ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΛΟΓΩ ΑΥΞΗΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΙΑ ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΙΑΜΠΟΥ ΦΩΤΕΙΝΗΣ του ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Σ. ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2007
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΛΟΓΩ ΑΥΞΗΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΙΑ ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Φωτεινής Σιάμπου του Δημητρίου (Α.Μ. 5445) παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 19-12-2007. Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Σ. Κωτσόπουλος Καθηγητής Ν. Φακωτάκης - 2 -
ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΤΙΤΛΟΣ: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΛΟΓΩ ΑΥΞΗΣΗΣ ΤΗΣ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΙΑ ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ Φοιτήτρια: Φωτεινή Σιάμπου Επιβλέπων: Καθηγητής Σ. Κωτσόπουλος Περίληψη Στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς, όπου η απαίτηση για την επέκταση της χωρητικότητας του συστήματος αυξάνεται με τον αριθμό των χρηστών καθώς και με την ποσότητα της πληροφορίας που απαιτείται για ένα δεδομένο εξυπηρετητή, η απαίτηση για επέκταση του εύρους ζώνης είναι υψίστης σημασίας. Παρόλα αυτά, τα προβλήματα της συμφόρησης είναι συχνά αναπόφευκτα, ιδιαίτερα στα ασύρματα κανάλια, όπου η χωρητικότητα είναι πιο σπάνια, αλλά και στα αστικά κέντρα όπου το συνδρομητικό φορτίο είναι ιδιαίτερα υψηλό. Στις μέρες μας, η αυξανόμενη πυκνότητα χρηστών, αλλά και οι τεχνολογίες επείγουσας κατανάλωσης εύρους ζώνης δημιουργούν μία ακόμα μεγαλύτερη ανισορροπία. Καθώς όμως το εύρος ζώνης παραμένει σπάνιο και σταθερό, νέες μέθοδοι θα πρέπει να ευρεθούν για την αντιμετώπιση των προβλημάτων συμφόρησης. Μία από αυτές είναι η κυψελοειδής διάσπασης μία μέθοδος, η οποία επιτρέπει τη δημιουργία μικρότερων κυψελών. Έτσι ο ίδιος αριθμός καναλιών χρησιμοποιείται για μικρότερη περιοχή, ενώ για την ίδια πιθανότητα συμφόρησης περισσότεροι χρήστες μπορούν να ανατεθούν στην κυψέλη. Τα πλεονεκτήματα της κυψελοειδούς διάσπασης περιλαμβάνουν την μεγαλύτερη χωρητικότητα και το γεγονός ότι απαιτεί μόνο τοπική επανασχεδίαση του συστήματος. Ανάμεσα στα μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι ο αυξημένος αριθμός των γεγονότων μεταγωγής, αυξημένο επίπεδο και ανάγκη για περισσότερη υποδομή (σταθμοί βάσης), τα οποία βέβαια αντισταθμίζονται από τα προβλήματα τα οποία επιλύει. - 3 -
Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ... - 6 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: «ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ... - 8 - ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ»... - 8-1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 8-1.2 ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ...- 9-1.3 GSM...- 13-1.3.1 Η αρχιτεκτονική του συστήματος... - 14-1.3.2 Ταυτότητες του εξοπλισμού και των συνδρομητών... - 15-1.3.3 Λειτουργίες... - 17-1.4 UMTS...- 21-1.4.1 Ικανότητες... - 22-1.4.2 Οι αρχιτεκτονική του UMTS... - 23-1.4.2.1 Ο εξοπλισμός του χρήστη... - 23-1.4.2.2 Το υποσύστημα του ραδιο-δικτύου & πυρήνας δικτύου... - 25-1.4.3 Λειτουργίες... - 26-1.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 30 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: «ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ... - 31 - ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ»... - 31-2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 31-2.2 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ...- 31-2.3 ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΗΣ ΚΙΝΗΤΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ...- 32-2.3.1 Στόχοι της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας... - 32-2.3.2 Δομή της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας... - 34-2.3.2.1 Κυψελοειδής κάλυψη... - 34-2.3.2.2 Μορφή κυψελών... - 34-2.3.2.3 Υπερκυψέλες... - 35-2.3.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας... - 36-2.3.3.1 Υψομετρική θέση ΣΒ... - 36-2.3.3.2 Αποστάσεις μεταξύ ΣΒ... - 36-2.3.3.3 Τρεις βασικές διαδικασίες των κυψελοειδών συστημάτων:... - 37-2.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 40 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: «ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ»... - 41-3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 41-3.2 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ...- 41-3.3 ΤΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΚΑΝΑΛΙ...- 44-3.3.1 Απώλειες μετάδοσης (α PL (t))... - 44-3.3.1.1 Η κεραία... - 45-3.3.1.2 Τα μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος σε αστικό περιβάλλον... - 46-3.3.2 Σκίαση (a SH (t))... - 48-3.3.3 Διαλείψεις (a FA (t))... - 49-3.4 ΤΟ ΚΑΝΑΛΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ...- 51-3.4.1 Θόρυβος (n(t))... - 52-3.4.2 Παρεμβολή (j(t))... - 52-3.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 54 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: «ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ... - 55 - ΚΑΙ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ»... - 55-4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 55-4.2 ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΗ ΣΥΜΦΟΡΗΣΗ...- 55-4.3 ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΗΣ ΣΥΜΦΟΡΗΣΗΣ...- 55-4.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 58 - - 4 -
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: «ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ... - 59 - ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ... - 59 - ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ ΟΛΙΚΗΣ ΚΑΤΑΛΗΨΗΣ... - 59 - (BLOCKING PROBABILITY)»... - 59-5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 59-5.2 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΚΥΨΕΛΗΣ...- 59-5.2.1 Παράμετροι... - 61-5.2.2 Επεξήγηση του κώδικα... - 62-5.2.3 Αποτελέσματα εκτέλεσης του κώδικα... - 62-5.3 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑΤΟΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΙΝΗΣΗΣ/ΚΥΤΤΑΡΩΝ...- 68-5.3.1 Επεξήγηση του κώδικα... - 68-5.3.2 Αποτελέσματα εκτέλεσης του κώδικα... - 69-5.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 71 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: «ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ... - 72 - ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ»... - 72-6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 72-6.2 ΕΙΔΗ ΤΩΝ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ...- 72-6.3 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ...- 73-6.4 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ...- 74-6.4 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ...- 75-6.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 77 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: «ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ»... - 78 - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... - 80 - ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ... - 81 - ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1: ΚΩΔΙΚΑΣ 5.2...- 82 - ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2: ΚΩΔΙΚΑΣ 5.3...- 84 - - 5 -
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο πρώτο κεφάλαιο δίδονται τα γενικά χαρακτηριστικά των τριών διαφορετικών γενιών συστημάτων, γενικά γνωστές ως 1G, 2G και 3G. Καθώς επίσης δίδονται και τα χαρακτηριστικά των πιο διαδεδομένων GSM και UMTS. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση των λειτουργικών διαδικασιών των κυψελοειδών δικτύων. Αρχικά, εξετάζεται η σπουδαιότητα των κυψελοειδών συστημάτων ως προς την αύξηση της χωρητικότητας, της ποιότητας αλλά και της μείωσης του κόστους. Σημαντικά σημεία της ανάλυσης των κυψελοειδών συστημάτων είναι η μορφή των κυψελών στις οποίες χωρίζεται μία γεωγραφική περιοχή, η οποία είναι προς τηλεπικοινωνιακή κάλυψη, αλλά και οι υπερκυψέλες. Οι τρεις βασικές διαδικασίες των κυψελοειδών συστημάτων είναι η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων, η κυψελοειδής διάσπαση, καθώς και η μεταγωγή από μία κυψέλη σε μία άλλη. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η μετάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από τον πομπό στον δέκτη, το οποίο δέχεται μία σειρά από εξασθενήσεις. Έτσι το ψηφιακό επικοινωνιακό σύστημα μετάδοσης αποτελείται από το ασύρματο κανάλι, το οποίο συμπεριλαμβάνεται στο κανάλι διαμόρφωσης. Στο ασύρματο κανάλι το μεταδιδόμενο σήμα υφίσταται εξασθένιση μετάδοσης, η οποία περιγράφεται από τα διάφορα μοντέλα διάδοσης του ραδιοσήματος, εξασθένιση σκίασης και εξασθένιση λόγω διαλείψεων. Στο κανάλι διαμόρφωσης εισάγεται θόρυβος, αλλά και τα τρία είδη παρεμβολών ομοκαναλική, γειτονικού καναλιού και ενδοδιαμόρφωσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η τηλεπικοινωνιακή συμφόρηση, η οποία όσο για λόγους αυξημένης πυκνότητας συνδρομητών σε μία περιοχή, τόσο για λόγους αυξανόμενων απαιτήσεων για εύρος ζώνης είναι φανερή στα κυψελοειδή δίκτυα. Είναι επιτακτική η εύρεση αντιμετώπισης της συμφόρησης, δηλαδή εξυπηρέτησης του διαρκώς αυξανόμενου συνδρομητικού φορτίου με την εφαρμογή διαδικασιών. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται υλοποίηση της κυψελοειδούς διάσπασης με κριτήριο την πιθανότητα ολικής κατάληψης. Εξετάζεται αρχικά η περίπτωση διάσπασης μία κυψέλης σε έναν συνδυασμό περιπτώσεων, π.χ. σε 2, 3, και 4 επιμέρους κυψέλες, ανάλογα με το φορτίο κάθε χρονική στιγμή και την πυκνότητα συμφόρησης. Έπειτα εξετάζεται ένα συγκρότημα κυψελών, σε κάθε κυψέλη του οποίου κάθε χρονική στιγμή εφαρμόζεται διαφορετικό φορτίο, οπότε και συνεπάγεται διαφορετικό επίπεδο διάσπασης. - 6 -
Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζονται οι παρεμβολές, που αλλοιώνουν το σήμα, το οποίο φτάνει στον δέκτη, οπότε κρίνεται απαραίτητη η αντιμετώπιση τους. Καθώς η παρεμβολή γειτονικού καναλιού αντιμετωπίζεται με φίλτρα, η ενδοδιαμόρφωση επιλύεται με τον αλγόριθμο του Misfud, ενώ η ομοκαναλική απαιτεί σωστή διαχείριση των συχνοτήτων με βάση την αρχή της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Παράλληλα εξετάζεται το κατά πόσο η κυψελοειδής διάσπαση επηρεάζει την ομοκαναλική παρεμβολή. - 7 -
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: «Γενική περιγραφή δικτύων κινητής τηλεφωνίας» 1.1 Εισαγωγή Έπειτα από την εισαγωγή των πρώτων κυψελοειδών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, πολλά διαφορετικά πρότυπα χρησιμοποιήθηκαν, όλα με τις συντομογραφίες τους. Επίσης έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως ο καθορισμός των καναλιών και η πρόσβαση της τεχνολογίας και προσφέρουν διαφορετικά επίπεδα διαθεσιμότητας. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές γενιές συστημάτων, γενικά γνωστές ως 1G, 2G και 3G. Τα συστήματα της πρώτης τεχνολογίας χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι βασίζονται στην αναλογική τεχνολογία. Διαχώριζαν διαφορετικούς χρήστες στην ίδια κυψέλη διανέμοντας τους σε διαφορετικά κανάλια. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως Frequency Division Multiple Access (FDMA). Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις, το διαθέσιμο εύρος ζώνης έγινε σταδιακά περισσότερο συνωστισμένο. Με αποτέλεσμα, έγινε γρήγορα φανερό ότι τεχνικές που απαιτούσαν μικρότερο εύρος ζώνης ήταν απαραίτητες. Κατά συνέπεια τα συστήματα δεύτερης γενιάς δημιουργήθηκαν. Αυτά διαχειρίζονταν ψηφιακή τεχνολογία για να παρέχουν τα απαιτούμενα επίπεδα της αποδοτικότητας. Τα αρχικά συστήματα αυτής της γενιάς χρησιμοποιούσαν ένα συνδυασμό της τεχνικής FDMA και μίας άλλης όπου διαφορετικοί χρήστες ανατίθονταν σε διαφορετικές χρονοθυρίδες όλες στο ίδιο κανάλι. Αυτό το σύστημα ονομάζεται τεχνική Time Division Multiple Access (TDMA). Τα συστήματα προσέφεραν περιορισμένες δυνατότητες δεδομένων, για αυτό το λόγο ήταν σημαντική η ανάπτυξη τους ως προς τη διεκπεραίωση της κίνησης δεδομένων. Έτσι συστήματα υψηλού ρυθμού δεδομένων θα εισάγονταν, για να παρέχουν δεδομένα υψηλής ταχύτητας, τα λεγόμενα συστήματα τρίτης γενιάς. Ένα σύστημα γνωστό ως General Packet Radio Service (GPRS) χρησιμοποιούμενο με το GSM προσέφερε δεδομένα υψηλής ταχύτητας. Η σημαντική αλλαγή ήταν η χρησιμοποίηση των πακετικών συστημάτων, όπου ανεξάρτητα πακέτα δεδομένων δρομολογούνται σε ένα χρήστη, απ ότι τη μέθοδο μεταγωγής κυκλώματος. Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση μεταγωγής πακέτου επιτρέπεται στις νεκρές περιόδους σε μία άλλη κλήση να χρησιμοποιείται παραγωγικά από τον χρήστη. Με αποτέλεσμα τη βελτίωση του συστήματος ως προς την απόδοσή του. - 8 -
Τέλος το σύστημα Code Division Multiple Access (CDMA) χρησιμοποιεί μία διαφορετική προσέγγιση, κατά την οποία χρησιμοποιεί διαφορετικούς κώδικες προς την εξυπηρέτηση διαφορετικών χρηστών. Τα συστήματα αυτά εξετάζονται στις παρακάτω ενότητες με μία αρχική ιστορική αναδρομή της κινητής τηλεφωνίας κι έπειτα γίνεται εκτενής ανάλυση των συστημάτων δεύτερης και τρίτης. 1.2 Μια σύντομη ιστορική αναδρομή Πρώτες επικοινωνίες Η ανάγκη για επικοινωνία μεταξύ δύο μακρινών σημείων επιτέλεσε την αρχή για μία πληθώρα σκέψεων, για την επίτευξή της. Πριν την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, φωτιές και σημάδια καπνού ήταν απλοί, αλλά δύσκολοι τρόποι για τη μετάδοση μηνυμάτων σε μακρινές αποστάσεις. Έπειτα τα γράμματα κι ο τηλέγραφος στο 19 ο αι διευκόλυναν τις επικοινωνίες. Ήταν όμως το 1847 που ανακαλύφθηκε το τηλέφωνο κι έδωσε την αρχή για την μετάδοση της ανθρώπινης φωνής με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη πιστότητα. Εμφάνιση της κινητής τηλεφωνίας Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα για πρώτη φορά ανακαλύφθηκαν ως τηλεπικοινωνιακό μέσο στα τέλη του 19 ου αιώνα και συγκεκριμένα μέχρι το έτος 1970. Τα πρώτα συστήματα, που προσέφεραν υπηρεσία κινητής τηλεφωνίας (τηλέφωνο αυτοκινήτου) εισήχθησαν στην αγορά γύρω στο 50 και προορίζονταν για την εξυπηρέτηση συγκεκριμένων γεωγραφικών περιοχών. Αυτά τα πρώτα μονοκυψελοειδή συστήματα κινητής τηλεφωνίας ήταν περιορισμένα ως προς την κινητικότητα, τη χωρητικότητα, τις υπηρεσίες και την ποιότητα ομιλίας. Ήταν απλής μορφής, χωρίς μεγάλες δυνατότητες ελαχιστοποίησης των παρεμβολών και μείωσης της πιθανότητας ολικής ραδιο-κάλυψης (blocking propability) αυτών σε ώρες αιχμής. Ο εξοπλισμός ήταν βαρύς, ογκώδης, ακριβός και ευάλωτος στις παρεμβολές. Εξαιτίας αυτών των περιορισμών, λιγότερο από 1 εκατομμύριο συνδρομητές ήταν εγγεγραμμένοι παγκοσμίως. Πρώτη γενιά (1G): Αναλογική κυψελοειδής κινητή τηλεφωνία Η εισαγωγή των κυψελοειδών συστημάτων από το 1970 μέχρι το έτος 1990, προκάλεσε ανάπτυξη στην κινητή επικοινωνία, ιδιαίτερα στη χωρητικότητα και στην κινητικότητα. Βασίστηκαν στην κυψελοειδή δομή και είχαν αναλογικά ηλεκτρονικά - 9 -
χαρακτηριστικά. Η τεχνολογία των ημιαγωγών και των μικροεπεξεργαστών είχε σαν αποτέλεσμα μικρότερα, λίγο ελαφρύτερα και περισσότερο εξεζητημένα συστήματα. Αυτά τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς - 1G(eneration) ακόμα μεταδίδουν μόνο αναλογική πληροφορία φωνής. Τα πιο χαρακτηριστικά είναι: AMPS(Advanced Mobile Phone System), NMT(Nordic Mobile Telephone), και TACS(Total Access Communication System). Με την εισαγωγή της 1G κινητής τηλεφωνίας, η αγορά της εμφάνισε ετήσια άνοδο, που εκτιμάται σε 30 με 50%, αυξάνοντας τους συνδρομητές σε 20 εκατομμύρια το 1990. Δεύτερη γενιά (2G): Πολλαπλά ψηφιακά συστήματα Η ανάπτυξη των κυψελοειδών συστημάτων δεύτερης γενιάς 2G, από το 1990 μέχρι το 2000, προκλήθηκε από την ανάγκη για ποιότητα, χωρητικότητα συστήματος και κάλυψη. Περαιτέρω πρόοδος στην τεχνολογία των ημιαγωγών και των μικροκυμματικών συσκευών έφεραν την ψηφιακή μετάδοση στις κινητές επικοινωνίες. Η μετάδοση ομιλίας ακόμα επικρατεί στα κανάλια μετάδοσης, αλλά οι απαιτήσεις για φαξ, μικρά μηνύματα, και μετάδοση δεδομένων αυξάνονται με γρήγορους ρυθμούς. Συμπληρωματικές υπηρεσίες, όπως πρόληψη εισβολών και κρυπτογράφηση δεδομένων των χρηστών, γίνονται τυποποιημένα χαρακτηριστικά, τα οποία είναι συγκρίσιμα με εκείνα των σταθερών δικτύων. Τα πλέον σημαντικά πλεονεκτήματα αυτής της γενιάς είναι το αυξημένο επίπεδο οργάνωσης τους, η υψηλή χωρητικότητα τους από πλευράς εξυπηρέτησης των χρηστών, η δυναμική διαχείριση του ραδιο-φάσματος και το κυψελοειδές πρότυπο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων. Σταδιακά η τεχνολογία των συστημάτων όδευε από την αναλογική προς την ψηφιακή μορφή, ενώ καθιερώθηκε η χρήση υψηλότερων συχνοτήτων (από 900MHz σε 1800MHz). Χαρακτηριστικά συστήματα κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας 2G: GSM(Group Special Mobile), DAMPS(digital AMPS), CDMA(Code Division Multiple Access) και PDC(Personal Digital Communication). Στις μέρες μας, πολλαπλά 1G και 2G πρότυπα χρησιμοποιούνται στις παγκόσμιες κινητές επικοινωνίες. Διαφορετικά πρότυπα εξυπηρετούν διαφορετικές εφαρμογές με διαφορετικά επίπεδα κινητικότητας, χωρητικότητας και μία έκταση υπηρεσιών (συστήματα σελιδοποίησης, ασύρματο τηλέφωνο, ασύρματος τοπικός βρόχος, κυψελοειδή συστήματα και δορυφορικά συστήματα). Πολλά πρότυπα χρησιμοποιούνται μόνο σε μία χώρα ή σε μία περιοχή και πολλά είναι ασυμβίβαστα μεταξύ τους. Το σύστημα GSM είναι το πιο σύνηθες στα κυψελοειδή πρότυπα (GSM900, GSM-railway [GSM- - 10 -
R], GSM1800, GSM1900 και GSM400), υποστηρίζοντας 250 εκατομμύρια συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας από τους 450 παγκοσμίως με διεθνής περιαγωγή (roaming) σε περίπου 140 χώρες και 400 δίκτυα. Δεύτερη προς Τρίτη γενιά (2G to 3G): Η εξέλιξη του GSM Η πρώτη φάση για την τυποποίηση του GSM900 ολοκληρώθηκε από τον οργανισμό ETSI (European Telecommunications Standards Institute) το 1990 και περιλάμβανε όλους τους απαραίτητους ορισμούς για τις λειτουργίες των GSM δικτύων. Ορισμένες τηλε-υπηρεσίες και φέρουσες υπηρεσίες αναφέρονταν και προσφέρονταν μόνο οι βασικές. Γι αυτό το λόγο στη δεύτερη φάση ενσωματώθηκαν επιπλέον υπηρεσίες συγκρίσιμες με τα ψηφιακά σταθερά δίκτυα ολοκληρωμένων ψηφιακών υπηρεσιών (ISDN). Το 1996, ο οργανισμός ETSI αποφάσισε να ενισχύσει επιπλέον το GSM στη φάση 2+ με δυνατότητες τρίτης γενιάς 3G, όπως έξυπνα δίκτυα (intelligent network) με προσαρμοσμένες εφαρμογές για ενισχυμένη λογική κυκλωμάτων, ενισχυμένη συμπίεση/αποσυμπίεση (codec) ομιλίας, νέες αρχές μετάδοσης με υψηλής ταχύτητας κυκλώματα, πακέτα ράδιο-υπηρεσιών και ενισχυμένο ρυθμό μετάδοση δεδομένων για την εξέλιξη του GSM (enhanced data rates for GSM evolution-edge). Έπειτα, το UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) αποτελεί ένα πρότυπο της τρίτης γενιάς. Τα κύρια χαρακτηριστικά των συστημάτων 3G, ονομαζόμενα και ως IMT-2000 είναι: παγκόσμια χρήση, χρήση για όλες τις εφαρμογές κινητής τηλεφωνίας, υποστήριξη μεταγωγής πακέτου και μεταγωγής κυκλώματος για τη μετάδοση δεδομένων, προσφορά ρυθμού μετάδοσης δεδομένων μεγαλύτερη των 2Mbps, προσφορά υψηλής εκμετάλλευσης του φάσματος συχνοτήτων. Το IMT-2000 είναι ένα πακέτο απαιτήσεων, το οποίο ορίζεται από την ITU (International Telecommunication Union). Πολλά πρότυπα προτάθηκαν, για την κάλυψη αυτών των απαιτήσεων από τοπικούς οργανισμούς, αλλά το πιο χαρακτηριστικό ήταν το UMTS, το οποίο προσφέρει τη παγκόσμια βάση των χρηστών και τη σύνδεση μεταξύ των σημερινών συστημάτων με το IMT-2000. Ακόμα, εξυπηρετεί την αυξανόμενη ζήτηση για κινητή τηλεφωνία και εφαρμογές διαδικτύου και παρέχει ταχύτητα μετάδοσης 2Mbps για κάθε χρήστη, ενώ εγκαθιδρύει ένα παγκόσμιο πρότυπο περιαγωγής. Τέλος, η πιο σημαντική επόμενη αλλαγή είναι το νέο UMTS, λεγόμενο UTRA (terrestrial radio access) για επίγειες επικοινωνίες. Υποστηρίζει TDD (time division duplex) και FDD (frequency division duplex). Ο τρόπος TDD βελτιώνεται για τα - 11 -
δημόσια μικρο και πικο κυψέλες, ενώ ο FDD για κάλυψη ευρείας ζώνης, για δημόσια μακρο και μικρο κυψέλες. Οι δύο τρόποι προσφέρουν ευέλικτο και δυναμικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων περισσότερο των 2 Mbps. Σήμερα Στην εποχή μας πλέον έχουμε φτάσει να μιλάμε για συνέχεια της πληροφορίας σε όλα τα επίπεδα, εντός των σταθερών δικτύων, εντός των ασυρματικών δικτύων και κατά τη μετάδοση αναμεταξύ τους. Για την τηλεπικοινωνιακή κάλυψη μιας περιοχής ασυρματικά, τη χωρίζουμε σε ζώνες, σε κάθε μία από τις οποίες εγκαθίσταται ένας σταθμός βάσης (ΣΒ) με μία πανκατευθυντική κεραία. Με τη σειρά του κάθε ΣΒ είναι συνδεδεμένος με το ψηφιακό κέντρο κινητής τηλεφωνίας, το οποίο μαζί με το σταθερό δίκτυο καταλήγει στο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο ISDN. Μια απλή αναπαράσταση της παραπάνω δομής, που δείχνει τον τρόπο ολοκλήρωσης των επίγειων και των αντίστοιχων δορυφορικών επικοινωνιών δείχνεται στο σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1: Τηλεπικοινωνιακή κάλυψη μιας περιοχής - 12 -
1.3 GSM Το σύστημα που αναφέρεται ως GSM άρχισε ονομαζόμενος ως ομάδα ειδικής τηλεφωνίας (Groupe Special Mobile). Αργότερα αυτό άλλαξε για να δείξει την παγκόσμια φύση, ενώ κρατώντας τα αρχικά του, ονομάστηκε παγκόσμιο σύστημα για επικοινωνίες επικοινωνιών (Global System for Mobile communications). Ο σκοπός ήταν η πρωτοβουλία για την ανάπτυξη ενός ψηφιακού συστήματος κινητής τηλεφωνίας το οποίο θα μπορεί να υποστηρίζει περιαγωγή διασχίζοντας τα σύνορα των κρατών και επίσης να παρέχει βελτιωμένες ικανότητες, συγκρινόμενο με τα αναλογικά συστήματα τα οποία τότε χρησιμοποιούνταν. Καθώς ήταν εμφανής η έλλειψη ασφάλειας μερικών αναλογικών συστημάτων που τότε χρησιμοποιούνταν, η μυστικότητα και η ασφάλεια των κλήσεων τέθηκαν επίσης ως προτεραιότητες. Οι στόχοι που τέθηκαν για το σύστημα ήταν σκληροί καθώς κανένα ψηφιακό σύστημα δεν είχε ξεκινήσει νωρίτερα και κανένα δεν είχε κάνει προσπάθειες για περιαγωγή στο επίπεδο που είχαν θεωρήσει. Ο πρωταρχικός σκοπός ήταν να χρησιμοποιηθούν συχνότητες της περιοχής των 900MHz, αλλά καθώς το αρχικό του ξεκίνημα ήταν με άλλες συχνότητες, χρησιμοποιώντας 1800, 1900 και πιο πρόσφατα 900MHz.Τα αρχικά συστήματα που χρησιμοποιούσαν περιοχές μεγάλων συχνοτήτων ονομάστηκαν DCS 1800 (Digital Communications System) και PCS 1900 (Personal Communications System). Τώρα απλώς αναφέρονται ως GSM 1800 και GSM 1900 αντίστοιχα. Μέρος από την επιτυχία του συστήματος του GSM συστήματος είναι ότι το πρότυπο καθορίζει από την αρχή ολόκληρο το σύστημα. Το πρότυπο δημιουργήθηκε και ήταν κάτω από τον έλεγχο του ETSI. Κατά αυτόν τον τρόπο ένα πραγματικό διεθνές πρότυπο δημιουργήθηκε και όλοι οι κατασκευαστές και οι παροχείς υπηρεσιών έπρεπε απλώς να ακολουθήσουν το πρότυπο αυτό. Έτσι, όχι μόνο η παγκόσμια περιαγωγή έγινε πραγματικότητα, επίσης αυτό υπονοούσε ότι οι κατασκευαστές θα μπορούσαν απευθύνονται σε μία παγκόσμια αγορά και να επωφελούνται οικονομικά. Αυτά τα οικονομικά οφέλη μπορούσαν επίσης να περάσουν και στον καταναλωτή, κάνοντάς το μία ελκυστική λύση. Νωρίτερα υπήρχε μία μεγάλη ποσότητα από διαφορετικά δίκτυα και οι κατασκευαστές έπρεπε να εξυπηρετούν τις λύσεις τους δια μέσου σχετικών χωρών και συστημάτων. Ακόμα και τώρα υπάρχουν συστήματα σε χρήση ανά τον κόσμο τα οποία δεν έχουν προτυποποιηθεί στον ίδιο βαθμό και αυτό εμποδίζει την εύκολη περιαγωγή - 13 -
διασχίζοντας τις χώρες και ακόμα και διαφορετικά δίκτυα μέσα στην ίδια χώρα. Η λειτουργία του προτύπου GSM έχει τώρα περάσει στο 3GPP, η οργάνωση που επίσης ελέγχει την τρίτη γενιά UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) που χρησιμοποιεί τεχνολογία CDMA. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό για την ανάπτυξη των GSM και UMTS να είναι περισσότερο συνδεδεμένοι. 1.3.1 Η αρχιτεκτονική του συστήματος Η αρχιτεκτονική του συστήματος GSM έχει αποδειχθεί ως επιτυχία, καθώς πολλές από τις ονομασίες και τις ιδέες έχουν υιοθετηθεί από άλλα συστήματα. Οι βασικές ιδέες έχουν επίσης ενσωματωθεί από τα νέα τρίτης γενιάς συστήματα UMTS/W-CDMA, παρόλο που πολλά από τα ονόματα έχουν ελαφρώς διαμορφωθεί έτσι ώστε να εμποδίσουν οποιαδήποτε σύγχυση. Τα βασικά στοιχεία ου συστήματος είναι ο σταθμός βάσης ΣΒ (Base Transceiver Station BTS), ο ελεγκτής σταθμού βάσης (Base Station Controller BCS), το κέντρο μεταγωγής (Mobile Switching Centre MSC) και τις περιοχές καταγραφής και πιστοποιήσεις όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Αυτό περιλαμβάνει τα μητρώα Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR) και το κέντρο πιστοποίησης (Authentication Center AuC). Σχήμα 1.2: Η αρχιτεκτονική του GSM - 14 -
Ο ΣΒ είναι η πρωταρχική περιοχή επικοινωνίας με τους κινητούς χρήστες. Ο ΣΒ εκπέμπει και λαμβάνει τα σήματα από αυτούς, ελέγχοντας διευθύνοντας τα πρωτόκολλα διεπαφής. Ο ΣΒ συνδέεται έπειτα, με το BCS, το οποίο ελέγχει μικρές ομάδες σταθμών βάσης. Αυτά τα δύο συνδέονται χρησιμοποιώντας μία διεπαφή γνωστή ως A-bis διεπαφή. Όπως όλες οι άλλες διεπαφές μεταξύ των στοιχείων των στοιχείων του δικτύου GSM, αυτό αυστηρά προσδιορίζεται για να επιτρέπει στον εξοπλισμό διαφορετικών κατασκευαστών να είναι ενωμένοι. Ωστόσο μερικές από τις προτυποποιήσεις ήρθαν αργότερα κι έτσι αυτό είχε σαν αποτέλεσμα πολλά παλαιότερα συστατικά παρέμειναν, επιτρέποντας μόνο τα BSC και ΣΒ συγκεκριμένων κατασκευαστών να συνδέονται. Ο BCS διαχειρίζεται έναν ή περισσότερους ΣΒ. Διαχειρίζεται την εγκατάσταση του ραδιο-καναλιού, ελέγχει τις μεταπηδήσεις συχνοτήτων και τις μεταγωγές. Συνδέεται με το κέντρο μεταγωγής δια μέσω μιας διεπαφής που ονομάζεται Α διεπαφή. Μία επιπλέον διεργασία που κανονικά πραγματοποιείται από το BCS είναι μεταφράζει τα δεδομένα φωνής ρυθμού 13 kbps, που χρησιμοποιείται στην ραδιοζεύξη στην προτυποποιημένη 64 kbps που χρησιμοποιείται στο PSTN. Η καρδιά του δικτύου είναι το υπο-σύστημα MCS, ή το κέντρο μεταγωγής, λειτουργώντας ως ένας κόμβος μεταγωγής στο PSTN. Επιπλέον λειτουργεί ως διεπαφή με το AUC, έτσι ώστε να παρέχει πιστοποίηση δίνοντας την πρόσβαση στους χρήστες προς το δίκτυο. Επίσης λειτουργεί ως διεπαφή με τα μητρώα HLR και VLR για να παρέχει πληροφορία εντοπισμού για το δίκτυο, έτσι ώστε οι κλήσεις να μπορούν να δρομολογούνται στο σωστό ΣΒ, περιλαμβάνοντας ακόμα και αυτούς που βρίσκονται υπερποντίως να δρομολογηθούν σε κινητούς χρήστες μέσω περιαγωγής. Ακόμα συντονίζει την μεταγωγή. 1.3.2 Ταυτότητες του εξοπλισμού και των συνδρομητών Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές ταυτότητες, οι οποίες ενσωματώνονται στο πρότυπο του GSM, για να παρέχουν ευελιξία ενώ είναι δυνατό να διατηρείται ένα επίπεδο ασφάλειας. Ένας αριθμός από αυτές τις ταυτότητες αποθηκεύεται σε μία κάρτα, γνωστή ως Subscriber Identity Module (SIM) κάρτα. Αυτή η μικρή κάρτα μνήμης εισάγεται στο κινητό για να παρέχει πληροφορία σχετικά με τον συνδρομητή. Η κάρτα SIM επίσης περιέχει επιπλέον πληροφορία, συμπεριλαμβανομένου καταλόγου τηλεφώνου, έτσι δίνει τη δυνατότητα στους συνδρομητές να αλλάξουν τηλεφωνική συσκευή ενώ ακόμα να διατηρούν τον τηλεφωνικό τους κατάλογο και - 15 -
άλλη πληροφορία. Άλλες ταυτότητες αποθηκεύονται τον εξοπλισμό της τηλεφωνικής συσκευής ή στο δίκτυο. International mobile equipment identity (ΙΜΕΙ) Η διεθνής ταυτότητα του εξοπλισμού της συσκευής (ΙΜΕΙ) είναι ένας δεκαπενταψήφιος αριθμός που χρησιμοποιείται για να αναγνωρίζει τη συσκευή. Τοποθετείται στη συσκευή κατά τη διάρκεια κατασκευής του και ελέγχεται όταν η συσκευή προσπαθεί να εισέλθει στο δίκτυο και συγκρίνεται με τη βάση δεδομένων EIR, με τους αριθμούς γνωστούς ως κλεμμένες συσκευές. Η κατάσταση που επιστρέφει σε απάντηση του ερωτήματος IMEI στο EIR μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τρεις κατηγορίες: λευκός-κατηγοριοποιημένος, στο οποίο επιτρέπεται η σύνδεση, γκρι-κατηγοριοποιημένος, στο οποίο μένει κάτω από παρακολούθηση στο δίκτυο για πιθανά προβλήματα και μαύρος-κατηγοριοποιημένος, όταν είτε έχει αναφερθεί ως κλεμμένο είτε θεωρείται ως τύπος κινητής συσκευής μη αποδεκτή και έτσι δεν επιτρέπεται να συνδεθεί. International mobile subscriber identity (IMSI) Η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητής συσκευής (IMSI) είναι ένας δεκαπενταψήφιος αριθμός, ο οποίος περιλαμβάνεται στην κάρτα SIM και εντοπίζεται στον χρήστη από τον διαχειριστή δικτύου. Επιτρέπει στον διαχειριστή να συνδέσει τον τηλεφωνικό αριθμό και τον συνδρομητή. Το νούμερο περιλαμβάνει ένα κώδικα ταυτότητας για να επιτρέπει στη συσκευή να μπορεί να είναι αναγνωρίσιμη παγκοσμίως. Temporary mobile subscriber identity Η προσωρινή ταυτότητα κινητού συνδρομητή ανατίθεται από το δίκτυο και είναι μικρότερη από την πλήρη IMSI διεύθυνση, έτσι το κάνει πιο εύκολη στη συσκευή τη διαδικασία αποστολής. Authentication key and cipher key Το κλειδί πιστοποίησης αποθηκεύεται στην κάρτα SIM και χρησιμοποιείται για να υπολογίζει το κλειδί cipher, το οποίο χρησιμοποιείται στον κώδικα κρυπτογράφησης, να προλαμβάνει από μη εξουσιοδοτημέν πρόσβαση στα μηνύματα κινητής τηλεφωνίας. - 16 -
1.3.3 Λειτουργίες Έναρξη Όταν ένα κινητό τηλέφωνο GSM αρχικά ανοίγεται, χρειάζονται λίγα δευτερόλεπτα πριν από μία κλήση να είναι δυνατή. Όχι μόνο το ίδιο το κινητό χρειάζεται χρόνο για να ανοίξει αλλά επίσης το σύστημα χρειάζεται να συνδεθεί με το δίκτυο έτσι ώστε να είναι έτοιμο να κάνει και να δεχτεί κλήσεις. Το πρώτο στάδιο στη σύνδεση με το δίκτυο είναι να σαρώσει τις διαθέσιμες συχνότητες για το σταθμό βάσης. Το κινητό θα σαρώσει όλες τις διαθέσιμες συχνότητες, σημειώνοντας τα σήματα που μπορεί να λαμβάνει. Επίσης τσεκάρει για εκείνα τα σήματα που περιλαμβάνουν ένα κανάλι ελέγχου και σημειώνει την πληροφορία ευρείας εκπομπής, συμπεριλαμβανομένης και της αναγνώρισης του συστήματος και την πληροφορία ελέγχου πρόσβασης, συμπεριλαμβανομένης αρχικής ισχύος μετάδοσης. Ο εντοπισμός μηνυμάτων και καναλιών σελιδοποίησης επίσης αποστέλλονται. Ένας μοναδικός αναγνωριστής για το σταθμό βάσης αποστέλλεται για το σταθμό βάσης, μαζί με ένα αναγνωριστή δικτύου. Η κινητή συσκευή διαλέγει την ισχυρότερη συχνότητα διαστρωμάτωσης και μετά χρησιμοποιώντας το τυχαίας πρόσβασης κανάλι στέλνει το κανάλι καταχώρησης. Το δίκτυο απαντάει, ελέγχοντας την πιστοποίηση και αποθηκεύοντας τη θέση του κινητού στην HLR ή VLR, όπως απαιτείται. Έναρξη κλήσης Όταν μία κλήση πραγματοποιείται από την κινητή συσκευή, αυτή θα πρέπει να επικοινωνήσει με το σταθμό βάσης έτσι ώστε η εγκατάσταση κλήσης και η επικοινωνία να γίνει. Στέλνει ένα burst χρησιμοποιώντας το κανάλι τυχαίας πρόσβασης. Το μήνυμα περιλαμβάνει ένα 5bit αριθμό που προσωρινά εντοπίζει την κινητή συσκευή στο δίκτυο. Ένας επιπλέον 3bit αριθμό περιλαμβανόμενος στο μήνυμα εντοπίζει τον τύπο του μηνύματος που απαιτείται, την καταγωγή της κλήσης ή επανασύνδεση σε προσωρινά χαμένες κλήσεις. Υπάρχει μία ελπίδα ότι ένα άλλο κινητό θα στείλει μία τυχαίας πρόσβασης αίτηση την ίδια στιγμή και εάν καμία επιβεβαίωση δεν ληφθεί θα περιμένει μία τυχαία ποσότητα χρόνου έτσι ώστε να μην συγκρουστεί με το ίδιο κινητό για δεύτερη φορά και μετά να ξαναστείλει την αίτηση πρόσβασης. Όταν ο σταθμός βάσης επιτυχώς λάβει την αίτηση πρόσβασης στέλνει πίσω ένα τυχαίο νούμερο και κατευθύνει το κινητό για να ένα συγκεκριμένο ραδιο-κανάλι και - 17 -
χρονοθυρίδα. Κανονικά το δίκτυο θα απαιτήσει πιστοποίηση και εάν είναι δυνατό η κλήση θα αρχίσει. Λήψη κλήσης Μία παρόμοια διαδικασία σε αυτή χρησιμοποιούμενη για μία κλήση προερχόμενη από κινητό χρησιμοποιείται για μία κλήση που χρειάζεται να ληφθεί από συγκεκριμένο κινητό. Υπάρχουν προφανώς μερικές διαφορές, επειδή το κινητό πρέπει να ειδοποιηθεί για την κλήση απ ότι το κινητό να ειδοποιήσει το δίκτυο ότι χρειάζεται να κάνει μία κλήση. Όταν μία αίτηση για μία κλήση γίνεται σε ένα συγκεκριμένο κινητό, το δίκτυο ελέγχει την τελευταία καταχωρημένη θέση του κινητού με το καταχωρητή θέσης. Το δίκτυο τότε στέλνει μηνύματα σελιδοποίησης στο κανάλι σελιδοποίησης μία ομάδας σταθμών βάσης στην περιοχή όπου το κινητό τελευταία εντοπίστηκε. Όταν το κινητό λάβει το μήνυμα σελιδοποίησης, απαντάει στο κανάλι ελέγχου. Το δίκτυο έπειτα εντοπίσει το ραδιο-κανάλι και τη χρονοθυρίδα στην οποία το κινητό στέλνει. Όταν η κλήση πραγματοποιείται και συνεχίζει μέχρι όταν και τα δύο άκρα τερματίσουν την κλήση. Τερματισμός της κλήσης Μία κλήση τερματίζεται κι από τα δύο άκρα της σύνδεσης. Όταν εντοπίζεται, ένας αριθμός μηνυμάτων ανταλλάσσονται μεταξύ δικτύου και κινητού. Αρκετά μηνύματα μεταδίδονται για να επιβεβαιώσουν ότι η ζεύξη δεν έχει σπάσει τυχαία και ότι ένας αληθινός τερματισμός έγινε. Όταν η κλήση ολοκληρωθεί, το δίκτυο απελευθερώνει το κανάλι κίνησης για έναν άλλο χρήστη και το κινητό επιστρέφει σε κατάσταση αδράνειας διαχειρίζοντας το κανάλι σελιδοποίησης. Επίσης τσεκάρει να επιβεβαιώσει ότι ο σταθμός βάσης που χρησιμοποιούνταν ακόμα προσφέρει το βέλτιστο σήμα. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνει ότι οποιεσδήποτε επιπλέον κλήσεις που φθάνουν τότε βρίσκονται στην καλύτερη θέση να λάβουν τα σήματα. Μεταγωγή Ένα από τα στοιχεία κλειδιά του κινητού τηλεφώνου είναι αυτό που επιτρέπει την κίνηση του χρήστη και ακόμα να μένει συνδεδεμένος. Αυτό σημαίνει ότι όταν το κινητό μετακινείται εκτός της κάλυψης του σταθμού βάσης (π.χ. εκτός από δοσμένης κυψέλης) και προς τον επόμενο, πρέπει να είναι δυνατό να μεταφέρει την κλήση χωρίς να παρατηρηθεί καμία διακοπή στο χρήστη. - 18 -
Χρειάζεται μία σημαντική ποσότητα χρόνου δικτύου για την επιβεβαίωση ότι η διαδικασία, γνωστή ως μεταγωγή, συμβαίνει σωστά, καθώς είναι σημαντικό στοιχείο του ελέγχου του δικτύου. Οποιοδήποτε πρόβλημα οδηγεί στη δυσαρέστηση του πελάτη και τον μετακινεί σε ένα άλλο δίκτυο. Στο GSM, το οποίο χρησιμοποιεί τεχνικές TDMA, ο πομπός εκπέμπει μόνο για μία χρονοθυρίδα από τις οκτώ και παρόμοια, ο δέκτης λαμβάνει μόνο σε μία χρονοθυρίδα στις οκτώ. Σαν αποτέλεσμα, το τμήμα RF του κινητού θα μπορούσε να είναι αδρανές για έξι χρονοθυρίδες από το συνολικό χρόνο. Αυτό δεν είναι μία περίπτωση, επειδή κατά τη διάρκεια των χρονοθυρίδων στα οποία δεν επικοινωνεί με το σταθμό βάσης σκανάρει τα άλλα ραδιο-κανάλια ψάχνοντας για συχνότητες διαστρωμάτωσης, οι οποίες μπορεί να είναι πιο ισχυρές ή πιο κατάλληλες. Επιπλέον όταν το κινητό επικοινωνεί με ένα συγκεκριμένο σταθμό βάσης, μία από τις αποκρίσεις που κάνει είναι ότι πρόκειται να στείλει μία λίστα από ραδιο-κανάλια από συχνότητες διαστρωμάτωσης γειτονικών σταθμών βάσης. Σκανάρει αυτές και στέλνει πίσω αναφορά για την ποιότητα της ζεύξης με το σταθμό βάσης. Με αυτό τον τρόπο το κινητό βοηθάει στην απόφαση μεταγωγής και σαν αποτέλεσμα αυτό ονομάζεται Mobile-Assisted HandOver (MAHO). Το δίκτυο γνωρίζει την ποιότητα της ζεύξης μεταξύ του κινητού και του σταθμού βάσης, όπως επίσης την ισχύ των τοπικών σταθμών βάσης, καθώς αυτά αναφέρονται πίσω στο κινητό. Επίσης γνωρίζει την διαθεσιμότητα των καναλιών στων γειτονικών καναλιών. Σαν αποτέλεσμα έχει όλη την πληροφορία που χρειάζεται για να είναι δυνατό να πάρει μία απόφαση σχετικά με το εάν χρειάζεται να περάσει το κινητό από τον ένα σταθμό βάσης σε έναν άλλο. Εάν το δίκτυο αποφασίσει ότι είναι απαραίτητο για το κινητό να υποστεί μεταγωγή, εκχωρεί ένα νέο κανάλι και μία χρονοθυρίδα στο κινητό. Ενημερώνει το σταθμό βάσης για την αλλαγή του κινητού. Το κινητό τότε επανασυγχρονίζεται κατά τη διάρκεια της περιόδου που δε λαμβάνει ή αποστέλλει πληροφορία, π.χ. στην αδρανή κατάσταση. Μεταπήδηση συχνοτήτων Μία από τις διευκολύνσεις που το πρότυπο GSM προσφέρει είναι να επιτρέπει έναν τρόπο λειτουργίας ονομαζόμενο μεταπήδηση συχνοτήτων. Αυτό είναι αποτελεσματικά ένας τρόπος λειτουργίας μετάδοσης φάσματος. Ουσιαστικά όταν το σήμα χρησιμοποιεί τη λειτουργία αυτή μετακινείται από τη μία συχνότητα στην άλλη, παραμένοντας σε μία συχνότητα για ένα μικρό χρονικό διάστημα χρόνου, - 19 -
ικανοποιητικό για να στείλει ένα burst δεδομένων. Έπειτα μετακινείται σε μία άλλη συχνότητα, όπου αποστέλλει ένα ακόμα burst δεδομένων. Για λειτουργήσει με αυτό τον τρόπο, πομπός και δέκτης θα πρέπει να ακολουθήσουν το ίδιο πρότυπο μεταπήδησεων έτσι ώστε να βρίσκονται στην ίδια συχνότητα την ίδια χρονική στιγμή. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα της μεταπήδησης συχνοτήτων. Είναι μία τεχνική που χρησιμοποιείται από το στρατό για να προλαμβάνει μπλοκάρισμα από εχθρικές πηγές σήματος, και επίσης προλαμβάνει από υποκλοπή επειδή τα σήματα δεν μπορούν να λαμβάνονται εύκολα εκτός κι αν το πρότυπο μεταπηδήσεων είναι γνωστό. Για εφαρμογές όπως οι κινητές τηλεπικοινωνίες, αρχικά χρησιμοποιείτο επειδή υπολογίζω κατά μέσω όρο το βαθμό παρεμβολής. Επιπλέον μειώνει τα αποτελέσματα της επιλεκτικής σκίασης. Ένα κανάλι που φτάνει σε ένα κινητό ή σε ένα σταθμό βάσης θα είναι το άθροισμα από τον πομπό φτάνοντας στον δέκτη πολλά κανάλια σαν αποτέλεσμα της αντανάκλασης. Καθώς το μήκος των καναλιών μπορεί να διαφέρει, μερικές φορές τα σήματα θα προστεθούν παράγοντας ένα μεγαλύτερο σήμα, ενώ άλλες φορές θα τείνουν να ακυρώνουν το ένα το άλλο. Καθώς αυτό μπορεί να εξαρτάται από τη συχνότητα που χρησιμοποιείται, η μετακίνηση σε ένα άλλο κανάλι μπορεί να διευκολύνει την κατάσταση. Οπότε και πάλι και αυτό το πρόβλημα επιλύεται. Η μεταπήδηση συχνοτήτων είναι σχετικά εύκολη να εφαρμοστεί στο GSM επειδή το τμήμα RF του κινητού ήδη μετακινείται μεταξύ διαφορετικών συχνοτήτων για τη μετάδοση και λήψη, αλλάζοντας τη συχνότητα κατά τη διάρκεια αδρανών περιόδων όταν ούτε η λήψη ούτε η εκπομπή είναι ενεργή. Για τον συγχρονισμό των καναλιών λήψης και εκπομπής και για τη διαβεβαίωση ότι ο σταθμός βάσης και η μεταπήδηση του κινητού είναι υπό συγχρονισμό, ο αλγόριθμος μεταπήδησης μεταδίδεται ευρέως στο κανάλι ελέγχου ευρείας ζώνης. Υπηρεσία μικρών μηνυμάτων (Short Message Service SMS) Η υπηρεσία αυτή είναι ένα χαρακτηριστικό του συστήματος GSM, το οποίο είναι σε εφαρμογή. Παρέχει τη δυνατότητα εκπομπής και λήψης μηνυμάτων κειμένου προς και από τις κινητές συσκευές. Το κείμενο μπορεί να αποτελείται από λέξεις ή αριθμούς ή αλφαριθμητικούς συνδυασμούς. Το SMS δημιουργήθηκε σαν μέρος της πρώτης φάσης του GSM προτύπου και η χρήση του αυξήθηκε πέρα από κάθε προσδοκία. Το SMS είναι αυτό που ονομάζεται υπηρεσία αποθήκευσης και προώθησης. Τα μηνύματα από τον πομπό δρομολογούνται σε ένα κέντρο SMS και μετά στον δέκτη. - 20 -