nivele arhitecturale funcţionale GSM. Prezentare generală. 4.2 4.2.1. Arhitectura funcţională a subsistemului BSS+MS. 4.2 4.2.2. Arhitectura funcţională a subsistemului NSS. 4.4 4.2.3. Interfeţe GSM. 4.5

Cap.5. Numerotarea, criptarea transmisiei şi securizarea accesului în sistemul GSM. 5.1 5.1. Numerotarea în sistemul GSM. 5.1 5.2. Criptarea transmisiei şi securizarea accesului pe mediul radio în sistemul GSM. 5.5 5.2.1. Securizarea accesului utilizatorului în sistem. 5.5 5.2.2. Criptarea transmisiei pe mediul radio. 5.6 5.2.3. Securizarea accesului echipamentului în sistem. 5.7

Cap.6. Interfaţa radio în sistemul GSM. 6.1 6.1. Introducere. 6.1 6.2. Canalele logice în sistemul GSM. 6.2 6.2.1. Canale logice dedicate (individuale) 6.2 6.2.2. Canale logice comune 6.3 6.3. Structura temporală a canalelor fizice în sistemul GSM. 6.4 6.4. Maparea canalelor logice pe canale fizice. 6.76.5. Transmiterea semnalelor vocale pe mediul radio. 6.8

6.6. Tehnica salturilor (modificărilor) de frecvenţă (SFH) 6.9 6.7. Transmisia şi recepţia pe mediul radio 6.10 6.8. Lanţul de transmisie si lanţul de recepţie 6.10


Cap.7. Procedurile de semnalizare specifice GSM. 7.1 7.1. Introducere. 7.1 7.2. Proceduri de gestionare a mobilităţii şi a apelurilor. 7.2 7.2.1. Proceduri de selecţie a PLMN şi a celulei de serviciu. 7.2 7.2.1.1. Sincronizarea terminalului pe purtătoarea de difuzare. 7.2 7.2.1.2. Selecţia PLMN. 7.2 7.2.1.3. Determinarea şi selecţia celulei de serviciu. 7.2 7.2.2. Proceduri de gestionare a mobilităţii. 7.4 7.2.3. Proceduri de gestionare a apelurilor. 7.5 7.2.3.1. Gestionarea apelurilor provenite din reţeaua mobilă şi destinate reţelei fixe. 7.5 7.2.3.2. Gestionarea apelurilor reţea fixă —> reţea mobilă. 7.7 7.3. Proceduri de semnalizare pentru gestionarea transferurilor (handover). 7.8 7.3.1. Introducere. 7.8 7.3.2. Proceduri de semnalizare specifice mecanismelor de transfer. 7.9 7.3.2.1. Transferuri BSS. 7.10 7.3.2.2. Transferuri intra-MSC. 7.11 7.3.2.3. Transferuri inter-MSC. 7.12

Cap.8. Arhitecturi de interconectare între reţelele mobile GSM şi reţele fixe 8.1 8.1. Introducere 8.1 8.2. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua telefonică comutată (interconectare GSM-PSTN 8.2 8.2.1. Interconectarea între utilizatori ai serviciului de date 8.2 8.2.2. Interconectarea a doi utilizatori ai serviciului de facsimil 8.3 8.3. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua ISDN (GSM-ISDN) 8.3 8.4. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua de date cu comutaţie de circuite (GSM-CSPDN) 8.4 8.5. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua de date cu comutaţie de pachete (GSM-PSPDN) 8.5

ANEXĂ. Abrevieri a.1

CAP.1. Prezentare generală a sistemelor mobile de telecomunicaţii

1.1. Introducere

1.1.1. Sisteme de comunicaţii mobile

Termenul actual de sistem de comunicaţii mobile desemnează orice sistem de comunicaţie în care cel puţin unul dintre terminale poate fi mobil chiar daca la un moment dat nu este. În aceasta accepţiune comunicaţiile mobile au mai multe ramuri:

- mobile – terestre;- maritime – mobile;- aero – mobile;- satelit – mobile.


Acestea au evoluat relativ independent. În prezent se constată o tendinţă accentuată pentru integrarea si inter-operarea lor în cadrul unui sistem global de comunicaţii . Se pot evidenţia şapte grupe care includ mai mult sau mai puţin riguros sistemele mai răspândite:

- Sisteme private de radiotelefonie;- Sisteme de radiomesagerie (radiopaging);- Sisteme de telefonie fără fir (cordless);- Sisteme de radiotelefonie celulară (sisteme celulare de telefonie mobilă);- Sisteme de comunicaţii mobile prin satelit;- Reţele locale fără fir (WLAN);- Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse.

1.1.1.1. Sisteme private de radiotelefonie

Pot fi definite drept sisteme de comunicaţii radio care oferă legături de comunicaţie simplex dau duplex între membrii unor grupuri de utilizatori, asigurând mobilitatea pe un teritoriu limitat. Aceste sisteme pot să fie interconectate sau nu cu alte sisteme de comunicaţii. Sunt primele sisteme de comunicaţii mobile care au fost instalate. Variantele convenţionale foloseau unul sau mai multe canale de comunicaţie, utilizatori selectând in canal liber prin supravegherea legăturilor în desfăşurare. Din acest motiv nu se putea asigura confidenţialitatea şi nici o utilizare eficientă a canalelor radio.

1.1.1.2. Sisteme de radiomesagerie (radiopaging)

Sunt sisteme unilaterale de transmitere de mesaje pe arii largi. Legătura radio este optimizată pentru a se beneficia de avantajul asimetriei. Se utilizează radioemiţătoare de putere mare (de la sute de waţi la kilowaţi) cu antene degajate. În acest mod receptoarele pot fi de dimensiuni reduse (de buzunar), de complexitate mică, cu consum energetic redus deci cu autonomie mare deşi se folosesc baterii mici. De asemenea, semnalele transmise fiind puternice se asigură o recepţie corespunzătoare în cele mai vitrege condiţii, inclusiv în clădiri. Toate aceste consideraţii au făcut ca, deşi legătura oferită este săracă din punct de vedere informaţional (absenţa liniei de răspuns), sistemele de radiopaging să cunoască un ritm de dezvoltare remarcabil comparabil cu cel al sistemelor de telefonie celulară.

1.1.1.3. Sisteme de telefonie fără fir (cordless)

Pot fi caracterizate drept sisteme care oferă extinderea reţelei telefonice fixe prin legături radio bilaterale de voce folosind putere mica şi asigurând o mobilitate redusă a terminalului. Generaţia analogică a sistemelor cordless a apărut prin anii 1970 şi s-a bucurat de la început de un succes remarcabil. În anii care au urmat s-a evoluat generaţia numerică reprezentată în Europa de o variantă CT-2 şi DECT (Digital Enhanced (European) Cordless Telephone), PHS (Personal Handiphone System) în Japonia etc. În faza iniţială telefoanele fără cordon au fost concepute pentru a oferi comunicaţii telefonice, în cursul cărora utilizatorul nu are contact fizic cu terminalul de abonat, în interiorul reşedinţelor. În acest scop cordonul telefonic este înlocuit cu o legătură radio între terminalul conectat la reţeaua telefonică şi un terminal mobil. Într-o etapă ulterioară aceste sisteme şi-au extins aria de aplicaţii şi în afara reşedinţelor.

1.1.1.4. Sisteme celulare de telefonie mobilă (radiotelefonie celulară)


Sunt sisteme care pot asigura transmisiuni locale, bilaterale, pe o arie de acoperire mare, către utilizatori cu mobilitate mare. Prin mobilitate mare se subînţelege atât viteza de deplasare cât şi posibilitatea de circulaţie liberă (roaming) la nivel naţional şi internaţional. Evoluţia sistemelor celulare a început în urmă cu circa 50 de ani dar implementarea efectivă s-a materializat la sfârşitul anilor `70. Ele îmbină accesul radio cu infrastructură formată dintr-o reţea complexă dotată cu inteligenţă adecvată pentru administrarea mobilităţilor utilizatorilor. Staţiile de bază utilizate folosesc, de regulă, puteri de ordinul waţilor. Puteri de acest ordin ca şi antene eficiente sunt accesibile staţiilor de bază şi staţiilor mobile montate pe vehicule, nu şi terminalelor de buzunar. Mai mult dacă utilizatorul unui astfel de terminal se află într-o clădire, semnalul este atenuat suplimentar de către pereţi. Ca urmare serviciile de care beneficiau utilizatorii acestora au fost multă vreme inferioare celor asigurate de staţiile montate pe vehicule. Cu toate aceste impedimente terminalele portabile au devenit foarte populare reprezentând în prezent referinţa pentru evaluarea calităţii. În prezent eforturile se îndreaptă spre mărirea autonomiei şi spre reducerea bateriei. Sistemele celulare de început au aparţinut generaţiei analogice FDMA remarcabile fiind AMPS în SUA, NMT în Europa şi MCS în Japonia. De remarcat că această generaţie nu a fost subiectul unei coordonări internaţionale; aşa se explică faptul că au existat foarte multe soluţii de importanţă naţională. De exemplu în Japonia au fost instalate 6 sisteme iar în Europa un număr comparabil. Trecerea la generaţia numerică a beneficiat de experienţa acumulată în instalarea şi operarea reţelelor din generaţia analogică şi au rezultat sisteme care s-au impus pe arii mult mai largi:

- GSM, DCS1800 – în Europa;- USDC – (IS54) – în SUA;- IDC (PDC) – în Japonia;- varianta CDMA, IS-95, instalată în SUA.

În conceperea şi proiectarea acestor sisteme s-a urmărit o utilizare cât mai eficientă a spectrului şi o maximizare a capacităţii de preluare a traficului la nivelul fiecărei celule. Rămânând la nivelul generaţiei a doua, analiza comparativă a sistemelor prezentate pune în evidenţă o serie de trăsături comune:

- codarea vorbirii cu o rată redusă (13kb/s sau chiar 8kb/s), ceea ce a dus la creşterea numărului de utilizatori pe unitatea de bandă pe seama calităţii transmisiunii audio; acest efect este accentuat atunci când trebuie realizate operaţii de transcodare.

- întârzierea mare a transmisiunii (200ms pe un circuit dus-întors) provocată de complexitatea prelucrării semnalului audio; această întârziere este comparabilă cu cea de pe legăturile prin satelit; este o valoare de la care se consideră că se afectează calitatea transmisiunii.

- complexitatea ridicată a prelucrării semnalului atât pentru codarea convorbirii cât şi pentru demodulare;

- alocare fixă a canalelor de comunicaţie;- realizarea perechii duplex prin diviziune în frecvenţă (FDD);- controlul puterii terminalului mobil.

Observând aceste caracteristici se constată că spre deosebire de sistemele cordless aici s-a acceptat consum energetic ridicat la emiţător, complexitate ridicată a terminalului de abonat, calitatea, relative redusă a semnalului vocal recepţionat şi o complexitate ridicată a reţelei. În ultimii ani comunicaţiile celulare evoluează spre utilizarea unor celule din ce în ce mai mici (microcelule). Pe această cale se asigură o capacitate mărită pentru a putea prelua traficul din ariile cu o densitate mare de utilizatori. În acelaşi timp această soluţie duce la creşterea autonomiei terminalelor de abonat prin reducerea puterii de emisie mai ales dacă se foloseşte controlul puterii emise, măreşte capacitatea sistemului, ameliorează comunicaţia în clădiri mari sau în locuri umbrite prin montarea adecvată a unor staţii de bază, reducând totodată preţul de cost per canal de


comunicaţie instalat. Această tendinţă conduce la o apropiere faţă de sistemele digitale cordless şi readuce în prim plan problema mobilităţii în cazul terminalelor de viteză mare. Pentru a rezolva această problemă se apelează la concepte noi cum ar fi: reţele suprapuse, celule umbrelă etc.

1.1.1.5. Sisteme de comunicaţii mobile prin sateliţi

Pot fi caracterizate ca sisteme capabile să asigure transmisiuni bilaterale (sau unilaterale) de voce sau de date către vehicule împrăştiate pe o arie foarte largă (chiar la nivel global). Calitatea transmisiunilor este redusă. Aceste sisteme pot fi considerate ca o limită pentru sistemele mobile constituite în jurul unor staţii de bază scumpe cu arii de acoperire mare. Dintre sistemele din această categorie cele mai cunoscute sunt: Iridium, Odisey, Globalstar etc. Trebuie menţionat şi sistemul INMARSAT destinat comunicaţiilor cu navele aflate pe mare. Instalarea acestor sisteme se poate pe diverse tipuri de sateliţi:

- sateliţi de orbită joasă (LEOS – Low Earth Orbit Satellites);- sateliţi geostaţionari (GEOS – Geostationary or Geosynchronous Orbit

Satellites ;- sateliţi de putere medie.

1.1.1.6. Reţele locale fără fir (WLAN)

Pot fi caracterizate ca sisteme de comunicaţie dedicate transmiterii de date de viteză mare în interiorul unui campus sau în clădiri mai mari asigurând mobilitate redusă pentru terminalele de date. Aria de acoperire de la terminalul radio, este ca şi în cazul sistemelor cordless, redusă, de ordinul a zeci sau, cel mult, sute de metri. Cu alte cuvinte extensia asigurată se limitează la o cameră mai mare sau la câteva camere alăturate. Astfel de sisteme există de mai mulţi ani dar evoluţia lor a fost oarecum haotică. Sunt în exploatare variante oferite de diverşi producători acoperind o gamă largă de configuraţii şi asigurând viteze de transmisiune mergând de la sute de kb/s la paste 10 Mb/s. Evoluţia contradictorie se poate explica şi prin aceea că numărul de utilizatori este mult mai mic decât cel al sistemelor dedicate transmiterii de voce.

1.1.1.7. Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse

Sunt sisteme care asigură transmisiuni de date cu viteză mică pentru vehicule şi pietoni, asigurând mobilitate ridicată şi arie de acoperire mare. Asemenea sisteme au fost instalate de mai mulţi ani în oraşe mari din SUA sau Europa, dar nu s-au bucurat de dezvoltarea sistemelor de transmitere audio. Exemple de astfel de reţele sunt: ARDIS oferită de compania Motorola şi RAM oferită de Ericsson. Cele două reţele au fost concepute pentru a folosi canalele radio bilaterale constituite pentru transmisiuni radio – telefonice de voce. Treptat, aceste reţele se apropie de arhitectura sistemelor moderne celulare având la bază microcelule cu staţii de bază apropiate, mici, ieftine conectate la o infrastructură fixă. Un exemplu de reţea cu astfel de caracteristici este cea instalată de compania METRICON în San Francisco şi care poate asigura transmisiuni cu cca 75kb/s.

1.1.2. Scurt istoric al sistemelor celulare de telefonie mobilă

Dezvoltarea telefoniei mobile, în special în deceniul 1980-1990, a condus la apariţia a numeroase sisteme (NMT - în ţările nordice, TACS - în Marea Britanie, AMPS - în SUA) şi la creşterea numărului de abonaţi (la începutul lui 1990 existau aproximativ 1 milion de abonaţi în Europa). Principala problemă, apărută încă de la începutul anilor '80, a fost incompatibilitatea între sisteme mobile diferite: de exemplu, un abonat al sistemului NMT îşi putea folosi telefonul mobil numai pe teritoriul ţărilor care aveau reţea mobilă NMT. Odată intrat într-o ţară cu un alt sistem mobil, diferit de NMT, telefonul său mobil devenea inutilizabil.


A apărut astfel ideea creării unui sistem mobil pan-european, care pe lângă rezolvarea problemei anterior menţionate, trebuia să aibă şi o serie de alte avantaje faţă de sistemele clasice, avantaje dintre care menţionăm:

- să asigure o calitate corespunzătoare a serviciilor clasice de telefonie;- să utilizeze soluţii simple de proiectare care să permită obţinerea unor terminale mobile cu

preţuri cât mai mici, concomitent cu costuri cât mai mici aferente instalării şi întreţinerii echipamentelor de infrastructură a reţelei mobile (pentru a permite obţinerea unor costuri cât mai mici pentru serviciile asigurate);

- să diversifice (comparativ cu sistemele analogice) gama de servicii;- să fie compatibil cu reţeaua digitală cu integrarea serviciilor ISDN;- să asigure o utilizare cât mai eficientă a spectrului radio disponibil (în scopulde a putea

avea un număr cât mai mare de abonaţi);Prima decizie importantă pentru crearea acestui nou sistem mobil a fost luată în 1982 de

CEPT (Conference Europeene de Postes et Telecommunications) care a alocat pentru noul sistem mobil următoarele benzi de frecvenţă:

- 890 - 915 MHz pentru comunicaţia în sensul mobil -> staţie de bază;- 935 - 960 MHz pentru comunicaţia în sensul staţie de bază -> mobil;Tot în 1982, CEPT a hotărât crearea unui grup special de lucru, numit GSM (Group Speciale

Mobile) care să lucreze la specificaţiile noului sistem mobil. Începând de la această dată, mai multe firme din diverse ţări europene au început să lucreze pentru identificarea unei structuri optime a noului sistem mobil.În 1986, GSM a primit 9 propuneri distincte detaliate privind noul sistem pan-european. Timp de un an au fost analizate cele 9 propuneri (testări, simulări experimentale etc.) ceea ce a permis comitetului să ia deciziile privind cele mai generale aspecte ale noului sistem mobil. Astfel, acesta urma să fie un sistem digital care utiliza o tehnică de acces mixtă (FDMA/TDMA - acces în frecvenţă cu multiplexare în timp) etc.În 1987, la Copenhaga, 13 ţări europene au semnat un memorandum în care recunoşteau necesitatea creării unui sistem mobil universal, pan-european.

În 1991 apar recomandările GSM, care sunt grupate în 12 serii în peste 5000 pagini, ceea ce reflectă complexitatea sistemului adoptat. Tot în acelaşi an au loc alte evenimente care vor marca decisiv naşterea noului sistem: realizarea primei comunicaţii între un utilizator GSM şi un utilizator PSTN, realizarea primei comunicaţii care a implicat un transfer al apelurilor (handover), deschiderea primelor sisteme experimentale în Europa de Vest. În 1992 se deschid primele sisteme GSM comerciale. Succesul sistemului a fost şi este covârşitor, ajungându-se la sfârşitul lui 1994 ([JS96]) la 5 milioane de abonaţi, fiind în mare creştere. Avantajele noului sistem, comparativ cu sistemele analogice, sunt numeroase, dintre care amintim: compatibilitate cu reţelele fixe existente (inclusiv ISDN), apariţia unor servicii avansate (fax etc.), creşterea confidenţialităţii apelurilor, sensibilitatea mai redusă la interferenţe, o mai bună utilizare a spectrului radio (prin utilizarea tehnicilor de modulaţie digitală etc.)

Ne propunem în acest capitol să dăm o imagine de ansamblu asupra celor mai importante aspecte legate de arhitectura şi funcţionalitatea sistemului GSM. Structurarea materialului permite o trecere logică şi graduală de la arhitectura generală a sistemului până la mecanisme prin care se realizează funcţiuni particulare ale sistemului. Nu vom face însă aici referiri la soluţii particulare de implementare; acestea urmează a fi prezentate într-un capitol ulterior.

Principalele date tehnice ale sistemului sunt:- banda de frecvenţă: 900 - 1800 MHz;- transmisie numerică pe canale FDMA/TDMA;- puterea tipică a terminalelor fixe la 900 MHz: 0,82 - 8W;- debit brut: 271 kb/s;- debit util pentru transmisiunile de voce: 13 kb/s;- debit util pentru transmisiunile de date: maxim 12 kb/s.


1.2. Propagarea semnalelor prin mediul radio

În mediul radio există numeroase cauze care provoacă alterarea semnalului la parcurgerea drumului între sursă şi destinaţie. Efectul diverşilor factori de mediu asupra calităţii semnalului recepţionat presupune, pentru un studiu detaliat, un aparat matematic relativ pretenţios, pe care nu-1 vom prezenta. Ne propunem să evidenţiem principalii factori ce influenţează propagarea semnalelor în mediul radio, punctând, acolo unde nu este prea complicat, dependenţele teoretice ale diferiţilor parametri ai semnalului recepţionat de diverşi parametri de mediu. În sistemele mobile de telecomunicaţii, una din problemele esenţiale o constituie fenomenele apărute ca urmare a propagării semnalelor în mediu liber. Astfel, semnalul recepţionat de un mobil (sau staţie de bază) cuprinde o componentă datorată propagării directe între emiţător şi receptor, precum şi o sumă de componente provenite din reflexii, refracţii proprii topologiei mediului (clădiri, sol, vegetaţie etc.). Reţinem că în marea majoritate a situaţiilor nu există o cale directă de recepţie, de unde şi suprapunerea peste semnalul emis a unor componente datorate reflexiilor.

O primă clasificare distinge trei categorii de distorsiuni în mediu radio:- distorsiuni de frecvenţă (efectul Doppler datorat mişcării mobilelor);- distorsiuni de amplitudine (cauzate de ceea ce literatura de specialitate numeşte fading Rayleigh);- distorsiuni de fază (are loc dispersia timpilor de propagare cauzată de propagarea pe căi multiple).

O altă clasificare a factorilor ce afectează calitatea semnalului transmis pe mediul radio identifică printre aceştia:

a) distanţa emiţător-receptor - la propagarea semnalului prin mediu radio, acesta este ate-nuat proporţional cu inversul pătratului distanţei emiţător-receptor.

Între puterea emisă, cea recepţionată şi distanţa emiţător-receptor există relaţia:

PR=PT⋅GT⋅GR⋅( λ4 πd )

2

(1.1)unde: PR = puterea recepţionată; PT = puterea transmisă; GT GR= câştigurile la transmisie/recepţie;

Fig. 1. Arhitectura generală simplificată a unui sistem mobil de telecomunicaţii


d = distanţa emiţător-receptor; = c/f(f= frecvenţa semnalului, - lungimea de undă a semnalului).Din (1.1) se obţine imediat:

PR

PT

=GT⋅GR⋅( c4 π fd )

2

(1.2)

Relaţia (1.2) arată clar că pentru aceeaşi parametri şi , raportul este

proporţional cu 1/ , de unde se poate deduce că, prin creşterea frecvenţei de lucru a sistemului, va scădea atenuarea datorată propagării în mediul radio. Acesta este unul din motivele pentru care noile sisteme mobile sunt proiectate să lucreze într-o gamă de frecvenţe cât mai ridicată;

b) Reflexiile datorate unor suprafeţe precum apa, solul etc. În acest caz, semnalul recepţio-nat va avea cel puţin două componente: o componentă directă şi o componentă obţinută prin reflexie. În general, a doua componentă nu este în fază cu prima, ceea ce conduce la distorsiuni ale semnalului recepţionat.

Un model foarte simplu de studiu al acestui tip de reflexii este prezentat în figura 2.

Fig. 2. Modelul simplificat de calcul al efectului reflexiilor la propagarea prin mediu radio

În ([WY93]) se demonstrează că: (1.3)

Pentru rad, din (1.3), cu aproximarea sin x x, cos x 1, pentru x «1 se obţine

(1.4)

Relaţia (1.4) descrie influenţa parametrilor h şi d asupra raportului atunci când se iau

în calcul reflexiile. Se observă imediat dependenţa raportului de 1/d4, comparativ cu dependenţa de l/d2, în cazul în care nu se consideră şi reflexiile. Aceasta ne arată că, în cazul considerării efectului dat de reflexii, pe distanţe mari, atenuarea semnalului devine mult mai pronunţată;

c) Absorbţiile atmosferice: datorate oxigenului, apei din atmosferă etc.;d) Efecte de umbrire: în calea semnalului între staţia de bază şi mobil, respectiv între mobil

şi staţia de bază, pot exista obstacole ca vegetaţie, clădiri etc., obstacole ce vor produce o atenuare suplimentară a semnalului;

e) Difracţii multiple: datorate denivelărilor de teren.


Efectele enumerate anterior produc o aşa numită atenuare (fading) pe arii largi a semnalelor în mediul radio. Aceasta are ca rezultat o valoare medie a semnalului recepţionat (medie spaţială efectuată pe un interval de câteva zeci de lungimi de undă a semnalului), sau altfel spus, valoarea semnalului recepţionat se mediază în spaţiu pe o distanţă de câteva zeci de lungimi de undă, mai mică decât cea a semnalului emis. Dintre factorii care produc atenuare locală (adică pe lungimi spaţiale de câteva lungimi de undă ale semnalului) amintim:

f) Căile multiple de propagare;g) Viteza mobilului: fading datorat efectului Doppler. Acest efect se manifestă printr-o

deviaţie a frecvenţei semnalului recepţionat faţă de semnalul emis, dată de relaţia:

f d=fvc cos (α )

(1.5)unde: v = viteza mobilului; f = frecvenţa semnalului; c = viteza luminii; = unghiul între direcţia emiţător-receptor şi direcţia de deplasare a mobilului.

În figura 3 se prezintă schematic parametrii ce caracterizează fadingul datorat efectului Doppler.

Fig. 3. Parametrii caracteristici fading-ului datorat efectului Doppler

h) Inexistenţa unei căi directe de propagare mobil staţie de bază- fading Rayleigh.În concluzie, atenuările pe arii largi sunt observabile pe o rază de câteva zeci de lungimi de

undă în jurul mobilului, pe când atenuarea locală este observabilă în zona unde este localizat mobilul (implicit ea se va modifica la deplasarea mobilului).

1.2.1. Modelul teoretic simplificat al atenuării canalului radioSe poate aproxima atenuarea canalului radio printr-un model format din trei componente:

(1.6) unde:

= atenuare datorată distanţei emiţător-receptor (atenuare introdusă de mediul radio);

= atenuarea datorată efectului de mascare (nu există o cale directă de propagare între emiţător şi receptor);

= atenuare datorată propagării pe trasee multiple.

Raportul este dat de relaţia: (1.7)unde: f = frecvenţa semnalului; r = distanţa emiţător-receptor; , = constante.

este un factor constant în timp, dar depinde de distanţa emiţător-receptor şi de banda de frecvenţă în care funcţionează sistemul. Uzual [2, 4] şi = 2. A2 şi A3 se pot modela probabilistic (A2 după o lege logaritmică şi A3 după o lege Rayleigh).

1.2.2. Interferenţe pe canale radioAlături de cauzele ce produc alterarea semnalului radio la recepţie, mai apar şi interferenţele

(suprapunerile) semnalului util cu alte semnale radio. Interferenţele pe canalele radio se pot clasifica


în mai multe categorii:- interferenţe independente de sistemul mobil - sunt cauzate de zgomotul termic şi zgomotul extern (de exemplu zgomote parazite urbane şi industriale);- interferenţe de canal identic (co-channel). Sunt interferenţe care apar datorită faptului că doi utilizatori mobili, situaţi în puncte diferite ale sistemului emit pe o aceeaşi frecvenţă;-interferenţe de canal adiacent (adiacent channel). Sunt interferenţe care apar atunci când utilizatori diferiţi utilizează într-o aceeaşi arie geografică, canale radio adiacente în spectru.

Se poate scrie :PR=PT+interferenţe+zgomot de fond ; PR= C+I+NW

unde:N = valoarea medie a componentei de zgomot; W = banda de frecvenţe a componentei de zgomot; PR = puterea recepţionată; Pr = puterea transmisă; I = nivelul interferenţelor.

În sistemele mobile, pentru evaluarea clarităţii semnalului şi a nivelului semnalelor perturbatoare se foloseşte ca referinţă raportul C/I.

1.3. Eficienţa spectrală a tehnicii de acces multiplu

Termenul “acces multiplu” îşi are originea în comunicaţiile prin satelit şi defineşte acelaşi lucru ca termenii multiplexare şi trunchiere. Termenul de acces multiplu se aplică mixării semnalelor RF la frecvenţa benzii de bază. Scopul tehnicilor de acces multiplu este de a combina semnale de la diferite surse într-un mediu de transmisie comun, astfel încât, la destinaţie, semnalele diferite sau canalele să poată fi separate fără interferenţă mutuală. În echipamentele radio mobile celulare, utilizarea tehnicilor de acces multiplu rezultă din necesitatea de a împărţi o zona limitată din spectrul radio între mai mulţi utilizatori.

Termenii de modulaţie şi multiplexare sunt foarte des confundaţi şi interschimbaţi, aceştia fiind de natură complet diferită. Pentru a percepe mai clar diferenţa dintre cei doi termeni, aceştia vor fi definiţi astfel:Modulaţia – procesul utilizat pentru a transforma semnale de informaţii în semnale de transmisie.Multiplexarea – procesul utilizat pentru separarea diferitelor canale de informaţii transmise prin intermediul aceluiaşi mediu.

1.4. Tehnici de bază de acces multiplu

În cadrul sistemelor celulare terestre radio mobile, tehnicile de acces multiplu permit multor utilizatori să împartă, în cel mai eficient mod, posibilităţile limitate ale unui spectru radio. În funcţie de alocarea canalului vocal către utilizatorii sistemului, accesul multiplu poate fi clasificat în trei categorii, după cum urmează:

a) Pre-asignare. În astfel de sisteme, utilizatorului îi este alocat în mod permanent (asignat) un canal vocal, chiar dacă acesta este folosit sau nu.

b) Asignare la cerere. În acest caz, utilizatorului îi este alocat un canal vocal la comandă (la cerere) dintr-un grup de canale disponibile. După ce convorbirea s-a terminat, canalul este “returnat” sistemului, acelaşi canal fiind apoi disponibil pentru alţi utilizatori.

c) Acces aleator. În sistemele cu acces aleator, utilizatorii sistemului încearcă să acceseze canalele în mod aleator, fără a ţine seama de sistem. Sunt posibile în acest caz “ciocniri” între utilizatorii concomitenţi care încearcă să acceseze acelaşi canal. Canalele sunt returnate sistemului atunci când convorbirea s-a încheiat.

Pre-asignarea este ineficientă la utilizarea în sistemele celulare, cu toate că unele canale trebuie să fie pre-asignate serviciilor de urgenţa din cadrul sistemului. Cea mai eficientă este asignarea la cerere şi este folosită în mod frecvent în sistemele celulare actuale. Accesul aleator este

Fig. 4. Utilizarea spectrului în sisteme cu acces simplu.


o posibilitate, dar frecvenţa ”ciocnirilor” devine inacceptabil de mare în timpul orelor de trafic maxim. În realitate, unele sisteme folosesc accesul aleator ca parte a arhitecturii accesului la cerere cu scopul de a accesa un canal disponibil de către utilizatori.

În funcţie de separările semnalelor, există trei tehnici de bază de acces multiplu: - acces multiplu cu divizarea frecvenţelor (FDMA) - acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA) - acces multiplu cu divizarea codului (CDMA)

1.4.1. Accesul multiplu cu divizarea frecvenţelor (FDMA)Acest tip de acces a fost implementat în primele sisteme mobile şi se caracterizează prin

faptul că un canal radio poate fi folosit, la un moment dat, de un singur utilizator. Astfel, dacă un utilizator ce doreşte realizarea unei convorbiri primeşte canalul i, un alt utilizator va putea realiza o convorbire pe acelaşi canal i numai după ce primul eliberează canalul. Presupunând n utilizatori ce desfăşoară convorbiri simultan în sistem, o posibilă alocare a canalelor radio în sistemele cu acces simplu este prezentată în figura 4.

În acest caz, există posibilitatea ca doi utilizatori, apropiaţi ca distanţă, să utilizeze simultan canale vecine în frecvenţă, ceea ce produce fenomenul numit interferenţă de canal adiacent. Pentru minimizarea acestui tip de interferenţă este necesară existenţa unei distanţe în frecvenţă între canale (bandă de gardă sau bandă de separaţie).

Cu ajutorul tehnicii FDMA, utilizatorii împart spectrul radio în domenii de frecvenţă. Acest lucru se realizează prin divizarea întregii lăţimi de bandă disponibilă sistemului în sub-benzi de frecvenţe înguste (canale vocale), după cum se ilustrează în figura a. Spaţierea canalelor este dictată de tehnica de modulaţie utilizată; de exemplu ea este de 5 KHz pentru SSB şi 25 sau 30 KHz pentru FM. Fiecare dintre canalele vocale este alocat numai unuia dintre utilizatorii concomitenţi pe durata comunicaţiei. FDMA este mai adecvată pentru sisteme de modulaţie analogică, cum ar fi FM, AM şi SSB. Aceste sisteme de modulaţie folosesc tehnica FDMA combinată cu duplexarea frecvenţei.

Avantajele FDMA:a) Nu există îndoieli în ceea ce priveşte fezabilitatea sa.b) Tehnologie bine concepută şi sigură.c) Tehnologie flexibilă.d) Nu necesită egalizarea canalelor.Dezavantajele FDMA:a) Complexitatea staţiei de bază şi necesitatea unui duplexor la staţia mobilă.

b) Cerinţe de stabilitate pentru frecvenţele purtătoare, în particular, pentru spaţierile de canal înguste, cum sunt cele utilizate in SSB.

c) Protecţia împotriva unui fading major este dificil de realizat, în special pentru mobilele ce se deplasează cu viteză redusă.d) Numărul de comunicaţii simultane este redus deoarece, la un moment dat, o purtătoare poate suporta o singură convorbire;

e) Existenţa benzii de separaţie, produce o micşorare a numărului de canale radio din

sistem.

t

Fig. (b) f

t

fFig. (a)

f

t

Fig. (d)f

t


Primul dezavantaj face inacceptabilă această tehnică de acces la mediu, în condiţiile necesităţii obţinerii de sisteme de capacităţi ridicate.

Fig. 5. Tehnici de baza de acces multiplu: a) FDMA; b) WB-TDMA; c) NB-TDMA; d) CDMA

1.4.2. Acces multiplu cu divizarea timpului (TDMA)Ideea de bază a acestui tip de acces este multiplexarea în timp, pe o aceeaşi frecvenţă radio,

a două sau mai multe comunicaţii. Pe fiecare canal, timpul este decupat în sloturi de durată T. Un număr de M sloturi formează un cadru TDMA (unde M este o valoare dependentă de implementare). Fiecare utilizator mobil poate utiliza pe acelaşi canal unul sau mai multe sloturi. Reluând exemplul din paragraful precedent, pentru m < M, cei m utilizatori vor putea folosi aceeaşi purtătoare radio.

Cu tehnica TDMA, utilizatorii din sistem împart spectrul radio în domeniul timpului. Aceasta se realizează prin alocarea unei fracţiuni de timp unuia şi numai unuia dintre utilizatorii concomitenţi pentru întreaga durată a comunicaţiei. Pe durata acestei fracţiuni de timp, utilizatorul are acces la întreaga bandă de frecvenţă disponibilă sistemului. Acest caz se referă la TDMA de bandă largă (WB-TDMA, fig.b). Alternativ, in TDMA de bandă îngustă (NB-TDMA), utilizatorului i se permite accesul numai la o parte din banda de frecvenţa disponibilă sistemului, după cum se prezintă în fig. c. În cadrul NB-TDMA, spaţierea canalelor este mărită pentru a se permite divizarea timpului între puţini utilizatori, dar rămâne sub lăţimea de bandă coerentă. În cazul WB-TDMA, oricum, spaţierea canalelor este mult deasupra lăţimii de bandă coerentă. Tehnicile TDMA se pretează mult mai bine sistemelor digitale.

Avantajele NB-TDMA:a) Tehnologie bine concepută.b) Cerinţele pentru stabilitatea oscilatorului sunt mult mai puţin stringente în raport cu

FDMA.c) Este posibil să se evite filtrele duplex la staţiile mobile prin selectarea de fracţiuni de timp

diferite, atât pentru transmisie cât şi pentru recepţie.d) Codarea se poate implementa uşor.

Fig. (c)


Dezavantajele NB-TDMA:a) Sunt posibile unele probleme de egalizare .b) Este necesară sincronizarea dintre mobil şi staţiile de bază, ceea ce poate fi o problemă

serioasă pentru vecinătatea mobilului.c) Necesitatea unor durate mai mari pentru timpul de preambul şi timpul de siguranţă poate

avea un impact semnificativ asupra eficienţei spectrului.Avantajele WB-TDMA: a) Diversitatea inerentă a frecvenţelor datorată fading-ului multiplu.b) Se pot evita filtrele duplex în staţia mobilă prin selectarea de fracţiuni de timp diferite

pentru transmisie şi recepţie.Dezavantajele WB-TDMA:a) Tehnologie mai puţin elaborată decât cea folosită în sistemele cu NB-TDMA.b) O problemă de egalizare dificilă care necesită un sistem eficient de egalizare.c) Este necesară sincronizarea dintre mobil şi staţiile de bază, ceea ce poate fi o problemă

serioasă în cazul vecinătăţii mobilului.d) Necesită largi benzi continue de frecvenţă, care nu pot fi disponibile întotdeauna şi

oriunde.e) Este necesară o procesare de mare viteză.f) Necesită un control al puterii pentru a preîntâmpina efectul aproape-departe în care

puterea de la un utilizator situat aproape de staţia de bază ar putea acoperi în cadrul aceleiaşi celule utilizatorii îndepărtaţi.

g) Necesitatea unor timpi de preambul şi de siguranţă poate avea un impact semnificativ asupra eficienţei spectrului.

Fig. 6. Utilizarea spectrului în sisteme cu acces multiplu

1.4.3. Accesul multiplu cu divizarea codului (CDMA)În ultimii 15 ani, CDMA a înregistrat un ritm rapid de creştere, devenind o tehnologie

extrem de sofisticată. Derivată iniţial din nevoia de securitate a comunicaţiilor, CDMA a fost dezvoltată comercial începând cu mijlocul anilor 1980 de către una din cele mai avansate companii de telecomunicaţii din lume, Qualcomm Inc., cu sediul în San Diego, California.

CDMA este acronimul de la Code Division Multiple Acces şi este una dintre aşa numitele tehnologii cu „spectru dispersat” (spread spectrum), un grup de tehnici digitale de comunicaţie bazate pe folosirea undelor electromagnetice într-un spectru de lungime de undă mult mai mare decât ar fi necesar semnalului original. Aceasta ultimă caracteristică permite aplicaţii care au nevoie de lărgimi de bandă mari – precum Internetul de mare viteză – şi reduce interferenţele şi zgomotul. Mesajele sunt divizate în pachete, fiecărui pachet fiindu-i atribuit un anumit cod. Mesajul este transmis, apoi decodat şi reasamblat la receptor. Există peste 4.4 mii de miliarde de combinaţii posibile (coduri). Sistemul este responsabil nu doar pentru primele două cuvinte din numele CDMA, ci şi pentru caracteristicile excepţionale de securitate ale tehnologiei. Caracterul de bandă largă al CDMA face şi mai dificilă spargerea barierelor de securitate.


Celelalte două cuvinte din CDMA accentuează o altă trăsătură importantă a acestei tehnologii. Ca şi alte multe tehnologii de comunicaţii, CDMA permite un număr mare de utilizatori să folosească aceeaşi gamă limitată de canale radio. Totuşi spre deosebire de alte tehnologii de acces multiplu – TDMA (în care nimeni nu poate accesa canalul / intervalul de timp, până când apelul respectiv fie să terminat, fie a fost mutat pe alt canal), CDMA are cu totul altă abordare. Utilizatorul nu este diferenţiat printr-o frecvenţă separată sau printr-un anumit canal/interval de timp, ci de un cod digital unic (aşa numitul pseudo-Random Code Sequence) comun telefonului mobil şi staţiei de baza. Toţi utilizatorii folosesc simultan acelaşi segment al spectrului radio. Diversele mesaje nu se amestecă, întrucât fiecare pachet de date are ataşat propriul cod, asemenea unei amprente. Acest mod de utilizare al spectrului radio aduce două mari avantaje tehnologiei CDMA. Unul este eficienţa spectrala foarte ridicată, care duce la capacităţi de aproape 10 ori mai mari comparativ cu tehnologiile analogice şi de 4-5 ori comparativ cu TDMA. Celălalt este legat de puterea redusă necesară transmiţătorului, cu efecte imediate precum durată de viaţă mai lungă pentru baterie sau timp de convorbire mai lung, precum şi telefoane mai compacte mai uşoare.

În România reţeaua digitală CDMA operează în banda 450Mhz. Având această frecvenţă o staţie acoperă teoretic o arie de 4 şi respectiv de 16 ori mai mare decât staţiile care operează în benzile de frecvenţă de 900MHz, respectiv 1800 MHz. Cu alte cuvinte reţeaua necesită de 4, şi respectiv 16 ori mai puţine staţii, ceea ce reduce considerabil costurile de operare. În plus tehnologia CDMA foloseşte transmisiuni de date în mod pachetizat (HSPSD), iar consumatorul este taxat exact pentru cantitatea de informaţii transferată, şi nu pentru timpul petrecut în reţea. Aceşti doi factori se combină pentru a permite operatorului sa ofere acoperire superioară şi calitate deosebită serviciilor la un preţ accesibil.

Această tehnică a fost denumită şi acces multiplu cu spectru distribuit (SSMA). În cadrul tehnicilor cu spectrul distribuit, semnalul transmis este plasat pe un domeniu larg de frecvenţă, în realitate mult mai larg decât lăţimea de bandă minimă necesară pentru a transmite informaţiile. De fapt, cu tehnica CDMA, fiecărui utilizator din sistem i se asignează un set unic de forme de undă timp-frecvenţă care este guvernat de un cod unic pseudoaleator al utilizatorului. Astfel, fiecare utilizator poate accesa domeniul timp-frecvenţă, în orice moment, într-o manieră unică, în concordanţă cu codul său unic şi propriu (fig. d). Aceste coduri de utilizator au fost astfel proiectate încât valorile pentru intercorelaţii sunt menţinute la un nivel scăzut iar interferenţa interutilizatori este menţinută la un nivel scăzut şi acceptabil. Există diferite moduri prin care utilizatorul poate exploata domeniul timp-frecvenţă, şi aceasta depinde de metoda de spectru distribuit utilizată de tehnica CDMA. Tehnicile posibile de spectru distribuit sunt prezentate în literatură şi pot fi rezumate astfel:

(a) Secvenţa directă(DS). Aceasta este cunoscută ca pseudo-zgomot (PN), caz în care purtătoarea este modulată de către o secvenţă de cod digital a cărei rata de bit (se referă la o rată de “cip” pentru a putea face o distincţie) este mult mai mare decât lăţimea de banda a semnalului de informaţie. În forma sa cea mai simplă, purtătoarea este comutată între două faze, la 180 º, în funcţie de frecvenţa codului binar (forma binară pseudoaleatoare). Receptorul urmăreşte inversările de fază pseudoaleatoare folosind o replică memorată a secvenţei de cod.

(b) Salt de frecvenţă (FH). În cadrul acestei tehnici, frecvenţele purtătoare, ale emiţătorului şi ale receptorului, sunt schimbate la intervale regulate. Această schimbare de frecvenţă este dictată de o secvenţă de cod care determină ordinea utilizării frecvenţei. De fapt, nu este nimic mai mult decât FSK, cu excepţia faptului că setul de frecvenţe ales este mult lărgit. Este convenabil să clasificăm sistemele FH ca fiind rapide sau lente. În cazul saltului de frecvenţă rapid (FFH), viteza de salt depăşeşte în mod semnificativ viteza informaţiei. În cazul saltului de frecvenţă lent (SFH), viteza de salt este comparabilă cu sau este chiar mai mică decât viteza informaţiei.

(c) Salt în domeniul timpului(TH). În cadrul acestei tehnici, o secvenţă de cod dictează temporizarea transmisiei. Secvenţa timpilor de transmisie este memorată în receptor şi este folosită pentru urmărirea transmisiei, iar în rest se ignoră canalul. Saltul în domeniul timpului nu şi-a găsit aplicaţii largi, cu excepţia sectorului militar.


(d) “Ciripit” sau impuls FM. În cadrul acestei abordări, frecvenţa purtătoare a unui impuls transmis este variată continuu (sau baleiată) pe o bandă largă în decursul unei perioade de timp.

(e) Forme hibride. Combinaţiile hibride ale tehnicilor de mai sus sunt pe deplin realizabile. Cele mai utilizate forme de tehnici hibride de spectru distribuit sunt:

- salt de frecvenţă şi secvenţă directă (FH-DS);- salt de timp si frecvenţă (TFH);- salt de timp si secvenţă directă (TH-DS).

Această tehnică a fost aplicată în reţele de telefonie mobilă din SUA, Coreea de Sud (Hyunday), China, România (reţeaua Zapp) etc.

Avantajele CDMA:a) Protecţie la interferenţele intenţionate şi neintenţionate de bandă îngustă.b) Protecţie la fading-ul care se produce datorită diversităţii inerente a frecvenţelor

caracteristice pentru FH/CDMA.c) Orice utilizator poate accesa sistemul în orice moment fără a aştepta un canal liber.d) Nu există nici o limitare stringentă în ceea ce priveşte utilizatorii activi simultan. În cazul

în care numărul utilizatorilor activi creşte peste valoarea luată în considerare, rezultatul va fi o degradare a performanţelor pentru toţi utilizatorii mai degrabă decât o interzicere a accesului.

e) Deoarece fiecare utilizator păstrează setul său unic de semnal în mod permanent, nu există nici o comutare de canal sau schimbări de adresă, chiar dacă utilizatorul se mută din cadrul unei celule în alta.

f) Serviciile de necesitate pot fi integrate în sistem – chiar şi în cazul supraîncărcării sistemului – fără a se asigna un canal anume sau interzicând accesul altor utilizatori la sistem.

g) Coexistenţa în cadrul aceleiaşi benzi de frecvenţă, cum ar fi cazul sistemelor convenţionale cu bandă îngustă, este posibilă dacă nu este solicitată capacitatea globală a sistemelor CDMA.

h) Securitatea convorbirii (permite o codare eficientă împotriva ascultătorilor ocazionali, deoarece fiecărui utilizator potenţial îi este asignat un cod unic) – operând pe baza a aproximativ 4,4 mii de miliarde de coduri, tehnologia CDMA elimină teoretic interceptarea, clonarea sau orice alt tip de fraudă. Această caracteristică importantă a sistemului cât şi accesul securizat la Internet face posibilă operarea de tranzacţii bancare sau de altă natură direct de pe telefonul mobil şi în condiţii de securitate maximă. Se pot trimite prin intermediul telefonului documente folosind serviciul de fax sau e-mail, fără risc.

i) Nu există nici un interes industrial care să complice standardizarea.j) Calitate deosebită a sunetului şi a convorbirii – tehnologia CDMA elimină zgomotele de

fond, convorbirile suprapuse şi interferenţele, oferind o calitate excepţională a sunetului, respectiv eliminarea întreruperilor convorbirilor şi a apelurilor nepreluate. Atât zgomotele de fond electronice (cele generate de computere, staţii de radio-TV etc.), cât şi cele acustice sunt eliminate prin folosirea unui filtru care corespunde frecvenţelor obişnuite ale vocii umane. Datorită acestei metode, zgomotele de fond ăi interferenţele sunt excluse din convorbiri.

k) Transmisiuni de date de 153,6kbps – reţelele CDMA 2000 includ protocoale IP standard pentru pachete de date în mod pachetizat (HSPSD) la viteze foarte mari (153,6kbps). Toate terminalele folosite au încorporate din construcţie un modem de mare viteza şi un browser pentru Internet (Microsoft Mobile Explorer 3.0), ceea ce le oferă capacitatea de a accesa servicii Internet. De asemenea, terminalul suportă rularea de aplicaţii client în regim securizat (SSL/HTTPS), prin intermediul browser-ului.

l) Mai puţine apeluri întrerupte – metoda „soft handoff” de transfer al convorbirilor între celule, specifică tehnologiei CDMA, minimizează riscul perturbării convorbirilor sau al întreruperii sesiunilor pentru transfer de date. În reţeaua CDMA un apel poate fi preluat de mai multe antene în acelaşi timp, spre deosebire de alte tehnologii, în care utilizatorul este deconectat de la o antenă înainte de a fi preluat de următoarea.


m) Timp de convorbire mai mare şi viaţă îndelungată pentru baterie – atunci când se efectuează un apel sistemul CDMA se asigura că fiecare telefon mobil emite la puterea minimă necesară pentru o transmisie de calitate.

n) Capacitate mai mare a reţelei – tehnologia CDMA oferă cea mai mare capacitate utilizatorilor prin folosirea simultană a aceloraşi benzi de frecvenţă. Prin folosirea tehnologiei cu spectru împrăştiat, CDMA are o capacitate de 10-20 de ori mai mare decât echipamentele analogice şi de 4-5 ori mai mare decât alte sisteme digitale.

Dezavantajele CDMA:a) Este necesar un hardware complex şi costisitor. Acest lucru se datorează necesităţii unui

sintetizator rapid de salt de frecvenţă, unei voci digitizate, unor procesoare rapide etc.b) Este esenţial un control dinamic al puterii emiţătorului mobil în sensul minimizării

efectului aproape-departe.c) Nu este posibilă o detecţie coerentă completă în cazul unei vecinătăţi a mobilului afectată

de fading. Mai mult chiar, este necesară sincronizarea la nivel de “cip” ceea ce este foarte dificil de realizat.

d) Proiectarea unui număr mare de coduri ortogonale (sau aproape ortogonale) unice şi individuale pentru mii de utilizatori necesită o muncă enormă. Pierderea ortogonalităţii rezultă în cazul interferenţei inter-utilizator care va afecta atât eficienţa cât şi calitatea sistemului.

e) Accesul liber al utilizatorului la canale poate eventual să producă prăbuşirea sistemului prin atingerea unui stadiu în care calitatea serviciului este inacceptabilă pentru toţi utilizatorii. În acest caz, poate fi necesară adoptarea unei strategii de blocare a apelurilor sau forţarea terminării comunicaţiilor.

f) Nu există nici o experienţă practică în cazul sistemelor celulare terestre radio mobile.g) Există unele îndoieli în ceea ce priveşte eficienţa spectrală – această situaţie

urmează a fi investigată.

1.5. Spectrul de frecvenţă în sistemele mobile de telecomunicaţii

Un sistem mobil de telecomunicaţii utilizează o bandă (spectru) de frecvenţă care poate fi situat în domeniul 300Mhz – 3Ghz. Lărgimea acestei benzi de frecvenţă, numită şi lărgime totală de bandă, e diferită de la un sistem la altul. În sistemele moderne, banda de frecvenţă corespunzătoare unui sistem mobil este partajată în două sub-benzi: sub-banda ascendentă (utilizată în comunicaţiile pe sensul de la echipamentele mobile la staţia de bază) şi sub-banda descendentă (utilizată în comunicaţiile pe sensul de la staţia de bază la echipamentele mobile). Comunicaţiile din ambele sub-benzi se realizează pe canale de comunicaţie. Fiecare canal de comunicaţie este caracterizat de o frecvenţă numită frecvenţă purtătoare. Frecvenţele purtătoare sunt egal spaţiate atât în sub-banda ascendentă cât şi în sub-banda descendentă. De asemenea, fiecare canal de comunicaţie este caracterizat de o lărgime de bandă diferită de la un sistem mobil la altul. În unele sisteme, între oricare două canale de comunicaţie există o bandă de separaţie, numită bandă de gardă.

Lărgimea de bandă a canalelor de comunicaţie, banda de separaţie între canale şi lărgimea totală de bandă a unui sistem mobil de telecomunicaţii determină numărul de canale din sistemul mobil (şi implicit capacitatea sistemului mobil).

Stabilirea unei comunicaţii mobil staţie de bază necesită alocarea câte unui canal în fiecare dintre sub-benzi. De exemplu, în sistemul AMPS, canalele de comunicaţie sunt numerotate de la 1-666, primul canal având alocate două frecvenţe: 825,030 MHz (pentru comunicaţia de la mobil spre staţia de bază) şi 870,030 MHz (pentru comunicaţia de la staţia de bază spre mobil). În acelaşi sistem, pentru canalul 666 sunt alocate frecvenţele 844,98 MHz şi 889,98 MHz. Ulterior, pentru creşterea capacităţii sistemului, banda totală a sistemului mobil a fost mărită la 10 MHz (câte 5 MHz în fiecare sub-banda), rezultând o creştere cu 166 a numărului de canale din sistem. În fapt, orice sistem mobil se confruntă cu aceeaşi problemă fundamentală: cu o resursă limitată (banda totală a sistemului) trebuie găsite soluţii pentru satisfacerea cerinţelor unui număr cât mai mare de clienţi. Pentru a înţelege mai bine acest fenomen, prezentăm în continuare două exemple.


Exemplul 1:Fie o celulă cu o rată a cererilor de apel de Q = 3000 apeluri/h şi o durată medie a unui apel T = 1,76 min. Care este numărul de canale necesar în celulă pentru ca probabilitatea de blocare a unei noi cereri de apel să fie cel mult B = 2% ?

Soluţie:Se poate calcula uşor că încărcarea de trafic în celulă este: A= Q-T/60 erlangs (A=88).Pentru probabilitatea de blocare maximă de B = 2% va rezulta că sunt necesare N = 100 canale (conform legii Erlang B).

Exemplul 2:Dacă într-o celulă sunt alocate N = 50 canale şi durata medie a unui apel este T = 100 s, care este rata medie a apelurilor pentru care probabilitatea de blocare a unei noi cereri de apel este de maxim B = 2% ?

Soluţie:Printr-un calcul asemănător celui din exemplul anterior se obţine că în aceste condiţii se poate satisface o rată medie a apelurilor Q = 1450 apeluri/h.

Avantajele deosebite ale sistemelor mobile (mai ales posibilitatea de a comunica oriunde, oricând şi din orice loc), a făcut ca achiziţiile de sisteme mobile să atingă cifre foarte ridicate (sunt ţări unde există peste 0,1 posturi mobile/locuitor), ceea ce a condus implicit la necesitatea găsirii unor soluţii de creştere a capacităţii acestor sisteme. Din fericire, chiar şi sistemele analogice au fost proiectate cu facilităţi de creştere a capacităţii, altele fiind introduse în practică o dată cu apariţia sistemelor digitale. Câteva din tehnicile de creştere a capacităţii sistemelor mobile vor fi tratate pe larg în paragrafele următoare.

1.6. Principiul reutilizării frecvenţelor în sistemele mobile de telecomunicaţii

Principiul tehnicii reutilizării frecvenţelor este ilustrat simplificat în figura 7.

Fig. 7. Principiul reutilizării frecvenţelorAstfel, dacă un canal radio este utilizat într-o celulă C1 de rază R, acelaşi canal se poate

utiliza şi într-o altă celulă C2, situată la o distanţă D de prima celulă, numită distanţă de reutilizare. Aceasta va face ca fiecare canal radio din spectrul sistemului mobil să poată fi utilizat, în acelaşi moment de timp, în locuri (arii) diferite din sistem, ceea ce evident va conduce la o creştere a capacităţii sistemului mobil (număr de abonaţi ce pot fi deserviţi).

1.7. Mecanisme de acces la interfaţa radio

Unul din factorii esenţiali ce influenţează capacitatea sistemelor mobile este modul în care utilizatorii mobili au acces la canalele de comunicaţie. O primă clasificare realizată din punctul de vedere al modului de acces la interfaţa radio împarte sistemele mobile în două mari categorii:

1. Sisteme cu acces simplu - pentru această categorie de sisteme mobile, pe o purtătoare, la un moment dat, are acces un singur utilizator;

2. Sisteme cu acces multiplu - în acest caz, pe o purtătoare, la un moment dat, au acces simultan mai mulţi utilizatori.


Din prima categorie fac parte sistemele cu acces în frecvenţă, iar în cea de-a doua se încadrează sistemele TDMA şi CDMA.

1.8. Mecanisme de transfer ale apelurilor (handover)

În literatura de specialitate aceste mecanisme sunt întâlnite sub denumirea generică de handover. Deşi termenul handover nu este încă încetăţenit în limba română, îl vom folosi în ideea de a facilita utilizatorului parcurgerea acestui paragraf.

Handover-ul se defineşte ca fiind mecanismul prin care un terminal mobil schimbă, pe parcursul desfăşurării apelului, canalul radio care îi fusese alocat iniţial. Necesitatea unui astfel de mecanism se datorează posibilităţii ca, pe parcursul unui apel, nivelul semnalului util recepţionat de mobil şi/sau staţia de bază să scadă sub un prag de neinteligibilitate. O altă cauză a iniţierii unei cereri de handover este aceea a scăderii raportului semnal/interferenţă sub pragul admisibil de inteligibilitate. Handover-ul este, de cele mai multe ori, o consecinţă a modificării poziţiei geografice (ieşirea din aria de acoperire a unei celule şi intrarea în aria unei alte celule atrage necesitatea modificării canalului pentru un mobil angajat într-o comunicaţie), dar poate fi şi o consecinţă a înecării temporare în zgomot a unui canal radio. Deoarece în capitolul 3 se va trata handover-ul în sistemul GSM, vom discuta în cele ce urmează despre acest mecanism în cazul sistemelor analogice. Astfel, în sistemele analogice, pentru stabilirea unui handover, se parcurg etapele:

l. Se măsoară nivelul semnalului recepţionat RSS (Received Signal Level):RSS = C + I (1.8.)

2. Se măsoară periodic interferenţa I. Dacă RSS coboară sub un prag critic predefinit se va face o cerere de handover. Din cele două măsurători se poate calcula uşor raportul:

S+1S

=RSS1

≈ S1 (1.9)

Iniţierea unei cereri de handover este dictată de nivelul de semnal recepţionat sau de raportul S/I. Teoretic, o astfel de cerere se desfăşoară (de exemplu) astfel: când nivelul de semnal atinge limita de inteligibilitate, staţia de bază va emite o cerere de handover spre centrul mobil de comutaţie. Dacă se utilizează un prag fix pentru nivelul de semnal, metoda este însă rigidă din cauza condiţiilor diferite de propagare în teren. O valoare a pragului pentru cererea de handover se consideră 100 dBm.

În scopul reducerii numărului de apeluri întrerupte, cauzate de o cerere de handover nereuşită, precum şi pentru diminuarea numărului de cereri de handover, se pot aplica următoarele metode. Pentru determinarea întârzierii handover-ului se introduc două praguri. Astfel, pentru prima cerere de handover (realizată la atingerea primului prag - prag 1) se poate întârzia alocarea resursei până la realizarea unei a doua cereri (această nouă cerere este făcută la atingerea celui de-al doilea prag -prag 2 de handover). Acest procedeu poate fi util atunci când celula solicitată este supraîncărcată, deoarece produce o diminuare a numărului de cereri de handover.

Pragul considerat poate fi atât nivelul semnalului recepţionat, cât şi raportul semnal/interferenţă (S/I). Un exemplu tipic de utilizare a acestui procedeu este cel din figura 8. Se observă că, fără existenţa a două praguri de handover, cererea unui solicitant din celula A (la trecerea în celula B) s-ar produce când deja mobilul este în interiorul celulei B.


Fig. 8. Cerere de handover cu dublu pragSituaţiile în care se fac cereri de handover bazate pe diferenţă de putere recepţionată se

tratează astfel: notăm cu diferenţa de putere între semnalul recepţionat de celula generatoare de handover şi cel recepţionat de celula căreia i se solicită resursa.

În funcţie de mărimea acestei diferenţe se iau următoarele decizii:a) < -3 dB: nu se acţionează în nici un fel;b) -3 dB << 0: se monitorizează semnalul;c) 1 dB << 3 dB: se pregăteşte o cerere de handover;d) > 3 dB: se efectuează o cerere de handover.

1.9. Algoritmi de îmbunătăţire a performanţelor sistemelor mobile

Aceste proceduri sunt menite să ducă la o serioasă îmbunătăţire a calităţii transmisiilor într-o reţea mobilă, precum şi la o adaptare la variaţii mari de trafic într-o aceeaşi celulă.

Proiectarea sistemului de telefonie mobilă trebuie să includă şi măsuri pentru limitarea inter-ferenţei între frecvenţele vecine. Cu toate că atât unitatea mobilă cât şi transceiver-ul celulei sunt prevăzute cu un filtru de interferenţă (IF), trebuie evitată situaţia când nivelul semnalului recepţio-nat devine prea mic în raport cu semnalul interferent. Există două îmbunătăţiri care se pot aduce structurii celulare iniţiale, care realizează atât o mai bună adaptare a sistemului la creşteri bruşte de trafic pe arii restrânse, cât şi la o reducere a interferenţelor.

Prima dintre ele este sectorizarea celulară, iar cea de a doua este divizarea celulară (,,splitting").

1.9.1. Sectorizarea celularăSe notează canalele de comunicaţie cu

numere de la 1 la N şi se consideră că, în frecvenţă, diferenţa între purtătoare este proporţională cu diferenţa algebrică între numerele folosite pentru notaţie. Dacă se consideră un grup de bază format din N celule, atunci al n-lea set de canale (0 < n < N) se formează după regula {n, n + N, n + 2N,... }. Figura 9 arată modul de alocare a resurselor într-un grup de bază de 12 celule. Acest tip de alocare poate modela, de exemplu, un sistem cu acces simplu în frecvenţă atunci când toate celulele sunt echipate cu antene omnidirecţionale.

Fig. 9. Alocare de resurse într-un grup de bază de 12 celule

1.9.2. Divizarea celulară (splitting)

Distanţa între două celule vecine se înjumătăţeşte, astfel încât suprafaţa nominală a celulei hexagonale se reduce de 4 ori (densitatea de celule în reţea creşte de 4 ori).

CAP.2. Introducere in Sistemul Global pentru comunicaţii Mobile (GSM)


2.1. ISTORICUL SISTEMULUI GSM

În perioada anilor ‘80, sistemele de telefonie celulară analogică au înregistrat o dezvoltare rapidă în Europa, în special în ţările scandinave şi Marea Britanie, dar şi în Franţa şi Germania. Fiecare ţară şi-a dezvoltat propriul sistem care era incompatibil cu oricare altul în materie de echipament şi operare. S-a generat astfel o situaţie indezirabilă, deoarece echipamentul mobil era limitat la graniţele fiecărei ţări şi oferta de echipamente specifice era limitată. Ţările europene au realizat acest lucru şi în 1982, Comitetul European de Poştă şi Telegraf (CEPT) a format un grup numit Grup Special Mobil (GSM) pentru a studia şi dezvolta un sistem public pan-european de telefonie mobilă. Sistemul propus trebuia să îndeplinească următoarele cerinţe: calitate bună a transmisiei, costuri mici pentru servicii şi terminal, suport pentru deplasări internaţionale, capacitate de a suporta terminale portabile, suport pentru servicii şi facilitaţi noi, eficienţă spectrală precum şi compatibilitate cu sistemul ISDN.

În 1989, responsabilitatea GSM a fost transferată Institutului European de Standarde în Telecomunicaţii (ETSI), iar faza I a specificaţiilor GSM au fost publicate în 1990. Serviciile comerciale au început pe la mijlocul anului 1991, până în 1993 s-au creat 36 de reţele în 22 de ţări, iar până în 1997 încă 25 de ţări au aderat la acest sistem. Deşi a fost standardizat în Europa, GSM nu este doar un standard european. Reţelele GSM (inclusiv DCS1800 şi PCS1900) sunt operaţionale sau planificate în peste 80 de ţări din toata lumea. La începutul anului 1994 s-au înregistrat 1,3 milioane de utilizatori în toata lumea, la începutul anului 1995, peste 5 milioane iar până în decembrie 1995, 10 milioane de utilizatori numai în Europa. Cu Statele Unite, având un sistem derivat din GSM numit PCS1900, sistemele GSM există pe fiecare continent, şi acronimul GSM se aplică acum pentru Sistemul Global pentru comunicaţii Mobile.

Iniţiatorii GSM au ales un sistem digital, opus sistemelor celulare analogice standardizate, cum ar fi AMPS în Statele Unite şi TACS în Marea Britanie, având credinţa că dezvoltarea algoritmilor de compresie şi a procesoarelor de semnal digitale vor permite îndeplinirea cerinţelor menţionate şi vor îmbunătăţi sistemul în ceea ce priveşte costul şi calitatea. Cele aproape 6000 de pagini ale recomandărilor GSM încearcă să permită flexibilitate şi suficientă standardizare pentru a garanta interconectarea componentelor sistemului. Acest lucru este realizat prin oferirea unei descrieri funcţionale pentru fiecare entitate funcţională definită în sistem.

2.2. PRINCIPIILE DE BAZA ALE TELEFONIEI CELULARE

Conceptul de telefonie celulară a fost inventat în Statele Unite la Bell Laboratories în 1947. Au fost necesari peste 35 de ani pentru a-l pune în practică şi a realiza prima reţea analogică şi terminalele necesare.

O reţea celulară este compusă dintr-o serie de staţii de bază de joasă putere, fiecare oferind o arie de acoperire relativ mică, care, combinate, asigură o acoperire continuă a unei regiuni date. Prin utilizarea acestor staţii de putere mică, a devenit posibilă reutilizarea frecvenţelor, ce a condus la o creştere a capacitaţii reţelei.

Acoperirea oferită de o staţie de bază corespunde unui număr de utilizatori care se presupune că există în respectiva arie, numită celulă. Astfel, arii dens populate necesită celule mai mici ăi un aspect inteligent al reţelei dă posibilitatea unei conversaţii să continue fără întrerupere pe măsură ce utilizatorii se deplasează între aceste celule. Procesul prin care o conversaţie este pasată dintr-o celulă în alta este cunoscută sub numele de "hand-off".

În lume există peste 50 milioane de utilizatori de telefoane celulare. Atrase de costul relativ scăzut şi capacitatea ridicată a sistemului GSM, peste 70 de ţări au ales această noua tehnologie.


2.3. AVANTAJELE SISTEMULUI GSM

1. Eficienţă mărită a spectrului radio permite o capacitate crescută a reţelei. (Poate suporta un număr mult mai mare de utilizatori).

2. Permite o sofisticată autentificare a utilizatorului, reducând posibilitatea fraudelor.3. Previne interceptarea conversaţiilor prin tehnici sofisticate de incriptare care sunt aproape în

totalitate sigure. 4. Permite o mai bună claritate şi consistentă a conversaţiei prin eliminarea interferenţei în timpul

transmisiei digitale. 5. Simplifică transmisia de date, permiţând conectarea calculatoarelor portabile la telefoanele

celulare GSM. 6. Un singur standard ce permite deplasări internaţionale între reţelele GSM din lume.

2.4. PERFORMANŢELE GSM

Multe din sistemele analogice pot oferi performanţe bune, dar GSM-ul a fost proiectat să fie mai bun decât orice sistem analogic. Calitatea convorbirii GSM este comparabilă cu sistemele analogice în condiţii medii şi bune, dar în condiţii de semnal slab sau interferenţe, sistemul GSM se comportă mult mai bine.

Calitatea radio, mărimea şi timpul de viaţa al bateriei sunt de asemenea parametri importanţi de performanţa. Deoarece se utilizează un standard digital, se înregistrează un nivel ridicat de implementare a noilor tehnologii, ducând la micşorarea mărimii şi greutaţii telefoanelor mobile. Utilizarea puternicului mod "sleep" automat duce la o semnificativă creştere a timpului de viaţa al bateriei.

2.5. SECURITATEA SISTEMULUI GSM

GSM oferă trei niveluri de securitate:Nivelul de securitate I

Datele utilizatorului GSM sunt înregistrate în cartela SIM . Cartela SIM poate fi inserată în orice terminal GSM. Tariful este înregistrat pentru proprietarul cartelei SIM. Sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.

Nivelul de securitate II Sistemul GSM identifică localizarea utilizatorului. Terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidată. Utilizatorul poate fi identificat înainte de acceptarea convorbirii.

Nivelul de securitate III Sunt utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face aproape imposibilă interceptarea

convorbirii.

2.6. SERVICII OFERITE DE SISTEMUL GSM

De la început, proiectanţii sistemului GSM au dorit o compatibilitate ISDN în termenii serviciilor oferite şi controlului semnalizării utilizate. Totuşi, limitările transmisiei radio, privind lărgimea de banda şi costul, nu permite ratei de transfer standard ISDN de 64 kbps să fie practic atinsă.

Utilizând definiţiile ITU-T, serviciile de telecomunicaţii pot fi împărţite în servicii de transfer, teleservicii, şi servicii suplimentare. Teleserviciul de bază suportat de GSM este telefonia. Semnalul vocal este codat digital şi transmis prin reţeaua GSM ca un flux de semnal digital. De asemenea, utilizatorii GSM pot trimite şi recepţiona date, la o rată de până la 9600 bps, utilizând o varietate de metode de acces şi protocoale cum ar fi X.25 sau X.32. Deoarece GSM este o reţea


digitală, nu este necesară folosirea unui modem între utilizator şi reţeaua GSM, dar în interiorul sistemului GSM este necesar un modem pentru conectarea cu sistemul de telefonie obişnuit.

Aşa cum este descris în recomandarea ITU-T, T.30, este posibilă transmisia şi recepţionarea fax-urilor, prin folosirea unui adaptor special. Un serviciu unic oferit de GSM, inexistent în sistemele analogice, este Serviciul de Mesaje Scurte (SMS). SMS este un serviciu bidirecţional pentru mesaje alfanumerice scurte (pana la 160 caractere). Pentru SMS punct la punct, un mesaj poate fi trimis unui utilizator, cu posibilitate de confirmare a primirii. SMS poate fi utilizat într-un mod diseminat, pentru a trimite mesaje cum ar fi informări generale asupra traficului, etc. Mesajele pot fi stocate în cartela SIM şi citite ulterior.

Servicii suplimentare sunt oferite în specificaţiile curente (Faza I), ce includ mai multe forme de transfer al apelului. În specificaţiile din Faza 2, sunt oferite alte servicii suplimentare, cum ar fi identificarea apelantului, apel in aşteptare, conversaţii multiple (conferinţe).

2.7. INFORMATII GENERALE

Reţelele GSM operează în benzile de frecvenţă 890-915/935-960 MHz prin intermediul a 124 canale radio duplex, fiecare cu o lărgime de bandă de 200 KHz. Intervalul de frecvenţă dintre aceste două benzi este de 45 MHz, care este şi lărgimea de bandă dintre frecvenţa de transmisie şi cea de recepţie a unui terminal GSM.

Se foloseşte o tehnică numită Time Division Multiple Access (TDMA) pentru a împărţi un canal radio de 200 KHz în 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnal vocal separat. Spre deosebire de semnalele analogice obişnuite, transmisia unui canal de semnal vocal nu este continuă. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocal digitizat într-o serie de impulsuri scurte, totalizând o durată de 1/8 dintr-o secundă. Astfel un terminal GSM transmite o optime din timp. Avantajul tehnicii TDMA rezidă în reutilizarea frecvenţelor într-o vecinătate apropiată cu o probabilitate mai mică de interferenţă. Aceasta asigură o eficienţă mult mai mare şi permite deservirea mai multor utilizatori.

2.8. ARHITECTURA RETELEI GSM

O reţea GSM este compusă din mai multe entitătţi funcţionale, ilustrate în Figura 1. Reţeaua GSM poate fi împărţită în trei părţi. Staţia mobilă (Mobile Station) este folosită de utilizator, subsistemul staţiei de bază (Base Station Subsystem) controlează legaturile radio cu staţia mobilă (Mobile Station) şi subsistemul reţelei (Network Subsystem), partea principală unde se gaseşte centrul de comutare al serviciilor mobile (Mobile services Switching Center), asigură comutarea apelurilor între terminalele mobile sau între terminale mobile şi cele fixe, ca şi controlul mobilităţii.


Figura 1. Arhitectura generala a reţelei GSM.

Staţia mobilă şi subsistemul staţiei de baza comunică prin interfaţa Um, cunoscută ca legătura radio. Subsistemul staţiei de bază comunică cu centrul de comutare al serviciilor mobile prin interfaţa A.

2.8.1. Staţia MobilăStaţia mobilă (MS) constă în echipamentul mobil (terminalul) şi o cartelă inteligentă numită

"Subscriber Identity Module" (SIM). Cartela SIM oferă mobilitate personală, astfel încât utilizatorul poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia în orice terminal.

Echipamentul mobil este unic identificat de "International Mobile Equipment Identity" (IMEI). Cartela SIM conţine "International Mobile Subscriber Identity" (IMSI) utilizat la identificarea de către sistem a utilizatorului, o cheie secretă pentru autentificare, şi alte informaţii. IMEI şi IMSI sunt independente, permiţând mobilitate personală. Cartela SIM poate fi protejată împotriva utilizării neautorizate printr-o parolă sau un număr personal de identitate.

2.8.2. Subsistemul Staţiei de BazăSubsistemul staţiei de bază este compus din două părţi, "Base Transceiver Station" (BTS) şi

"Base Station Controller" (BSC). Acestea comunică prin interfaţa standardizată "Abis", permiţând (ca şi în restul sistemului) operarea între componente fabricate de diferiţi producători.

BTS conţine unitatile de emisie-recepţie radio ce definesc o celulă şi controlează protocoalele de legătură radio cu MS. Într-o arie urbană întinsă pot exista un număr mare de BTS-uri dispuse, astfel încât cerinţele pentru un BTS sunt performanţa, portabilitate si cost minim.

BSC controlează resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalelor radio şi alocarea frecvenţelor. BSC este conexiunea dintre MS şi "Mobile service Switching Center" (MSC).

2.8.3. Subsistemul ReţeleiComponenta centrală a subsistemului reţelei este centrul de comutare a serviciilor mobile,

MSC. Se comportă ca un nod normal de comutare PSTN sau ISDN, şi în plus oferă funcţionalitatea necesară controlului unui utilizator mobil, cum ar fi înregistrarea, autentificarea, actualizarea localizării şi transferarea apelului unui utilizator mobil. De asemenea, MSC oferă conexiunea către reţelele fixe (cum ar fi PSTN sau ISDN). Comunicarea între entitatile funcţionale în subsistemul reţelei foloseşte "Signalling System Number 7" (SS7), utilizat pentru semnalare in ISDN.

Registrul "Home Location Register" (HLR) şi "Visitor Location Register" (VLR), împreună cu MSC, oferă transferul apelurilor şi capabilitatile de mobilitate ale GSM. HLR conţine toate informaţiile administrative pentru fiecare utilizator înregistrat în reţeaua GSM corespunzătoare, împreună cu localizarea curentă a terminalului. Într-o reţea GSM există un singur HLR logic, chiar dacă poate fi implementat ca o bază de date distribuită.

Registrul "Visitor Location Register" (VLR) conţine informaţii administrative selectate din HLR, necesare pentru controlul apelurilor şi resurse pentru serviciile subscrise, pentru fiecare terminal localizat curent în aria geografică controlată de VLR. Chiar dacă fiecare entitate funcţională poate fi implementată ca o unitate independentă, toţi producătorii de echipament până acum au implementat VLR împreună cu MSC, astfel încât aria geografică controlată de MSC corespunde cu cea controlată de VLR, în acest fel simplificând modul de realizare al subsistemului. MSC nu conţine informaţii despre terminale; aceste informaţii sunt stocate în registrele de locaţie.

Celelalte două registre sunt utilizate pentru autentificare şi securitate. Registrul "Equipment Identity Register" (EIR) este o bază de date ce conţine o listă a tuturor echipamente mobile valide din reţea, unde fiecare staţie este identificata prin IMEI. Un IMEI este marcat ca invalid dacă a fost raportat ca furat sau nu este de tipul aprobat. Centrul de autentificare "Authentication Center" (AuC) este o bază de date protejată care conţine o copie a cheii secrete stocate în fiecare cartelă SIM a utilizatorilor, care este utilizată pentru autentificare şi incriptare pe un canal radio.


2.9. LEGATURA RADIO

Uniunea Internaţională de Telecomunicaţii (ITU), care controlează alocarea internaţională a spectrului radio, a alocat benzile 890-915 MHz pentru transmisie (mobil -> baza) si 935-960 MHz pentru recepţie (bazămobil), pentru reţelele mobile din Europa. Deoarece acest interval a fost utilizat în anii 1980 de către sistemele analogice, CEPT a prevăzut sa rezerve subbanda înaltă de 10 MHz a fiecărei benzi pentru reţeaua GSM ce era încă în studiu. Eventual, se va aloca întreaga lărgime de bandă 2x25 MHz pentru GSM.

2.9.1. Accesul Multiplu şi Structura CanalelorDeoarece spectrul radio este o resursă limitată folosită de toţi utilizatorii, a fost necesară

elaborarea unei metode de a diviza banda de frecvenţă pentru a deservi cât mai mulţi utilizatori posibili. Metoda aleasă de GSM este o combinaţie de acces multiplu cu divizare în timp şi frecvenţă "Time-Division Multiple Access" şi "Frequency-Division Multiple Access" (TDMA/FDMA). Metoda FDMA implică divizarea în frecvenţă a unei benzi de maxim 25 MHz în 124 frecvenţe purtătoare, decalate cu 200 kHz. Una sau mai multe frecvenţe purtătoare sunt atribuite fiecărei staţii de bază. Fiecare din aceste frecvenţe purtătoare este apoi divizată în timp, utilizând metoda TDMA. Unitatea fundamentală de timp în metoda TDMA este perioada impulsului şi durează 15/26 ms (aprox. 0,577 ms). Opt perioade de impuls sunt grupate într-un cadru TDMA (120/26 ms, sau aprox. 4,615 ms), care formează unitatea de bază pentru definirea canalului logic. O perioadă de impuls pe cadru TDMA reprezintă un canal fizic.

Canalele sunt definite prin numărul şi poziţia perioadei de impuls corespunzătoare. Toate aceste definiţii sunt ciclice şi întregul model se repetă aproximativ la fiecare 3 ore. Canalele pot fi împărţite în canale dedicate, care sunt alocate unei staţii mobile dedicate şi canale comune, care sunt utilizate de staţiile mobile nededicate. O staţie mobilă este numită dedicată dacă în momentul respectiv este în uz, şi nededicată dacă este în modul aşteptare.

2.9.1.1. Canalele de TraficUn canal de trafic (TCH) este utilizat pentru transportul semnalului vocal şi a datelor.

Canalele de trafic sunt definite printr-un multicadru sau un grup de 26 de cadre TDMA. Lungimea unui multicadru este de 120 ms, de unde rezultă definirea unei perioade de impuls (120 ms / 26 cadre / 8 perioade de impuls pe cadru). Din 26 de cadre, 24 sunt utilizate pentru trafic, 1 este utilizat pentru "Slow Associated Control Channel" (SACCH) şi 1 nu este utilizat (Figura 2).


Figura 2. Structura impulsurilor, a cadrelor TDMA şi a multicadrelor.TCH-urile pentru transmisie şi recepţie sunt separate de 3 perioade de impuls, astfel încât

staţia mobilă nu trebuie să transmită şi să recepţioneze simultan, simplificând electronica utilizată.În plus faţă de aceste TCH-uri, sunt definite şi TCH-uri cu o optime de durată, şi sunt

folosite pentru semnalizare. În recomandări, sunt numite canale de control dedicate autonome sau "Stand-alone Dedicated Control Channels" (SDCCH).

2.9.1.2. Canalele de ControlCanalele comune pot fi accesate de staţiile mobile atât dedicate cât şi nededicate. Canalele

comune sunt utilizare de staţiile mobile nededicate pentru a schimba informaţii necesare pentru intrarea în modul dedicat. Staţiile mobile aflate deja în modul dedicat monitorizează staţia de bază pentru protocol şi alte informaţii. Canalele comune sunt definite într-un multicadru de 51 de cadre, astfel încât staţiile mobile dedicate utilizând o structură TCH multicadru de 26 de cadre pot în continuare să monitorizeze canalele de control. Aceste canale de control includ:

Canal de Control "Broadcast" (BCCH) - Transmit continuu, spre staţia mobilă, informaţii ce includ identitatea staţiei de bază, alocarea frecvenţelor şi secvenţa de comutare a frecvenţelor.

Canalul de Corecţie al Frecvenţei (FCCH) si Canalul de Sincronizare (SCH) - Canale utilizate la sincronizarea staţiei mobile cu structura sloturilor de timp a unei celule prin definirea limitelor perioadelor de impuls si numerotarea sloturilor de timp. Un FCCH şi un SCH sunt prin definiţie în slotul de timp numărul 0 (intr-un cadru TDMA).

Canal "Random Access" (RACH) - Canal utilizat de staţia mobilă pentru a cere acces la reţea.

Canal "Paging" (PCH) - Utilizat pentru a informa staţia mobila despre apariţia unui apel. Canal "Access Grant" (AGCH) - Utilizat pentru a aloca un SDCCH către o staţie mobila

pentru a obţine un canal dedicat, in urma unei cereri RACH.

2.9.1.3. Structura ImpulsuluiExistă patru tipuri diferite de impuls pentru transmisie în reţeaua GSM. Impulsul normal

este utilizat pentru transportul datelor şi a majoritatii semnalelor. Acesta are o lungime totală de 156,25 biţi, formată din două secvenţe de 57 biţi, o secvenţă de 26 biţi folosită pentru egalizare, 1 bit pentru fiecare bloc de informaţie (utilizat pentru FCCH), 3 biţi la fiecare capăt, şi o secvenţă de protecţie de 8,25 biţi, ca în Figura 2. Aceşti 156,25 biţi sunt transmişi in 0,577 ms, rezultând o rată de transfer de 270,833 kbps.


Impulsul de tip F, utilizat in FCCH şi impulsul de tip S, utilizat in SCH, au lungimile identice cu impulsul normal, dar o structură internă distinctă, care astfel permite sincronizările. Impulsul de acces este mai scurt decât cel normal şi este folosit pentru RACH.

2.9.2. Codarea Semnalului Vocal

Sistemul GSM este digital, astfel încât semnalul vocal care este inerent analogic trebuie digitizat. Metoda utilizată de ISDN şi de sistemele curente de telefonie digitală, pentru multiplexarea liniilor pe un trunchi de mare viteză şi fibre optice, este "Pulse Coded Modulation" (PCM). Viteza fluxului de la ieşirea PCM este de 64 kbps, prea mare pentru a fi potrivita unei legături radio. Semnalul de 64 kbps, de altfel simplu de implementat, conţine multă redundanţă. Grupul GSM a studiat mai mulţi algoritmi de codare a vocii pe baze subiective de calitate şi complexitate (relative la cost, întârzieri în procesare şi putere consumată) înainte de a ajunge la alegerea algoritmului "Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder" (RPE-LPC) cu ciclu de prezicere lung. Informaţii despre semnalul anterior, care nu se schimbă foarte repede, sunt utilizate pentru a prezice semnalul curent. Coeficienţii combinaţiei liniare a semnalului anterior, plus o forma codată a reziduurilor (diferenţa dintre semnalul prezis şi cel actual), reprezintă semnalul. Semnalul vocal este codat în 260 de biţi, pentru fiecare durată de 20 ms, rezultând o rată de transfer de 13 kbps.

2.9.3. Modularea şi Codarea Canalelor

Din cauza interferenţei electromagnetice, semnalul vocal codat sau semnalul de date transmis printr-o interfaţa radio trebuie să fie protejat împotriva erorilor. Sistemul GSM utilizează codarea convolutiva şi organizarea pe blocuri pentru a realiza aceasta protecţie. Algoritmii utilizaţi diferă pentru semnalul vocal şi semnalul de date. Metoda utilizată pentru semnalul vocal este descrisă mai jos.

De reţinut ca semnalul vocal digitizat este format din blocuri de 260 biţi pentru 20 ms de semnal vocal analogic. În urma unor teste subiective, a rezultat ca anumiţi biţi din fiecare bloc sunt mai importanţi pentru calitatea semnalului decât alţii. Biţii aparţinând unui bloc sunt împărţiţi în trei clase:

Clasa Ia 53 biţi - sensibilitate mare la erori Clasa Ib 132 biţi - sensibilitate moderată la erori Clasa II 78 biţi - sensibilitate mică la erori

Clasa Ia are un cod ciclic redundant de 3 biţi în plus pentru detecţia erorilor. Dacă este detectată o eroare, cadrul este considerat prea deteriorat pentru a fi comprehensiv şi este eliminat, fiind înlocuit cu o versiune atenuată a cadrului anterior corect. Aceşti 53 biţi, împreună cu cei 132 de biţi de Clasa Ib şi o secvenţă terminală de 4 biţi (un total de 189 biţi), sunt introduşi într-un codor convoluţional cu rata 1/2 cu restricţie de lungime. Fiecare bit de intrare este codat ca doi biţi de ieşire, bazat pe o combinaţie a 4 biţi de intrare anteriori. Astfel codorul convoluţional scoate la ieşire 378 biţi, la care sunt adaugaţi cei 78 de biţi de Clasa II rămaşi, care sunt neprotejaţi. Astfel fiecare semnal vocal de 20 ms este codat ca 456 biţi, rezultând o rată de 22,8 kbps.

Pentru o protecţie mai bună cei 456 biţi de la ieşirea codorului convoluţional sunt organizaţi în 8 blocuri de 57 biţi, şi aceste blocuri sunt transmise în opt impulsuri consecutive. Din moment ce fiecare impuls este transmis cu o rată de 270,833 kbps, un impuls poate transmite două blocuri de 57 biţi aparţinând de două cadre diferite.

Acest semnal digital este modulat pe o frecvenţă purtătoare utilizând un filtru Gaussian de tip GMSK. Filtrul GMSK a fost ales dintre alte scheme de modulaţie ca un compromis între eficienţa spectrală, complexitatea emitatorului şi limitarea emisiilor adiacente. Complexitatea emitatorului este legată de puterea consumată, ce trebuie minimizată pentru staţia mobilă. Emisiile


radio adiacente, în afara benzii alocate, trebuie strict controlate pentru a limita interferenţa canalelor adiacente, şi a permite coexistenţa sistemului GSM şi a vechilor sisteme analogice.

2.9.4. Egalizarea Semnalului

În domeniul de frecvenţe din jurul valorii de 900 MHz, undele radio se reflecta de orice: clădiri, dealuri, automobile, avioane, etc. Astfel multe din semnalele reflectate, fiecare cu o altă fază, pot ajunge la recepţie. Egalizarea este utilizată pentru a extrage semnalul dorit din reflexiile nedorite. Aceasta a fost realizată prin depistarea modului cum un semnal cunoscut transmis este modificat prin reflexie şi atenuare, în vederea construirii unui filtru invers pentru a extrage semnalul dorit. Acest semnal cunoscut este o secvenţa de 26 de biţi transmis în centrul fiecărui impuls. Modul de implementare a egalizorului nu este specificat de GSM .

2.9.5. Comutarea Frecvenţelor

Staţia mobilă trebuie să comute, într-un cadru TDMA între sloturile de transmisie, recepţie şi monitorizare, care de obicei sunt pe frecvenţe diferite. Sistemul GSM utilizează acest mod inerent de comutare a frecvenţelor, deoarece staţia mobilă şi BTS transmit fiecare cadru TDMA pe o frecvenţă diferită. Algoritmul de comutare al frecvenţelor este emis pe canalul de control "Broadcast" BCCH. Deoarece atenuarea semnalului este dependentă de frecvenţa purtătoare, comutarea frecvenţelor ajută la evitarea acestei probleme. În plus este diminuată şi interferenţa canalelor adiacente.

2.9.6. Transmisia Discontinuă

Minimizarea interferenţei canalelor adiacente este esenţială în orice sistem celular, deoarece permite oferirea unor servicii mai bune pentru o celulă dată, sau utilizarea unor celule mai mici, astfel îmbunătătind capacitatea totală a sistemului. Transmisia discontinua (DTX) este o metoda care, bazându-se pe faptul ca o persoana vorbeşte mai puţin de 40% din timp într-o conversaţie normală, deconectează staţia mobilă în timpul perioadelor de inactivitate. În plus, este conservată şi puterea staţiei mobile.

Cea mai importantă componentă a sistemului DTX este, desigur, detectarea activităţii vocale. Aceasta trebuie să deosebească vocea de zgomotul de intrare, un lucru mai complicat decât pare, dacă se considera zgomotul de fond. Dacă un semnal vocal este interpretat ca zgomot, transmisia este întreruptă şi un efect iritant nedorit numit "clipping" apare la recepţie. Dacă, pe de altă parte, zgomotul este interpretat ca semnal vocal prea des, eficienţa sistemului DTX este diminuata dramatic. Alt factor de luat în seama este ca atunci când transmisia este întreruptă, datorită naturii digitale a sistemului GSM, nu se mai aude nimic la recepţie. În acest scop se generează la recepţie un zgomot confortabil asemănător cu zgomotul de fond de la emisie, pentru a asigura utilizatorul despre păstrarea conexiunii.

2.9.7. Recepţia Discontinuă

Altă metodă folosită pentru a conserva puterea staţiei mobile este recepţia discontinuă. Canalul "Paging" (PCH), utilizat de staţia de bază pentru a semnala un apel, este structurată în subcanale. Fiecare staţie mobilă trebuie să asculte doar pe subcanalul propriu. În timpul dintre subcanalele "paging" succesive, staţia mobilă poate intra în modul "sleep", cu un consum de energie aproape nul.


2.9.8. Controlul Puterii

Există definite cinci clase de staţii mobile relativ la puterea de vârf transmisă, şi anume 20, 8, 5, 2, şi 0.8 W. Pentru a minimiza interferenţa canalelor adiacente şi a conserva puterea, atât staţia mobilă cât şi staţia de bază BTS trebuie să opereze la cel mai scăzut nivel de putere care să păstreze o calitate acceptabilă a semnalului. Nivelele de putere pot fi modificate în trepte de 2 dB de la puterea de vârf a clasei respective până la un minim de 13 dBm (20 mW).

Staţia mobilă măsoară calitatea semnalului, şi trimite informaţia la BSC, care decide dacă şi cum nivelul de putere trebuie modificat. Controlul puterii trebuie utilizat cu atenţie, deoarece există posibilitatea instabilităţii. Aceasta instabilitate apare la utilizarea staţiilor mobile pe canale adiacente ce îşi cresc puterea ca răspuns la creşterea interferenţei. Acest lucru este puţin probabil să se producă în practică, dar a făcut obiectul unui studiu în anul 1991.

2.10. ASPECTE ALE REŢELEI

Asigurarea transmisiei semnalului vocal sau a datelor de o anumită calitate pe o legătură radio este doar una din funcţiile unei reţele celulare mobile. Datorită faptului ca aria geografică acoperita de reţea este divizată în celule necesita implementarea unui protocol. De asemenea, faptul ca utilizatorul are mobilitate naţională şi internaţională, este necesar ca funcţiile de înregistrare, autentificare, transfer al apelurilor şi actualizare a localizării să existe în reţeaua GSM.

Protocolul de comunicare în reţeaua GSM este structurat pe trei straturi ca în Figura 3. Stratul 1 este stratul fizic, care utilizează structura de canale descrisă anterior. Stratul 2 este stratul de legătura al datelor. Prin interfaţa "Um", stratul de legătura al datelor este o versiune modificată a protocolului LAPD folosit în ISDN, numit LAPDm. Prin interfaţa "A", este utilizat stratul 2 MTP al SSN 7. Stratul 3 al protocolului de comunicare GSM este el însuşi impartit în trei substraturi:

Controlul Resurselor Radio (RR) - Controlează iniţierea, menţinerea şi terminarea canalelor radio şi a celor fixe, inclusiv protocolul.

Figura 3. Structura protocolului de comunicare în GSM.Controlul Mobilitatii (MM) - Controlează actualizarea localizării, procedurile de înregistrare,

securitatea şi autentificarea. Controlul Conexiunii (CM) - Se ocupă de controlul general al apelurilor, similar cu

Recomandarea CCITT Q.931, şi controlează Serviciile Suplimentare şi Serviciul de Mesaje Scurte. Comunicarea dintre diferite entităţi în partea fixă a reţelei, cum ar fi între HLR şi VLR, este

realizată prin "Mobile Application Part" (MAP). MAP este construit în vârful "Transaction Capabilities Application Part" (TCAP), stratul de vârf al SSN7. Specificaţiile MAP destul de complexe, descrise în peste 500 pagini, fac obiectul celui mai lung document din recomandările GSM.


2.10.1. Controlul Resurselor Radio

Substratul de control al resurselor radio (RR) supervizează stabilirea unei legături atât radio cât şi fixă, între staţia mobilă şi MSC. Principalele componente funcţionale implicate sunt staţia mobilă, staţia de bază şi MSC. O sesiune RR reprezintă intervalul de timp ăn care o staţie mobila este în modul dedicat şi asigură configurarea şi alocarea canalelor radio dedicate.

O sesiune RR este întotdeauna iniţializată de o staţie mobilă printr-o procedura de acces, de iniţializare a unei convorbiri sau de răspuns la un mesaj "paging". Detaliile procedurii de acces sau "paging", cum ar fi atribuirea unui canal dedicat şi/sau a unui subcanal de "paging", sunt controlate de substratul RR. În plus, asigură şi controlul altor resurse radio cum ar fi controlul puterii, transmisia şi recepţia discontinuă şi facilitatile de sincronizare.

2.10.1.1. Pasarea ConvorbirilorÎntr-o reţea celulară, legaturile radio şi fixe necesare nu sunt permanent alocate pe durata

unei convorbiri. Pasare reprezintă comutarea unei convorbiri pe un canal sau o celulă diferită. Execuţia şi măsurătorile necesare pentru pasare formează unele din funcţiunile de bază ale substratului RR.

În sistemul GSM există patru tipuri de pasări ce implica transferul unei convorbiri între: Canale (sloturi de timp) în cadrul aceleiaşi celule; Celule (BTS) sub controlul aceleiaşi BSC; Celule sub controlul unor BSC diferite, dar aparţinând aceluiaşi MSC; Celule sub controlul unor MSC diferite.

Primele două tipuri de pasări, numite pasări interne, implică doar controllerul staţiei de baza BSC. Pentru economie, acestea sunt controlate de BSC fară implicarea MSC, exceptând notificarea MSC despre executarea pasării. Ultimele două tipuri de pasări, numite pasări externe, sunt controlate de MSC-urile implicate.

Pasările pot fi iniţiate atât de staţiile mobile sau de MSC (pentru echilibrarea încărcării traficului). O staţie mobilă în modul nededicat scanează canalul de control "Broadcast" după 16 celule vecine şi formează o listă cu 6 dintre cei mai buni candidaţi pentru posibile pasări, bazată pe calitatea semnalelor recepţionate. Aceste informaţii sunt trimise către BSC si MSC, cel puţin odată pe secundă şi sunt folosite de algoritmul de pasare.

Algoritmul după care o decizie de pasare trebuie luată nu este specificat în recomandările GSM. Există doi algoritmi de bază utilizaţi, ambii strâns legaţi de controlul puterii. Acest lucru se întâmplă datorită faptului ca BSC de obicei nu ştie dacă calitatea slabă a semnalului apare datorită atenuărilor prin reflexie sau a comutării pe o altă celulă, fenomen întâlnit la celule urbane mici.

Algoritmul de "Performanta Minim Acceptata" oferă precedenţa controlului puterii asupra pasării, astfel încât atunci când semnalul este degradat sub un anumit nivel, puterea staţiei mobile este crescută. Dacă creşteri ulterioare ale puterii nu îmbunătăţesc calitatea semnalului, atunci se decide o pasare. Aceasta este cea mai simplă şi mai comună metodă utilizată, dar are câteva neajunsuri relativ la neclaritatea limitelor celulelor.

Metoda de "economisire a puterii" utilizează pasarea pentru a încerca să menţină sau să îmbunătăţeasca un anume nivel de semnal la acelaşi consum sau mai redus. Astfel dă precedenţă pasării peste controlul puterii, evitând fenomenul de neclaritate a limitelor celulelor şi reduce interferenţa dintre canale, dar este destul de complicată.

2.10.2. Controlul Mobilităţii

Substratul de control al mobilităţii (MM) este construit în vârful substratului RR, şi controlează toate funcţiile relative la asigurarea mobilitatii unui utilizator, ca şi cele de autentificare şi securitate. Controlul localizării este legat de procedurile ce permit sistemului să ştie localizarea curentă a unei staţii mobile astfel încât să se poată efectua rutarea apelurilor.


2.10.2.1. Actualizarea LocalizăriiO staţie mobilă este informată despre un apel printr-un mesaj de "paging" trimis pe canalul

PAGCH. O variantă extremă ar fi să se trimită un mesaj de "paging" fiecărei celule din reţea pentru fiecare apel, ceea ce reprezintă evident o încărcare nejustificată a traficului. O altă variantă extremă ar fi pentru staţia mobilă să anunţe sistemul, prin mesajul de actualizare a localizării, despre localizarea curentă la nivelul celulei. Aceasta ar necesita trimiterea unui mesaj "paging" doar către o singura celulă, dar fi o risipa relativ la numărul mare de mesaje de actualizare a localizării. O soluţie de compromis, utilizată în GSM, este de a grupa mai multe celule într-o arie de localizare. Mesaje de actualizare sunt necesare doar la deplasările dintre ariile de localizare, iar mesajele "paging" sunt trimise către staţia mobilă de toate celulele aflate în aceeaşi arie.

Procedurile de actualizare a localizării şi respectivele rutari ale apelurilor, folosesc MSC şi două registre de localizare, HLR şi VLR. Când o staţie mobilă se deplasează într-o arie de localizare, sau într-o reţea diferită, trebuie să se înregistreze în reţea pentru a indică localizarea curentă. În mod normal, un mesaj de actualizare este trimis la un nou MSC/VLR, care înregistrează informaţia despre localizare şi apoi o trimite la HLR. Informaţia trimisă la HLR este în mod normal adresa SS7 a noului VLR, dar poate fi şi un număr de rutare. Motivul pentru care în mod normal nu este alocat un număr de rutare, este că într-un nou MSC/VLR, există un număr limitat de numere de rutare disponibile şi ele sunt alocate la cerere pentru apeluri. Dacă utilizatorul este titularul serviciului, HLR trimite un subset de informaţii de înregistrare, necesare pentru controlul apelului, către noul MSC/VLR apoi trimite un mesaj către MSC/VLR-ul anterior pentru a şterge vechea înregistrare.

Din motive de performanţă, GSM are de asemenea o procedură periodică de actualizare a localizării. Dacă un HLR sau MSC/VLR nu răspunde, a avea fiecare staţie mobilă înregistrată simultan şi a aduce baza de date la zi, va cauza o supraîncărcare. Astfel, baza de date este actualizată doar dacă apare un eveniment de actualizare a localizării. Actualizările periodice şi intervalele dintre acestea sunt controlate de operator şi reprezintă un compromis între viteza de reactualizare şi încărcarea traficului. Dacă o staţie mobilă nu se înregistrează după perioada de timp de actualizare, ea este radiată.

O procedură legată de actualizarea localizării este ataşarea şi detaşarea de tip IMSI. Procedura de detaşare permite reţelei să ştie dacă o staţie mobilă este indisponibilă şi a evita alocarea canalelor şi a trimiterii mesajelor de "paging". Procedura de ataşare este similară actualizării localizării şi informează sistemul că staţia mobilă este din nou disponibilă. Activarea procedurilor de ataşare/detaşare IMSI este la nivelul operatorului pe o celulă individuală.

2.10.2.2. Autentificarea şi SecuritateaDeoarece mediul radio poate fi accesat de oricine, autentificarea utilizatorilor pentru a proba

că sunt cei care se pretind a fi, este un element foarte important al reţelei mobile. Autentificarea implică două entităţi funcţionale, cartela SIM din staţia mobilă şi Centru de Autentificare (AuC). Fiecărui utilizator îi este atribuită o cheie secretă, stocată atât în cartela SIM cât şi în AuC. În timpul autentificării, AuC generează un număr aleator care este trimis staţiei mobile. Atât staţia mobilă cât şi AuC folosesc numărul aleator în conjuncţie cu cheia secretă a utilizatorului şi un algoritm de incriptare numit A3, pentru a genera un răspuns (SRES) care este trimis înapoi la AuC. Dacă numărul trimis de staţia mobilă este acelaşi cu cel calculat de AuC, atunci utilizatorul este autentificat.

Acelaşi număr aleatoriu ca şi cheia secretă sunt folosite pentru a genera cheia incriptată, utilizând un algoritm numit A8. Aceasta cheie incriptată, împreună cu numărul cadrului TDMA, folosesc algoritmul A5 pentru a genera o secvenţa de 114 biţi care este operată logic XOR cu cei 114 biţi ai impulsului (cele două blocuri de 57 biţi). Incriptarea în acest sistem este o opţiune relativ paranoică, din moment ce semnalul este deja codat, rearanjat şi transmis în mod TMDA, astfel asigurând protecţia pentru aproape toate interceptările voluntare.


Alt nivel de securitate este asigurat de staţia mobilă în raport cu utilizatorul. Aşa cum s-a menţionat anterior, fiecare terminal GSM este identificat de un număr unic numit Identitatea Internaţională a Echipamentului Mobil (IMEI). Într-o reţea este stocată o listă de numere IMEI în Registrul de Identitate al Echipamentului, EIR. Ca răspuns la o cerere IMEI către EIR există trei posibilităţi:

Lista Albă - Terminalul are permisiunea de a se conecta la reţea. Lista Gri - Terminalul este sub supraveghere pentru posibile probleme. Lista Neagră - Terminalul sau a fost raportat ca furat, sau nu este de tipul aprobat.

Terminalul nu are permisiunea de a se conecta la reţea.

2.10.3. Controlul Conexiunii

Stratul de control al conexiunii (CM) este responsabil de controlul apelurilor (CC), de controlul suplimentar al serviciilor şi de controlul serviciului de mesajele scurte. Fiecare dintre acestea pot fi considerate ca substraturi separate în stratul CM. Controlul apelurilor urmăreşte procedurile ISDN specificate în Q.931, chiar dacă rutarea spre un utilizator mobil este unică în GSM. Alte funcţii ale substratului CC includ stabilirea apelului şi selecţia tipului de serviciu (inclusiv alternarea între servicii pe parcursul unui apel).

2.10.3.1. Rutarea ApeluluiÎn comparaţie cu rutarea într-o reţea fixă, unde terminalul este semipermanent conectat la un

oficiu central, un utilizator GSM are mobilitate naţională şi chiar internaţională. Numărul format pentru a apela un utilizator se numeşte număr Utilizator Mobil (MSISDN), care este definit de planul de numerotare E.164. Acest număr include un cod de ţară şi un cod naţional de destinaţie care identifica operatorul utilizatorului. Primele câteva cifre din numărul rămas identifica HLR-ul utilizatorului în reţeaua locală.

Un apel de la o staţie mobilă este direcţionată către funcţia "Gateway" MSC (GMSC). GMSC este practic un comutator care poate interoga HLR-ul utilizatorului pentru a obţine informaţia de rutare şi astfel conţine o tabela de legături între MSISDN şi HLR-ul corespunzător. O simplificare este de a avea un singur GSMC care să controleze o reţea locală. De notat ca funcţia GMSC este distinctă de funcţia MSC, dat în mod normal sunt implementate în acelaşi modul funcţional.

Informaţia de rutare, ce este returnată de GMSC, este numărul mobil al terminalului "Mobile Station Roaming Number" (MSRN), care este de asemenea definit de planul de numerotare E.164. MSRN-urile sunt legate de planul geografic de numerotare şi nu sunt atribuite sau vizibile utilizatorului.

Cea mai generală procedură de rutare începe cu interogarea HLR-ul unui utilizator apelat de către un GMSC pentru un MSRN. În mod normal HLR reţine numai adresa SS7 a VLR-ului curent al utilizatorului şi nu MSRN. Astfel HLR trebuie să interogheze VLR-ul curent al utilizatorului, care va aloca temporar un MSRN din stiva sa, pentru apel. MSRN este returnat HLR-ului şi înapoi către GMSC, care apoi poate ruta apelul către un nou MSC. La noul MSC, este depistat IMSI-ul corespunzător MSRN-ului şi terminalul este apelat în aria de localizare curentă (Figura 4).


Figura 4. Rutarea apelului pentru o staţie mobila.

2.11. CONCLUZII SI COMENTARII

Telecomunicaţiile evoluează înspre comunicaţiile personale, a căror obiectiv este disponibilitatea tuturor serviciilor, oricând, către oricine şi oriunde, printr-un singur număr de identitate şi un terminal de comunicaţii portabil. Având o multitudine de sisteme incompatibile este imposibil de a se realiza acest obiectiv. Economiile la scara create de un sistem unic sunt suficiente pentru a justifica implementarea acestuia, fără a menţiona comoditatea utilizatorilor, având un singur terminal, de a se deplasa oriunde, indiferent de graniţele naţionale.

Sistemul GSM şi sistemul similar ce operează la 1800 MHz, numit DCS1800, sunt primele abordări ale unui adevărat sistem personal de comunicaţii. Cartela SIM reprezintă o abordare nouă ce implementează o mobilitate personală în plus faţă de mobilitatea terminalului. Împreuna cu mobilitatea internaţională şi suportul pentru o gamă largă de servicii cum ar fi telefonia, transferul de date, serviciul fax, serviciul de mesaje scurte şi alte servicii suplimentare, GSM se apropie de îndeplinirea cerinţelor pentru un sistem de comunicaţii personal, suficient pentru a constitui o bază pentru generaţia următoare de tehnologii de comunicaţii în Europa, Sistemul Universal de Telecomunicaţii Mobile (UMTS).

Alt punct unde GSM a arătat interes pentru deschidere, standarde şi interoperabilitate este compatibilitatea cu sistemul ISDN, care evoluează în majoritatea ţărilor industrializate, şi în particular în Europa (aşa numitul Euro-ISDN). GSM este primul sistem care utilizează extensiv conceptul de reţea inteligentă, în care servicii ca numerele 800 să fie concentrate şi controlate de câteva centre, în loc de a fi distribuite pe fiecare centrală din ţară. În spatele utilizării registrelor de tip HLR se ascunde acest concept. În plus, semnalizările între entitaţile funcţionale utilizează SSN7, un standard internaţional deja adoptat în multe ţări şi specificat ca baza de semnalizare în reţele ISDN.

Cap.3. Serviciile GSM

3.1. Introducere

GSM prevede o gamă largă de servicii ce pot fi oferite abonaţilor, servicii pe care le vom detalia în continuare. În plus, GSM prevede un set de servicii suplimentare faţă de cele oferite de reţelele fixe, cum este serviciul de mesagerie scurtă (asemănător serviciului de paging).

Asigurarea serviciilor depinde de trei factori independenţi unul de celălalt:

Servicii auxiliare

Teleservicii

Servicii de transport


- conţinutul abonamentului (atât din punctul de vedere al serviciilor, cât şi al ariei geografice în care abonatul are drepturi de acces). Fiecare operator de sistem oferă abonamente valabile regional (o anumită zonă geografică), naţional sau internaţional, ce conţin pachete de servicii cu costuri diferite;

- capacitatea reţelei de a oferi o anumită gamă de servicii, la un moment dat. Două reţele nu vor putea oferi aceeaşi gamă de servicii la un moment dat unui abonat, deoarece aceasta depinde de restricţiile impuse de reţeaua în care abonatul se află în acel moment. Cu alte cuvinte, un abonat ce are acces la un serviciu într-o reţea poate să fie restricţionat la acel serviciu într-o alta reţea, dacă serviciul nu este implementat în aceasta din urmă;

- capacitatea echipamentului deţinut de abonat. De exemplu, este evident ca un abonat nu va putea transmite sau recepţiona un fax sau un fişier de date de la un terminal vocal, ci numai dacă dispune de un echipament adecvat.

Serviciile oferite de sistemul GSM se pot împărţi în trei mari categorii:a) Servicii de transport;b) Teleservicii;c) Servicii auxiliare;

O posibilă ierarhizare a acestor servicii este următoarea:

Fig. 1. Ierarhizarea serviciilor

în sistemul GSM.

3.2. Servicii de transport

3.2.1. Noţiuni generale privind serviciile de transport GSMServiciile de transport sunt serviciile ce presupun asigurarea transferului informaţiei, la un

anumit debit, între două interfeţe (puncte de acces în reţea) diferite. Teleserviciile presupun asigurarea unei comunicaţii între două terminale distincte din reţea şi eventual între aplicaţiile corespunzătoare. Serviciile auxiliare (suplimentare) au ca scop îmbunătăţirea (prin adăugarea de noi facilităţi) a serviciilor de transport si a teleserviciilor în GSM. O imagine a relaţiei între serviciile de transport şi teleservicii este prezentată în figura 2.

Pentru a înţelege mai bine luăm un exemplu relativ la serviciile de transport, preluat din reţelele fixe, urmând apoi să facem tranziţia la GSM. Astfel, asigurarea unui serviciu de transport de către un operator constă în a furniza o capacitate de transmisie, cu anumite caracteristici privind debitul, coeficientul de erori, modul de transmisie (sincron/asincron). Un exemplu simplu în acest sens îl constituie transmisia duplex la 9,6 kb/s, pe o reţea analogică, între două terminale de date. Pentru aceasta, evident sunt necesare două echipamente terminale (modemuri) şi două

Fig. 2. Relaţia servicii de transport-teleservicii.

Fig. 3. Configuraţia pentru comunicaţia de date prin reţeaua PSTN a doua modeme.


interfeţe adecvate de reţea (pentru ca formatul de transmisie al datelor sa fie compatibil cu cel al reţelei analogice privind modulaţia, codarea etc.). Configuraţia utilizată în acest scop este prezentată în figura 3.

Notaţii folosite:ET 1, ET2 = echipamente terminale;NT = interfeţe de reţea (Network Termination);PSTN = Reţeaua Publică Telefonică Comutată (Public Switched Telephone Network).

Daca. în cazul PSTN, unde singurul serviciu de transport oferit este transmisia în banda de baă, pentru ISDN, de exemplu, paleta serviciilor de transport oferite este mult mai largă. în cazul GSM lucrurile devin şi mai delicate. Vor fi deci necesare două funcţii de adaptare pentru a realiza interconectarea unui utilizator GSM cu un utilizator al reţelei fixe:

- o funcţie de adaptare la echipamentul mobil (TAF - Terminal Adaptor Function), care realizează adaptarea fluxului de informaţie oferit de echipamentul mobil la formatul care se va transmite pe canalul radio;

- o funcţie de adaptare pentru accesul în reţeaua fixă (IWF - Internetworking Function), care face translaţia de la un flux în format, să-i spunem generic GSM, la fluxul adecvat reţelei fixe.

Poziţia acestor două funcţii pe lanţul de comunicaţie terminal mobil <-> terminal din reţeaua fixă este prezentată în figura 4.

Fig. 4. Poziţia funcţiilor de adaptare în lanţul de comunicaţie între un echipament mobil şi un echipament din reţeaua fixă.

Notaţii folosite:MS == staţie mobilă (echipament mobil);NT = interfaţă cu reţeaua fixă;ET = echipament terminal în reţeaua fixă.

În cazul nostru, termenul de reţea fixă trebuie înţeles generic, adică inclusiv cazul când este necesară tranzitarea mai multor reţele fixe, pentru comunicaţia terminal mobil <-> terminal fix (în acest ultim caz, reţeaua fixă va fi de fapt o suprapunere de reţele fixe). Un aspect foarte important al serviciilor de transport îl reprezintă interconectarea reţelei GSM cu reţelele fixe şi în special funcţiile IWF.

Conexiunea abonat GSM - abonat al reţelei telefonice publice comutate(PSTN) Între doi abonaţi PSTN transmisia de date se realizează prin modemuri audio, asigurându-se

anumite servicii caracterizate prin parametrii specifici de calitate ai serviciului. Acest lucru trebuie


să fie posibil şi în cazul în care un abonat GSM doreşte să realizeze o comunicaţie de date cu un abonat. Cele mai populare servicii de date sunt fax şi videotext. Pentru comunicaţia de date între un abonat GSM şi unul conectat la PSTN, funcţia de adaptare IWF se realizează prin intermediul unui modem audio aflat la punctul de interconectare al celor două reţele. De asemenea, abonatul va trebui sa dispună de un terminal specific comunicaţiilor de date.

Conexiunea abonat GSM - abonat ISDNUnul din scopurile principale ale GSM-ului este cel de a avea funcţii care să permită o compatibilitate cât mai ridicată cu ISDN-ul, scopul final fiind integrarea GSM în ISDN. Problema cea mai importantă este diferenţa între debitul de transmisie pe un canal din GSM (12,6 kb/s) si debitul pe un canal ISDN, care este de 64 kb/s şi se poate rezolva adaptând soluţia utilizată în cazul interconectării ISDN cu PSTN:

- utilizarea în punctele de interconectare a formatelor digitale standard pentru ISDN în scopul adaptării ratei de transmisie din PSTN la rata din ISDN. Utilizând aceste formate digitale se poate transfera informaţia cuprinsă în cadre digitale de rate mai mici pe legăturile ISDN de 64 kb/s.

- altă metodă de interimat, în cazurile în care coexistă GSM, ISDN si PSTN, este utilizarea legăturilor ISDN la rata din PSTN, dar nu este recomandabilă decât pe durate scurte de timp, deoarece nu este eficientă atât din punct de vedere al serviciilor oferite abonaţilor, cât şi din punct de vedere al vitezei de transmisie a informaţiei prin reţea.

Conexiunea între abonaţii GSM

GSM a fost concepută ca o reţea de acces, iar serviciile oferite abonaţilor sunt aceleaşi cu cele oferite de diferitele tipuri de reţele fixe. Diferenţa esenţială faţă de reţelele fixe constă in aceea că toate serviciile pot fi oferite şi în condiţii de mobilitate a abonaţilor. Fiind o reţea de acces, o comunicaţie, în majoritatea cazurilor se realizează cu traversarea unei reţele fixe, iar din punct de vedere al numărului de servicii oferite, cazul cel mai fericit este cel în care reţeaua traversată este ISDN.

Există şi servicii ce se realizează fără traversarea unei reţele fixe, cum sunt comunicaţiile între doi abonaţi aflaţi în aceeaşi celulă; în acest caz Specificaţiile indică folosirea unui serviciu de transport, propriu sistemului GSM, comunicaţia fiind asigurată la o rată de transfer a informaţiei de circa 12,8 kb/s.

Conexiunea abonat GSM - abonat al reţelei publice de date cu comutaţie de pachete (PSPDN)

Accesul la PSPDN se poate face în trei moduri:- acces direct al abonaţilor (acces X.25);- acces prin PSTN sau ISDN utilizând PAD (Packet Assembler/Disassembler) sau accesul

sincron (X.32);- acces prin ISDN utilizând posibilităţile de transmisie a pachetelor de date ale acestei reţele.

Conexiunea abonat GSM - abonat al reţelei publice cu comutaţie de circuite (CSPDN)CSPDN poate fi accesată direct de către abonaţii GSM printr-o interfaţă X.21 sau cu

tranzitarea ISDN, caz în care interfaţa abonat - reţea este adaptată standardelor ISDN. Totuşi, în cazul abonaţilor GSM ce accesează CSPDN, debitul de transmisie este limitat la 2,4, 4,8 sau 9,6 kb/s.

Asigurarea acestor servicii de date abonaţilor GSM presupune limitarea mobilităţii acestora, deoarece sunt necesare conectări pe durate mari de timp la reţelele fixe sau echipamente greu transportabile. Există şi servicii ce permit mobilitatea abonaţilor, cum este serviciul de paging, iar GSM a fost proiectat pentru a asigura şi acest serviciu (modificat faţă de serviciul de paging clasic), pe terminalul utilizat pentru serviciile de telefonie.


3.2.2. Lista serviciilor de transport GSM

Serviciile de transport GSM au fost definite ţinând cont de serviciile deja existente în reţelele fixe. Ele permit atât asigurarea unui circuit pentru transmisia datelor, cât şi accesul în reţelele de date.

Din punctul de vedere al transmisiei de date, putem vorbi de circuite cu debite cuprinse între 300 - 9600 b/s şi de transmisie digitală (UDI - Unrestricted Digital Information - tip de transfer nerestricţionat), dar şi de transmisie analogică.

Există cartele specializate PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) ce permit branşarea computerului portabil la terminalul GSM. Aceste cartele permit asigurarea funcţiilor clasice ale modemurilor din reţelele fixe pe mediul radio, în conformitate cu standardul GSM.

3.3. Teleserviciile

3.3.1. Noţiuni introductive

Teleserviciile oferite de GSM sunt numeroase şi numărul lor va creşte.

Dintre acestea amintim:• Telefonia - vocea este digitalizată şi transportată prin reţeaua GSM ca flux digital• Servicii de date:

1) Comunicaţii de date cu utilizatorii PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN printr-o mulţime de metode si protocoale de acces, din care cele mai cunoscute sunt X.25 şi X.32;

2) Servicii facsimil prin utilizarea unui adaptor fax plasat la terminalul mobil;3) Servicii de text, videotext, teletext;4) Serviciul de mesagerie scurtă

Cel mai utilizat teleserviciu prevăzut de GSM este telefonia. Acesta permite apeluri bidirecţionale între abonaţii GSM şi orice abonat conectat la o reţea telefonică generala (fixă sau mobilă). De asemenea, se permite abonaţilor să apeleze alte servicii (poliţie, pompieri, salvare) chiar şi în condiţiile expirării abonamentului, fără a se percepe taxarea lor.

Un alt teleserviciu derivat din cel telefonic este mesageria vocală. Acesta este oferit separat, tot ca un teleserviciu de bază, de mulţi operatori. El presupune stocarea unui mesaj vocal, care urmează a fi retransmis ulterior către destinatarul mobil.

Teleservicii de date: deoarece sistemul GSM a fost creat ulterior reţelei ISDN, serviciile de date au fost proiectate de la început pentru compatibilitate cu ISDN, cu singura deosebire că au apărut limitări datorate mediului radio.

3.3.2. Lista teleserviciilor


Clasă DenumireVoce Telefonie

Apeluri de urgenţă

Mesagerie scurta

Mesaje scurte cap - la - cap spre un mobil

Mesaje scurte cap - la - cap provenite de la mobil

Mesaje de difuzare (spre echipamentele mobile)

Fax Transmisie alternativă voce/fax

Transmisie automată a serviciilor fax

Teleserviciile de mesagerie scurtă: Se face o distincţie clară între un mesaj de tip SMS-MT/PP (Mobile Terminating Short Message Service, Point to Point) care identifică un mesaj scurt ce are ca destinatar un abonat mobil şi mesajul de tip SMS-MO/PP (Mobile Originating Short Message Service, Point to Point) care permite unui abonat să transmită un mesaj scurt către un abonat GSM. Tot în cadrul teleserviciilor de mesagerie scurtă intră şi mesajele de broadcast SMS-CB (Cell Broadcast Short Message Service) care permit transmiterea de mesaje de interes general către toţi abonaţii aflaţi într-o arie geografică.

Mesaje scrise punct-la-punct: Acest tip de teleserviciu permite transmiterea de mesaje alfanumerice care, în cazul în care destinatarul este un abonat GSM, apar pe ecranul terminalului destinatar. Fiind asemănător cu serviciul de paging, serviciul de mesagerie scurtă are faţă de acesta îmbunătăţiri ce permit utilizarea şi a altor facilităţi oferite de sistemul GSM (de exemplu posibilitatea unui dialog bidirecţional între staţia mobilă şi reţea, ce poate conţine mesaje de informare către terminalul expeditor, care anunţă că transmisia s-a efectuat cu succes, sau că mesajul va fi retransmis ulterior în cazul în care mobilul destinatar nu a putut fi contactat de reţea, pentru a i se transmite mesajul).

Mesaje de difuzare (broadcast): Mesajele de broadcast sunt mesaje ce conţin informaţii generale, transmise digital, în mod ciclic, de către o staţie de baza într-o arie geografică. Aceste mesaje pot fi monitorizate de staţia de bază, cu excepţia cazului în care are loc o comunicaţie bidirecţională cu reţeaua (de exemplu informaţii asupra legăturilor radio din celula). Deoarece aceste mesaje sunt adresate tuturor abonaţilor din aria geografică respectivă, ele nu sunt transmise în mod cifrat, ca în cazul mesajelor destinate unui singur abonat, deci acest serviciu nu va necesita subscripţia specifică mesajelor destinate unui singur abonat.

Modalitatea de implementare a acestui serviciu depinde de operatorul reţelei, care îşi defineşte singur regimul de acordare a acestor mesaje (de exemplu acordate doar autorităţilor publice).

Serviciile de fax: acestea se implementează atât în mod manual (comutare manuală voce-fax) cât şi automat, funcţie de terminalul abonatului.

In finalul descrierii teleserviciilor GSM vom mai aminti si faptul ca serviciile de telefonie includ şi implementarea de servere vocale („cutii poştale" vocale în care mesajele pentru abonaţii ce nu au putut fi contactaţi sunt stocate şi pot fi auzite imediat ce abonatul solicitat devine accesibil), prin apelarea unui număr special predefinit. O facilitate asemănătoare este prevăzută şi pentru serviciul de mesagerie scurtă.


3.4. Serviciile auxiliare

3.4.1 Noţiuni generaleServiciile auxiliare din reţelele fixe au fost create în scopul îmbunătăţirii serviciilor de bază

oferite de acestea (de exemplu tonuri de ocupat, de sonerie, mesaje speciale ce indică starea de liber sau de ocupat a unei linii etc.) Acelaşi lucru s-a dorit şi în cazul sistemului GSM, pentru care aceste funcţii au fost adaptate la mobilitatea specifica abonaţilor. Există două aspecte distincte legate de serviciile auxiliare: unul referitor la modalitatea în care ele modifică sau completează serviciile de bază, iar celalalt referitor la modalitatea în care un abonat poate cere serviciul dorit din variantele existente. Dintre cele mai importante amintim:- redirecţionarea apelului către un alt număr sau abonat, condiţional sau necondiţionat;- prezentare/restricţionarea prezentării numărului chemător;- apel în aşteptare;- teleconferinţă multipartită;- utilizarea altei reţele decât a celei în care se plăteşte abonamentul (roaming);

Vom descrie în continuare o parte a serviciilor auxiliare oferite de sistemul GSM, precum şi câteva aspecte legate de cartela GSM (SIM - Subscriber Identity Module).

Pentru simplificarea expunerii, vom folosi în continuare un termen des utilizat în cărţile de specialitate, cu sens sinonim celui de serviciu auxiliar: facilitate.

3.4.2 Lista şi descrierea serviciilor auxiliare GSM

Tabelul 2 (a) Serviciile auxiliare GSM.Tip serviciu Denumire Denumire iniţială Prescurtare

Identificarea numărului apelant

Prezentarea identităţii liniei apelante

Calling Line Identification CLIP

Restricţionarea furnizării identităţii Calling Line Identification Restriction

CLIR

Prezentarea identităţii liniei conectate

Connected Line Identification Presentation

CoLP

Restricţionarea furnizării identităţii liniei conectate

Connected Line Identification Restriction

CoLR

Redirijarea apelului Redirijarea necondiţionată Call Forwarding Unconditional

CFU

Redirijarea în caz de abonat mobil ocupat

Call Forwarding on Mobile Subscriber Busy

CFB

Redirijarea în caz de lipsa de răspuns

Call Forwarding on Not Reply

CFNRy

Redirijarea în caz de abonat mobil inaccesibil

Call Forwarding on Mobile Subscriber Not Reachable

CFNRc

Apel dublu Menţinere în aşteptare Call Waiting CW

Menţinere în aşteptare cu răspuns imediat

Call Hold HOLD

Conferinţă Apeluri multipartite Multi - Party Service MPTY

Grup închis de utilizatori Closed User Group CUG

Taxare Indicaţie de taxare Advice of Charge (Information)

AoCI


Indicaţie de taxare Advice of Charge (Charging)

AoCC

Tabelul 2 (b) Serviciile auxiliare GSM.Tip serviciu Denumire Denumire iniţială Prescurtare

Restricţionare a apelurilor

Interdicţia tuturor apelurilor care ies din PLMN gazda

Barring of All Outgoing Calls

BAOC

Interdicţia tuturor apelurilor internaţionale

Barring of All Outgoing International Calls

BOIC

Interdicţia tuturor apelurilor internaţionale cu excepţia celor spre PLMN gazda

Barring of All Outgoing International Calls except those directed to PLMN Home Country

BOlC-exHC

Interdicţia tuturor apelurilor de intrare

Barring of All Incoming Calls

BAIC

Interdicţia tuturor apelurilor de intrare în roaming

Barring of All Incoming Calls when Roamming outside the Home PLMN Country

BIC- Roam

Serviciile de identificare a numărului apelant permit cunoaşterea numărului sau numelui abonatului chemator.

- CLIP/CoLP (Calling Line Identification Presentation/Connected Line Identification Presentation) prin care abonatul poate recunoaşte cine îl sună şi să decidă dacă să răspundă sau nu;

- CLIR/CoLR (Calling Line Identification Restriction/Connected Line Identification Presentation) dezactivează furnizarea identităţii apelantului;

Redirijarea apelurilor este o facilitate prezentă în toate reţelele moderne de telecomunicaţii.În cazul GSM redirijarea se poate face în diverse condiţii (şi diverse opţiuni):

- redirijare necondiţionată: reţeaua redirecţionează apelul către o terţă parte, aleasă de abonatul apelat. Aceasta are loc dacă abonatul apelat cere facilitatea CPU (Call Forwarding Unconditional);

- redirijare când abonatul mobil este ocupat: apelul este transferat către o terţă parte, aleasă în prealabil de abonatul apelat, prin facilitatea CFB (Call Forwarding on mobile subscriber Busy);

- redirijare când abonatul mobil este inaccesibil: transferul apelului se face către o terţă parte (dacă abonatul apelat a cerut facilitatea CFNRc -Call Forwarding on mobile subscriber Not Reachable);

- redirijare când abonatul mobil nu răspunde: facilitate ce poate sa fie solicitată de un abonat în condiţiile în care nu doreşte să răspundă apelului şi îl redirecţionează spre un terţ abonat - CFNRy (Call Forwarding on No Reply).

Apelul dublu este o facilitate prin care un abonat mobil poate comunica cu doi interlocutori în acelaşi timp, din care numai unul este activ la un moment dat. Astfel, în acest sens au fost prevăzute următoarele facilităţi:- facilitate de apel în aşteptare (HOLD) utilizată atunci când se doreşte iniţierea unui apel nou,

dar un alt apel este deja în desfăşurare şi nu se doreşte întreruperea lui;- facilitate CW (Call Waiting) - abonatul apelat este avertizat de sosirea unui apel si decide dacă

să răspundă sau nu. (teleconferinţă);- teleconferinţă multipartită - aceasta facilitate (MPTy - Multiparty) permite abonaţilor

efectuarea mai multor comunicaţii simultane, astfel încât fiecare din participanţii la


teleconferinţă să-i poată auzi pe toţi ceilalţi şi, simultan, să fie auzit de toţi ceilalţi. Pentru a se realiza teleconferinţa, abonatul apelant stabileşte prima comunicaţie, o pune în aşteptare, stabileşte apoi cea de-a doua comunicaţie, apoi cea de-a treia etc. până sunt contactaţi toţi participanţii. Numărul maxim de participanţi poate fi cinci şi ei formează un grup. Deoarece şi alţi participanţi la teleconferinţă pot iniţia alte teleconferinţe în acelaşi timp cu cea aflata deja în desfăşurare, numărul real de persoane poate creşte cu mult peste cinci (prin intercomunicarea grupurilor de maxim cinci participanţi);

- grupuri închise de abonaţi - aceasta facilitate (CUG = Closed User Group) se referă la posibilitatea alocării unui set de facilităţi unui grup de abonaţi şi restricţionarea accesului spre exteriorul grupului sau a altora la acest grup. O aplicaţie tipică este cea a unei companii care-şi dotează salariaţii cu terminale GSM, dar interzice utilizarea lor în alte scopuri decât cele profesionale (restricţionarea apelurilor). Pentru a iniţia un nou apel, abonatul GSM trebuie să obţină aceasta permisiune şi pentru aceasta el poate cere reţelei să blocheze o parte sau chiar toate apelurile aflate deja în aşteptare. Aceasta cerere de restricţionare poate fi folosită şi în alte condiţii cum ar fi cazul în care altcineva utilizează terminalul împreună cu cartela aferentă în lipsa proprietarului acestuia. în aceste condiţii, accesul la servicii poate fi restricţionat prin activarea sau dezactivarea unei parole, proprietarul lăsând libere, de exemplu, doar recepţia. de apeluri si posibilitatea de a efectua convorbiri cu cost redus.

Limitarea se face prin facilităţile oferite de serviciile auxiliare în funcţie de tipurile de apeluri ce se doresc a fi restricţionate dintre care amintim :- limitarea apelurilor internaţionale; se face funcţie de poziţionarea abonatului. Astfel, serviciile

auxiliare GSM permit: facilitatea BOIC (Barring of Outgoing International Calls) permite doar apeluri

în ţara în care se află abonatul în acel moment; facilitatea BOIC - exHC (Barring of Outgoing International Calls except those

directed toward the PLMN Home Country) care permite apeluri în ţara în care este localizat în acel moment, precum şi în ţara în care a fost înscris ca abonat;

facilitatea BAIC (Barring All Incoming Calls) care permite abonatului ce nu doreşte să fie deranjat să poate restricţiona toate apelurile ce îi sunt destinate;

facilitatea BIC - roam (Barring All Incoming Calls when roaming outside the PLMN Home Country) care permite abonatului ce nu doreşte să răspundă decât la apelurile sosite din ţara în care a fost înscris ca abonat sa restricţioneze toate celelalte apeluri;

Taxarea apeluluiDacă doi abonaţi aflaţi în convorbire doresc să afle în timp util costul convorbirii lor, ei pot

apela la facilitatea AoC (Advice of Charge). Aceasta facilitate se poate referi, în funcţie de terminalele aflate în comunicaţie, la una din următoarele situaţii:

- o simplă indicaţie asupra sumei ce o va plăti abonatul dacă întrerupe în acel moment conversaţia;

- taxarea în timpul comunicaţiei prin cartele, etc., asemănătoare cu taxarea utilizată la telefoanele publice fixe.

O problemă ce se poate pune este cea a cazurilor în care un abonat efectuează apeluri în alt sistem GSM decât cel în care este înregistrat. În aceste situaţii se poate întâmpla ca valoarea apelului (ca nota de plată) afişată pe terminal sa fie diferită de valoarea ce va apărea pe nota de plată de la sfârşitul lunii, din cauza taxării diferite din cele două ţări şi a diferentelor dintre valorile monedelor naţionale. Toate aceste aspecte se rezolva doar printr-un schimb permanent de informaţii între operatori, pentru ca abonatul să regăsească pe nota de plata aceeaşi suma cu cea afişată pe terminalul său, în momentul întreruperii convorbirii.

Facilităţile caracteristice staţiilor mobile Staţiile mobile sunt terminale inteligente ce pot oferi o serie de funcţii locale, dintre care amintim: stocarea si editarea mesajelor scurte, repetarea apelurilor eşuate etc. Totuşi, există şi


limitări ale acestor funcţii, cea mai importantă fiind numărul de repetări ale apelurilor eşuate (din cauza posibilităţii de supraîncărcare a reţelei). O altă facilitate este tasta „+", care permite, în cazul apelurilor internaţionale, formarea automată a codului de acces la reţeaua internaţională corespunzător ţării în care sună abonatul mobil ce doreşte să efectueze o convorbire. Prin aceasta se elimină necesitatea abonatului de a cunoaşte codul de acces la internaţional al ţării în care se află. în plus, numărul apelat cu aceasta facilitate este recunoscut în orice ţară ca fiind număr internaţional (de exemplu, pentru un apel din România, în Franţa se formează +33 (33 este prefixul din Franţa) iar pentru acelaşi apel efectuat din Italia către Franţa se va forma tot +33, deşi codul de acces la reţeaua internaţională este diferit pentru România si pentru Italia).

Modulul de identitate al abonatului (SIM)În orice sistem mobil staţiile mobile trebuie să se distingă de abonatul care le foloseşte deoarece, în aceste sisteme, creşte probabilitatea de utilizare frauduloasă a terminalului mobil. Pentru evitarea multor situaţii neplăcute s-a creat o modalitate de identificare a abonatului, utilizându-se un modul de identificare al abonatului SIM (Subscriber Identity Module).

Acest SIM este parte integrantă a staţiei mobile şi conţine date specifice abonatului. Are rolul de cheie a staţiei mobile, deoarece în momentul scoaterii ei din staţia mobilă nici o altă persoană nu mai poate comunica de la acea static mobilă fără un SIM personal (decât la serviciile de urgenţă). Cu alte cuvinte, în sistemele mobile abonaţii nu sunt identificaţi în funcţie de staţia mobilă de la care efectuează convorbirea, ci pe baza acestui SIM, care conţine toate datele de identitate necesare.

SIM-ul poate fi protejat printr-un cod cunoscut doar de proprietarul sau, numit PIN (Personal Identity Number) asemănător celui de la cărţile de credit.

O altă facilitate oferita de SIM este cea de a stoca mesajele scurte primite de abonat pe staţia mobilă în lipsa acestuia (în situaţia în care cartela se afla într-o staţie mobilă). De asemenea, mai are posibilitatea de a alege reţeaua mobilă la care abonatul poate sa se conecteze (dacă există posibilitatea alegerii) sau să anunţe abonatul de schimbarea taxării apelurilor (dacă este cazul).

După ce am enumerat câteva din avantajele acestui modul, trebuie sa încheiem discuţia prezentând şi dezavantajul său: nici un abonat GSM nu va putea comunica de la un terminal mobil (cu excepţia apelurilor de urgenţă) fără acest SIM.

Funcţiile de securitate ale sistemului GSMReţelele radio sunt prin definiţie mai puţin sigure decât reţelele fixe, deoarece există

posibilitatea de a emite şi recepţiona unde radio de oriunde şi în orice moment. Din această cauză au fost definite mai multe tipuri de funcţii de securitate a reţelelor mobile, în scopul asigurării protecţiei reţelei împotriva unor accese frauduloase, simultan cu protejarea caracterului privat al comunicaţiilor abonaţilor săi. Aceste funcţii includ:

- autentificarea abonatului pentru a preveni accesul utilizatorilor neînregistraţi;- codarea căilor radio, în particular codarea informaţiilor tuturor abonaţilor;- protecţia identităţii tuturor abonaţilor sistemului, pentru a preveni divulgarea localizării

acestora.Aceste facilităţi nu sunt accesibile abonaţilor, deoarece este dificilă asigurarea protecţiei

separate a fiecărei comunicaţii şi a fiecărui abonat. Toate funcţiile de securitate sunt strâns legate de funcţiile SIM-ului, deoarece acesta are un rol fundamental în autentificarea abonatului, iar funcţiile de securitate aferente reţelei sunt asigurate abonatului din momentul în care acesta accesează reţeaua. În plus, SIM-ul a fost conceput astfel încât să nu se poată duplica. Aceasta, împreună cu funcţiile de securitate oferite de sistemul mobil, realizează un grad ridicat de protecţie al reţelei şi al utilizatorilor ei împotriva posibilelor accese frauduloase.

MS

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS


Cap. 4. Arhitectura stratificată funcţională GSM

4.1. Arhitectura canonică a sistemului GSM

Notaţii:

PLMN(Public Land Mobile Network) – reţea publică mobilă;

PSTN (Public Switched Telephone Network) – reţea publică telefonică comutată (analogică);

ISDN (Integrated Services Digital Network) – reţea numerică cu integrarea serviciilor;

MS (Mobile Station) – staţie mobilă;

SIM (Subscriber Identity Module) – modul de identitate al utilizatorului;

BTS (Base Transceiver Station) – staţie de bază de emisie/recepţie;

BSC (Base Station Controller) – controller de grup de staţii de bază;

BSS (Base Station Subsystem) – subsistemul staţiei de bază;

NSS (Network Subsystem) – subsistemul reţea;

MSC (Mobile Services Switching Center) – centru de comutaţie al serviciilor mobile;

VLR (Visitor Location Register) – bază de date temporală sau bază de date locală;

HLR (Home Location Register) – bază de date permanentă sau bază de date generală;

EIR (Equipment Identitz Register) – bază de date de gestiune a identităţii echipamentelor mobile;

AuC (Authentification Center) – centru de autentificare al abonaţilor;

BSC

BSC

BSC

MSC

MSC

SIM

VLR

VLR

HLR

AuC

EIR

PSTN

Um Abis A

Subsistemul BSS Subsistemul NSS

B

B

G

D

CF


Um, Abis, A, B, C, D, F, G – interfeţe pentru comunicaţia între diverse elemente componente ale arhitecturii GSM;

4.2. Nivele arhitecturale funcţionale GSM. Prezentare generală

Arhitectura stratificată funcţională a sistemului GSM a fost proiectată pentru a satisface două mari categorii de cerinţe (funcţiuni):- cerinţe legate de reţeaua mobilă propriu-zisă (de exemplu alocarea resurselor, gestionarea

mecanismelor de transfer etc.);- cerinţe legate de interconectarea reţelei mobile cu reţelele fixe existente (PSTN, ISDN etc.).

Fiecare element al arhitecturii canonice va avea o arhitectura stratificată funcţională, adaptată

atât rolului acesteia în sistem, cât şi interconectării cu celelalte elemente sau/şi reţeaua fixă. Mai

mult, subsistemul staţiei de baza (BSS) nu interacţionează direct cu reţeaua fixă, dar îndeplineşte

o mare parte din funcţiile specifice reţelei mobile. De aceea, prezentarea arhitecturii canonice a

sistemului GSM se va realiza separând clar subsistemul reţea (NSS) de celelalte două subsisteme

(subsistemul staţiei de baza si subsistemul staţiei mobile – BSS + MS). Ultimele două subsisteme

vor fi numite subsistem BSS+MS. Această concatenare, aparent artificială, are însă o justificare

consistentă din punct de vedere al rolului funcţional jucat de MS, BTS si BSC în arhitectura

canonică GSM: acestea sunt module cu funcţii strict specifice reţelei mobile (alocare de canale,

transmisia informaţiei pe mediul fizic etc.)

4.2.1 Arhitectura funcţională a subsistemului BSS+MSArhitectura funcţională a subsistemului BSS+MS este prezentată în figura 2.


Fig. 2. Arhitectura stratificată funcţională a subsistemului BSS+MS.

Nivelul fizic asigură organizarea informaţiei pe mediul fizic. Acesta realizează:- organizarea şi structurarea informaţiei transmise pe mediul radio;- implementarea salturilor de frecvenţă;- transmisia/recepţia în mod discontinuu;- modularea semnalului la transmisia pe mediul radio.

Aceste funcţii specifice vor fi detaliate în paragraful corespunzător acestui nivel funcţional. Nivelul fizic are funcţii diferite (deoarece între BTS şi BSC comunicaţia se face pe legături terestre). În BTS, nivelul fizic este împărţit în două nivele, asociate interfeţelor Um si Abis: nivelul fizic GSM asociat interfeţei Um (pentru comunicaţia MS <-> BTS) şi nivelul fizic ISDN asociat interfeţei Abis (pentru comunicaţia BTS <-> BSC).

Nivelul legătură de dateFuncţiile acestui nivel sunt asigurate de protocoalele de nivel 2: LAPDm, LAPD, MTP2 (partea

de semnalizare).

Dintre funcţiile specifice acestui nivel amintim:structurarea informaţiei - constă în divizarea informaţiei sosite de la nivelele funcţionale

superioare în unităţi ce pot fi transmise pe nivelul fizic (adică în unităţi de lungime corespunzătoare). Altfel spus, această funcţie permite segmentarea (la emisie) respectiv reasamblarea (la recepţie) a blocurilor de informaţie de lungimi mari. Algoritmii de segmentare / reasamblare sunt identici cu cei utilizaţi de HDLC;

detecţia şi corecţia erorilor - prin această funcţie se urmăreşte asigurarea calităţii transmisiei. Astfel, atât LAPD cât si MTP2 utilizează un mecanism asemănător HDLC de detecţie a erorilor printr-un câmp de 16 biţi (CRC) calculat cu un polinom identic (x16 + x12 + x5 +l), în funcţie de informaţia din cadru. Pe mediul radio acest mecanism nu este necesar, deoarece detecţia de erori este asigurată de mecanismul de codare a canalului în toate cazurile, transferul informaţiei de nivel 2 poate decurge după două proceduri de bază: fără retransmisii (cadrele se transmit o singură dată) sau cu retransmisii. În acest ultim caz, un receptor care detectează (la nivel 2) un cadru eronat va cere retransmisia sa;multiplexarea - constă în asigurarea transmisiei, pe aceeaşi legătură fizică, a informaţiei provenind de la utilizatori diferiţi. Aceasta este o funcţie esenţială pentru reţelele în care trebuie asigurate conexiuni de tip punct-multipunct (de exemplu ISDN, unde la aceeaşi legătură fizică pot fi conectaţi mai mulţi utilizatori). În cazul GSM, această funcţie este necesară mai ales pentru comunicaţia între BSC si BTS, care este în general de tip punct-multipunct (informaţia transmisă de către BSC spre BTS poate fi destinata mai multor echipamente mobile). Pentru a distinge fluxurile multiplexate se foloseşte (în reţelele fixe) un aşa numit câmp de identificare al punctului de acces la serviciu (SAPI - Service Access Point Identifier). Aceeaşi denumire, deşi improprie, a fost preluată în GSM.

Nivelul 3Aceasta are o structură diferită pentru echipamentul mobil şi pentru elementele fixe din

reţeaua mobilă. Vom prezenta mai întâi structura şi funcţiunile acestui nivel pentru echipamentul mobil.Nivelul 3 în staţia mobilă - este compus din următoarele subnivele:- RR (Radio Resource Management) este un subnivel de gestionare a resurselor radio. El asigură funcţii aferente stabilirii legăturii mobil —> MSC, mecanismelor de transfer, alocării resurselor radio (canalele) etc.;


- MM (Mobility Management) este subnivelul ce gestionează mobilitatea. Acest subnivel va gestiona aspectele legate de localizare, autentificare, asocierea unui TMSI unui mobil (independent de aspectele radio ale comunicaţiei), funcţii legate de securitate;- CM (Communication Management) este subnivelul care gestionează controlul apelurilor (CC - Call Control), dar şi serviciile de mesagerie scurtă şi respectiv serviciile suplimentare. O funcţie esenţială a acestui subnivel este cea de rutare a apelurilor în sistem. Este la rândul său împărţit în 3 subnivele:- subnivelul CC - subnivel al controlului apelurilor. Funcţia sa principală este de a stabili ruta fizică pe care se va desfăşura ulterior convorbirea;- subnivelul SS (Suplementary Services) - subnivel de tratare a mesajelor aferente serviciilor suplimentare;- subnivelul SMS (Short Message Services) - subnivel de tratare a mesajelor scurte.MTP (Message Transfer Part) este protocol de transport specific SS7. El este conceput să asigure atât funcţii de transport pentru o reţea SS7 (gestiunea traficului, a canalelor, a rutelor) dar şi funcţii de rutare a mesajelor în interiorul unei reţele SS7. Primul grup de funcţii este asigurat de subnivelele 1 si 2 (MTP1 respectiv MTP2), iar cel de-al doilea grup de MTP3. în cazul GSM, MTP3 permite gestionarea concatenării legăturilor de semnalizare a legăturilor. În realitate este vorba despre asigurarea unei redundante: mai multe mesaje de semnalizare sunt trimise pe o aceeaşi legătură fizică (concatenare), dar exista şi link-uri de rezervă, utilizate în cazul întreruperii uneia din legăturile active.SCCP (Signal Connection Control Part) este subsistemul de comandă al conexiunilor de tip SS7 şi are rolul de a gestiona transferul informaţiilor de semnalizare. Una din funcţiunile principale ale SCCP este de a permite transferul semnalizărilor, independent de transferul informaţiei propriu-zise.Acest subsistem este foarte important în comunicaţiile mobile, deoarece, de exemplu, modificarea poziţiei unui mobil se face independent de angajarea mobilului într-un apel. Transferul informaţiilor legate de poziţia mobilului spre echipamentele centrale (BTS, BSC, MSC) se face pe canale de semnalizare, independent de un apel propriu-zis.În plus, SCCP oferă o funcţie de dirijare a mesajelor către un punct SS7, bazată, de exemplu, pe numărul terminalului (conversie număr abonat —> cod specific unui punct de semnalizare). Deci SCCP oferă mijloacele pentru realizarea unei semnalizări nelegate de apel sau circuit prin:- realizarea conversiei număr abonat —> cod SP (Signalling Point);- o extensie a modului de adresare pentru a permite conexiuni fără stabilire prealabilă de circuit;- posibilitatea de stabilire de conexiuni logice pentru a oferi serviciile specifice nivelului reţea din structura OSI.În vârful ierarhiei BSC se află:- DTAP (Data Transaction Application Part) gestionează comunicaţiile MS <-> BSC. Ele trebuie să se refere la o conexiune radio. Pentru a putea fi separate, ele conţin o referinţă (identificare) a conexiunii radio. Mesajele transferate sunt cele provenite de la subnivelele CC, respectiv MM, din MS. Ca atare, acest protocol are rolul de releu de mesaje între MS si MSC;- BSSMAP (Base Station Subsystem Management Application Part) asigură schimbul de mesaje specifice aferente mecanismelor de transfer şi alocării de resurse (între BSC si MSC). În fapt, mesajele generate de BSSMAP se pot clasifica în două mari categorii:a) mesaje aferente zonei acoperite de BSC (sau mesaje globale);b) mesaje aferente unui canal radio dedicat. Din prima categorie putem aminti: - mesaje de eliberare a legăturilor de voce între MSC si BSC;- apelul în mod difuzat (în difuzare) spre un mobil aflat într-o zonă de localizare dată;- mesaje de reiniţializare pentru MSC sau BSC etc.Din a doua categorie putem aminti:- mesaje de alocare/eliberare a unui canal de trafic unei staţii mobile;


- mesaje de gestiune a execuţiei mecanismelor de transfer;- mesaje de trecere în mod criptat etc.

4.2.2. Arhitectura funcţională a subsistemului NSSAceastă structură funcţională este prezentată în figura 3:

Fig. 3. Arhitectura funcţională stratificată a subsistemului NSS.

În acest paragraf vor fi detaliate parţial numai subnivelele despre care nu s-a discutat în secţiunea precedentă.- ISUP (ISDN User Part) este un protocol ce asigură funcţii de semnalizare necesare asigurării serviciilor ISDN;- MAP (Mobile Application Part) are funcţiuni multiple, legate în special de gestionarea mecanismelor de transfer care conduc la modificarea MSC (din cauza mobilităţii este necesară modificarea MSC). Dintre acestea amintim: transferul informaţiilor de securitate (autentificare si criptare), transferul informaţiilor de taxare etc.- TCAP (Transaction Capabilities Application Part) oferă serviciul de transmitere a informaţiei prin reţea independent de aplicaţie şi de procedura de stabilire a circuitului.

4.2.3. Interfeţe GSMInterfeţele GSM sunt în general bazate pe SS7 cu excepţia interfeţelor Um (radio) si Abis

(BTS-BSC). O parte din aceste interfeţe sunt folosite ca în standardele GSM, altele sunt specifice proiectantului de echipament. Tabelul 1 prezintă sintetic aceste interfeţe, rolul lor precum şi folosirea lor conform standardelor (opţiunilor proiectantului).

Tabelul 1. Lista interfeţelor sistemului GSM

Nume Standardizare Module conectate RolUm D MS <-> BTS organizarea transferului

informaţiei pe interfaţa radioAbi N BTS <-> BSC DiverseA D BSC <-> MSC DiverseCC

DD

DD

DD

GMSC <-> HLRSM-GMSC <-> HLR

MSC/VLR <-> HLRMSC/VLR <-> HLR

iniţiere a unui nou apel iniţiere a unui mesaj scurtmanagementul informaţiilor de înregistrare şi localizare a terminalului mobil servicii suplimentare


EEG

DDD

MSC/VLR <-> SM-GMSCMSC/VLR <-> MSC/VLRMSC/VLR <-> MSC/VLR

transmiterea mesajelor scurte managementul informaţiilor de înregistrare terminal mobil

F N MSC/VLR <-> EIR IMEI (identitate echipament)B D MSC <-> VLR orice tranzacţie

N = interfaţa specifică constructoruluiD= alegerea constructorului conform standardelor

Cap. 5. Numerotarea, criptarea transmisiei şi securizarea accesului

în sistemul GSM

Deoarece toate procedurile legate de localizarea, reactualizarea localizării, identificarea şi autentificarea terminalului mobil etc., sunt strâns legate de sistemul de numerotare, criptare a transmisiei şi securizarea accesului pe mediul radio, am considerat oportun să prezentăm aceste aspecte înainte de a descrie în detaliu procedurile specifice GSM.

În GSM numerotarea este implicată în procedurile de iniţiere şi rutare a unui apel, în procedurile de actualizare şi reactualizare a localizării unui terminal mobil etc. Mecanismele de securizare a accesului sunt esenţiale, fiind premergătoare stabilirii comunicaţiei; criptarea transmisiei pe mediul radio este implicată în comunicaţia propriu-zisă, asigurând confidenţialitatea apelurilor. În cele ce urmează vom prezenta întâi numerotarea în sistemul GSM, apoi criptarea şi securizarea accesului.

5.1. Numerotarea în sistemul GSM

Numerotarea în sistemul GSM trebuie să ţină cont de faptul că punctul de acces al abonaţilor în sistem nu este fix (ca în PSTN, ISDN etc.) Astfel, în reţelele fixe, un acelaşi număr este folosit pentru identificarea abonatului, a echipamentului, dar şi a serviciului.

În GSM, aşa cum s-a menţionat, trebuie avută în vedere mobilitatea terminalului. Ca atare, există numere diferite pentru scopuri diferite: rutare, servicii, identificarea abonatului etc. Din fericire pentru utilizator, numărul de apel al unui abonat GSM rămâne unic, iar corespondenţa între diversele numere GSM nu este transparent; pentru acesta. Complicarea numerotării intervine în principal datorita mobilităţii abonatului, acesta având posibilitatea de a-şi modifica poziţia atât în interiorul unei reţele PLMN, dar şi de a trece dintr-o reţea în alta.

Pentru a înţelege mat bine numerotarea GSM trebuie anticipat ca, de exemplu, localizarea completa a terminalului mobil în cazul unui apel sosit din reţeaua fixă presupune: rutarea apelului până la MSC gazdă al echipamentului mobil, determinarea BSC gazdă al echipamentului mobil (un MSC deserveşte mai multe BTS), determinarea BTS gazdă al echipamentului mobil (un BSC deserveşte mai multe BTS). Ca atare, o componentă foarte importantă a mecanismului de numerotare a fost concepută în vederea asigurării unor funcţii de rutare mult mai consistente decât cele din reţeaua fixă.

Vom prezenta în continuare tipurile de numere GSM şi un exemplu de rutare a unui apel sosit din reţeaua fixa si destinat unui abonat mobil. De asemenea va fi prezentat un subcapitol ce va trata taxarea în sistemul GSM.

Numere GSM


a) MSISDN (Mobile Station International ISDN Number) - număr internaţional ISDN al staţiei mobile - este numărul pe care un abonat din reţeaua fixă îl va forma pentru apelarea unui mobil. Acest număr este înţeles de PSTN şi permite rutarea apelului până la primul MSC din PLMN gazdă a abonatului.Structura MSISDN este următoarea:MSISDN = CC + NDC + SNunde: • CC (Country Code) este codul ţării în care se afla PLMN gazdă a abonatului mobil. Este format din maximum 3 cifre;• NDC (National Destination Code) este codul operatorului (cod PLMN). Este format din maximum 3 cifre;

• SN (Subscriber Number) este un cod specific abonatului. Câteva exemple de numere MSISDN sunt prezentate în tabelul 1.

CC NDC Numar abonat PLMN gazdă

44 802 XX....X Reţeaua Cellnet -Marea Britanie

44 385 XX.....X Reţeaua Vodafone -Marea Britanie

358 40 XX.....X Reţeaua Telecom –Finlanda

35S 50 XX.....X Reţeaua OY Radiolinja –Finlanda

40 92 XX…...X Reţeaua CONNEX – România

40 94 XX…...X Reţeaua Dialog – România

Tabel 1. Exemplu de utilizare MSISDN.

Observaţie: Câmpurile CC si NDC sunt utilizate de protocolul SCCP pentru determinarea HLR aferent mobilului apelat.

b) IMSI (International Mobile Subscriber Identity) - identitate internaţională a abonatului mobil (sau număr internaţional de identificare a abonatului mobil).

Acest număr este fix, independent de poziţia abonatului în reţea. Mai mult, din raţiuni de securitate a accesului în reţea, precum şi de securitate a comunicaţiei, acest număr este transmis pe interfaţa radio cât mai rar posibil.

Figura 1 prezintă rolul funcţional al IMSI în rutarea unui apel provenit din reţeaua fixă şi având ca destinaţie un abonat mobil. Astfel, într-o primă fază, apelul (notat generic cu A), pe baza numărului MSISDN, este rutat până la cel mai apropiat MSC (notat MSC 1) din PLMN gazdă a abonatului mobil. Din acest punct al reţelei, pentru rutarea apelului spre destinaţie este necesară determinarea poziţiei abonatului. Primul pas constă în determinarea MSC-ului (notat generic MSCi) în raza căruia se află mobilul.


Fig. 1. Rolul funcţional al IMSI.

Odată determinat MSCi, următorul pas îl va reprezenta rutarea apelului între MSC1 şi MSCi. Pentru aceasta este necesară obţinerea identităţii MSC, adică a numărului MSRN (Mobile Station Roaming Number), a cărui semnificaţie va fi detaliata ulterior. Numărul MSRN este obţinut în urma dialogului MSC1 —> HLR —> VLRi —> HLR —> MSC1, dialog reprezentat în figura 1 prin succesiunea de proceduri (1), (2), (3), (4) al căror rol funcţional este detaliat în continuare:

• (l): este o procedură de acces a bazei de date permanente HLR. Aici este necesară o precizare importantă: HLR nu este numai o bază în sensul clasic (o colecţie ordonată de înregistrări), ea dispune şi de o „inteligenţă" care îi permite realizarea unor funcţii specifice (de exemplu dialogul cu MSC şi respectiv VLR prin interfeţele specifice). În HLR, corespunzător fiecărui MSISDN, sunt memorate adresa ultimului VLR în care se afla abonatul cu numărul MSISDN, respectiv numărul IMSI. Deci, folosind MSISDN-ul abonatului, procedura (1) obţine adresa VLRi şi IMSI aferente acestuia.• (2): folosind adresa VLRi si IMS1 determinate prin (1), această procedură trimite IMSI la adresa VLR. Ceea ce aminteam anterior pentru HLR este valabil si pentru VLR (si VLR dispune de „inteligenţa" necesara execuţiei anumitor funcţii specifice). Din baza de date propriu-zisa a VLRi, pe baza IMSI, se obţine MSRN.• (3): trimite MSRN către HLR (ca răspuns la (2)).• (4): permite, la rândul său, tranzitul MSRN prin HLR către MSC 1.

Structura IMSI este:

IMSI = MCC + MNC + MSIN

unde:

- MCC (Mobile Country Code) - cod de ţară pentru comunicaţiile mobile. În general MCC nu este acelaşi cu numărul CC. În tabelul 2 sunt prezentate câteva corespondente CC <-> MCC.

CC MCC Ţară

45 238 Danemarca


33 208 Franţa

46 240 Suedia

41 228 Elveţia

44 234 Marea Britanie

- MSIN (Mobile Station Identity Number) - câmp de identificare al staţiei mobile. Acest număr identifică în mod unic un abonat mobil în interiorul reţelei PLMN.

c) MSRN (Mobile Station Roaming Number) - număr de roaming aferent staţiei mobile. Aşa cum s-a arătat în paragrafele anterioare, acest numar-identifică MSC-ul aferent abonatului. MSRN este un număr ce serveşte la rutarea apelului până la MSC-ul aferent abonatului. Nici acest număr nu este „vizibil" pentru utilizatorii GSM, iar existenta sa este o consecinţă a mobilităţii abonaţilor. Astfel, modificarea poziţiei geografice a unui abonat poate antrena si trecerea din aria deservita de un MSC în aria unui MSC vecin. În acest caz, MSRN corespunzător abonatului se va modifica. Figura 2 prezintă rutarea unui apel provenit din reţeaua fixă şi destinat unui abonat mobil, până la MSC-ul în aria de acoperire a căruia se află apelantul.

Fig. 2. Rutarea unui apel abonat reţea fixă —> abonat reţea mobila pe baza MSRN.

Tot aici este descrisă si procedura (5), care, pe baza MSRN, asigura rutarea apelului (A) până la MSC-ul care deserveşte apelantul.

În acest moment, pentru apelarea abonatului mai trebuie determinate BSC-ul, respectiv BTS-ul în aria cărora se află acesta. În acest scop a fost necesară definirea unor numere suplimentare. De asemenea, pentru a oferi posibilitatea securizării accesului terminalelor în reţea a fost definit şi un număr de terminal. Vom prezenta în continuare aceste numere, precum si rutarea completa a apelului spre terminalul mobil.

d) LAI (Location Area Identity) - identificatorul ariei de localizare. Aşa cum îi arată si numele, acest număr identifică o anumită arie dintr-o reţea PLMN. Structura LAI este următoarea:

LAI = MCC + MNC + LAC


unde identificatorii MCC si MNC sunt identici cu cei din IMSI, iar LAC este identificator aferent unei zone de localizare definita de operator. LAC poate avea maxim doi octeţi si se refera la aria deservita de un modul BSC.

e) TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) - identificator temporar al abonatului mobil. Acest număr este un număr local (maxim 32 biţi) de identificare a unui abonat mobil. El se foloseşte în interiorul zonei deservite de o baza de date temporară VLR si se utilizează în loc de IMSI, pentru a evita transmiterea acestuia în clar pe interfaţa radio. Această măsură de precauţie este necesara deoarece IMSI conţine identitatea abonatului mobil, ceea ce poate permite si identificarea frauduloasa a echipamentului mobil. TMSI este în schimb un corespondent local al IMSI - în interiorul zonei deservite de VLR- ceea ce face ca transmiterea sa în clar pe interfaţa radio să nu permită obţinerea frauduloasa a identităţii mobilului. în plus, TMSI are o lungime mai mica decât IMSI, ceea ce va conduce la reducerea cantităţii de informaţie transportate pentru mesajele de apel.

În acest moment al expunerii se poate prezenta modul de rutare al apelului A de la MSCi până la abonatul mobil. Astfel, în baza de date VLR., corespunzător IMSI, alături de MSRN, se află stocate TMSI si respectiv LAI aferente abonatului. Pe baza LAI, apelul este rutat până la BSC-ul în aria căruia se află apelantul, iar BSC va apela, pe baza TMSI, abonatul. Este evident că modificarea poziţiei mobilului necesita reactualizarea corespunzătoare a numerelor TMSI, LAI, MSRN aferente abonatului.

f) IMEI (International Mobile Equipment Identity) - identificator de echipament. Este un număr ce identifica de o manieră unică terminalul mobil, fiind destinat securizării accesului echipamentelor în reţeaua mobilă. Structura sa include atât o parte specifica constructorului, cât si o parte specifica de terminal (ce identifica echipamentele diferite produse de acelaşi constructor).

Din cauza utilizării sale cu caracter special, am lăsat intenţionat pentru final prezentarea codului BSIC (Base Station Identity Code), numit în GSM si cod de culoare.

BSIC - codul de culoare - serveşte la identificarea unui grup de baza (grup elementar). Totalitatea purtătoarelor disponibile este partajată între 7 celule. Mai mult, pentru simplificarea configurărilor interne, operatorul poate decide utilizarea aceluiaşi algoritm de alocare al purtătoarelor radio în interiorul fiecărui grup de baza. Din această cauza, atunci când un mobil se află în zona de intersecţie a doua grupuri elementare, poate recepţiona mesaje pe o aceeaşi purtătoare de difuzare, de la doua staţii de baza diferite. Pentru a separa mesajele şi pentru a alege pe cel provenit de la staţia de baza cea mai apropiată, trebuie făcută distincţia între staţiile de baza ce utilizează o aceeaşi purtătoare de difuzare. Acelaşi fenomen poate apărea si la graniţa între doua PLMN-uri din ţări diferite (nefiind obligatorie o înţelegere privind frecvenţele alocate pentru purtătoarele de difuzare între operatorii PLMN din acele ţări). Ca atare, BSIC va conţine doua componente:

- CCT - cod de culoare de ţară (pe 3 biţi);- CCG - cod de culoare de grup (în interiorul aceleiaşi PLMN

5.2. Criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio în

sistemul GSM

Aspectele legate de criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio în sistemul GSM se referă la trei direcţii principale:a) Securizarea accesului utilizatorului în sistem;b) Criptarea transmisiei pe mediul radio;c) Securizarea accesului echipamentului în sistem.


Vom discuta pe rând cele trei direcţii menţionate anterior, pentru a crea o imagine generală despre implementarea lor prin funcţii specifice în sistem.

5.2.1. Securizarea accesului utilizatorului în sistemAcest set de funcţii trebuie să asigure atât accesul în sistem numai al utilizatorilor plătitori

de servicii, cât şi o taxare corectă (în sensul că taxarea trebuie sa fie suportată exclusiv de cel care beneficiază de un anumit serviciu). Deci, un utilizator va avea acces în sistem numai după ce, în prealabil, are loc o autentificare a sa. In figura 3 este prezentat simplificat algoritmul de autentificare folosit în sistemul GSM.

Fiecare utilizator dispune de o cheie individuală, care este memorată în doua locuri în sistem: în modulul de identitate al utilizatorului (SIM) si în centrul de autentificare (AC). Centrul de autentificare (AC) generează numărul aleator RAND. Pe baza lui RAND şi a IMSI-ki, folosind algoritmul A3, se obţine numărul SRES (Signed Response), care este trimis bazei de date temporare (VLR). De asemenea, AC trimite valoarea RAND şi staţiei mobile. Aici, ţinând cont ca valoarea IMSI-ki este stocata şi în modulul de identitate a utilizatorului, pe baza aceluiaşi algoritm de criptare A3, se poate calcula valoarea SRES, care este de asemenea transmisă bazei de date temporare. Aceasta va compara cele două valori obţinute şi, dacă ele sunt identice, va permite accesul utilizatorului în sistem.

Fig. 3. Principiul de autentificare în GSM.

Notaţii folosite în figură:- AC (Authentification Center) - Centru de autentificare;- SIM (Subscriber Identity Module) - Modul de identitate utilizator (cartela GSM);- RAND - număr aleator (generat local); - IMSl-ki - (International Mobile Subscriber Identity - Individual Key) – cheie individuala a utilizatorului.

Se impun câteva precizări pentru completare:- Algoritmul A3 este specific operatorului şi poate diferi de la un operator la altul;- Cheia individuala IMSI-ki este un parametru secret, specific utilizatorului (de exemplu

valoarea lui ki, deşi este memorată în modulul de identitate -SIM - nu este accesibilă nici măcar acestuia);

- Algoritmul A3 este un algoritm de criptare unidirecţional, în sensul că, atunci când se cunosc IMSI-ki şi RAND, calcularea valorii SRES este simplă, dar invers, cunoscând valoarea RAND şi SRES, calcularea lui ki este foarte complexă. Aceasta proprietate a algoritmului A3 face


practic imposibilă determinarea cheii individuale a utilizatorului, chiar daca se cunosc atât valorile RAND si SRES, cât si algoritmul A3;

- în concordanţă cu Specificaţiile GSM, s-a decis ca valoarea RAND sa fie reprezentata pe 128 biţi, iar cea a lui SRES pe 32 biţi. Acestea sunt restricţiile impuse algoritmului de criptare A3.

5.2.2. Criptarea transmisiei pe mediul radio

Criptarea transmisiei pe mediul radio are ca scop evitarea interceptării ilegale a apelurilor. Ideea ce trebuie reţinută este aceea că acest mecanism de criptare acţionează numai pe interfaţa radio; dacă un apel de la/spre un utilizator GSM traversează şi reţeaua fixă, atunci, pe aceste porţiuni, regulile de criptare sunt diferite de cele utilizate în GSM pe interfaţa radio (sunt specifice reţelei traversate). Algoritmul (simplificat) de criptare a transmisiei pe mediul radio este prezentat în figura 4.

Funcţionarea algoritmului este, în parte, asemănătoare cu cea a algoritmului de autentificare. Astfel, în centrul de autentificare (AC) şi în staţia mobilă (MS) folosind algoritmul A8, se obţine valoarea cheii de criptare kC. Pe baza ei, folosind algoritmul A5, staţia mobilă poate cripta transmisia între ea şi BTS. Pe baza aceluiaşi algoritm A5, şi folosind valoarea kC primită de la centrul de autentificare prin intermediul VLR, în BTS are loc decriptarea.

Fig. 4. Criptarea pe mediul de transmisie în sistemul GSM.

Notaţii folosite în figură:kC - cheie de criptare;A8 - algoritm de generare a valorii kC ;A5 - algoritm de criptare/decriptare a transmisiei pe mediul radio, restul notaţiilor având semnificaţia descrisa la § 2.1.

Vom face şi aici câteva precizări suplimentare:- deoarece algoritmul A5 utilizează ca parametru numărul slotului informaţional, rezultă că

secvenţa de criptare va fi diferita de la un slot la altul;-conform Specificaţiilor, secvenţa de criptare are o lungime de 114 biţi şi este diferita pe cele

doua sensuri de transmisie;- algoritmul A5 este unic, pe când A8 poate diferi de la operator la operator. Algoritmul A5 este

unic deoarece, pentru ca orice echipament să poată comunica cu orice staţie de bază, trebuie ca el sa fie implementat atât în fiecare static mobilă, cât şi în fiecare staţie de bază. Algoritmul A5 este necunoscut pentru publicul larg şi nu este prezentat în Specificaţiile GSM, din motive de securitate. Nivelul de securitate oferit de A5 este dat de simplitatea cu care, cunoscându-se secvenţa de criptare şi numărul cadrului, se poate determina valoarea cheii de criptare kC;


- se pot cripta atât transmisiile de date utile (voce, date propriu-zise) dar si semnalizările pe mediul radio, însă un dezavantaj major constă în aceea că nu se poate cripta un mesaj pe interfaţa radio decât după ce s-a produs autentificarea. Deci, mesajul iniţial de semnalizare (cerere de acces în sistem), ce conţine IMSI-ul utilizatorului, va circula în clar pe mediul radio. Acest dezavantaj se poate elimina utilizând echivalentul temporar al identităţii utilizatorului (alias) - TMSI.

5.2.3. Securizarea accesului echipamentului în sistem

Această funcţie este destinată prevenirii utilizării aparatelor declarate ilegale (de exemplu, un aparat furat poate fi declarat ilegal prin anunţarea furtului la operator, care va pune aparatul în cauză pe o aşa numită „listă neagră"). Aici discuţia se poate extinde şi la cartela SIM. Astfel, pentru terminalul mobil securizarea se face astfel:

- în EIR (Equipment Identity Register) - baza de date a echipamentelor în care este stocata identitatea fiecărui aparat. În cadrul procedurii de acces în sistem se poate prevede şi o funcţie de identificare a echipamentului, care presupune interogarea bazei de date EIR, pentru verificarea echipamentului ce solicită accesul în sistem. În primele sisteme GSM aceasta funcţie nu era încă implementată;

- pentru cartela SIM se poate realiza securizarea prin protejarea acesteia cu o parola (la introducerea cartelei în aparat, utilizatorul trebuie sa tasteze o parola), procedeu asemănător protecţiei cărţilor de credit bancare. Echipamentul mobil este cel care va compara cuvântul tastat cu parola (corectă) înregistrată pe SIM, iar accesul la utilizarea cartelei este posibil numai dacă cele două coincid.

Cap. 6. Interfaţa radio în sistemul GSM

6.1. Introducere

Multe lucrări din literatura de specialitate ([JS96], [MP92]) afirmă că interfaţa radio este cea mai importantă dintre toate interfeţele sistemului GSM. Aceasta deoarece proiectarea interfeţei radio a trebuit să ţină cont de foarte multe cerinţe, unele dintre ele contradictorii:

a) interfaţa radio trebuie să asigure compatibilitatea între echipamentele mobile produse de diverşi fabricanţi şi reţelele fixe gestionate de diverşi operatori;

b) interfaţa radio trebuie să asigure utilizarea maximă a spectrului radio disponibil (optimizarea numărului de celule ce acoperă o zonă geografică, precum si a dispunerii acestora pentru a deservi o cantitate cât mai mare de trafic);

c) soluţiile tehnice aplicate pentru îndeplinirea cerinţelor de la pct. b) trebuie menţinute la un

grad de complexitate care să ţină cont de disponibilităţile tehnologice actuale, deoarece soluţii

sofisticate vor conduce la o creştere a costurilor sistemului şi implicit la o creştere a costurilor

serviciilor. De-a lungul anilor s-au efectuat numeroase cercetări, în special legate de rezolvarea

cerinţelor b) şi c). Multe din soluţiile teoretice de maximizare a utilizării spectrului radio găsite

sunt încă dificil de a fi transpuse în practică.

De asemenea, proiectarea interfeţei radio a trebuit să urmărească şi asigurarea unei calităţi corespunzătoare a serviciului atât pentru comunicaţiile telefonice clasice, cât şi pentru noile servicii


introduse de GSM. Nu trebuie neglijat şi un alt aspect: terminalele mobile se alimentează de la baterii, deci este de dorit o autonomie cât mai crescută a acestora. Aceasta va impune restricţii legate de controlul nivelului de putere emis. Controlul puterii emise însă trebuie realizat şi dintr-un alt considerent: minimizarea interferenţelor, aspect valabil în special în zonele urbane dens populate.

A fost necesară, de asemenea, identificarea unor metode de codare a canalului radio prin coduri detectoare şi protectoare de erori, adaptate unui mediu cu coeficient ridicat de erori. Pe de altă parte, proiectarea dimensiunii temporale a cadrelor GSM a trebuit să ţină cont de proprietatea mediului radio de a introduce întârzieri mari de propagare.

Tehnica de acces la mediu este o tehnică de tip multiplu, care presupune divizarea benzii totale disponibile în canale fizice de 200 kHz, fiecare canal fiind divizat în 8 sloturi temporale (în sistemele GSM de generaţie ulterioară se vor introduce 16 sloturi temporale/canal fizic). Pentru îmbunătăţirea utilizării spectrului şi creşterea calităţii serviciului s-a adăugat la tehnica de acces la mediu şi posibilitateamodificărilor de frecvenţă (frequency hopping), pentru comunicaţia mobil —> staţie de bază.

Specificările CCITT definesc un canal ca ,,porţiunea bine precizată (delimitată) dintr-o interfaţă". Un canal poate fi privit din două puncte de vedere:

- funcţionalitatea sa: canalul îndeplineşte un rol în transmiterea unui tip de informaţie - date, semnalizare etc.;

- structura sa: din punct de vedere al caracteristicilor de transmisie. Mai simplu spus, în sistemul GSM canalele radio se pot clasifica după două criterii:

- criteriul funcţionalităţii, caz în care vom vorbi despre canale logice;- criteriul structurii, când ne referim la canale fizice (şi implicit la organizarea informaţiei pe

mediul de transmisie) precum şi legătura care există între canalele logice şi cele fizice.În ([XL95]), canalele logice sunt privite ca o interfaţă între nivelul fizic şi nivelele

funcţionale superioare acestuia. Astfel, informaţia preluată de la nivelul 2 (voce, date, semnalizări etc.) este direcţionată pe unul din canalele logice (în funcţie de natura informaţiei, destinatar etc.). Deoarece, aşa cum se va vedea, există o mapare bine definită între canalele logice şi canalele fizice, se justifică considerarea canalelor logice ca o interfaţă a nivelului fizic cu nivelele superioare.

O altă clasificare ([JS96]), utilizează criteriul numărului de utilizatori ai unui canal radio şi distinge două categorii de canale:

- canale dedicate (individuale), care pot fi folosite în comun de una sau mai multe staţii mobile dintr-o celulă, atunci când acestea sunt în cursul unei comunicaţii;

- canale comune, care sunt recepţionate sau pot fi folosite de oricare staţie mobilă (dintr-o celulă), atunci când aceasta nu se află angajată într-o comunicaţie.

În ([JS96]) se disting două stări posibile ale unui echipament mobil:- starea activă - atunci când mobilul este angajat într-o comunicaţie (voce, date etc.) în această

stare, mobilului i se alocă o porţiune dintr-un canal radio;- starea liberă (idle state) - atunci când mobilul nu este angajat în nici o comunicaţie. în această

stare, mobilul recepţionează canalele comune, dar nu are alocat un canal dedicat.

Aşa cum aminteam într-unul din paragrafele anterioare, fiecare canal radio este divizat în 8 sloturi temporale egale ca dimensiune.

În Specificaţiile GSM un slot temporal este denumit ,,burst" iar conţinutul unui slot temporal (secvenţa de biţi ce ocupă interfaţa radio în intervalul de timp corespunzător) este numit tot ,,burst", ceea ce creează pericolul unei confuzii ([MP921). în cele ce urmează ne vom referi la conţinutul unui slot temporal prin denumirea de slot informaţional, evitând astfel confuzia menţionată anterior.

În cele ce urmează ne propunem să prezentăm atât canalele logice cât şi canalele fizice din sistemul GSM, precum şi legătura canal logic <-> canal fizic. De asemenea vor fi prezentate şi alte tehnici utilizate în GSM pentru optimizarea proiectării interfeţei radio, astfel încât să se poată respecta cât mai multe din restricţiile menţionate anterior. Astfel vom detalia: procedura de modificare a frecvenţei de emisie, procedeul de transmisie discontinuă, codarea canalului radio etc.


6.2. Canalele logice în sistemul GSM

Un canal logic defineşte tipul de informaţie transmisă într-un slot sau grupuri de sloturi informaţionale. Canalele logice se pot împărţi, în funcţie de modul de utilizare (unul sau mai mulţi, respectiv toţi utilizatorii mobili dintr-o celulă) astfel:

a) canale logice dedicate - sunt asociate unui grup de utilizatori mobili dintr-o celulă;b) canale logice comune - pot fi utilizate şi sunt accesibile tuturor utilizatorilor mobili

dintr-o celulă.

6.2.1. Canale logice dedicate (individuale)

Canalele logice dedicate (individuale) se împart la rândul lor în:- canale de trafic;- canale de control.În tabelul 6.1 sunt prezentate sintetic canalele logice individuale.

Canale logice individualeCanale de trafic (duplex) Canale de controlVoce Date Canal de control

de sine stătător(stand-alone)

(SDCCH)BS <-> MS

Canal de controlasociat (ACCH)

BS <-> MSTCH/F 22,8 kb/s TCH/F 9,6kb/s

TCH/F 4,8 kb/sTCH/F 2,4 kb/s

22,8 kb/sSDCCH/4 ACCH – rapid

FACCH/F, FACCH/H

TCH/H 11 ,4 kb/s TCH/H 4,8 kb/sTCH/H 2,4 kb/s

11 ,4 kb/s

SDCCH/8 ACCH – lentSACCH/TF, SACCH/TH,SACCH/C4, SACCH/T8

Tabelul 6. 1. Canale logice individuale GSM.

Canalele de trafic sunt canale bidirecţionale utilizate pentru transmisia şi recepţia traficului util aferent utilizatorilor mobili. În sistemul GSM, canalele de trafic pot fi la rândul lor canale de trafic cu rată întreagă, respectiv canale de trafic cu jumătate de rată.

Pe un canal TCH/F, rata utilă de voce care poate fi transportată este de cca. 13 kb/s.Canalele de control sunt canale bidirecţionale asociate unui canal de trafic, destinate

transmisiei informaţiei aferente semnalizărilor, controlului de putere, controlului calităţii semnalului recepţionat, handover etc. în sistemul GSM există patru canale de control distincte:

• Canalul de control de sine stătător (SDCCH) poate fi prezent sub două forme: SDCCH/4 (cu 4 subcanale) sau SDCCH/8 (cu 8 subcanale). Acest canal este folosit pentru transportul informaţiei ce identifică serviciul solicitat de un echipament mobil (pe sensul ascendent MS—>BTS), respectiv pentru transportul informaţiei răspuns a staţiei de bază (sensul descendent BTS—>MS). De asemenea, tot pe sensul descendent se comunică şi alocarea unui canal de trafic staţiei mobile;

• Canalul de control asociat lent (SACCH) este de asemenea bidirecţional. Acesta este utilizat în următoarele scopuri:

- pe subcanalul ascendent, staţia mobilă comunică informaţii privind diverse măsurători efectuate (de exemplu, nivelul semnalelor recepţionate de la BTS-uri vecine), dar şi nivelul puterii proprii;- pe subcanalul descendent, staţia de bază (BTS) comandă staţiei mobile nivelul de putere cu care aceasta din urmă trebuie să emită;

• Canalul de control asociat rapid (FACCH) este utilizat în ambele sensuri pentru controlul realocărilor de canale şi gestionarea mecanismelor de transfer. Deoarece mecanismele de transfer trebuie executate cât mai rapid, pentru a evita întreruperea comunicaţiei pe durata lor, canalele FACCH pot folosi, pentru creşterea ratei, şi o parte din rata canalelor de trafic.

• Un canal asociat (SACCH) este alocat în conjuncţie fie cu un canal de trafic (TCH), fie cu un canal de sine stătător (SDCCH), astfel:


- un canal de control asociat rapid (FACCH) este alocat în conjuncţie (pe acelaşi canal fizic) cu un canal de trafic cu rată întreagă sau cu un canal de trafic cu jumătate de rată (deci FACCH/H şi TCH/H);

- un canal de control lent (SACCH) poate fi alocat în conjuncţie cu:- un canal de trafic cu rată întreagă TCH/F;- un canal de trafic cu jumătate de rată TCH/H;

În următoarele cazuri, SACCH este identificat prin SACCH/TF, respectiv SACCH/TH:- un canal de sine stătător cu 4 subsloturi SDCCH/4;- un canal de sine stătător cu 8 subsloturi SDCCH/8.

6.2.2. Canale logice comune

Sunt canale ce pot fi accesate/recepţionate de oricare din mobilele aflate într-o celulă. Canalele logice comune sunt prezentate în tabelul 6.2:

Canale logice comune

Canalul de control cu difuzareBCCH BS -> MS

Canalul comun de control (CCH) – CCCH

Frequency Correction ChannelFCCH (Canalul corector de

frecvenţă)

Paging Channel - PCH (Canal de paging(apel) al staţiilor mobile) BS -> MS

Synchronisation Channel - SCH Random Access Channel – RACCH(Canalul comun de acces) MS — > BS

General Information (Canal deInformaţii generale)

Access Grant Channel - AGCH (Canal de Autorizare a accesului)Cell Broadcast Channel - CBCH (Canal de Difuzare a mesajelor scurte)

Tabel 6.2. Canale logice comune.

Canalele logice comune se clasifică ([LG95]) în:- Canalul logic comun cu difuzare (BCCH) - este unidirecţional (numai pe cale descendentă) şi are

rolul de a transporta diverse tipuri de informaţii de la staţia de bază către echipamentele mobile pentru: controlul şi menţinerea sincronizării în timp şi frecvenţă a echipamentelor mobile cu BTS, mesaje de identificare a staţiei de bază etc. El este implementat pe o frecvenţă purtătoare numită purtătoare de difuzare. El este rezultatul multiplexării următoarelor canale logice:

- Canalul corector de frecvenţă (FCCH) este destinat facilitării sincronizării frecvenţei proprii echipamentului după frecvenţă BTS. Acest canal este necesar deoarece, înainte de începerea unei comunicaţii între un mobil şi BTS, este necesară resincronizarea acestuia după BTS;

- Canalul de sincronizare (SCH) permite sincronizarea la nivel de cadru între mobil şi staţia de bază. Astfel BTS transmite pe acest canal logic numărul cadrului şi identitatea sa (codul ,,colorat" al staţiei de bază). Când nu transporta informaţii generale legate de sincronizare de tact sau de cadru, BCCH transporta alte informaţii cum ar fi de exemplu numărul canalelor comune de control etc.;

- Canalul logic comun de control (CCCH) este un canal bidirecţional de control pe care sunt multiplexate:

- RACCH (Random Access Control Channel) - canalul comun de acces este utilizat de echipamentele mobile pentru a solicita alocarea unui canal dedicat de semnalizare (SDCCH) sau trafic (TCH) şi precede faza de stabilire a unui apel iniţiat de mobil. Accesul este realizat utilizând tehnica ALOHA sincron;

- AGCCH (Access Grant Control Channel) - este utilizat de BTS pentru a comunica atribuirea unui canal dedicat unui mobil (de trafic - TCH sau de semnalizare - SDCCH), solicitat anterior de acesta, pe canalul RACCH;


- PCH (Paging Channel) - canal de paging (apel) este utilizat de BTS pentru avertizarea echipamentelor mobile asupra apelurilor sosite din reţea.

6.3. Structura temporală a canalelor fizice în sistemul GSM

Aşa cum s-a arătat în partea introductivă a acestui paragraf, unitatea de bază, în timp, folosită pentru a defini canalele fizice în sistemul GSM este slotul temporal. Sistemul GSM utilizează o metodă mixtă de acces la interfaţa radio: acces în frecvenţă cu multiplexare în timp. Accesul este în frecvenţă deoarece spectrul radio alocat sistemului GSM este partajat în canale radio de lărgime egală cu purtătoarele spaţiate la 200 kHz. Fiecare canal este împărţit în două subcanale: unul în banda ascendentă: 890 - 915 MHz (pentru comunicaţia în sensul mobil —> staţie de bază), celălalt în banda descendentă: 935 - 960 MHz (pentru comunicaţia în sensul staţie de bază —> mobil). Purtătoarele corespunzătoare celor două subcanale sunt spaţiate în frecvenţă la 45 MHz. Această împărţire a spectrului conduce la existenţa unui număr de 124 canale duplex în sistemul GSM.

Pentru creşterea capacităţii sistemului există posibilitatea măririi benzii totale de frecvenţă alocată sistemului prin adăugarea unei benzi suplimentare de 8 MHz în fiecare sub-bandă ([MP92]). Noile domenii de frecvenţă alocate pentru banda ascendentă si respectiv descendentă devin:

- 882 - 915 MHz pentru banda ascendentă;- 927 - 960 MHz pentru banda descendentă.

Specificaţiile conţin şi o altă alocare de frecvenţe posibilă pentru sistemul GSM, în banda de 1800 GHz. în acest caz domeniile de frecvenţă alocate sunt:

- 1710 - 1785 MHz pentru banda ascendentă;- 1805 - 1880 MHz pentru banda descendentă.

Această a doua variantă este cunoscută sub numele de DCS1800.Multiplexarea în timp, factor important de creştere a capacităţii sistemului, presupune

definirea de sloturi temporale pe fiecare canal radio. în GSM, un slot temporal are durata de 577 ms sau, mai exact, 3/5200 s. Opt sloturi temporale consecutive formează un cadru TDMA (Time Division Multiple Access) care are durata de 4,6 ms sau, mai exact, 3/650 s. Astfel, tehnica de acces la interfaţa radio în sistemul GSM se poate caracteriza într-o primă aproximaţie astfel: spectrul de frecvenţă este partajat în benzi egale cu purtătoare spaţiate la 200 KHz (aspectul legat de accesul în frecvenţă), iar transmisia pe fiecare canal radio este o succesiune de cadre TDMA (fig.6.1).

Având în vedere principiul de acces la mediu utilizat în sistemul GSM, se impun cel puţin două precizări suplimentare.

În primul rând, organizarea informaţiei pe interfaţa radio (fig.6.1) face posibilă identificarea unui slot temporal dintr-un canal printr-un număr. Astfel, având în vedere periodicitatea cadrului TDMA şi lungimea sa de 8 sloturi temporale, rezultă că pentru un slot temporal se va putea asocia un număr de forma 8p+k, unde:


Fig. 6.1. Principiul accesului mixt (diviziunea în frecvenţă şi multiplexarea în timp)în sistemul GSM.

- p este numărul cadrului TDMA din care face parte slotul temporal (unde se consideră cadrele TDMA numerotate în ordinea apariţiei lor în timp);

- k este poziţia slotului temporal în cadrul TDMA. În Specificaţii, k este denumit şi numărul asociat slotului temporal (Time Slot Number). Tot în Specificaţii numărul 8p+k, asociat unui slot temporal, este denumit tot număr asociat slotului temporal (Time Slot Number). Pentru a elimina aceste confuzii şi pentru a facilita expunerea vom folosi următoarele convenţii:- numărul asociat slotului temporal, reprezentat de valoarea k anterior menţionată, va fi

numit numărul slotului temporal şi prescurtat NST;- numărul asociat slotului temporal reprezentat de valoarea 8p+k va fi numit numărul extins al slotului temporal şi prescurtat NEST.În al doilea rând, datorită caracteristicilor propagării pe mediul radio (traiectorii multiple,

întârzieri. diferite (emisie şi recepţie) pentru sloturi informaţionale diferite) este necesară o sincronizare între momentele de recepţie în staţia mobilă (pe canalul descendent) şi cele de emisie (pe canalul ascendent). Pentru compensarea efectului mediului de transmisie radio în GSM s-a ales soluţia sincronizării momentelor de emisie ale staţiei mobile (pe cale ascendentă) după momentele de recepţie (pe cale descendentă). Altfel spus, periodicitatea sloturilor temporale pe calea ascendentă urmăreşte periodicitatea sloturilor temporale pe calea descendentă. Distanţa în timp între un slot caracterizat de NEST pe calea descendentă şi slotul caracterizat de acelaşi NEST pe calea ascendentă este de 3 sloturi temporale. Acest mecanism este numit principiul separării temporale între canalele ascendent şi descendent, iar funcţionarea sa este prezentată simplificat în figura 6.2.

Necesitatea definirii unei corespondenţe canal logic <->canal fizic, precum si modul mai complex de definire (din punctul de vedere al transmisiei pe mediul fizic) al anumitor canale logice, a necesitat definirea structurilor de multicadru, supercadru şi hipercadru. Succesiunea în timp a organizării informaţiei pe mediul radio în cadrul sistemului GSM este periodică, cu perioada egală cu lungimea unui hipercadru. Necesitatea introducerii structurilor de multicadru şi supercadru va rezulta mai clar în subcapitolul următor. În acest paragraf vom prezenta numai structura temporală a celor trei sisteme.


Fig. 6.2. Principiul separării temporale între canalele ascendent şi descendent în staţia mobilă.

Între cele trei structuri există următoarele relaţii temporale: - 1 hipercadru = 2048 supercadre = 3h 28' 53" 760'" (6.1)

- 1 supercadru = 51 • 26 cadre TDMA = 6,12 s (6.2)Un supercadru poate fi format din 51 de multicadre a câte 26 de cadre TDMA/multicadru sau din 26 multicadre a câte 51 cadre TDMA/ multicadru.

- 1 multicadru format din 26 cadre TDMA = multicadru 26<->120 ms (6.3)- 1 multicadru format din 51 cadre TDMA = multicadru 51<->235ms (6.4)

În figura 6.3 este prezentată, simplificat, structura temporală a cadrelor GSM.

Fig. 6.3. Structura temporală a tipurilor de cadre GSM.

Structura temporală a cadrelor GSM este folosită numai pentru definirea unei corespondenţe canal logic <-> canal fizic şi pentru stabilirea periodicităţii alocării sloturilor temporale pentru diverse canale logice.


6.4. Maparea canalelor logice pe canale fizice

Prin noţiunea de mapare a canalelor logice pe canale fizice se înţelege modalitatea prin care, la un moment de timp, unui canal fizic îi sunt asociate o mulţime de canale logice. Cu alte cuvinte, acest subcapitol îşi propune să ofere o imagine asupra modului în care informaţia corespunzătoare canalelor logice este transmisă pe canalele fizice. Deşi chestiunea este aparent simplă, se va arăta în continuare că stabilirea corespondenţelor canale logice <-> canale fizice trebuie să ţină cont de numeroase aspecte:

- mediul radio este un mediu cu un coeficient foarte ridicat de erori. Va fi necesară, deci, codarea informaţiei transmise folosind coduri detectoare si corectoare de erori;

- necesitatea de optimizare a utilizării spectrului disponibil implică o proiectare foarte atentă a organizării canalelor logice destinate semnalizărilor. Ratele alocate acestor canale trebuie să asigure pe de o parte transmisia tuturor tipurilor de informaţii de semnalizare necesare, iar pe de altă parte trebuie să consume cât mai puţin din rata totală (capacitatea) disponibilă.

Cele menţionate anterior determină anticiparea, încă de la începutul acestui subcapitol, a unei mapări diferite a canalelor de trafic, comparativ cu maparea canalelor de semnalizare.

La începutul acestui subcapitol am furnizat o definiţie cu caracter mai general a canalului radio. Revenim pentru a da un corespondent mai evident al canalului radio în GSM. Astfel, aşa cum am prezentat în secţiunea anterioară, pe fiecare frecvenţă se transmit cadre TDMA, fiecare cadru fiind compus din 8 sloturi temporale.

Se consideră că un canal fizic este structura obţinută prin alocarea unui slot temporal, în fiecare cadru TDMA transmis pe o frecvenţă dată. Pe scurt, putem scrie:

/ canal fizic/frecvenţa f <-> 1 slot/(fiecare cadru TDMA transmis pe aceeaşi frecvenţă}) (6.5)

Această definiţie corespunde canalelor cu rată (debit) întreagă. Există, aşa cum s-a amintit şi anterior, posibilitatea definirii decanale cu jumătate de rată. Pentru canale cu jumătate de rată corespondenţa (6.5) devine:

/ canal fizic cu jumătate de rată/frecvenţa f <-> 1 slot/(în oricare două cadre TDMA transmise consecutiv pe frecvenţa f) (6.6)

Cele două definiţii anterioare sunt ilustrate şi în figura 6.4.


Fig. 6.4. Definirea canalelor fizice pe interfaţa radio GSM.

Un alt aspect al implementării interfeţei radio în GSM îl constituie folosirea tehnicii saltului de frecvenţă (modificarea frecvenţei de transmisie a unui canal fizic). Denumită Slow Frequency Hopping (SFH) ([JS96]), această tehnică constă în modificarea frecvenţei de transmisie a unui canal fizic, în fiecare cadru TDMA, după o secvenţă predefinită de frecvenţe. În fapt, dacă un modul BTS dispune de N frecvenţe (f 1, f2,....fN), tehnica constă în a transmite un canal fizic pe frecvenţe diferite (dintre cele N) în cadre TDMA diferite.

De asemenea, trebuie subliniat că poziţia slotului temporal din cadrul TDMA corespunzător canalului fizic nu se modifică, indiferent de frecvenţa pe care este transmis canalul fizic. Această tehnică, ilustrată pentru un canal fizic în figura 6.5, se aplică numai în condiţiile unei încărcări ridicate de trafic şi are ca scop obţinerea unei îmbunătăţiri a performanţelor sistemului (scăderea interferenţelor, micşorarea efectului reflexiilor etc.)

Fig. 6.5. Canal fizic transmis cu tehnica salturilor de frecvenţă (SFH) - exemplu.

Trebuie de asemenea menţionat că secvenţele de modificare a frecvenţelor de transmisie sunt ortogonale (adică două comunicaţii ce se stabilesc iniţial pe frecvenţe diferite, dar în acelaşi slot temporal, să nu poată ajunge, în urma modificărilor frecvenţei de emisie, pe o aceeaşi frecvenţă).

6.5. Transmiterea semnalelor vocale pe mediul radio

Semnalul vocal generat de utilizator în timpul convorbirii trebuie privit ca un semnal telefonic clasic: o funcţie x(t) (variabilă în timp) spectru limitat la banda [300,3400] Hz. Acest semnal este partajat în porţiuni de câte 20 ms, pentru fiecare dintre ele codorul vocal furnizând o secvenţă de ieşire de 260 biţi, care poartă numele de trafic vocal neprotejat (sau secvenţă de voce neprotejată) la erori.Desigur, termenul de porţiune a unui semnal nu este riguros; poate un termen mai inspirat ar fi fost cel de cadru, însă am evitat această denumire din dorinţa de a evita eventualele confuzii cu structurile de cadre prezentate în secţiunea anterioară.Pentru protecţia la erorile mediului radio, această secvenţă (de 260 biţi) este trecută prin codorul de canal care adaugă încă 196 biţi, rezultând un total de 456 biţi pentru fiecare secvenţă de 20 ms voce. Cei 456 biţi sunt grupaţi în 8 grupe de 57 biţi fiecare şi distribuiţi pe 4 cadre TDMA (1 slot/cadru).


Astfel, deoarece durata unui cadru TDMA este de aproximativ 5 ms, rezulta ca transmisia completa a secvenţei de 260 de biţi se incheie dupa aproximativ 20 ms (durata a 4 cadre TDMA).Succesiunea de operaţii pentru transmiterea unei secvenţe de 20 ms voce este ilustrată în figura 6.6:

Fig. 6.6. Succesiunea de operaţii pentru transmiterea unei secvenţe de 20 ms voce (în principiu)

6.6. Tehnica salturilor (modificărilor) de frecvenţă (SFH)

Această tehnică, specifică sistemului GSM, este destinată reducerii efectului de ,,fading" pe canalul radio şi implicit îmbunătăţirii calităţii serviciului asigurat. Principiul acestei tehnici este foarte simplu: oricare două sloturi informaţionale consecutive, corespunzătoare aceluiaşi canal fizic, sunt transmise pe frecvenţe (purtătoare) radio diferite. În acest fel, dacă o purtătoare (frecvenţă) radio este afectată de fading, un anumit canal fizic este afectat doar pe durata unui slot informaţio-nal. În plus, putem vorbi despre o ,,împrăştiere" a efectului de ,,fading" pe mai multe canale fizice (canalele transmise pe purtătoarea afectată). Pentru implementarea acestei tehnici trebuie respectate următoarele restricţii:

- frecvenţele (purtătoarele) radio utilizate sunt cele care fac parte din mulţimea de frecvenţe alocate staţiei de bază;

- secvenţele de salt trebuie să fie ortogonale (două canale fizice plasate pe un acelasi slot temporal trebuie să fie, în orice moment, transmise pe purtătoare diferite).

În continuare, vom lua în considerare o celulă deservită de o staţie de bază căreia i-au fost alocate N frecvenţe. Există două variante de implementare a tehnicii SFH:

a) Circulară, în acest caz, cele N frecvenţe sunt parcurse succesiv, rezultând o periodicitate de N în frecvenţa de transmisie utilizată pentru un canal fizic (adică sloturile informaţionale 1, N+l, 2N+1,..., aparţinând aceluiaşi canal fizic sunt transmise pe o aceeaşi frecvenţă fl; similar, sloturile informaţionale 2, N-t-2,..., sunt transmise pe o aceeaşi frecvenţă f'2 etc.Evident, este necesar ca fl, f2,... să fie incluse în mulţimea de frecvenţe alocate staţiei de bază);

b). Pseudo-aleatoare; în acest caz, periodicitatea frecvenţei de transmisie a unui canal fizic este mai mare decât N.

Vom enumera în continuare parametrii necesari implementării tehnicii SFH şi vom descrie algoritmul SFH circular. Astfel, pentru tehnica SFH se utilizează parametrii:

- FN (Frame Number) cu componentele sale Tl, T2, T3, recepţionate pe canalul de control SCH;


- MAIO (Mobile Allocation Index Offset) - offset de alocare;- HSN (Hopping Sequence Generator Number) - număr auxiliar pentru generarea secvenţelor de

modificare a frecvenţei de transmisie.În urma aplicării unui algoritm SFH specific (a sau b) se obţine parametrul MAI (Mobile

Allocation Index), care reprezintă identitatea următoarei frecvenţe utilizate pentru transmiterea unui canal fizic. Pentru algoritmul pseudo-aleator se utilizează, în calculul lui MAI, parametrii Tl, T2,T3.

În continuare vom exemplifica calculul lui MAI pentru cazul utilizării unui algoritm SFH circular (în acest caz HSN = 0). Astfel, pentru calculul lui MAI se utilizează relaţia MAI = (FN+MAIO) • mod N, unde a mod b este restul împărţirii lui a la b. Aplicarea operaţiei mod N este necesară pentru menţinerea MAI în domeniul 0 N-1 (adică frecvenţa rezultată să aparţină mulţi-mii de frecvenţe alocate staţiei de bază). Reamintim faptul că frecvenţele alocate staţiei de bază au fost notate generic 0, 1,..., N-1. În plus, algoritmul prezentat este independent de la o celulă la alta (nu există o corelaţie între secvenţele rezultate în celule diferite). Algoritmul SFH pseudo-aleator poate fi consultat din [RS94] şi nu va mai fi prezentat în această lucrare.

Mai trebuie menţionat că, deşi modificările relative ale frecvenţei în urma aplicării tehnicii SFH sunt relativ mici (putem avea o modificare relativă maximă egală cu 25MHz/ 900 MHz 3% - 25 MHz = banda pe căile ascendentă respectiv descendentă), îmbunătăţirile vis-a-vis de calitatea semnalului recepţionat (mai ales în mediile afectate de fading) sunt sensibile mai ales pentru mobile cu viteză mică de deplasare. Acest efect este explicabil: fără utilizarea tehnicii SFH, în condiţii de fading ridicat, semnalul recepţionat de un mobil lent ar fi afectat pe o perioadă mare, întrucât acesta se îndepărtează greu (datorită vitezei mici de deplasare) din zona afectată. Modul în care se implementează tehnica SFH rămâne la latitudinea operatorului.

6.7. Transmisia şi recepţia pe mediul radio

În opinia autorilor, este oportun ca în finalul paragrafului dedicat organizării interfeţei radio în sistemul GSM să fie prezentate principalele caracteristici ale transmisiei şi recepţiei pe mediul radio. Vom face pentru început câteva precizări de natură a justifica organizarea şi prezentarea noţiunilor ce vor fi expuse în continuare: toate mecanismele utilizate pe interfaţa radio GSM (modulare, demodulare, egalizare, transmisia/recepţia discontinuă etc.) sunt justificate printr-un formalism matematic sofisticat, care este prezentat detaliat în diferite lucrări de specialitate (de exemplu [RS94]). Atenţia noastră se va îndrepta însă în mod exclusiv spre algoritmi, pentru a nu condiţiona înţelegerea noţiunilor de cunoştinţele matematice ale cititorilor.

Vom prezenta totuşi anumite concluzii, obţinute în urma aplicării formalismelor matematice amintite anterior. Structurarea materialului din acest subcapitol va urmări o prezentare graduală a noţiunilor; vom apela însă şi la noţiuni prezentate în paragrafele anterioare.În cele ce urmează vor fi prezentate lanţul complet de transmisie şi respectiv de recepţie pe interfaţa radio GSM, tehnica de modulaţie, algoritmul de egalizare, precum şi tehnicile de transmisie/recepţie discontinuă.

6.8. Lanţul de transmisie si lanţul de recepţie

Prin lanţ de transmisie vom înţelege mulţimea de blocuri funcţionale pe care le parcurge semnalul de la generarea sa (voce, date sau informaţii de control) până la transmisia în eter (pe mediul radio). Parcurgerea unui bloc funcţional va atrage, evident, efectuarea unor prelucrări specifice asupra semnalului. Prin lanţ de recepţie vom înţelege mulţimea de blocuri funcţionale pe care le parcurge semnalul de la preluarea (recepţia) sa de pe mediul radio până la decodificarea sa completă (adică până când semnalul recepţionat este reconstituit complet - cazul traficului de voce şi date - sau până când poate îndeplini funcţiile de control specifice - cazul semnalelor de control - trafic de semnalizare). O parte din lanţul de transmisie, precum şi lanţul de recepţie, sunt prezentate în fig 6.7. Legătura între lanţul de transmisie şi cel de recepţie este realizată prin intermediul canalului radio. Trebuie precizat că, în acest caz, prin canal radio se înţelege mulţimea tuturor


canalelor (trafic şi semnalizare) prin intermediul cărora comunică entităţile emiţător si receptor.Aşa cum s-a explicat în paragrafele anterioare, orice semnal care urmează a fi transmis pe

mediul radio este întâi codat cu un cod de comprimare (pentru a reduce cantitatea de informaţie ce trebuie transmisă), apoi codat cu un cod detector şi corector la erori (codare de canal), iar cuvântul rezultat este împărţit în 4 sau 8 grupe de 57 biţi, care se vor distribui pe sloturi informaţionale diferite, conform regulilor descrise în paragrafele anterioare. În lanţul de transmisie este de asemenea necesară o funcţie de construire propriu-zisă a sloturilor informaţionale (adăugarea biţilor de delimitare, gestionarea perioadei de separare între sloturile informaţionale etc.) Urmează în lanţul de transmisie un bloc care asigură (opţional) criptarea informaţiei transmise (pentru asigurarea confidenţialităţii comunicaţiei) conform algoritmului descris. Apoi, semnalul este modulat şi transmis pe mediul radio. Tehnica de modulaţie aleasă pentru sistemul GSM

este GMSK (Gaussian-filtered MSK), derivată din tehnicile de modulaţie MSK. Pentru MSK (Minimum Shift Keying) faza semnalului transmis variază liniar pe durata timpului de bit Tb a semnalului modulator b(t).

Fig. 6.7. Lanţul de transmisie şi lanţul de recepţie GSM (arhitectură generică)

Astfel, pentru t semnalul emis se poate pune sub forma:

Semnul este ales după cum bitul transmis este 0 sau 1.

Cap. 7. Procedurile de semnalizare specifice GSM

7.1. Introducere

La o comparaţie între reţelele GSM şi ISDN, din punct de vedere al serviciilor asigurate, vom constata ca o parte a serviciilor ISDN sunt asigurate şi în GSM. Comparând însă situaţiile care trebuie tratate în gestionarea abonaţilor în cele doua reţele, vom constata cel puţin trei clase de aspecte total diferite:


A) Aspecte privind mobilitatea - dacă în ISDN un abonat este fix (imobil), în GSM acesta îşi poate modifica poziţia geografică, inclusiv între PLMN distincte. Apare evident că, pentru a putea asigura serviciile plătite de abonat, reţeaua mobila trebuie să cunoască poziţia geografică exactă a acestuia în orice moment. Mai mult, existenţa cartelei GSM (cartela SIM) asigura independenţa abonatului de terminal (ceea ce nu este posibil în nici o reţea fixă). .

B) Aspecte privind starea terminalului - un terminal se poate afla într-una din următoarele stări:• în reţeaua fixă:

- inactiv - stare corespunzătoare receptorului aşezat în furcă;- activ - terminal angajat într-o comunicaţie cu unul sau mai multe terminale.

• în reţeaua mobilă:- inactiv - stare corespunzătoare unui terminal mobil închis;- aşteptare - (idle) stare corespunzătoare unui terminal mobil deschis, dar neangajat într-

o comunicaţie;- activ - stare corespunzătoare unui terminal mobil angajat într-o comunicaţie.

Un mobil aflat în stare inactivă nu poate recepţiona sau trimite apeluri, iar tranziţia mobilului din stare inactivă în stare de aşteptare (la pornirea aparatului) este însoţită de acţiuni specifice.

C) Aspecte privind alocarea de resurse - GSM, spre deosebire de ISDN, include un segment în care transmisia are loc în mediu radio. Mecanismele de alocare a canalelor radio sunt specifice GSM, fiind necesar să se ţină cont de modificarea (posibilă) a poziţiei geografice, care poate genera necesitatea schimbării canalului alocat iniţial (mecanisme de transfer - handover).

Soluţionarea aspectelor din clasele A), B), C) a presupus implementarea unor proceduri specifice GSM, pe care le-am numit proceduri de semnalizare specifice GSM (sunt numite „de semnalizare" pentru că nu transporta trafic util). Fiecare procedura trebuie privita ca o succesiune de mesaje schimbate între diverse entităţi ale reţelei GSM, pentru rezolvarea unui aspect dintr-una din clasele A), B), C).

Exemplu: procedura de stabilire a unui apel cu apelant fix si apelant mobil va fi succesiunea de mesaje schimbate între diverse entităţi ale reţelei GSM din momentul când abonatul fix formează numărul abonatului mobil până în momentul stabilirii apelului.

Având în vedere că starea unui terminal este implicată atât în procedurile specifice gestionării mobilităţii, cat şi în cele de alocare a resurselor, procedurile de semnalizare specifice GSM se pot împărţi în două mari categorii:

- proceduri de gestionare a mobilităţii;- proceduri de alocare a resurselor (care includ atât mecanismele de alocare a canalelor radio, cât şi gestionarea transferurilor).Implementarea în special a procedurilor din ultima categorie foloseşte date specifice (nivelul

semnalului recepţionat, coeficientul de erori etc.) mediului radio, obţinute atât în echipamentul mobil cât şi în BTS. Putem vorbi, în fapt, de o monitorizare continuă a canalului radio, cunoscută sub numele de gestiune a legăturii radio.

7.2Proceduri de gestionare a mobilităţii şi a apelurilor

În reţelele GSM mobilitatea abonatului impune proiectarea si implementarea unui număr mare de proceduri specifice, deoarece fiecare serviciu oferit abonatului mobil presupune cunoaşterea probabilă a localizării acestuia. Mai mult, un terminal aflat în stare inactiva (stins) nu mai are nici o referinţă asupra poziţiei geografice în care se afla (de exemplu, un abonat se poate


deplasa având terminalul mobil inactiv; de aceea, la repunerea aparatului în stare de aşteptare trebuie verificat dacă zona în care se afla acum abonatul s-a modificat faţă de zona în care terminalul s-a aflat înainte de a fi oprit). Având în vedere cele expuse, se poate vorbi despre două categorii importante de proceduri de gestionare a mobilităţii:

a) Proceduri de selecţie a PLMN şi a celulei de serviciu;b) Proceduri propriu-zise de gestionare a mobilităţii.

7.2.1. Proceduri de selecţie a PLMN si a celulei de serviciuAceste proceduri se efectuează la repornirea terminalului si după introducerea cartelei GSM în

acesta. Scopurile acestor proceduri sunt următoarele:a) sincronizarea terminalului pe o purtătoare de difuzare (pentru a putea primi primele

informaţii de control din partea reţelei);b) selecţia PLMN care va furniza serviciile solicitate;c) determinarea si selecţia celulei în raza căreia se afla abonatul.

7.2.1.1. Sincronizarea terminalului pe purtătoarea de difuzareTerminalul va măsura nivelul semnalului recepţionat pe fiecare din cele 124 purtătoare din

spectrul disponibil. Pe parcursul măsurătorii se realizează şi o sortare descrescătoare a purtătoarelor, în funcţie de măsurătorile efectuate. Ulterior, din mulţimea sortată, mobilul se va sincroniza pe prima frecvenţă care reprezintă o purtătoare de difuzare (purtătoarea de difuzare este detectată prin formatul special al slotului informaţional TDMA transmis, diferit de formatele transmise pe orice alt tip de canal). O data sincronizat pe purtătoarea de difuzare, mobilul poate decoda si interpreta informaţiile de control transmise pe purtătoarea de difuzare.

7.2.1.2. Selecţia PLMNProcedura de selecţie a PLMN este corelată cu mai mulţi factori, dintre care amintim:

- tipul de abonament plătit: un abonat poate plăti o taxa care să-i ofere dreptul la un pachet de servicii dintr-o arie inclusă într-o PLMN (abonament regional), din toate ariile deservite de o PLMN (abonament naţional) sau dintr-un grup de PLMN-uri (abonament internaţional);

- modalitatea de selecţie - automată sau manuală;- informaţiile stocate pe cartela SIM - 4 PLMN interzise (reţele în care anterior abonatului nu i

s-a permis accesul) si 8 reţele PLMN permise, în ordinea preferinţelor.Codul PLMN este fumizat pe purtătoarele de difuzare. Dacă selecţia se face în mod manual,

pe ecranul terminalului vor apărea un număr de PLMN-uri (identificat prin nume si/sau cod) care asigură serviciul în aria în care se afla mobilul; un semnal sonor special indica dacă reţeaua este interzisa sau nu (o reţea este interzisa dacă este detectată pe cartela SIM între cele 4 PLMN interzise memorate anterior). Urmează ca abonatul să aleagă reţeaua ce îi va asigura ulterior serviciul. Daca selecţia se face automat, terminalul va fi cel care alege PLMN-ul (de exemplu este aleasa PLMN aflată prima între cele 8 PLMN-uri favorite). De asemenea, abonatul poate stabili dacă selecţia PLMN-ului se face automat sau manual.

7.2.1.3. Determinarea şi selecţia celulei de serviciuDupă sincronizarea pe purtătoarea de difuzare şi selecţia PLMN trebuie determinata si selectată celula care va asigura ulterior serviciul solicitat pentru abonat. Selecţia va avea la baza mai multe criterii:

1) criterii radio: trebuie aleasa o celula care să asigure o calitate maxima (dintre toate celulele) a serviciului;

2) criterii de subscripţie si localizare - o celula trebuie să facă parte din zona de acoperire în care s-a înscris abonatul. De asemenea, în caz ca identitatea zonei de localizare aferente celulei diferă de identitatea precedentei zone de localizare (care este stocata pe cartela SIM), se va iniţia o procedura de actualizare a localizării. Această procedură urmăreşte, pe de o parte, sa verifice daca


abonatul poate beneficia de serviciu în noua zonă, şi apoi să modifice referinţele acestuia în bazele de date VLR si HLR.

Criteriile radio se bazează pe măsurătorile radio efectuate de staţia mobila si de BTS, precum şi datele transmise pe purtătoarea de difuzare. Staţia mobilă va măsura:

- nivelul semnalului recepţionat - RXLEV (Received Level). Valoarea obţinută este codificata pe 6 biţi si are semnificaţiile date în tabelul 1.

Valoare măsurată Codificare (valoare asociata)

-103 dBm > RXLEV 0

-103 dBm < RXLEV<-102dBm 1

………. …………..

RXLEV > -41dBm 63

Tabel 1. Corespondenţe între valoarea RXLEV măsurată şi codificarea sa (valoarea asociata).- calitatea semnalului recepţionat - RXQUAL (Received Quality). Valoarea coeficientului

(procentului) de eroare de bit (BER) măsurată este codificata pe 3 biţi. Corespondenţa între BER şi RXQUAL este data în tabelul 2.

RXQUAL BEtt0 <0,2%

1 0,2 0,4%

2 0,4 0,8%

3 0,8 1,6%

4 1,6 3,2%

5 3,2 6,4%

6 6,4 12,8%

7 > 12,8%

Tabelul 2 Corespondenţa BER <-> RXQUAL.Staţia mobilă recepţionează de la BTS:

- MS_TXPWR_MAX_CCH - nivelul maxim de putere cu care staţia mobila poate emite pe un canal logic de acces (RACCH);

- RXLEV_ACCESS_MIN - nivel minim de putere recepţionată necesar pe aria de acoperire a celulei.

Criteriul radio utilizat este cunoscut sub numele de criteriul Cl şi el se poate enunţa sub forma:

Dintre toate celulele a căror purtătoare de difuzare este recepţionată de un mobil se alege cea pentru care C1 are valoarea maximă şi pozitivă, unde:

Cl = A – max(B,0), iar A = RXLEV - RXLEV_ACCESS_MIN

B = MS_TXPWR MAX_CCH- P unde P = puterea maxima disponibilă a staţiei mobile.

O condiţie suplimentară impusă este A > 0 (nivelul semnalului recepţionat să fie mai mare decât pragul minim admisibil).

Practic, mobilul va recepţiona informaţiile de control transmise pe purtătoarea de difuzare din celula în care se află, precum şi cele de pe purtătoarele de difuzare din celulele vecine. Apoi va evalua parametrul Cl şi, dintre celulele pentru care se îndeplinesc condiţiile Cl > 0 şi A > 0, o va alege pe cea pentru care Cl are valoare maximă.


În final, sunt necesare câteva precizări suplimentare:- zona din interiorul unei celule unde este respectat criteriul C 1 este dependentă de staţia

mobilă (deoarece valoarea lui C1 depinde de puterea maxima a staţiei mobile). Un mobil de putere mare va putea alege între un număr mai mare de celule;

- chiar dacă se îndeplineşte criteriul C1, celula trebuie să nu fie blocată pentru a putea fi selectată. Blocarea unei celule se poate face (opţiune a operatorului) când, de exemplu, traficul depăşeşte o anumită valoare maxima prestabilită. Astfel, o celulă supraîncărcată (din punct de vedere al traficului) nu va mai autoriza nici un mobil nou în aria sa până când valoarea traficului nu scade.

Un mobil poate verifica daca o celula este blocata sau nu, deoarece pe purtătoarea de difuzare este transmisă această informaţie. Pentru o astfel de celula, măsurătorile necesare pentru aplicarea criteriului Cl nu se mai realizează.

Toate datele anterior menţionate sunt transmise de BTS pe canalul logic BCCH. Pentru facilitarea expunerii am folosit însă exprimarea „transmisie pe purtătoare de difuzare". Aceasta precizare este necesara atât pentru a clarifica rolul canalului logic BCCH, cât şi pentru a elimina orice posibila incertitudine sau confuzie privind acest aspect.

7.2.2. Proceduri de gestionare a mobilităţiiAşa cum am mai spus, pentru a putea asigura serviciile achitate de către un abonat mobil,

localizarea sa trebuie cunoscută în orice moment de timp. Poziţia geografică a unui abonat este strict identificată prin numărul LAI stocat în baza de date temporara VLR care deserveşte aria în care se află mobilul. În cele ce urmează vom denumi arie sau zona geografică reuniunea tuturor celulelor cu acelaşi LAI. În fapt, fiecare VLR gestionează mai multe arii diferite, dar o zona geografica poate fi deservita de un singur VLR. În procedurile de gestionare a mobilităţii este implicata si baza de date permanentă HLR.

Pentru a înţelege mai bine mecanismele de gestionare a mobilităţii trebuie avute în vedere doua nivele distincte:

a) nivelul zonei de localizare: toţi abonaţii dintr-o zona de localizare sunt gestionaşi de un VLR si numai unul;

b) nivelul de abonat: fiecare zona de localizare are în evidenţă unul sau mai mulţi abonaţi; gestionarea datelor pe acest nivel implică atât baza de date permanenta HLR (care conţine, pentru fiecare abonat identificat prin numărul MSISDN, adresa SS7 a VLR-ului corespunzător, precum si numărul său TMSI), cât si baza de date temporara VLR (care corespunzător fiecărui abonat identificat prin TMSI conţine codul ariei de localizare în care se afla acesta).

Deci HLR gestionează mai multe VLR, fiecare VLR gestionând mai multe arii de localizare (identificate prin LAI) în raza fiecăreia găsindu-se unul sau mai mulţi abonaţi (adică unul sau mai mulţi abonaţi cu acelaşi cod LAI). Mai mult, LAI este stocat pe cartela SIM, ceea ce permite păstrarea acestuia chiar si după ce cartela SIM a fost scoasa din mobil. De asemenea, codul LAI memorat poate fi comparat permanent cu codul recepţionat pe canalul logic BCCH, iar o diferenţă între ele va declanşa o procedura de modificare a localizării. Se pot identifica câteva tipuri distincte si implicit câteva proceduri distincte de modificare a localizării:

a) localizare iniţială - este necesara la primul acces al abonatului în sistem sau când, imediat după pornirea mobilului si introducerea cartelei SIM în aparat, se constată că LAI memorat este diferit de cel recepţionat pe canalul logic BCCH;b) actualizare a localizării - este necesară când, în urma deplasării abonatului, LAI memorat este diferit de cel recepţionat pe canalul logic BCCH.

Acest tip de proceduri poate presupune:- păstrarea VLR (se modifica numai LAI);- schimbarea VLR (se modifica atât LAI cat si VLR asociat mobilului).


7.2.3. Proceduri de gestionare a apelurilorVom prezenta în continuare principalele proceduri de gestionare a apelurilor (în fapt

procedurile de tratare a noilor cereri de apel) axându-ne pe două categorii principale:a. Apeluri provenite din reţeaua mobila şi destinate reţelei fixe;b. Apeluri provenite din reţeaua fixă şi destinate reţelei mobile;

Înainte de a începe expunerea propriu-zisă trebuie făcută o precizare: în GSM tastarea numărului apelat este „off-line" (un număr introdus trebuie validat printr-o tastă dedicată situată pe terminal; numai după apăsarea acestei taste se declanşează procedura de accesare a reţelei). În reţelele fixe, numerotarea este „on-line", nefiind necesară o validare ulterioara a numărului format. De aceea, în cele ce urmează, vom considera că un mobil efectuează o nouă cerere de apel numai după ce numărul abonatului apelat este validat.

7.2.3.1. Gestionarea apelurilor provenite din reţeaua mobilă şi destinate reţelei fixeÎn acest caz iniţiatorul este un abonat mobil, iar procedura de gestionare a apelului mobil —> reţea fixă implică subnivelele MM, RR, CC din staţia mobilă. În figura 1 sunt prezentate mesajele de semnalizare schimbate între diverse entităţi implicate în această procedură.

Fig. 1. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de stabilire a unui apel abonat mobil —> abonat reţea fixă.

Etapele procedurii de stabilire a unui apel abonat mobil —> abonat reţea fixă sunt următoarele:

- mobilul va accesa canalul RACCH pentru obţinerea unui canal radio dedicat;- validarea numărului format este echivalentă, relativ la procedurile de semnalizare, cu

generarea mesajului CM_SERVICE_REQUEST, care precizează identitatea mobilului (TMSI sau IMSI), tipul serviciului solicitat etc.;

- autentificarea mobilului şi comutarea transmisiei în mod cifrat;- mesajul CC_SET-UP conţine numărul apelat, care permite rutarea apelului spre postul apelat

de către MSC (prin mesajul MIF);- reţeaua va aloca un circuit de comunicaţie între MSC si CA, informând mobilul despre aceasta

acţiune prin mesajul CC_CALL_PROCESSING;- alocarea unui canal de trafic pentru comunicaţia mobil —> BSS. Este necesara precizarea ca

alocarea canalului de trafic nu este obligatorie în acest moment al procedurii;


- apelarea abonatului fix (declanşarea soneriei la postul fix), produce transmisia mesajului ACF către MSC. Aceasta, la rândul său, va transmite un mesaj corespunzător (CC_ALERTING) către mobil;

- ridicarea receptorului de către abonatul fix determina transmiterea mesajului RIU către MSC. Aceasta, la rândul său, informează mobilul despre posibilitatea începerii convorbirii prin mesajul CC_CONNECT;

- mobilul confirma mesajul CC_CONNECT prin CC_CONNECT_ACK si în acest moment începe convorbirea propriu-zisa. Proceduri specifice de semnalizare au fost implementate si pentru gestionarea finalului de comunicaţie, aici existând două cazuri separate:

a) comunicaţia este încheiată de abonatul fix;b) comunicaţia este încheiată de abonatul mobil.

În ambele situaţii trebuie asigurata:- eliberarea circuitului de comunicaţie dintre MSC si CA;- eliberarea canalului de trafic alocat mobilului pentru comunicaţia mobil <-> BSS (atât pe

sensul ascendent, cat si pe sensul descendent). Primul caz (comunicaţia este încheiată de abonatul fix) este prezentat în figura 2, iar cel de-al doilea în figura 3.

Fig. 2. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de desfiinţare a comunicaţiei abonat mobil —> abonat reţea fixă (la iniţiativa abonatului din reţeaua fixă).

Cele, doua proceduri sunt asemănătoare şi cuprind următoarele etape:- cerere/confirmare de eliberare a canalului de comunicaţie MSC —> CA (mesajele FIU,

respectiv LIG);- desfiinţarea canalului radio mobil <-> BSS (mesajele CC_DISCONNECT, CC_RELEASE,

CC_RELEASE_COMPLETE). În cazul primei proceduri, primul canal eliberat este cel descendent (BSS —> mobil) iar în cel de-al doilea caz primul canal eliberat este cel ascendent. În ambele cazuri însă, mesajul CC_RELEASE_COMPLETE marchează momentul când atât canalul ascendent, cât şi cel descendent au fost eliberate.


Fig. 3. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de desfiinţare a comunicaţiei abonat mobil —> abonat reţea fixă (la iniţiativa abonatului mobil).

7.2.3.2. Gestionarea apelurilor reţea fixa —> reţea mobilaÎn ceea ce priveşte apelurile reţea fixă —> reţea mobilă, procedurile de desfiinţare a comunicaţiei sunt identice celor din § 2.3.1, singura diferenţă constituind-o procedura de stabilire a apelului. Aceasta este prezentată în figura 4 şi cuprinde următoarele faze principale:

- rutarea apelului până la MSC-ul care deserveşte mobilul în momentul cererii de apel;- pe baza numărului MSISDN, format de abonatul din reţeaua fixă, se rutează apelul între CA si

cel mai apropiat MSC, notat MSC1 (mesajul MIF);- MSC1 interoghează HLR pentru a ruta apelul către MSC-ul care deserveşte aria de localizare

curenta a mobilului (MSC-h sau MSC-gazdă). Aceasta se realizează prin mesajul MAPJSEND ROUTING INFO, trimis de MSC1 către HLR;

- pe baza MSISDN si a tabelelor interne, HLR determină adresa SS7 a MSC-h. HLR va interoga la rândul său MSC-h prin mesajul MAP_PROVIDE_ROAMING_NUMBER, pentru obţinerea numărului MSRN;

- MSC-h furnizează MSRN către HLR (prin mesajul MAP PROVIDE ROAMING NUMBER ACK), iar acesta îl trimite la rândul sau lui MSC 1 (prin mesajul MAP SEND ROUTINGJNFO ACK);

- utilizând MSRN, apelul este rutat până în MSC-h (mesajul MIF);- apelarea mobilului pe baza TMSI sau IMSI. Acestea se obţin din VLR pe baza MSRN.

Mesajul de apel (paging) se transmite pe canalul de control PGH de către BSC (RR PAGING REQUEST), în urma recepţionării mesajului PAGING de la MSC;

- alocarea unui canal de semnalizare pentru mobil de către BSC (RR IMMEDIATE ASSIGNMENT), la cererea MS (RR CHANNEL REQUEST). Primul mesaj emis de mobil pe canalul de semnalizare alocat este MM PAGING RESPONSE care permite, ulterior, stabilirea unui dialog direct între MS si MSC;

- autentificarea mobilului şi trecerea în mod cifrat de transmisie;- alocarea unui canal de trafic dedicat pentru mobil (la interfaţa MSC -CC_SET-UP);- alertarea (semnal sonerie) abonatului mobil. Reţeaua este informata despre declanşarea

soneriei prin mesajul CC_ALERTING. MSC transmite către MSC1 acest mesaj prin mesajul ACE;

- răspuns abonat mobil (CC_CONNECT între MS si MSC; MSC transmite către MSC1 acest mesaj prin mesajul FIU).


În acest moment, conversaţia poate începe. Mai remarcăm faptul că MSC1 are pe toata durata acestei proceduri rolul de dirijare (rutare) a mesajelor între MSC-h si CA (lucru posibil prin funcţia „gateway" implementată în fiecare MSC). Desfăşurarea iniţierii unui apel mobil —> mobil este foarte asemănătoare cu procedura descrisa anterior. Funcţia gateway (mai exact rolul MSC1 si al CA) va fi realizata de către MSC-ul mobilului apelat.

Fig. 4. Mesajele de semnalizare aferente procedurii de stabilire a unui apel abonat reţea fixa —> abonat mobil.

7.3. Proceduri de semnalizare pentru gestionarea transferurilor

(handover)

7.3.1. IntroducereTransferurile (handover) se pot defini ca mecanisme prin care canalul radio alocat unei

comunicaţii este modificat fără întreruperea acesteia. Deci, iniţial, unei comunicaţii i se aloca un canal, iar ulterior, prin intermediul mecanismelor de transfer, acesta este modificat. Cauza care generează un transfer este deteriorarea calităţii sau a nivelului semnalului recepţionat pe un canal. Deci, transferurile vor fi declanşate ca urmare a îndeplinirii unor aşa numite criterii radio (criterii ce


calculează calitatea şi nivelul semnalului recepţionat şi compară valorile obţinute cu valorile de prag predefinite). Acestea sunt, în general, specifice fiecărui operator, de aceea nu se poate vorbi despre un criteriu radio general valabil.

Un transfer este în marea majoritate a cazurilor consecinţă a mobilităţii: modificarea poziţiei geografice a unui mobil necesită alocarea unui nou canal de trafic (aferent noii zone geografice în care se află acesta) pentru comunicaţie. Mai simplu, ieşirea din aria de acoperire a unui BTS produce deteriorarea calităţii semnalului; în consecinţă, trebuie alocat un nou canal, gestionat de noul BTS (în zona căruia a intrat mobilul). Există însă şi situaţia când un transfer este generat în urma deteriorării temporare a calităţii semnalului recepţionat pe un canal radio (de exemplu din interferentele cu un alt canal etc.) fără modificarea poziţiei geografice a mobilului. Având în vedere cele afirmate anterior, putem distinge doua categorii de mecanisme de transfer:

transferuri inter-celulare. Cea mai simplă definiţie a acestui tip de transfer este următoarea: dacă noul canal (alocat în urma transferului) si respectiv vechiul canal sunt gestionate de BTS-uri diferite, atunci transferul este de tip inter-celular. Acesta este o consecinţă:

- a modificării poziţiei geografice a mobilului;- în cazul unei celule cu trafic foarte intens, MSC poate decide deservirea anumitor

apeluri de către celulele învecinate.transferuri intra-celulare. În acest caz, ambele canale (atât cel anterior alocat transferului,

cât şi cel alocat în urma transferului) sunt gestionate de acelaşi BTS. Acest tip de transfer implică proceduri foarte simple de semnalizare; de aceea, în cele ce urmează ne vom concentra pe prima categoric de mecanisme.

Transferurile inter-celulare pot fi si ele de mai multe tipuri:a) fără modificarea BSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de acelaşi

BTS);b) fără modificarea MSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de BSC-uri

diferite; cele două BSC-uri sunt însă deservite de acelaşi MSC);c) cu modificarea MSC (noul si vechiul BTS aferente mobilului sunt gestionate de BSC-uri

diferite; cele doua BSC-uri sunt deservite de doua MSC-uri diferite).

7.3.2. Proceduri de semnalizare specifice mecanismelor de transfer

Pe toata durata unei comunicaţii, atât mobilul cât şi BTS efectuează măsurători pe canalul radio, iar rezultatele acestora sunt transmise periodic (cu perioada 480 ms) pe SACCH (Slow Associated Control Channel – canal de control lent asociat ce transferă mesaje de supervizare). Staţia mobilă măsoară şi calculează:

a) pe canalul curent de comunicaţie (dacă se află aşezată într-o comunicaţie cu BTS):- nivelul mediu al semnalului recepţionat (RXLEV);- calitatea medie a semnalului recepţionat (RXQUAL). Mediile se calculează pe 100

eşantioane (TCH), respectiv 12 eşantioane SDCCH.b) nivelul semnalului recepţionat pe purtătoarea de difuzare din celulele vecine celei în

aria căreia se află. În urma acestor măsurători şi calcule se selecţionează 6 celule (cu cei mai buni parametri) pentru care rezultatele sunt transmise într-un mesaj MEASUREMENT_REPORT pentru BTS. BTS face, de asemenea, măsurători pe canalele ascendente, putând comanda mobilelor modificarea diverşilor parametri:

- TA (Timing Advance) - timp de decalare a emisiei;- pentru menţinerea sincronismului mobil <-> BTS;- nivelul puterii transmise etc.

Pe baza rezultatelor obţinute, trimise de către BTS, BSC va putea stabili celulele candidate pentru un transfer. Criteriile de declanşare ale unui transfer sunt la latitudinea operatorului; amintim aici câteva dintre ele:

- scăderea RXQUAL sub pragul minim admisibil;


- scăderea RXLEV sub pragul minim admisibil.Transferul (inter-celular) are ca scop transferul comunicaţiei din gestiunea unei celule în

gestiunea altei celule. Deoarece BSC este modulul care gestionează resursele dintr-o celulă, în cursul mecanismelor de transfer aceste module (cel care deserveşte vechea celulă, respectiv cel care deserveşte noua celulă) vor schimba mesaje între ele. Cazul de transfer între doua celule care se află în aria aceluiaşi BSC va fi denumit transfer BSS (modificarea numai a BSS).

În cazul modificării BSC (handover intra-celular), procedura de transfer are loc prin dialogul între cele două BSC, MSC-ul care le deserveşte având rolul de releu.

În cazul modificării şi a MSC, o particularitate interesantă este că în continuare (adică şi după transfer), vechiul MSC rămâne punctul de legătură între reţeaua GSM şi reţeaua fixă. Acest MSC se mai numeşte şi MSC ancoră. Noul MSC are rol de releu pentru mesajele subnivelelor CM si MM.

7.3.2.1. Transferuri BSSExistă două situaţii care trebuie evaluate:- cele două BTS (noul şi vechiul) sunt sincronizate, ceea ce înseamnă că, dacă mobilul

este în sincronism cu vechiul BTS, va fi în sincronism şi cu noul BTS;- nu există o relaţie de sincronizare între cele două BTS. în acest caz, o data comutat în

noua celulă, mobilul trebuie să se resincronizeze cu noul BTS.Procedura de semnalizare aferentă acestui tip de transfer (a doua situaţie) este prezentată în

figura 1, în care am notat: BTSo - vechiul BTS;BTSn - noul BTS;

- decizie de transfer.

Fig. 1. Transfer BSS cu.BTS nesincronizate.Etapele acestei proceduri sunt:- pe baza rezultatelor si calculelor măsurătorilor efectuate de mobil şi BTSo, BSC ia

decizia de transfer (punctul O pe figură);- BSC rezervă un canal în noua celulă (CHANNEL_ACTIVATION);- BTSn confirmă rezervarea canalului (CHANNEL_ACTIVATION_ACK);


- BSC comandă mobilului comutarea pe noul canal (RR_HANDOVER_COMMAND);

- pe TCH, mobilul emite un slot de acces (ca pe RACCH)(RR_HANDOVER_ACCESS) iar BTSn informează BSC (HANDOVER_DETECTION);

- BTSn transmite mobilului informaţia de sincronizare (TA) pe FACCH (RR_PHYSICAL_INFO);

- se stabileşte conexiunea de nivel 2 între mobil şi BTSn (SABM si UA);- mobilul confirma BTSn încheierea transferului

(RR_HANDOVER_COMPLETE);- BSC comandă eliberarea canalului radio alocat mobilului anterior în BTSo

(CHANNEL_RELEASE).Pentru prima situaţie procedura este asemănătoare, cu deosebirea că cele două BTS fiind

sincronizate, nu mai este necesara resincronizarea mobilului cu BTS .

7.3.2.2. Transferuri intra-MSCAceste transferuri implică şi MSC pentru asigurarea comunicaţiei între vechiul BSC (BSCo)

şi noul BSC (BSCn). Procedura este asemănătoare cu cea descrisa anterior, dar prezintă următoarele diferenţe:

- BSCo trimite către MSC, încapsulat în mesajul HANDOVER_REQUIRED (general de BSSMAP), o lista a celulelor în care poate fi transferată comunicaţia mobilului;

- MSC deschide o conexiune SS7 cu BSCn (SCCP CONNECTION REQUEST) acest mesaj conţine şi o cerere de transfer transmisă de MSC către BSCn;

- BSCn confirmă alocarea resurselor solicitate către MSC (HANDOVER REQUEST ACK, mesaj ce încapsulează un mesaj HANDOVER_COMMAND ce conţine toate informaţiile necesare mobilului pentru a comuta pe noua celula si pe noul canal);

- BSCn trebuie să informeze MSC despre comutarea mobilului pe noua celula (la recepţia mesajului RR_HANDOVER_ACCESS va emite un mesaj BSSMAP HANDOVER DETECTION);

- BSCn informează MSC despre stabilirea conexiunii de nivel 2 cu mobilul (la recepţia mesajului RR_HANDOVER_COMPLETE, BSCn emite mesajul BSSMAP HANDOVER COMPLETE);

- MSC va comanda BSCo eliberarea canalelor alocate anterior mobilului; de asemenea, MSC va elibera conexiunea SS7 cu BSCo .

Această procedură este prezentată în figura 2 (simplificat, cu notaţia BSS =BTS+BSC).


Fig. 2. Mecanism de transfer intra-MSC (simplificat).7.3.2.3. Transferuri inter-MSCFără a prezenta în detaliu şi această procedură, vom face numai câteva precizări (notăm

MSCn noul MSC şi MSCo vechiul MSC):- MSCo este cel care asigură legătura cu reţeaua fixă;- este necesară atât stabilirea unui circuit de voce, căt şi a unei legături între MSCo şi

MSCn;- mesajele schimbate între cele două MSC sunt gestionate de protocolul MAP;- pe toată durata comunicaţiei, după transfer, BSCn şi MSCo rămân în legătură

(conectate).Procedura, asemănătoare celor prezentate anterior, va conţine suplimentar mesaje de

comunicare MSCo<-> MSCn (voce şi SS7) respectiv mesaje MSCo<-> BSCn

Cap. 8. Arhitecturi de interconectare între reţelele mobile

GSM şi reţele fixe

8.1. Introducere

Un aspect important în proiectarea arhitecturii GSM 1-a constituit găsirea de soluţii optime de interconectare cu reţelele fixe existente (ISDN, PSTN etc.). Deoarece particularităţile diverselor tipuri de reţele fixe (relativ la modul de realizare al echipamentelor de transmisie în reţea), precum şi varietatea serviciilor introduse de GSM, se reflectă în structura echipamentului de interconectare, fiecare segment GSM a fost prevăzut cu două interfeţe (funcţii generice) specifice: IWF, respectiv TAF (fig. 8.1).

BSSo BSSn


Fig. 8.1. Interfeţe specifice GSM pentru interconectarea cu reţelele fixe

IWF (Networking Interworking Functions) este o funcţie inclusă în fiecare MSC şi realizează funcţii specifice de interconectare a MSC la reţelele fixe. IWF determină utilizatorul GSM care comunică cu reţeaua să apară ca utilizator al reţelei fixe şi, respectiv, utilizatorul din reţeaua fixă ce realizează o comunicaţie cu un utilizator GSM să poată fi privit ca utilizator GSM. Cu alte cuvinte, IWF asigură o compatibilitate la nivel de structura şi servicii între GSM şi reţelele fixe.

TAF (Terminal Adaptor Functions) realizează funcţii specifice de adaptare între un anumit tip de terminal şi mediul propriu zis de transmisie radio.

Avantajul acestei structuri constă mai ales în faptul că, indiferent de reţeaua cu care se interconectează reţeaua mobilă GSM, modul de transmisie (modulaţie, codare etc.) în interiorul reţelei mobile GSM rămâne acelaşi.

Deci, pentru structura din figura 8.1, adaptarea la serviciu în interiorul reţelei GSM este asigurată de TAF, iar adaptarea GSM la reţeaua cu care se interconectează se realizează prin inter -mediul IWF. Astfel, modul de transmisie în interiorul reţelei mobile GSM rămâne independent de serviciile asigurate şi de tipurile de reţele cu care se interconectează reţeaua mobilă GSM. Aceasta are ca rezultat o simplificare a arhitecturii interne a reţelei mobile GSM. Interconectarea cu reţelele fixe se va reduce la includerea în IWF a unor funcţii specifice de interconectare, între reţeaua mobi-lă GSM şi reţeaua fixă. În acest cadru, vom prezenta în continuare câteva din soluţiile de interco-nectare a reţelei mobile GSM la reţelele fixe de telecomunicaţii existente, adoptate de standardul şi echipamentele GSM.

8.2. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua telefonică comutată (interconectare GSM -

PSTN)

8.2.1. Interconectarea între utilizatori ai serviciului de dateTraficul de date (digital) poate fi transportat de PSTN utilizând modemuri, care transformă

fluxul digital în semnal analogic în banda de bază utilizată în PSTN (300 - 3400 Hz). Dintre servi -ciile de date care pot fi asigurate în prezent utilizând mediul fizic al PSTN amintim: fax, videotext, etc.

Conexiunea prin PSTN a doi utilizatori ai serviciilor de tip date este prezentată în fig.8.2.a.Pentru a realiza conexiunea între un utilizator GSM şi un utilizator conectat la PSTN (pentru

servicii de date) este evident că nu trebuie modificată conectarea utilizatorului fix la PSTN. De ase-menea, este la fel de clar că al doilea modem (din schema anterioară) nu poate fi plasat decât:


- în echipamentul TAF (la utilizatorul mobil);- în echipamentul IWF (în echipamentul de interconectare între reţeaua GSM şi reţelele

fixe).

a) Conexiune între doi utilizatori ficşi (serviciu de date) în reţeaua publică telefonică

b) Conexiune utilizator mobil-utilizator fix din reţeaua publică telefonică comutatăFig. 8.2. Interconectare GSM - PSTN (între utilizatori ai serviciului de date)

Alegerea primei soluţii ar avea ca rezultat:- necesitatea proiectării unor modemuri analogice adaptate la caracteristicile mediului radio

(rată de erori ridicată, deci coduri detectoare şi corectoare de erori adecvate);- utilizarea transmisiei analogice în interiorul reţelei GSM.Deoarece prima problemă nu a putut fi rezolvată corespunzător, iar cea de a doua ar fi

complicat tehnicile de transmisie în interiorul reţelei GSM, s-a ales cea de a doua soluţie, rezultând schema de interconectare din figura 8.2.b.

Un astfel de modem audio poate fi inclus în fiecare MSC şi poate fi atât sincron cât şi asincron (cu 7,8 sau 9 biţi, funcţie de protocolul asincron utilizat).

Dezvoltarea reţelelor mobile de telecomunicaţii s-a realizat atât prin extinderea ariei lor geografice (şi totodată a numărului de abonaţi), cât şi prin diversificarea gamei de servicii imple-mentate. Implementarea standardului de comunicaţii celulare digitale GSM a permis introducerea serviciilor de fax mobil, mesagerie electronică mobilă, transfer de date între terminale mobile şi/sau terminale fixe etc. Schema din figura 8.2 determină mediul de transmisie GSM să apară ca ,,inserat" între echipamentul terminal şi modem. Tipurile de modemuri de debit mai mic ca 9600 b/s, admise conform specificaţiilor, sunt:

- asincrone: V.21 (300 b/s), V.22 (1200 b/s);- sincrone: V.22(1200 b/s), V.22bis (2400 b/s),V.32 (4800 şi 9600 b/s).Problema adaptării ratei de 9600, de exemplu la rata de 13000 b/s, precum şi includerea

formatului asincron într-un sistem sincron de tipul GSM, sunt două exemple de funcţii realizate de TAF si IWF în cazul acestei interconexiuni. Există probleme şi în cazul transmisiei sincrone, deoa-rece modemul şi terminalul nu sunt sincronizate.

Aceasta conduce la o deviaţie de frecvenţă, care nu poate fi neglijată după un anumit timp, fenomen numit şi "nesincronism cu ceasul reţelei" (Network Independent Clocking). Problemele legate de interconectarea GSM - PSTN nu sunt noi; ele au apărut şi la interconectarea PSTN cu ISDN.

Soluţiile adoptate în GSM pentru aceste probleme derivă din cele folosite în specificaţia ISDN (GSM a apărut ulterior ISDN-ului), multe dintre ele fiind folosite aici fără modificări faţă de


cazul ISDN, atât din dorinţa de simplitate, cât şi pentru a asigura o tranziţie uşoară între GSM şi ISDN.

8.2.2. Interconectarea a doi utilizatori ai serviciului de facsimilServiciul de facsimil, considerat ca o cheie a succesului pe piaţă pentru GSM, a produs mari

dificultăţi proiectanţilor reţelei GSM, deoarece protocoalele utilizate de Grup 3 fax nu au fost con-cepute pentru particularităţile mediului radio (întârzieri mari), iar singura interfaţă standardizată de conectare cu utilizatorul la PSTN este cea clasică, pe două fire. La aceste restricţii s-a adăugat nece -sitatea ca în interiorul reţelei GSM tehnica de transmisie să rămână digitală.Schema de interconectare dintre doi utilizatori ai serviciului de facsimil, unul din reţeaua GSM, iar celălalt din reţeaua fixă, este prezentată în figura 8.3.

Fig. 8.3. Configuraţie de referinţă pentru conectarea unui terminal facsimil mobil la PSTN

Se remarcă existenţa funcţiilor de adaptare atât în terminalul mobil, cât şi la nivelul IWF (la nivelul IWF a fost prevăzut un modem audio).

Modul de transmisie intern reţelei GSM a rămas cel digital, iar în funcţiile TAF (funcţii de adaptare terminal), a fost inclus un echipament complex numit fax adaptor.

Câteva din funcţiile fax adaptorului sunt:- conversia semnalului analogic furnizat de modemul audio inclus în fax în semnal digital,

împachetat în format specific reţelei GSM;- conversia inversă a semnalului digital provenit din reţeaua GSM în semnal analogic în

banda de bază, semnal trimis modemului inclus în fax;- realizarea unor servicii specifice tip apel şi răspuns automat etc. Deci fax adaptorul apare

ca un echipament complex, de cele mai multe ori integrat în interiorul faxului mobil.

8.3. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua ISDN

Posibilitatea de conectare la ISDN este o cerinţă esenţială a oricărui tip de reţea de teleco-municaţii. ISDN utilizează pentru transmisie capacitatea unui canal bidirecţional de 64 kb/s, ceea ce a creat probleme şi pentru conectarea PSTN-urilor la ISDN. Arhitectura de interconectare PSTN - ISDN este prezentată în figura 8.4.a. Faţă de arhitecturile anterioare, apar circuitele "adaptoare de rată de transmisie", (conforme recomandărilor CCITT V.110), care au rol în adaptarea ratei specifi-ce fiecărui terminal la rata de transmisie pe linie.

a) Conexiune între un utilizator din reţeaua telefonică publică comutată (PSTN) şi un utilizator din reţeaua ISDN


Fig. 8.4. Configuraţie de referinţă pentru conectare la ISDN (PSTN şi GSM)

Asemănător se va realiza şi conectarea GSM-ISDN, prin utilizarea unor circuite adaptoare de rată de transmisie (RA - Rate Adaptor) pentru conectare la liniile ISDN. Pentru realizarea interconexiunii reţea GSM - reţea ISDN, întrucât amândouă tipurile de reţele utilizează modul digital de transmitere a informaţiei, nu sunt necesare modemuri audio între terminalul GSM şi terminalul fix ISDN. Terminalul GSM apare ca şi cum ar fi conectat direct în circuitul RA din ISDN.

De remarcat că primul circuit de adaptare de rată va adapta viteza de transmisie GSM la debitul în linie al ISDN, iar cel de-al doilea RA va realiza operaţia inversă de ,,reconstituire" a mesajului transmis din debitul liniei ISDN. Funcţionarea circuitelor de adaptare de rată va fi descrisă într-un paragraf ulterior.

8.4. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua de date cu comutaţie de circuite (GSM-

CSPDN)

GSM se poate interconecta la CSPDN - reţeaua publică de date comutată - în două moduri: prin ISDN sau direct. În ambele cazuri, transportul fluxului de date între IWF si BSS se face conform specificaţiilor ISDN. În cazul a) de interconectare, IWF va realiza si funcţia de translaţie a formatului de transmisie, X.30, în format specific CSPDN (CCITTX.71).

Evident, în cazul conexiunii prin ISDN (fig.8.5,b) această adaptare este realizată cu funcţia dedicată din ISDN.

Fig. 8.5. Interconectarea GSM - CSPDN

8.5. Interconectarea reţelei mobile GSM cu reţeaua de date cu comutaţie de pachete

(interconectarea GSM-PSPDN)

Interconectarea GSM-PSPDN se poate realiza conform uneia din figurile 8.6 a, b. Există mai multe modalităţi de accesare a PSPDN de către un terminal fix, moduri derivate din tehnicile (metodele) de acces la PSPDN ale abonaţilor ficşi. Vom prezenta pe scurt aceste tehnici de acces.


Fig. 8.6. Accesul utilizatorilor ficşi la PSPDN Accesul în mod pachet sau accesul direct se poate face după scheme generale de principiu,

indicate în figurile 8.6,a, respectiv 8.6,b.În figura 8.6,a abonatul este identificat printr-o linie de acces, iar conectarea la PSPDN se

face prin intermediul unui dispozitiv numit ,,distribuitor" de pachete (PH = packet handler). Acest acces se mai numeşte şi acces X.25, deoarece între PH si abonat comunicaţia se realizează conform X.25 (pe nivelele 2 şi 3). Modemul utilizat nu este un modem audio şi este componentă a PSTN.

În figura 8.6,b schema de conectare este asemănătoare cu precedenta, numai că în acest caz comunicaţia abonat PH se realizează cu traversarea PSTN. Se remarcă utilizarea modemurilor audio (datorită traversării PSTN), dar şi apariţia numerotării duble.

În cazul unei comunicaţii de date între un abonat PSTN şi un abonat PSPDN, va fi accesat întâi portul de intrare în PSPDN (numărul PSTN al acestuia). Apoi, cel de-al doilea număr este folosit pentru identificarea terminalului apelat.

Deci, dacă în primul caz abonatul era identificat prin linia de acces la PSPDN, în cel de-al doilea el este identificat printr-un număr separat.

În consecinţă, protocolul de comunicaţie abonat PH va fi diferit în cele două cazuri. În cazul prezentat în figura 8.6,b protocolul este X.32.

A treia metodă utilizează pentru acces o funcţie PAD (PAD = packet assembler disassembler). Abonatul poate folosi un terminal care nu trebuie să ,,cunoască" un protocol de comunicaţie în mod pachet.

Această simplificare are două dezavantaje foarte importante:- accesul unui terminal la PSPDN printr-o funcţie PAD limitează rata acestuia;- o legătură se poate stabili numai la iniţiativa abonatului (utilizatorului) conectat la PSPDN

(dacă acesta este conectat printr-o funcţie PAD). Accesul la PSPDN prin PAD poate fi direct, dar şi prin PSTN (caz în care se utilizează protocolul X.28 pentru comunicaţia terminal PAD şi X.25 pentru comunicaţia PAD terminal apelat).


Fig. 8.7. Accesul prin PAD la PSPDNA patra metodă este de a accesa PSPDN prin ISDN (fig.8.8) (acces ISDN). Şi această

metodă are două variante:- prima utilizează schema din figura 8.6,b înlocuind PSTN cu ISDN (acces X.32);-a doua utilizează schema din figura 8.8. În acest caz, interfaţa utilizator-reţea (UNI) între

ISDN şi abonat include X.25. Apelantul accesează PSPDN printr-un PH, iar accesul la PH se face prin ISDN (ISDN va prelua sarcinile legate de identificarea abonatului). Abonatul apelant formează în acest caz un singur număr, singura condiţie fiind ca acesta să fie utilizator ISDN (pentru a putea fi identificat de PH).

Fig. 8.8. Accesul X.25 ISDNSchemele folosite pentru interconectarea

abonat GSM abonat PSPDN sunt adaptări ale schemelor prezentate anterior. Astfel, se pot folosi următoarele configuraţii:

- interconectare în mod pachet (X.32) şi acces prin PAD;- interconectare prin ISDN (se conectează abonatul GSM la ISDN, de unde acesta accesează

PSPDN ca abonat ISDN);- acces dedicat prin funcţie PAD (fig.8.9,a);- acces în mod pachet (fig.8.9,b). Terminalul mobil se leagă printr-un modem audio la un PH

din PSPDN.

Fig. 8.9. Interconectare GSM – PSPDNAtât accesul ISDN, cât şi accesul PSPDN utilizează un singur număr de identificare

(funcţia de identificare este asigurată de PH).De asemenea, este posibilă interconectarea digitală directă (se suprimă modemurile audio).

Funcţia de interconectare cu PSPDN va fi plasată în modulul IWF.În concluzie, considerând toate cazurile de interconectări, avem două mari categorii de

scheme de transmisie a datelor din punct de vedere al GSM, în funcţie de prezenţa sau absenţa modemului în IWF. Totuşi, transmisia în zona internă a GSM exclusiv IWF este aceeaşi în ambele cazuri.

Aceasta permite existenţa unei independenţe de tipurile de reţele exterioare şi de prezenţa sau absenţa modemului în IWF.


ANEXĂ. Abrevieri

A3 - Algoritm utilizat în procedura de autentificare pentru calculul SRES din Ki şiRAND;

A5 - Algoritm de criptare/decriptare;A8 - Algoritm utilizat pentru calculul cheii Kc;AGCH - Access Grant Channel - Canal comun descendent, utilizat pentru a transmite

mobilului mesaje de alocare a unui canal dedicat;ALOHA - Protocol de acces al unui canal; ARFCN - Absolute Radio Frequency Channel Number- Număr cuprins între 0 şi 1023,

asociat în mod unic unei purtătoare;ARQ - Automatic Radio Request - Principiu de corectare a erorilor prin retransmisia

cadrelor eronate la cererea emiţătorului;AuC - Authentification Centre - Centru de autentificare a abonaţilor în reţeaua GSM;BCCH - Broadcast Control Channel - Canal logic utilizat pentru transmiterea periodică a

informaţiilor generale; BCF - Base Common Function - Ansamblu de funcţii comune mai multor emiţătoare şi

receptoare dintr-o BTS; BER - Bit Error Ratio - Rata de erori de bit - unul din parametrii utilizaţi pentru măsurarea

calităţii semnalului radio;BS - Base Station - Staţia de bază - Ansamblu de emiţătoare-receptoare ce asigură

acoperirea unei celule; BSC - Base Station Controller - Controler al staţiilor de bază - Echipament ce gestionează

mai multe BTS şi trebuie să gestioneze resursele radio;BSIC - Codul culorilor utilizat pentru a distinge două BTS-uri ce utilizează aceeaşi

frecvenţă;BSS - Base Station Subsystem - Subsistemul staţiilor de bază – BSS desemnează în

general un BSC şi BTS-urile gestionate de acesta;BSSAP - BSS Application Part - Protocol utilizat între BSC şi MSC prin intermediul căruia

se transferă toate mesajele necesare gestionării resurselor radio;BTS - Base Transceiver Station - Echipament compus din emiţătoare şi receptoare ce

constituie interfaţa între BSC şi mobil;C/I - raportul dintre puterea semnalului util şi interferenţe;Canal logic - suită de sloturi dedicate unei funcţii particulare;CBCH - Cell Broadcast Channel - Canalul de difuzare a mesajelor scurte;CC - Call Control - Parte a nivelului CM care gestionează tratarea apelurilor;CCCH - Common Control Channel - Canalul comun de control;CDMA - Code Division Multiple Access - Acces multiplu cu diviziune în cod - metodă de

acces cu diviziune a cadrelor de informaţie în cod;CM - Connection Management - Parte a nivelului 3 ce conţine protocoalele dintre staţia

mobilă şi MSC;CRC - Cyclic Redundant Control - redundanţă obţinuţă prin diviziune polinomială ce

permite detectarea erorilor dintr-un câmp de informaţie;DCA - Dynamic Channel Allocation - Tehnică de alocare dinamică a canalului radio dintre

staţiile de bază;DCS 1800 - Digital Cellular System 1800 - Sistem de telecomunicaţii dezvoltat în cadrul

standardului GSM translatat în banda de 1800 MHz şi adaptat pentru reţele radio demicrocelule;

DTAP - Direct Transaction Application Part - Entitate prezentă în MSC şi BSC, ce permite transferul transparent de mesaje între mobil şi MSC;

DTX - Discontinuous Transmission - Transmisie discontinuă – Proces de suspendare a


transmisiei în timpu1 unui apel pe durata în care interlocutorul nu vorbeşte;EA - Early Assignment -. Principiu de alocare a unui canal TCH în momentul în care

apelul iniţiat poate fi tratat de reţeaua fixă;EIR - Equipment Identity Register - Registru de identitate a echipamentului - Bază de

date în care sunt stocate identităţile tuturor terminalelor mobile aflate într-un PLMN; FACCH - Fast Associated Control CHannel - Canal asociat de control rapid- canal logic

utilizat în procedurile de handover; FCCH - Frequency Correction Channel - Canal de corecţie a frecvenţei -Canal ce permite

mobilului să se caleze pe frecvenţa nominală a staţiei de bază;FDMA - Frequency Division Multiple Access - Acces multiplu cu diviziune în frecvenţă;GMSC - Gateway MSC - gateway ce realizează interfaţa între PLMN şi PSTN pentru

apelurile destinate unui mobil; GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying - Tip de modulaţie a semnalului utilizată în GSM;GSM - Global System for Mobile communications (iniţial Groupe Special Mobile) –

standard european al sistemului radio celular numeric; HLR - Home Location Register - Bază de date permanentă - Bază de date ce conţine toate

datele abonatului; IMEI - International Mobile station Equipment Identity – Identitatea internaţională a

echipamentului; IMSI - International Mobile Subscriber Identity - Identitatea internaţională a unui abonat,

înscrisă pe cartela SIM conform planului de numerotare E212; ISDN - Integrated Services Digital Network - Reţea numerică cu integrarea serviciilor;ISUP - ISDN User Part - Parte a protocolului SS7 ce tratează aplicaţiile de telefonie; IWF - InterWorking Function- Funcţie a reţelei ce permite conversia între formatele de

cadre pentru transferul de date utilizate în GSM şi cele utilizate în reţeaua telefonică fixă;

Kc - Cheie de criptare calculată pe baza cheii Ki şi a numărului aleator RAND;Ki - Cheie de autentificare specifică fiecărui abonat şi stocată atât pe cartela SIM, cât şi

în centrul de autentificare AuC;LA - Location Area - Aria de localizare;LAC - Location Area Code - Codul unei zone de localizare;LAI - Location Area Identification - Identificator unic în lume al unei zone de localizare; LAPD - Link Access Protocol on the D channel - Protocol pe nivelul legătură de date

utilizat în ISDN; LAPDm - Link Access Protocol on the Dm channel - Protocol pe nivelul legătură de date

utilizat pe canalele radio de semnalizare şi pe canalele de control asociate;MAC - Medium Access Control - Control al accesului la mediu; MAP - Mobile Application Part - Protocol la nivelul utilizator ce gestionează dialogul între

echipamentele din NSS;MCC - Mobile Country Code - Codul unei ţări conform planului E212;MM - Mobility Management - Parte a nivelului reţea prezent în staţia mobilă şi în MSS ce

generează aspectele de securitate;MNC - Mobile Network Code - Indicativul unei PLMN dintr-o ţară;MS - Mobile Station - Staţia mobilă;MSC - Mobile Switching Centre - Centru de comutaţie a comunicaţiilor mobile; MSIN - Mobile Subscriber Identification Number - Numărul abonatului mobil în interiorul

PLMN-ului în care este abonat;MSISDN - Mobile Station ISDN Number- Număr internaţional al unui abonat mobil conform

planului E 164; MSRN - Mobile Station Roaming Number - Numărul E 164 alocat temporar unui abonat,

când acesta are statut de roamer;


MTP - Message Transfer Part - Ansamblu de protocoale de nivel 3 utilizat pentru transferul datagramelor;

NDC - National Destination Code - Codul de destinaţie a unei PLMN într-o ţară;NSS - Network Sub-System - Subsistemul reţea; OMC - Operation and Maintenance Centre - Centru de operare şi mentenanţă a reţelei

mobile; PCH - Paging Channel - Canal logic ce transportă mesajele de difuzare pe interfaţa radio;PIN - Personal Identity Number - Cod secret definit de utilizator si stocat pe cartela SIM; PLMN - Public Land Mobile Network - Reţeaua GSM ce operează pe teritorul unei ţări; PSPDN - Packet Switched Public Data Network - Reţeaua publică cu comutaţie de pachete; PSTN - Public Switched Telephone Network - Reţeaua publică telefonică comutată; RACH - Random Access CHannel - Canal de control partajat ce permite mobilului

solicitarea unui anumit serviciu; RAND - RANDom number - Număr aleatoriu emis de reţea pentru autentificarea mobilului; RPE-LTP - Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction - Proces de codare a vocii cu

ajutorul unui filtru liniar excitat de o succesiune de impulsuri regulate;RR - Radio Resource management - Parte a nivelului reţea prezent în MS şi BSC ce

gestionează resursele radio; RXLEV - Received signal LEVel - parametru utilizat pentru măsurarea semnalului

recepţionat de către mobil; RXQUAL - Received signal QUALity - parametru utilizat pentru măsurarea calităţii semnalului

recepţionat de către mobil; SACCH - Slow Associated Control CHannel - Canal de control lent asociat ce transferă

mesaje de supervizare;SCCP - Signalling Connection Control Part - Protocol SS7; SCH - Synchronization CHannel - Canal de sincronizare – permite mobilului să se

sincronizeze cu staţia de bază; SDCCH - Stand-alone Dedicated Control CHannel - Canal de semnalizare dedicat unui mobil

pe o perioadă scurtă de timp;SIM - Subscriber Identity Module - Cartelă inserată într-un terminal GSM ce conţine toate

informaţiile legate de abonat; SMS - Short Message Service - Serviciul de mesaje scurte; SMS-GMSC - Short Message Service - Gateway MSC - Funcţia de gateway utilizată pentru

transferul mesajelor scurte; SMS-IWMSC -Short Message Service - InterWorking MSC - Funcţie de dialog între MSC şi

serverul de mesaje scurte pentru transmiterea mesajelor scurte de la mobil la server;SS - Suplimentary Services - Parte a nivelului reţea prezent în MS şi MSC ce se ocupă

de serviciile suplimentare;SS7 - Signalisation semaphore no.7 - sistemul de semnalizare nr. 7;STP - Signalling Transfer Point - Punct de transfer al semnalizărilor;TA - Timing Advance - Mecanism ce constă în anticiparea emisiei unui burst de către

mobil, pentru compensarea întârzierii de propagare; TCAP - Transaction Capabilities Application Part - Protocol SS7 ce permite descompunerea

unei tranzacţii într-o succesiune de operaţii elementare;TCH - Traffic CHannel - Canal de trafic; TDMA - Time Division Multiple Access - Acces multiplu cu diviziune în timp - Timpul de

acces la interfaţa radio utilizat în GSM; TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity - Identitate temporară atribuită de reţea unui

mobil pe durata iniţerii unui apel; TRAU - Transcoder/Rate Adaptor Unit - Echipament pentru adaptarea ratei de transfer

utilizată pe mediul radio cu cea utilizată între BSC şi MSC;


VEA - Very Early Assignment - Metodă de alocare a unui canal de trafic pentru un nou apel la începutul fazei de semnalizare;

VLR - Visitor Location Register - Bază de date temporară.

232624366-Retele-Mobile-de-Telecomunicatii-Sistemul-GSM.docx

Documents

Transcript of 232624366-Retele-Mobile-de-Telecomunicatii-Sistemul-GSM.docx