SISTEMUL DE TELEFONIE CELULAR
CA TI
I
I. Introducere Primul sistem radio de telefonie este cunoscut sub numele de Serviciul de Telefonie Mobilă Îmbunătăţit (IMTS Improved Mobile Telephone Service) pus în funcţiune în 1946. În IMTS era utilizat un turn înalt de transmisie care permitea recepţia şi transmisia informaţiei pe mai multe canale alocate. O instalaţie de comunicaţie aflată în raza de acţiune putea încerca să se conecteze la unul dintre aceste canale şi să realizeze o comunicaţie de voce. Din nefericire numărul canalelor disponibile nu a putut satisface nevoile utilizatorilor.
UN I
Soluţia la această problemă a reprezentat-o împărţirea zonei deservite în celule de câţiva kilometri diametru, fiecare celulă operând într-un set de frecvenţe (transmisie şi recepţie) diferite faţă de frecvenţele celulelor adiacente. Deoarece puterea transmiţătorului într-o anumită celulă a fost menţinută la un nivel suficient de mic pentru a deservi doar acea celulă, acelaşi set de frecvenţe putea fi folosit în mai multe locuri.
CO
M
Conceptul de reţea celulară aduce în principal două elemente noi: • Primul – controlul procesului de handover – trecerea abonaţilor dintr-o celulă în alta - necesită transferul de la o frecvenţă la alta fără nici o pauză sesizabilă. • Al doilea – reutilizarea frecvenţelor din celulele adiacente, suficient de depărtate unele de altele.
DE
Acest tip de transmisie folosit iniţial era de natură analogică, iar tipul de acces este FDMA (Frequency Division Multiple Access). Serviciul este cunoscut sub numele de Serviciul Avansat de Telefonie Mobilă (AMPS Advanced Mobile Phone System).
LE
A fost dezvoltat apoi sistemul digital de comunicaţii mobile GSM (Global System for Mobile Communications), numit şi generaţia 2G capabil să depăşească problemele pe care le produceau sistemele celulare analogice aflate în funcţiune la acea dată şi să ofere o capacitate mai mare de comunicare. Global System for Mobile Communications (GSM - în mod original denumit după Groupe Special Mobile) a fost pus în funcţiune în 1991.
TE
II. 2G - Global System for Mobile Communications (GSM)
RE
Generaţia 2G propune în principal introducerea conceptului de modulație digitală care presupune convertirea vocii în semnal digital care este mult mai rezistent la perturbaţii şi mult mai uşor de prelucrat. Generaţia 2G a fost iniţial destinată să ofere servicii vocale, dar asigură totodată şi o capacitate limitată pentru serviciile de transmisii de date.
II.1. Servicii în GSM
CU
RS
Serviciile oferite de sistemul GSM se clasifică în trei mari categorii: • servicii de transport • teleservicii • servicii suplimentare Serviciile de transport (bearer services) sunt utilizate pentru transferul informaţiilor de DATE de la un utilizator către un alt terminal, fie el staţie mobilă (dacă acesta suportă transferul de date) sau spre un calculator conectat la un modem în PSTN (Public switched telephone network). Transferul se poate face sincron sau asincron cu o rata de maximum 9,6Kb/s.
1
CA TI
I
Teleserviciile asigură comunicațiile între utilizatori în conformitate cu protocoalele stabilite de operatori: • Telefonie la o rata de 13Kb/s, • Apeluri de urgenţă (fonie), • Serviciu de mesaje scurte sursă-destinatar (mesaje de 160 de caractere max), • Serviciu de difuzare de mesaje scurte, sursă-destinatari multipli, • Telefax.
UN I
Servicii suplimentare • Transferul apelului: când abonatul mobil este ocupat, nu răspunde sau nu este găsit în reţea, • Interdicţia apelurilor de la abonat spre reţea sau a apelurilor internaţionale, • Identificarea abonatului chemător, • Informaţii despre durată, tarif convorbire, • Mesagerie vocală.
LE
DE
CO
M
II.2. Arhitectura reţelei GSM
TE
Figura II.1. Arhitectura reţelei GSM
Structura reţelei GSM este prezentată în figura II.1. Aceasta poate fi împărţită în 4 mari subsisteme: • Staţia mobilă – MS (Mobile Station)
RE
• Subsistemul staţiilor de baza – BSS (Base Station Subsystem). Cuprinde echipamentele specifice aspectelor radio: BTS - Base Transceiver Station (Staţia radio de bază) BSC - Base Station Controller (Controlerul staţiilor de bază)
CU
RS
• Subsistemul de reţea şi comutaţie – NSS (Network and Switching Subsystem). Include principalele funcţii de comutare, bazele de date de gestiune a mobilităţii şi echipamentelor, autentificare. Administrează comunicaţiile şi conectează staţiile mobile la reţelele fixe sau către alţi utilizatori mobili. NSS cuprinde: MSC - Mobile Switching Centre (Centrul de comutaţie al serviciilor mobile) GMSC - Gateway MSC (MSC gateway) HLR - Home Location Register (Registru de localizare al abonaţilor proprii) VLR - Visitor Location Register (Registru de localizare al vizitatorilor) AUC - Authentication Centre (Centru de autentificare) EIR - Equipment Identity Register (Registru pentru identificarea echipamentelor mobile) 2
• Subsistemul de operare şi întreţinere – OMS (Operation and Maintenance Subsystem). Include
CA TI
I
echipamente de calcul şi periferice: OMC - Operation & Maintenance Center (Centrul de operare şi întreţinere al reţelei) NMC - Network Management Center (Centrul de management al reţelei) II.2.1. Staţia mobilă – MS (Mobile Station)
Staţia mobilă este formată dintr-un telefon mobil digital şi un card SIM (Subsciber Identity Module).
CO
M
UN I
• Telefonul mobil (sau echipamentul terminal – figura II.2) reprezintă interfaţa cu utilizatorul uman (prin microfon, receptor, tastatură, display).
DE
Figura II.2. Schema bloc a telefonului mobil Echipamentul terminal îndeplineşte o serie de funcţii precum:
LE
Codare voce - Se realizează codarea/decodarea vocii (codare GSM - 13 kps ) - Detecţia pauzelor de vorbire (VAD – Voice Activity Detection)
TE
Semnalizare - Controlul semnalizărilor între terminalul mobil şi reţea - Semnalizări de apel - Semnalizări de autentificare şi criptare realizate prin intermediul SIM (Subsciber Identity Module) Controlul canalelor de comunicaţie care pot fi canale de trafic (voce) şi canale de semnalizare.
RE
Criptarea este necesară pentru a asigura secretul convorbirii în mediul radio Multiplexarea asigură formarea cadrelor de semnal radio care conţin informaţii de comunicaţie (voce) şi de semnalizare
RS
Interfaţa radio realizează modularea şi demodularea purtătoarelor radio cu semnale de convorbire şi de semnalizare
CU
Prin intermediul telefonului mobil, utilizatorul poate iniţia o convorbire, care ia calea undelor radio, acestea transmiţând apelul către BTS (Staţia radio de bază). Echipamentul terminal permite prelucrarea semnalelor pentru transmisie-recepţie în interfaţa radio.
• Cartela SIM (Subscriber Identity Module) asigură identitatea abonatului mobil, dar poate fi mutată de la o staţie mobilă la alta. Este securizată împotriva utilizării improprii prin blocarea la introducerea eronată a PIN-ului (Personal Identification Number). Deblocarea telefonului în cazul introducerii codului PIN eronat de 3 ori se poate face cu o cheie personală PUK (Personal Unblocking Key). 3
Cartela SIM conţine 3 tipuri de informaţii:
UN I
CA TI
I
Date permanente de identificare: - IMSI (International Mobile Subscriber Number) – este un număr personal care identifică abonatul (cartela) într-un mod unic în reţeaua GSM. IMSI este universal, fiind valabil pentru întreg ansamblul de reţele terestre mobile. IMSI conţine următoarele informaţii despre abonat: ţara, reţeaua de origine, registrul pentru evidenţa abonaţilor mobili locali (HLR - Home Location Register) şi un cod de securitate. Pentru protecţia identităţii abonatului, IMSI-ul se transmite codat prin canalele radio şi cât mai rar posibil. De aceea, pentru autentificarea periodică a staţiei mobile se atribuie o identitate temporală (TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity) care este asociată telefonului în limitele unei zone geografice bine delimitate şi pentru o perioadă de timp suficient de scurtă pentru a nu putea fi decriptată. - chei de criptare - algoritmi de autentificare
CO
Date adiţionale: - lista conţinând numerele de telefon prescurtate - mesaje SMS - numere de telefon stocate pe SIM
M
Date dinamice: - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) - informaţii pentru localizarea terminalului
DE
II.2.2. Subsistemul staţiilor de baza – BSS (Base Station Subsystem) • BTS - Base Transceiver Station (Staţia radio de bază)
LE
BTS asigură acoperirea radio a unei celule din reţeaua GSM. Aceasta este în contact cu staţia mobilă (MS) şi îndeplineşte următoarele funcţii:
RS
RE
TE
transmisia semnalelor către staţiile mobile aflate în zona sa de acţiune, atât pentru canalele de trafic cât şi pentru canalele de control; recepţia semnalelor primite de la staţiile mobile aflate în zona de acţiune, atât pe canalele de trafic cât şi pe canalele de semnalizare şi control; procesarea semnalelor după recepţie sau înainte de transmitere, procesare prin care trebuie să se realizeze: - codarea/decodarea datelor; - modulare/demodulare; sincronizarea staţiilor mobile în fereastra de timp pe care au primit-o spre folosire, pe purtătoarea de radiofrecvenţă; gestionarea semnalizărilor realizate între MS şi BSC (Base Station Controller); realizarea de măsurători asupra nivelului şi calităţii recepţiei semnalului primit de la staţia mobilă; funcţiuni de management la nivel local.
CU
Interfeţele BTS: - radio spre MS - interfaţa A bis spre BSC Comunicaţia între staţia mobilă şi reţeaua de comunicaţii mobile se realizează prin canale radio. Spectrul de frecvenţă alocat este partajat în benzi de frecvenţă care definesc canalele radio. Majoritatea reţelelor GSM operează în benzile de frecvenţă de 900 MHz şi 1800 MHz. În unele ţări, cu m ar fi Statele Unite şi Canada, sunt folosite şi benzile de 850 MHz şi 1900 MHz. 4
Sistemele GSM folosesc pentru comunicaţia radio:
CA TI
GSM 850 – Downlink 824.2–849.2; Uplink 869.2–894.2; (MHz) GSM 900 – Downlink 890.0–915.0; Uplink 935.0–960.0; (MHz) GSM 1800 – Downlink 1710.2–1784.8; Uplink 1805.2–1879.8; (MHz) GSM 1900 – Downlink 1850.2–1909.8; Uplink 1930.2–1989.8; (MHz)
I
Separarea în frecvenţă a canalelor radio de emisie şi de recepţie se realizează astfel:
a. diviziunea în frecvenţă (FDMA - Frequency Division Multiple Access), prin împărţirea benzilor de frecvenţă alocate în canale de radiocomunicaţie, cu lărgimea de bandă de 200 kHz (ecartul între purtătoare);
UN I
b. diviziunea în timp (TDMA - Time division multiple access), prin alocarea purtătoarei de radiofrecvenţă la mai mulţi utilizatori, cu folosirea alternativă a canalului de radiofrecvenţă de către aceştia; 8 sloturi de timp pentru fiecare purtătoare (8 canale telefonice pe purtătoare).
DE
CO
M
c. diviziunea în spaţiu, prin repetarea pe un teritoriu a canalelor de radiofrecvenţă, în conformitate cu schemele de grupare şi refolosire a canalelor de RF în zone de reutilizare.
LE
Figura II.3. Distribuţia canalelor în benzi de frecvenţă şi în sloturi de timp
Figura II.4. Diviziunea în spaţiu prin împărţirea unei zone în celule radio şi reutilizarea frecvenţelor în celule aflate la distanţă
RE
TE
În banda GSM-900, spre exemplu, se folosesc frecvenţele 890-915 MHz pentru a transmite către staţia de bază şi se primeşte de la aceasta pe frecvenţele 935-960 MHz (figura II.5), fiind create astfel 124 de purtătoare radio distanţate la 200kHz.
RS
Figura II.5. Utilizarea benzii de frecvenţă pentru recepţie-transmisie
CU
Având în vedere faptul că numărul frecvenţelor purtătoare şi al sloturilor (canalelor) de timp este limitat, s-a căutat găsirea unei soluţii care să permită extinderea capacităţii reţelei. Problema poate fi rezolvată prin utilizarea mai multor BTS-uri şi împărţirea unei zone de acoperire în mai multe celule (figura II.4) pentru care se alocă doar câteva frecvenţe pentru transmisie. Puterea de emisie a BTS-urilor va fi mică, astfel încât să acopere doar celula deservită şi să nu interfereze cu semnalele trimise de alte BTS-uri. În acest fel frecvenţele pot fi reutilizate în alte celule suficient de îndepărtate.
5
În concluzie, într-un spaţiu dat, cu cât celulele sunt mai mici, cu atât numărul de frecvenţe ce pot fi utilizate simultan este mai mare şi deci capacitatea reţelei creşte. Pe de altă parte, interferenţele şi costul reţelei fixe cresc. De aceea operatorii de telefonie mobilă trebuie să găsească un compromis.
CA TI
I
Nivelul fizic în interfaţa Abis de comunicaţie între BTS şi BSC este definit de o legătură PCM de 2Mb/s (32CT de 64kb/s), dar debitul pe un canal radio este de 13kb/s. Rezultă că este necesară reglarea diferenţei de debit. Acest lucru se poate face în două moduri: - prin multiplexarea a 4 canale de voce - transcodarea canalelor de voce la 64kb/s
M
UN I
Transcodarea este realizată de unitatea pentru adaptarea de viteză şi transcodare (TRAU –Transcoder/Rate Adapter Unit) care poate face parte din BSC sau poate fi o unitate separată.
Figura II.6. Unitatea pentru adaptarea de viteză şi transcodare
CO
Surplusul de la 13Kb/s în interfaţa radio la 16kb/s este utilizat ca informaţie de control pentru delimitarea celor 4 fluxuri care formează un canal de 64kb/s.
DE
Un BTS deserveşte doar abonaţii dintr-o anumită arie geografică – numită celulă radio. Aria şi forma celulei depinde de: - structura geografică a zonei - numărul de utilizatori din zonă
TE
LE
Tipuri de celule radio - Global - conexiune prin antena de satelit - Macrocell - rază de acoperire mare (in mediul suburban) - Microcell - rază de acoperire medie (in mediul urban) - Picocell - rază de acoperire mică (in interiorul construcţiilor) • BSC - Base Station Controller (Controlerul staţiilor de bază)
RE
Mai multe staţii de bază (BTS) sunt comandate de o unitate de control, BSC (Base Station Controller). Unitatea de control BSC împreună cu staţiile de bază (BTS) pe care le coordonează formează Sub-sistem Staţiilor de Bază, BSS (Base Station sub-System). BSC îndeplineşte următoarele funcţii:
CU
RS
administrează canalele radio aflate în subordine – alocarea, eliberarea, distribuţia canalelor radio în funcţie de necesităţile de trafic; supraveghează calitatea folosirii resurselor radio prin: - interpretarea măsurătorilor făcute de staţiile de bază şi de staţiile mobile; - controlarea puterii de emisie a staţiei mobile; - măsurători de trafic şi interpretarea evenimentelor de trafic; transferul mesajelor de control între staţia mobilă (MS) şi centrul de comutaţie al serviciilor mobile (MSC), prin intermediul staţiei de bază (BTS); administrarea resurselor radio pe durata convorbirii; realizează operaţiuni legate de gestionarea subsistemului staţiilor de bază (BSS - Base Station Subsystem): 6
gestionează transferul legăturii de comunicaţie în cazul deplasării staţiei mobile, între staţiile de bază subordonate aceluiaşi BSC; gestionarea datelor privind localizarea staţiile mobile;
CA TI
I
Legăturile de comunicaţie şi de semnalizare între BSC şi BTS-uri se realizează prin interfaţa Abis prin mijloace radio, pe cablu coaxial sau pe fibră optică. Legătura cu MSC se realizează prin interfaţa A, de regula prin linkuri de fibră optică. II.2.3. Subsistemul de reţea şi comutaţie – NSS (Network and Switching Subsystem)
UN I
• MSC - Mobile Switching Centre (Centrul de comutaţie al serviciilor mobile)
M
MSC realizează funcţii de conexiune între: - abonaţii mobili, - un abonat mobil şi un abonat al altei reţele telefonice fixe (conexiune realizată prin intermediul GMSC = Gateway MSC)
Funcţii similare celor din reţelele publice fixe: - tratarea apelurilor, - rutarea, - taxarea
CO
Funcţiile MSC se împart în două categorii:
LE
DE
Funcţii specifice reţelelor celulare: - verificarea identităţii abonatului; - secretizarea comunicaţiei de date; - controlul roaming-ului, - iniţierea şi supravegherea procedurilor de localizare şi transfer a legăturii de comunicaţie în condiţiile deplasării staţiei mobile
TE
• GMSC - Gateway MSC (MSC gateway)
RE
GMSC permite conectarea abonaţilor dintr-o reţea GSM cu alţi abonaţi din alte reţele mobile sau din reţeaua fixă PSTN. • HLR - Home Location Register (Registru de localizare al abonaţilor proprii) HLR – este baza de date de localizare a abonaţilor din reţea. HLR conţine informaţii permanente şi temporare despre abonaţi.
CU
RS
Informaţiile permanente constau în: - numărul de abonat mobil internaţional (IMSI - International mobile subscriber number – înscris pe SIM); - numărul de apel al abonatului; - cheia de autentificare; - tipurile de servicii oferite de reţea şi la care abonatul are acces. Informaţiile temporare sunt: - adresa VLR curent (care administrează MS acum); - numărul către care trebuie redirecţionate apelurile (daca abonatul a selectat acest serviciu); - starea curentă a abonatului (accesibil, funcţionare pe robot, deconectat etc.) - parametri tranzitorii pentru autentificare şi cifrare. 7
I
• VLR - Visitor Location Register (Registru de localizare al vizitatorilor)
CA TI
VLR este baza de date a abonaţilor vizitatori. Este o bază de date care conţine o copie a principalelor informaţii referitoare la abonaţi şi înregistrate în HLR. Aceste informaţii sunt temporare, deoarece sunt conţinute de VLR doar pe durata de timp în care abonatul mobil se află pe teritoriul controlat prin VLR-ul respectiv. Fiecare MSC are asociat câte un VLR.
UN I
• AUC - Authentication Centre (Centru de autentificare)
AuC este responsabil de: - procesul de autorizare a accesului unui abonat mobil în reţea; - cifrarea transmisiei pe traseul radio; - atribuirea identităţii temporare, TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity).
CO
M
În momentul în care abonatul se conectează la reţea (porneşte telefonul), acesta transmite printr-un canal de control o cerere de autentificare împreuna cu numărul de abonat mobil internaţional (IMSI - International mobile subscriber number – înscris pe SIM). Aceasta cerere ajunge la centrul de autentificare AuC care va genera un cod criptat RAND (Random) ce va putea fi decriptat doar de terminalul cu IMSI-ul corect.
DE
Staţia mobilă decriptează mesajul şi trimite informaţia către AuC care va compara mesajul decriptat de SM cu cel criptat anterior. Dacă cele două coduri corespund, atunci are loc autentificarea abonatului în reţea şi alocarea unui număr temporar de identificare TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) care este folosit în schimbul mesajelor între MS şi reţea. TMSI este înregistrat în VLR şi este schimbat când abonatul trece dintr-o zonă în alta, sau la diferite momente de timp pentru a evita interceptările. • EIR - Equipment Identity Register (Registru pentru identificarea echipamentelor mobile)
LE
EIR reprezintă o bază de date centralizată pentru controlul numărului de identitate al echipamentelor mobile care operează într-o reţea mobilă.
TE
Controlul se face prin verificarea numărului internaţional de identificare al echipamentelor, IMEI (International Mobile Equipment Identity). Numărul IMEI este unic, fiecare echipament obţinând, încă de la fabricant, o identitate unică.
RE
II.2.4. Subsistemul de operare şi întreţinere – OMS (Operation and Maintenance Subsystem) • OMC - Operation & Maintenance Center (Centrul de operare şi întreţinere al reţelei)
RS
OMC realizează funcţii de management la nivelul unei părţi din reţea. OMC comunică cu entităţi ale sistemului GSM.
CU
• NMC - Network Management Center (Centrul de management al reţelei) Funcţiile îndeplinite de NMC sunt: - analiza şi prelucrarea evenimentelor din reţea - controlul întregii reţele - instrument de planificare a reţelei - instrument de monitorizare şi optimizare a întregii reţele 8
II.3. Generaţii 2G extinse
I
II.3.1. GPRS - General Packet Radio Service
CA TI
Serviciul GPRS cunoscut şi sub numele de 2.5G este utilizat pentru a descrie sistemele 2G care au implementat un domeniu cu comutare de pachete, în plus față de domeniul cu comutare de circuite. GPRS funcționează introducând servicii de transfer de date printr-o rețea cu comutație de pachete peste rețeaua GSM deja existentă.
UN I
GPRS poate oferi un trafic de date de la 56kbps la 114kbps. Poate fi folosit pentru servicii ca Wireless Application Protocol (WAP), Multimedia Messaging Service (MMS),și pentru servicii de comunicații prin internet cum ar fi email-ul și accesul world wide web (www). Transferul de date prin GPRS este taxat de obicei la numărul de MB transferaţi, în timp ce comunica țiile de date prin intermediul tradiționalului sistem cu comutaţie de circuite sunt taxate la minut, indiferent dacă utilizatorul foloseşte rețeaua sau este în repaus.
RE
TE
LE
DE
CO
M
Prin introducerea GPRS s-a produs o modificare în subsistemul stației de bază constând într -o actualizare a programelor instalate în echipamentele de emisie recepție și în nodurile de control ale stației de bază. Modificarea presupune introducerea unei noi unități numită Unitatea de Control a Pachetelor (PCU - Packet Control Unit) cu rolul de a administra transferul pachetelor de date între utilizatoriși rețeaua nucleu GPRS, dar și retransmisia pachetelor de date sau alte funcții specifice protocolului GPRS.
Figura II.7. Arhitectura reţelei GSM/GPRS
RS
Aşa cum se poate observa în figura II.7, în arhitectura reţelei GSM apar două noi unităţi specifice serviciului GPRS: • SGSN - Serving GPRS Node Support (Nodul Suport pentru Serviciul GPRS) • GGSN - Gateway GPRS Support Node (Nodul Suport Poartă GPRS)
CU
De menţionat că atât SGSN cât şi GGSN trebuie să aibă posibilitatea de comunicare cu bazele de date ale reţelei GSM la care reţeaua GPRS este ataşată. SGSN (Serving GPRS Node Support) este responsabil cu livrarea pachetelor de date de la şi către staţiile mobile din interiorul ariei sale de serviciu, pachetele fiind oferite prin nodurile suport GPRS şi prin PCU (Packet Control Unit). În sarcinile SGSN sunt incluse: • rutarea pachetelor, • transferul pachetelor, 9
• managementul mobilităţii, • managementul localizării.
CA TI
I
SGSN îndeplineşte şi funcţii de taxare. Acesta colectează informaţiile despre taxare, referitoare la folosirea resurselor reţelei proprii şi în particular pe cele legate de folosirea interfeţei radio. În GSM, criptarea datelor şi a vocii se realizează în BTS (Base Transceiver Station). În GPRS, responsabilitatea acestei operaţii cade în sarcina unităţii SGSN. Acesta preia şi operaţia de compresie a datelor pachet, care este o caracteristică opţională a GPRS.
DE
CO
M
UN I
Unitatea GGSN (Gateway GPRS Support Node) a reţelei GPRS realizează interfaţa către reţeaua externă de date cu comutaţie de pachete. O caracteristică importantă a unei reţele mobile GSM/GPRS este că oferă roaming pentru date (figura II.8). Roamingul este însă o capacitate pe care protocoalele pentru pachete de date fixe IP nu o acceptă. De aceea, GGSN rămâne entitatea funcţională prin care se realizează tranzacţiile de pachete atunci când staţia mobilă se deplasează, schimbând aria de rutare (controlul legăturii trece de la un SGSN la alt SGSN).
LE
Figura II.8. Funcţie de roaming asigurată de GGSN
TE
II.3.2. EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution
RE
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) cunoscută şi sub numele de 2.75G este o tehnologie de evoluţie a reţelei GSM/GPRS care este destinată să aducă o îmbunătăţire în calitatea serviciilor de date. EDGE este considerată ca fiind punctul de legătură între reţelele GSM/GPRS şi cele 3G.
RS
Tehnologia EDGE introduce codificarea de tip 8PSK (8 Phase Shift Keying) prin care se face un salt de la transmisia cu un bit per simbol la cea cu 3 țibiper simbol, triplându -se astfel viteza de transmisie fa ță de GPRS. Viteza de transmisie superioară obţinută prin codarea de tip 8PSK implică însă rate de erori mai mari, fiind necesară folosirea unor coduri de corecție a erorilor superioare. Astfel, tehnologia EDGE oferă viteze maxime teoretice de 473,6 Kbps atunci când sunt utilizate toate cele 8 segmente de timp (corespunzătoare unei frecvenţe purtătoare) pentru un singur abonat.
CU
De asemenea se poate utiliza o combinație a două metode de modulație GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) şi 8PSK pentru a optimiza eficiența şi calitatea, în funcţie de condițiile specifice c analelor radio. În condiții de semnal radio bun, este folosită modulația 8PSK care asigură viteze mari de transmisie a datelor, iar în condiții de semnal radio slab se folosește modulația GMSK, care menține conexiunea dar vitezele de transmisie sunt mai mici.
Reţelele EDGE şi GPRS funcţionează în paralel; un utilizator se va conecta automat la una dintre reţele în funcţie de tipul telefonului mobil şi aria de acoperire. 10
III. 3G - Third Generation of Mobile Telecommunications Technology
CA TI
I
Dezvoltarea sistemelor 3G a fost susţinută de trei principale motivaţii: • Realizarea de transmisii multimedia pe suport radio; • Obţinerea unor capacităţi sporite pentru utilizator, în raport cu cele oferite de tehnologia 2G; • Realizarea unui standard sau a unor grupuri de standarde cu aplicaţie la nivel global.
CO
M
UN I
Noile sisteme 3G, trebuiau să facă faţă unei creşteri rapide a necesarului de comunicaţii mobile precum şi a mobilităţii din ce în ce mai mare a utilizatorilor, ceea ce justifică trecerea de la standardele naţionale şi regionale la cele globale. Astfel, 3G oferă capacităţi certe pentru aplicaţii şi servicii avansate, bazate pe interactivitate, mobilitate, bandă largă şi poziţionare. Tipurile de servicii oferite de sistemele 3G se diversifică faţă de oferta garantată de tehnologia 2G incluzând aplicaţii precum: - multimedia de nivel înalt interactiv (teleconferinţe, videoconferinţe); - acces rapid LAN şi Internet/Intranet, videoclipuri la cerere, cumpărături online; - acces la jocuri interactive, mesaje radiodifuzate şi informaţii publice complexe; - date comutate (acces LAN de viteză redusă, acces Internet/Intranet, fax etc.) - mesagerie simplă (serviciu de mesaje scurte, e–mail, radiodifuziune şi mesagerie de informaţii publice, comenzi / plăţi pentru comerţul electronic simplu etc.); - transmisii vocale (comunicaţii de voce bidirecţionale, conferinţe, poştă vocală). Garantarea acestor servicii este posibilă deoarece generaţia 3G oferă viteze de transmisie sporită, de până la 4 Mbit/s (în unele variante până la 12 Mbit/s) şi prezintă posibilităţi multiple pentru servicii multimedia de calitate şi pentru operare în medii diferite. Sunt sisteme cu prelucrarea digitală a semnalului, ce funcţionează în banda de 2 GHz.
LE
DE
Una dintre principalele caracteristici noi ale sistemelor 3G faţă de cele prezentate de 2G o reprezintă alocarea dinamică a resurselor sistemului pentru utilizatori. Dacă în sistemele 2G, utilizatorul primea resursele de comunicaţie (banda de frecvenţă şi intervalul de timp) la începutul comunicaţiei şi îşi menţinea aceste resurse până la terminarea acesteia, în 3G, resursele sunt alocate dinamic. Alocarea resurselor pentru utilizator se face în funcţie de necesităţile comunicaţiei şi resursele se pot modifica în cadrul aceleiaşi sesiuni de comunicaţie.
TE
Principalele două familii ale tehnologiilor pentru comunica ții mobile 3G sunt: • UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) • CDMA2000 (Code Division Multiple Access).
RE
Tehnologia CMDA2000 a fost dezvoltată de compania Qualcomm şi este utilizată cu precădere în America şi Coreea de Sud, în timp ce în Europa se folose ște numai tehnologia UTMS dezvoltată iniţial de institutul european ETSI (European Telecommunications Standard Institute) şi preluată apoi de grupul 3GPP (Third Generation Partnership Project). Vom discuta în continuare doar despre standardul UMTS utilizat în Europa.
RS
Elementele de reţea ale sistemului UMTS sunt împărţite în trei categorii (figura III.1):
CU
• Terminalul utilizatorului - UE (User Equipement). • Reţeaua de acces radio - UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). • Reţeaua centrală - CN (Core Network). Reţeaua de acces radio denumită generic UTRAN este formată din unul sau mai multe subsisteme RNS (Radio Network Subsystems), care la rândul lor sunt formate din staţii de bază Node B (echivalente cu BTS-urile din GSM) şi unităţi RNC (Radio Network Controllers). Node B este o staţie de bază, ce comunică cu UE (User Equipement) prin tehnologia WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), iar RNC controlează resursele radio precum unitatea BSC (Base Station Controller) din GSM. 11
I
Reţeaua de acces radio UTRAN îndeplineşte mai multe categorii de funcţii privind controlul accesului în sistem, funcţii de criptare şi de decriptare a informaţiilor pe canalul radio, funcţii de mobilitate, legate de controlul şi managementul resurselor radio și legate de serviciile difuzate.
CA TI
Reţeaua centrală CN (Central Network) este partea sistemului UMTS ce conectează UTRAN la reţelele externe, cum ar fi PTSN (Public Switched Telephone Network) şi Internet.
DE
CO
M
UN I
Echipamentul de utilizator UE (User Equipement) este format dintr-o cartelă denumită USIM (UMTS Subscriber Identification Module) şi echipamentul mobil, ME (Mobile Equipment).
Figura II.1. Arhitectura reţelei UMTS
LE
Aşa cum se poate observa în figura II.1, nucleulțelei re CN (Core Network) este asemănător cu cel prezentat la structura GSM/GPRS (2.5G). Domeniul comutării de circuit cuprinde serviciile clasice de comutare de circuite pentru comunicaţii de voce, incluzând de asemenea şi partea de semnalizare. Resursele sunt rezervate la stabilirea conexiunii și componentele din cadrul GSM (MSC, GMSC, VLR etc) sunt folosite în mod similar.
TE
Domeniul comutării de pachete utilizează componentele specifice GPRS precum: SGSN și GGSN. Ambele domenii au nevoie de bazele de date (EIR, HLR, AuC) pentru identificarea echipamentelor, managementul ției, loca autentificare, etc.
RE
Refolosind infrastructura preexistentă se pot obţine economii financiare substanțiale și mulți operatori au fost astfel convinși să folosească UMTS dacă deja au implementat GSM.
RS
III. 4G - Fourth Generation of Mobile Telecommunications Technology
CU
În 2004, asociaţia 3GPP (Third Generation Partnership Project) a început studiul despre evoluţia UMTS. Scopul a fost acela de a îmbunătăţi sistemele de comunicaţii mobile oferind latenţe din ce în ce mai mici şi rate de transfer a datelor cât mai mari viitorilor utilizatori. LTE (Long Term Evolution – generaţia a 4-a) reprezintă rezultatul muncii acestora. LTE este o tehnologie de comunicaţii mobile care permite transferul rapid, eficient şi accesibil al unei cantităţi mari de date prin optimizarea utilizării spectrului de frecvenţe. Datorită vitezei sporite şi a reducerii timpilor de aşteptare, utilizatorii se pot bucura de o gamă largă de aplicaţii (navigare web în timp real, jocuri în reţea, social media şi 12
videoconferinţe), chiar şi atunci când se află în mişcare. Datorită caracteristicilor sale tehnice, LTE poate răspunde cerinţelor tot mai complexe de aplicaţii pentru Internet mobil.
CA TI
I
Ca evoluţie a standardului UMTS, LTE face trecerea la o reţea de comunicaţii IP, care permite tuturor reţelelor de telefonie mobilă să se contopească într-o singură reţea mult mai vastă, unificată prin toate elementele sale (telefoane, servere, calculatoare). În acest scop, LTE se bazează pe protocoalele TCP/IP, acestea fiind coloana vertebrală a Internetului. Tehnologia LTE este implicată în creşterea capacităţii reţelelor de telefonie mobilă şi deschide noi perspective în măsura în care acestea vor oferi viteze mai mari decât ceea ce este posibil pentru Internet prin cablu cu DSL.
UN I
Long Term Evolution aduce importante îmbunătăţiri tehnologiilor 3G, remarcându-se în special prin debitele net superioare: 100 Mbps viteza de transmisie de la staţia de bază la staţia mobilă, şi 50 Mbps viteza de la utilizator la staţia de bază, cu posibilitatea de extindere la 300Mbps respectiv realizarea unei întârzieri de mai puţin de 5ms.
CO
M
Pentru a obţine aceste rezultate, în interfaţa radio numită EUTRAN (Evolved UMTS Radio Access Network) sunt integrate mai multe tehnologii: • accesul multiplu OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pe calea descendentă • accesul multiplu SCFDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) pe calea ascendentă • tehnologia antenelor inteligente MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output - utilizează antene multiple la recepţie şi emisie pentru a profita de efectele multicale pentru a transmite date adiţionale fără a cauza interferenţă).
LE
DE
O altă schimbare este aceea că o parte din funcţiile controlate anterior de reţeaua de bază a fost transferată spre periferie. Aceasta conduce direct la aplatizarea arhitecturii reţelei, făcând ca timpii de latenţă să poată fi reduşi iar datele să poată fi rutate pe căi mai scurte spre destinaţia lor. Această nouă arhitectură a fost dezvoltată pentru a oferi un nivel considerabil mai înalt de performanţă, aliniat la cerinţele LTE. Drept rezultat, operatorii vor începe introducerea de hardware în conformitate cu standardele noii arhitecturi LTE SAE (System Architecture Evolution), astfel încât nivelele anticipate de date să poată fi disponibile la introducerea LTE. Noul SAE a fost dezvoltat astfel încât să fie deplin compatibil cu LTE Advanced, noua tehnologie 4G. Prin urmare, atunci când LTE Advanced va fi implementat, reţeaua va fi în măsură să manipuleze cantităţi de date ce sporesc în continuu, necesitând doar mici schimbări. Arhitectura reţelei 4G (figura III.1) se compune din:
CU
RS
RE
TE
• Terminalul utilizatorului – UE (User Equipement). • Reţeaua de acces radio – E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network). • Reţeaua centrală – CN (Core Network EPC - Evolved Packet Core).
Figura III.1. Arhitectura reţelei LTE
13
În timp ce CN este format din mai multe noduri logice, reţeaua de acces este alcătuită în esenţă doar dintr-un singur tip de nod, Evolved NodeB (eNodeB), care se conectează la UE.
CA TI
I
În reţeaua UMTS staţiile de bază NodeB erau conectate într-o configuraţie tip stea la RNC-uri, care realizau cea mai mare parte a managementului resurselor radio, iar RNC-urile erau conectate la reţeaua de bază CN. În cadrul LTE, RNC-ul a fost eliminat, managementul resursei radio revenind staţiilor de bază, care în noul stil sunt numite eNodeBuri sau eNB-uri. Acestea sunt conectate direct la reţeaua de bază prin interfaţa S1.
UN I
Pe lângă aceasta noile eNodeB-uri sunt conectate prin interfaţa X2 la eNodeB-urile adiacente. Aceasta oferă un nivel mult mai mare de interconectivitate directă, permiţând ca multe apeluri să fie rutate direct, în măsura în care un număr mare de convorbiri şi conectări sunt îndreptate către celelalte staţii mobile din aceleaşi celule sau dintr-unele adiacente. O consecinţă a lipsei unui nod de control centralizat este că atunci când UE se află în mişcare reţeaua trebuie să transfere toate informaţiile referitoare la UE, adică contextul UE, împreună cu orice date memorate, de la un eNodeB la altul.
M
eNodeB-urile exercită diverse alte funcţii, printre care se includ controlul resursei radio, ce constă în controlul accesului la reţea, distribuţia pachetelor şi controlul mobilităţii radio, ce cuprinde deciziile de transfer pentru mobil sau pentru echipamentul de utilizator UE.
CO
Similar reţelei de acces a LTE, şi reţeaua nucleu este mai puţin complexă, fiind compusă din cinci noduri principale, la care se pot adăuga noduri care asigură compatibilitatea cu reţelele GSM şi UMTS. Partea Core a reţelei (numită EPC-Evolved Packet Core) este responsabilă pentru controlul global al UE şi stabilirea purtătoarelor. Principalele noduri logice ale EPC sunt: PDN Gateway (P-GW - Packet Data Network Gateway), Serving Gateway (S-GW), Mobility Management Entity (MME).
DE
În plus faţă de aceste noduri, EPC include, de asemenea, alte noduri logice şi funcţii, cum ar fi Home Subscriber Server (HSS) şi Policy Control and Charging Rules Function (PCRF).
LE
Controlul aplicaţiilor multimedia, cum ar fi VoIP este asigurată de subsistemul multimedia IP (IMS), care este considerat a fi în afara EPC-ului. Nodurile logice ale părţii Core sunt prezentate în figura III.1 şi discutate în detaliu mai jos:
RE
TE
• PCRF - Policy Control and Charging Rules Function este responsabil pentru controlul politicii de luare a deciziilor, precum şi pentru controlul fluxului bazate pe politica de tarifare în Policy Control Enforcement Function (PCEF) ce se află în P-GW (Packet Data Network Gateway). PCRF atribuie QoS-ul (QoS clasa de identificare şi ratele de biţi), care decide modul în care un anumit flux de date va fi tratat în PCEF şi asigură că acest lucru este în conformitate cu profilul abonamentului utilizatorului.
RS
• P-GW (sau PDN Gateway - Packet Data Network Gateway) este responsabil pentru alocarea adresei IP pentru UE, precum şi punerea în aplicare a QoS-ului în conformitate cu regulile date de PCRF (Policy Control and Charging Rules Function). Este responsabil cu filtrarea pachetelor IP de downlink ale utilizatorului în funcţie de diferitele QoS-uri ale purtătoarelor. P-GW efectuează aplicarea QoS-ului pentru a se asigura rata de bit garantată pentru fiecare purtătoare radio. De asemenea, serveşte ca punct comun pentru a asigura mobilitate pentru interconectarea cu tehnologii non-3GPP cum ar fi CDMA2000 şi reţelele WiMAX.
CU
• S-GW (Serving Gateway) - Toate pachetele IP ale tuturor utilizatorilor sunt transferate prin intermediul Serving Gateway-ului care serveşte ca punct comun pentru mobilitatea locală a purtătoarelor de date atunci când UE se mişcă între diferite eNodeB-uri. De asemenea, reţine informaţii despre purtătoare atunci când UE este în starea idle şi memorează temporar în buffer datele de downlink în timp ce MME-ul iniţiază paging-ul către UE pentru a restabili purtătoarea. În plus, S-GW efectuează unele funcţii administrative în reţeaua vizitată, cum ar fi colectarea de informaţii pentru încărcare (de exemplu, volumul de date trimise sau primite de la utilizator) şi de interceptare legală. De asemenea, serveşte ca punct comun pentru mobilitatea interconectării cu alte tehnologii 3GPP: GPRS şi UMTS. 14
CA TI
I
• MME - Mobility Management Entity este nodul de control care prelucrează semnalizarea între UE şi Core Network. MME administrează funcţiile de control ale mobilităţii (autentificarea şi securitatea) şi de interacţiune cu staţiile mobile în stare de aşteptare (actualizarea locaţiei şi pagingul), funcţii îndeplinite de VLR (Visitor Location Register), respectiv GMM (GPRS Mobility Management), în reţelele GSM / GPRS / UMTS. De asemenea, MME controlează purtătoarele alocate de nodurile din nucleul reţelei şi semnalizarea în reţea. Funcţiile principale ale MME-ului pot fi clasificate astfel: - Funcţii legate de gestionarea purtătoarei - aceasta include stabilirea, menţinerea şi eliberarea de purtătoare. - Funcţii legate de gestionare a conexiunii - aceasta include crearea conexiunii şi securitate între reţea şi UE.
CU
RS
RE
TE
LE
DE
CO
M
UN I
• HSS - Home Subscriber Server conţine datele utilizatorilor, printre care şi profilele QoS la care au acces, precum şi orice restricţii de acces la serviciile de roaming. Acesta deţine, de asemenea, informaţii despre PDN-urile la care utilizatorul se poate conecta. În plus, HSS deţine informaţii dinamice cum ar fi identitatea MME la care utilizatorul este în prezent ataşat sau înregistrat. HSS poate să integreze, de asemenea, centrul de autentificare (AUC), care generează vectorii de autentificare şi chei de securitate.
15
