Διπλωματική Εργασία των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Δουληγέρη Ηρακλή - Νέστορα του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου : 5320 Λεπενιώτη Παναγιώτη του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου : 5371 Θέμα : <<Μελέτη Παραμέτρων Αξιόπιστης Μετάδοσης Πληροφορίας σε Ασύρματα Δίκτυα υπό Συνθήκες Ισχυρου Θορύβου και Παρεμβολών>> Επιβλέπων : Καθηγητής Δρ. Μηχ. Στ. Κωτσόπουλος Πάτρα, Οκτώβριος 2008

2 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας : Τίτλος : «Μελέτη παραμέτρων αξιόπιστης μετάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα υπό συνθήκες ισχυρού θορύβου και παρεμβολών» Φοιτητές : Δουληγέρης Ηρακλής Νέστορας Λεπενιώτης Παναγιώτης Επιβλέπων : Καθηγητής Δρ. Μηχ. Στ. Κωτσόπουλος Περίληψη Στο κεφάλαιο 1 της εργασίας αυτής γίνεται μια εισαγωγή στα ασύρματα δίκτυα με την περιγραφή της δομής του ασύρματου καναλιού. Στο κεφάλαιο 2 δίνονται τα χαρακτηριστικά, η δομή και η λειτουργία του συστήματος UMTS. Επίσης στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα παρουσιαστεί αναλυτικά η αρχιτεκτονική και οι λειτουργικότητες του συγκεκριμένου συστήματος. Στο 3 ο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση του προτύπου WIMAX που δημιουργήθηκε για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για ασύρματη πρόσβαση ευρείας ζώνης. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια εκτενής ανάλυση του HSDPA( High Speed Downlink Packet Access) που βασικός του στόχος είναι η αύξηση των πακέτων δεδομένων στην έξοδο. Στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται διεξοδικά οι παρεμβολές και ο θόρυβος που μπορούν να εμφανιστούν κατά τη μετάδοση δεδομένων στα ασύρματα δίκτυα. Τέλος, στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται μια θεωρητική ανάλυση της παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης, ακολουθεί η πειραματική μελέτη της και καταλήγουμε με συμπεράσματα και σχόλια. 3

3 Πάτρα, Οκτώβριος 2008 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί τον επίλογο των προπτυχιακών μας σπουδών στο Τμήμα των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Ο τίτλος της διπλωματικής εργασίας είναι «Μελέτη παραμέτρων αξιόπιστης μετάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα υπό συνθήκες». Ολοκληρώνοντας θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε για την άριστη συνεργασία και την πολύτιμη βοήθειά του τον υποψήφιο διδάκτορα Ιωάννη Φραίμη καθώς και τον επιβλέποντα Καθηγητή Σταύρο Κωτσόπουλο για την καθοδήγησή του στην περάτωση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Οι φοιτητές Δουληγέρης Ηρακλής-Νέστορας Λεπενιώτης Παναγιώτης 4

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΤΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΚΑΝΑΛΙ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΔΙΑΔΟΣΗ ΚΥΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΛΑΘΩΝ 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ UMTS 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ UMTS USER EQUIPMENT UTRAN CN ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΚΑΙ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ Η ΔΙΕΠΑΦΗ Uu Η ΔΙΕΠΑΦΗ Iub Η ΔΙΕΠΑΦΗ Iur Η ΔΙΕΠΑΦΗ Iu-PS ΟΙ ΥΠΟΛΟΙΠΕΣ ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΤΟΥ UTRAN ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ FDD ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΚΟΙΝΑ ΚΑΝΑΛΙΑ CHANNEL MAPPING ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS PDP ΚΑΙ GTP ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΣΤΟ UTRAN HANDOVERS ΣΤΟ UMTS SOFTER ΚΑΙ SOFT HANDOVER SRNS RELOCATION HARD HANDOVER 53 5

5 2.6.4 INTERSYSTEM HANDOVERS ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ 54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: WIMAX 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE ΔΙΑΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗ ΓΕΝΙΚΑ (ΣΧΗΜΑ OSI) ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ (OFDM,ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ,ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ) ΕΠΙΠΕΔΟ MAC (SLA,SECURITY) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΟΥ PTP PMP (ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΤΗΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ) LOS-NLOS-OLOS ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ WIMAX ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ (QoS) SERVICE FLOWS ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ SERVICE CLASSES ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ (SCHEDULING SERVICES) ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΑΝΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΙΤΗΣΗ/ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΧΩΡΗΣΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΤΟΥ WIMAX DES ΣΕ ΜΕΘΟΔΟ CBC AES ΣΕ ΜΕΘΟΔΟ CCΜ FORMAT PDU ΩΦΕΛΙΜΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ PN CCM ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΚΑΝΟΝΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΛΗΨΗΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ WIMAX ΤΟ WIMAX ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟ WIMAX ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ WIMAX ΜΕ ΤΑ ΗΔΗ ΥΠΑΡΧΟΝΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΔΙΚΤΥΩΣΗΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΡΥΘΜΟΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 95 6

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: HSDPA HIGH SPEED DOWNLINK PACKET ACCESS 4.1 RELEASE 99 WCDMA DOWNLINK PACKET DATA CAPABILITIES ΒΑΣΙΚΟΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ HSDPA HSDPA IMPACT ON RADIO ACCESS NETWORK ARCHITECTURE RELEASE 4 HSADPA FEASIBILITY STUDY PHASE HSDPA PHYSICAL LAYER STRUCTURE HIGH SPEED DOWNLINK SHARED CHANNEL (HS-DSCH) HS-DSCH MODULATION HS-DSCH CHANNEL CODING HIGH SPEED SHARED CONTROL CHANNEL (HS-SCCH) UPLINK HIGH SPEED DEDICATED PHYSICAL CONTROL CHANNEL (HS-DPCCH) HSDPA PHYSICAL LAYER OPERATION PROCEDURE HSDPA TERMINAL CAPABILTY AND ACHIEVABLE DATA RATES MOBILITY WITH HSDPA MEASUREMENT EVENT FOR BEST SERVING HS-DSCH CELL HSDPA PERFORMANCE FACTORS COVERING PERFORMANCE SPECTRAL EFFICIENCY, CODE EFFICIENCY AND DYNAMIC RANGE USER SCHEDULING CELL THROUGHPUT AND COVERAGE BROADCAST/MULTICAST BROADCAST ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑ MULTICAST MULTICAST ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ 3G ΦΑΣΕΙΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ MBMS MULTICAST ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ IP UNICAST ΣΕ Iu ΚΑΙ Gn ΧΡΗΣΗ IP MULTICAST ΣΕ Iu ΚΑΙ Gn 124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΕΙΔΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΘΟΡΥΒΟΥ 5.1 ΕΝΝΟΙΑ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΘΟΡΥΒΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣ ΘΟΡΥΒΟ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΟΥΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΟΣ ΙΣΧΥΣ MULTIPLE ACCESS BACKOFF ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΘΟΡΥΒΟΥ ΛΟΓΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΛΑΒΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΠΡΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ (G/t) 133 7

7 5.1.8 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΛΟΓΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣ ΘΟΡΥΒΟ(S/N) ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟΣ ΛΟΓΟΣ S/N ΕΙΔΗ ΘΟΡΥΒΟΥ ΚΑΙ ΑΙΤΙΑ ΑΥΤΟΥ «ΟΥΡΑΝΙΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ» ΘΟΡΥΒΟΣ ΟΦΕΙΛΟΜΕΝΟΣ ΣΤΗ ΒΡΟΧΗ ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ΘΟΡΥΒΟΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΩΣ ΣΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΟ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ 143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΝΑ ΑΠΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟ ΓΕΝΙΚΟ ΠΡΟΙΟΝ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΧΟΛΙΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΙΩΣΗ ΤΗΣ Π.Ε. ΕΠΕΜΒΑΙΝΟΝΤΑΣ ΣΤΟ ΥΛΙΚΟ ΕΠΕΜΒΑΣΗ ΣΤΟ ΔΕΚΤΗ ΕΠΕΜΒΑΣΗ ΣΤΟΝ ΠΟΜΠΟ 8

8 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η συσσώρευση γνώσης πιστεύεται ότι μπορεί να μας οδηγήσει στην πρόβλεψη του μέλλοντος. Η επιστήμη και η τεχνολογία, όμως, συνεχίζουν να μας εκπλήσσουν με σταθερό ρυθμό παρά την ολοένα και αυξανόμενη γνώση και εμπειρία μας σε αυτά τα θέματα. Ο τομέας των Τηλεπικοινωνιών και της Επιστήμης του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού δεν θα μπορούσε να ήταν η εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα. Πραγματικά, πριν δύο δεκαετίες, όταν η τεχνολογία των Δικτύων Υπολογιστών και αυτή των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας βρίσκονταν σε εμβρυϊκή ηλικία, ήταν δύσκολο κανείς να φανταστεί τη σημερινή αναγκαιότητα αυτές οι δύο τεχνολογίες να γίνουν μια. Η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας μας οδηγεί μοιραία στην αντικατάσταση της υλικής μεταφοράς από τη μεταφορά πληροφορίας. Αυτή η μινιμαλιστική τακτική είναι που οδηγεί και το πνεύμα του επιστήμονα μηχανικού σήμερα σε όλους τους τομείς της ασχολίας του και συγκεκριμένα στα Ασύρματα Δίκτυα Επικοινωνιών. Στο εισαγωγικό αυτό κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στο βασικό πλαίσιο των Ασύρματων Επικοινωνιών. Ο στόχος είναι μια σύντομη περιγραφή βασικών εννοιών που θα μας απασχολήσουν στο κύριο μέρος της διατριβής. 1.1 Το Ασύρματο Κανάλι H βασική αντίληψη των Τηλεπικοινωνιών περιγράφεται στο σχήμα 1.1α. Το σημείο Α που ονομάζεται πομπός εκπέμπει πληροφορία με μια συγκεκριμένη μορφή. Η πληροφορία αυτή φτάνει στο σημείο Β (δέκτης) αφού προηγουμένως ταξιδέψει στο κανάλι και υποστεί μια παραμόρφωση. Ο πομπός καλείται να σχηματίσει ένα σήμα κατάλληλο για το εκάστοτε κανάλι, ενώ ο δέκτης έχει το δύσκολο έργο να συμπεράνει από το λαμβανόμενο σήμα την πραγματική πληροφορία που έχει εκπεμφθεί. Η γνώση της συμπεριφοράς του καναλιού παίζει λοιπόν καθοριστικό ρόλο στη σωστή σχεδίαση της επικοινωνίας και στην τελική της επιτυχία. Ένα είδος τηλεπικοινωνιακού καναλιού είναι και το Ασύρματο Κανάλι, όπου ο πομπός και ο δέκτης δεν συνδέονται με κάποιο φυσικό τρόπο και η επικοινωνία συντελείται με Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα. (α) 9

9 (β) Σχήμα 1.1 (α) Επικοινωνία απομακρυσμένων σημείων, (β) Ασύρματη επικοινωνία Εκπομπή και Διάδοση Κυμάτων Η διάδοση των Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων έχει περιγραφεί από τον Maxwell. Οι εξισώσεις του Maxwell περιγράφουν πώς διαδίδονται τα κύματα στο ασύρματο κανάλι και η λύση τους είναι μια πολύ δύσκολη διαδικασία, τις περισσότερες φορές ακατόρθωτη με τα σημερινά διαθέσιμα μέσα. Για την προσέγγιση τους έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που παρακάμπτουν την αναλυτική λύση και με χρήση Ηλεκτρονικού Υπολογιστή φτάνουν στη προσέγγισή της για έναν δεδομένο Ηλεκτρομαγνητικό χώρο. Για την εκπομπή και λήψη κυμάτων, ο πομπός και ο δέκτης αντίστοιχα, χρησιμοποιούν μετατροπείς ηλεκτρικών σημάτων σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που ονομάζονται κεραίες. Η βέλτιστη επιλογή και σχεδίαση της κεραίας είναι ένα πολύ σημαντικό κεφάλαιο στην θεωρία των Τηλεπικοινωνιών. Σημαντική παράμετρος της σχεδίασης της κεραίας αλλά και της συμπεριφοράς της είναι η συχνότητα του εκπεμπόμενου κύματος. Η συχνότητα καθορίζει, μεταξύ άλλων, την ίδια τη συμπεριφορά του Ασύρματου καναλιού καθώς ένας συγκεκριμένος υλικός χώρος αλλάζει μορφή όταν αλλάζει η συχνότητα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του μέσου και η ανάκλαση του κύματος σε εμπόδια, που είναι φαινόμενα που μεταβάλλονται συναρτήσει της συχνότητας. Επιπρόσθετα, δύο κύματα διαφορετικής συχνότητας μπορούν εύκολα να διαχωριστούν στο δέκτη, τεχνική που ονομάζεται πολυπλεξία στη συχνότητα (Frequency Division Multiple Access). Είναι, λοιπόν, λογικό ότι κάθε εφαρμογή θα λειτουργεί και σε διαφορετική συχνότητα και μάλιστα σε συχνότητα που η συμπεριφορά του ασύρματου καναλιού θα συνάδει με τις ανάγκες της εφαρμογής. Όταν η χρησιμοποιούμενη συχνότητα είναι χαμηλή και το μήκος κύματος μεγάλο, το κύμα απαιτεί μεγάλες σε διάσταση κεραίες και μεγάλη ισχύ για να εκπεμφθεί, ενώ η εκπομπή του είναι πανκατευθυντική. Το φάσμα μεταδιδόμενης πληροφορίας είναι μικρό και η διάδοση μπορεί να γίνει με απευθείας εκπομπή που ακολουθεί την επιφάνεια της γης ή με σκέδαση στην Ιονόσφαιρα. Στις υψηλές συχνότητες, έχουμε μεγάλο εύρος ζώνης μετάδοσης και κεραίες μεγάλου κέρδους που αποστέλλουν το κύμα σε ένα πολύ μικρό 10

10 κώνο εκπομπής. Τα υλικά σώματα όμως αποτελούν εμπόδια για τη διάδοση και εμποδίζουν την οπτική επαφή του πομπού και του δέκτη. Όταν η συχνότητα γίνει εξαιρετικά υψηλή τότε το κύμα αποσβένεται ακόμα και από τα μόρια του νερού που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα. Το φάσμα συχνοτήτων που χρησιμοποιείται στα σημερινά ασύρματα δίκτυα είναι συνήθως η περιοχή 300MHz μέχρι 10GHz που ονομάζεται και μπάντα ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequency Band). Παράλληλα όμως, γίνεται ερευνητική προσπάθεια για χρήση μεγαλύτερων συχνοτήτων (>10GHz), καθώς και της τεχνολογίας ευρυζωνικής μετάδοσης (Ultra Wideband Technology, [4]), όπου το εκπεμπόμενο σήμα χρησιμοποιεί ολόκληρο το φάσμα συχνοτήτων εκπέμποντας πολύ σύντομους στο χρόνο παλμούς. Ο στόχος πάντα είναι η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων επικοινωνίας και η βέλτιστη διαχείριση του συχνοτικού φάσματος. Οι χαμηλές συχνότητες πάντως ανήκουν περισσότερο στο παρελθόν καθώς θεωρούνται σαν λύσεις πολυέξοδες και αναποτελεσματικές. Η διαδικασία διανομής του φάσματος σε διάφορους φορείς είναι μια επίπονη και προβληματική διαδικασία, λόγω του αμετάβλητου των συνθηκών και της κερδοσκοπίας. Για το λόγο αυτό κατέληξε να συμβαίνει με δημοπρασία. Ένα μεγάλο μέρος εφαρμογών προτιμά να χρησιμοποιεί την ελεύθερη μπάντα συχνοτήτων για Επιστημονικές, Ιατρικές και άλλες μη κερδοσκοπικές εφαρμογές που ονομάζεται μπάντα ISM (Industrial, Scientific and Medical Band). Το βασικό χαρακτηριστικό του ασύρματου καναλιού είναι ότι γίνεται αντιληπτό ως ένα ιδιαίτερα αναξιόπιστο μέσο μετάδοσης και αυτό συμβαίνει διότι δεν είμαστε ακόμη σε θέση να το χειριζόμαστε άψογα. Η πολυπλοκότητα του Ασύρματου καναλιού περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω, όπου προτείνεται ότι το ασύρματο κανάλι έχει 16 βαθμούς ελευθερίας. Προσπαθώντας να περιγράψουμε τις διαδικασίες που επηρεάζουν την ασύρματη επικοινωνία συναντάμε τους μηχανισμούς διάδοσης, τη διαμόρφωση, τις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης και την κωδικοποίηση Περιβάλλον Διάδοσης Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που δημιουργείται σε μια κεραία εκπέμπεται συνήθως σε ένα κώνο ή σε μια σφαίρα. Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια τη μείωση της ισχύος του κύματος συναρτήσει της απόστασης. Όταν η μείωση αυτή οφείλεται μόνο στη διασπορά της ισχύος στο χώρο, τότε είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης d και περιγράφεται από το νόμο του Friis για τις απώλειες (Path Loss). λ Pr = PG t rgt 4πd 2 (1.1) Όπου P r η ισχύς λήψης, P t η ισχύς εκπομπής και G τα κέρδη των κεραιών που περιγράφουν πόση ισχύ κερδίζουμε σε κάθε σημείο σε σχέση με την 11

11 ισοτροπική εκπομπή. Η μείωση όμως μπορεί να έχει και μεγαλύτερο ρυθμό (μέχρι d -5 ), όταν το οδεύον κύμα συναντά ηλεκτρομαγνητικές οντότητες (εμπόδια). Η συμπεριφορά του κύματος σε αυτήν την περίπτωση περιγράφεται από τρεις μηχανισμούς, την ανάκλαση, τη διάθλαση και τη σκέδαση (σχήμα 1.2). Ανάκλαση Η ανάκλαση ηλεκτρομαγνητικού κύματος λαμβάνει χώρα όταν το εμπόδιο στο οποίο προσπίπτει το κύμα έχει διαστάσεις μεγαλύτερες του μήκους κύματος (π.χ. >10λ). Το ανακλώμενο κύμα έχει διαφορά φάσης 180 ο με το προσπίπτον. Διάθλαση Το φαινόμενο της διάθλασης εμφανίζεται όταν το κύμα προσπίπτει σε εμπόδιο με διαστάσεις συγκρίσιμες με το μήκος κύματος ή στις άκρες ενός μεγάλου εμποδίου. Η διάθλαση επιτρέπει στο κύμα να προσεγγίσει σημεία πίσω από το εμπόδιο που δεν έχουν οπτική επαφή με το σημείο εκπομπής αυξάνοντας έτσι την πολυπλοκότητα της διάδοσης. Κύματα χαμηλής συχνότητας (και μεγάλου μήκους κύματος) διαθλώνται σε μεγάλες επιφάνειες όπως κτίρια και βουνά. Σκέδαση Σκέδαση των κυμάτων προκύπτει όταν το εμπόδιο έχει μικρές διαστάσεις σε σχέση με το μήκος κύματος. Το φαινόμενο της σκέδασης λαμβάνει χώρα κυρίως όταν υπάρχει μεγάλος αριθμός εμποδίων. Τα σκεδαζόμενα κύματα αποκτούν νέες πορείες σε φαινομενικά τυχαίες κατευθύνσεις. Παραδείγματα σκεδαστών είναι η υγρασία της ατμόσφαιρας, τα φυλλώματα των δέντρων και οι μεταλλικές επιφάνειες με ακανόνιστο σχήμα. Εκτός από τους μηχανισμούς διάδοσης, υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί του ασύρματου καναλιού που κάνουν απρόβλεπτη τη συμπεριφορά του. Αυτοί είναι η πολυόδευση, η σκίαση, οι παρεμβολές και η ολίσθηση Doppler. 12

12 Σχήμα Μηχανισμοί διάδοσης. Πολυόδευση Εκτός από την απευθείας διάδοση είναι λοιπόν δυνατό ένα κύμα να ακολουθήσει μια πορεία με ανακλάσεις, διαθλάσεις και σκεδάσεις πριν φτάσει σε ένα δέκτη. Στην πράξη, σε ένα ποικίλο περιβάλλον (π.χ. πόλη ή κλειστός χώρος), το λαμβανόμενο κύμα είναι το διανυσματικό άθροισμα πολλών κυμάτων, που καταφτάνουν από διαφορετικές γωνίες και σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται πολυόδευση. Οι διάφορες συνιστώσες του κύματος στο σημείο λήψης άλλες φορές αθροίζονται και άλλες αφαιρούνται με αποτέλεσμα η λαμβανόμενη ισχύς να παρουσιάζει γρήγορες μεταβολές στο χώρο (space-selective), στο χρόνο (time-selective) και στη συχνότητα (frequency-selective). Οι μεταβολές που οφείλονται στην πολυόδευση λέγονται ταχείες διαλείψεις (fast fading), ενώ αυτές που οφείλονται στην απομάκρυνση του σημείου λήψης από το σημείο εκπομπής βραδείες διαλείψεις (slow fading). Τα στοχαστικά δείγματα πλάτους ισχύος λήψης θεωρείται ότι ακολουθούν κατανομή Rayleigh, ενώ αν μια εκ των συνιστωσών είναι και η συνιστώσα οπτικής επαφής (Line Of Sight), τότε ακολουθούν κατανομή Rice. Υπάρχουν προχωρημένες περιγραφές της πολυόδευσης που επιτυγχάνουν καλύτερη πρόβλεψη των αποτελεσμάτων. Το φαινόμενο της πολυόδευσης καταπολεμείται με τεχνικές απόκλισης (diversity techniques) και κωδικοποίηση χώρου-χρόνου (Space-Time Coding). 13

13 Σκίαση Η σκίαση (shadowing) μαζί με τις απώλειες από απόσταση (path loss) έχουν σαν αποτέλεσμα τις μεταβολές βραδείας απόσβεσης. Κατά το φαινόμενο της σκίασης ο δέκτης βρίσκεται πολύ κοντά σε μεγάλο εμπόδιο το οποίο αποκόπτει τις ισχυρές συνιστώσες του προσπίπτοντος κύματος με αποτέλεσμα η ισχύς λήψης να είναι πολύ μικρή έως μηδενική. Το φαινόμενο αυτό επικρατεί σε διάδοση μέσα σε πόλη για υψηλές συχνότητες (κινητή τηλεφωνία, δορυφόροι) ή και για χαμηλότερες συχνότητες σε περιβάλλον με βουνά ή σε σήραγγες. Παρεμβολές Κατά την λήψη κυμάτων από το ασύρματο κανάλι και λόγω του κοινόχρηστου χαρακτήρα του, εμφανίζονται στο δέκτη ανεπιθύμητα σήματα που ονομάζονται παρεμβολές. Αυτά τα σήματα προέρχονται από ανθρώπινες εκπομπές στο συχνοτικό φάσμα και χωρίζονται στην παρεμβολή γειτονικού καναλιού (adjacent channel interference) και την ομοκαναλική παρεμβολή (cochannel interference). Κατά την παρεμβολή γειτονικού καναλιού, ο παρεμβολέας είναι ένα εκπεμπόμενο σήμα που βρίσκεται σε πολύ κοντινή συχνότητα με αυτή του επιθυμητού σήματος. Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη σε περίπτωση που το σήμα παρεμβολής έχει σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ από το σήμα προς λήψη και καταπολεμείται με τη χρήση αυστηρών ζωνοδιαβατών φίλτρων στην έξοδο των πομπών. Η ομοκαναλική παρεμβολή προέρχεται συνήθως από αρμονικές συχνότητες άλλων συστημάτων εκπομπής που τυγχάνουν να βρίσκονται στο φάσμα του σήματος προς λήψη. Στην περίπτωση δικτύων που οι δεδομένες συχνότητες επαναχρησιμοποιούνται (κινητή τηλεφωνία, ραδιοφωνία FM), η ομοκαναλική παρεμβολή είναι εγγενές χαρακτηριστικό του δικτύου, και πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη σημασία σε αυτήν κατά τη σχεδίασή του. Ένα άλλο είδος παρεμβολής είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation interference). Αυτό το είδος της παρεμβολής, βασίζεται στο γεγονός ότι το ημιτονικό σήμα διερχόμενο από μια μη γραμμική συσκευή (και άρα πολλαπλασιάζεται με ένα πολυώνυμο α+βx+γx 2 +δx 3 + ) διευρύνεται στο φάσμα καθώς εμφανίζονται αρμονικές συχνότητες λόγω των μεγάλων όρων του πολυωνύμου. Η παρεμβολή αυτή μπορεί να εμφανιστεί στον πομπό, όπου τα ενεργά κυκλώματα ισχύος μπορούν να εμφανίσουν μη γραμμικότητες, ή ακόμα και στο δέκτη από μια λεπτή επαφή αγωγών. Όπως προαναφέρθηκε, σε μερικά συστήματα επικοινωνιών οι παρεμβολές μπορεί να είναι ένα φαινόμενο που προκύπτει από το ίδιο το σύστημα και είναι αδύνατο να αποφευχθεί. Πολλές φορές όμως οι παρεμβολές προκύπτουν από άλλα συστήματα επικοινωνιών που ενυπάρχουν στον ίδιο χώρο και μάλιστα από απρόσμενη συμπεριφορά τους. Ένα παράδειγμα είναι οι παρεμβολές που εμφανίστηκαν σε συστήματα κινητής τηλεφωνίας DCS 1800, όταν αυτά εγκαταστάθηκαν και οι οποίες αποδόθηκαν στην τρίτη αρμονική των συστημάτων λήψης τηλεόρασης UHF, που χρησιμοποιούσαν 14

14 ενισχυτές τρίτης τάξης. Οι εν λόγω συσκευές ήταν φθηνές, μη εγκεκριμένες από πρότυπα, οι οποίες έπρεπε πλέον να απεγκατασταθούν. Με την πρόβλεψη και αποφυγή τέτοιων ανεπιθύμητων καταστάσεων ασχολείται η επιστήμη Ηλεκτρομαγνητικής Συμβατότητας. Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union) είναι επίσης ένας φορέας που ασχολείται με πρότυπα που διασφαλίζουν την ομαλή επικοινωνία των ασύρματων συστημάτων και κάνει δοκιμές συμβατότητας (compatibility tests CE). Ολίσθηση Συχνότητας Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των ασύρματων δικτύων είναι η ελευθερία κίνησης του πομπού και του δέκτη. Αντίθετα με τα ενσύρματα δίκτυα, οι ασύρματοι κόμβοι επικοινωνίας είναι δυνατόν να βρίσκονται μέσα σε ένα γρήγορο μέσο μεταφοράς, για παράδειγμα ένα αυτοκίνητο. Στην περίπτωση όμως, που ο δέκτης με τον πομπό εμφανίζουν διαφορά ταχύτητας μεταξύ τους, ένα επιπλέον φαινόμενο αλλοίωσης του σήματος κάνει την εμφάνισή του. Το φαινόμενο αυτό περιγράφεται από την ολίσθηση συχνότητας Doppler. υ f d = (1.2) λ Η απλοποιημένη αυτή μορφή ολίσθησης ονομάζεται συμμετρική ολίσθηση Doppler. Ο συνδυασμός των περίπλοκων μηχανισμών διάδοσης είναι δυνατόν να προκαλέσει και μη συμμετρική ολίσθηση φάσματος. Από όσα αναφέρθηκαν είναι σαφές ότι, κατά την ασύρματη επικοινωνία, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η πρόβλεψη της στάθμης ισχύος λήψης ή ακόμα πιο γενικά, η πρόβλεψη κατανομής ισχύος στο χώρο από μια εκπομπή. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται τα μοντέλα διάδοσης. Τα μοντέλα διάδοσης χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες. Τα μοντέλα μικρής κλίμακας (small scale modeling), τα οποία λαμβάνουν υπόψη το φαινόμενο της πολυόδευσης, είναι σχεδιασμένα να περιγράφουν τις γρήγορες μεταβολές του καναλιού. Τα μοντέλα μεσαίας κλίμακας (medium scale modeling) καθορίζουν τις μεταβολές των απωλειών λόγω του φαινομένου της σκίασης. Τέλος τα μοντέλα μεγάλης κλίμακας (long scale modeling) περιλαμβάνουν κυρίως εναλλακτικούς τύπους για τις απώλειες που έχει περιγράψει ο Friis. Διαμόρφωση Η προς μετάδοση πληροφορία έχει συνήθως τη μορφή ενός σήματος βασικής ζώνης. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι το φάσμα του σήματος πληροφορίας ξεκινάει από τις πολύ χαμηλές συχνότητες. Όπως εξηγήθηκε όμως, η εκπομπή και διάδοση κυμάτων συμβαίνει κάτω από διαφορετικούς όρους σε κάθε τμήμα του φάσματος. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται η τεχνική της διαμόρφωσης. Συγκεκριμένα, το σήμα πληροφορίας διαμορφώνει ένα υψίσυχνο σήμα, που ονομάζεται φέρον. Το σήμα αυτό έχει φασματικές συχνότητες ιδανικές προς μετάδοση (συνημίτονο υψηλής συχνότητας) και 15

15 κατά την εκπομπή του αποτελεί τον φορέα του σήματος πληροφορίας. Η διαμόρφωση χωρίζεται σε αναλογική και ψηφιακή. Στην Αναλογική Διαμόρφωση το σήμα πληροφορίας είναι αναλογικό. Υπάρχουν τρία είδη αναλογικής διαμόρφωσης, η διαμόρφωση πλάτους, η διαμόρφωση συχνότητας και η διαμόρφωση φάσης. Στην Ψηφιακή Διαμόρφωση το σήμα πληροφορίας είναι ένας αναλογικός παλμός, που προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό ενός ψηφιακού παλμού με ένα αναλογικό παράθυρο κανονικοποίησης. Αυτός ο μετασχηματισμός έχει στόχο να περιορίσει το φάσμα του ψηφιακού παλμού και να καταπολεμήσει την ενδοσυμβολική παρεμβολή. Κάθε ψηφιακός παλμός περιγράφει M bit πληροφορίας και ονομάζεται σύμβολο. Ο ρυθμός συμβόλων (baud rate) είναι σημαντική παράμετρος για ένα σύστημα, καθώς καθορίζει την ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων. Μια άλλη σημαντική παράμετρος είναι ο σηματοθορυβικός λόγος (Signal to Noise Ratio ή SNR), που ισούται με το λόγο της ισχύος του σήματος λήψης προς την ισχύ θορύβου στον δέκτη. Καθώς η ισχύς θορύβου θεωρείται σταθερή για έναν δέκτη, είναι προφανές ότι για σταθερές απώλειες καναλιού, ο λόγος σήματος προς θόρυβο εξαρτάται από την ισχύ εκπομπής. Για κάθε σχήμα διαμόρφωσης προκύπτει μια χαρακτηριστική σχέση που συνδέει το λόγο σήματος προς θόρυβο με την πιθανότητα σφάλματος P e ή το ρυθμό σφαλμάτων (Bit Error Rate). Όσο η ισχύς εκπομπής αυξάνεται, αυξάνεται και ο λόγος σήματος προς θόρυβο ενώ ελαττώνεται η πιθανότητα να γίνει κάποιο σφάλμα. Επίσης οι μορφές διαμόρφωσης με πολλά bit ανά σύμβολο (μεγάλο M) έχουν μεγαλύτερη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων, αλλά απαιτούν περισσότερη ισχύ εκπομπής για την ίδια πιθανότητα σφάλματος. Αντίστοιχα με την αναλογική, έχουμε την ψηφιακή διαμόρφωση πλάτους, συχνότητας και φάσης Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης Τα περισσότερα συστήματα επικοινωνιών, μεταξύ των οποίων και τα ασύρματα δίκτυα, είναι σχεδιασμένα για την ταυτόχρονη επικοινωνία πολλών σημείων του δικτύου. Η παράλληλη μεταφορά δεδομένων από το ίδιο κανάλι πληροφορίας ονομάζεται πολυπλεξία ή πολλαπλή πρόσβαση (Multiple Access). Η λογική της πολλαπλής πρόσβασης έγκειται στο γεγονός ότι τα συμπορευόμενα σήματα είναι ορθογωνικά μεταξύ τους. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να ομαδοποιηθούν τα κανάλια πρόσβασης σε ένα, όπως είναι η πολλαπλή πρόσβαση συχνότητας, χρόνου, χώρου και κώδικα. Πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη συχνότητας Στην πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη συχνότητας (Frequency Division Multiple Access) τα σήματα διαχωρίζονται με βάση τη συχνότητα. Το διαθέσιμο φάσμα χωρίζεται σε τμήματα όπου κάθε τμήμα φιλοξενεί ένα διαφορετικό κανάλι. Ο πομπός ομαδοποιεί τα σήματα πολλαπλασιάζοντάς τα με ένα φέρον διαφορετικής συχνότητας, ενώ ο δέκτης χρησιμοποιεί ετεροδύνωση και ένα φίλτρο για να επιλέξει το επιθυμητό κανάλι. Για να 16

16 αποφευχθεί η παρεμβολή γειτονικού καναλιού απαιτείται ένα διάκενο μεταξύ των σημάτων. Το φαινόμενο αυτό οδηγεί σε σπατάλη του διαθέσιμου φάσματος. Γνωστά συστήματα που χρησιμοποιούν πολλαπλή πρόσβαση συχνότητας είναι το GSM, το ραδιόφωνο FM κ.α. Πολλαπλή πρόσβαση με ορθογωνική πολύπλεξη συχνότητας Η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης ορθογωνικής πολύπλεξης (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) στηρίζεται στις ιδιότητες του μετασχηματισμού Fourier. Τα παραλλήλως εκπεμπόμενα σήματα τοποθετούνται σε υποφέρουσες που αλληλεπικαλύπτονται μερικώς, διατηρούν όμως την ορθογωνικότητά τους με τις υπόλοιπες υποφέρουσες συχνότητες, αφού έχουν πρώτα υποστεί αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier (Inverse Fourier Transform). Έτσι, ο δέκτης εκτελώντας έναν μετασχηματισμό Fourier μπορεί να αποκαλύψει το ζητούμενο σήμα. Η τεχνική αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως τεχνική διαμόρφωσης, όταν τα παράλληλα σήματα είναι διαφορετικά τμήματα της ψηφιακής ακολουθίας του ίδιου σήματος, οπότε και ονομάζεται ορθογωνική πολύπλεξη συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ή OFDM). Το OFDM χρησιμοποιείται τόσο σε ενσύρματες επικοινωνίες (ADSL) όσο και σε ασύρματες (WLAN ). To OFDM είναι αντικείμενο έρευνας για καλύτερη διαχείριση φάσματος. Πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη χρόνου H τεχνική πολύπλεξης στο χρόνο (Time Division Multiple Access) στηρίζεται στην διαίρεση του χρόνου εκπομπής σε χρονοθυρίδες. Κάθε κανάλι επικοινωνίας χρησιμοποιεί μια από τις ελεύθερες χρονοθυρίδες για να αποστείλει τις πληροφορίες προς μετάδοση. Τα υπόλοιπα σήματα εκπέμπονται στην ίδια συχνότητα, αλλά σε διαφορετικές χρονοθυρίδες. Σε περίπτωση που η επικοινωνία είναι αμφίδρομη, η άνω ζεύξη (uplink channel) και η κάτω ζεύξη (downlink channel) μπορεί να διαχωρίζονται στη συχνότητα (Frequency Division Duplexing) ή στο χρόνο οπότε απλά καταλαμβάνουν διαφορετική χρονοθυρίδα (Time Division Duplexing). Παράδειγμα ασύρματου δικτύου, που χρησιμοποιεί πρόσβαση TDMA-FDD, είναι το σύστημα GSM, ενώ παράδειγμα δικτύου με πρόσβαση TDMA-TDD είναι το DECT (σύστημα ασύρματης τηλεφωνίας). Πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη χώρου Η λογική της πολλαπλής πρόσβασης με πολύπλεξη χώρου (Space Division Multiple Access) χρησιμοποιείται στα ασύρματα δίκτυα με κυψέλες. Το ίδιο τμήμα του φάσματος επαναχρησιμοποιείται σε απόσταση D, όπου θεωρείται ότι η παρεμβολή των υπόλοιπων χρηστών του καναλιού γίνεται πολύ μικρή λόγω των απωλειών διάδοσης. Η απόσταση αυτή είναι πολύ σημαντική και καθορίζεται ανάλογα με την εφαρμογή. Στην περίπτωση της ραδιοφωνίας FM, η πολύπλεξη γίνεται σε επίπεδο νομών και με βάση το γεωγραφικό ανάγλυφο. Στο κυψελωτό δίκτυο GSM, η απόσταση αυτή είναι πολύ μικρότερη και καθορίζεται με βάση το συντελεστή επαναχρησιμοποίησης: 3N=D/R, όπου R η ακτίνα της κυψέλης και Ν ο αριθμός των κυψελών που χρησιμοποιούν διαφορετικές συχνότητες. Στα τοπικά ασύρματα δίκτυα ο διαχωρισμός 17

17 επιτυγχάνεται με τη βοήθεια της ταχείας απόσβεσης των κυμάτων με την απόσταση. Πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη κώδικα Η πολλαπλή πρόσβαση με πολύπλεξη κώδικα (Code Division Multiple Access) είναι μια τεχνική όπου τα παράλληλα εκπεμπόμενα σήματα διαφέρουν μόνο στον κώδικα που φέρουν. Οι κώδικες που αποδίδονται σε κανάλι επικοινωνίας είναι ορθογωνικοί μεταξύ τους. Ο δέκτης πρέπει να γνωρίζει τον κώδικα του σήματος που πρόκειται να λάβει. Πολλαπλασιάζοντας το συνολικό λαμβανόμενο σήμα με τον αντίστοιχο κώδικα, τα γινόμενα των διαφορετικών κωδίκων μηδενίζονται, ενώ το γινόμενο του ζητούμενου κώδικα μας δίνει το μεταφερόμενο σήμα (ιδιότητα ορθογωνικότητας). To θέμα της επιλογής κατάλληλων ορθογωνικών κωδίκων έχει απασχολήσει ιδιαίτερα την επιστημονική έρευνα. Για αποτελεσματικότερη επικοινωνία με πολλαπλή πρόσβαση κώδικα χρησιμοποιείται και η τεχνική διευρυμένου φάσματος (spread spectrum technique). Η περίοδος του κώδικα επιλέγεται να είναι ιδιαίτερα μικρή με αποτέλεσμα να κατακερματίζει τον ψηφιακό παλμό πληροφορίας (σχήμα 1.3). Το τελικό σήμα προς εκπομπή έχει πολύ μεγαλύτερο φάσμα κατά τη διάρκεια της εκπομπής του. Η διαδικασία επιλογής σήματος στο δέκτη έχει ως συνέπεια την συμπύκνωση του φάσματος, από την οποία ανακύπτει και το ζητούμενο σήμα. Κατά τη διάρκεια αυτού του υπολογισμού, οποιοδήποτε σήμα στενής ζώνης (τυχόν σήμα παρεμβολής) και υψηλής ισχύος, έχει μικρή επιρροή στη λήψη του σήματος. Ο θερμικός θόρυβος έχει επίσης μικρή επιρροή λόγω της στατιστικής του ανεξαρτησίας από τους χρησιμοποιούμενους κώδικες. Η σημαντικότερη πηγή παρεμβολών σε αυτά τα συστήματα είναι οι υπόλοιποι χρήστες του συστήματος λόγω της μη απόλυτης ορθογωνικότητας των κωδίκων. Μια άλλη μέθοδος διευρυμένου φάσματος είναι η ταχεία εναλλαγή συχνοτήτων (Frequency Hopping Spread Spectrum), η πρώιμη μορφή του οποίου ανακαλύφθηκε κατά τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο για την αποφυγή παρεμβολών από τον εχθρό. Στην περίπτωση αυτή το σήμα εκπέμπεται σε μια προκαθορισμένη ακολουθία διαφορετικών συχνοτήτων. Αν σε μια συχνότητα εκπέμπεται ένα σήμα παρεμβολής τότε το λαμβανόμενο σήμα είναι επηρεασμένο μόνο κατά έναν μικρό συντελεστή λόγω του φαινομενικά διευρυμένου φάσματός του. Πολλαπλή πρόσβαση με μέτρηση φέροντος Η πολλαπλή πρόσβαση με μέτρηση φέροντος (Carrier Sense Multiple Access) είναι μια μέθοδος πρόσβασης για ασύρματα δίκτυα πακέτων. Η πρώτη της εκδοχή ήταν το ALOHA, ένα σύστημα πρόσβασης που χρησιμοποιήθηκε για να συνδέσει ασύρματα τα Πανεπιστήμια των νησιών της Χαβάης, σε ένα από τα παλαιότερα ασύρματα δίκτυα πακέτου. Η βασική λειτουργία στηρίζεται σε κοινή εκπομπή στο ίδιο φάσμα συχνοτήτων. Σε περίπτωση ταυτόχρονης εκπομπής πακέτων έχουμε σύγκρουση πακέτων 18

18 (collision) και οι πομποί θα πρέπει να εκπέμψουν ξανά μετά από ένα τυχαίο διάστημα. Αυτό το σύστημα μετρήθηκε να έχει Ωφέλιμο Ρυθμό Μετάδοσης (ΩΡΜ ή Throughput) 18% σε σχέση με τη θεωρητική ταχύτητα μετάδοσης, λόγω των συγκρούσεων πακέτων. Το επερχόμενο σύστημα Slotted ALOHA κατάφερε να έχει διπλάσια ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων, υποχρεώνοντας του πομπούς να εκπέμπουν σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές (time slots). Με τον τρόπο αυτό ελαττώθηκε η πιθανότητα σύγκρουσης και επομένως βελτιώθηκε η απόδοση του συστήματος σε ταχύτητα. Οι νέες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης με μέτρηση φέροντος χρησιμοποιούν τη γνώση της κατάστασης του καναλιού (κατειλημμένο ή ελεύθερο) για να ελαττώσουν ακόμα περισσότερο την πιθανότητα σύγκρουσης. (α) (β) (γ) Σχήμα 1.3 Η διαδικασία διεύρυνσης φάσματος κατά την πολλαπλή πρόσβαση κώδικα. (α) Η τεχνική DSSS, (β) Διεύρυνση φάσματος, (γ) Διαδοχή συχνοτήτων στο Frequency Hopping Έλεγχος Λαθών Οι ψηφιακές επικοινωνίες έχουν κατακτήσει τον κόσμο των τεχνολογιών επικοινωνίας και ο βασικός λόγος που συμβαίνει αυτό είναι η ικανότητα ελέγχου και διόρθωσης λαθών. Η εγγενής αυτή ιδιότητα που διακρίνει τα ψηφιακά συστήματα από τα αντίστοιχα αναλογικά, στηρίζεται ακριβώς στον τεμαχισμό του χώρου τιμών και στον περιορισμό χρήσης δύο μόνο τιμών σήματος, το λογικό 1 και το λογικό 0. Εύκολα μπορεί κανείς να διακρίνει έναν βασικό τρόπο για να ελεγχθεί το λάθος σε ένα ψηφιακό σύστημα 19

19 επικοινωνιών. Ας υποθέσουμε ότι η αποστολή ενός 1 κατά την πορείας της στο ασύρματο κανάλι παραμορφώνεται με αποτέλεσμα να ληφθεί η τιμή 0,9. Ένας ψηφιακός δέκτης είναι δυνατόν να κατανοήσει ότι η αρχική πληροφορία θα ήταν πιθανότατα 1 (λειτουργία ανιχνευτή βέλτιστης πιθανοφάνειας - maximum likelihood detector) και να διορθώσει το λάθος. Αντίθετα ένας αναλογικός δέκτης είναι υποχρεωμένος να κάνει λάθος καθώς το 0,9 ανήκει στις αναμενόμενες τιμές λήψης και δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι έχει γίνει κάποιο λάθος. Ο έλεγχος λαθών μάλιστα, μπορεί να πραγματοποιηθεί σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από ότι στο απλοϊκό αυτό παράδειγμα. Το κεφάλαιο της επιστήμης που ασχολείται με τον έλεγχο και διόρθωση λαθών ονομάζεται ψηφιακή κωδικοποίηση καθώς για λόγους απόδοσης χρησιμοποιούνται ειδικοί κώδικες. Δεδομένου ότι το σήμα πληροφορίας υπό μετάδοση είναι μια ψηφιακή ακολουθία παλμών 0 και 1, και ότι το σήμα λαμβάνεται από το δέκτη με άγνωστο ποσό παραμόρφωσης, κάποιοι παλμοί 0 ή 1 παρερμηνεύονται σε 1 ή 0 αντίστοιχα. Κάθε τέτοια παρερμήνευση θεωρείται ως ένα λάθος bit (bit error). Η θεωρία της κωδικοποίησης συνοψίζεται στη χρήση μιας μεθόδου ή ενός κώδικα έτσι ώστε να ανιχνευθούν τυχόν λανθασμένα bit και να διορθωθούν (η διόρθωση είναι άμεση καθώς το λάθος 1 ερμηνεύεται ως σωστό 0 ). Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η ένταση θορύβου και παρεμβολών, το ασύρματο περιβάλλον, η ισχύς εκπομπής και το χρησιμοποιούμενο σχήμα διαμόρφωσης είναι παράγοντες αρκετά σημαντικοί για την ύπαρξη αλλά και την ποσοτική εκτίμηση των λαθών. Η κωδικοποίηση όμως είναι η μέθοδος για τη διόρθωσή τους. Οι πιο γνωστοί κώδικες διόρθωσης λαθών είναι: ο έλεγχος ισοτιμίας, οι μπλοκ κώδικες, οι συνελικτικοί κώδικες και οι κώδικες Turbo. 20

20 Kεφάλαιο 2 Το Σύστημα UMTS Αν θέλαμε να περιγράψουμε συνοπτικά το σύστημα που αναπτύσσει και εξελίσσει το 3GPP[88], τότε θα λέγαμε ότι είναι «μία διεπαφή CDMA στον αέρα μέσω της οποίας ανταλλάσσονται πακέτα, σε συνδυασμό με ένα εξελιγμένο κεντρικό δίκτυο GSM/GPRS». Από την άλλη πλευρά, η οικογένεια προτύπων IMT-2000 περιλαμβάνει πολλές άλλες τεχνολογίες. Όμως, η τεχνολογία που συνδυάζει το WCDMA με το GSM και η οποία αναπτύσσεται από το 3GPP, είναι η πιο δημοφιλής. Ο λόγος για αυτή την επικράτηση είναι προφανής: μεταξύ των τεχνολογιών δεύτερης γενιάς, η τεχνολογία GSM ήταν η πιο διαδεδομένη. Συνεπώς, οι εταιρίες επέλεξαν την οικονομικότερη μεταξύ των προτάσεων του IMT-2000, δηλαδή αυτήν την πρόταση η οποία διατηρούσε την αξία και τη λειτουργικότητα των προηγούμενων επενδύσεών τους. Ο συνδυασμός του WCDMA με τις εξελίξεις του GSM όσον αφορά το δίκτυο κορμού, ονομάζεται Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Πρόκειται για το σύστημα τρίτης γενιάς που έχει επικρατήσει στην Ευρώπη και σταδιακά επεκτείνεται στη Βόρεια Αμερική με αποτέλεσμα η τρίτη γενιά κυψελωτών κινητών συστημάτων να τείνει να ταυτιστεί με αυτό το σύστημα. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφούν τα χαρακτηριστικά, η δομή και η λειτουργία του συστήματος. Επίσης στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα παρουσιαστεί αναλυτικά η αρχιτεκτονική και οι λειτουργικότητες του συστήματος UMTS. 2.1 Γενικά Χαρακτηριστικά Η μετάβαση ενός δικτύου GSM σε ένα δίκτυο UMTS είναι ιδιαίτερα ομαλή. Αυτή η εξέλιξη είναι ακόμα απλούστερη αν στο δίκτυο GSM έχει ενσωματωθεί και η τεχνολογία GPRS. Τα συστήματα GSM σταδιακά ενσωμάτωσαν πολλά χαρακτηριστικά τα οποία είναι συμβατά με τις απαιτήσεις του UMTS. Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τα βασικά χαρακτηριστικά του UMTS και εξετάζει το κατά πόσο υπάρχει συμβατότητα με τις λειτουργίες του GSM. Χαρακτηριστικά του UMTS Μικρές και άνετες φορητές συσκευές Οπουδήποτε και κάθε στιγμή (συμβατότητα με οικιακά ασύρματα δίκτυα) Οπουδήποτε (συμβατότητα με δορυφορικά δίκτυα) Συμβατότητα του GSM Ναι Ναι (picocells, GSM office) Ναι 21

21 Διεισδυτικότητα σε κτίρια, υπόγεια κ.α. Ομιλία υψηλής ποιότητας Παγκόσμια περιαγωγή Υπηρεσίες νοήμονος δικτύου Υπηρεσίες Δεδομένων Υποστήριξη υψηλής πυκνότητας χρηστών Πολυμέσα, ψυχαγωγία Εναλλαγή μεταξύ φορέων πραγματικού χρόνου και όχι Υπηρεσίες ρυθμών μετάδοσης άνω των 200 Kbps Ναι Ναι Ναι Ναι Ναι (GPRS) Ναι (ιεραρχίες κελιών) Ναι (HSCSD) Όχι Όχι Πίνακας 1. Τα χαρακτηριστικά του UMTS και η συμβατότητα του GSM Όπως δείχνει ο Πίνακας 1, ένα δίκτυο GSM με όλες τις προσθήκες και τις βελτιώσεις προσεγγίζει ένα δίκτυο UMTS. Τα μόνα χαρακτηριστικά του UMTS τα οποία δεν καλύπτονται από ένα δίκτυο GSM οφείλονται στην πιο ευέλικτη διεπαφή CDMA που χρησιμοποιεί στον αέρα, η οποία μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονα διαφορετικούς τύπους φορέα. Επίσης, το UMTS μπορεί να υποστηρίξει μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης που όμως δεν απέχουν πολύ από τους ρυθμούς μετάδοσης που υποστηρίζουν τα δίκτυα GSM της γενιάς 2, Η Αρχιτεκτονική του UMTS Η Εικόνα 1 παρουσιάζει την αρχιτεκτονική του συστήματος UMTS σε ένα υψηλό επίπεδο. Σε αυτό το κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής θα περιγραφούν όλες οι συνιστώσες που παρουσιάζονται στην Εικόνα 1, καθώς και οι μεταξύ τους διεπαφές. 22

22 Εικόνα 1. Η αρχιτεκτονική του UMTS σε υψηλό επίπεδο User Equipment Ο όρος User Equipment (UE) θα λέγαμε ότι ταυτίζεται με την έννοια της φορητής συσκευής. Για παράδειγμα, UE μπορεί να αποτελέσει ένα κινητό τηλέφωνο, μία συσκευή Personal Digital Assistant (PDA) ή ένας φορητός υπολογιστής. Το UE είναι συνδεδεμένο μέσω της διεπαφής Uu, που είναι βασισμένη στην τεχνολογία WCDMA, με το UTRAN. Ένα UE μπορεί να συνδεθεί ταυτόχρονα με περισσότερα του ενός κελιά. Το UE αποτελείται από δύο τμήματα: Τον Mobile Equipment: αποτελείται από το ίδιο το hardware της φορητής συσκευής. Όμως, η συσκευή από μόνη της δε μπορεί να παρέχει καμία υπηρεσία. Την κάρτα USIM: πρόκειται για μία κάρτα η οποία περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες προκειμένου να είναι δυνατή η πρόσβαση στο δίκτυο UMTS και η ταυτοποίηση από αυτό. Η κάρτα USIM είναι μία κάρτα αντίστοιχη της κάρτας SIM των δικτύων GSM. Όμως, ενώ η χωρητικότητα μίας κάρτας SIM είναι 8 ή 32 Kbytes, η χωρητικότητα της κάρτας USIM είναι τέτοια ώστε να μπορεί να αποθηκεύει προσωπικά δεδομένα της τάξης των Mbytes UTRAN Το UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) είναι ένα νέο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για το σύστημα UMTS. Διαχωρίζεται από το UE μέσω της διεπαφής Uu και από το Core Network (CN) μέσω της διεπαφής Iu. Η βασικότερη λειτουργία του UTRAN είναι η εποπτεία και η διαχείριση των ασύρματων πόρων του δικτύου. Η λειτουργία αυτή συμπεριλαμβάνει την ευθύνη για τον έλεγχο της ισχύος καθώς και την υποστήριξη και διαχείριση των handovers. Η Εικόνα 2 απεικονίζει τη δομή του UTRAN. 23

23 Εικόνα 2. Η δομή του UTRAN Όπως φαίνεται από την Εικόνα 2, το δίκτυο UTRAN αποτελείται από τους Radio Network Controllers (RNCs) και τους Node Bs. Οι Node Bs είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο ενός ή περισσοτέρων κελιών. Μία ομάδα από Node Bs συνδέεται, μέσω των διεπαφών Iub, με έναν κόμβο RNC. Ο Node B λειτουργεί στο επίπεδο φυσικού μέσου και δικτύου (μοντέλο OSI) και μεταφέρει δεδομένα προς τον RNC στον οποίο είναι συνδεδεμένος. Επιπλέον, κάνει μετρήσεις πάνω στην ποιότητα και την ισχύ των ασύρματων συνδέσμων προς τα UEs και δίνει αναφορές στον RNC. Κάθε κόμβος RNC ελέγχει έναν ή περισσότερους Node Bs. Ένας κόμβος RNC μαζί με τους συνδεδεμένους σε αυτόν Node Bs αποτελούν ένα Radio Network Subsystem(RNS). Ο RNC λαμβάνει τις πληροφορίες που συλλέγουν οι Node Bs του δικού του RNS και προσαρμόζει τις παραμέτρους του ασύρματου υποσυστήματος. Μία τέτοια παράμετρος μπορεί να είναι η ισχύς του ασύρματου σήματος στο UE ή στον Node B. Επίσης, ο RNC είναι υπεύθυνος για την ανάθεση του κώδικα WCDMA που θα χρησιμοποιήσουν ο Node B και το UE στη μεταξύ τους επικοινωνία, έτσι ώστε να μην υπάρξουν παρεμβολές από άλλους ασύρματους συνδέσμους. Τέλος, μία άλλη λειτουργία των κόμβων RNC είναι ο έλεγχος των handovers που λαμβάνουν χώρα μεταξύ διαφορετικών RNSs. Προκειμένου να υλοποιηθεί η 24

24 συγκεκριμένη διαδικασία οι RNCs είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους μέσω της διεπαφής Iur ( Εικόνα 2). Πρόκειται για μία διεπαφή η οποία είναι υλοποιημένη με δίκτυο Asynchronous Transfer Mode (ATM). Όπως φαίνεται στην Εικόνα 2, ένας κόμβος RNC συνδέεται με το CN μέσω της διεπαφής Iu. Η συγκεκριμένη διεπαφή έχει δύο συνιστώσες: τη συνιστώσα Iu-Circuit Switched (Iu-CS) που χρησιμοποιείται για υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος (φωνή) και τη συνιστώσα Iu-Packet Switched (Iu-PS) που χρησιμοποιείται για υπηρεσίες μεταγωγής πακέτων (υπηρεσίες δεδομένων). Στο UTRAN τα κελιά ομαδοποιούνται σε ομάδες κελιών οι οποίες ονομάζονται Routing Areas (RAs). Επίσης, τα κελιά σε μια RA ομαδοποιούνται περαιτέρω σε UTRAN Registration Areas (URAs) όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα CN Εικόνα 3. RAs και URAs Το CN είναι το δίκτυο κορμού του συστήματος UMTS. Είναι συνδεδεμένο με άλλα δίκτυα όπως τηλεφωνικά δίκτυα Public Telephone Switched Network (PSTN), δίκτυα δεδομένων Public Data Networks (PDNs) όπως το Internet καθώς και με άλλα κινητά δίκτυα. Το CN είναι υπεύθυνο για τη δρομολόγηση, την ταυτοποίηση, τον εντοπισμό των χρηστών καθώς και για άλλες πολλές βασικές λειτουργίες. To CN διαιρείται σε δύο πεδία: το πεδίο μεταγωγής κυκλώματος (CS) και το πεδίο μεταγωγής πακέτων (PS). Όσον αφορά το πεδίο CS, αυτό περιλαμβάνει τους εξής κόμβους: Mobile Services Switching Center (MSC): ο κόμβος MSC αποτελεί έναν κόμβο μεταγωγής ο οποίος δρομολογεί τα δεδομένα των υπηρεσιών μεταγωγής κυκλώματος εντός του δικτύου UMTS. Κάθε κόμβος MSC διαχειρίζεται πολλά RNCs τα οποία συνδέονται σε αυτόν μέσω της διεπαφής Iu-CS. Επίσης, είναι συνδεδεμένος με τις βάσεις δεδομένων 25

25 του δικτύου όπως τη βάση δεδομένων Home Location Register (HLR) και τη Visitor Location Register (VLR). Τέλος, μία άλλη πολύ χρήσιμη λειτουργία του κόμβου MSC είναι η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών για τις υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC): Ο κόμβος GMSC είναι συνδεδεμένος με τους κόμβους MSC. Η λειτουργία του είναι να διασυνδέει το δίκτυο UMTS με άλλα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος όπως PSTN και ISDN. Visitor Location Register (VLR): Ο κόμβος VLR είναι μία βάση δεδομένων. Συνήθως κάθε VLR αντιστοιχεί σε έναν MSC. Η βάση VLR αποθηκεύει προσωρινή πληροφορία σχετικά με την ταυτοποίηση και την ασφάλεια καθώς και άλλες χρήσιμες πληροφορίες που σχετίζονται με όλους τους χρήστες που διαχειρίζεται κάθε δεδομένη στιγμή ο αντίστοιχος MSC. Η βάση VLR λαμβάνει την αρχική πληροφορία από τη βάση HLR και αναλαμβάνει να την ενημερώσει για τυχόν μεταβολές στα δεδομένα της. Όλες οι συναλλαγές μεταξύ VLR και HLR γίνονται μέσω ενός MSC. Όσον αφορά το πεδίο PS, αυτό αποτελείται από τους παρακάτω κόμβους. Αξίζει να επισημανθεί η αντιστοιχία που υπάρχει με τους κόμβους του πεδίου CS. Serving GPRS Support Node (SGSN): Ο SGSN αποτελεί τον αντίστοιχο κόμβο του MSC στο πεδίο CS. Αυτό σημαίνει ότι αναλαμβάνει τη δρομολόγηση δεδομένων των υπηρεσιών μεταγωγής πακέτων εντός του δικτύου UMTS. Επιπλέον, διαχειρίζεται τους κόμβους RNCs οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι σε αυτόν μέσω της διεπαφής Iu-PS. Επίσης, αλληλεπιδρά με βάσεις δεδομένων, όπως η βάση HLR. Τέλος, ο κόμβος SGSN είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών για τις υπηρεσίες μεταγωγής πακέτων. Gateway GPRS Support Node (GGSN): Πρόκειται για έναν κόμβο αντίστοιχο του GMSC του πεδίου CS. Διασυνδέει τους κόμβους SGSNs με εξωτερικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων όπως το X.25 και το Internet. Τέλος, υπάρχουν ορισμένοι κόμβοι του CN οι οποίοι είναι κοινοί, δηλαδή τους χρησιμοποιούν και τα δύο πεδία. Παρακάτω, αναφέρονται οι δύο σημαντικότεροι από αυτούς: Home Location Register (HLR): Πρόκειται για μία βάση δεδομένων η οποία αποθηκεύει δεδομένα των χρηστών τα οποία μένουν σχετικά σταθερά στο χρόνο. Αυτά τα δεδομένα είναι αναγνωριστικά, πληροφορίες για τις υπηρεσίες του δικτύου στις οποίες συμμετέχει ο συνδρομητής κ.α. Authentication Center (AuC): Αποτελεί έναν κόμβο που είναι συσχετισμένος με έναν HLR. Ο κόμβος αυτός αποθηκεύει πληροφορίες ταυτοποίησης και κρυπτογράφησης για τους συνδρομητές. Οι πληροφορίες αυτές φορτώνονται στον κόμβο κατά την έναρξη της συνδρομής από το χρήστη. 26

26 Η Εικόνα 4 δείχνει τη δομή του CN. Εκτός από τους κόμβους που προαναφέρθηκαν, στην εικόνα αυτή σημειώνονται οι διεπαφές μεταξύ των κόμβων του CN. Εικόνα 4. Η δομή του CN 2.3 Διεπαφές και Αρχιτεκτονική Πρωτοκόλλων Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστούν οι βασικότερες διεπαφές του δικτύου UMTS. Επίσης, για κάθε διεπαφή θα παρουσιαστούν τα πρωτόκολλα επικοινωνίας και σηματοδοσίας που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των κόμβων που αλληλεπιδρούν. Η ανάλυση που θα ακολουθήσει θα εστιαστεί στο πεδίο PS το οποίο είναι και το πεδίο που θα μας απασχολήσει από το σημείο αυτό και έπειτα Η Διεπαφή Uu Η ασύρματη διεπαφή είναι πάντοτε η πιο κρίσιμη διεπαφή κατά το σχεδιασμό των πρωτοκόλλων ενός κινητού δικτύου. Για το UMTS, η διεπαφή Uu μεταξύ του Node B και του UE, έχει υλοποιηθεί με την αρχιτεκτονική που απεικονίζει η. Όπως φαίνεται, έχουν προσδιοριστεί τα επίπεδα πρωτοκόλλων που αντιστοιχούν στο επίπεδο φυσικού μέσου, το επίπεδο ζεύξης δεδομένων καθώς και το επίπεδο δικτύου. Το επίπεδο φυσικού μέσου (1ο επίπεδο στο μοντέλο διασυνδέσεων OSI) είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση των δεδομένων μέσω της ασύρματης διεπαφής. Όπως φαίνεται και από την 27

27 , για το επίπεδο αυτό οι προδιαγραφές του UMTS καθορίζουν τη χρήση των τεχνολογιών FDD και TDD του WCDMA. Όσον αφορά το επίπεδο ζεύξης δεδομένων (2ο επίπεδο), αυτό περιέχει τέσσερα υπο-επίπεδα. Τα δύο πρώτα υπο-επίπεδα χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου αλλά και πληροφορίας. Το πρώτο υπο-επίπεδο χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο Medium Access Control (MAC)[15]. Το πρωτόκολλο MAC βρίσκεται αμέσως μετά το φυσικό επίπεδο. Χρησιμοποιεί λογικά κανάλια και τα αντιστοιχίζει σε κανάλια μεταφοράς για την επικοινωνία του φυσικού επιπέδου με τα υψηλότερα επίπεδα. Επίσης, το πρωτόκολλο αυτό διαχειρίζεται τις προτεραιότητες μεταξύ των UEs, όπως επίσης και τις προτεραιότητες μεταξύ των ροών δεδομένων που αφορούν ένα συγκεκριμένο UE. Άλλες λειτουργίες που εκτελεί το πρωτόκολλο MAC είναι ο έλεγχος των κινήσεων, η κρυπτογράφηση, η πολυπλεξία κ.α. Το δεύτερο πρωτόκολλο που συναντάμε στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων της διεπαφής Uu είναι το Radio Link Control (RLC). Το πρωτόκολλο αυτό είναι υπεύθυνο για την εγκατάσταση και παρακολούθηση της μεταφοράς δεδομένων καθώς και για τις ρυθμίσεις QoS. Τα Εικόνα 5. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Uu επόμενα δύο πρωτόκολλα χρησιμοποιούνται μόνο για τη μεταφορά πληροφορίας και όχι για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου. Τα πρωτόκολλα αυτά είναι το Packet Data Convergence Protocol (PDCP) και το Broadcast/Multicast Control (BMC). Το πρώτο είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή των δεδομένων που παρέχουν τα πραγματικά πρωτόκολλα δεδομένων των πιο πάνω επιπέδων, σε ασύρματα πρωτόκολλα. Το PDCP προς το παρόν υποστηρίζει τα πρωτόκολλα IPv4 και IPv6 και μπορεί εύκολα να επεκταθεί προκειμένου να υποστηρίξει περισσότερα. Το πρωτόκολλο BMC είναι υπεύθυνο για τις υπηρεσίες broadcast και multicast μετάδοσης Η Διεπαφή Iub Η διεπαφή Iub είναι αυτή που διασυνδέει τους κόμβους RNC με τους Node Bs. Η 28

28 Εικόνα 6 δείχνει την ιεραρχία των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση της συγκεκριμένης διεπαφής. Πρόκειται για μία διεπαφή η οποία είναι ενσύρματη και, κατά συνέπεια, το επίπεδο φυσικού μέσου μπορεί να υλοποιηθεί από πρωτόκολλα όπως το ETSI STM-1, STM-4, SONET STS- 3c, ITU STS-1 κ.α. Πάνω από το επίπεδο αυτό, στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο ATM. Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο το οποίο χρησιμοποιείται σε όλες τις ενσύρματες διεπαφές του δικτύου UMTS. Αυτό γιατί αποτελεί ένα πανίσχυρο πρωτόκολλο που μπορεί να χειρίζεται όλους τους τύπους κινήσεων. Για την ακρίβεια, το ATM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύγχρονες αλλά και για ασύγχρονες κινήσεις όπως επίσης και για κινήσεις μεταγωγής πακέτων αλλά και κυκλώματος. Όπως δείχνει η Εικόνα 6, πάνω από το επίπεδο του ATM χρησιμοποιούνται τα πρωτόκολλα ATM Adaptation Layer (AAL) 2 και 5. Το AAL2 χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου όπως επίσης και για τη μεταφορά πληροφορίας. Το AAL5 χρησιμοποιείται μόνο για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου. Τα πρωτόκολλα αυτά αναλαμβάνουν την επεξεργασία των δεδομένων από τα υψηλότερα επίπεδα προκειμένου να μπορούν να μεταδοθούν από το επίπεδο ATM. Εικόνα 6. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iub Στο αμέσως υψηλότερο υπο-επίπεδο συναντούμε δύο άλλα πρωτόκολλα. Πρόκειται για το User Plane Framing Protocol (UP FP) και Service Specific Connection-Oriented Protocol (SSCOP). Το πρώτο πρωτόκολλο βρίσκεται πάνω από το AAL2 και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου αλλά και πληροφορίας. Αντίθετα, το πρωτόκολλο SSCOP τοποθετείται πάνω από το AAL5. Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο που παρέχει αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων παράλληλα με συντήρηση της σύνδεσης και έλεγχο 29

29 ροής. Η χρήση του στη διεπαφή Iub σχετίζεται με τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου. Όπως φαίνεται από την Εικόνα 6, στα ανώτερα υπο-επίπεδα του επιπέδου ζεύξης δεδομένων συναντούμε το πρωτόκολλο Service Specific Coordination Function for Support of Signaling at the User-Network Interface (SSCF-UNI) καθώς και τα ήδη γνωστά πρωτόκολλα MAC, RLC, RRC, και PDCP. Τέλος, το πρωτόκολλο Node B Application Part (NBAP) χρησιμοποιείται προκειμένου να δίνεται η δυνατότητα στον RNC να διαχειρίζεται κάθε Node B που έχει συνδεθεί σε αυτόν Η Διεπαφή Iur Η διεπαφή Iur διασυνδέει δύο RNCs. Πρόκειται για μία διεπαφή η οποία εισήχθη στα συστήματα UMTS, ενώ στα συστήματα GSM δεν υπήρχε άμεση σύνδεση μεταξύ των αντίστοιχων κόμβων. Χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων ελέγχου αλλά και πληροφορίας. Ειδικότερα, όσον αφορά τα δεδομένα ελέγχου, αυτά σχετίζονται με τη διαχείριση των ασύρματων πόρων καθώς και με τις διαδικασίες του handover και του SRNS relocation. Η ιεραρχία των πρωτοκόλλων που υλοποιούν τη διεπαφή Iur φαίνεται στην Εικόνα 7. Εικόνα 7. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iur Όπως φαίνεται από την Εικόνα 7, η ιεραρχία των πρωτοκόλλων για τη μεταφορά πληροφορίας δε διαφέρει από τη διεπαφή Iub. Όσον αφορά τα δεδομένα ελέγχου έχουμε τη 30

30 χρήση αρκετών νέων πρωτοκόλλων σε σχέση με τις προηγούμενες διεπαφές. Καταρχήν, η Εικόνα 7 δείχνει ότι χρησιμοποιείται ο συνδυασμός Internet Protocol (IP) / User Datagram Protocol (UDP) ακριβώς πάνω από το επίπεδο του AAL5. Πρόκειται για την υλοποίηση του «IP over ATM» κατά την οποία η πληροφορία του IP καταμερίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να μεταδοθεί πάνω από το ATM. Επιπλέον, τα υπόλοιπα τέσσερα νέα πρωτόκολλα ελέγχου και σηματοδοσίας είναι: το Message Transfer Part Level 3 (MTP3-b) για τον έλεγχο της δρομολόγησης των μηνυμάτων, το MTP3 User Adaptation Layer (M3UA), το Signaling Connection Control Part (SCCP) και το Radio Network Sublayer Application Part (RNSAP). Ειδικότερα για το RNSAP, πρόκειται για ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει όλες τις λειτουργίες για τη διαχείριση των ασύρματων πόρων, για τις μετρήσεις πάνω σε αυτούς και για την υποστήριξη των διαδικασιών του handover και SRNS relocation Η Διεπαφή Iu-PS Η παρούσα παράγραφος παρουσιάζει την ιεραρχία των πρωτοκόλλων όσον αφορά τη διεπαφή Iu-PS. Η διεπαφή Iu-PS είναι, για το πεδίο PS, ο σύνδεσμος όχι μόνο των RNCs με τους κόμβους SGSN αλλά και μεταξύ των δύο δομικών στοιχείων του UMTS, του UTRAN και του CN. Το βασικότερο πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων ελέγχου που χρησιμοποιείται πάνω από αυτή τη διεπαφή είναι το Radio Access Network Application Part (RANAP) το οποίο απεικονίζεται μεταξύ των άλλων στην Εικόνα 8. 31