2009

Doc.dr.sc. Štefica Mrvelj

FPZ

12/22/2009

POKRETNE ĆELIJSKE MREŽE 2. I 3. GENERACIJE

2

1. Osnovne značajke pokretnih ćelijskih sustava Jedan od mnogo razloga za razvoj ćelijskih mobilnih sustava i njihova implementacija su

zapravo bila ograničenja konvencionalnih mobilnih telefonskih sustava: ograničeno područje posluživanja, male performanse usluge (mali broj raspoloživih kanala u odnosu na broj korisnika), neefikasno iskorištavanje frekvencijskog spektra (maksimalni broj korisnika koji može biti poslužen na jednom kanalu za vrijeme GPS-a). Stoga zahtjevi postavljeni pred GSM (Global System for Mobile Communications) sustav mogu se iskazati kroz sljedeće:

• Povećanje kapaciteta sustava uz bolju iskoristivost raspoloživog spektra • Mogućnost korištenja GSM opreme neovisno o državnim granicama (roaming) • Povećanje kvalitete radio-veze kao i povećanje opsega ponuñenih usluga • Smanjenje cijene korisničke opreme kao i cijene infrastrukture • Smanjenje veličine korisničke opreme • Povećanje efikasnosti baterijskog punjenja mobilnih stanica • Smanjenje veličine ćelija • Kompatibilnost sa digitalnim ISDN mrežama • Povećanje "sigurnosti" razgovora (smanjenje mogućnosti prisluškivanja)

Budući da je bila poznata problematika vezana uz tržište mobilne telefonije unutar Europe, 1982. godine je CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) oformila grupu GSM (Group Special Mobile) koja je imala zadatak izraditi studiju vezanu uz razvoj budućeg europskog standarda za mobilnu telefoniju. Za razvoj novog mobilnog standarda razvijeni su kriteriji kao što su: ISDN kompatibilnost, roaming funkcionalnost, poboljšana kvaliteta govora, prihvatljiva proizvodna cijena terminala i visoki standardi sigurnosti veze. Godine 1989. daljnji razvoj jedinstvenog europskog standarda preuzima ETSI (European Telecommunication Standard

Institute). Od samoga početka razvijanja GSM standarda, postavljena je kao imperativ ISDN kompatibilnost u smislu pružanja usluga. Važno je naglasiti da je GSM u potpunosti digitalni standard.

1.1. Komponente mobilnog ćelijskog sustava

GSM mreža sastoji se od nekoliko cjelina kako to prikazuje slika 1:

• mobilna stanica, • podsustav bazne stanice i • podsustav mobilne centrale

3

MTC

BSdownlink

Smjer od mreže

prema korisniku

Mobilna centrala

(PCM) po kabelu

Povezuje BS na MTS

Bazna postaja

Radio link

Prometni (govorni) i kontrolni kanali

Duplex: -uplink

-downlinkuplink

Smjer od

korisnika

prema mreži

Slika 1. Osnovne komponente ćelijskog sustava Mobilna stanica ili mobilna telefonska jedinica sadrži upravljačku jedinicu, primopredajnik i sustav antene.

Podsustav bazne stanice omogućava vezu izmeñu podsustava mobilne centrale i mobilne stanice. Podsustav sadrži kontrolnu jedinicu, radio kabinete, antene i napajanje.

Podsustav mobilne centrale predstavlja centralni element mreže za koordinaciju svih baznih stanica. Uloga mu je procesiranje i prospajanje poziva kao i upravljanje tarifiranjem.

1.2. Koncept i temeljne prometno–tehnološke značajke

Osnovni koncept efikasnog iskorištavanja spektra kod dizajniranja mobilnih radio-sustava može biti podijeljen u nekoliko elemenata i svaki element može biti analiziran u odnosu na druge. Osnovni elementi su:

• koncept ponovne upotrebe frekvencijskih kanala • redukcijski faktor istokanalne interferencije • zahtijevani omjer signala nositelja i smetnje • mehanizmi prekapčanja/preuzimanja (handover, handoff) • dijeljenje ćelija

Budući su u sustavu ograničavajući faktor frekvencijski resursi, "izazov" je poslužiti

maksimalni broj korisnika sa specificiranom kvalitetom sustava. Stoga su osnovna pitanja koja se postavljaju pred inženjera teleprometa:

• Koliki broj korisnika može biti poslužen u GPS?

• Koliki broj korisnika može imati jedan sustav/ćelija?

• Koliko frekvencijskih kanala je potrebno?

1.2.1. Ćelijski koncept

Jedan radio-kanal se sastoji od para frekvencija jedna za svaki smjer prijenosa (full-duplex rad). Jedna frekvencija f1 koja je upotrijebljena na jednom geografskom području koje se naziva ćelija sa radijusom pokrivanja R može biti upotrijebljena u drugoj ćeliji sa istim radijusom pokrivanja na udaljenosti D.(slika 2.)

4

Slika 2. Koncept ponovne upotrebe iste frekvencije

Ponovna upotreba iste frekvencije (frequency reuse) je osnovni koncept ćelijskog mobilnog

radio-sustava, korisnici na različitim geografskim lokacijama (različite ćelije) mogu istovremeno koristiti isti frekvencijski kanal. Ponovnom upotrebom iste frekvencije može se drastično povećati efikasnost spektra, ali ako se sustav dobro ne dizajnira ozbiljne probleme može uzrokovati interferencija. Takva interferencija izazvana upotrebom iste frekvencije naziva se istokanalna interferencija.

1.2.1.1.Sheme ponovne upotrebe iste frekvencije

Koncept ponovne upotrebe iste frekvencije može biti upotrijebljen u vremenskoj i prostornoj

domeni. Upotrebe iste frekvencije u vremenskoj domeni rezultira zauzimanjem iste frekvencije u različitim vremenskim slotovima i to se naziva TDM (Time Division Multiplexing). Ponovna upotreba iste frekvencije u prostornoj domeni može biti podijeljena u dvije kategorije:

• ista frekvencija dodijeljena je na dva različita geografska područje kao što su AM i FM radiostanice koje upotrebljavaju istu frekvenciju u dva različita grada.

• ista frekvencija koristi se nekoliko puta na istom području u jednom sustavu, ta shema se zapravo koristi u ćelijskom sustavu. Postoji mnogo ćelija sa istom frekvencijom. Ukupni dodijeljeni frekvencijski spektar dijeli se u K uzoraka sa ponovnom upotrebom iste frekvencije kako to prikazuju slika 3. za K=4, 7,12 i 19.

5

Slika 3. Uzorci ponovne upotrebe iste frekvencije

1.2.1.2. Udaljenost na kojoj se ponovno može upotrijebiti ista frekvencije

Minimalna udaljenost na kojoj se ponovno smije upotrijebiti ista frekvencija ovisi o mnogo faktora kao što su:

• broj ćelija s istom frekvencijom u okolini promatrane ćelije • geografske konture terena • visina antene • snaga na kojoj bazna stanica odašilje signal

Udaljenost D može se odrediti iz:

RKD ⋅⋅= 3

6

Gdje K predstavlja uzorak ponavljanja iste frekvencije kako to pokazuje slika 3.

=

=

=

=

=

1955,7

126

76,4

446,3

KR

KR

KR

KR

D

Ako sve ćelije emitiraju signal istom snagom tada K raste i udaljenost na kojoj se ponovna

može upotrijebiti ista frekvencija raste. To povećanje D-a smanjuje mogućnost istokanalne interferencije.

Teoretski velik broj ćelija u uzorku (K) je poželjan. Meñutim ukupan broj dodijeljenih kanala za jedan sustav je konačan. Kada je K prevelik, broj kanala dodijeljenih svakoj od K ćelija postaje mali.

Zadatak koji se nameće, je dakle odrediti najmanji broj K koji će udovoljiti traženim performansama sustava. To uključuje procjenu istokanalne interferencije i odabir minimalnog D-a koji će reducirati istokanlanu interferenciju. Najmanja vrijednost od K je 3, a postiže se postavljanjem parametara i=1 i j=11 u formuli:

22 jjiiK +⋅+=

1.2.1.3. Broj korisnika u sustavu

Kada se dizajnira sustav prometni uvjeti na odreñenom području za vrijeme GPS su jedan od parametara koji pomažu pri odreñivanju veličina različitih ćelija i broja kanala u njima. Maksimalni broj poziva po satu za svaku ćeliju dobiva se pomoću veličine prometa za svaku pojedinu ćeliju što će naravno ovisiti o broju kanala instaliranih u ćeliji i očekivanom trajanju razgovora. Ukupni broj poziva u sustavu za vrijeme GPS-a ovisit će očekivanom broju poziva za vrijeme GPS-a u svakoj ćeliji tj. o očekivanom broju poziva po jednom korisniku u GPS-u.

Promet koji generira Nmob korisnika na području ćelije tijekom vremena T može se odrediti pomoću izraza:

T

t

A

m

i

N

i

S∑== 1 [Erl]

i rasporeñuje se u m–kanala raspoloživih na području ćelije.

Za potrebe odreñivanja broja kanala u ćeliji neophodno je provesti analizu veličine dolaznog i odlaznog prometa, vremenskog kolebanja prometa te uključiti razinu usluge definiranu dozvoljenim gubicima. Odnosno može se pisati da je:

m = ƒ ( Adol , Aodl , Var(A) , PB ),

pri čemu je:

A= λ ·Ts=Nmob·nc·Ts

T [Erl],

1 i i j su cijeli brojevi ( ji ≥ ) koji se nazivaju parametri pomicanja (shift parameters), pri čemu i označava broj ćelija

pomicanja duž svakog od lanaca (za primjer sa slike 3. je to šest lanaca) šesterokuta originalne ćelije, a j označava broj ćelija pomicanja duž lanca ćalija za 60° u smjeru suprotnom od smjera kazaljke na satu u odnosu na pravac početnog lanca.

7

gdje je:

λ - ukupan broj poziva koji su posluženi u ćeliji (koji odlaze, koji cijeli razgovor obave u ćeliji, oni koji dolaze u ćeliju sa započetim razgovorom) tijekom GPS (60 min) TS – prosječno trajanje razgovora/zauzimanja prometnog kanala2 Nmob – broj mobilnih korisnika u ćeliji (domaći i gostujući) nc – broj poziva po mobilnom korisniku tijekom GPS (60 min) Broj mobilnih korisnika na području neke ćelije nije konstantan i stoga je za procjenu

prometa na nekom području neophodna analiza distribucije korisnika (kao potencijalnih generatora prometa). Na slici 4. predstavljene su distribucije korisnika tijekom dana izražene brojem korisnika po kvadratnom kilometru za tri različita područja (ruralno, predgrañe i specifično područje kao što je primjerice zračna luka).

Slika 4. Distribucije korisnika za različita područja

1.2.2. Mehanizmi prekapčanja/preuzimanja između područja

Kada se mobilna stanica za vrijeme razgovora kreće i napušta područja pokrivanja bazne stanice u kojoj se nalazila, jakost signala opada. Ćelija tj. bazna stanica koju napušta zatražit će prekapčanje (handover ) na drugu ćeliju. Sustav će prospojiti poziv na novu frekvenciju u novoj ćeliji bez prekidanja poziva ili obavještavanja korisnika o tome. Korisnik ne zamjećuje prekapčanje iz ćelije u ćeliju. Koncept prekapčanja primijenjen u jednodimenzionalnom sustavu primjenjuje se i u dvodimenzionalnom (prekrivajuće ćelije i podćelije). Procesiranje prekapčanja je važan zadatak za svaki mobilni sustav. Pored pitanja kako učiniti sigurno prekapčanje, kako reducirati nepotrebna prekapčanja nameće se i pitanje kako upravljati kapacitetom u ćeliji da bi prekapčanje bilo uspješno (npr. dodjeljivanjem prioriteta handover pozivima).

Prekapčanje je potrebno u sljedećim situacijama slika 5: • kada se mobilna stanica nalazi na granici ćelije i jakost signala od mobilne stanice ka baznoj

je mala • kada mobilna stanica dolazi u područje nepokriveno dovoljno jakim signalom (signal-

strength holes)

2 Ovdje se pod prosječnim vremenom posluživanja podrazumijeva prosječno vrijeme zauzimanja resursa na području promatrane ćelije, odnosno prosječno vrijeme trajanja razgovora na području promatrane ćelije. Ono nije jednako prosječnom vremenu trajanja razgovora u mobilnoj mreži, kao što je to slučaj kod fiksne telefonske mreže.

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

bro

j ko

risn

ika

/km

2

vrijeme u danu

ruralno područje

predgrañe

specifično područje (aerodrom)

8

Slika 5. Razlozi za prekapčanje

Promjena lokacije tijekom komunikacije, odnosno preuzimanje izmeñu područja (handover,

handoff), mora se odviti tako da se održi kontinuitet komunikacije. Preuzimanje izmeñu područja tijekom komunikacije može se riješiti na dva načina:

1. čvrsto preuzimanje (hard handover) – prekida se komunikacija pristupnim kanalom u području BS iz koje MS dolazi i nastavlja drugim pristupnim kanalom u području BS-a u koju MS ulazi. Kod ovakvog prijelaza terminal održava vezu samo u jednom području. Primjer za čvrsto preuzimanje je GSM.

2. meko preuzimanje (soft handover) – terminal održava vezu u oba područja, tako da dolazi do zamjene komunikacije pristupnim kanalom u području BS iz koje MS dolazi s onim u području BS-a u koju MS ulazi. Meki prijelaz karakterističan je za mreže treće generacije (3G) i sustave sa kodnom podjelom (CDMA – Code Division

Multiple Access), kao što je UMTS. Posebno treba razmatrati takozvano prekapčanje izmeñu dvaju sustava, jer poziv može biti

započet u ćelijskom mobilnom sustavu nadziranom od jednog operatera i nastavljen u sustavu drugog operatera.

1.2.3. Dijeljenje ćelija

Razlog cijepanja/dijeljenja ćelija je poboljšanje efikasnosti iskorištenja spektra. Ponovna upotreba iste frekvencije je jedan koncept, a cijepanje ćelija je drugi. Kada veličina prometa u ćeliji dosegne vrijednost da frekvencijski kanali ne mogu osigurati zadovoljavajući broj poziva (gubici su veći od dozvoljenih), originalna ćelija može biti podijeljena u manje ćelije. Postoje dvije vrste tehnika cijepanja ćelija:

• permanentno cijepanje • dinamičko cijepanje

Jednoliki uzorci ponovne upotrebe iste frekvencije pretpostavljaju konstantnu veličinu prometa

na području koje pokriva odreñena mreža. U praksi, meñutim, to nije tako nego promet značajno varira na području pokrivanja mrežom (kao i tijekom dana). To nameće potrebu uporabe ćelija različite veličine u različitim dijelovima: male ćelije u području gdje se očekuje velik promet (urbana područja) i velike ćelije u područjima s malim prometom.

Slikom 6 prikazan je slučaj upotrebe različitih veličina ćelija na odreñenom području pokrivanja mrežom. To utječe na posebne probleme u planiranju kanala, budući udaljenost na kojoj se ponovno može upotrijebiti ista frekvencija varira za različite veličine ćelija. Da bi se izbjegla

9

interferencija, u malim i velikim ćelijama se moraju upotrebljavati različite frekvencije. To ponekad utječe na povećanje troškova, ali je neizbježno. Druga mogućnost za različito pokrivanje područja je u upotrebi prekrivajućih ćelija i podćelija, ali tu ponovno postoji problem odvojenog ćelijskog planiranja.

Slika 6. Podjela područja pokrivanja mrežom

1.3. Prikaz ćelijske mreže prema poopćenom referentnom modelu telekomunikacijske

mreže

Referentni model poopćeno naznačuje ključne mrežne elemente (podsustave) telekomunikacijske mreže neovisno o tipu mreže, prijenosnom vodu niti tehničkoj izvedbi (analogno/digitalno; SPC, PDH/SDH, ...). Referentni model javne pokretne ćelijske mreže s posebnim/specifičnim mrežnim elementima GSM mreže prikazan je slikom 7.

Slika 7. Poopćeni model pokretne ćelijske mreže Mrežni elementi kojima se ostvaruje promet:

• MS (Mobile Station) – pokretna stanica (ureñaj, terminal) • BS ili BTS (Base Transceiver Station) – bazna stanica kojom se ostvaruje radijski

pristup do MS. BTS uključuje opremu koja se odnosi na radio i transmisijska sučelja

10

potrebna u jednoj ćeliji ili na jednoj lokaciji. Svaki BTS radi najmanje sa jednim parom frekvencija (uplink-downlink).

• BSC (Base Station Controller) – upravljač bazne stanice (kontroler) za nekoliko grupiranih baznih stanica, prisutan u GSM-u, a kod ostalih ćelijskih standarda funkcije BSC-a ugrañene su u MSC. BSC se smatra centralnom točkom sustava bazne stanice (BSS-Base Station System). BSC upravlja radio mrežom i izvodi sljedeće funkcije: upravljanje pozivima i prekapčanjima, upravljanje radio mrežom, transkodiranje i prilagoñavanje brzina, koncentracija prometa, upravljanje transmisijom za bazne stanice te daljinsko upravljanje baznim stanicama.

• MSC (Mobile Switching Centre) – komutacijsko čvorište ćelijske mreže obavlja osnovne komutacijske funkcije (FSC) i specijalizirane funkcije (FMS) vezane uz pokretnu mrežu:

FMSC = FSC ∪ FMS.

MSC je odgovoran za uspostavu, usmjeravanje, upravljanje i nadzor poziva od i prema mobilnim korisnicima. Uz svaki MSC, dolaze i baze s podacima o vlastitim pretplatnicima i pretplatnicima drugih mreža:

� Domaći lokacijski registar (HLR- Home Location Register) � Gostujući lokacijski registar (VLR- Visitor Location Register,) � Centar za provjeru autentičnosti (AUC- Authentication Centre,)

• Provjera autentičnosti pretplatnika � Registar identifikacije opreme (Equipment Identification Register, EIR)

• Provjera vlasnika pokretne stanice

• GMSC – (Gateway MSC) - prilazni/povezni pokretni komutacijski centar odnosno poveznik prema drugim mrežama za koje je potrebno prevoñenje protokola (drugim pokretnim mrežama PLMN ili fiksnim PSTN/ISDN, PSPDN ...). GMSC je integriran u istim čvorovima gdje je MSC.

Ostali mrežni elementi ostvaruju sljedeće funkcije:

• registriranje i ovjeravanje podataka o mobilnim pretplatnicima � HLR (Home Location Registar)- sadrži podatke o svim pretplatnicima GSM mreže.

� HLR je centralna baza podatka koja sadrži detalje o svakom pretplatniku mobilnog telefona koji je autoriziran da može koristiti jezgrenu mrežu GSM mreže. Može postojati nekoliko logičkih i fizičkih HLR-ova po jednoj PLMN, premda jedan MSISDN/IMSI3 može biti povezan samo sa jednim logičkim HLR-om (koji može obuhvaćati nekoliko fizičkih čvorova) istovremeno.

� HLR sprema podatke o svakoj SIM kartici izdanoj od mobilnog operatera. Svaki SIM ima jedinstven identifikator koji se naziva IMSI koji predstavlja primarni ključ za svaki HLR zapis.

� Primjeri drugih podataka spremljenih u HLR-u po jednom IMS zapisu su: • Usluge koje je korisnik zahtijevao ili su mu omogućene • GPRS postavke da bi omogućile korisniku da pristupa usluzi prijenosa podataka

paketnim modom GPRS. • Trenutna lokacija korisnika (na kojemu se VLR ili SGSN trenutno nalazi) • Postavke prosljeñivanja poziva koje se primjenjuju za pojedini MSISDN

Podaci u HLR-u su pospremljeni tako dugo dok je korisnik pretplatnik odreñenog operatera.

3 Važni podaci/pojedinosti povezani sa SIM-om jesu MSISDN-ovi što predstavlja telefonske brojeve koje koriste mobilni telefoni da bi napravili poziv ili ih primili. Primarni MSISDN je broj koji se koristi kod pozivanja i primanja glasovnih poziva i SMS-a ali moguće je da SIM ima druge sekundarne MSISDN-ove koji se odnose na usluge fax-a i podatkovnih poziva. Svaki MSISDN je takoñer primarni ključ za HLR zapis.

� VLR (Visitor Location Registar

pretplatnicima drugih mreža� VLR je privremena

spremaju informacije o svim mobilnim stanicama koje su trenutno pod nadležnošću odreñene centrale mobilne mreže (MSComogućava uslugu. jedan pretplatnik ne može biti prisutan u više od jednog VLR

� Od svih informacija koje sprema o svakoj mobilnoj stanici najvažnije su• identifikacija područja položaja mobilne stanice (LAI

odnopodatak je važan kod procesa uspostave poziva.

• IMSI (pretplatnički identifikacijski broj)• Podatke za autentifikaciju• MSISDN (korisnikov broj telefona).• Usluge kojima korisnik ima p• HLR adresa pretplatnika

� Osnovne funkcije VLR

• funkcije transmisije/transporta• funkcije signalizacije u mreži• funkcije vezane za upravljanje mrežom

� klasične funkcije nadzora i održavanja � upravljanje uslugama (� podršku korisniku (

• funkcije vezane uz dodatnu mrežnu inteligenciju Ćelijska mreža ima već u osnovnom rješenju

• ostvarivanje radio–pristupa (praćenje terminala, pronalaženje ...)• redovito tarifiranje • zaštitu (provjera) vjerodostojnosti pretplatnika:

• Ki

• IMSI

time je olakšano uvoñenje niza � osobni broj (� ćelijske VPN (� prepaid calls

� posebno tarifiranje i dr.

4 U praksi većina proizvoñača opreme integrira VLR direktno u Včvrsto povezan s MSC-om preko odgovarajućih sučelja.

Informiranje HLR-a da je korisnik napustio njegovo

područje.

Praćenje korisnikove lokacije unutar svog

područja, kada nije u tijeku razgovor.

Visitor Location Registar)- sadrži podatke o vlastitim pretplatnicima i pretplatnicima drugih mreža.

privremena baza podataka. Predstavlja dio mobilnog sustava GSMspremaju informacije o svim mobilnim stanicama koje su trenutno pod nadležnošću odreñene centrale mobilne mreže (MSC-Mobile Switching Centre) koja ih poslužuje odnosno omogućava uslugu. Svaki BS u mreži je posluživan od točno jednojedan pretplatnik ne može biti prisutan u više od jednog VLR-a istovremenoOd svih informacija koje sprema o svakoj mobilnoj stanici najvažnije su

identifikacija područja položaja mobilne stanice (LAIodnosno pod kojim upravljačem/kontrolerom bazne stanice se trenutno nalazi. Taj podatak je važan kod procesa uspostave poziva. IMSI (pretplatnički identifikacijski broj) Podatke za autentifikaciju MSISDN (korisnikov broj telefona). Usluge kojima korisnik ima pristup HLR adresa pretplatnika

Osnovne funkcije VLR-a prikazane su slikom 8.

Slika 8. Primarne funkcije VLR-a

transmisije/transporta u jezgri mreže (core network) u mreži

upravljanje mrežom (Network Management), što uključuje:e nadzora i održavanja mreže (O & M)

upravljanje uslugama (service management) korisniku (customer care)

dodatnu mrežnu inteligenciju (additional network

Ćelijska mreža ima već u osnovnom rješenju ugrañenu inteligenciju nužnu za:pristupa (praćenje terminala, pronalaženje ...)

vjerodostojnosti pretplatnika: (authentication key)

IMSI (International Mobile Subscriber Identity

time je olakšano uvoñenje niza IN usluga: osobni broj (personal number) za više mreža ćelijske VPN (virtual private network) prepaid calls posebno tarifiranje i dr.

U praksi većina proizvoñača opreme integrira VLR direktno u V-MSC, a tamo gdje to nije učinjeno VLR je vrlo om preko odgovarajućih sučelja.

PRIMARNE FUNKCIJE

VLR-a

Dopuštanje ili nedopuštanje usluga koje korisnik može

koristiti

Pridjeliti roamingbrojeve za vrijeme procesa dolazaka

poziva

Brisanje zapisa o korisniku, ako korisnik postaje neaktivan za vrijeme

boravka u području nekog VLR-a. VLR o tome informira

HLR.

11

sadrži podatke o vlastitim pretplatnicima i

sustava GSM-a4 u kome se spremaju informacije o svim mobilnim stanicama koje su trenutno pod nadležnošću

) koja ih poslužuje odnosno BS u mreži je posluživan od točno jednog VLR-a, što znači da

a istovremeno. Od svih informacija koje sprema o svakoj mobilnoj stanici najvažnije su:

identifikacija područja položaja mobilne stanice (LAI-Location Area Identity), kontrolerom bazne stanice se trenutno nalazi. Taj

, što uključuje:

additional network intelligence)

nužnu za:

nal Mobile Subscriber Identity)

a tamo gdje to nije učinjeno VLR je vrlo

Brisanje zapisa o korisniku,

neaktivan za vrijeme boravka u području nekog

a. VLR o tome informira

Brisanje zapisa o korisniku kada se korisnik eksplicitno makne prema drugom VLR-

u. To čini kad dobije naredbu od HLR-a

12

1.4. Razvoj pokretnih ćelijskih sustava

Razvoj ćelijskih sustava obično se razmatra kroz 3 generacije (2. generacija ima podfaze 2+ i 2,5) kako je prikazano slikom 9. Kroz iste faze može se promatrati evolucija tehnologija za prijenos podataka u mobilnim mrežama (slika 10.).

Slika 9. Evolucija mobilnih sustava

Slika 10. Evolucija tehnologija za prijenos podataka u mobilnim mrežama Značajke pokretnih sustava prve generacije (tablica 1)

• analogni sustavi; • jednostavna ćelijska struktura- ćelije 2 – 20 (50) km • pokrivanje signalom relativno dobro (zbog manjih frekvencija); • mala mogućnost kretanja (roaming); • nekompatibilnost različitih sustava; • mali kapacitet • namjena: mobilna telefonija i prijenos podataka manjih brzina (glas i podaci se

frekvencijski modulirani na nosećoj frekvenciji)

13

• dominantni standardi: o NMT (Nordic Mobile Telephone) – nordijski sustav (Europa, Sjeverna Afrika) o AMPS (American Mobile Phone System) – američki, najrasprostranjeniji analogni

standard o TACS (Total Access Communication System) – modificirani AMPS (GB, Japan

...)

Tablica 1. Karakteristike/specifikacije standarda ćelijskih sustava 1. generacije NMT 450 NMT–099 AMPS TACS Frekvencijsko područje [MHz] uplink (od mobilne/pokretne stanice) Downlink (prema mobilnoj/pokretnoj stanici)

453-457,5 463-467,5

411,675–415,850 421,675–425,850

825–845 870–890

890–915 935–960

broj radijskih kanala 180/359 168/335 832 1000 širina radijskog kanala (kHz)

25/12,5 23/12,5 30 25

Dupleksni razmak (MHz)

10 10 45 45

Način pristupa FDMA FDMA FDMA FDMA Domet pokrivanja BS (promjer) – [km]

1–50 1-50 2–20 2–20

Predajna snaga Pokretnog ureñaja [W]

0,15/1,5/15 0,15/1,5/15 0,6/1,2/3 1,2/3

Realizacija kanala u FDMA (Frequency–Division Multiple Access) prikazan je slikom 11.

Slika 11. Višestruki pristup s frekvencijskom podjelom kanala (FDMA)

14

2. Pokretni ćelijski sustavi druge generacije

Čimbenici koji su potakli razvoj sustava druge generacije mogu se iskazati kroz:

• potreba za većim prometnim kapacitetom, posebice u gusto naseljenim područjima • mogućnost neograničenog kretanja na meñunarodnoj razini (roaming) • zahtjevi za proširenjem asortimana usluga

Najvažniji sustavi → standardi druge generacije su:

• GSM (Group Special Mobile → Global System for Mobile Communication) • D–AMPS (Digital AMPS, prije ADC – American Digital Cellular, odnosno standard

IS–54) • PDC (Personal Digital Cellular)

Osnovne karakteristike/specifikacije standarda 2. generacije prikazane su tablicom 2.

Tablica 2. Karakteristike/specifikacije standarda ćelijskih sustava 2. generacije. GSM 900 D-AMPS PDC frekvencijsko područje [MHz]: > uplink > downlink

890-915 935-960

24–849 869–894

940-956 ; 1429-1441 ; 1453-1465 810-826 ; 1477-1489 ; 1501-1513

širina kanala (kHz) (cahennel separation)

200 30 25

Multipleksiranje (broj govornih kanala po frekvencijskom kanalu)

TDMA 8 (16)

TDMA 3 (6)

TDMA 3 (6)

Noseća usluga (bita po frekvencijskom kanalu)

270 kb/s 46,6 kb/s 42 kb/s

Primjenom TDMA (Time–Division multiple access) multipleksiranja više prometnih kanala (→logičkih kanala) ostvaruje se jednim frekvencijskim kanalom. Principi TDMA naznačeni su na slici 12. (za TDMA s 8 govornih kanala preko jednog frekvencijskog kanala odreñene pojasne širine). Vremenski odsječak (time slot) koji nosi govorni kanal i "zaštitu" ima dužinu 0,577 ms

Slika 12. Višestruki pristup s vremenskom podjelom kanala (TDMA)

LC1 LC1 LC1

jedan prometni kanal

CX

C0

→ osam prometnih (logičkih) kanala preko jednog frekv. kanala

����frekvencijski kanal za kontrolne kanale

t

15

Izvorno time slot se koristio za jedan kanal (razgovor) kao "fullrate"– puna brzina (za kodirani govor) od 13 kb/s, nova generacija kodera radi polovičnom brzinom 6,5 kb/s i time udvostručuje broj mogućih prometnih kanala Gotovo istodobno s uvoñenjem GSM sustava 2. generacije razvija se i specifikacija faze "2+" kojom su obuhvaćeni:

• nova frekvencijska područja (1800 i 1900 MHz) • proširenje IN funkcija • integracija GSM i satelita za globalno pozicioniranje (GPS) • pristupi drugim standardima (→DECT standard) • novi standardi prijenosa podataka

o GPRS (General Packet Radio Service) o IDA (Internet Direct Access)

Sustavi "2,5 generacije" vezani su u koncept PCS (Personal Communication

Pervices) (→definirani u USA) kojim se: • proširuje spektar radijskih komunikacijskih usluga • ukidaju ograničenja žične PSTN mreže • omogućuje dostup do korisnika putem jedinstvenog broja (na bilo kojem mjestu) • koncept nije ograničen na mobilnu telefoniju nego obuhvaća:

o usluge prijenosa podataka o pohranjivanje i upravljanje porukama (messaging) o telefonske usluge o niz VAS aplikacija

PCS ne specificira poseban standard ili pristup nego uključuje različite mrežne tehnologije i tehnike pristupa (TDMA, CDMA – Code Division Multiple Access) bežične (wireless) sustave prema DECT standardu i dr.

2.1. Osnovne značajke GPRS-a

Slika 13. Evolucija prijenosa podataka u mobilnim mrežama

GPRS zapravo predstavlja meñukorak izmeñu druge (2G) i treće generacije (3G) mobilnih mreža - 2.5G (slika 13) Nazivi i značajke pojedine tehnologije su:

1 fizički kanal, 9.6 kbit/s

4 fizička kanala, 38.4 kbit/s

Komutacija paketa, 171.2 kbit/s

Komutacija paketa, 384 kbit/s

WCDMA, do 2 Mbit/s

16

HSCSD- High Speed Circuit Switched Data

Brzina prijenosa 57, 6 kbit/ s pri korištenju 4 vremenska odsječka (komutacija kanala) GPRS- General Packet Radio Service

Brzina prijenosa do171,2 kbit/ s pri korištenju 8 vremenskih odsječaka (komutacija paketa) EDGE- Enhanced Dana Rates for Global Evolution

Brzina prijenosa do 384 kbit/s pri korištenju 8 vremenskih odsječaka postiže se primjenom djelotvornije komutacijske modulacijske tehnike (komutacija paketa) UMTS- Universal Mobile Telecommunications System

Brzine prijenosa podataka od 144 kbit/s u svim uvjetima

Brzine prijenosa podataka 384 kbit/s u otvorenom prostoru

Brzine prijenosa podataka do 2 Mbit/s u zatvorenom prostoru

Prijenos podataka se odlikuje usnopljenošću (burstiness), a u tom slučaju komutacija paketa je optimalno rješenje budući da omogućava korištenje mrežnih resursa samo onda kada korisnik zaista treba slati ili primati podatke. S aspekta korisnika osnovne značajke GPRS-a su:

• Veća brzina: do 171.2 kbit/s • Neposrednost: direktan pristup podatkovni mrežama

• GPRS aplikacije S aspekta operatera osnovne značajke GPRS-a su:

• Komutacija paketa • Učinkovitost: efikasno korištenje radio resursa • Mobilni Internet • Kompatibilnost s TDMA i GSM: jedinstven put prema 3G mobilnim ureñajima

Pored prednosti koje GPRS ima u odnosu na prethodne tehnologije prijenosa podataka, mogu se uočiti i odreñeni nedostaci:

• Ograničen kapacitet ćelije • Niže stvarne brzine: oko 55 kbit/s • Neoptimalna modulacija: GMSK • Prijenosna kašnjenja

17

2.2. Arhitektura GPRS-a

Slikom 14. prikazana je arhitektura GSM/GPRS mreže gdje se mogu uočiti novi elementi mreže koji omogućuju prijenos podataka paketnim modom prijenosa (PCU,SGN,GGSN).

Slika 14 . Arhitektura GSM/GPRS mreže

2.3. Radijski kanali za prijenos podataka paketnim modom Logički kanali za prijenos podataka paketnim modom prikazani su slikom 15. PDCH (Packet Data Channel)= GPRS kanali za paketni prijenos podataka

Slika 15. Vrste logičkih kanala kod GPRS-a

2.3.1. Dodjeljivanje GPRS kanala Dodjeljivanje GPRS kanala u ćeliji može biti:

• Fiksno dodjeljivanje (Dedicated PDCH) Da bi se osigurao odreñeni broj PDCH kanala koristi se statički način dodjele u kojemu se u

pojedinoj ćeliji osigurava odreñeni broj kanala namijenjenih samo za GPRS bez obzira na veličinu govornog prometa.

18

• Dodjeljivanje na zahtjev (On-demand PDCH) Unutar GSM mreže koja podržava GPRS, govorna usluga ima prioritet, a to znači da svi

slobodni kanali koji se u odreñenom trenutku ne koriste za prijenos govora mogu biti PDCH kanali, a u slučaju potrebe za još većim brojem kanala za prijenos govora prekida se veza uspostavljena preko PDCH na zahtjev.

Dinamički način dodjeljivanja kanala ima svoje prednosti s obzirom da ostaje veći broj raspoloživih kanala za prijenos podataka (u slučaju manjeg opsega govornog prometa), ali i svoje nedostatke jer u tom slučaju se kod velikog govornog prometa smanjuje raspoloživi broj kanala za prijenos podataka a time i kvaliteta podatkovnog prometa. • Kombinirano dodjeljivanje

U praksi operatori kombiniraju dva postojeća načina dodjeljivanja PDCH, što znači da se odreñeni broj kanala u ćeliji fiksno dodijeli za podatkovni promet, a ostali kanali se dodjeljuju na zahtjev s tim da govor ima prednost pred podacima.

2.3.2. Brzina prijenosa podataka

Brzina prijenosa podataka po korisniku u ćeliji ovisi o kodnoj shemi (slika 16. i tablica 3.) i

broju kanala u ćeliji dodijeljenih za prijenos podataka, ali isto tako ovisi i o klasi telefona (Multislot class – korištenje više vremenskih odsječaka istovremeno) (tablica 4.)

Slika 16. Sheme kodiranja kanala

Tablica 3. Brzine prijenosa podataka za odreñenu kodnu shemu

Kodna shema Brzina po jednom vremenskom odsječku

Brzina osam vremenskih odsječaka

CS-1 9.05 kbit/s 72.4 kbit/s CS-2 13.4 kbit/s 107.2 kbit/s CS-3 15.6 kbit/s 124.8 kbit/s CS-4 21.4 kbit/s 171.2 kbit/s

19

Tablica 4. Klase mobilnog ureñaja obzirom na broj slotova 2.4. Analiza kapaciteta za radio sučelje kod GPRS-a

2.4.1. Opis modela Posluživanje u ćeliji GSM/GPRS mreže može se opisati kombiniranim sustavom

posluživanja – Sustav posluživanja sa čekanjem i s gubicima, budući je način dodjeljivanja kanala u ćeliji kombinirani, prikazano slikom 17. Svojstva takvog sustava mogu se opisati sljedećim parametrima:

o Intenzitet dolazaka λGSM i λGPRS , λh,GSM i λh,GPRS o Vrijeme boravka 1/µh,GSM i 1/µh,GPRS o Trajanje poziva 1/µGSM i 1/µGPRS

Gdje oznake imaju poznato značenje.

Slika 17. Model sustava posluživanja za GSM/GPRS

Klasa telefona

Broj odsječaka za downlink

Broj odsječaka za uplink

Maksimalno aktivnih odsječaka

1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 5 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5

20

2.4.2. Stanja modela

Dogañaji koji prevode ovaj sustav iz jednog stanja u drugo su:

• Dolazak GSM poziva ili prekapčanje u ćeliju • Dolazak GPRS sesije ili prekapčanje u ćeliju • Odlazak GSM poziva ili prekapčanje iz ćelije • Odlazak GPRS sesije ili prekapčanje iz ćelije • Dolasci paketa • Posluživanje paketa • Promjena stanja u više praskovit ili manje praskovit dolazak podatkovnih paketa To bi značilo da broj stanja za ćeliju sa 20 kanala iznosi 466 620 moguća stanja.

Pojednostavljenjem opisa ponašanja sustava, stanje sustava može se opisati ureñenom četvorkom kako slijedi:

S= (NGSM, NGPRS, non-bursty, K - buffer) Pri čemu:

NGSM označava broj GSM korisnika u ćeliji (govorna usluga), NGPRS označava broj GPRS sesija u ćeliji, non-bursty označava broj sesija u neusnopljnom načinu generiranja paketa i K označava broj paketa koji čeka na posluživanje u memoriji

Slika 18. prikazuje neka od stanja u koja sustav može ući.

0,0,0,0

5,2,0,0

5,2,1,05,2,2,0

NGPRS

NGSM

K

5

2

35,2,2,1

5,2,1,1 5,2,0,1

5,3,3,05,3,2,0

5,3,1,0 5,3,0,0

Slika 18. Dijagram stanja sustava

21

2.4.3. Mjere performansi sustava

CVT – Ostvaren govorni promet

Pri čemu je :

n- broj GSM korisnika u sustavu nGSM,π - vjerojatnost da je u sustavu n GSM korisnika

ρ- Prometno opterećenje sustava GSM pozivima

AGS – Prosječan broj GPRS sesija Pri čemu je :

m- broj GPRS korisnika u sustavu mGPRS,π - vjerojatnost da je u sustavu m GPRS korisnika

ρ- Prometno opterećenje sustava GPRS sesijama

Ostale mjere performansi sustava su: CDT – Ostvaren podatkovni promet PLP – Vjerojatnost odbijanja paketa PST – Vrijeme boravka paketa

ATU – Prosječna propusnost po korisniku

∑=

⋅=GSMN

1nnGSM,πnCVT

( )( )GSM

N , 2, 1, n zan!

ρππ

n!

ρπ

GSM

n

GSM,0nGSM,

N

0n

GSMn 1

GSM,0GSM

…=⋅=

∑==

−

∑=

⋅=M

1mmGPRS,πmAGS

( )( )m!

ρππ

M,...,2,1m zam!

ρπ

GPRSm

GPRS,0mGPRS,

M

0m

GPRSm 1

GPRS,0

⋅=

=∑==

−

22

2.4.4. Analiza performansi sustava

Osnovne pretpostavke za promatranu ćeliju su:

• Broj kanala ćeliji, N = 20 • Max broj GPRS korisnika, M = 20 • Veličina BSC buffera, K = 100 paketa • Brzina prijenosa po jednom PDCH (CS-2), • µposluživanja paketa = 13.4 kbit/s • Prosječan intenzitet dolazaka podataka, • λavg = 6 kbit/s po sesiji.

2.4.4.1.CDT grafikon

Iz grafova (slika 19) koji prikazuju ovisnost ostvarenog podatkovnog prometa o ukupnom intenzitetu dolazaka za različite postotke učestalosti podatkovnih zahtjeva u ukupnom broju zahtjeva vidljivo je da:

• za mali intenzitet prometa, ostvareni podatkovni promet je neovisan o broju rezerviranih PDCH.

• povećanjem intenziteta ovisnost je sve veća. Slika 19. Ostvareni podatkovni promet

23

2.4.4.2.ATU grafikon

Iz grafova (slika 20) koji prikazuju ovisnost prosječne propusnosti po korisniku o ukupnom intenzitetu zahtjeva za različite postotke učestalosti podatkovnih zahtjeva u ukupnom broju zahtjeva vidljivo je da: • za mali promet, propusnost je 6 kbit/s. • povećanjem prometa, propusnost se

smanjuje. • za 0 rezerviranih PDCH, ATU teži ka 0.

Slika 20. Prosječna propusnost po korisniku

24

2.4.4.3.PST grafikon

Iz grafova (slika 21.) koji prikazuju ovisnost vremena boravka paketa (kašnjenje paketa na promatranom izoliranom dijelu mreže) o ukupnom intenzitetu zahtjeva za različite postotke učestalosti podatkovnih zahtjeva u ukupnom broju zahtjeva vidljivo je da:

• ako nema rezerviranih PDCH, PST se povećava (gotovo) linearno.

• Za 4 PDCH, PST se povećava

polagano.

Slika 21. Vrijeme boravka paketa

25

2.4.4.4.PLP grafikon

Iz grafova (slika 22) koji prikazuju ovisnost vjerojatnosti odbijanja paketa o ukupnom intenzitetu zahtjeva za različite postotke učestalosti podatkovnih zahtjeva u ukupnom broju zahtjeva vidljivo je da: • Za mali promet, svi su paketi

posluženi.

• Kako promet raste, ovisnost o rezerviranim PDCH sve manja.

Slika 22. Vjerojatnost odbijanja paketa

26

2.4.4.5. AGS grafikon

Grafovi (slika 23) prikazuju ovisnost

prosječnog broja GPRS sesija u ćeliji i vjerojatnost blokiranja GPRS sesija o ukupnom intenzitetu zahtjeva za različite postotke učestalosti podatkovnih zahtjeva u ukupnom broju zahtjeva.

Slika 23. Prosječan broj aktivnih GPRS sesija i vjerojatnost blokiranja sesija

2.4.4.6. ATU grafikon Utjecaj maksimalnog dozvoljenog broja GPRS korisnika u ćeliji na performanse GPRS-a. (prosječna propusnost po korisniku i vjerojatnost blokiranja GPRS sesije) u ovisnosti o intenzitetu dolazaka zahtjeva (GSM+GPRS) u promatranu ćeliju prikazani su slikom 24. Iz grafova se može zaključiti da je nužno ograničiti ulazni tok tj. broj GPRS korisnika zbog osiguravanja kvalitete usluge – QoS.

Slika 24. Prosječna propusnost po korisniku i vjerojatnost blokiranja GPRS sesije

27

2.4.4.7. CVT grafikon Grafovima na slici 25. prikazano je:

• da pri malom prometnom opterećenju sustava ostvareni govorni promet ne ovisi o broju fiksno dodijeljenih kanala za podatkovni promet

• da povećanjem prometnog opterećenja sustava ostvareni govorni promet ovisi o broju kanala dodijeljenih za podatkovni promet,

• da smanjenje broja kanala za GSM utječe na povećanje vjerojatnosti blokiranja GSM poziva, ali za veće prometno opterećenje razlika u vjerojatnosti blokiranja za različit broj kanala fiksno dodijeljenih govornom prometu je zanemariva.

Slika 25. Ostvareni govorni promet i vjerojatnost blokiranja GMS poziva

28

3. TREĆA GENERACIJA MOBILNIH ĆELIJSKIH SUSTAVA Temeljna ideja je integrirati žične i bežične (ćelijske, wireless, paging,...) sustave, uključujući satelitske mreže, u univerzalni multimedijski širokopojasni pokretni sustav. ITU-T je definirao standard IMT-2000 (International Mobile Communication) koji definira rad budućih pokretnih sustava s multimedijskim uslugama u frekvencijskom području 2000 MHz. ETSI (Europski Institut za Telekomunikacijske Standarde) definirao je standard za paneuropski sustav treće generacije nazvan UMTS (Universal Mobile Telecommunication

System). Osnovan je UMTS Forum. Koncept UMTS-a tretira se više kao ekstenzija GSM-a nego kao njegova zamjena. Ključno novo svojstvo (funkcija) je "air interface" za simetrični i asimetrični paketni promet sa širom (i fleksibilnom) pojasnom širinom.

UMTS omogućuje konvergenciju tri dosad odvojena područja usluga (slika 26): • Audio/video/data područje (radio i TV sadržaja na zahtjev) • Konvencionalno telekomunikacijsko područje (govor, ISDN usluge) • Računalno područje usluga (igre, MultiMedia, Internet sadržaji)

Specifikacija zahtjeva postavljenih pred UMTS može se sagledati kroz nekoliko točaka:

• pristup mreži ostvariv u cijelom svijetu, bez ikakvih ograničenja • omogućava prijenos govora, podataka videa i multimedije (višeuslužna mreža) • mora osiguravati visoku kvalitetu usluge (QoS) • fleksibilno definiranje usluga (VHE-Virtual Home Environment) • prilagodljiv za podršku multimedijalnim uslugama • dinamičko dodjeljivanje resursa • fleksibilna brzina prijenosa podataka do 2Mbit/s • podržava i komutaciju kanala i komutaciju paketa (IP u pristupnoj mreži) • podržava terminale koji rade s više modova i na više frekvencija (GSM/UMTS) • efikasan sustav koji nije skup

Slika 26. Usluge u UMTS-u

29

3.1. Evolucija UMTS sustava mobilnih komunikacija

Scenarij razvoja UMTS sustava • 3G Release 99 – kompatibilan unatrag s GSM Release 99 specifikacijom • 3G Release 4 – odvajanje transportne mreže od korisničke ravnine • 3G Release 5 – “All IP” zasnovana mreža • 3G Release 6 – plan daljnjeg razvoja sustava • 3G Release 7

• • •

• 3G Release 10

Svako izdanje (Release) objedinjuje stotine individualnih standarda, od kojih je svaki mogao proći kroz mnogo revizija.

3.2. Novi koncept pružanja usluga u UMTS sustavu

Usluge su opisane kao skup kombinacija atributa unutar prometnih klasa (Traffic Class). Pripadnost usluge/korisnika odreñenoj prometnoj klasi označava maksimalnu dozvoljenu alokaciju resursa PLMN-a pojedinom korisniku prema unaprijed utvrñenom prometnom ugovoru (subscription). Prema 3GPP razlikuju se četiri vrste prometnih klasa:

1. konverzacijska 2. pozadinska (background) 3. interaktivna 4. streaming (prijenos podataka strujanjem)

Svaka od ovih prometnih klasa ima specifične zahtjeve za resursima s obzirom na: • kašnjenje, • maksimalnu i garantiranu brzinu prijenosa, • dozvoljeni broj grešaka pri prijenosu – BER, itd.

Prilikom uspostave poziva izmeñu korisnika s jedne strane, te mreže s druge strane pregovara se o pridjeljivanju resursa pristupne mreže korisniku. Mreža će dozvoliti korisniku korištenje samo onog dijela resursa s obzirom na QoS atribute prometne klase koji su pozitivno identificiranom korisniku (prema U-SIM kartici) dodijeljeni u HLR-u (Home Location Register – baza podataka o korisnicima) prilikom ugovaranja korisničkog (pretplatničkog ili prepaid) odnosa. Podaci o korisničkom odnosu zapisani su na U-SIM kartici koju je korisnik kupio prilikom sklapanja ugovora s davateljem UMTS usluga, te u HLR-u davatelja UMTS usluga. Budući da postoje različiti zahtjevi za kapacitetom resursa u odnosu na vrstu usluge, razvijeni su principi posluživanja koji osiguravaju kvalitetu usluge kao što je dinamičko dodjeljivanje resursa, koje se bazira na davanju prioriteta odreñenim uslugama koje imaju veće kriterije.

Long Term Evolution ("LTE")

30

3.3. Radio pristupne mreže

Radijska pristupna mreža (RAN- Radio Access Network) kod UMTS-a konceptualno je podijeljena na 4 zone:

1. Zona 1 – Unutarnji prostori – pokrivenost Piko ćelijama 2. Zona 2 – Urbana područja – pokrivenost Mikro ćelijama 3. Zona 3 – Ruralna i prigradska područja – pokrivenost Makro ćelijama 4. Zona 4 – Globalno područje – Mobile Satellite Systems pokrivenost.

Brzine prijenosa signala obrnuto su proporcionalne povećanju mobilnosti, tj. brzini kretanja korisnika unutar područja pokrivenosti (slika 27).

Slika 27. Četiri zone pristupe mreže kod UMTS-a

3.4. Komparativna analiza brzina prijenosa podataka

U indoor područjima, UMTS korištenjem TDD (Time Division Duplex) pristupa omogućuje brzine do 2Mb/s, te može preuzeti funkcije 2G DECT, WLL, te W-PBX sustava koji postižu znatno manje brzine prijenosa. U outdoor područjima korištenjem FDD (Frequency Division Duplex) pristupa može postići brzine do 480 kb/s, te preuzeti funkcije 2G GSM, IS-95 i DCS sustava koji dostižu najviše 180 kb/s (GPRS). Za aplikacije s izuzetno velikim zahtjevima za brzinom WLAN tehnologija predstavlja zasad optimalno rješenje. Integracija ove tehnologije s UMTS sustavima predstavlja tzv. 4G. (slika 28).

Slika 28. Pozicija UMTS-a u odnosu na druge telekomunikacijske sustave

31

3.5. Tehnike odašiljanja, multipleksiranja i pristupa kod UMTS-a

3.5.1. Tehnike odašiljanja-FDD i TDD Uplink i Downlink koordinacija kanala odašiljanja izmeñu korisničkog ureñaja i bazne stanica regulirana je FDD i TDD tehnikama odašiljanja signala kako je prikazano na slici 29.

Slika 29. FDD i TDD

3.5.2. Tehnike multipleksiranja - TDMA, FDMA i CDMA

U kombinaciji s FDD, te TDD tehnikama odašiljanja signala koriste se 3 tehnike multipleksiranja da odvoje frekvencije odašiljanja više korisničkih ureñaja unutar ograničenih resursa ćelije (slika 30.). UMTS koristi CDMA (Code Division Multiple Access) tehniku (slika 30).

Slika 30. FDMA, TDMA i CDMA načini pristupa

32

3.5.3. Tehnika višestrukog pristupa W-CDMA CDMA je Spread Spectrum tehnologija, pri čemu se svakom korisniku dodjeljuje jedinstveni kod unutar ćelije utiskivanjem u korisničku informaciju koja se odašilje – Spreading

Code.

Ovako kodirana informacija se širi (spreads) preko cijelog frekvencijskog pojasa (bandwidth) i šalje zajedno s širokopojasnim signalima ostalih korisnika. Prijemnik prima zbir svih ovih signala, te prema poznatom pridijeljenom kodu regenerira originalnu informaciju (de-spreading) (slike31.i 32.)

Slika 31. CDMA tehnika višestrukog pristupa

Slika 32. Princip načina pristupa s kodnom podjelom Proces proširivanja spektra (slika 33.) može se iskazati kroz sljedeće:

• binarna korisnička informacija (Bit) povezuje se u odašiljaču s kodnim nizom generiranim u Generatoru Koda (Spreading proces), modulira se na širokopojasni nosioc, te takva šalje zrakom;

• najmanja jedinica informacije unutar koda naziva se Chip; • što je veći intenzitet generiranja Chip-ova (Chip rate), širi je bandwidth emitiranog signala; • na prijemnom kraju radi se de-spreading, tj. izdvajanje signala korisničke informacije iz

zbira signala prema dodijeljenom kodu; • djelovanje s obje strane mora biti sinkronizirano u vremenu, gubitak jednog chipa znači

gubitak cijele korisne informacije.

Slika 33.

3.5.4. Alokacija frekvencija Kod CDMA ista frekvencijski nositelj može biti upotrijebljen u svim ćelijama. To

omogućava dizajnerima mreže da ne 34).

Raspored frekvencijskih nositelja u slučaju ponavljanja s 3

ćelije. (Potrebno je voditi brigu o rasporedu

Frekvencija)

Slika 34. Komparativni prikaz alokacija frekvencija za različite tehnike pristupa

33. Proces kodiranja korisničke informacije

Alokacija frekvencija kod CDMA

sta frekvencijski nositelj može biti upotrijebljen u svim ćelijama. To omogućava dizajnerima mreže da ne trebaju voditi brigu o rasporeñivanju frekvencija u ćelije (slika

slučaju ponavljanja s 3

Potrebno je voditi brigu o rasporedu

Ista frekvencija na cijelom području

Komparativni prikaz alokacija frekvencija za različite tehnike pristupa

33

sta frekvencijski nositelj može biti upotrijebljen u svim ćelijama. To trebaju voditi brigu o rasporeñivanju frekvencija u ćelije (slika

Komparativni prikaz alokacija frekvencija za različite tehnike pristupa

34

3.6. Arhitektura UTRAN-a

UMTS mreža (slika 36.) podijeljena je na podsustave:

� Core Network – jezgrena mreža sadrži UMSC/VLR, HLR, SGSN, GGSN � UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) UMTS zemaljska radio pristupna mreža

(sadrži RNC, Node B) (slika 35.) � UE (User Equipment) korisnička oprema (3G telefoni i pripadajuća terminalna oprema,

PDA, laptop) � Mrežni entiteti meñusobno su povezani preko sučelja (interface)

Slika 35. UTRAN arhitektura

Slika 36.UMTS mrežna arhitektura

3.7. Principi HSDPA

Velika brzina prijenosa podataka paketnim modom u pristupnoj mreži na silaznoj vezi prema korisniku, HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), dio je HSPA (High Speed Packet

Access) standarda koji je definirao 3GPP (3rd Generation Partnership Project) u dokumentu naziva Release 5. HSDPA predstavlja tehnološku nadogradnju WCDMA (Wideband Code Division

Multiple Access) mreže treće generacije. HSDPA omogućuje potrebnu brzinu prijenosa podataka koju zahtijevaju nove usluge. Teoretska brzina kod HSDPA iznosi 14,4 Mb/s, dok se u eksploataciji brzine kreću od 1 – 10 Mb/s.

BS

UTRA

NSS /

AT

AT

AT

FD

MSC GMSC VLR

HLR AuC EIR

U

U

Iu

Iu

AbiTRAU

A

2G/GSM

GGSN IP

Backbon

F G

Iu-cs

Iu-ps

circuit switched

service domain

packet switched

Node

BS

RN

BT

35

Ta brzina ovisi prvenstveno o kategoriji korisničkog terminala, odnosno o modulacijskoj shemi koju podržava mobilna stanica, minimalnom trajanju intervala transmisije (Transmission Time

Interval – TTI), broju bitova na transportnom kanalu koji se može prenijeti u jednom TTI intervalu, te ostalim faktorima koji će biti objašnjeni u daljnjem izlaganju. Bitno je naglasiti da HSDPA omogućuje povećanje brzine samo u silaznoj vezi prema korisniku, dok HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), takoñer dio HSPA standarda, povećava brzinu prijenosa podataka u uzlaznoj vezi.

3.7.1. Tehnološke promjene kod HSDPA

Kako bi se postiglo spomenuto povećanje brzine prijenosa podataka HSDPA tehnologijom, bilo je potrebno uvesti neke tehnološke promjene na postojećoj mreži treće generacije (WCDMA). Spomenute promjene na postojećoj mreži su minimalne što osigurava brzu implementaciju HSDPA tehnologije. Tehnološke promjene su:

• Zajednički transportni kanal u silaznoj vezi i kodirana transmisija (Shared channel and

multi-code transmission), • Modulacijske tehnike višeg reda (Higher order modulation), • Kratak vremenski interval transmisije (Short Transmission Time Interval), • Brza adaptacija kanala (Fast link adaptation), • Brza i pravedna dodjela pristupa korisnicima (Fast and fair scheduling), • Hibridni automatski zahtjev za ponovnom transmisijom (Hybrid Automatic Repeat

Request – HARQ). • 3.7.2. Brza i pravedna dodjela pristupa korisnicima Brza i pravedna dodjela pristupa označava svojstvo sustava da odreñuje u kojem će trenutku,

te kojem korisniku dodijeliti veću brzinu prijenosa podataka, odnosno na koji će način rasporediti korisničke pakete u redove. Ono je ključan element HSDPA tehnologije, jer odreñuje ukupno ''ponašanje'' sustava, odnosno odreñuje njegove performanse, te utječe na korisničko poimanje kvalitete samog sustava. HSDPA ima svojstvo brze prilagodbe trenutnim radio uvjetima, te u cilju povećanja kapaciteta sustava može doći do favoriziranja odreñenih korisnika kako je to prikazano na slici 37.

Slika 37. Dodjela pristupa korisniku ovisno o radio uvjetima

Sa slike 37 vidljivo je da se HSDPA tehnologijom može odreñenim metodama dodjele pristupa, odnosno metodama rasporeñivanja paketa, favorizirati korisnike koji trenutno mogu postići veću

36

brzinu prijenosa podataka. Prema primjeru sa slike, te uz pretpostavku da oba korisnika žele realizirati jednake teleusluge, sustav, u cilju povećanja vlastitih performansi, poslužuje korisnika koji može realizirati teleuslugu većom brzinom. Tri osnovne metode (algoritma) rasporeñivanja paketa kod HSDPA su:

1. Round Robin (RR); 2. Maximum Carrier-to-Interface ratio (Max. CI); 3. Proportional Fair (PF)

Algoritam Round Robin jedan je od najjednostavnijih algoritama dodjele pristupa. RR poslužuje korisnike ciklički, ignorirajući pritom radio uvjete korisnika te pravedno rasporeñujući resurse korisnicima. Meñutim, upravo zbog svoje ''pravednosti'', algoritam RR predstavlja neefikasan način posluživanja kod HSDPA jer se pristup može dodijeliti korisnicima koji se nalaze u lošim radio uvjetima (bit će im dodijeljena manja brzina prijenosa podataka), te na taj način onemogućiti posluživanje korisnika s boljim radio uvjetima. Primjena RR algoritma smanjuje ukupne performanse sustava. Algoritam Maximum Carrier-to-Interference ratio dodjeljuje pristup onom korisniku koji u odreñenom TTI intervalu ima trenutno najbolje radio uvjete. Ovakvom metodom dodjele pristupa sustav ima najbolje performanse, no korisnici s lošijim radio uvjetima ne dobivaju pravo pristupa, te dobivaju negativan dojam o kvaliteti usluge.

Algoritam Proportional Fair predstavlja kombinaciju RR i Max. CI metode rasporeñivanja paketa. PF favorizira korisnike s dobrim radio uvjetima, istovremeno osiguravajući odreñenu količinu resursa korisnicima s lošijim radio uvjetima. Ova metoda povećava kapacitet sustava, te omogućuje pravednu raspodjelu kanalnih resursa korisnicima.

Bitno je naglasiti da je mehanizam dodjele pristupa korisnicima kod HSDPA tehnologije dio funkcionalnosti bazne stanice (Base Station – BS), a ne kao kod 3G mreža modula za upravljanje baznim postajama (Radio Network Controller – RNC), što dodatno smanjuje čekanje na posluživanje (tw). Uz ove tri osnovne metode rasporeñivanja paketa operateru su na raspolaganju još tri dodatne metode:

1. Fast Fair Throughput (FFTH); 2. Average C/I (Avg. CI);

3. Fair Throughput (FTH).

FFTH metoda rasporeñivanja paketa pravedno rasporeñuje propusnost izmeñu korisnika u ćeliji (max-min način) i to tako da se prate kratkotrajne varijacije jakosti signala (fading) na linku. FFTH metoda predstavlja prilagoñenu Proportional Fair metodu rasporeñivanja paketa izjednačavajući propusnost po korisniku. FTH metoda rasporeñuje resurse onom korisniku koji u ćeliji ima najnižu prosječnu propusnost. Metoda Avg. CI dodjeljuje pristup onom korisniku koji ima najbolje prosječne uvjete na radio linku.

Operater odreñuje koji će se i kada algoritmi koristiti, a svoju odluku temelji na vrsti i količini prometa.

U tablici 5. ukratko su naznačene važnije karakteristike navedenih metoda.

37

Tablica 5. Sažetak karakteristika obrañenih metoda dodjele pristupa

METODE DODJELE PRISTUPA

BRZINA PRILAGODBE

RADIO UVJETIMA

REDOSLIJED POSLUŽIVANJA

PRAVADNOST PRI DODJELI RESURSA

Round Robin (RR) Mala Cikličko posluživanje korisnika

Pravedna raspodjela resursa i propusnosti za sve korisnike

Fair Throughput (FTH) Mala Poslužuje se korisnik s najnižom prosječnom propusnošću

Pravedna raspodjela propusnosti uz max-min način

Average C/I (Avg. CI) Mala Poslužuje se korisnik s najboljim prosječnim radio uvjetima na linku

Nepravedna raspodjela resursa u korist korisnika s boljim radio uvjetima

Proportional Fair (PF) Velika (posebno za svaki TTI)

Poslužuje se korisnik s relativno najboljim radio uvjetima na linku

Pravedna raspodjela propusnosti i resursa, uz odreñene pretpostavke

Fast Fair Throughput

(FFTH) Velika (posebno za svaki TTI)

Poslužuje se korisnik s relativno najboljim radio uvjetima na linku izjednačavajući propusnosti

Pravedna raspodjela propusnosti uz max-min način i odreñene pretpostavke

Maximum C/I (Max.CI) Velika (posebno za svaki TTI)

Poslužuje se korisnik s najboljim radio uvjetima na linku

Nepravedna raspodjela resursa u korist korisnika s boljim radio uvjetima

S gledišta implementacijskih svojstava, spore metode dodjele pristupa (RR, FTH, Avg. CI)

manje su kompleksne od bržih metoda (PF, FFTH, Max. CI). Brže metode zahtijevaju informacije o brzini prijenosa podataka koju podržava svaki korisnik u ćeliji, jer rasporeñuju pakete za svaki TTI interval zasebno. Da bi se dobile takve trenutne informacije (real time information), nužno je da mehanizam dodjele pristupa bude dio funkcionalnosti bazne stanice.