Sustavi 2.5 i 3. generacije mobilnih mreža

1. Sustavi 2.5 i 3. generacijemobilnih mreža

2. Povećani zahtjevi za prijenos podataka

3. Generacija 2.5 • Generaciju 2.5 mobilnih mreža čini GSM s nadogradnjom: • GPRS – General Packet Radio System • HSCSD – High Speed Circuit Switched Data • EDGE – Enhanced Data Rates for Global Evolution • Američki IS-95 ima nadogradnju • IS-95B • CDMA2000 1xRTT

4. Razvoj GSM-a GSM VOICE DATA Circuit mode Circuit mode Packet mode 9.6 kbit/s 14.4 kbit/s HSCSD GPRS ECSD EGPRS

5. HSCSD – High Speed Circuit Switched Data • Jednostavna i jeftina nadogradnja GSM • Koristi K vremenskih intervala (do 4) u GSM okviru • Brzina prijenosa podataka je K x 9.6 kbps ili K x 14.4 kbps • Traži samo programsku nadogradnju i mobitele koji podržavaju ovaj sustav • Nedostatak: loše iskorištavanje radio-spektra • Prednost nad GPRS-om: omogućava real-time aplikacije

6. GPRS – Global Packet Radio System • Koristi 8 vremenskih intervala • Maksimalna brzina do 115 kbps • Jedna veza ne zauzima cijelo vrijeme sve međukonekcijske linije • Nije pogodan za stvarnovremenske aplikacije jer se ne mogu jamčiti maksimalna kašnjenja paketa • Mreža zahtjeva nove komponente i prilagođenje postojećih

7. Razvoj mreže prema GPRS-u SOG A’’ A BSC BTS MSC/VLR HLR Gr (MAP) Gb Gs IP Network Gi (IP) SGSN GGSN Gn Gn BGW Backbone Network IP SGSN – Serving GPRS Support Node GGSN – Gateway GPRS Support Node BGW – Billing Gateway

8. Proširenje GSM prema GPRS • SGSN (Serving GPRS Support Node) – uslužni GPRS potporni čvor • usmjerava pakete iz i prema MS unutar područja pokrivanja usmjeravanja (RA-Roaming Area) • kriptografska zaštita podataka i provjera autentičnosti • upravljanje sjednicom • upravljanje pokretljivošću • prikupljanje podataka za naplatu usluge • suradnja s HLR-om, MSC-om, GMSC-om i GGSN-om

9. GGSN (Gateway GPRS Support Node) – prilazni GPRS potporni čvor • upravljanje GPRS sjednicom i uspostavljanje komunikacije prema vanjskim mrežama • pridruživanje korisnika pravom SGSN-u • Upravljanje pokretljivošću • prikupljanje podataka za naplatu • suradnja s SGSN-om

10. EDGE – Enhanced Date rates for Global Evolution • Uvodi se 8PSK modulacija – 3 x veća brzina prijenosa podataka • Koegzistira sa GMSK • Traži programsku i sklopovsku nadogradnju baznih postaja • Sklopovski se lako može nadograditi ukoliko izlazno pojačalo može podržati veliki odnos vršne i srednje vrijednosti signala • 8PSK efikasan za manje udaljenosti (traži veći S/N) – za pokrivanje manjih površina • GMSK – za pokrivanje većih površina

11. EGPRS – Enhanced GPRS • Kombinacija GPRS i EDGE • Koristi svih 8 vremenskih okvira • Maksimalna brzina 384 kbps • Može se koristiti samo u blizini bazne postaje

12. 3 G mobilni sustavi • 1991. kada je pokrenut prvi komercijalni GSM sustav u Finskoj ETSI (European Telecommunications Standards Institute) pokreće rad na 3G sustavu – UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) • 1996./1997. ARIB (Associations for Radio Industries and Businesses) i ETSI usvojili WCDMA tehniku kao temeljni koncept za 3G mobilne sustave • 3GPP (Third Generation Partnership Project) – u suradnji sa vodećim telekomunikacijskim tvrtkama razvija 3 G sustav

13. Frekvencijska raspodjela • UMTS sustavu s FDD dupleksom dodijeljeno je frekvencijsko područje 1920-1980 MHz za uzlaznu vezu (MSBS) i 2110-2170 MHz za silaznu vezu (BSMS).

14. Ciljevi UMTS-a: • Osobna pokretljivost uz prijenos govora, podataka i multimedije • brzina prijenosa do 144 kb/s u svim uvjetima, do 384 kb/s na otvorenom prostoru, a do 2 Mb/s zatvorenom prostoru • komutacija kanala i paketa • simetrični i asimetrični prijenos • Visoka kvaliteta govora • podrška i uskopojasnim i širokopojasnim uslugama • Visoka spektralna djelotvornost • Integracija s fiksnom mrežom i koegzistencija s 2G sustavima • Brzi pristup Internetu

15. 2. Operacijski ciljevi: • Sposobnost podržavanja telefona koji mogu biti korišteni bilo gdje u Europi, širom svijeta, kod kuće u gradu, itd. • Sposobnost podržavanja različitih tipova terminala • Dual mode/band terminale za roaming između UMTS/GSM mreža • 3. Mrežna gledišta: • Razvoj GSM i ISDN-a • Elementi mobilne/fiksne pokrivenosti • 4. Ekonomske posljedice: • Proizvođačko natjecanje • Ekonomske pogodnosti

16. Radio sučelje • ETSI standard je razvio radio sučelja UMTS-a na zemlji - UMTS zemaljski radio pristup (UTRA-UMTS Terrestial Radio Access) • UTRA podržava hijerarhijsku ćelijsku strukturu s obzirom na brzinu prijenosa, zone pokrivanja, gustoću korisnika i brzinu kretanja: • svjetska ćelija: do 144 kb/s, udaljeni krajevi, slaba naseljenost, brzine kretanja do 1000 km/h • makro ćelije: 144-384 kb/s, prigradska područja, srednja naseljenost, brzina 120-500 km/h • mikro ćelije: 384-2048 kb/s, gradsko područje, velika naseljenost, brzine kretanja do 120 km/h • piko ćelije: 2048 kb/s, zatvoreni prostor, vrlo velika gustoća korisnika, mirovanje ili hodanje

17. WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) • WCDMA– širokopojasni višestruki pristup u kodnoj podjeli • Sustav uključuje: • Širokopojasne CDMA nosioce za veliku binarnu brzinu • Fleksibilni fizički sloj za implementaciju UMTS usluga, s podrškom za različite brzine prijenosa

18. WCDMA -FDD • Koristi odvojene frekvencijske pojaseve za up-link i down-link širine 5 MHz • Svaki nosilac podijeljen je na 10 ms radio okvire, svaki okvir na 15 intervala • 3.84 Mcps – chip rate (chip je bit u kodnoj riječi, ne bit podataka) • Spreading factor – omjer chip rate i bit rate • može biti od 4 do 512 • Svaki kanal ima svoj spreading kod (kod za proširenje spektra) • Svi korisnici mogu raditi na istoj frekvenciji jer su razdvojeni ortogonalnim kodovima, ali povećanje broja korisnika i njihovih snaga znači povećanje razine šuma u korisnom kanalu

19. CDMA- Code Division Multiple Access CDMA pristupna tehnika koristi ortogonalne kodove za proširenje spektra koji se dodijeljuju pojedinom korisniku

20. CDMA pripada grupi modulacija proširenog spektra (spread spectrum) • temelji se na metodi raspršenja snage signala na široki frekvencijski pojas, tako da spektralna gustoća signala padne čak ispod razine šuma • time je omogućeno postojanje više radio sustava u istom frekvencijskom području • detekcija željenog signala na prijemu postiže se korelacijom s odgovarajućim raspršnim kodom

21. WCDMA – wideband CDMA je širokopojasna modulacija kod koje se obično koristi tzv. direktna sekvenca za raspršni kod • Raspršni kod predstavljaju pseudoslučajni bitovi (chips), pri čemu je chip rate nekoliko puta veći odbrzine bitova informacije • za chip rate 3.84 Mcps koji se koristi u UMTS-u širina kanala je 5MHz • U sustavu je omogućeno korištenje različitih faktora raspršenja i različitih tipova kodova

22. CDMA – način proširenja spektra PN sekvencom

23. Spektar signala prije proširenja Spektar signala poslije proširenja

24. Raspršni kodovi moraju biti ortogonalni da se u istom frekvencijskom području može ostvariti više radio-veza • Nakon raspršivanja signal se modulira nekom od diskretnih modulacijskih tehnika (BPSK ili QPSK uobičajeno) • Na prijemniku se vrši despreading pri čemu se za željeni signal koji odgovara despreading kodu amplituda povećava za faktor raspršenja (pojačanje procesiranjem) - za sve ostale signale nema ovog pojačanja

26. Primjer: • za govor brzina 12.2 kbs i uz 3.84 Mcps postiže se pojačanje 10 log (3.84 .106/ 12.2 .103)=25 dB • nakon despreadinga za dekodiranje govora traži se S/N > 5 dB • to zači da prijenosni signal može biti 5 – 25= -20 dB ispod razine interferencije i šuma

27. RAKE prijemnik • WCDMA se koristi u sustavima s višestaznim prostiranjem • replike korisnog signala koje stižu na prijemnik s različitim kašnjenjem mogu se dekodirati na način da pojačavaju signal • koristi se prijemnik koji ima više grana u kojima se signal dekodira s različitim kašnjenjima – RAKE prijemnik • kašnjnje u pojedinoj grani može se podesiti na kašnjenje pojedine staze i za signal koji se prostirao tom stazom raspršni kod će biti u korelaciji, dok će za ostale staze biti ortogonalan

29. Tipično kašnjenje u urbanom području reda 1 do 2 s, a može biti i do 20 s u otvorenom području • Za chip rate 3.84 Mcps trajanje chipa je 0.26 s • RAKE prijemnik može razdvojiti komponente koje stižu u razmaku najmanje 0.26 s – to znači da se duljina dviju staza razlikuje za najmanje 78 m • proračun kašnjenja odvija se dinamički i obnavlja se svakih nekoliko desetaka ms

31. Ograničenja • pojačanje procesiranjem se smanjuje kako se povećava brzina informacije • CDMA sustav je ograničen snagom • potrebno je vrlo pažljivo kontrolirati snagu korisnika jer interferencija ograničava broj korisnika koji istovremeno koriste sustav

32. Projektiranje mreže – razlike TDMA i CDMA (GSM – UMTS) • Projektiranje mreže je složen i dinamičan proces – zahtjeva stalno prilagođavanje potrebama prometa • Od izuzetne je važnosti dobra pokrivenost i dobro korištenje opreme • GSM – kritično je frekvencijsko planiranje • frekvencije se ponavljaju nakon određene udaljenosti • važna veličina klastera (broj ćelija) • oblik i veličina ćelija odstupaju od ideliziranog heksagonalnog oblika – ovisi o izgrađenosti i tipu terena • broj kanala je velik (200 kHz uskopojasni kanali)

33. UMTS • Sve bazne postaje rade na istoj frekvenciji • U prvoj fazi dodjeljuje se 2 do 3 frekvencije po operateru (UMTS forum preporuča 2x15 MHz za FDD + 5 MHz za TDD) • Frekvencije se koriste hijerarhijski (makroćelije, mikroćelije, pikoćelije) • Potrebno je usklađivanje snaga susjednih baznih postaja da bi se interferencija držala u dozvoljenim granicama • Moraju se uskladiti zahtjevi za pokrivanjem i za potrebnom količinom prometa

34. Veličina ćelija nije fiksna nego se mijenja ovisno o jakosti prometa • Povećanje kapaciteta nije izvedivo povećanjem broja kanala nego se moraju uvoditi nove bazne postaje – to utječe na sve okolne BS • Hijerarhijski pristup smanjuje područje na koje utječe uvođenje nove BS • Brzina prijenosa podataka je veća blizu BS jer je interferencija od drugih BS ovdje manja

35. Ukoliko operator ima postojeću GSM mrežu prva faza je pokrivanje gušće naseljenih područja UMTS-om, a većih ruralnih područja starom mrežom (GPRS, EDGE) • Ukoliko je to GSM1800 položaji BS u tom sustavu su najvjerojatnije dobri i za BS za UMTS • Potrebna je brza prilagodba snage jer je uniformna snaga svih korisnika potrebna za maksimalni kapacitet mreže • SHO (soft hand-over) troši veliki dio kapaciteta te se mora osigurati opimalno rješenje – dodjeljuje se samo onoj MS kojoj je to potrebno, ne svima • Za mjerenje drugih BS kod HO koristi se metoda kompresije kako bi se dobilo vrijeme za skeniranje – manji spreading factor

36. Poseban problem kod mikroćelija su brzi korisnici • Iz makroćelije prelaze u mikroćeliju sa velikom snagom i mogu u tolikoj mjeri povećati interferenciju da zaguše promet • Rješava se tako da brze korisnike pokrivaju samo makroćelije ili se formiraju usmjerene ćelije sa usmjerenim antenama duž ceste

37. Problem raskršća – MS se pojavljuje u području BS poprečne ulice sa prevelikom snagom • Rješenje je da se hand-over napravi ranije • usljed refleksija i difrakcije postoji signal iza “ugla” • opasnost od gubitka veze kod preranog hand-overa • potrebno brzo smanjivanje snage

38. UMTS mreža USIM – UMTS Suscriber Identity Module ME - Mobile equipment RNS – Radio Network Subsystem RNC – Radio Network Controler Node B – radijski primopredajni dio

39. UMTS

40. LIteratura • Bažant i ostali: Osnove arhitekture mreža, Element, Zagreb, 2004.