ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΙΔΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΤΕΡΟΓΕΝΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ THΛΕΦΩΝΙΑΣ GSM - UMTS ΜΗΤΡΟΠΟΥΛΟΣ Σ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΤΡΑ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2009

2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το κείμενο αυτό αποτελεί την Ειδική Επιστημονική Εργασία (EEE), που εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Ειδίκευσης «Ηλεκτρονική & Υπολογιστές». Ο τίτλος της ΕΕΕ είναι «Ετερογενή Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας GSM UMTS». Η ΕΕΕ εκπονήθηκε υπό την ευθύνη του εργαστηρίου ηλεκτρονικής του τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών. Η ΕΕΕ αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια και δύο παραρτήματα, ενώ για την καλύτερη κατανόηση και εξοικείωση του αναγνώστη με τις έννοιες και όρους που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των κινητών επικοινωνιών παρατίθεται ένα σχετικό γλωσσάριο στο τέλος του κειμένου. Το πρώτο κεφάλαιο έχει τίτλο εισαγωγή στα κυψελωτά συστήματα κινητής τηλεφωνίας και αποτελεί ουσιαστικά μια εισαγωγή στις βασικές αρχές της κινητής κιυψελωτής τηλεφωνίας. Η εισαγωγή αυτή είναι απαραίτητη προκειμένου να γίνει ομαλά η μετάβαση σε σύνθετες έννοιες που διέπουν την λειτουργία των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Το δεύτερο κεφάλαιο έχει τον τίτλο το κανάλι μετάδοσης στις κινητές ραδιοεπικοινωνίες και αναφέρεται στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά που λαμβάνουν χώρα κατά την ασύρματη μετάδοση της πληροφορίας. Οι ιδιότητες των ηλ/κων κυμάτων, και της ατμόσφαιρας που αποτελεί το μέσο μετάδοσης στις ασύρματες επικοινωνίες καθώς και η μορφολογία του περιβάλλοντος ραδιομετάδοσης είναι μερικές από τις παραμέτρους που διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην ποιότητα των κινητών επικοινωνιών και για τον λόγο αυτό μελετώνται και εν συνεχεία μοντελοποιούνται προκειμένου να επιτύχουμε την μεγαλύτερη δυνατή απόδοση των συστημάτων αυτών. Το τρίτο κεφάλαιο είναι αφιερωμένο αποκλειστικά στο παγκόσμιο σύστημα κινητής τηλεφωνίας G.S.M. Ως γνωστόν, το G.S.M είναι το πιο διαδεδομένο σύστημα κινητών επικοινωνιών και ως εκ τούτου μία εργασία που αναφέρεται σε συστήματα κινητής τηλεφωνίας έχει ως σημείο αναφοράς το G.S.M. Το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο της ΕΕΕ αναφέρεται στο καθολικό σύστημα κινητών επικοινωνιών UMTS. Το UMTS είναι το σύστημα κινητών επικοινωνιών 3 ης γενιάς, το οποίο ουσιαστικά έκανε πραγματικότητα την πάγια απαίτηση από την πλευρά των χρηστών συνδρομητών για επικοινωνία οπουδήποτε, οποτεδήποτε, οτιδήποτε. Η εργασία κλείνει με δύο παραρτήματα. Το παράρτημα Α αποτελεί μία εισαγωγική περιγραφή στο σύστημα σηματοδοσίας Νο 7. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο χρήστης κινητής τηλεφωνίας αγνοεί την ύπαρξη του δικτύου σηματοδοσίας το οποίο ουσιαστικά αλλά αφανώς και αθόρυβα «τρέχει» παράλληλα με το δίκτυο μετάδοσης πληροφοριών. Δίνεται λοιπόν η ευκαιρία μέσα από το παράρτημα αυτό να γίνει γνωστή η ύπαρξη του i

4 δικτύου σηματοδοσίας Νο 7 (SS#7), όπου περιγράφονται τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του (διαστρωματωμένη αρχιτεκτονική, σημεία σηματοδοσίας κλπ.) ενώ γίνεται αναφορά στα είδη των μηνυμάτων σηματοδοσίας και στον τρόπο που ανταλλάσσονται τα μηνύματα αυτά μεταξύ των δομικών στοιχείων του δικτύου SS#7. Στο παράρτημα Β αναφέρονται κάποια βασικά στοιχεία από την «δημοφιλή» τεχνική κωδικοποίησης Linear Predictive Coding (LPC), η οποία στην Ελληνική αποδίδεται ως Γραμμική Προγνωστική Κωδικοποίηση. Η LPC είναι η τεχνική εκείνη που χρησιμοποιείται στο σύνολο σχεδόν των ψηφιακών συστημάτων επικοινωνίας, χάρη στις εγγενείς ιδιότητές της, και επομένως βρίσκει επίσης εφαρμογή και στο G.S.M, ως ένα κατεξοχήν ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας. Ωστόσο, η εφαρμογή της LPC δεν περιορίζεται μόνο στο G.S.M αλλά εκτείνεται μέχρι τα σημερινά συστήματα 3 ης γενιάς. Τέλος, θα ήθελα να αναφέρω δύο λόγια για τις δυσκολίες που συνάντησα καθόλη την διάρκεια συγγραφής της εργασίας αυτής. Η ΕΕΕ, με την παρούσα μορφή, είναι το αποτέλεσμα μιας πολύμηνης προσπάθειας και συνεχούς μελέτης ενός ιδιαίτερα σύνθετου και πολυδιάστατου αντικειμένου έρευνας, όπως είναι τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας. Παρά το γεγονός ότι η βιβλιογραφία υπήρξε επαρκής, οι έννοιες και οι τεχνικές δυσκολίες με τις οποίες ήρθα, πολλές φορές, αντιμέτωπος ήταν κάτι το πρωτόγνωρο, το οποίο αρκετές φορές μου έδινε την εντύπωση του ανυπέρβλητου. Θα ήθελα λοιπόν, να ζητήσω εκ των προτέρων την κατανόηση του αναγνώστη για οποιαδήποτε λάθη ή παραλείψεις οι οποίες φυσικά με βαρύνουν στο ακέραιο. Καρλόβασι Σάμου, Νοέμβρης 2009 Μ.Γ.

5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΡΚΤΙΚΟΛΕΞΑ ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ i iii ix xi xvii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΩΤΗΣ ΙΔΕΑΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΟΜΟ-ΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΚΛΗΣΕΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ...15 ΑΝΑΦΟΡΕΣ...20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΤΙΣ ΚΙΝΗΤΕΣ ΡΑΔΙΟΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 2.1 Η ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΚΥΜΑΤΩΝ Βασικές Εννοιες στην Η/Μ Διάδοση Εκπομπή και Λήψη των Η/Μ Κυμάτων Πόλωση των Η/Μ Κυμάτων Απορρόφηση των Η/Μ Κυμάτων Συμβολή των Η/Μ Κυμάτων ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΚΥΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Φαινόμενα Διάδοσης στις Κυψελωτές Επικοινωνίες Μεγάλης Κλίμακας Απώλειας Διάδοσης...31 iii

7 2.3 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΗΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Μοντελοποίηση της Διάδοσης Ραδιοσημάτων στον Ελεύθυερο Χώρο...32 Μοντέλο Log Distance...38 Μοντελο Log Normal Shadowing Μοντέλα για την Απώλεια Διάδοσης σε Εξωτερικά Περιβάλλοντα...42 Μοντέλο Okumura...42 Μοντέλο Hata...45 Μοντέλο Longley Rice Μοντέλα για την Απώλεια Διάδοσης σε Εσωτερικά Περιβάλλοντα...47 Μοντέλο Log Distance...48 Μοντέλο Ericsson Multiple Breakpoint Διάδοση των Ραδιοκυμάτων μέσα σε Κτίρια ΑΠΩΛΕΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΡΑΔΙΟΔΙΔΟΣΗΣ Παράμετροι Ραδιοδιάδοσης Σχετιζόμενες με το Περιβάλλον Γωνιακή Διάδοση Πολύοδη Διάδοση και Καθυστέρηση Διάδοσης Γρήγορη Διάλειψη Βραδεία Διάλειψη Κλίση στην Απώλεια Διάδοσης των Ραδιοκυμάτων ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΟΛΥΟΔΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΤΟ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΤΙΣ ΚΙΝΗΤΕΣ ΡΑΔΙΟΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ...69 ΑΝΑΦΟΡΕΣ...73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ (G.S.M.) 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Υποσύστημα Σταθμού Βάσης (BSS) Ραδιοδίκτυο Σταθμός Βάσης (BTS) Ελεγκτής Σταθμών Βάσης (BSC) Κινητός Σταθμός (MS) Υποσύστημα Δικτύου και Μεταγωγής...87 iv

8 Επιλογικό Μεταγωγικό Κέντρο (MSC) Οικεία Βάση Δεδομένων (HLR) Βάση Δεδομένων Επισκεπτών (VLR) Υποσύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης (OMS) Κέντρο Εποπτείας και Συντήρησης (OMC) Κέντρο Πιστοποίησης (AUC) Κέντρο Πιστοποίησης Εξοπλισμού (EIR) Η ΔΙΕΠΑΦΗ ΑΕΡΑ U m ΣΤΟ GSM Λειτουργικά Χαρακτηριστικά της U m Κωδικοποίηση Ομιλίας στο GSM Μορφή και Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Ψηφιακού Σήματος στο GSM Οι Ριπές στο GSM Ιεραρχική Δομή των Πλαισίων στη Διεπαφή Αέρα U m Φυσικά και Λογικά Κανάλια Κατηγορίες Καναλιών στο GSM Κανάλια Επικοινωνίας ή Κίνησης Κανάλια Ελέγχου ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΚΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΕΘΝΙΚΟΙ ΚΑΙ ΔΙΕΘΝΕΙΣ ΑΡΙΘΜΟΙ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΤΟ GSM Διεθνής Αριθμός Πιστοποίησης Κινητού Εξοπλισμού Διεθνής Αριθμός Πιστοποίησης Κινητού Συνδρομητή Αριθμός ISDN Κινητού Συνδρομητή Αριθμός Περιαγωγής Κινητού Σταθμού Αριθμός Πιστοποίησης Περιοχής Εντοπισμού Προσωρινός Αριθμός Πιστοποίησης Κινητού Συνδρομητή Τοπικός Αριθμός Πιστοποίησης Κινητού Συνδρομητή Αριθμός Πιστοποίησης Κυψέλης Κωδικός Πιστοποίησης Σταθμού Βάσης Αριθμοί Πιστοποίησης Μεταγωγικών Κέντρων και Καταχωρητών Εντοπισμού Θέσης ΑΝΑΦΟΡΕΣ v

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ UMTS 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ UMTS Το Χρησιμοποιούμενο Φάσμα Αξιοποίηση του Διατιθέμενου Φάσματος Κώδικες Διάχυσης και Περίπλεξης Ιεραρχική Δομή Πλαισίων ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΟΥ UMTS Το Δίκτυο Επίγειας Ραδιοπρόσβασης (UTRAN) Το Δίκτυο Κορμού (Core Network) Η ΡΑΔΙΟΕΠΑΦΗ ΑΕΡΑ W-CDMA Εισαγωγή Τρόποι Αμφίδρομης Λειτουργίας με Επιμερισμό Συχνότητας (FDD) και Χρόνου (TDD) Κύρια Λειτουργικά Χαρακτηριστικά της Ραδιοεπαφής W-CDMA ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΔΙΕΠΑΦΗΣ ΑΕΡΑ W-CDMA ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΟ W-CDMA Λογικά Κανάλια Τα Κανάλια Συνοδού Φυσικά Κανάλια Δομή Επιπέδων Φυσικών Καναλιών Δομή των Frames των Dedicated Physical Channels (DPCCH) Χαρτογράφηση Καναλιών ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ Άμεσης Ακολουθίας Πολλαπλή Πρόσβαση με Επιμερισμό Κώδικα (DS CDMA) Κώδικες Διάχυσης Ορθογώνιοι Κώδικες Κώδικες Περίπλεξης Κώδικες Συγχρονισμού ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Έλεγχος Ισχύος Ανοιχτού Βρόχου Έλεγχος Ισχύος Κλειστού Βρόχου Έλεγχος Ισχύος Εσωτερικού Βρόχου vi

10 Έλεγχος Ισχύος Εξωτερικού Βρόχου Ο ΔΕΚΤΗΣ RAKE HANDOVERS Intra-Frequency Handover (Soft/Softer Handover) Inter-Frequency Handover (Hard Handover) Inter-System Handover (Hard Handover) CELL BREATHING ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΧΡΗΣΤΗ ΣΤΟ UMTS ΠΑΚΕΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (QoS) ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ 3G Εισαγωγή στην Έννοια QoS στα 3G Δίκτυα Λειτουργία Διαχείρισης QoS Τάξεις QoS στο UMTS QoS Παράμετροι για Συγκεκριμένες Υπηρεσίες Φωνή (Conversational) Εφαρμογές Ροής Πολυμέσων (Media Stream Applications) Εφαρμογή Μεταφόρτωσης Αρχείων (Content Download) Πρόσβαση στο Internet και Πλοήγηση (Interactive) ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ Νο 7 Α.1 ΓΕΝΙΚΑ Α.2 ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ Νο 7 (SS7) Α.3 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ Νο A.3.1 Το Δίκτυο SS A Message Transfer Part (MTP) Α.4 ΤΥΠΟΙ ΜΗΝΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟ SS A.4.1 FISU A.4.2 LSSU A.4.3 MSU Α.5 ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗ ΚΑΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ ΣΤΟ SS Α.6 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ: ΔΙΕΚΠΕΡΑΙΩΝΟΝΤΑΣ ΜΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗ SS Α.7 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΑΣΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ SS7.217 ΑΝΑΦΟΡΕΣ vii

11 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΟΜΙΛΙΑΣ ΣΤΟ G.S.M. ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ LINEAR PREDICTIVE CODING Β.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Β.2 ΣΥΝΘΕΣΗ ΦΩΝΗΣ ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΔΟ LPC ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ viii

12 Αρκτικόλεξα 3G 3GPP AC ACK ACR AM ANOVA ARQ BDP CCR CDF CDMA C/I CN CRC CS CTIF DCH DCR DCH DCR DL DLL DS DSACK E2E EDGE EUTRAN FACE FACH FACK FEC FER FIN FRTO FTP GGSN GPRS GSM H-ARQ HC HSDPA HSPA HSUPA IETF IP ITU Kbps KHz ix Third Generation Third Generation Partnership Project Admission Control Acknowledgement Absolute Category Rating AcknowledgedMode Analysis of Variance Automatic Repeat request Bandwidth Delay Product Comparison Category Rating Cumulative Distribution Function Code DivisionMultiple Access Carrier to Interference ratio Core Network Cyclic Redundancy Check Circuit Switched Center for TeleInFrastruktur Dedicated Channel Degradation Category Rating Dedicated Channel Degradation Category Rating Down Link Data Link Layer Direct Sequence Duplicate SACK End to End Enhanced Data Rates for Global Evolution Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network Future Adaptive Communication Environment Forward Access Channel Forward Acknowledgement Forward Error Correction Frame Erasure Rate Finalise Forward RTO Recovery File Transfer Protocol Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Service Global System for Mobile communications. Hybrid ARQ Handover Control High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Internet Engineering Task Force Internet Protocol International Telecommunication Union Kilo bits per second Kilo Hertz

13 LC LLC MAC Mbps MMS MSS MTU NACK NodeB NRT OSI PC PDCP PDU PHY POSH PS PS QoS RACH RLC RNC RNS RRC RRM RT RTO RTT SACK SCC SCTP SDU SIP SLA SMS SN SNR SR SRTT SYN TCP TM TTI UE UL UM UMTS UTRAN VoIP WCDMA WLAN Load Control Logical Link Control Medium Access Control Mega bits per second Multimedia Messaging Maximum Segment Size Maximum Transmission Unit Negative Acknowledgement Base station Non Real Time Open Systems Interconnection Power Control Packet Data Convergence Protocol Protocol Data Unit Physical Perceived Quality of Service in Heterogeneous networks Packet Scheduling Packet Switched Quality of Service Random Access Channel Radio Link Control Radio Network Controller Radio Network Sub-system Radio Resource Control Radio Resource Management Real Time Retransmission Time Out Round Trip Time Selective Acknowledgement Successful Completion Criteria Stream Control Transmission Protocol Service Data Unit Session Initiation Protocol Service Level Agreement Short Message Service Sequence Number Signal to Noise Ratio Selective Repeat Smoothed RTT Synchronisation Transmission Control Protocol Transparent Mode Transmission Time Interval User Equipment Up Link UnacknowledgedMode Universal Mobile Telecommunications System UMTS Terrestrial Radio Access Network Voice over IP Wideband CDMA Wireless Local Area Network

14 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΣΧΗΜΑ 1.1: ΚΥΨΕΛΩΤΗ ΙΔΕΑ ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ 4 ΣΧΗΜΑ 1.2: ΤΟ ΚΥΨΕΛΩΤΟ ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑ ΚΑΙ Η ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ 6 ΣΧΗΜΑ 1.3: ΚΥΨΕΛΩΤΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ 7 ΣΧΗΜΑ 1.4: Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΚΑΘΩΣ Ο ΚΣ ΚΙΝΕΙΤΑΙ ΣΤΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΑ ΟΡΙΑ ΔΥΟ ΓΕΙΤΟΝΙΚΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ 10 ΣΧΗΜΑ 1.5: ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ 15 ΣΧΗΜΑ 1.6: DS-SS ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΗΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΖΩΝΗΣ 16 ΣΧΗΜΑ 1.7: ΔΙΑΧΥΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΣΤΟΝ ΠΟΜΠΟ/ΑΠΟ-ΔΙΑΧΥΣΗ ΚΑΙ ΧΑΜΗΛΟΔΙΑΒΑΤΟ ΦΙΛΤΡΑΡΙΣΜΑ ΣΤΟ ΔΕΚΤΗ 16 ΣΧΗΜΑ 1.8: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΣΤΑ ΠΕΔΙΑ ΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΥ ΓΙΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ TDMA, FDMA ΚΑΙ CDMA 17 ΣΧΗΜΑ 2.1: ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ 23 ΣΧΗΜΑ 2.2: ΕΓΚΑΡΣΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ 23 ΣΧΗΜΑ 2.3: ΣΦΑΙΡΙΚΟ ΜΕΤΩΠΟ ΚΥΜΑΤΟΣ 24 ΣΧΗΜΑ 2.4: ΣΤΑΘΜΟΣ ΒΑΣΗΣ ΚΕΡΑΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Η/Μ ΚΥΜΑΤΩΝ 25 ΣΧΗΜΑ 2.5: ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΠΟΛΩΜΕΝΟ Η/Μ ΚΥΜΑ 26 ΣΧΗΜΑ 2.6: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΤΩΝ Η/Μ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 27 ΣΧΗΜΑ 2.7: ΔΙΑΔΟΣΗ Η/Μ ΚΥΜΑΤΩΝ ΜΕΣΩ ΙΟΝΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΗΣΗΣ 28 ΣΧΗΜΑ 2.8: ΣΥΜΒΟΛΗ Η/Μ ΚΥΜΑΤΩΝ 29 ΣΧΗΜΑ 2.9: ΤΥΠΙΚΟ ΣΗΜΑ ΠΟΥ «ΥΠΟΦΕΡΕΙ» ΑΠΟ ΜΙΚΡΗΣ-ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΚΑΙ ΜΕΓΑΛΗΣ- ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ 32 ΣΧΗΜΑ 2.10: ΓΩΝΙΕΣ Φ ΚΑΙ Θ ΣΕ ΚΑΡΤΕΣΙΑΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ 33 ΣΧΗΜΑ 2.11: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΟΥΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΙΣΧΥΟΣ EIPR 35 ΣΧΗΜΑ 2.12: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΩΛΕΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ 6 ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ΡΑΔΙΟΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 41 xi

15 ΣΧΗΜΑ 2.13: ΜΕΣΗ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ A(F,D) ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ ΣΕ ΣΧΕΔΟΝ-ΟΜΑΛΟ ΕΔΑΦΟΣ 44 ΣΧΗΜΑ 2.14: ΠΑΡΑΓΩΝ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ G AREA ΣΕ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΤΟΝ ΤΥΠΟ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΡΑΔΙΟΔΙΑΔΟΣΗΣ 44 ΣΧΗΜΑ 2.15: ΜΟΝΤΕΛΟ ERICSSON ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ 50 ΣΧΗΜΑ 2.16: ΤΥΠΙΚΟ ΣΗΜΑ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ RAYLEIGH 53 ΣΧΗΜΑ 2.17: ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΡΑΔΙΟΚΑΝΑΛΙΟΥ 55 ΣΧΗΜΑ 2.18: ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΕΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΟΛΙΣΘΗΣΗ Doppler 56 ΣΧΗΜΑ 2.19: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕ ΟΛΟΥΣ ΤΟΥΣ ΤΥΠΟΥΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ 57 ΣΧΗΜΑ 2.20: ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΡΑΔΙΟΔΙΑΔΟΣΗΣ 58 ΣΧΗΜΑ 2.21: ΔΙΑΔΟΣΗ ΜΕΣΩ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ 60 ΣΧΗΜΑ 2.22: ΣΤΑΘΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ ΜΕΣΩ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ 62 ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ ΣΧΗΜΑ 2.23: ΣΤΑΘΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ ΜΕΣΩ ΔΥΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΡΑΔΙΟΔΙΑΥΛΩΝ 64 ΣΧΗΜΑ 2.24: ΚΛΙΣΗ ΤΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ 65 ΣΧΗΜΑ 2.25: ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΔΙΑΚΟΠΗΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ ΤΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ 66 ΣΧΗΜΑ 2.26: ΜΕΣΗ ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΩΛΕΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ DECIBEL ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ 69 ΣΧΗΜΑ 2.27: ΤΥΠΙΚΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 70 ΣΧΗΜΑ 2.28: ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΒΡΑΧΕΙΑΣ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 72 ΣΧΗΜΑ 3.1: ΔΟΜΗ ΓΕΝΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ 77 ΣΧΗΜΑ 3.2: ΔΟΜΗ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM 81 ΣΧΗΜΑ 3.3: ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ BSS 82 ΣΧΗΜΑ 3.4: ΔΟΜΗ ΡΑΔΙΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ GSM 84 ΣΧΗΜΑ 3.5: ΔΟΜΗ ΤΟΥ NSS ΥΠΟΔΙΚΤΥΟΥ 87 ΣΧΗΜΑ 3.6: ΙΕΡΑΡΧΙΚΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ NSS 87 ΣΧΗΜΑ 3.7: ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΟΥ GMSC ΜΕ ΑΛΛΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ PCM 88 ΣΧΗΜΑ 3.8: ΔΙΚΤΥΟ PLMN ΜΕ ΤΡΙΑ GMSC ΚΑΙ ΠΕΝΤΕ MSC 89 ΣΧΗΜΑ 3.9: Η ΘΕΣΗ ΤΗΣ HLR ΜΕΣΑ ΣΤΟ NSS 91 ΣΧΗΜΑ 3.10: ΔΟΜΗ ΤΟΥ OMS ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ GSM 93

16 ΣΧΗΜΑ 3.11: ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΤΙΣ ΤΡΕΙΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΟΥ GSM 96 ΣΧΗΜΑ 3.12: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ 97 ΣΧΗΜΑ 3.13: ΔΟΜΗ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΟΜΙΛΙΑΣ 101 ΣΧΗΜΑ 3.14: ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΟΜΙΛΙΑΣ ΚΑΝΟΝΙΚΗΣ ΡΙΠΗΣ 101 ΣΧΗΜΑ 3.15: ΧΡΟΝΙΚΗ & ΣΥΧΝΟΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ GSM ΚΑΝΑΛΙΩΝ 102 ΣΧΗΜΑ 3.16: ΜΕΤΑΠΗΔΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΔΙΕΠΑΦΗ ΑΕΡΑ U M ΤΟΥ GSM 103 ΣΧΗΜΑ 3.17: ΚΑΤΑΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΜΗΔΕΝΙΣΜΩΝ ΣΤΗ ΣΤΑΘΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΠΗΔΗΣΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 104 ΣΧΗΜΑ 3.18α: ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΡΙΠΗΣ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 105 ΣΧΗΜΑ 3.18β: ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΡΙΠΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΥ 105 ΣΧΗΜΑ 3.18γ: ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΡΙΠΗΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ 105 ΣΧΗΜΑ 3.18δ: ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΒΟΥΒΗΣ ΡΙΠΗΣ 105 ΣΧΗΜΑ 3.20: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΣΤΗ ΔΙΕΠΑΦΗ U M 109 ΣΧΗΜΑ 3.21: ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ 110 ΣΧΗΜΑ 3.22: ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 115 ΣΧΗΜΑ 3.23: ΔΟΜΗ ΤΟΥ IMEI 119 ΣΧΗΜΑ 3.24: ΔΟΜΗ ΤΟΥ IMSI 120 ΣΧΗΜΑ 3.25: ΔΟΜΗ ΤΟΥ MSISDN 121 ΣΧΗΜΑ 3.26: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΠΛΟΚ ΤΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ PLMN GSM 123 ΣΧΗΜΑ 3.27: ΡΕΑΛΙΣΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ PLMN GSM 124 ΣΧΗΜΑ 4.1: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΣΤΟ UMTS ΓΙΑ ΤΙΣ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΤΟΥ ΠΛΑΝΗΤΗ 131 ΣΧΗΜΑ 4.2: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΣΤΑΠΕΔΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΥ ΓΙΑ ΤΙΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ FDMA, TDMA ΚΑΙ CDMA 133 ΣΧΗΜΑ 4.3: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΜΦΙΔΡΟΜΗΣΗΣ ΣΤΟ UMTS 134 ΣΧΗΜΑ 4.4: ΟΙ ΚΩΔΙΚΕΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΠΛΕΞΗΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΛΗΨΗ ΜΙΑΣ ΡΟΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 134 ΣΧΗΜΑ 4.5: ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑΣ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ UMTS 136 ΣΧΗΜΑ 4.6: ΙΕΡΑΡΧΙΚΗ ΚΥΨΕΛΩΤΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ UMTS 137

17 ΣΧΗΜΑ 4.7: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ UMTS ΣΕ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΠΛΟΚ 138 ΣΧΗΜΑ 4.8: ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟΔΙΚΤΥΟΥ ΧΡΗΣΤΩΝ 138 ΣΧΗΜΑ 4.9: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ UMTS 139 ΣΧΗΜΑ 4.10: ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟΔΙΚΤΥΟΥ UTRAN 140 ΣΧΗΜΑ 4.11: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟΔΙΚΤΥΟΥ UTRAN ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 141 ΣΧΗΜΑ 4.12: ΔΟΜΗ ΚΟΜΒΟΥ Β 141 ΣΧΗΜΑ 4.13: ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΡΑΔΙΟΠΡΟΣΒΑΣΗΣ GSM ΚΑΙ W-CDMA ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΟΡΜΟΥ 142 ΣΧΗΜΑ 4.14: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΚΟΜΒΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ UMTS 143 ΣΧΗΜΑ 4.15: ΔΙΑΝΟΜΗ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΣΤΟ W-CDMA ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ, ΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ 145 ΣΧΗΜΑ 4.16: ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ FDD ΚΑΙ TDD 146 ΣΧΗΜΑ 4.17: ΔΟΜΗ ΤΟΥ TDD ΠΛΑΙΣΙΟΥ 147 ΣΧΗΜΑ 4.18: ΤΡΟΠΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ FDD ΚΑΙ TDD 150 ΣΧΗΜΑ 4.19: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ FDD ΚΑΙ TDD 150 ΣΧΗΜΑ 4.20: ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΔΙΕΠΑΦΗΣ ΑΕΡΑ 153 ΣΧΗΜΑ 4.21: ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ MAC ΚΑΙ ΤΟ RRC 153 ΣΧΗΜΑ 4.22: ΟΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΚΑΙ Η ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΟΥΣ ΜΕ ΤΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΤΟΥ W-CDMA 154 ΣΧΗΜΑ 4.23: ΔΟΜΗ ΤΩΝ FRAMES ΤΩΝ DEDICATED PHYSICAL CHANNELS 163 ΣΧΗΜΑ 4.24: ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΗ DOWNLINK ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΥ FDD ΤΡΟΠΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 164 ΣΧΗΜΑ 4.25: ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΗ UPLINK ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΥ FDD ΤΡΟΠΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 164 ΣΧΗΜΑ 4.26: ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΗ DOWNLINK ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΥ ΤDD ΤΡΟΠΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 164 ΣΧΗΜΑ 4.27: ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΗΝ UPLINK ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΥ ΤDD ΤΡΟΠΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 165 ΣΧΗΜΑ 4.28: ΔΙΑΧΥΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 166 ΣΧΗΜΑ 4.29: ΑΠΟ-ΔΙΑΧΥΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ 167 ΣΧΗΜΑ 4.30: ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΡΧΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ 168 ΣΧΗΜΑ 4.31: ΑΔΥΝΑΜΙΑ ΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΤΟΥ ΑΡΧΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΦΟΡΙΑΣ 168

18 ΣΧΗΜΑ 4.32: ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΩΝ ΚΩΔΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΟΠΟΙΗΣΗΣ 170 ΣΧΗΜΑ 4.33: ΔΕΝΤΡΟ ΟΡΘΟΓΩΝΙΩΝ ΚΩΔΙΚΩΝ 171 ΣΧΗΜΑ 4.34: ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΟΡΘΟΓΩΝΙΩΝ ΚΩΔΙΚΩΝ 172 ΣΧΗΜΑ 4.35: ΔΙΑΧΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟ-ΔΙΑΧΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΟΛΛΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ 173 ΣΧΗΜΑ 4.36: ΤΥΠΟΙ ΚΩΔΙΚΩΝ ΣΤΗ ΔΙΕΠΑΦΗ ΑΕΡΑ W-CDMA 175 ΣΧΗΜΑ 4.37: Η ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΣΤΙΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ ΚΑΙ ΤΗΝ ΣΚΙΑΣΗ ΕΙΝΑΙ ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΣΤΗΝ ΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗ ΔΙΑΔΟΣΗ 176 ΣΧΗΜΑ 4.38: ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΤΕΝΗΣ ΖΩΝΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ 177 ΣΧΗΜΑ 4.39: ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΟΝΤΙΝΟΥ-ΜΑΚΡΙΝΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗΝ UL 177 ΣΧΗΜΑ 4.40: ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΣΤΗΝ UL TDD ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 178 ΣΧΗΜΑ 4.41: ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Rayleigh 180 ΣΧΗΜΑ 4.42: Ο ΔΕΚΤΗΣ RAKE ΟΜΟΙΑΖΕΙ ΜΕ ΤΗΝ ΤΣΟΥΓΚΡΑΝΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΣΤΗΝ ΚΗΠΟΥΡΙΚΗ 181 ΣΧΗΜΑ 4.43: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ RAKE 182 ΣΧΗΜΑ 4.44: HANDOVERS ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ 184 ΣΧΗΜΑ 4.45: INTER-FREQUENCY HANDOVER ΣΤΟ UMTS KAI ΙΝΝΕΡ-RAT HANDOVER ΜΕΤΑΞΥ GSM ΚΑΙ UMTS 185 ΣΧΗΜΑ 4.46: CELL BREATHING 186 ΣΧΗΜΑ 4.47:ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΧΡΗΣΤΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΤΜΗΜΑ PS 187 ΣΧΗΜΑ 4.48: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΓΙΑ ΤΟ ΤΜΗΜΑ PS 188 ΣΧΗΜΑ 4.49: ΙΕΡΑΡΧΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΣΤΗ ΔΙΕΠΑΦΗ ΑΕΡΑ ΤΟΥ UTRAN 189 ΣΧΗΜΑ 4.50: ΔΥΝΑΤΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΝΟΔΩΝ 191

19 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1: ΤΙΜΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΚΘΕΤΗ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ γ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ 39 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2: ΕΚΘΕΤΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ 49 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: ΕΚΘΕΤΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΟΥΣ ΤΥΠΟΥΣ ΚΤΙΡΙΩΝ 51 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.4: ΔΙΑΔΟΣΗ ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗΣ α 51 ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1: ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΤΡΕΙΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΟΥ GSM 95 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: ΟΝΟΜΑΤΑ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΚΑΙ ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ 165 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2: ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΦΩΝΗΣ 198 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.3: ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ STREAMING 199 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.4: ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ CONTENT DOWNLOAD 200 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.5: ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΗΡΕΣΙΑ PREMIUM LEVEL INTERNET ACCESS 201 xvii

20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο

22 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί μια εισαγωγή στα κυψελωτά συστήματα κινητής τηλεφωνία. Συγκεκριμένα, αναλύεται η κυψελωτή ιδέα, η οποία ουσιαστικά έθεσε τις βάσεις για την μεγάλη εμπορική επιτυχία που γνωρίζει στις μέρες μας η κινητή τηλεφωνία. Ακολούθως, παρουσιάζονται οι στρατηγικές εκχώρησης καναλιών και μεταγωγής κλήσεων που εξασφαλίζουν την «φυσική» συνέχεια των συνδέσεων και διευρύνουν την λειτουργικότητα του συστήματος. Εν συνεχεία, περιγράφεται σε γενικές γραμμές η θεωρία της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που «κρύβεται» πίσω από κάθε τηλεπικοινωνιακό σύστημα ενω τέλος παρατίθενται κάποιες βασικές έννοιες από τα συστήματα διάχυτου φάσματος 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ασύρματα και κινητά συστήματα επικοινωνιών αποτελούν μία ενιαία οντότητα στα σημερινά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Παρά το σχετικό κόστος των υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας, η δυνατότητα που δίνεται στους χρήστες συνδρομητές να είναι αποδεσμευμένοι από ένα σταθερό τηλεπικοινωνιακό καλώδιο και ένα έχουν μία περισσότερο προσωπική διεύθυνση, έχει οδηγήσει στη ραγδαία αύξηση της δημοτικότητας αυτών των συστημάτων. Μία πληθώρα από υπάρχουσες τεχνολογίες βρίσκεται σήμερα κάτω από την «ομπρέλα» των κινητών επικοινωνιών. Αυτές περιλαμβάνουν αναλογικά και ψηφιακά κυψελωτά συστήματα, δορυφορικά συστήματα, ασύρματη τηλεφωνία, συστήματα τηλεειδοποίησης και ασύρματα τοπικά δίκτυα. Από την αρχή της τρέχουσας δεκαετίας ο στόχος που είχε τεθεί στον τομέα των κινητών επικοινωνιών ήταν η άρση των τεχνικών περιορισμών των πραναφερθέντων τεχνολογιών και ο συγκερασμός των πλεονεκτημάτων τους με στόχο την ανάπτυξη νέων υπηρεσιών, εκτός την «παραδοσιακή» μετάδοση φωνής και δεδομένων. Τα συστήματα που προέκυψαν κάτω από αυτό το πρίσμα και έγιναν γνωστά ως συτήματα Τρίτης Γενιάς (3G), έκαναν πραγματικότητα την πάγια απαίτηση για ανάπτυξη ενός καθολικού συστήματος προσωπικών επικοινωνιών, ενώ το πρότυπο που επικράτησε παγκοσμίως για την περιγραφή τους είναι το UMTS. Από τις προαναφερθείσες τεχνολογίες κινητών επικοινωνιών, αυτή η εργασία αναφέρεται αποκλειστικά στα ψηφιακά κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών.

23 Κεφάλαιο Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η μέχρι σήμερα εξέλιξη των κυψελωτών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας έγινε σταδιακά σε τρεις γενιές. Οι υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς (1 st Generation 1G) εισήχθησαν για πρώτη φορά με την έλευση των αναλογικών κυψελωτών συστημάτων στις αρχές της δεκαετίας του 80. Τα συστήματα αυτά βασίστηκαν σε αναλογικές τεχνολογίες μετάδοσης και επεξεργασίας και λειτούργησαν με βάση την τεχνική FDMA, στην οποία όλα τα κανάλια φωνής χωρίζονται από διαφορετικούς φορείς συχνότητας με ένα σχετικά μικρό εύρος ζώνης (συνήθως περίπου KHz). Κάθε τέτοιo σύστημα κάλυπτε γεωγραφικά μία μόνο χώρα ή μια σχετικά μεγάλη αστική περιοχή και η χωρητικότητά του ήταν μικρή εξαιτίας της χαμηλής αποδοτικότητας των τεχνικών που καθόριζαν την κατανομή του ραδιοφάσματος. Τα συστήματα αυτά υποστήριζαν μόνο την υπηρεσία μετάδοσης φωνής. Η τεχνολογία αυτή, αν και παρωχημένη, χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα σε πολλά μέρη του κόσμου. Η ολοένα και αυξανόμενη απαίτηση για καλύτερη ποιότητα επικοινωνίας και περισσότερες υπηρεσίες δημιούργησε τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G), τα οποία είναι ψηφιακής τεχνολογίας και παρέχουν αναβαθμισμένες υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών είναι η ιεραρχική δομή τους, η αποδοτική διαχείριση του ραδιοφάσματος των συχνοτήτων, η δυνατότητα εξυπηρέτησης μεγάλου αριθμού χρηστών και το πρότυπο επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων (frequency re use pattern). Έτσι μπορούν να παρέχουν βελτιωμένη ποιότητα φωνής και μεγάλη κάλυψη συνδρομητών. Τα συστήματα 2 ης γενιάς έχουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης και έχουν τυποποιηθεί για να παρέχουν υπηρεσίες μετάδοση φωνής αλλά και χαμηλού ρυθμού μετάδοση δεδομένων. Τα συστήματα αυτά διατηρούν την τεχνική μεταγωγής κυκλώματος (circuit switching) των αναλογικών συστημάτων, η οποία δεν είναι αποτελεσματική για την μετάδοση δεδομένων. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, για την επικοινωνία των συνδρομητών καθορίζεται ένας συγκεκριμένος ραδιοδίαυλος, ο οποίος παραμένει στην αποκλειστική διάθεσή τους για όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας. Έτσι, γίνεται αποδοτική η μετάδοση φωνής, που είναι ο πρωταρχικός σκοπός των συστημάτων κινητών επικοινωνιών, καθώς εισάγονται πολύ μικρές καθυστερήσεις. Τα τέσσερα πιο διαδεδομένα πρότυπα ψηφιακής κινητής τηλεφωνίας 2 ης γενιάς σε όλο τον κόσμο είναι τα εξής: GSM (βλ. κεφάλαιο 3), TDMA (IS 136), CDMA (cdmaone ή IS 95 B) και PDC. Όλα τα παραπάνω υποστηρίζουν ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 9.6 Kbps. Οι απαιτήσεις όμως για μεγαλύτερες ταχύτητες στη μετάδοση δεδομένων ολοένα και πολλαπλασιάζονται. Επιπλέον, δημιουργούνται νέες υπηρεσίες, όπως για παράδειγμα το ασύρματο ηλεκτρονικό ταχυδρομείο (e mail), η περιήγηση στο διαδίκτυο, καθώς και εφαρμογές ροής πολυμέσων, όπως η τηλεδιάσκεψη, το ηλεκτρονικό εμπόριο και τα πολυμέσα, οι οποίες απαιτούν νέα και πιο γρήγορα συστήματα, ώστε να μπορέσουν να

24 Κεφάλαιο 1 3 υλοποιηθούν στην πράξη. Για τον λόγο αυτό, τυποποιήθηκαν και αναπτύχθηκαν τα συστήματα τρίτης γενιάς (3G), τα οποία ήδη αποτελούν πραγματικότητα και αναμφίβολα ένα αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητάς μας. Τα συστήματα αυτά βασίζονται αποκλειστικά σε μικρο κυψελωτή (micro cellular) και πικο κυψελωτή (pico cellular) δομή, ενώ οι τελικές συχνότητες λειτουργίας τους ανήκουν στη φασματική περιοχή των GHz, προκειμένου να επιτευχθούν οι απαιτούμενοι υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων οι οποίοι αναμένεται να είναι της τάξης των 155 Mbps. Διάφορα πρότυπα έχουν αναπτυχθεί για να υποστηρίξουν τα συστήματα 3 ης γενιάς. Μερικά από αυτά είναι το CDMA 2000, το οποίο αποτελεί εξέλιξη του CDMA One της 2 ης γενιάς ενώ η μετάβασή του στην 3 η γενιά έγινε σταδιακά σε δύο φάσεις κάθεμια εκ των οποίων περιγράφεται από τα πρότυπα 1Χ και 3Χ αντίστοιχα, το πρότυπο TD CDMA που χρησιμοποιεί συνδυασμό των μεθόδων πολλαπλής πρόσβασης TDMA και CDMA και το πρότυπο UWC 136 το οποίο είναι ένα από τα λίγα που χρησιμοποιεί αποκλειστικά την μέθοδο TDMA χωρίς καθόλου στοιχεία από την CDMA. Ωστόσο, το πρότυπο εκείνο που έχει επικρατήσει σε όλο τον κόσμο και χαρακτηρίζει την 3 η γενιά τηλεπικοινωνιακών συστημάτων είναι το UMTS (Universal Mobile Telephone System UMTS). Το UMTS βασίζεται στην τεχνολογία Ευρεία Ζώνη Πολλαπλή Πρόσβαση με Επιμερισμό Κώδικα WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access WCDMA). Η W-CDMA έχει σχεδιαστεί για να υλοποιεί υπηρεσίες υψηλής μετάδοσης δεδομένων (σε περιβάλλον γραφείου ο ρυθμός μετάδοσης φτάνει τα 2Mbps ενώ σε κινητό περιβάλλον τα 384 Kbps) χρησιμοποιώντας το διαδίκτυο ενώ υποστηρίζει επικοινωνίες είτε με την τεχνική μεταγωγής πακέτου είτε με μεταγωγή κυκλώματος. Διαχειρίζεται δυναμικά αποτελεσματικά το ραδιοφάσμα με αποτέλεσμα να παρέχει μεγαλύτερη χωρητικότητα και κάλυψη σε σχέση με προηγούμενες τεχνολογίες, ενώ χρησιμοποιεί το σύστημα σηματοδοσίας Νο 7 (Signaling System # 7 SS#7). Τέλος, είναι επίσης συμβατή με τις τεχνολογίες 2 ης γενιάς. Στο ενότητα που ακολουθει γίνεται μια ανάλυση της κυψελωτής δομής δεδομένου ότι είναι αναγκαία προϋπόθεση για την κατανόηση των σημερινών και των μελλοντικών συστημάτων κνητών επικοινωνιών. 1.3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΩΤΗΣ ΔΟΜΗΣ Οι αρχικές υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας λειτουργούσαν με ένα κεντρικό σταθμό βάσης ο οποίος εξυπηρετούσε μία μεγάλη γεωγραφική περιοχή. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία αυτή παρείχε πολύ καλή κάλυψη, ένα σημαντικό μειονέκτημα των συμβατικών αυτών συστημάτων ήταν ότι όλοι οι σταθμοί βάσης διαχειρίζονταν τις ίδιες συχνότητες. και επομένως η μεταξύ τους απόσταση έπρεπε να είναι αρκετά μεγάλη για να αποφεύγονται προβλήματα παρεμβολών. Ως εκ τούτου, ελάχιστοι ραδιοδίαυλοι ήταν διαθέσιμοι και άρα ελάχιστοι κινητοί συνδρομητές μπορούσαν να υποστηριχτούν από το σύστημα διατηρώντας ταυτόχρονα έναν ικανοποιητικό βαθμό υπηρεσιών. Με την έλευση των Κυψελωτών Συστημάτων Κινητής Τηλεφωνίας στις αρχές της δεκαετίας του 80, οι κινητοί συνδρομητές είχαν πρόσβαση σε ένα σύνολο από

25 Κεφάλαιο 1 4 επικοινωνιακές υπηρεσίες εντός των γεωγραφικών ορίων της λειτουργικής τηλεπικοινωνιακής περιοχής. Αυτό έγινε πραγματικότητα με τον επιμερισμό της περιοχής υπηρεσιών των συστημάτων αυτών σε μικρότερες γεωγραφικές περιοχές, τις κυψέλες (cells), κάθε μία εκ των οποίων καλύπτεται ηλεκτρομαγνητικά από ένα μόνο σταθμό βάσης. Σε κάθε τέτοιο σταθμό βάσης εκχωρείται ένας ορισμένος αριθμός από το σύνολο των συχνοτήτων που διαθέτει ολόκληρο το σύστημα. Το πλεονέκτημα της κυψελωτής δομής είναι ότι οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε μία κυψέλη μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιαδήποτε άλλη αρκεί να ισχύει ο παρακάτω περιορισμός: D = R 3N (1.1) όπου D είναι η απόσταση των κέντρων δύο διαδοχικών συγκαναλικών κυψελών (δηλαδή κυψελών που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες), R είναι η ακτίνα της κυψέλης ενώ Ν είναι το σύνολο των γειτονικών κυψελών που χρησιμοποιούν διαφορετικές συχνότητες και καλείται μέγεθος κυψελωτού συγκροτήματος (cluster size). Η σχέση αυτή προκύπτει από την απαίτηση της ικανοποιητικής απόστασης μεταξύ ίδιων καναλιών, προκειμένου να αποφεύγεται η ομο - καναλική παρεμβολή (co channel interference). Καθώς αυξάνει η ζήτηση για επικοινωνιακές υπηρεσίες και επομένως περισσότερα κανάλια χρειάζονται σε μία συγκεκριμένη αγορά, ο αριθμός των σταθμών βάσης μπορεί να αυξάνει επίσης, παράλληλα με μία αντίστοιχη μείωση της ισχύος εκπομπής για να αποφευχθεί επιπρόσθετη παρεμβολή, παρέχοντας με τον τρόπο αυτό επιπλέον χωρητικότητα στο σύστημα χωρίς περαιτέρω αύξηση του ραδιοφάσματος. Αυτή η βασική αρχή αποτελεί τον θεμέλιο λίθο όλων των σύγχρονων ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων, καθώς δίνει τη δυνατότητα σε ένα σταθερό αριθμό από κανάλια να εξυπηρετεί έναν αυθαίρετα μεγάλο αριθμό από συνδρομητές επαναχρησιμοποιώντας τα κανάλια στην περιοχή υπηρεσιών. Σχήμα 1.1: Κυψελωτή ιδέα επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων

26 Κεφάλαιο 1 5 Το Σχήμα 1.1 απεικονίζει την κυψελωτή ιδέα της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων, όπου οι κυψέλες με την ίδια σκιαγράφηση χρησιμοποιούν την ίδια ομάδα καναλιών. Στο ίδιο σχήμα το έντονο περίγραμμα οριοθετεί το κυψελωτό συγκρότημα αποτελούμενο από εφτά κυψέλες (7 cell cluster). Στο κυψελωτό συγκρότημα διανέμονται όλες οι συχνότητες που διαθέτει το σύστημα. Η κατανομή των συχνοτήτων μέσα στο κυψελωτό συγκρότημα γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε κυψέλη να χρησιμοποιεί μία ομάδα καναλιών τα οποία είναι εντελώς διαφορετικά από τα καναλια που χρησιμοποιούν οι γειτονικές της κυψέλες, ενώ οι σταθμοί βάσης είναι υπεύθυνοι για να παρέχουν την απαιτούμενη ραδιοκάλυψη μέσα στα γεωγραφικά όρια κάθε κυψέλης. Το εξαγωνικό σχήμα των κυψελών είναι ιδεαλιστικό και δεν αντιπροσωπεύει την πραγματικότητα. Στην ουσία πρόκειται για μία καθολικά αποδεκτή, απλουστευτική προσέγγιση της ραδιοκάλυψης για κάθε σταθμό βάσης που μας επιτρέπει μια εύκολη ανάλυση του κυψελωτού συστήματος. Στην πραγματικότητα το γεωγραφικό ίχνος των κυψελών είναι άμορφο και καθορίζεται από μετρήσεις Η/Μ πεδίου και μοντέλα πρόβλεψης της απώλειας διάδοσης (βλ. κεφάλαιο 2). 1.4 ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΟΜΟ ΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ας θεωρήουμε ένα κυψελωτό συγκρότημα μεγέθους Ν το οποίο διαθέτει έναν συνολικό αριθμό από S αμφίδρομα κανάλια για παροχή τηλεπικονωνιακών υπηρεσιών. Εάν σε κάθε κυψέλη εκχωρείται μία ομάδα από k κανάλια (k<s), τότε ο συνολικός αριθμός των διαθέσιμων ραδιοκαναλιών εκφράζεται ως εξής: S = k N (1.2) Εάν το κυψελωτό συγκρότημα επαναλαμβάνεται Μ φορές μέσα στο σύστημα, τότε ο συνολικός αριθμός των αμφίδρομων καναλιών C, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μέτρο της χωρητικότητας του συστήματος και δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: C = M k N = M S (1.3) Από την (1.3) είναι φανερό ότι η χωρητικότητα ενός κυψελωτού συστήματος είναι ευθέως ανάλογη του αριθμού επανάληψης του κυψελωτού συγκροτήματος μέσα στο σύστημα. Εάν συρρικνωθεί το μέγεθος του κυψελωτού συγκροτηματος Ν, ενώ το μέγεθος των κυψελών παραμένει σταθερό, περισσότερα κυψελωτά συγκροτήμτα απαιτούνται για την κάλυψη μιας δεδομένης γεωγραφικής περιοχής και επομένως περισσότερη χωρητικότητα επιτυγχάνεται για το σύστημα. Από την (1.1) προκύπτει ότι για ένα μεγάλο μέγεθος κυψελωτού συγκροτήματος, ο λόγος ανάμεσα στην απόσταση μεταξύ των συγκαναλικών κυψελών και της ακτίνας της κυψέλης είναι μεγάλος, ενώ αντίθετα για μικρή τιμή του Ν οι συγκαναλικές κυψέλες ειναι τοποθετημένες πιο κοντά η μία στην άλλη (Σχήμα 1.2). Η τιμή του Ν είναι συνάρτηση της παρεμβολής που μπορεί να ανεχτεί ένας κινητός σταθμός ή σταθμός βάσης ενώ διατηρεί ταυτόχρονα ένα ικανοποιητικό επίπεδο υπηρεσιών. Από την πλευρά των σχεδιαστών κυψελωτών

27 Κεφάλαιο 1 6 συστημάτων κινητών επικοινωνιών, η τιμή του Ν πρέπει να είναι η μικρότερη δυνατή για την επίτευξη της μέγιστης χωρητικότητας σε μία συγκεκριμένη περιοχή κάλυψης. D Σχήμα 1.2: Το μέγεθος του κυψελωτού συγκροτήματος καθορίζει την απόσταση μεταξύ συγκαναλικών κυψελών Η ομο-καναλική παρεμβολή, σε αντίθεση με τον θόρυβο ο οποίος μπορεί να ξεπεραστεί αυξάνοντας τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR), δεν αντιμετωπίζεται αυξάνοντας απλά την στάθμη ισχύος της φέρουσας συχνότητας εκπομής. Μόνο μέσα από κατάλληλο χωρικό διαχωρισμό είναι δυνατόν να πετύχουμε επαρκή Η/Μ «απομόνωση» των συγκαναλικών κυψελών. Μία άλλη θεμελιώδης έννοια των κυψελωτών συστημάτων είναι η κυψελωτή διάσπαση. Αυτή η διαδικασία είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση του προβλήματος της τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Πιο συγκεκριμένα, σε ώρες αιχμής η λειτουργία του συστηματος καθίσταται πολλές φορές προβληματική. Στην περίπτωση αυτή, οι καταχωρημένες συχνότητες σε μία κυψέλη δεν επαρκούν για την εξυπηρέτηση των χρηστών. Τότε υφίσταται στο σύστημα κυψελωτή διάσπαση με τέτοιο τρόπο, ώστε ο νέος σχηματισμός κυψελών να επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων συχνοτήτων. Το Σχήμα 1.3 παρουσιάζει ένα παράδειγμα κυψελωτής διάσπασης από τάξη συγκροτήματος κυψελών 3 σε τάξη 4 και αντίστροφα. Έτσι, με τις τεχνικές της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων και της κυχελωτής διάσπασης, το σύστημα είναι ικανό να αντεπεξέλθει σε συνθήκες υψηλής τηλεπικοινωνιακής κίνησης και να εξυπηρετήσει το μεγάλο αριθμό συνδρομητών με τις περιορισμένες διαθέσιμες συχνότητες.

28 Κεφάλαιο 1 7 Σχήμα 1.3: Κυψελωτή διάσπαση 1.5 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ ΕΚΧΩΡΗΣΗΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ Για την αποτελεσματική αξιοποίηση του ραδιοφάσματος, έχουν προταθεί διάφορες στρατηγικές εκχώρησης καναλιών οι οποίες ικανοποιούν την απαίτηση για αυξημένη χωρητικότητα και ελάχιστη παρεμβολή. Οι στρατηγικές αυτές ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες, τις σταθερές και τις δυναμικές, και η επιλογή τους είναι καθοριστικής σημασίας για την απόδοση του συστήματος. Στην περίπτωση της στρατηγικής με σταθερή εκχώρηση καναλιών (Fixed Channel Assignment FCA), σε κάθε κυψέλη διατίθεται ένα προκαθορισμένο σύνολο από κανάλια για μετάδοση φωνής. Κάθε προσπάθεια για κλήση μέσα στην κυψέλη εξυπηρετείται από τα κανάλια που παραμένουν διαθέσιμα στη συγκεκριμένη κυψέλη. Εάν όμως ένας κινητός σταθμός κάνει μία αίτηση για κλήση σε ένα σταθμό βάσης ο οποίος έχει ήδη εκχωρήσει όλα τα κανάλια που έχει στη διάθεση του, τότε η κλήση θα απορριφθεί και ο συνδρομητής δεν θα εξυπηρετηθεί. Η FCA μπορεί να χειριστεί τις χωρικές διακυμάνσεις που παρουσιάζει ο όγκος του τηλεπικοινωνιακύ φορτίου διαθέτοντας περισσότερα κανάλια στις περισσότερο «απασχολημένες» κυψέλες, όμως δεν είναι καθόλου αποτελεσματική στην αντιστάθμιση των βραχυχρόνιων διακυμάνσεων στο τηλεπικοινωνιακό φορτίο. Μία περισσότερο ευέλικτη στρατηγική είναι η δυναμική εκχώρηση καναλιών (Dynamic Channel Assignment DCA). Η DCA δεν θέτει περιορισμούς για το ποια κανάλια θα χρησιμοποιούνται από κάθε κυψέλη. Σε κάθε κυψέλη μπορεί να εκχωρηθεί οποιοδήποτε κανάλι με την προϋπόθεση ότι δεν παραβιάζονται οι περιορισμοί στην επαναχρησιμοποίηση της συχνότητας. Συγκεκριμένα, κάθε φορά που γίνεται αίτηση για κλήση, o σταθμός βάσης που καλύπτει την περιοχή υπηρεσιών της κυψέλης ζητάει ένα κανάλι από το MSC. Εν συνεχεία, το MSC παραχωρεί ένα κανάλι στην κυψέλη από την οποία προήλθε η αίτηση σύμφωνα με έναν αλγόριθμο ο οποίος λαμβάνει υπόψη την πιθανότητα μελλοντικής απόρριψης μέσα

29 Κεφάλαιο 1 8 στην κυψέλη, την συχνότητα χρήσης του υποψήφιου καναλιού, την απόσταση επαναχρησιμοποίησης του καναλιού και άλλες λειτουργικές παραμέτρους. Το εκτιμώμενο κέρδος σε σχέση με την FCA κυμαίνεται από 10% - 20% στα τυπικά λειτουργικά σημεία (Grade of Service GoS) Η DCA μειώνει την πιθανότητα απόρριψης, η οποία αυξάνει την χωρητικότητα της από κοινής χρήσης των πόρων του συστήματος (trunking capacity) αφού όλα τα διαθέσιμα κανάλια σε μια αγορά είναι προσπελάσιμα από όλες τις κυψέλες. Η DCA απαιτεί από το MSC να συλλέγει δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για το διάστημα που είναι κατειλημένο το κανάλι, για την κατανομή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και τις ενδείξεις στάθμης των σημάτων από όλα τα κανάλια σε συνεχή βάση. Αυτό έχει το κόστος ότι αυξάνει την αποθήκευση και τον υπολογιστικό φόρτο στο σύστημα αλλά παρέχει το πλεονέκτημα της αποτελεσματικής αξιοποίησης του ραδιοφάσματος και μειωμένη πιθανότητα απόρριψης μιας κλήσης. Η ευελιξία που προσφέρει ο μηχανισμός της DCA μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω με τη χρήση μετρήσεων πραγματικού χρόνου των επιπέδων παρεμβολής, για να ληφθεί η απόφαση εάν μπορεί να εκχωρηθεί ένα κανάλι ή όχι. Αυτό είναι περισσότερο γενκό από την χρήση των περιορισμών επαναχρησιμοποίησης, οι οποίοι υπολογίζονται κάτω από δυσμενείς υποθέσεις. Αυτή η τεχνική θα καλείται δυναμική εκχώρηση πόρων (Dynamic Resource Assignment DRA) για να την ξεχωρίζουμε από την DCA. Ανάμεσα στις δύο ακραίες περιπτώσεις των FCA και DCA βρίσκονται διάφορες άλλες στρατηγικές που είναι απλούστερες από την DCA αλλά περισσοτερο ευέλικτες από την FCA. Αυτές περιλαμβάνουν υβριδικά σχήματα, κατευθυνόμενη επανακληση και κατευθυνόμενη μεταγωγή. 1.6 ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΚΛΗΣΕΩΝ Όταν ένας κινητός σταθμός απομακρύνεται από τα όρια μιας κυψέλης ενώ η συνδιάλεξη είναι σε εξέλιξη, το MSC αυτομάτως εκχωρεί στην κλήση ένα νέο κανάλι το οποίο ανήκει στον νέο σταθμό βάσης, στην περιοχή ευθύνης του οποίου βρίσκεται τώρα ο κινητός σταθμός. Η διαδικασία αυτή καλείται μεταγωγή (handoff στα κυψελωτά συστήματα 1 ης γενιάς και handover για τα συστήματα 2 ης γενιάς) και περιλαμβάνει σε πρώτο στάδιο τον εντοπισμό του νέου σταθμού βάσης και στη συνέχεια την απαίτηση από αυτόν για παραχώρηση καναλιών για μεταφορά ομιλίας και σηματοδοσίας. Η μεταγωγή είναι μία πολύ σημαντική διαδικασία σε όλα τα κυψελωτά ραδιοσυστήματα διότι εξασφαλίζει τη φυσική συνέχεια της κλήσης. Πολλές στρατηγικές μεταγωγής δίνουν προτεραιότητα στις αιτήσεις για μεταγωγή σε σχέση με άλλες λειτουργικές διαδικασίες όπως είναι για παράδειγμα οι αιτήσεις για αποκατάσταση ή τερματισμό επικοινωνίας. Η μεταγωγή πρέπει να εκτελείται με επιτυχία, να είναι όσο το δυνάτον λιγότερο συχνή και να μην γίνεται αντιληπτή στους χρήστες. Για τον λόγο αυτό, οι σχεδιαστές συστημάτων έχουν καθορίσει ένα βέλτιστο επίπεδο σήματος P R,handoff το οποίο όταν ξεπεραστεί, εκκινεί την διαδικασία της μεταγωγής. Η εκλογή του P R,handoff δεν είναι αυθαίρετη αλλά γίνεται με σημείο αναφοράς το ελάχιστο επιτρεπτό επίπεδο

30 Κεφάλαιο 1 9 σήματος P R,minimum usable το οποίο εξασφαλίζει αποδεκτή ποιότητα επικοινωνίας. Προφανώς, εάν η στάθμη του σήματος λάβει τιμές χαμηλότερες από το P R,handoff η επικοινωνία θα τερματιστεί και επομένως για να αποφευχθεί το ενδεχόμενο αυτό, το P R,handoff πρέπει να είναι ελαφρώς ισχυρότερο από το P R,minimum usable. Με βάση τις παραπάνω παρατηρήσεις, ορίζεται το περιθώριο Δ= P R,handoff - P R,minimum usable, το οποίο δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μεγάλο ούτε πολύ μικρό. Εάν το Δ είναι μεγάλο, τότε άσκοπες μεταγωγές λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα να επιφορτίζεται περαιτέρω η λειτουργία του MSC, ενώ εάν το Δ είναι μικρό, πιθανόν ο χρόνος να μην επαρκεί για την ολοκλήρωση της μεταγωγής και η κλήση να τερματιστεί λόγω χαμηλής στάθμης ισχύος. Επίσης, απόρριψη κλήσης μπορεί να συμβεί σε περιπτώσεις όπου υπάρχει υπερβολική καθυστέρηση, όπως συμβαίνει για παράδειγμα σε συνθήκες μεγάλου φόρτου τηλεπικοινωνιακής κίνησης όπου το MSC επιβαρύνεται με μεγάλο υπολογιστικό φόρτο αλλά και στην περίπτωση που δεν υπάρχουν διαθέσιμα κανάλια στους γειτονικούς σταθμούς οπότε το MSC περιμένει μέχρι να αποδεσμευτεί κάποιο κανάλι. Το Σχήμα 1.4 αναπαριστά την διαδικασία της μεταγωγής στην περίπτωση που ο κινητός σταθμός κινείται στα γεωγραφικά σύνορα δύο γειτονικών κυψελών. Στο Σχήμα 1.3(α) η μεταγωγή δεν γίνεται και η στάθμη του σήματος πέφτει κάτω από το ελάχιστο επιτρεπτό όριο με αποτέλεσμα η κλήση να τερματίζεται αιφνίδια. Στην περίπτωση του Σχήματος 1.3(β), η μεταγωγή ολοκληρώνεται με επιτυχία.

31 Κεφάλαιο 1 10 Σχήμα 1.4: Απεικόνιση της διαδικασίας της μεταγωγής καθώς ο ΚΣ κινείται στα γεωγραφικά όρια δύο γειτονικών κυψελών Πολλές φορές, για λόγους που μπορούν να οφείλονται στο περιβάλλον ραδιοδιάδοσης (π.χ. διάλειψη λόγω πολυόδευσης), η στάθμη του λαμβανόμενου σήματος παρουσιάζει στιγμιαία, απότομα «βυθίσματα», με αποτέλεσμα το MSC να εκκινεί την διαδικασία της μεταγωγής χωρίς όμως να υπάρχει λόγος αφού ο κινητός σταθμός δεν απομακρύνεται από την περιοχή υπηρεσιών του σταθμού βάσης. Για τον λόγο αυτό, ο σταθμός βάσης επιβλέπει το επίπεδο ισχύος του σήματος για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα πριν εκκινήσει την διαδικασία της μεταγωγής. Το χρονικό διάστημα στο οποίο μία κλήση εξυπηρετείται από τον ίδιο σταθμό βάσης χωρίς να λάβει χώρα καμίαα μεταγωγή ονομάζεται χρόνος παραμονής (dwell time). Ο χρόνος αυτός επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως είναι η διάδοση, η παρεμβολή, η απόσταση ανάμεσα στον σταθμό βάσης και τον συνδρομητή και άλλα χρονικά μεταβαλλόμενα φαινόμενα. Έχει προκύψει από μετρήσεις ότι ο χρόνος παραμονής είναι πεπερασμένος και τυχαίος ακόμα και για έναν στατικό συνδρομητή αφού η φυσική κίνηση στον περιβάλλοντα χώρο γύρω από τον σταθμό βάσης και τον κινητό σταθμό επιδρούν καθοριστικά στη στάθμη ισχύος του σήματος. Στην περίπτωση που ο συνδρομητής κινείται, ο χρόνος παραμονής εξαρτάται από την ταχύτητα του χρήστη και τον τύπο της ραδιοκάλυψης. Για παράδειγμα, εάν ο κινητός σταθμός κινείται με σταθερή ταχύτητα για αρκετό χρονικό διαστημα (π.χ. σε εθνικές

32 Κεφάλαιο 1 11 οδούς), τότε ο χρόνος παραμονής είναι τυχαία μεταβλητή με κατανομή που εμφανίζει υψηλή συγκέντρωση γύρω από την μέση τιμή του. Για χρήστες που κινούνται σε αστικά κέντρα με υψηλό βαθμό δομικού συνωστισμού, οι χρόνοι παραμονής παρουσιάζουν μεγάλη απόκλιση από την μέση τιμή τους και είναι περισσότερο βραχείς από ότι η γεωμετρία της κυψέλης επιβάλει. Γενικά, στον σχεδιασμό των αλγορίθμων μεταγωγής χρησιμοποιούνται τα στατιστικά στοιχεία που έχουν προκύψει από την μελέτη των χρόνων παραμονής. Στα αναλογικά κυψελωτά συστήματα πρώτης γενιάς, οι μετρήσεις της στάθμης ισχύος του σήματος γίνονται από τους σταθμούς βάσης και επιβλέπονται από το MSC. Κάθε σταθμός βάσης παρακολουθεί την ισχύ όλων των καναλιών ανερχόμενης ζεύξης (uplink) έτσι ώστε να προσδιορίσει την σχετική απόσταση κάθε κινητού σταθμού ως προς τον ιστό που είναι τοποθετημένες οι κεραίες του σταθμού βάσης. Επίσης, παράλληλα με τους δείκτες της στάθμης ισχύος των λαμβανόμενων σημάτων, RSSI, (Received Signal Strength Indicators) για τις κλήσεις που είναι σε εξέλιξη, σε κάθε σταθμό βάσης υπάρχει ένας εντοπιστής δέκτης ο οποίος παρακολουθεί την ισχύ των κινητών σταθμών που βρίσκονται σε γειτονικές κυψέλες. Με βάση όλες τις τιμές των RSSI από κάθε σταθμό βάσης, το MSC αποφασίζει εάν θα εκτελεστεί μεταγωγή ή όχι. Στα συστήματα δεύτερης γενιάς που χρησιμοποιούν τεχνολογία TDMA, στις αποφάσεις για μεταγωγή συνδράμουν σε μεγάλο βαθμό οι κινητοί σταθμοί (Mobile Assisted Handover MAHO). Στην περίπτωση αυτή, οι κινητοί σταθμοί λαμβάνουν μετρήσεις από όλους τους περιβάλλοντες σταθμούς βάσης και αναφέρουν συνεχώς τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις στον σταθμό βάσης στην περιοχή υπηρεσιών του οποίου βρίσκονται. Μία μεταγωγή εκκινείται όταν η ισχύς που λαμβάνεται από τον σταθμό βάσης μιας γειτονικής κυψέλης αρχίζει να υπερβαίνει την ισχύ που λαμβάνεται από τον τρέχοντα σταθμό βάσης κατά ένα δεδομένο επίπεδο ή συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Οι MAHO ταιριάζουν περισσότερο σε μικρο κυψελωτά περιβάλλοντα όπου οι μεταγωγές είναι συχνότερες και επομένως πρέπει να γίνονται με ταχύτερο ρυθμό. Κατά τη διάρκεια μιας κλήσης, εάν ένας κινητός σταθμός κινείται από ένα κυψελωτό σύστημα σε ένα άλλο κυψελωτό σύστημα, το οποίο ελέγχεται από ένα διαφορετικό MSC, τότε μια δια συστηματική μεταγωγή καθίσταται επιτακτική. Ένα MSC καταφεύγει σε μία δια συστηματική μεταγωγή όταν το σήμα του κινητού σταθμούγίνεται ασθενές σε μία δεδομένη κυψέλη και το MSC δεν μπορεί να εντοπίσει άλλη κυψέλη μέσα στο σύστημα στην οποία να μεταφέρει την υπό εξέλιξη κλήση. Διαφορετικά συστήματα ακολουθούν διαφορετικές μεθόδους και πολιτική για την διαχείριση των αιτήσεων για μεταγωγή. Κάποια συστήματα χειρίζονται τις αιτήσεις για μεταγωγή όπως ακριβώς τις χειρίζονται τα συστήματα από τα οποία προέρχονται οι κλήσεις. Σε τέτοια συστήματα, η πιθανότητα μία αίτηση για μεταγωγή να μην εξυπηρετηθεί από ένα νέο σταθμό είναι ίση με την πιθανότητα απόρριψης μιας εισερχόμενης κλήσης. Παρόλα αυτά, από την πλευρά του χρήστη, το ενδεχόμενο να τερματιστεί απότομα μια κλήση, ενώ η συνδιάλεξη βρίσκεται σε εξέλιξη, είναι

33 Κεφάλαιο 1 12 περισσότερο εκνευριστικό από το να απορρίπτεται περιστασιακά σε κάθε νέα προσπάθεια. 1.7 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών βασίζονται στην θεωρία της από κοινού χρήσης των πόρων του συστήματος (trunking system), σύμφωνα με την οποία ένας μεγάλος αριθμός από χρήστες κινητής τηλεφωνίας είναι δυνατόν να φιλοξενηθεί σε ένα περιορισμένο ραδιοφάσμα. Η ιδέα που κρύβεται πίσω από αυτή την θεωρία, έχει να κάνει με την στατιστική συμπεριφορά των χρηστών κινητών συνδρομητών και συγκεκριμένα βασίζεται στο γεγονός ότι η πιθανότητα όλοι οι κινητοί συνδρομητές του συστήματος να ζητήσουν ταυτόχρονα πρόσβαση στο σύστημα είναι πολύ μικρή. Όταν λοιπόν ένας συγκεκριμένος κινητός συνδρομητής ζητάει πρόσβαση στις υπηρεσίες ενός τέτοιου συστήματος και όλα τα ραδιοκανάλια είναι κατειλημένα, δεν γίνεται αποδεκτή η πρόσβαση ή τίθεται σε αναμονή ωσότου να αποδεσμευτεί κάποιο από τα ραδιοκανάλια. Έτσι λοιπόν, υπάρχει ένα είδος «συναλλαγής» ανάμεσα στον αριθμό των διαθέσιμων καναλιών και την πιθανότητα να απορριφθεί η αιτηση ενός χρήστη για πρόσβαση στο σύστημα σε ώρες υψηλής τηλεπικοινωνιακής ζήτησης. Τα συστήματα κοινής χρήσης πόρων είναι σχεδιασμένα ώστε να διαχειρίζονται μία συγκεκριμένη χωρητικότητα με συγκεκριμένο βαθμό υπηρεσιών, GoS (Grade of Service). Η κατανόηση της θεωρίας της από κοινού χρήσης (trunking theory) καθώς και της θεωρίας της αναμονής (queuing theory) είναι θεμελιώδους σημασίας. Η πρώτη αναπτύχθηκε από τον Δανό Μαθηματικό Erlang, από τον οποίο πήρε το όνομα η αδιάστατη μονάδα τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Ένα Erlang αναπαριστά το ποσό της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που μεταφέρεται από ένα κανάλι το οποίο είναι εντελώς απασχολημένο (π.χ. μία ώρα κήση ανά ώρα ή ένα λεπτό κλήση ανά λεπτό). Έτσι, ένα ραδιοκανάλι το οποίο είναι κατειλημένο για τριάντα λεπτά κατά τη διάρκεια μίας ώρας, μεταφέρει 0.5 Erlang τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση που προκαλείται στο δίκτυο από κάθε χρήστη ορίζεται ως το γινόμενο του ρυθμού άφιξης των κλήσεων (calls/sec) και του μέσου χρόνου παραμονής της κλήσης (sec). Δηλαδή, κάθε χρήστης επιβαρύνει το σύστημα με τηλεπικοινωνιακό φόρτο A u (Erlang), ο οποίος δίνεται από την σχέση A u = λ H (1.4) όπου H είναι η μέση διάρκεια μιας κλήσης και λ είναι ο μέσος ρυθμός άφιξης των κλήσεων. Για ένα σύστημα το οποίο περιέχει U χρήστες και έναν ακαθόριστο αριθμό από κανάλια, ο συνολικός τηλεπικοινωνιακός φόρτος, δίνεται από A = U (1.5) A u

34 Κεφάλαιο 1 13 Εάν όμως γνωρίζουμε ότι το σύστημα διαθέτει C κανάλια και ο τηλεπικοινωνιακός φόρτος είναι εξίσου κατανεμημένος στα κανάλια, τότε η τηλεπικοινωνιακή κίνηση ανά κανάλι ορίζεται ως εξής A C Au = U (1.6) C Πρέπει να τονισθεί στο σημείο αυτό ότι το φυσικό όριο της μέγιστης μεταφερόμενης τηλεπικοινωνιακής κίνησης είναι ο συνολικός αριθμός των καναλιών C σε μονάδες Erlang. Ο βαθμός υπηρεσιών είναι ένα μέτρο της ικανότητας του χρήστη να έχει πρόσβαση στο σύστημα κατά τη διάρκεια χρονικών περιόδων με την μεγαλύτερη τηλεπικοινωνιακή κίνηση και τυπικά περιγράφεται ως η πιθανότητα να απορριφθεί μία κλήση ή η πιθανότητα μία κλήση να υφίσταται καθυστέρηση μεγαλύτερη από ένα δεδομένο χρόνο αναμονής (queuing time). Υπάρχουν δύο τύποι συστημάτων που λειτουργούν με την τεχνική της από κοινού χρήσης των πόρων του συστήματος. Ο πρώτος τύπος δεν προσφέρει την δυνατότητα της αναμονής για όσο χρόνο η αίτηση για κλήση είναι σε εξέλιξη. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε χρήστη που ζητάει πρόσβαση στο σύστημα, υποτίθεται πως δεν υπάρχει χρόνος αποκατάστασης της κλήσης οπότε του εκχωρείται αυτομάτως κανάλι, εφόσον υπάρχει διαθέσιμο. Εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο κανάλι, το σύστημα μπλοκάρει την κλήση και αρνείται την πρόσβαση οπότε ο χρήστης είναι ελεύθερος να επιχειρήσει ξανά αργότερα. Αυτός ο τύπος συστημάτων καλείται σαφής απόρριψη κλήσεων (calls blocked cleared) και έχει αποδειχθεί ότι ο ρυθμός άφιξης των κλήσεων ακολουθεί την κατανομή Poisson. Επιπλέον, ο συγκεκριμένος τύπος, εκτός από το γεγονός ότι θεωρεί έναν άπειρο αριθμό από χρήστες στο σύστημα, λαμβάνει ως δεδομένα τα ακόλουθα: 1. δεν υπάρχει κανένα είδος μνήμης στην άφιξη των κλήσεων. Αυτό σημαίνει ότι αν κάποιος χρήστης προσπαθήσει να συνδεθεί χωρίς να καταστεί αυτό δυνατό, μπορεί να επιχειρήσει ξανά οποιαδήποτε στιγμή. 2. η πιθανότητα ένας χρήστης να απασχολεί ένα κανάλι ακολουθεί εκθετική κατανομή και επομένως οι κλήσεις μεγαλύτερης διάρκειας είναι λιγότερο πιθανόν να συμβούν όπως περιγράφει εκθετική κατανομή και 3. υπάρχει περιορισμένος αριθμός από κανάλια στη «δεξαμενή» του συστήματος. Το σύστημα αυτό με τα εγγενή ιδιώματά του είναι γνωστό ως M/M/m ουρά και οδηγεί στην παραγωγή της φόμουλας Erlang B (γνωστή επίσης ως φόρμουλα σαφούς απόρριψης κλήσεων). Η φόμουλα Erlang B προσδιορίζει την πιθανότητα με την οποία απορρίπτεται μία κλήση και είναι ένα μέτρο για τον βαθμό υπηρεσιών του συστήματος το οποίο δεν διαθέτει τη δυνατότητα της αναμονής για τις κλήσεις που απορρίπτονται. Η φόρμουλα Erlang B ορίζεται ως εξής: