η Τ ΥΧΙΑ κ ι {Ε Ρ Γ Α Σ ΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΑΕΦΩΝΙΑΣ Frequency Allocation in Mobile Communications

Transcript

1 TF.W O A O rik O FK IIA U FM IK O I\P> M \ Γ.Κ.Ι. KABAAAi: ΤΜΗΜΑ HATKTPOAOr ia l Αγιος Αουκάς, Κ,αβα/Λ τηλ fa,\ η Τ ΥΧΙΑ κ ι {Ε Ρ Γ Α Σ ΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΑΕΦΩΝΙΑΣ Frequency Allocation in Mobile Communications ΠΛΣBA^TUHΣ ΛΣΤΩΜ ΟΣ Λ.Ε.Μ 4115 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ KA0HrHTHI: Ap. Α(-)Α\ΑΣ1()Σ ΙΩ Α \:\Ο Υ KABAAA 2011

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜ ΕΝΑ Τ. Ε. Ι. Κ Α Π Α Λ ^ X Τ Μ ^ Α ΗΛΕΚΤΕΟΛΟΓΙΑΧ Εισαγωγή...σελ.4 Περίληψη...σελ.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Κινητά Δίκτυα Επικοινωνιών...σελ Οι διάφορες γενιές κινητών δικτύων... σελ Κινητά δίκτυα Ρ^γενίας...σελ Κινητά δίκτυα 2'^' γενίας...σελ Κινητά δίκτυα 2.5 γενιάς...σελ.16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Κινητά δίκτυα 3ης γενιάς...σελ Προβλήματα διάδοσης... σελ Γενικά προβλήματα διάδοσης...σελ Θεμελιώδεις εναλλακτικές λύσεις σχεδιασμού για συστήματα κινητών επικοινωνιών...σελ Πρότυπα συστήματα κινητών επικοινωνιών...σελ Απολογισμός των 3G...σελ Κινητά δίκτυα 3.5 γενιάς... σελ.42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Στόχοι και απαιτήσεις των 4G...σελ Απαιτήσεις συστημάτων 4ης γενιάς...σελ Ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς...σελ Γενικά χαρακτηριστικά δικτύων 4ης γενιάς...σελ.47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 " 4.1 Το σύστημα UMTS...σελ.49

3 4.1.1 Γ ενικά χαρακτηρισηκά...σε> Η δομή του UMTS...σελ Δομή κυψελών...σελ Διεπαφές και αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων...σελ Μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων πάνω από UMTS...σελ Μετάδοση Δεδομένων σε Πραγματικό Χρόνο...σελ Τα παραδοσιακά πρωτόκολλα μεταφοράς...σελ Πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου...σελ Μετάδοση δεδομένων με πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου... σελ Μετάδοση βίντεο στο UMTS με δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης...σελ.67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ποιότητα υπηρεσίας (QOS) σε 3G δίκτυα... σελ QOS σε 3G δίκτυα...σελ Η Π οιότη τα υ π η ρ ε σ ία ς από την οπτική του χ ρ ή σ τη... σελ Ο δίαυλος υπηρεσιών σε UMTS...σελ Λειτουργίες διαχείρισης QOS... σελ Τάξεις QOS και χαρακτηρισηκά στο UMTS...σελ Τάξεις QOS στο UMTS... σελ Σημανηκές παράμετροι για το QOS... σελ Παράμετροι QOS...σελ Φωνή (voice/rich Voice)... σελ Βίντεο-τηλεφωνία...σελ Βίντεο-συνδιάσκεψη...σελ Multimedia messaging service (MMS)...σελ.85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6' 6.1 GSM(Global System for Mobile Telecomunications)...σελ.86

4 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...σελ.96 ΠΗΓΕΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...σελ.97

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω πολύ τους γονείς μου που με στήριξαν σε αυτήν την προσπάθεια όλο αυτό τον καιρό για την εκπόνηση της πτυχιακής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστίσω τον καθηγητή Δρ. Αθανάσιο Ιοάννου για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε καθώς πέρα από την επίβλεψη της πτυχιακής εργασίας με τις γνώσεις του και την εμπειρία του προσέφερε τα μέγιστα ώστε να φέρω εις πέραν την εργασία μου.καθώς επίσης και τον συνάδελφο Στεργιούδη Νικόλαο για την βοήθεια του ^ υ μου την προσέφερε όποτε τον χρειάστηκα.

6 Εισαγοίγή Η καθημερινή μας ζωή πλαισιώνεται από μια εκπληκτική εφεύρεση που ακούει στο όνομα κινητό τηλίφωνο. Από τη στιγμή που θα ξυπνήσουμε, έως ότου πούμε το τελευταίο «καληνύχτα», η μικρή αυτή συσκευή «κολλάει» μαζί μας και δεν την αποχοιριζόμαστε ποτέ. Είναι αποδεδειγμένο πλέον πως το κινητό τηλέφωνο αποτελεί από τα σημαντικότερα στοιχεία της ζωής μας, και το δέσιμό μα πια μαζί του είναι αναπόσπαστο. Μπορεί να ξεχάσουμε το πορτοφόλι μας στο σπίτι, λίγο πριν ξεκινήσουμε για τη δουλειά, αλλά το κινητό όχι. Το μερίδιο της παγκόσμιας αγοράς που σχετίζεται τόσο με τις συσκευές, όσο και με την παροχή υπηρεσιών είναι πολύ υψηλό κι οι τεχνολογίες προχωρούν με ταχύτατους ρυθμούς, ώστε να παρασύρουν τους πάντες σε ένα ξέφρενο κυνήγι για το μικρότερο, mo κομψό, λειτουργικό και πλούσιο προϊόν. Η σύγκλιση τηλεπικοινωνιών - πληροφορικής έφερε πολύ κοντά τον κόσμο των υπολογιστών και των κινητών τηλεφώνων, ώστε πλέον να έχουμε παραδείγματα και από τις δύο πλευρές που να μην μπορούμε να τα διακρίνουμε, τι ακριβώς είναι κινητό τηλέφωνο και τι ηλεκτρονικός υπολογιστής χειρός. Το πέρασμα από τα αναλογικά στα ψηφιακά δίκτυα και τώρα η εμφάνιση των λεγάμενων δικτύων 3ης γενιάς, και της 4ης αργότερα, σηματοδοτούν μια εποχή νέα και συνάμα αρκετά φιλόδοξη, που όμοιά της ίσως δεν έχει γνωρίσει η ανθρωπότητα, στον τομέα της τηλεπικοινωνίας. Είναι ανάγκη να γίνει μια μικρή περιγραφή της λειτουργίας των κινητών τηλεφώνων, παράλληλα με την ανάπτυξη των δικτύων και των τεχνολογιών, ώστε να γίνει περισσότερο γνωστός ο κόσμος που κρύβεται πίσω από αυτές τις μικροσυσκευές, που χωρούν παντού και μεταφέρονται παντού. Περίληψη Η ασύρματη επικοινωνία, στις μέρες μας, αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, όπου η μορφολογία του εδάφους, δεν επιτρέπει σε αρκετά γεωγραφικά διαμερίσματα την εγκατάσταση και χρήση ευρυζωνικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας καθώς στις μέρες μας βιώνουμε το πέρασμα από τη δεύτερη γενιά συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών προς την τρίτη. Στην εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας με σκοπό την παροχή μιας πληθώρας υπηρεσιών στους συνδρομητές. Η πτυχιακή αυτή έχει σαν σκοπό να μελετήσει την μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων όπως εικόνα και ήχος μέσα από την έννοια του streaming, πάνω από ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς (UMTS). Λαμβάνοντας υπό όψη τις δυσκολίες που συνεπάγεται η ασύρματη μετάδοση δεδομένων, όπως απώλεια πακέτων εξαιτίας λαθών ή συμφόρησης στο δίκτυο, αλλά και την καθυστέρηση που πολλές φορές παρατηρείται,. Στόχος είναι η αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, αλλά και η προσπάθεια για την όσο το δυνατόν ανεμπόδιστη λειτουργία της streaming υπηρεσίας ακόμα και σε μη ευνοϊκές δικτυακές συνθήκες. Ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης αποτελεί ένα σημαντικό θέμα τόσο στα ενσύρματα όσο και στα ασύρματα δίκτυα μιας και σχετίζεται με τη σταθερότητα του δικτύου, συμβάλλει στη δίκαιη κατανομή του bandwidth μεταξύ των ροών δεδομένων και στην ομαλή μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Μία μέθοδος ελέγχου και προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων πάνω από δίκτυα είναι γνωστή σαν TCP Friendly Rate Control (TFRC). Χρησιμοποιείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα και σύμφωνα με αυτή, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι συνάρτηση κάποιων παραμέτρων οι οποίες

7 αντιπροσωπεύουν την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Οι παράμετροι αυτοί είναι το μέγεθος των πακέτων, ο ρυθμός απώλειας των πακέτων και το Round Trip Time (RTT). Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στα ασύρματα δίκτυα με τη βοήθεια απαραίτητων τροποποιήσεων/παραλ^χιγοιν αλλά και υπό την προϋτιόθεση ότι λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες της ασύρματης μετάδοσης. Στα πλαίσια της έρευνας που έγινε στην εργασία αυτή, θα δείξουμε την ικανότητα που μπορεί να έχει ένας streaming server για έλεγχο και προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων σύμφωνα με τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Βασικό στοιχείο στην προσπάθεια αυτή αποτέλεσε η λειτουργία του TFRC μηχανισμού σε συνδυασμό με τη χρήση του RTP πρωτοκόλλου. Το Real-Time Transport Protocol (RTP) παρέχει μια από άκρο σε άκρο υπηρεσία για αποστολή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο αυτό είναι κυρίως υπηρεσίες για μετάδοση (streaming) ήχου (φωνή) και βίντεο. Παρόλο που το RTP πρωτόκολλο δεν παρέχει κάποια εγγύηση για την έγκαιρη παράδοση των πακέτων, εντούτοις περιέχει ένα μηχανισμό για την απεικόνιση της κατάστασης του δικτύου και των χαρακτηριστικών της σύνδεσης μεταξύ των δύο άκρων. Πρόκειται για το RTP Control Protocol (RTCP) το οποίο αποστέλλει πακέτα (αναφορές) μεταξύ του streaming server και ενός χρήστη, με πληροφορία όπως ο ρυθμός απώλειας πακέτων, η καθυστέρηση μετάδοσης και ο RTT χρόνος. Με τον τρόπο αυτό, και για τις ανάγκες της ασύρματης μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο από έναν server προς έναν κινητό χρήστη μπορεί να γίνει μια συνεργασία του TFRC μηχανισμού και των RTP και RTCP πρωτοκόλλων. Ο server, κατά τη διάρκεια αποστολής (streaming) πολυμεσικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο προς ένα κινητό χρήστη, θα μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τα χαρακτηριστικά της ασύρματης σύνδεσης, βασιζόμενος στα RTCP πακέτα που θα του στέλνει ο χρήστης και στη συνέχεια με τη βοήθεια του TFRC να κάνει υπολογισμό ενός άνω φράγματος για τον επιτρεπτό ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Η δυνατότητα για αλλαγή του ρυθμού μετάδοσης από τον server ανάλογα με τις δικτυακές συνθήκες, βασίζεται στο γεγονός της ικανότητας να επιλέγει το προς μετάδοση βίντεο μέσα από ένα σύνολο διαφορετικών κωδικοποιήσεων του βίντεο αυτού. Με άλλα λόγια, ο streaming server διατηρεί διάφορες εκδόσεις (αρχεία) του ίδιου βίντεο, με τη μόνη διαφορά ότι είναι κωδικοποιημένα σε διαφορετικούς ρυθμούς (Kbps) με βάση κάποιο πρότυπο (π.χ MPEG-2). Βέβαια είναι γεγονός, ότι ένας χαμηλός ρυθμός κωδικοποίησης της πολυμεσικής πληροφορίας, σε σχέση με ένα υψηλό ρυθμό, συνεπάγεται μια μέτρια ποιότητα στην εικόνα του βίντεο. Από την άλλη όμως πλευρά, η μετάδοση μέτριας ποιότητας (χαμηλού ρυθμού) βίντεο, συνδέεται με το χαμηλό ρυθμό στην μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων, γεγονός που είναι επιθυμητό σε περυττώσεις όπου στο δίκτυο παρατηρείται συμφόρηση, μεγάλες καθυστερήσεις και απώλειες πακέτων. Κατά ανάλογο τρόπο, όταν στο δίκτυο δεν παρατηρούνται ιδιαίτερα προβλήματα, είναι επιθυμητή η μετάδοση από τον streaming server βίντεο υψηλού ρυθμού (καλής ποιότητας), καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι σε θέση να εξυπηρετήσει πς απαιτήσεις για μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με υψηλό ρυθμό. Abstract Wireless communication has become valuable, in a country like Greece, where the morphology o f the ground does not allow the massive use of alternative means of communication like fiber optics. Especially, the field o f mobile telecommunications has shown a remarkable growth over the past years, as we are now witnessing the pass from the second generation (2G) networks to the third generation (3G). However, this evolution can be regarded as the result of the demands for an integrated and functional

8 mobile telecommunication system, with a plethora o f new services offered to its users. The aim of this master thesis is to make a research in the transmission o f multimedia content over a UMTS network, with the capability o f adapting the transmission rate, depending on the network conditions. The control o f the transmission rate is a very important aspect, not only in the wired networks, but also in the wireless networks, as it is responsible for the stability o f the network, the fair sharing o f the bandwidth between the traffic flows and the unaffected transmission o f multimedia, like video and voice. One method for the control and the adaptation o f the transmission rate over networks is known as TCP Friendly Rate Control (TFRC). This method is mainly used in wired networks and according to its function, the transmission rate is the outcome o f various parameters across the network. These parameters are the size o f the packets, the packet loss rate, and the Round Trip Time (RTT). This method can also be used in wireless networks as long as some modifications take place and that special needs o f the wireless transmission have been taken into consideration. During this research, we can show how the TFRC mechanism and the Real-Time Transport Protocol (RTP) can be combined together for the needs o f multimedia streaming over a wireless network. The RTP protocol provides end-toend delivery services for data with real-time characteristics such as interactive audio and video, while applications typically run RTP on top of UDP. RTP itself does not provide any mechanism to ensure timely delivery or other quality-ofservice guarantees. Flowever, RTP consists o f the RTP Control Protocol (RTCP),which monitors the quality o f service like packet loss, delay, round trip time and conveys information about the participants in an on-going session. By this way, during a streaming session, the server would be able to have an image o f the network conditions thanks to the RTCP information sent by the mobile client. Then, using the TFRC mechanism an upper boimd for the transmission rate can be calculated in order to take advantage o f the available bandwidth and to avoid causing network instability or abuse. The server would have the same video in different versions, depending on the coding in Kbits per second (Kbps) and then would have the capability o f increasing or decreasing the transmission rate by switching the video files during the streaming session.

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ 1.1 Κινητά Δίκτυα Επικοινωνιο>ν Το κεφάλαιο αυτό κάνει μια αναφορά στα δίκτυα που προηγήθηκαν του UMTS και της 3ης γενιάς, ξεκινώντας από αυτά της 1ης. Γίνεται μια αναδρομή στην πορεία που έχουν διανύσει μέχρι τώρα τα κινητά δίκτυα επικοινωνιόιν, στα χαρακτηριστικά που είχαν, τις δυσκολίες που αντιμετώπιζαν και στους λόγους που τα οιθησαν για να εξελιχθούν. Προϊστορία Οι ρίζες των κινητών τηλεφώνων εντοπίζονται ήδη από το δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, όταν άρχισαν να ξεπηδούν τεχνολογίες κι εφευρέσεις όπως το τηλέφοινο, ο τηλέγραφος ή η ανακάλυψη και μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα ονόματα μεγάλων και πρωτοπόρων, όπως του Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ, του Γουλιέλμου Μαρκόνι, του Ενρίκου Χερτζ κι άλλων χαράχτηκαν μαζί με τις βάσεις της σύγχρονης εποχής στις τηλεπικοινωνίες. Είναι χαρακτηριστικό το ότι σχεδόν παράλληλα με την ανάπτυξη του τηλεφώνου, υπήρξε κι η ιδέα για ασύρματη τηλεπικοινωνία, αν και οι αντίστοιχες τεχνολογίες εμφανίστηκαν αρκετά αργότερα, όσον αφορά στον τομέα αυτόν. Το κινητό τηλέφωνο συνδυάζει θα λέγαμε δύο βασικές τεχνολογίες. Είναι τη>χφωνο, ϋΐστόσο το όλο σύστημα από πλευράς δικτύου θυμίζει ραδιόφωνο. Λειτουργεί, μιλώντας πιο απλά, σαν το ραδιόφωνο, όπου υπάρχουν σταθμοί - κεραίες που αναμεταδίδουν το σήμα, ώστε να βρίσκεται σε συνεχή σύνδεση η Μονάδα - συσκευή κινητής τηλεφωνίας. Μάλιστα, πριν υπάρξει η κινητή τηλεφωνία, με την τελική σημασία της λέξης, τα ραδιοτηλέφωνα ήταν το καταλληλότερο σύστημα κινητής τηλεπικοινωνίας. Σε αυτήν την περίπτωση, υπήρχε ένας κεντρικός πομποδέκτης, μια μόνο κεραία σε κάθε πόλη, στην οποία υπήρχαν περίπου 25 διαθέσιμα κανάλια. Αυτό σήμαινε αυτομάτως πως χρειαζόταν ένας αρκετά ισχυρός πομπός, τόσο ώστε να είναι ικανός να εκπέμπει σε απόσταση περίπου 70 χιλιομέτρων, πράγμα που σήμαινε όπ δεν μπορούσε ο καθένας να χρησιμοποιήσει τα ραδιοτηλέφωνα, καθώς δεν υπήρχαν αρκετά κανάλια επικοινωνίας. Με μια επιστροφή πίσω στις πρώτες σπίθες της τεχνολογικές αυτής επανάστασης, γυρίζουμε στον Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ. ο οποίος επινόησε το τηλέφωνο, επιχειρώντας να ξεπεράσει τις δυνατότητες του τηλέγραφου. Ο τελευταίος αποτελούσε μια διάταξη που αναπτύχθηκε κι εξελίχθηκε κατά το 1938 από τον Αμερικανό Μορς (Samuel Finley Breese Morse, ) και ήταν δυνατόν να μεταφέρει μόνο σήματα. Επιχειρώντας να μεταδώσει τη φωνή λοιπόν, ο Μπέλ οδηγήθηκε στο τηλέφωνο, κατά το Επόμενος σημαντικός σταθμός ήταν το 1985, όταν ο Γουλιέλμος Μαρκόνι (Giuglielmo Marconi) κατάφερε να απελευθερώσει από τα σύρματα την επικοινωνία, και πραγματοποίησε το 1901 μέσω ραδιοκυμάτων την αποστολή μηνύματος από την Αγγλία στη Αμερική, η πρώτη υπερατλαντική εκπομπή μηνύματος. Τα ίδια τα ραδιοκύματα έχουν τις ρίζες τους στο Νικολάι Τέσλα. ο οποίος αναγνώρισε την ύπαρξή τους, την όλη βάση της ασύρματης τηλεπικοινωνίας. Το 1903, οι Γερμανικές AEG και Siemens&Halske ιδρύουν την Deutsche Telefunken GmbH και σε συνεργασία με την Lorezn AG πραγματοποιούν την πρώτη εκπομπή ήχου και ομιλίας μόλις 3 χρόνια μετά. Όταν κι η Αμερικανική Τηλεφωνική και Τηλεγραφική Εταιρεία AT&T συνεργάστηκε το κατόρθωμα αυτό βελτιώθηκε, οδηγώντας στην πρώτη υπερατλαντική μετάδοση ήχου, από τις Η.Π.Α. στη Γαλλία. Επισήμως μπορούμε να τοποθετήσουμε τη γένεση της κινητής τηλεφωνίας, όπως την αντιλαμβανόμαστε σήμερα, γύρω στα 1918, αν και μετά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα συνέβησαν οι πιο σημαντικές εξελίξεις. Είναι χαρακτηριστικό ότι εγκαταστάσεις κινητής τηλεφωνίας υπήρχαν σε τρένα. Συγκεκριμένα,μερικές πρώτες δοκιμές είχαν πραγματοποιηθεί στη Γερμανία,στην στρατιωτική γραμμή Βερολίνο - Zossen. Ύστερα, και σε

10 ιδιωτικήγραμμή που συνέδεε το Teltow, προάστιο του Βερολίνου, με την Saxony - Anhalt πόλη Lichterfelde. Π>χον, το 1926, κάθε ταχύ τρένο που εκτελούσε το δρομολόγιο Αμβούργο - Βερολίνο ήταν εξοπλισμένο με σύστημα κινητής τη>χφωνίας, ενώ από διάφορες στατιστικές προκύπτουν κατά μέσο όρο 40 τη>χφωνικές κ>,ήσεις την ημέρα, κατά την περίοδο Από την άλλη μεριά ο εξοπλισμός που υπήρχε στα τρένα ήταν τεράστιος σε διαστάσεις, ενώ και το κόστος χρήσης ήταν ανάλογα μεγάλο.για να πραγματοποιήσει κάποιος μιακλήση, χρειαζόταν να χρησιμοποιήσει μια ειδική καμπίνα στο τρένο, με ένα συμβατικό σετ συσκευής τηλεφώνου. Στη συνέχεια, το σήμα μεταδιδόταν μέσω καλωδίων στην οροφή του τρένου, όπου υπήρχαν στερεωμένα διάφορα κα>ϋ)δια. κεραίες ύστερα μετέδιδαν το σήμα σε τηλεφωνικές γραμμές, οι οποίες βρίσκονταν δίπλα στις σιδηροτροχιές. Ακολούθως, χειροκίνητοι διακόπτες μετέδιδαν τη σύνδεση στο σταθερό τηλεφωνικό δίκτυο. Ο αναλογικός, όπως λέγεται, τύπος δικτύων κινητής τηλεφωνίας άρχισε να από τότε να εμφανίζεται κι επέζησε ως και τις αρχές περίπου της δεκαετίας του 90, όταν κι η ψηφιακή εποχή άρχισε να εδραιώνεται. Αυτού του τύπου η κινητή τηλεφωνία συνιστά την 1η γενεά των Κινητών τηλεπικοινωνιών. Βασικές Λειτουργίες και Τεχνολογίες ί. Οι κυψέλες Πριν προχωρήσουμε στην περιγραφή των δικτύων ίσως θα ήταν αναγκαίο να γίνει μια αναφορά στις τεχνολογίες και τη μορφή λειτουργίας του λεγάμενου κυψελοειδούς τύπου δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Σε μια προηγούμενη αναφορά παρατηρήθηκε πως τα ραδιοτηλέφωνα χρειάζονταν μια κεντρική κεραία με μεγάλο εύρος μετάδοσης, για να καλύψει μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή, π.χ. μια πόλη. Το καινοτομικό εδώ στοιχείο ήταν η διαίρεση της περιοχής σε μικρές κυψέλες. Οι γεωγραφικές περιοχές δηλαδή, απαρτίζονταν από ένα σύνολο κυψελών, η μορφή των οποίων εξαρτάται κυρίως από τη μορφολογία του εδάφους, αλλά για καθαρά υπολογιστικούς λόγους έχει υιοθετηθεί η αναπαράσταση μιας κυψέλης με εξάγωνο. Οι κλήσεις σε κάθε κυψέλη εξυπηρετούνται από διαύλους (κανάλια) οι οποίοι μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν συγχρόνως από άλλες κυψέλες, μη γειτονικές. Οι κυψέλες λοιπόν παρέχουν τη δυνατότητα εκτεταμένης επαναχρησιμοποίησης συχνότητας, έτσι ώστε χιλιάδες άνθρωποι να μπορούν να χρησιμοποιούν τα κινητά τηλέφωνα ταυτοχρόνως. Σε ένα τυτηκό αναλογικό κυψελοειδές σύστημα π.χ. στις ΗΠΑ, ο φορέας κινητής τηλεφωνίας δέχεται περίπου 800 συχνότητες για χρήση σε όλη την περιοχή/πόλη. Τυπικό μέγεθος για την κάθε κυψέλη είναι τα 26 τετραγωνικά χιλιόμετρα. Σε κάθε κυψέλη υπάρχει ένας σταθμός βάσης ο οποίος παρέχει διεπικοινωνία μεταξύ του κέντρου μεταγωγής της κινητής τηλεφωνίας (MTSO) και των κινητών μονάδων (συσκευών), τα οποία είναι διασκορπισμένα μέσα στην κυψέλη. Το κέντρο έχει υπό την εποπτεία του όλο το κυψελοειδές τηλεπικοινωνιακό σύστημα, συντονίζει τις κινητές μονάδες με τους σταθμούς βάσης, εκτελεί τη διαδικασία ανάθεσης των κλήσεων σε διαύλους και παρέχει ενδοεπικοινωνία με το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο μεταγωγής. Στον κάθε σταθμό βάσης περιέχεται ο κατάλληλος εξοπλισμός κι ένας πομπός - κεραία, για τη μετάδοση του σήματος.

11 Σχήμα 1.2 :Πλέγμα από κυψέλες Όπως φαίνεται και στο σχήμα, σε ένα πλέγμα από κυψέλες βλέπουμε 7 συνολικά οι οποίες εφάπτονται μεταξύ τους. Η καθεμιά λοιπόν κυψέλη χρησιμοποιεί το ένα έβδομο (1/7) των διαθέσιμων καναλιών, κι έτσι έχει ένα μοναδικό σετ συχνοτήτων και δεν υπάρχουν συγκρούσεις-συγχύσεις. Έτσι λοιπόν, εάν ο φορέας/ παροχέας λαμβάνει 832 ραδιοσυχνότητες για να χρησιμοποιήσει, από αυτές, οι 42 χρησιμοποιούνται για κανάλια ελέγχου και οι υπόλοιπες 792 μοιράζονται στα δύο, επειδή η κάθε συσκευή κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιεί 2 συχνότητες κάθε φορά. Είναι το λεγόμενο duplex κανάλι. Έχουμε λοιπόν 395 κανάλια για ήχο και 42 συχνότητες για κανάλια ελέγχου, συνεπώς κάθε κυψέλη (από τις 7 στο πλέγμα) έχει διαθέσιμα (395/7=) 56 κανάλια ήχου. Αυτό σημαίνει δηλαδή ότι στην κάθε κυψέλη μπορούν να μιλούν ταυτόχρονα 56 άτομα στο κινητό τους τηλέφωνο. Στα ψηφιακά συστήματα, λόγω της συμπίεσης που γίνεται στα δεδομένα, ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών αυξάνεται. Για παράδειγμα, σε ένα ψηφιακό σύστημα πολλαπλής

12 πρόσβασης με διαίρεση χρόνου (TDMA) η κάθε κυψέ>.η μπορεί να έχει το τριπ>αχσιο αριθμό καναλιών, δηλαδή περίπου 168 ακόμη κανάλαα διαθέσιμα. Τα κινητά τηλχφωνα έχουν μικρής ισχύος πομπούς, μάλιστα, τα περισσότερα εκπέμπουν σε 0,6 ή 3 Watts. Μικρής ισχύος πομπούς έχουν κι οι σταθμοί βάσης. Πλεονεκτήματα που προκύτιτουν είναι από τη μια ότι οι εκπομπές δεν ξεφεύγουν έξω από την κυψέλη στην οποία βρίσκονται το κινητό τηλέφωνο κι ο σταθμός βάσης κι έτσι επιτρέπεται κι επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων από μη γειτονικές κυψέλες. Από τη άλλη, οι χαμηλής ισχύος εκπομπές δεν απαιτούν μεγάλα ποσά ενέργειας, κατά συνέπεια, η κατανάλωση για ένα κινητό τηλέφωνο είναι μικρή, όσο χρειάζεται για μια μικρού μεγέθους μπαταρία. Ένα σημείο σημαντικό είναι ότι, προκειμένου να επιτευχθεί ένα τέτοιο σύστημα με κυψέλες, χρειάζεται στη γεωγραφική περιοχή να υπάρχουν πολλοί σταθμοί βάσης και πύργοι-κεραίες εκπομπής. Επειδή όμως είναι αρκετοί οι χρήστες των κινητών τηλεφώνων, το κόστος ανά χρήστη παραμένει χαμηλό. ϋ. Η μετάβαση από κυψέλη σε κυψέλ,η Είναι πραγματικά εκπληκτικό πόσα κρύβονται πίσω από μια απλή κατά τον χρήστη διαδικασία, όπως είναι η πραγματοποίηση μιας κλήσης. Μια αλυσιδωτή αλληλουχία από πολλές και πολύπλοκες διεργασίες πραγματοποιούνται, ώστε να γίνει η επικοινωνία εφικτή, με ένα κινητό τηλέφωνο. Έστω λοιπόν ότι υπάρχει ένα κινητό τηλέφωνο, και κάποιος προσπαθεί να καλέσει τον κάτοχό του. Να σημειωθεί ότι υπάρχουν κάποιοι κωδικοί που χρησιμοποιούνται από τη συσκευή και την υπηρεσία για να πραγματοποιείται η αναγνώριση και συνδιαλλαγή της συσκευής με το δίκτυο. Τα βασικά λοιπόν βήματα που ακολουθούνται είναι τα εξής: Αρχικά, όταν η συσκευή ενεργοποιείται, αναζητεί τον ειδικό SID κωδικό μέσω του καναλιού ελέγχου. Το κανάλι ελέγχου είναι μια ειδική συχνότητα την οποία χρησιμοποιούν το κινητό τηλέφωνο με το σταθμό βάσης για να επικοινωνούν το ένα με το άλλο σχετικά με ρυθμίσεις κλήσεων ή αλλαγή καναλιών. Εάν η συσκευή δεν βρει κανένα κανάλι ελέγχου για να συνομιλήσει, ξέρει ότι είναι εκτός εύρους κι εμφανίζει ένα μήνυμα «εκτός δικτύου» ή «ηο service». Διαφορετικά, όταν λάβει τον κωδικό SID, τον συγκρίνει με τον αντίστοιχο που είναι προγραμματισμένος μέσα στη συσκευή. Εάν ταιριάζουν, η συσκευή γνωρίζει πλέον ότι η κυψέλη με την οποία ετηκοινωνεί είναι μέρος του εγχώριου δικτύου με το οποίο είναι ρυθμισμένο (home system). Εκτός από τον SID, η συσκευή εκπέμπει επίσης μια έκκληση για εγγραφή (registration) και το Κέντρο Μεταγωγής Κινητής Τηλεφωνίας (MTSO) καταχωρεί σε μια βάση δεδομένων την ακριβή γεωγραφική θέση του κινητού τηλεφώνου. Έτσι, γνωρίζει ακριβώς ποια κυψέλη χρησιμοποιεί όταν θέλει να κάνει τη συσκευή να κουδουνίσει, καθώς η κλήση έρχεται. Το MTSO λαμβάνει την κλήση και αναζητά τη συσκευή για να δει σε ποια κυψέλη βρίσκεται τη συγκεκριμένη στιγμή. Ύστερα δεσμεύει ένα ζευγάρι συχνοτήτων (ένα κανάλι) το οποίο θα χρησιμοποιηθεί από το κινητό τηλέφωνο για να λάβει την κλήση.

13 To MTSO ετηκοινωνεί με το τηλέφο^νο μέσω του καναλιού ελέγχου για να το ενημερώσει ποιες συγκεκριμένες συχνότητες να χρησιμοποιήσει. Από τη στιγμή που το τηλέφωνο και το κέντρο-κεραία συγχρονιστούν σε αυτές τις συχνότητες, η κ>.ήση συνδέεται και πραγματοποιείται, με αποτέλεσμα να μπορούν οι δύο συνδρομητέςχρήστες να μιλήσουν μεταξύ τους. Καθώς τώρα η συσκευή κινείται προς τη άκρη μιας κυψέλης, ο σταθμός βάσης στην κυψέλη στην οποία πλησιάζει το κινητό τηλέφωνο βλέπει ότι εκεί το σήμα μεγαλώνει, (ο σταθμός βάσης ελέγχει και μετρά γενικά την ισχύ του σήματος σε όλες τις συχνότητες, όχι μόνο την δική του - το 1/7). Οι δύο σταθμοί βάσης συνεργάζονται μεταξύ τους μέσω του MTSO και, σε κάποιο σημείο, το τηλέφωνο δέχεται ένα σήμα από το κανάλι ελέγχου που του ζητά να αλλάξει συχνότητες. Αυτή η «πάσα» που δίνεται, στην ουσία μεταστρέφει/ προσαρμόζει το κινητό τηλέφωνο στη νέα κυψέλη. ίϋ. R oam ing Εάν ο κωδικός SID στο κανάλι ελέγχου δεν ταιριάζει με εκείνον που είναι προγραμματισμένος στη συσκευή, τότε το κινητό τηλέφωνο ξέρει ότι βρίσκεται σε περιαγωγή. Το MTSO της κυψέλης στην οποία περιάγεται επικοινωνεί με το MTSO του εγχώριου συστήματος, το οποίο ελέγχει στη συνέχεια στη βάση δεδομένων του για να ετηβεβαιώσει ότι ο SID είναι έγκυρος. Το εγχώριο σύστημα επικυρώνει τη συσκευή στο τοπικό MTSO, το οποίο ύστερα καταχωρεί κι παρακολουθεί το κινητό τηλέφωνο καθώς κινείται στις κυψέλες. Και το εκπληκτικό είναι ότι όλες αυτές οι διαδικασίες πραγματοποιούνται μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα! Παράρτημα 1 - Κωδικοί ESN - Electronic Serial Number; ένας μοναδικός αριθμός από 52 ψηφία που προγραμματίζεται στη συσκευή του κινητού τηλεφώνου όταν κατασκευάζεται. Μ IN - Mobile Identification Number: Ένας ΙΟψήφιος αριθμός, που προέρχεται από τον αριθμό του τηλεφώνου. SID - System Identification Code: Ένας μοναδικός 5ψήφιος αριθμός που προσδιορίζεται σε κάθε φορέα. Το ESN αποτελεί μόνιμο μέρος του κινητού τηλεφώνου.

14 ενώ οι S1D και ΜΙΝ κωδικοί προγραμματίζονται στο τηλέφωνο όταν αγοράζεται ένα πακέτο σύνδεσης κι ενεργοποιείται η συσκευή. Παράρτημα 2 - Μονός και διπλός (duplex) δίαυλος Έχει γίνει προηγουμένως αναφορά σε duplex κανάλια και διαμοιρασμό συχνοτήτων. Τι ακριβώς είναι αυτά όμως; Μονά κανάλια χρησιμοποιούν τα γνωστά Walkie-Talkie και τα CB radios, που χρησιμοποιούνται για επικοινωνία π.χ. μεταξύ φορτηγών-νταλακών, πολύ συχνά στις ΗΠΑ. Πρόκειται για συσκευές που επιτρέπουν μονόδρομη ετηκοινωνία μέσω μίας μόνο συχνότητας. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να υπάρξει ταυτόχρονη αποστολή-λήψη σήματος, να μιλούν δηλαδή κι οι δύο την ίδια στιγμή. Στα κινητά τηλέφωνα είναι εφικτό κάτι τέτοιο, αφού μοιράζονται ένα κανάλι που αποτελείται από δύο συχνότητες, μια για ομιλία και μια για ακρόαση. Σχετικά με τα κανά>.ια, ένα Walkie-Talkie έχει ένα μόνο κανάλι, ένα CB radio 40, ενώ ένα κινητό τηλέφωνο μπορεί να επικοινωνήσει σε 1664 ή περισσότερα κανάλια! Το εύρος της εκπομπής είναι διαφορετικό. Ένα Walkie-Talkie μπορεί να εκπέμψει σε περίπου 1,5-1,6km, χρησιμοποιώντας έναν πομπό των 0,25 watts. Ένα CB radio έχει περισσότερη ισχύ κι εκπέμπει στα 8km, με πομπό των 5 watts. Καθώς τα κινητά τηλέφωνα στηρίζονται στο κυψελοειδές σύστημα, δεν έχουν όριο εύρους, αφού μόλις η συσκευή απομακρυνθεί από το κέντρο της μιας κυψέλης, εισάγεται στη γειτονική. Έτσι, μια συζήτηση μπορεί να συνεχίζεται για πολλά χιλιόμετρα, χωρίς να διακοπεί. Βασικά μέρη μιας συσκευής κινητής τηλεφωνίας Ένα σύγχρονο κινητό τηλέφωνο μπορεί να έχει διαστάσεις μικρότερες κι από ένα πακέτο τσιγάρα και να πραγματοποιεί δισεκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλετττο, χάρη στους πολύπλοκους κι πανίσχυρους μικροεπεξεργαστές του. Όπως και με την εξέλιξη των υπολογιστών, έτσι και τα κινητά τηλέφωνα στην αρχή είχαν διαστάσεις που μπορούσαν φτάσουν όλο τον όροφο ενός κτιρίου. 30 χρόνια αργότερα, είναι τόσο μικρά και διακριτικά, που μπορεί να το χάσει κιόλας κανείς, εύκολα! Σχήμα 1.4 : απλή συσκευή κινητής τηλεφωνίας Ανεξάρτητα από τις ειδικευμένες λειτουργίες και το σύγχρονο συμπληρωματικό εξοπλισμό, ένα κινητό τηλέφωνο αποτελείται κυρίως από μερικά βασικά μέρη: Την πλακέτα που περιέχει όλα τα κυκλώματα και τους επεξεργαστές Την κεραία, η οποία μπορεί να είναι εσωτερική ή εξωτερική. Την οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD), Το πληκτρολόγιο, το οποίο μοιάζει αρκετά με εκείνο ενός απλού τηλεφώνου Το μικρόφωνο Το ακουστικό Την μπαταρία

15 Στχα εικόνες φαίνεται καθαρά η καρδιά του κινητού τηλεφώνου, η μητρική ιύυακέτα: Στην πλακέτα υπάρχουν ακόμη κάποια αυτόνομα κυκλώματα, ότιως είναι ο μικροεπεξεργαστής ή τα chips ψηφιοποίησης - αποψηφιοτιοίησης του ήχου. Τα τελευταία μετατρέπουν σε ψηφιακή μορφή την (αναλογική) ομιλία και το αντίστροφο, ανάλογα με το εξερχόμενο ή εισερχόμενο σήμα. Ο Επεξεργαστής Ψηφιακού Σήματος (Digital Signal Processor - DSP) είναι ένα μέρος της διεργασίας αυτής και πραγματοποιεί υπολογισμούς διαχείρισης του σήματος, σε υψηλή ταχύτητα. Υπάρχει ακόμη κι ο μικροεπεξεργαστής, ο οποίος διεκτιεραιώνει όλες τις λειτουργίες της συσκευής, από τα δεδομένα που εισάγονται οπό το πληκτρολόγιο ή προβάλλονται στην οθόνη, έως την επικοινωνία με το σταθμό βάσης κι άλλες συμπληρωματικές ενέργειες. Υπάρχουν ακόμη κάποια σημεία αποθήκευσης, όπως είναι η ROM μνήμη, στην οποία βρίσκεται το λειτουργικό σύστημα του τηλεφώνου. Υπάρχει επίσης κι η εξωτερική μνήμη τύπου Flash, στην ουσία η λεγάμενη κάρτα SIM, που παρέχει επιπλέον χαρακτηριστικά, τα οποία μπορεί να τροποποιήσει ο χρήστης, π.χ. ο τηλεφωνικός κατάλογος. Ο τομέας ενέργειας και ραδιοσυχνότητας ελέγχει όλες τις ενεργειακές λειτουργίες του τηλεφώνου (π.χ. φόρτιση) καθώς και αλληλετηδρά με τα FM κανάλια. Τέλος, οι αντίστοιχοι ενισχυτές ραδιοσυχνοτήτων διαχειρίζονται τα σήματα που διακινούνται από και προς την κεραία. Η οθόνη είναι από τα σημαντικότερα μέρη του κινητού τηλεφώνου, αφού μέσω αυτής και του πληκτρολογίου, ο χρήστης ετηκοινωνεί κι διαμορφώνει - ελέγχει τις λειτουργίες της συσκευής. Αποκτώντας ένα ιδιαίτερο γραφικό ττεριβάλλον, μεγαλώνει σε μέγεθος, για να απεικονίσει τα διάφορα χαρακτηριστικά. Τα σύγχρονα τηλέφωνα προσφέρουν βελτιωμένους τηλεφωνικούς καταλόγους, παιχνίδια, εφαρμογές, αριθμομηχανές, ημερολόγια κ.τ.λ., ενώ το χρώμα έχει αρχίσει να μπαίνει δυναμικά στα χαρακτηριστικά των οθονών. Μερικοί σημαντικοί κωδικοί (SID, ΜΙΝ κ.τ.λ.) αποθηκεύονται είτε στο τηλέφωνο είτε σε εξωτερικές κάρτες, οι οποίες μπορούν και να αντικατασταθούν πολύ εύκολα. Σχήμα 1.5 : Βασικά μέροι κινητής συσκευής

16 Σχήμα 1.6 Καρτα sim και μικροετιεςεργαστής Ακόμη, ένα εκπληκτικό στοιχείο είναι το πόσο μικροσκοπικά είναι τα εξαρτήματα των κινητών τηλεφώνων, όπως τα μικρόφωνα ή τα μεγάφωνα. Πραγματικά, τα μεγέθη μπορεί να είναι μικρότερα κι από μια δεκάρα, ή το νόμισμα των 5 λεπτών του ΕΥΡΩ, κι όμως, ο ήχος που παράγεται είναι πολύ καθαρός. Τα δίκτυα Ύστερα από την αναφορά στις βασικές αρχές λειτουργίας του κυψελοειδούς συστήματος και της σύντομης περιγραφής των μερών μιας συσκευής κινητής τηλεφωνίας, θα πρέπει να γίνει μια ουσιαστική αναφορά στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και την εξέλιξή τους. Η πορεία όμως από τα αναλογικά στα ψηφιακά δίκτυα κι ύστερα οι συγκλονιστικές καινοτομίες που έφερε η ψηφιακή εποχή είναι άξιο να τονιστούν. 1.2 Οι διάφορες γενιές κινητών δικτύων Κινητά δίκτυα 1ης γενιάς Τα πρώτα δίκτυα κινητών τηλεπικοινωνιών έκαναν την εμφάνισή τους στα τέλη της δεκαετίας του 70 στις Η.Π.Α. και στις αρχές της δεκαετίας του 80 στην Ευρώτιη. Τα αποκάλεσαν ασύρματα δίκτυα 1ης γενιάς ή αλλιώς αναλογικά. Παρόλο που οι δυνατότητες τους ήταν λίγες, η εμφάνιση τους την εποχή εκείνη θεωρήθηκε ως ένα τεράστιο τεχνολογικό επίτευγμα. Το Advanced Mobile Phone Service (AMPS), ήταν το πρώτο σύστημα στις κινητές τηλεπικοινωνίες που έκανε την εμφάνιση του το 1978 σε μερικές πολιτείες των Η.Π.Α. και στη συνέχεια, η ιδέα (της κινητής τηλεφωνίας), διαδόθηκε στις υπόλοιπες ηπείρους. Στην Ευρώπη έκαναν την εμφάνιση τους δύο συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών τα οποία ήταν: (α) το Nordic Mobile Telephony (ΝΜΤ) και (β) το Total Access Communication System (TAGS). Μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις στο χώρο των κινητών τηλεπικοινωνιών ήταν η έννοια της κυψέλης. Ο λόγος για τον οποίο τα συστήματα αυτά ονομάζονται κυψελωτά. είναι γιατί ακόμα και σήμερα στηρίζουν την λειτουργία τους στις κυψέλες των οποίων το σχήμα, αντιπροσωπεύει κατά μια έννοια τα γεωγραφικά όρια μέσα στα οποία μπορούν να εξυττηρετούνται οι κινητοί χρήστες. Σε κάθε κυψέλη αντιστοιχεί ένας σταθμός βάσης ο οποίος αναλαμβάνει τη δημιουργία και τη δρομολόγηση των κλήσεων. Ένα κύριο χαρακτηριστικό που μπορούσε κανείς να παρατηρήσει, ήταν το γεγονός ότι ο πομπός και ο δέκτης επικοινωνούσαν χρησιμοποιώντας την ίδια συχνότητα. Από την

17 άλλη πλευρά, όταν κάποιος χρήστης μιλούσε την στιγμή όπου που βρισκόταν εν κινήσει, αυτό είχε σαν αποτέλεσμα η κλήση να τερματίζεται, τη στιγμή που ξεπερνούσε τα όρια της περιοχής κάλυψης. Η έλλειψη της δυνατότητας για διατήρηση της κλήσης κατά τη διάρκεια μετάβασης σε μια άλλη κυψέλη (handover), περιόριζε σημαντικά τις δυνατότητες της κινητής επικοινωνίας καθώς εμπόδιζε την κινητικότητα του χρήστη. Ένα άλλο πρόβλημα ήταν η χαμηλή απόδοση των συστημάτων αυτών καθώς ήταν πολύ μικρός ο αριθμός των χρηστών που μπορούσαν να μιλήσουν ταυτόχρονα, από τη στιγμή που το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων δεν ήταν αρκετό. Σε γενικότερες γραμμές τα πρώτα συστήματα, δεν άφηναν τιεριθώρια για βελτιώσεις και για την εφαρμογή τεχνικών όπως συμπίεση και κωδικοποίηση της πληροφορίας, καθώς αυτό θα είχε σαν προϋπόθεση την χρήση ψηφιακού σήματος. Ακόμα και τα τερματικά, δηλαδή οι συσκευές που χρησιμοποιούσαν οι χρήστες, ήταν ογκώδεις με μεγάλες κεραίες και υψηλού για την εποχή εκείνη κόστους Κινητά δίκτυα 2ης γενιάς Καθώς τα δίκτυα 1ης γενιάς ανήκουν ττλέον στο παρελθόν, δε συνέβη το ίδιο με τα δίκτυα 2ης γενιάς αφού αρκετά από τα χαρακτηριστικά τους λήφθηκαν υπ' όψη για το σχεδιασμό των δικτύων της 3ης γενιάς. Σε αντίθεση με τα πρώτα δίκτυα που μετέδιδαν αναλογικό σήμα και ο διαχωρισμός μεταξύ των χρηστών για ταυτόγχρονη πρόσβαση στο ασύρματο μέσο γινόταν με την Frequency Division Multiple Access (FDMA) τεχνική, τα δίκτυα 2ης γενιάς χρησιμοποιούσαν τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης του σήματος, ενώ οι χρήστες διαχωρίζονταν με Time Division Multiple Access (TDMA) ή Code Division Multiple Access (CDMA) όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.7: Τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης. Σχήμα 1.7: Τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης Τα πιο γνωστά συστήματα 2ης γενιάς ήταν (α) το Global System for Mobile communication (GSM) το οποίο χρησιμοποιεί την TDMA τεχνική και υποστηρίζει 8 χρονο-σχισμές (time-slots) με εύρος ζώνης 200 ΚΗζ η κάθε μια, (β) το Interim Standard 136 (IS-136) γνωστό και σαν North American Digital Cellular (NADC) ή US Digital Cellular (USDC), (γ) το Pacific Digital Cellular (PDC) ένα Ιαπωνικό σύστημα που είχε αρκετές ομοιότητες με το IS-136 και

18 (δ) το Interim Standard 95 Code Division Multiple Access (IS-95) ετήσης γνοχιτό σαν cdmaone το οποίο χρησιμοποιεί την CDMA τεχνική η οποία ήταν ευρέιος διαδεδομένη στη Βόρεια Αμερική αλλά και σε χώρες όπως Κορέα, Ιαπωνία, Κίνα και Αυστραλία. Στην Ευρώττη, η ανάγκη για τη δημιουρτγία ενός ενιαίου συστήματος που θα εξυπηρετούσε όλους τους Ευρωπαίους πολίτες ανεξαρτήτως χώρας, οδήγησε στη δημιουργία του GSM υπό την επίβλεψη του European Technical Standards Institute (ETSl). To σύστημα αυτό ήταν το πιο ευρέως διαδεδομένο, μετρώντας 350 εκατομμύρια χρήστες σε 140 χώρες και 400 δίκτιχι κινητών τηλεπικοινωνιών. Το GSM ξεκίνησε να λειτουργεί στην ζώνη των ΜΗζ ενώ σε κάποιες άλλες χώρες που το υιοθέτησαν, λειτουργεί στα 1.8 και 2 GHz. Στο Σχήμα 1.8: Η δομή του GSM δικτύου φαίνεται η δομή του GSM δικτύου. Τέλος, μερικές από τις υττηρεσίες οι οποίες έκαναν την εμφάνιση τους μαζί με τα δίκτυα 2ης γενιάς ήταν η δυνατότητα για περιορισμένη πρόσβαση στο Internet και η αποστολή σύντομων γραπτών μηνυμάτων μεταξύ των χρηστών γνωστά και σαν Short Messaging Service (SMS). Σχήμα 1.8: Η δομή του GSM δικτύου 1,2.3 Κινητά δίκτυα 2.5 γενιάς Σε μια προσπάθεια για επανασχεδιασμό των προτύπων 2ης γενιάς, έτσι ώστε αυτά να μπορούν να υποστηρίξουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων όπως απαιτούσαν οι διάφορες εφαρμογές στο χώρο του Internet, προέκυψε ο σχεδιασμός νέων προτύπων που αντιπροσώπευαν την γενιά 2.5. Τα πρότυπα αυτά επέτρεπαν στον υπάρχοντα εξοπλισμό 2ης γενιάς, να τροποποιηθεί έτσι ώστε να μπορεί να υποστηρίζει υπηρεσίες όπως πλοήγηση στο Internet, . Wireless Applications Protocol (WAP) κ.α.

19 Στα πλαίσια της αναβάθμισης των συστημάτο^ν προέκυψαν τρία νέα συστήματα που αντιπροσώπευαν την γενιά 2.5. Αυτά είναι τα; (α) High Speed Circuit Switched Data (HSCSD), (β) General Packet Radio Service (GPRS) και (γ) Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). To όνομα HSCSD αντιπροσωπεύει την τεχνική της μεταγο^γής κυκλώματος, η οποία επιτρέπει σε ένα κινητό χρήστη να χρησιμοποιεί διαδοχικές χρονοσχισμές του GSM προτύπου. Σε συνδυασμό με κάποιες άλλες τροποποιήσεις το HSCSD καταφέρνει να πετύχει ρυθμούς μετάδοσης στα 14,4 Kbps από τα 9,6 Kbps που προσέφερε το GSM. Επίσης, κάνοντας χρήση τεσσάρων συνεχόμενων χρονοσχισμών το πρότυπο αυτό, έδινε τη δυνατότητα για ρυθμό μέχρι και 57,6 Kbps ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για εφαρμογές όπως streaming. Τα βασικότερο μειονέκτημα του HSCSD ήταν το γεγονός ότι η χρήση της μεταγωγής κυκλώματος σπαταλούσε τους πόρους του δικτύου αφού οι χρονοσχισμές δεσμεύονταν ακόμα και όταν η χωρητικότητα τους δεν χρησιμοποιούνταν. Το GPRS πρότυπο, βασίζεται στη λειτουργία της μεταγωγής πακέτου, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για υττηρεσίες όπως , fax και asymmetric web browsing όπου ο χρήστης κατεβάζει από το Internet πολύ τιερισσότερα δεδομένα από ότι ανεβάζει. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι ότι δεσμεύει τους πόρους του δικτύου μόνο όταν υπάρχουν δεδομένα που πρέπει να μεταδοθούν και ότι δεν εξαρτάται τόσο πολύ από τα μέρη εκείνα των δικτύων που λειτουργούν με μεταγωγή κυκλώματος. Επειδή στο GPRS το κανάλι, δε δεσμεύεται από τον κινητό χρήστη με τον τρόπο που γίνεται στο HSCSD, το GPRS έχει τη δυνατότητα να υποστηρίζει περισσότερους χρήστες. Όταν και οι οκτώ χρονοσχισμές του GSM είναι δεσμευμένες στο GPRS από ένα χρήστη, τότε αυτός μπορεί να πετύχει ρυθμό μετάδοσης μέχρι και 171,2 Kbps. Στο Σχήμα 1.9: Η δομή του GPRS δικτύου φαίνεται η δομή του GPRS δικτύου a a Σχήμα 1.9: Η δομή του GPRS δικτύου Τέλος το πρότυπο EDGE, θεωρείται ως μια αρκετά προηγμένη βελτιστοποίηση του προτύπου GSM και αυτό γιατί απαιτεί την αναβάθμιση τόσο στο λογισμικό (software) αλλά και στο υλικό (hardware). Το EDGE θεωρείται ως το αποτέλεσμα της επιθυμίας, των υπεύθυνων για τα δίκτυα GSM και IS-136, για μια από κοινού τεχνολογική εξέλιξη που θα τους οδηγούσε σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων 3'^' γενιάς. Το EDGE εισάγει μια καινούργια ψηφιακή διαμόρφωση με το όνομα 8-PSK η οποία προσφέρει ρυθμό μετάδοσης μέχρι και 547,2 Kbps όταν χρησιμοποιείται χωρίς διόρθωση λαθών και όλες οι οκτώ χρονοσχισμές είναι δεσμευμένες σε ένα μόνο χρήστη. 13

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2" 2.1 Κινητά δίκτυα 3ης γενιάς Ο ερχομός των δικτύων 3ης γενιάς, άνοιξε το δρόμο για την εμφάνιση ακόμα περισσότερων υπηρεσιών, που μέχρι τη στιγμή εκείνη, κανένα από τα προηγούμενα πρότυπα δε μπορούσε να τους προσφέρει. Με ταχύτητες ετητιέδου Megabit κάποιος που έχει πρόσβαση σε ένα τέτοιο δίκτυο μπορεί να πλοηγηθεί στο Internet, να επικοινωνήσει χρησιμοποιώντας την υπηρεσία Voice over Internet Protocol (VoIP), να κατεβάσει μουσικά κομμάτια και να χρησιμοποιήσει διάφορες άλλες υπηρεσίες με τη βοήθεια το κινητού του τηλεφώνου. Στα πλαίσια της εξέλιξης των ήδη υπαρχόντων δικτύων 2ης γενιάς, προέκυψαν το πρότυπο cdma2000 σαν συνέχεια του CDMA και το Wideband-CDMA (W-CDMA) ή αλλιώς Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) σαν συνέχεια των GSM, IS-136 και PDC, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.1: Η εξέλιξη των κινητών συστημάτων τηλεπικοινωνιών. Το W-CDMA είναι ένα πρότυπο το οποίο επηρεαστεί από τη φιλοσοφία και τον τρόπο λειτουργίας του GSM. Βασικός στόχος της ανάπτυξης των κινητών δικτύων 3ης γενιάς είναι η παροχή υπηρεσιών σε οποιοδήποτε μέρος, οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι ένας χρήστης των δικτύων αυτών, θα έχει τη δυνατότητα να μετακινείται οπουδήποτε και να εξυπηρετείται, ακόμα και σε γεωγραφικές περιοχές όπου η κάλυψη που παρέχεται, δεν είναι από δίκτυο της 3ης γενιάς. Analog Moblle/car phones Cordless phones (Rrst generaion) Digital Mobile/car phones ConSess phones (Second generahon -2.5 G) amps TAGS NTT etc. GSM IS-95 PHS etc. Σχήμα 2.1: H εξέλιξη των κινητών συστημάτων τηλεπικοινωνιών Οι υπηρεσίες που προσφέρονται επεκτείνονται σε υπηρεσίες Internet και σε υπηρεσίες που συνδυάζουν εικόνα και ήχο (multimedia) με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Θα πρέπει τέλος να αναφερθεί ότι τα συστήματα 3ης γενιάς που έχουν επικρατήσει μέχρι τώρα είναι τα (α) UMTS στην Ευρώπη, (β) CDMA2000 στην Βόρεια Αμερική και (γ) το ΝΤΤ Docomo στην Ιαπωνία. Ο βασικός στόχος των συστημάτων 3G είναι η παροχή ενός μεγάλου αριθμού υπηρεσιών στο χρήστη χρησιμοποιώντας την αρχή του συστήματος συντεταγμένων με

21 ενσύρματο, ετήγειο ασύρματο ή δορυφορικό μέσο ανάλχιγα με την ττερίσταση. Ο χρήστης είναι δυνατό να μην γνοιρίζει τη συγκεκριμένη τεχνολογία που χρησιμοτιοιεί. Στην πλειοψηφία τους τα προτεινόμενα 3G συστήματα δεν θα ετητύχουν αυτή τη μορφή επικοινωνίας αφήνοντας την για τα συστήματα 4ης γενιάς. Η κάλυψη σε όλα τα σημεία της γης είναι επιθυμητή, ενώ είναι αποδεκτό ότι οι μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων δεν θα είναι διαθέσιμες παντού και πιθανόν δεν θα είναι διαθέσιμες στις μεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης του συνδρομητή. Σε αυτές τις ταχύτητες ο ρυθμός μετάδοσης της πληροφορίας θα περιορίζεται στα 384 kbits/sec, ενώ για μικρότερες ταχύτητες να είναι 2 Mbits/sec. Παγκόσμια μεταγωγή χωρίς προβλήματα (seamless roaming) είναι ένας άλλος στόχος των συστημάτων 3G. Εξ'αιτίας του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων για τα συστήματα 3G είναι αναγκαία η όσο το δυνατόν αποδοτικότερη χρήση του. Τα κυψελωτά συστήματα 2ης γενιάς χαρακτηρίζονται από απόδοση εύρους ζώνης (spectrum efficiency) μέχρι 0.5 bps/hz/cell, λαμβάνοντας υπόψη παρεμβολές από άλλους χρήστες και την επαναχρησιμοποίηση συχνότητας (frequency reuse). Αν και αυτή η απόδοση είναι ικανοποιητική για παραδοσιακές υπηρεσίες, σημαντικές βελτιώσεις είναι αναγκαίες για την παροχή υπηρεσιών υψηλών ρυθμών μετάδοσης πληροφορίας σε μεγάλο αριθμό χρηστών. Τεχνολογίες όπως οι προσαρμοστικές κατευθυντικές κεραίες (adaptive directional antennas), η ακύρωση παρεμβολών (interference cancellation) και η διαδοχική μετάδοση (relay transmission) μπορούν να βοηθήσουν προς αυτή την κατεύθυνση. Με την υπάρχουσα τεχνολογία ο στόχος της παροχής οποιοσδήποτε τεχνολογίας σε οποιοδήποτε χρήστη κάθε στιγμή σε οποιοδήποτε σημείο στη γη μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο σε μικρό βαθμό, καθώς είναι αναγκαίες σημαντικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων και σχεδιασμού δικτύων. Παρά το γεγονός ότι έχουν το πλεονέκτημα της υποστήριξης του πρωτοκόλλου 1Ρ και της κινητότητας, τα δίκτυα τρίτης γενιάς έχουν το μειονέκτημα της ύπαρξης διαφορετικών προτύπων. Το μειονέκτημα αυτό περιορίζει την εύκολη περιαγωγή μεταξύ δικτύων βασισμένων σε διαφορετικά πρότυπα, και αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την κινητότητα των χρηστών. Ετηπλέον, τα δίκτυα τρίτης γενιάς παρέχουν (στην καλύτερη περίπτωση) ταχύτητες ως 2 Mbps. Αν και οι ταχύτητες αυτές αρκετές για τις παραδοσιακές εφαρμογές, θα πρέπει να βελτιωθούν προκειμένου να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των εφαρμογών κινητής τηλεφωνίας των επόμενων δεκαετιών. Όπως σε όλους τους τομείς της τεχνολογίας, η αναζήτηση για καλύτερα και αποδοτικότερα συστήματα δεν σταματά ποτέ. Μόλις φτάσει η εποχή για την εγκατάσταση ενός οηιστήματος, η έρευνα για την επόμενη γενιά του είναι συνήθως ήδη σε εξέλιξη. Συνεπώς, η εγκατάσταση των δικτύων τρίτης γενιάς συνοδεύεται από την έναρξη της έρευνας για την επόμενη γενιά των ασύρματων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Αν ο δεκαετής κύκλος που αναφέρθηκε παραπάνω συνεχίσει να ισχύει, είναι λογικό να αναμένεται ότι η επόμενη γενιά ασύρματων συστημάτων, γνωστή ως τέταρτη γενιά (4G), θα εμφανιστεί περίπου το Ο στόχος για τα συστήματα τέταρτης γενιάς και τα μελλοντικά συστήματα είναι η ενοποίηση των διαφόρων δικτύων κινητής και ασύρματης τηλεφωνίας. Οστόσο, υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των ασύρματων κυψελικών δικτύων και των ασύρματων δικτύων δεδομένων, όπως τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN); ότι τα κυψελικά συστήματα είναι συνήθως βασισμένα σε μεταγωγή κυκλώματος, κάτι που σημαίνει ότι η πραγματοποίηση μιας κλήσης ακολουθεί τη δημιουργία ενός κυκλώματος μέσω του οποίου θα μεταφερθούν τα δεδομένα, ενώ αντίθετα τα ασύρματα δίκτυα δεδομένων είναι βασισμένα σε μεταγωγή πακέτων. Αναμένεται όπ η εξέλιξη των δικτύων ασύρματης τηλεφωνίας προς ένα ενιαίο σύστημα θα οδηγήσει σε μια κοινή 15

22 πλατφόρμα μεταγωγής πακέτων (βασισμένη στο πρωτόκολλο IP), οδηγόιντας έτσι στο «ασύρματο όιαόίκτυο». Βέβαια, για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας προσπάθειας απαιτείται έρευνα που θα κάνει δυνατή τη διαλειτουργικότητα μεταξύ των ασύρματιον κυψελικών δικτύων και των ασύρματων δικτύοιν δεδομένων. Η ενοποιημένη αυτή πλατφόρμα θα παρέχει διαφανή ολοκλήρωση των ενσύρματων και ασύρματων δικτύων και θα επιτρέπει στους χρήστες να έχουν, ανεξάρτητα από τις μεθόδους προσπέ>χισης των διαφόρων ασύρματων δικτύων, άμεση πρόσβαση σε περιεχόμενα πολυμέσων όπως φωνή, δεδομένα, και βίντεο. Οι επόμενες γενιές ασύρματων δικτύων αφορούν την αγορά του 2010 και μετά, και θα προσφέρουν αυξημένες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων - οι προβλέψεις τις τοποθετούν από τα 50 έως τα 155 Mbps. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης αυτών των συστημάτων θα πρέπει να μελετηθούν και να επιλυθούν διάφορα οικονομικά και τεχνικά ζητήματα. Κάποια από αυτά, όπως η ανάπτυξη αποδοτικότερων τεχνικών διαμόρφωσης, η ανεύρεση επιπλέον φάσματος, και οι εξελίξεις στην τεχνολογία των μπαταριών, έχουν ήδη μελετηθεί κατά τη διάρκεια της έρευνας και ανάπτυξης συστημάτων δεύτερης και τρίτης γενιάς. Υπάρχουν, όμως, και άλλα ζητήματα τα οποία δεν έχουν μελετηθεί διεξοδικά, και εξαρτώνται σημαντικά από την εξέλιξη της αγοράς των τηλεπικοινωνιών και γενικά της κοινωνίας. Τα ζητήματα αυτά πρέπει να προσδιοριστούν και να επιλυθούν το συντομότερο, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η επιτυχία των συστημάτων τέταρτης γενιάς (4G) ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Ειδικά προβλήματα διάδοσης Τα συστήματα κινητών επικοινωνιών λειτουργούν κυρίως μέσα σε περιβάλλοντα τα οποία είναι, σε διάφορους βαθμούς, εχθρικά προς την επικοινωνία RF. Ωστόσο, προτού εξετάσουμε περαιτέρω τα προβλήματα διάδοσης, θα είναι χρήσιμο να διακρίνουμε μεταξύ εξωτερικών, εσωτερικών και υβριδικών συστημάτων κινητών επικοινωνιών. Τα εξωτερικά συστήματα έχουν σταθμούς βάσης στον ανοιχτό αέρα και οι κινητοί σταθμοί είναι σχεδιασμένοι κυρίως για χρήση εκτός κτιρίων. Σέ εσωτερικά συστήματα, ο σταθμός βάσης εγκαθίστανται μέσα σε οίκημα, κτίρια γραφείων, εργοστάσιο, αποθήκη ή κάποιο άλλο είδος εγκατάστασης, και οι κινητοί σταθμοί σχεδιάζονταν κυρίως για να λειτουργούν σ' αυτό το περιβάλλον. Τα υβριδικά συστήματα ορίζονται ως συστήματα κινητών επικοινωνιών με σταθμούς βάσης που βρίσκονται μέσα ή έξω από κτίρια ή/και συστήματα των οποίων οι κινητοί σταθμοί σχεδιάζονται για να λειτουργούν επαρκώς μέσα και έξω από κατασκευές στέγασης. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν υπάρχει ομοιόμορφο εσωτερικό ή εξωτερικό περιβάλλον. Κάθε περιοχή σχηματίζεται ενιαία από μεγάλο αριθμό οντοτήτων που μπορούν να επηρεάζουν έντονα την ένταση του σήματος σε δεδομένο σημείο μέσα στην κάλυψη. Σημαντικές μεταβλητές που ορίζουν το κινητό εξωτερικό περιβάλλον είναι το φυσικό έδαφος (ορεινό σε σχέση με λοφώδες σε σχέση με επίπεδο ή γη σε σχέση με νερό), κατασκευές από τον άνθρωπο: αριθμός, ύψος, διάταξη και κατασκευαστικό υλικό (πέτρα ή χάλυβας κ.λπ.), χαρακτηριστικά δέντρων και βλάστησης (μέγεθος φύλλων, κλάδοι, κορμοί κ.λπ.), κανονικές και ανώμαλες καιρικές συνθήκες και ραδιοθόρυβος προκαλούμενος από τον άνθρωπο. Το Σχήμα 3.1 δείχνει παραδείγματα απωλειών οδεύσεων μετάδοσης σε διάφορες περιοχές. Για εσωτερικά συστήματα κινητών επικοινωνιών, η διάδοση επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως κατασκευή, σύνθεση υλικών (σκυρόδεμα, πηλός, χάλυβας), επίπλωση και εξοπλισμός γραφείου και θόρυβος προκαλούμενος από τον άνθρωπο. Η ραδιοεπικοινωνία εσωτερικού χώρου καθώς και μερικά υβριδικά συστήματα πρέπει να αντιμετωπίζουν τα χαρακτηριστικά διάδοσης ραδιοκυμάτων και 16

23 στις τρεις διαστάσεις, σε σύγκριση με τους κινητούς σταθμούς εγκατεστημένους πάνω σε οχήματα που χρησιμοποιούνται συνήθοις σε συστήματα εξωτερικού χώρου και ουσιασηκά λαμβάνουν υπόψη "μόνο" δύο διαστάσεις. Πριν από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, μόνο λίγη έρευνα είχε γίνει για τον χαρακτηρισμό της ραδιοδιάδοσης μέσα σε κτίρια.η περισσότερη εργασία επικεντρωνόταν στα αποτελέσματα διάδοσης ή τις αναλυτικές λύσεις, με χρήση κεραιών πομπών ύψους μεγαλύτερου ή ίσου με 30 m και αποστάσεων μεταξύ ΤΑ και RA άνω του 1 km. Πιο πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, δείχνουν σαφώς ότι τα εσωτερικά περιβάλλοντα είναι ιδιαίτερα εχθρικά προς τη ραδιοδιάδοση. Διαπιστώθηκε, για παράδειγμα, ότι τα σήματα RF μπορούν να φτάσουν σε υψηλότερες στάθμες μέσω κλιμακοστασίων ή ανάκλασης από τα απέναντι κτίρια η οποία με τη σειρά της μπορεί να αποτρέπει την αύξηση συχνοτήτων μεταξύ των ορόφων κτιρίου. Σχήμα 2.2 Απώλεια όδευσης διάδοσης σε διάφορες περιοχές Παρά τα περιγραφόμενα προβλήματα, μετρήσεις διάδοσης σε 900 και 1700 ΜΗζ δείχνουν την καταλληλότητα αυτών των συχνοτήτων για επικοινωνίες εσωτερικού χώρου χαμηλής ισχύος. Αν και η ψηλότερη συχνότητα (1700 ΜΗζ) θα αυξήσει την απώλεια διάδοσης, λόγω μείωσης στο άνοιγμα της κεραίας (5 db) καθώς και υψηλότερης απορρόφησης μέσω τοίχων και δαπέδων (3-6 db), είναι χρήσιμη κατά το ότι μια περισσότερο περιορισμένη ραδιοκάλυψη επιτρέπει σχήμα επαναχρησιμοποίησης υψηλότερων συχνοτήτων μέσα σε πολυώροφα κτίρια. Σε σχέση με τα υβριδικά συστήματα κινητών επικοινωνιών, είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον να τονιστούν τα χαρακτηριστικά διάδοσης αρχιτεκτονικής που περιλαμβάνει σταθμό βάσης έξω από κτίριο και κινητών μονάδων μέσα σ αυτό. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε για κύματα 800 ΜΗζ δείχνει ότι η εξασθένηση σημάτων μετά τη διείσδυση σε κτίρια είναι πολύ υψηλή. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι παρόμοιες απώλειες διείσδυσης μπορούν να προκύψουν σε εσωτερικές καταστάσεις, εάν το σήμα πρέπει να διατρέξει μέσω αρκετών τοίχων στη διαδρομή του από τον πομπό προς τον κινητό δέκτη. Συνεπώς, σε περιβάλλον πλούσιο σε χαρακτηριστικά, η ένταση του σήματος μπορεί να πέσει δραματικά μέσα σε κλάσμα δευτερολέπτου μόνο. Αυτό το συμβάν αναφέρεται ως διάλειψη. 17

24 2.1.2 Γενικά προβλήματα διάδοσης Το ραόιοσήμα δεδομένου καναλιού εττηρεάζεται από τον θόρυβο και την παρεμβολή. Ο όρος θόρυβος ορίζεται ιος "ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα που υπάρχουν πάντοτε σε ηλεκτρικά συστήματα". Μπορεί κανείς να διακρίνει μεταξύ ανθρωπογενούς θορύβου όπως ο θόρυβος της καύσης αυτοκινήτου και φυσικού θορύβου όπως ο θερμικός ή ατμοσφαιρικός θόρυβος (κεραυνός). Ο θερμικός θόρυβος προκαλείται από τη θερμική κίνηση ηλεκτρονίο^ν, που υπάρχουν σε όλα τα καταναλωτικά στοιχεία όπως αντιστάσεις και καλώδια, και συνεπώς είναι αναπόφευκτος. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο μέτρο της ποιότητας σήματος είναι η λεγόμενη σχέση σήματος προς θόρυβο (SNR), η οποία είναι η σχέση μεταξύ έντασης σήματος και στάθμης θορύβου. Ο θόρυβος και το εύρος ζώνης έχουν αντίστροφη σχέση, δηλαδή αύξηση στο εύρος ζώνης θα έχει ως αποτέλεσμα μείωση θορύβου. Μια άλλη κατηγορία μη φυσικών προβλημάτων μετάδοσης είναι η λεγόμενη παρεμβολή. Υπάρχουν δύο είδη παρεμβολής: παρεμβολή παρακείμενου καναλιού και ομοκαναλική παρεμβολής. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.2 η παρεμβολή παρακείμενου καναλιού συμβαίνει όταν επαρκώς μεγάλη ποσότητα ενέργειας ραδιοκαναλιού διαχέεται σε παρακείμενο ραδιοκανάλι. Η ομοκαναλική παρεμβολή συμβαίνει όταν δύο πομποί που χρησιμοποιούν το ίδιο ραδιοκανάλι έχουν υπερκαλυπτόμενες περιοχές κάλυψης. Ο βαθμός της ομοκαναλικής παρεμβολής μετριέται με τη λεγόμενη σχέση φέροντας προς παρεμβολή (C/I), η οποία είναι ίση με τη σχέση του φέροντας προς την παρεμβολή και από τις δύο πηγές. Εκτός από τη SNR και C/I, ο προϋπολογισμός ζεύξης αντιπροσωπεύει σημαντική έννοια διάδοσης που ορίζει την ποιότητα της ραδιοζεύξης και μετριέται με decibels ή db (ακριβέστερα dbm). Ένας προϋπολογισμός ζεύξης μπορεί να θεωρηθεί ως μια εξίσωση που προσθέτει ή αφαιρεί παράγοντες που συμβάλλουν ή μειώνουν την ποιότητα μιας ραδιοζεύξης. Μεταβλητές που συμβάλλουν είναι η εκπεμπόμενη ισχύς Pt, η απολαβή των ΤΑ και RA, Gt και Gr. Σε αντίθεση, οι σημαντικότεροι παράγοντες που μειώνουν την ένταση του σήματος είναι η απώλεια στο χώρο (εξαρτώμενη από την απόσταση και τη συχνότητα), ο φυσικός θόρυβος και ο θερμικός θόρυβος καθώς και ένα ευρύ σύνολο άλλων απωλειών. Εάν το υπολογιζόμενο έτσι περιθώριο M(dB) είναι θετικό όταν έχουν ληφθεί υπόψη όλοι οι σχετικοί παράγοντες, τότε το σήμα θα εξασφαλίζει επαρκή επίδοση. Για συστήματα κινητών επικοινωνιών εξωτερικού και εσωτερικού χώρου, η διάδοση πολλαπλής διαδρομής δημιουργεί μερικά από τα πιο σοβαρά προβλήματα σε ραδιοπεριβάλλον. Και στα δύο περιβάλλοντα, τα ραδιοκύματα μπορούν να ανακλώνται από ένα ευρύ σύνολο φυσικών και ανθρωπογενών οντοτήτων όπως κτίρια, αυτοκίνητα, λόφοι, νερό ή ιονόσφαιρα (στον εξωτερικό χώρο). Όπιος αναφέρθηκε, τα ραδιοκύματα στο φάσμα συχνοτήτων (30 ΜΗζ έως 3 GHz), που είναι το κύριο ενδιαφέρον για τα συστήματα κινητών ετηκοινωνιών που εξετάζονται στο παρόν βιβλίο χαρακτηρίζονται από πολύ σταθερά άμεσα κύματα. Συνεπώς η διάδοση πολλαπλής διαδρομής είναι ειηθυμητή κατά το ότι επιτρέπει στα ραδιοσήματα να φθάνουν στις RA πίσω από λόφους και κτίρια, για παράδειγμα, όταν δεν μπορεί να διατηρηθεί άμεση διαδρομή με οπτική επαφή. Από τιιν άλλη πλευρά, η διάδοση πολλαπλής διαδρομή αναγκάζει τους σχεδιαστές συστημάτων να αντιμετωπίζουν σημαντικά θέματα όπως η εξάπλωση καθυστέρησης του λαμβανόμενου σήματος, η τυχαία μετατόπιση φάσης (που δημιουργεί γρήγορες διακυμάνσεις στην ένταση του σήματος, γνωστές ως διάλειψη Rayleigh) και η μετατόπιση Doppler.