ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WCDMA 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ WCDMA ΚΥΨΕΛΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WCDMA 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ WCDMA ΚΥΨΕΛΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ Η ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΟΝ ΔΑΣΚΑΛΟΠΟΥΛΟ ΙΩΑΝΝΗ του ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Επιβλέπων καθηγητής: Μιχαήλ Λογοθέτης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας : / 2009 ΠΑΤΡΑ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2009

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WCDMA 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ WCDMA ΚΥΨΕΛΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ Η ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΟΝ ΔΑΣΚΑΛΟΠΟΥΛΟ ΙΩΑΝΝΗ του ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Επιβλέπων καθηγητής: Μιχαήλ Λογοθέτης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας : / 2009 ΠΑΤΡΑ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2009

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WCDMA 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ WCDMA ΚΥΨΕΛΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΑΣΚΑΛΟΠΟΥΛΟ ΙΩΑΝΝΗ του ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ (Α.Μ. 5314) παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Πάτρας στις 13.02.2009 Ο Επιβλέπων Αναπλ. Καθηγητής Ο Πρόεδρος του Τομέα Καθηγητής Λογοθέτης M. Φακωτάκης Ν.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για την εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας με θέμα << Μελέτη των δικτύων WCDMA 3 ης γενιάς και υπολογισμός της χωρητικότητας μιας WCDMA κυψέλης στην κάτω ζεύξη>> θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή κ. Μιχαήλ Λογοθέτη, ο οποίος μουανέθεσε αυτή την εργασία δίνοντας μουτην ευκαιρία να ασχοληθώ με μια τεχνολογία της οποίας τα τεχνικά χαρακτηριστικά μου ήταν σχεδόν άγνωστα μέχρι τότε. Ευχαριστώ θερμά και τον μεταπτυχιακό φοιτητή του τμήματος Βασίλειο Βασιλάκη για την αμέριστη βοήθειά του σε όλη την διάρκεια της εξέλιξης της διπλωματικής. Είχαμε συνεχώς άψογη συνεργασία και κάναμε συχνά πολύωρες συζητήσεις για τη λύση των προβλημάτων που ανέκυπταν, μέχρι να ολοκληρωθεί αυτή η διπλωματική εργασία.

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εξέλιξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας 3 ης γενιάς άρχισε στη συνάντηση που είχε το 1992 η World Administrative Radio Conference (WARC) της ITU (International telecommunication Union). Το πρόβλημα το οποίο έπρεπε να αντιμετωπίσουν ήταν αυτό της συνεχούς αύξησης των συνδρομητών που σύντομα θα μπορούσε να φέρει κορεσμό στη χωρητικότητα των ήδη υπαρχόντων δικτύων. Εφ όσον η μετάδοση φωνής και δεδομένων σε μικρές ταχύτητες ήταν κάτι το αυτονόητο, οι στόχοι που τέθηκαν εντοπίζονται στη μετάδοση δεδομένων σε μεγάλη ταχύτητα και σε υπηρεσίες πολυμέσων (multimedia). Ένας ακόμα βασικός στόχος ήταν η ποιότητα της μεταδιδόμενης φωνής να είναι αντίστοιχη με αυτή της σταθερής η τηλεφωνίας. Η κύρια κατηγορία κυψελωτών δικτύων που επικράτησε για την 3 γενιά κινητής τηλεφωνίας είναι αυτή των WCDMA δικτύων. Ο στόχος αυτής της διπλωματικής ήταν να μελετηθεί και να κατανοηθεί ο τρόπος λειτουργίας των WCDMA δικτύων καθώς και να υπολογιστεί η χωρητικότητα μιας κυψέλης, μέσω του υπολογισμού των πιθανοτήτων απώλειας κλήσεων, στην κατερχόμενη ζεύξη (downlink). Δηλαδή στην περίπτωση που το σήμα αποστέλλεται από το σταθμό βάσης στον συνδρομητή. Στην αρχή της διπλωματικής κάνουμε μια αναδρομή στην ιστορική εξέλιξη που είχαν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών για να συνεχίσουμε έπειτα στο 2 ο κεφάλαιο περιγράφοντας μερικές βασικές έννοιες όπως είναι οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης. Στο 3 ο κεφάλαιο εμβαθύνουμε στα WCDMA δίκτυα περιγράφοντας αναλυτικά τους διάφορους παράγοντες που συμβάλουν στην λειτουργία τους με έμφαση σε αυτούς που έχουν εξέχουσα σημασία για την κάτω ζεύξη όπως είναι ο παράγοντας ορθογωνικότητας. Το 4 ο κεφάλαιο είναι μια εισαγωγή στα κλασικά μοντέλα απωλειών για τυχαία κίνηση το οποίο θα μας βοηθήσει να καταλάβουμε καλύτερα κάποιες έννοιες που εμφανίζονται στο 5 ο και 6 ο κεφάλαιο όπου και παρουσιάζεται ο αλγόριθμος για τον υπολογισμό της χωρητικότητας μιας WCDMA κυψέλης. Το τελευταίο κεφάλαιο αφιερώνεται σε αριθμητικά παραδείγματα για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας των δικτύων αυτών και της εξάρτησής που έχουν από διάφορες παραμέτρους. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα VISUAL FORTRAN 6.0. Ο έλεγχος της ορθότητας των αποτελεσμάτων γίνεται μέσω σύγκρισής τους με αντίστοιχα αποτελέσματα που λαμβάνουμε από προσομοιώσεις, χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα SIMSCRIPT II.5 Η εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας αυτής πραγματοποιήθηκε με την συνεργασία της εταιρίας SITEL SEMICONDUCTOR HELLAS στο διάστημα από 6/5/2008 εώς 5/9/2008, στα πλαίσια του προγράμματος ΕΠΕΑΕΚ και του έργου Πρακτική άσκηση φοιτητών του τμήματος Ηλεκτρολόγων μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών, με την επίβλεψη του κ. Παπανίκου Ιωάννη ως Υπεύθυνος μηχανικός έργου.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ...1 1.2 Η 0 Η ΓΕΝΙΑ (0G).2 1.3 Η Η 1 ΓΕΝΙΑ (1G) 2 1.3.1 C-450...3 1.3.2 AMPS 3 1.3.3 TACS.3 1.3.4 NMT..3 1.3.5 NTT...4 1.4 Η 2 η ΓΕΝΙΑ (2G).4 1.4.1 Το μεγάλο GSM...4 1.4.2 PDC...5 1.4.3 PDC-P...6 1.4.4 D-AMPS...6 1.4.5 iden.6 1.5 ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΓΕΝΙΑ (2,5G)..6 1.5.1 GPRS 6 1.5.2 HSCSD.7 1.6 Η 3 η ΓΕΝΙΑ (3G)..8 1.6.1 W-CDMA 11 1.6.2 TD-SCDMA...12 1.7 ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΕΠΕΙΤΑ. 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.1 ΚΥΨΕΛΕΣ.15 2.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ.18 2.2.1 FDMA 19 2.2.2 TDMA 20 2.2.3 FDMA-TDMA...21 2.2.3 CDMA 22 2.2.3.2 FDD και TDD..25 2.2.3.3 Encoding, Interleaving and spreading in DS/WCDMA Systems 27 2.2.3.4 ορθογώνιοι κώδικες.30 2.2.3.5 process gain..37

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ WCDMA 3.1 POWER CONTROL....43 3.1.1 Downlink Direction...44 3.1.2 Uplink Direction 46 3.1.3 Power Control Techniques....49 3.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ WCDMA.53 3.3 ACTIVITY FACTOR ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 55 3.4 LOAD FACTOR ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΟΡΤΙΟΥ.56 3.4.1 Uplnik Load...56 3.4.2 Downlink Load.. 58 3.4.2.1 Υπολογισμός του φορτίου με βάση την εκπεμπόμενη ισχύ.58 3.4.2.2 Υπολογισμός φορτίου βασιζόμενος στο throughput 58 3.5 ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΔΟΧΗΣ ΚΛΗΣΕΩΝ (Admission control algorithms).59 3.5.1 αλγόριθμοι αποδοχής κλήσεων στην κάτω ζεύξη...60 3.5.1.1 διαθέσιμοι κώδικες....60 3.5.1.2 διαθέσιμη ενέργεια....62 3.6 HANDOVER.......71 3.6.1 Hard Handover.....71 3.6.2 Soft Handover.....71 3.6.3 Softer Handover.....72 3.6.4 Παράδειγμα handover για το Downlink...72 3.7 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΟΥ RADIO TRANSMISSION...73 3.7.1 Διαθέσιμη vs απαιτούμενη χωρητικότητα 73 3.7.2 Path loss....73 3.7.3 Shadowing....74 3.7.4 Multi-Path Propagation....74 3.7.5 Διασπορά χρόνου.. 76 3.8 RAKE RECEIVER.. 77 3.9 DIVERSITY.... 78 3.9.1 Space diversity.. 78 3.9.2 Frequency diversity.. 78 3.9.3 Multipath diversity...78 3.9.4 Macro diversity.....79 3.10 ΑΝΕΥΡΕΣΗ ΛΑΘΩΝ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗ.....79 3.10.1 Channel coding...79 3.10.2 Block coding.. 79 3.11 AIR INTERFERENCE CHARACTERIZATION 80 3.12 CELL PLANNING.....83 3.12.1 Κατηγορίες κυψελών.. 86 3.12.2 βασικά βήματα στη διαδικασία σχεδιασμού κυψελωτού δικτύου 87 3.13 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΘΕΣΗΣ ΧΡΗΣΤΗ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ WCDMA..89

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΚΛΑΣΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΤΥΧΑΙΑ ΚΙΝΗΣΗ 4.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΤΥΧΑΙΑΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΜΕΜΙΑ ΜΟΝΟ ΥΠΗΡΕΣΙΑ......92 4.2 ΣΤΑΤΙΚΗ ΑΝΕΞΑΡΤΗΣΙΑ-ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΙΣΟΡΟΠΙΑ 95 4.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΤΥΧΑΙΑΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΜΕ s ΥΠΗΡΑΣΙΕΣ..98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Υπολογισμός πιθανότητας απώλειας κλήσεως κλήσεων στην κάτω ζεύξη μιας κυψέλης WCDMA δικτύου 5.1 ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ.101 5.2 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ SOFT BLOCKING PROBABILITY... 109 5.3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ SOFT BLOCKING PROBABILITIES ΕΞΑΡΤΩΜΕΝΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΝΕΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 114 5.4 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΩΝ ΜΠΛΟΚΑΡΙΣΜΑΤΟΣ ΚΛΗΣΕΩΝ 117 5.5 Η ΔΥΣΚΟΛΙΑ-ΑΝΑΔΡΟΜΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ.124 5.6 ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ.....126

Κατάλογος Σχημάτων Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.1 Κατανομή συχνοτήτων σε διάφορες χώρες παγκοσμίως. Σχήμα 1.2 ζώνες συχνοτήτων για GSM και IMT-2000 σε Ευρώπη και Αμερική Σχήμα 1.3 Η εξέλιξη των τεχνολογιών κινητής τηλεφωνίας Σχήμα 1.4 Πολιτική διάθεσης εύρους ζώνης σε συστήματα WCDMA Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.1 Μια ομάδα γειτονικών κυψελών για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη μιας γεωγραφικής περιοχής. Σχήμα 2.2Α Μια τυπική εκδοχή Σταθμού Βάσης (B.S.) Σχήμα 2.2Β Μια τυπική εκδοχή Σταθμού Βάσης (B.S.) Σχήμα 2.3 Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση στο πεδίο της συχνότητας Σχήμα 2.4 Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση στο πεδίο του χρόνου. Σχήμα 2.5 Αναπαράσταση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA Σχήμα 2.6 Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης CDMA Σχήμα 2.7 Αναπαράσταση του τρόπου κατανομής της ισχύος σε τεχνική CDMA. Σχήμα 2.8 Τρόπος λειτουργίας της τεχνικής frequency division duplex Σχήμα 2.9 Τρόπος λειτουργίας της τεχνικής time division duplex Σχήμα 2.10 Διαδικασία παραγωγής τελικού σήματος προς μετάδοση Σχήμα 2.11 Διαδικασία εκπομπής και λήψης σήματος στο πεδίο της συχνότητας. Σχήμα 2.12 Αναπαράσταση σήματος πριν και μετά τη διαδικασία του spreading. Σχήμα 2.13 Διαδικασία spreading και dispreading στα δεδομένα του χρήστη. Σχήμα 2.14 Αρχή λειτουργίας δέντρου για παραγωγή των OVSF κωδικών. Σχήμα 2.15 Ένα πλήρες δέντρο ορθογώνιων κωδικών. Σχήμα 2.16 Αναλογία bit period με cheap period. Σχήμα 2.17 Γενικό διάγραμμα παραγωγής ενιαίου σήματος εκπομπής από τον BS και λήψης του. Σχήμα 2.18 Αναλυτικό διάγραμμα παραγωγής ενιαίου σήματος εκπομπής από τον BS Σχήμα 2.19 Διαδικασία ανάκτησης τελικού σήματος στο δέκτη. Το λαμβανόμενο σήμα στην είσοδο του demodulator περιέχει σήματα από πολλούς χρήστες. Σχήμα 2.20 Σχηματική αναπαράσταση σε διαγράμματα του τρόπου με τον οποίο το σήμα που φτάνει στον δέκτη αποτελείται από πολλαπλά εκπεμπόμενα σήματα χρηστών. Σχήμα 2.21 Απεικόνιση σε διάγραμμα της διαδικασίας ανάκτησης του επιθυμητού σήματος από κάποιον χρήστη. Σχήμα 2.22 Αναπαράσταση σήματος πριν και μετά τη διαδικασία του spreading.

Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.1 Γενική αρχιτεκτονική UMTS δικτύου. Σχήμα 3.2 Αρχιτεκτονική UTRAN Σχήμα 3.3 Εκπομπή και λήψη σήματος στην κάτω ζεύξη. Σχήμα 3.4 Εκπομπή και λήψη σήματος στην άνω ζεύξη Σχήμα 3.5 Σχηματική αναπαράσταση των τεχνικών power control. Σχήμα 3.6 Περιοχή δράσης της κάθε τεχνικής Power control. Σχήμα 3.7 Διαφορές του open με το closed loop power control. Σχήμα 3.8 Απεικόνιση των διακυψελικών παρεμβολών σε άνω και κάτω ζεύξη Σχήμα 3.9 Πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής με χρήση του user count-based αλγόριθμου αποδοχής κλήσεων. Σχήμα 3.10 Πιθανότητα λανθασμένης απόρριψης με χρήση του user count-based αλγόριθμου αποδοχής κλήσεων. Σχήμα 3.11 Χρονοδιάγραμμα με την μέση τιμή εκπεμπόμενης ισχύος για φορτίο μεσαίας τιμής και με Τ=1s Σχήμα 3.12 Χρονοδιάγραμμα με την μέση τιμή εκπεμπόμενης ισχύος για φορτίο μεσαίας τιμής και με Τ=50s Σχήμα 3.13 Χρονοδιάγραμμα με την μέση τιμή εκπεμπόμενης ισχύος για μεγάλο φορτίο και με Τ=1s Σχήμα 3.15 Χρονοδιάγραμμα με την μέση τιμή εκπεμπόμενης ισχύος για μεγάλο φορτίο και με Τ=50s Σχήμα 3.15 Διάγραμμα πιθανότητας αποδοχής κλήσεων για διαφορετικά φορτία και μέγιστε τιμές εκπεμπόμενης ισχύος Σχήμα 3.16 Ρυθμός λανθασμένων πακέτων για διαφορετικά φορτία και μέγιστε τιμές εκπεμπόμενης ισχύος Σχήμα 3.17 Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας soft handover Σχήμα 3.18 Path loss και εξάρτησή του από την απόσταση d Σχήμα 3.19 Σχηματική απεικόνιση του multipath propagation Σχήμα 3.20 Σχηματική απεικόνιση του multipath propagation Σχήμα 3.21 Το φαινόμενο της διασποράς χρόνου. Σχήμα 3.22 Block διάγραμμα ενός RAKE RECEIVER Σχήμα 3.23 Αρχή λειτουργίας του block coding Σχήμα 3.24 Αθροιστική συνάρτηση κατανομής του αριθμού των active χρηστών Ν Σχήμα 3.25 Κατανομή των χρηστών που εκπέμπουν ταυτόχρονα (για activity factor a=0.5) Σχήμα 3.26 Κατανομή των χρηστών που εκπέμπουν ταυτόχρονα (για activity factor a=0.1) Σχήμα 3.27 Διαδοχικά βήματα για το cell planning Σχήμα 3.28 Υπολογισμός θέσης του χρήστη. Σχήμα 3.29 Υπολογισμός θέσης χρήστη με χρήση 3 ων BS. Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.1 Μαρκοβιανή αλυσίδα για μία μόνο υπηρεσία Σχήμα 4.2 Διάγραμμα καταστάσεων για 2 υπηρεσίες.

Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.1 Κυψελωτό δίκτυο επικοινωνίας και διαίρεσή του σε υποπεριοχές Σχήμα 5.2 Μαρκωβιανή αλυσίδα για 2 υπηρεσίες Σχήμα 5.4 Διαδικασία υπολογισμού του E[ S ( n )] Σχήμα 5.5 Μαρκωβιανή αλυσίδα για πιθανότητα άφιξης στην κατάσταση j x x Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.1 μέθοδος υπολογισμού χωρητικότητας από call blocking probabilities. Σχήμα 6.2 1 ο σενάριο για spatial traffic distribution ο Σχήμα 6.3 2 σενάριο για spatial traffic distribution Σχήμα 6.4 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 0.4/0.6/0.8 Σχήμα 6.5 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 0.5/0.5/0.5 Σχήμα 6.6 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 0.3/0.5/0.7 Σχήμα 6.7 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 0.5/0.7/0.9 Σχήμα 6.8 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 0.6/0.75/0.85 Σχήμα 6.9 Υπολογισμός χωρητικότητας για activity 1/0.6/0.8 Σχήμα 6.10 Σύγκριση call blocking probability για 2 διαφορετικά σενάρια της spatial traffic distribution Σχήμα 6.11 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του παράγοντα ορθογωνοποίησης. Σχήμα 6.12 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του standard deviation του Eb / N 0. Σχήμα 6.13 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του standard deviation του Sy. Σχήμα 6.14 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του orthogonality factor Σχήμα 6.15 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του Standard deviation του Eb / N 0 Σχήμα 6.16 Μεταβολή της χωρητικότητας μιας κυψέλης συναρτήσει του standard deviation του Sy.

Κατάλογος Πινάκων Κεφάλαιο 2 ο Πίνακας 2-1 Σύγκριση μεταξύ DS, FH και TH Spread Spectrum τεχνικών Πίνακας 6.1. Παράμετροι υπηρεσιών. Πίνακας 6.2 Παράμετροι συστήματος Κεφάλαιο 6 ο

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Στα τέλη του 20 ου αιώνα άρχισε να έχει ραγδαία ανάπτυξη η ασύρματη επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων, οι οποίοι αγκάλιασαν αυτήν την τεχνολογία και την ώθησαν στην άνθιση που παρουσιάζει η κινητή επικοινωνία στις μέρες μας. Για την επικοινωνία των χρηστών χρησιμοποιούνται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μπορούν να μεταδώσουν ένα σήμα σε μεγάλη απόσταση. Οι ρίζες των κινητών τηλεφώνων εντοπίζονται ήδη από το δεύτερο μισό του 18ου αιώνα, όταν άρχισαν να ξεπηδούν τεχνολογίες κι εφευρέσεις όπως το τηλέφωνο, ο τηλέγραφος ή η ανακάλυψη και μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων [18]. Τα ονόματα μεγάλων και πρωτοπόρων, όπως του Alexander Graham Bell, του Marconi, του Herz 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 τηλέφωνο,ωστόσο 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, τόσος ώστε να είναι ικανός να εκπέμπει σε απόσταση περίπου 70 χιλιομέτρων, πράγμα που σήμαινε ότι δεν μπορούσε ο καθένας να χρησιμοποιήσει τα ραδιοτηλέφωνα, καθώς δεν υπήρχαν αρκετά κανάλια επικοινωνίας. Με μια επιστροφή πίσω στις πρώτες σπίθες της τεχνολογικής αυτής επανάστασης, γυρίζουμε στον Alexander Graham Bell, ο οποίος επινόησε το τηλέφωνο, επιχειρώντας να ξεπεράσει τις δυνατότητες του τηλέγραφου[14]. Ο τελευταίος αποτελούσε μια διάταξη που αναπτύχθηκε κι εξελίχθηκε κατά το 1838 από τον Morse (Samuel Finley Breese Morse, 1791-1872) και ήταν δυνατόν να μεταφέρει μόνο σήματα. Επιχειρώντας να μεταδώσει τη φωνή λοιπόν, ο Bell οδηγήθηκε στο τηλέφωνο, κατά το 1876. Επόμενος σημαντικός σταθμός ήταν το 1885, όταν ο 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 Nicola Tesla, ο οποίος αναγνώρισε την ύπαρξή τους, που είναι η 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. Στην ιστορική αναδρομή που ακολουθεί μπορούμε να χωρίσουμε τον χρόνο σε γενιές όπου η κάθε μία έχει τα δικά της χαρακτηριστικά. 1.2 Η 0 Η ΓΕΝΙΑ (0G) 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 ιδιωτική γραμμή που συνέδεε το Teltow, προάστιο του Βερολίνου, με την Saxony Anhalt πόλη Lichterfelde. Πλέον, το 1926, κάθε ταχύ τρένο που εκτελούσε το δρομολόγιο Αμβούργο Βερολίνο ήταν εξοπλισμένο με σύστημα κινητής τηλεφωνίας, ενώ από διάφορες στατιστικές προκύπτουν κατά μέσο όρο 40 τηλεφωνικές κλήσεις την ημέρα, κατά την περίοδο 1926-1927. 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 μια κλήση, 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 καλώδια. Κεραίες ύστερα μετέδιδαν το σήμα σε τηλεφωνικές γραμμές, οι οποίες βρίσκονταν δίπλα στις σιδηροτροχιές. Ακολούθως, χειροκίνητοι διακόπτες μετέδιδαν τη σύνδεση στο σταθερό τηλεφωνικό δίκτυο [14]. Τα πρώτα συστήματα κινητής τηλεφωνίας εξυπηρετούσαν πολύ λίγους χρήστες καθώς διέθεταν μικρό αριθμό καναλιών αλλά είχαν και πολύ μεγάλες απαιτήσεις σε ισχύ. Η ισχύς εκπομπής από το σταθμό βάσης μπορεί να ξεπερνούσε και τα 200 Watt!. Το πρώτο τέτοιο εγκατεστημένο σύστημα σε αυτοκίνητο ήταν το MTS (Mobile Telephone Service) και ακολούθησε το IMTS. Στην Ευρώπη υπήρχε από το 1958 το German-A Network και από το 1972 η εξέλιξη του, το German-Β Network, το οποίο κατάφερε να διπλασιάσει τους συνδρομητές. Χρησιμοποιούσε FM διαμόρφωση και δούλευε στις συχνότητες από 154 MHz ως 177 MHz. Ο αναλογικός όπως λέγεται, αυτός ο τύπος δικτύων κινητής τηλεφωνίας άρχισε από τότε να εμφανίζεται κι επέζησε ως και τις αρχές περίπου της δεκαετίας του 90, όταν κι η ψηφιακή εποχή άρχισε να εδραιώνεται. 1.3 Η 1 Η ΓΕΝΙΑ (1G) Στην 1η γενιά έχουμε τα αναλογικά δίκτυα. Χρονικά μπορούμε να την τοποθετήσουμε από τα τέλη της δεκαετίας του 70 μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 90. Κοινό χαρακτηριστικό αυτής της γενιάς είναι ότι ο κάθε σταθμός βάσης κάλυπτε μια μεγάλη περιοχή (μπορεί και πάνω από 100 Km) και εξέπεμπε με μεγάλη ισχύ ανά κανάλι. Οι κινητοί σταθμοί (Mobile Station) έπρεπε και αυτοί να εκπέμπουν με μεγάλες ισχύς, άρα να έχουν μεγάλο όγκο. Για το λόγο αυτό ήταν συνήθως εγκατεστημένοι πάνω σε αυτοκίνητα. Ενδεικτικά αναφέρονται μερικά από τα δίκτυα

τεχνολογίες, της γενιάς αυτής: C-450, AMPS, TACS, NMT, NTT, SACS, RT MI, C-NET. Πιο συγκεκριμένα: 1.3.1 C-450 Το C-450 ή αλλιώς C-Network ήταν ένα από τα πρώτα κυψελοειδή δίκτυα και εντοπίζονταν στη Γερμανία, Πορτογαλία και Νότιο Αφρική. Αποτελούσε το πρώτο σύστημα με αλληλοεφαπτόμενες κυψέλες. Για πρώτη φορά μπορούσε ο χρήστης να μεταφέρεται από τη μια κυψέλη στην άλλη, χωρίς να διακόπτεται το σήμα του. (βλ. Κυψελοειδής Τεχνολογία). Για λόγους μειωμένης χωρητικότητας, το δίκτυο αυτό δεν κράτησε για μεγάλο χρονικό διάστημα. Κατά το 1993, το απόλυτο νούμερο χωρητικότητας έφτασε τους 850000 συνδρομητές. 1.3.2 AMPS Το AMPS (Advanced Mobile Phone System) αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ από τα εργαστήρια Bell στα μέσα της δεκαετίας του 70 και δοκιμάστηκε για πρώτη φορά στο Σικάγο, το 1977. Ήταν κατάλληλο για τη μετάδοση φωνής, λειτουργούσε σε συχνότητες 800 MHz (συγκεκριμένα, στο εύρος των 824-894MHz) [19], με τεχνολογία FDMA (Frequency Division Multiple Access), κι είχε πιο ευρύ φάσμα καναλιών μετάδοσης. Μια πιο εξελιγμένη έκδοση του AMPS αποτέλεσε λίγο αργότερα το NAMPS (Narrowband AMPS), το οποίο ενσωμάτωνε κάποια ψηφιακή τεχνολογία προκειμένου να επιτρέψει στο σύστημα να αυξήσει τη χωρητικότητά του. Έτσι, μπορούσε να έχει 3 φορές περισσότερες κλήσεις από το αρχικό AMPS. Το NAMPS χρησιμοποιούσε ψηφιακή τεχνολογία, αλλά κατά βάση ήταν αναλογικό. 1.3.3 TACS Το σύστημα αυτό αποτελούσε μια προσαρμογή του AMPS στα ευρωπαϊκά δεδομένα, όπου ο καταμερισμός των συχνοτήτων ήταν διαφορετικός. Λειτουργούσε στα 900MHz κι έκανε την εμφάνισή του το 80 [19]. Υποστήριζε και διάφορες έξτρα υπηρεσίες, όπως πληροφορίες χρέωσης. Λίγο αργότερα, εξελίχθηκε στο ETACS και ακόμη στο NTACS, μια πιο περιορισμένης μπάντας έκδοση. Το ETACS πρόσφερε επιπλέον κανάλια, τα οποία δανείζονταν από στρατιωτικές συχνότητες. 1.3.4 NMT Το NMT (Nordic Mobile Telephone) αναπτύχθηκε το 1981 στη Σκανδιναβία, με σκοπό να προσφέρει υπηρεσίες περιαγωγής (roaming) στις χώρες αυτές, του Βορρά. Χρησιμοποιεί αναλογική τεχνολογία και μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης FDMA. Λειτουργούσε σε συχνότητα 450MHz αλλά σύντομα εξελίχθηκε στο NMT900 το 1986.

1.3.5 NTT Το NTT ήταν το πρώτο κυψελοειδές σύστημα που εγκαταστάθηκε στην Ιαπωνία, το 1979. Και αυτό, όπως και το NMT, λόγω ανεπάρκειας συχνοτήτων, έδωσε τη θέση του το 1988 σε ένα υψηλότερης χωρητικότητας σύστημα, το οποίο επέτρεπε στο σήμα να προχωρεί χωρίς να διακόπτεται η εκπομπή του, επίσης πρόσφερε πλήρη κάλυψη σε εθνικό επίπεδο, καθώς και περιαγωγή. 1.4 Η 2 η ΓΕΝΙΑ (2G) Η έλευση του ψηφιακού Τα συστήματα 2 ης γενιάς σχεδιάστηκαν για υπηρεσίες μεταφοράς φωνής, για να βελτιώσουν την παρεχόμενη ποιότητα μετάδοσης που προσέφεραν τα συστήματα πρώτης γενιάς καθώς και για να αυξήσουν την χωρητικότητα του συστήματος. Τα ψηφιακά κινητά τηλέφωνα χρησιμοποιούν την ίδια ραδιοτεχνολογία με τα αναλογικά, αλλά την διαχειρίζονται με διαφορετικό τρόπο. Τα αναλογικά συστήματα δεν αξιοποιούν πλήρως το σήμα μεταξύ της συσκευής και του κυψελοειδούς δικτύου. Στα ψηφιακά τηλέφωνα η φωνή-ήχος μετατρέπεται σε ψηφία, σε δυαδική πληροφορία (0 και 1) και στη συνέχεια συμπιέζεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να χωρούν περισσότερα κανάλια σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνότητας. Τα περισσότερα ψηφιακά συστήματα βασίζονται στη λύση μετακίνησης συχνότητας, για να αποστείλουν και να λάβουν δεδομένα. Σύμφωνα με τον τρόπο αυτό, χρησιμοποιούνται δύο συχνότητες, μια για το 0 και μια για το 1, οι οποίες εναλλάσσονται τάχιστα, για να μεταφέρουν ψηφιακές πληροφορίες μεταξύ του πύργου τηλεπικοινωνίας και του τηλεφώνου. Ιδιαίτερα έξυπνες διατάξεις διαμόρφωσης και κωδικοποίησης απαιτούνται για να μετατραπεί η αναλογική πληροφορία σε ψηφιακή, να συμπιεστεί και να μετατραπεί ξανά στην αρχική της μορφή, διατηρώντας παράλληλα μια αξιόπιστη ποιότητα στον ήχο. Βάσει όλων των διαδικασιών, τα ψηφιακά κινητά τηλέφωνα πρέπει να έχουν ιδιαίτερα υψηλή υπολογιστική ισχύ. 1.4.1 Το μεγάλο GSM Περνώντας τώρα πλέον καθαρά στη 2η γενιά, εδώ το GSM (Global System for Mobile Communications ή η υπεύθυνη επιτροπή Groupe Spéciale Mobile) αποτελεί ένα τεράστιο βήμα μπροστά και ισοδυναμεί με τον προπομπό της 3 ης γενιάς. Το GSM άρχισε να αναπτύσσεται γύρω στα μέσα της δεκαετίας του 80, με συμφωνίες χωρών για συνεργασία πλέον ήδη από τις αρχές του 90. Με την έλευση της 2ης γενιάς, το GSM ονομάστηκε Παγκόσμιο Πρότυπο Σύστημα για την κινητή τηλεπικοινωνία, κατά το 1988-89 κι καθιερώθηκε ως ένας νέος θεσμός. Σχηματίστηκε κι υποστηρίχθηκε από πολλούς φορείς του χώρου, όπως βιομηχανίες,

δίκτυα, εταιρείες παροχής υπηρεσιών κι ομάδες καταναλωτών. Για το λόγο αυτό της κοινής σύμπραξης γνώρισε και μεγάλη άνθιση. Σταθμοί στο GSM: 1990: Πρώτη φάση λειτουργίας του GSM όπου καθορίστηκαν κι οι συχνότητες λειτουργίας στα 900 MHz (GSM900) 1991: Ένα χρόνο αργότερα, εμφανίστηκε το GSM1800, επισήμως ονομαζόμενο ως Ψηφιακό Σύστημα Επικοινωνίας DCS1800, για αποφυγή νομικών προβλημάτων. Τα πρώτα συστήματα GSM εγκαθίστανται κι υποβάλλονται σε δοκιμασίες, ενώ έμφαση δίνεται στην μετάδοση της φωνής. 1992: Το GSM δούλεψε πιλοτικά και παρουσιάστηκε, ενώ ένα χρόνο μετά δόθηκε σε χρήση δημοσίως και γνώρισε εκπληκτική αποδοχή (1 εκατομμύριο συνδρομητές μέσα σε ένα χρόνο). 1993: Ξεκινά η 2 η φάση για το GSM. Ολοκληρώθηκε το 1995 και πλέον το σύστημα εμπλουτίζεται με νέες υπηρεσίες. Μια τέτοια υπηρεσία ήταν το SMS (text messaging), του οποίου η χρήση στην αρχή ήταν δυνατή μόνο μέσο του GSM, και στο τέλος μέσω όλων τον ψηφιακών δικτύων. Το πρώτο μήνυμα που δημιουργήθηκε από μηχανή στάλθηκε το 1991 στην Αγγλία. Ενώ το πρώτο person to-person μήνυμα στάλθηκε το 1993 στη Φιλανδία. Σύντομα το SMS έγινε η πιο διαδεδομένη μορφή επικοινωνίας ειδικά μεταξύ των νέων. 1994: Μια εκδοχή του GSM (Public Cellular System PCS1900) εισάγεται για πρώτη φορά στις ΗΠΑ, όπου ωστόσο τα AMPS και DAMPS θεωρούνται τα κατ εξοχήν Αμερικανικά πρότυπα στην κινητή τηλεφωνία. Όμως το GSM δεν είναι το μόνο σύστημα 2 ης γενιάς που αναπτύχθηκε. Σε διάφορες περιοχές του κόσμου έχουμε διάφορα συστήματα. Υπήρξαν αντίστοιχα και άλλα συστήματα όπως: iden, IS-95(CDMA), το Ιαπωνικό PDC (Personal Digital Cellular) και PDC-P καθώς και το Αμερικάνικο D-AMPS(TDMA) ή αλλιώς IS-136 1.4.2 PDC Το PDC λειτουργεί στα 800 και τα 1500MHz, χρησιμοποιεί την TDMA (Time Division Multiple Access) τεχνική και έχει τα εξής χαρακτηριστικά, συγκριτικά με το GSM: Αποδοχή της ποικιλίας στους Κινητούς Σταθμούς, πράγμα που καθιστά περιττούς κι ίσως άχρηστους τους εξισωτές του GSM, για το οποίο είναι αναγκαίοι. Χαμηλότερος ρυθμός μετάδοσης/ εκπομπής (4.2 Κbits/s έναντι 9.6 Κbits/s του GSM), πράγμα το οποίο οδηγεί σε καλύτερη χρησιμοποίηση του φάσματος, μεγαλύτερη χωρητικότητα και μείωση του κόστους.

Απλούστερα πρωτόκολλα σήματος τα οποία απαιτούν λιγότερες διαδικασίες. Ακόμη, στο PDC κάθε ανεξάρτητος πάροχος μπορεί να επιλέξει όποια ρύθμιση δικτύου θέλει να εφαρμόσει/ εγκαταστήσει, κατατάσσοντας κι εφαρμόζοντάς την στις δικές του ανάγκες. Επίσης, είναι δυνατή η περιαγωγή κι η σύνδεση με το σταθερό τηλεφωνικό δίκτυο, χρησιμοποιώντας συστήματα όπως PSTN, ISDN, PSPDN, χάρη σε ένα ενοποιημένο προσαρμοστικό σύστημα. 1.4.3 PDC-P Είναι η εξέλιξη του PDC και επιτρέπει την μεταγωγή πακέτων δεδομένων με ρυθμό μέχρι και 28.8Kbps. Ήταν το βασικό στάδιο πριν την εισαγωγή της υπηρεσίας του i-mode, το οποίο επιτρέπει το σερφάρισμα στο internet καθώς και την ανάγνωση μηνυμάτων από το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο. Είναι ο κύριος ανταγωνιστής των υπηρεσιών που βασίζονται στο MMS. 1.4.4 D-AMPS Ήδη έχει γίνει μια αναφορά στην τεχνολογία του Αμερικανικού AMPS και του NAMPS. Εδώ, το GSM δεν βρήκε την αντίστοιχη ανταπόκριση από τον υπόλοιπο κόσμο, κι ένας από τους λόγους ήταν ότι ο στρατός χρησιμοποιούσε ήδη τις συχνότητες των 900 και 1800 MHz. Από την άλλη, το D-AMPS υποστήριζε και αναλογική και ψηφιακή τεχνολογία (άρα και δυνατότητα χρήσης TDMA τεχνικής), κι οι ειδικοί προτιμούσαν να επεκτείνουν το ήδη υπάρχον σύστημα, παρά να ρισκάρουν να εγκαταστήσουν ένα νέο από την αρχή. Οπότε στο ήδη υπάρχων δίκτυο απλά προστέθηκαν ιδιότητες του πρωτοκόλλου 2 ης γενιάς. Χρησιμοποιεί το εύρος καναλιού του AMPS, δηλαδή 30 KHz. 1.4.5 iden Integrated Digital Enhanced Network (iden), είναι μια τεχνολογία που αναπτύχθηκε από την Motorola που προσφέρει στους χρήστες τα προνόμια της κυτταρικής τηλεφωνίας [14]. Το iden χρησιμοποιεί και αυτό Time Division Multiple Access και συμπίεση φωνής (speech compression) οπότε μπορεί να διαχειριστεί περισσότερους χρήστες ανά γεωγραφική περιοχή από ότι ένα σύστημα 1 ης γενιάς. Χρησιμοποιεί κανάλια των 25 KHz, αλλά χρησιμοποιεί μόνο τα 20 KHz, για να αποφύγει τις ενδεχόμενες παρεμβολές. Επίσης χρησιμοποιεί FDD ( Frequency Division Duplex ), για να ξεχωρίζει τα λαμβανόμενα από τα εκπεμπόμενα σήματα. 1.5.1 GPRS 1.5 ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΓΕΝΙΑ (2,5G) Αρχίζει να κυριαρχεί λοιπόν εδώ η τεχνολογία του GPRS (GeneralPacket Radio Service), που προεκτείνει τις δυνατότητες του GSM, και γι αυτό πολλές φορές

λέγεται και «GSM Φάση 2+». Το GPRS γεννήθηκε από την ανάγκη για υψηλότερη ταχύτητα δεδομένων. Το GSM, που κύριος στόχος του ήταν η μετάδοση της φωνής, μπορούσε να μεταφέρει δεδομένα σε μικρή ταχύτητα, της τάξης των 9,6 Kbit/s. Αυτό σήμαινε πως η αποστολή/λήψη δεδομένων μεγαλύτερου μεγέθους αργούσε περισσότερο, κόστιζε παραπάνω και το μέγεθος των μεταφερόμενων δεδομένων ήταν περιορισμένο. Το GPRS αλλάζει τη φιλοσοφία του GSM. Προηγουμένως, μία συχνότητα εκπομπής μοιραζόταν σε έως και 7 χρήστες και στον κάθε χρήστη παραχωρούνταν μία ολόκληρη χρονοθυρίδα. Έτσι, εκείνος στην ουσία δέσμευε ένα ολόκληρο κανάλι μετάδοσης για την πλήρη διάρκεια της σύνδεσής του, ακόμη κι αν δεν μετέδιδε δεδομένα. Έτσι, με το GPRS ο σκοπός ήταν να ξεπεραστεί αυτή η αδράνεια στις χρονοθυρίδες τοποθετώντας μερικούς χρήστες σε ένα κανάλι μετάδοσης την ίδια χρονική στιγμή. Το GPRS αποδεικνύεται όχι μόνο πιο γρήγορο (171.2 Kbps) κι αξιόπιστο αλλά και πιο οικονομικό, τόσο για τον παροχέα όσο και για τον καταναλωτή. Γιατί, σε αντίθεση με το συμβατικό GSM βάσει κυκλωμάτων, στο GPRS ο χρήστης δεν χρεώνεται για την όλη σύνδεση, αλλά μόνο για τα πακέτα που στέλνει. Η διαμόρφωση του παλιού GSM δίκτυο στο λεγόμενο Packet-Switched GPRS είναι πολύ απλή, ενώ αντίθετα, πρέπει να υπάρχουν ειδικές συσκευές που να υποστηρίζουν το GPRS. Συνοψίζοντας στο GPRS: Είναι δυνατή η μετάδοση μεγάλων μερών δεδομένων σε σύντομο χρόνο Το κόστος του συνδρομητή μειώνεται Παρέχεται άμεση πρόσβαση σε Internet και Intranet Μπορούν να αποσταλούν δεδομένα σε έναν ή περισσότερους αποδέκτες ταυτόχρονα Συγχρόνως, το GPRS ανοίγει το δρόμο για το UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), της 3 ης γενιάς. Αν και ο απόγονος του GPRS, το EDGE με ρυθμούς της τάξης των 384 Kbps, θα είναι ο κύριος ανταγωνιστής του UMTS στα δίκτυα 3 ης γενιάς. 1.5.2 HSCSD Μια ακόμη τεχνολογία σε αυτήν την περίοδο είναι και το HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), μια επέκταση του δικτύου GSM αποκλειστικά για τη μετάδοση δεδομένων σε μεγάλες ταχύτητες. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο, πραγματοποιήθηκε ένα τέχνασμα: η δημιουργία δεσμίδας καναλιών. Εδώ παρέχονται στον χρήστη μερικά κανάλια ταυτόχρονα, ενώ παράλληλα βελτιώθηκε ο αλγόριθμος μεταφοράς, έτσι ώστε τα 9,6 Kbits/s να αυξηθούν στα 14,4 Kbit/s τα δεδομένα που μπορούν να περάσουν από το κανάλι. Κι εφ όσον μπορούν να διακινηθούν σε ένα κανάλι τελικά μπορεί να πετύχει μέγιστη απόδοση στην τάξη των 43,2 Kbit/s. Το HSCSD ωστόσο δεν αντιτίθεται στο GPRS, αν και το πρώτο δεν απαιτεί ιδιαίτερη αναβάθμιση στο δίκτυο, αφού χρησιμοποιεί την υπάρχουσα δομή του. Δε αντιτίθεται

στο GPRS, διότι αν ο χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει συγχρόνως και τις δύο τεχνολογίες, μπορεί να πετύχει πολύ υψηλές αποδόσεις και ταχύτητες. 1.6 Η 3 η ΓΕΝΙΑ (3G) Η δουλειά για την εξέλιξη της 3 ης γενιάς άρχισε όταν η World Administrative Radio Conference (WARC) της ITU (International Telecommunication Union) στη συνάντηση που είχε το 1992 αποφάσισε να χρησιμοποιήσει τις αδιάθετες μέχρι τότε συχνότητες (στην Ευρώπη) στην περιοχή του 2 GHz, για ένα σύστημα της 3 ης γενιάς τα οποία ονόμασε International Mobile Telephony 2000 (IMT-2000). Ο λόγος που επιλέχθηκε αυτή η ονομασία ήταν διπλός. Αφ ενός επειδή ήλπιζαν ότι η εμπορική του εφαρμογή θα αρχίσει το 2000, αφ ετέρου επειδή θα χρησιμοποιούσαν ανώτερες συχνότητες, γύρω στα 2000MHz (συγκεκριμένα 1885-2025 για uplink και 2110-2200 MHz για downlink). Όμως ο στόχος ενός ενιαίου παγκόσμιου συστήματος δεν μπορούσε να γίνει πραγματικότητα καθώς μέρος αυτών των συχνοτήτων χρησιμοποιούνταν ήδη στην Αμερική από τα συστήματα δεύτερης γενιάς [8],[11]. Το ίδιο συνέβαινε και σε μερικές άλλες χώρες που χρησιμοποιούσαν τα πρότυπα της Αμερικής (π.χ. Βραζιλία). Όπως βλέπουμε και από το σχήμα 1.1 που ακολουθεί ένα μεγάλο μέρος από τις συχνότητες που θα χρησιμοποιούσε ο υπόλοιπος κόσμος για το uplink του συστήματος 3 ης γενιάς ήταν κατειλημμένο στην Αμερική και στις όμορες χώρες από το downlink του συστήματος PCS από τη δεύτερη γενιά. Οπότε καθώς η Αμερική δεν μπορούσε να ακολουθήσει χάραξε το δικό της δρόμο για σύστημα 3 ης γενιάς με το CDMA-2000 όπου και χρησιμοποιούσε τις συχνότητες που φαίνονται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.1 Κατανομή συχνοτήτων σε διάφορες χώρες παγκοσμίως.

Σχήμα 1.2 Zώνες συχνοτήτων για GSM και IMT-2000 σε Ευρώπη και Αμερική Εφ όσον η μετάδοση φωνής και δεδομένων σε μικρές ταχύτητες ήταν κάτι το αυτονόητο, πλέον, οι στόχοι εντοπίζονται στη μετάδοση δεδομένων σε μεγάλη ταχύτητα και σε υπηρεσίες πολυμέσων (multimedia), όπως ζωντανή μετάδοση ήχου, εικόνας, βίντεο κ.λ.π. ξεπερνώντας κατά πολύ τα ήδη προηγμένα GPRS και HSCSD. Ένας ακόμα βασικός στόχος ήταν η ποιότητα της μεταδιδόμενης φωνής να είναι αντίστοιχη με αυτή της σταθερής τηλεφωνίας. Το πρόβλημα της συνεχούς αύξησης συνδρομητών σύντομα θα μπορούσε να φέρει κορεσμό στη χωρητικότητα των ήδη υπαρχόντων δικτύων, ή ακόμα και μπλοκάρισμα, σε περίπτωση αυξημένης κίνησης (πολλοί χρήστες την ίδια στιγμή). Το IMT-2000 δεν θα αποτελεί ένα συγκεκριμένο κοινά αποδεκτό σύστημα αλλά μια οικογένεια συστημάτων, τα οποία θα συνεργάζονται και θα έχουν πλήρη συμβατότητα μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, οι στόχοι του όλου εγχειρήματος εντοπίζονται στους εξής: Παγκόσμια πρόσβαση σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα κινητής τηλεφωνίας. Πλήρης συμβατότητα μεταξύ των μελών της οικογένειας του IMT-2000 Προς τα κάτω συμβατότητα (δηλαδή μπορούν να «κινηθούν» κι οι παλαιότερες συσκευές χωρίς προβλήματα στα νέα δεδομένα). Σύγκλιση μεταξύ των δικτύων κινητής και σταθερής τηλεφωνίας. Μεγάλο εύρος για τις υπηρεσίες τηλεπικοινωνίας (φωνή, δεδομένα, multimedia, internet). Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων.

Ενσωματωμένη ασφάλεια με μεγάλες επιδόσεις και για τα τέσσερα σχετικά περιβάλλοντα ( ενδοκτιριακά, αστικά, ημιαστικά, παγκόσμια ), τα οποία απαιτούν τη λειτουργία διαφορετικών τύπων κυψελών. Οι τεχνολογίες που θα υποστηρίζονται θα εξαρτώνται από την εξέλιξη και την πρόοδο που έχει κάνει η κάθε χώρα στο τομέα της κινητής τηλεπικοινωνίας. Ωστόσο δύο είναι οι βασικές οδοί που μπορεί να ακολουθήσει κανείς: το UMTS και το CDMA2000. Με το UMTS, ακολουθείται η εξέλιξη μέσω GSM/ HSCSD/ GPRS, προαιρετικά μέσω της εναλλακτικής οδού του EDGE κάνοντας χρήση της WCDMA τεχνολογίας. Ή διαφορετικά μέσω του TD-SCDMA συνδυάζοντας την CDMA/ TDMA τεχνολογία με το TDD. Σχήμα 1.3 Η εξέλιξη των τεχνολογιών κινητής τηλεφωνίας Στο παραπάνω σχήμα 1.3 βλέπουμε μερικές από τις βασικές μεταβάσεις μεταξύ των γενεών που περιγράψαμε για την κινητή επικοινωνία. Και σε αυτό το σχήμα ξεχωρίζουμε ότι ενώ ο υπόλοιπος κόσμος έχει συγκλίνει στην οικογένεια UMTS με τα συστήματα WCDMA και TD-SCDMA, η Αμερική έχει μια ανεξάρτητη πορεία. EDGE Το EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) αποτελεί ένα νέο βήμα προς την Τρίτη γενιά. Τα δεδομένα που μπορούν να διακινηθούν φτάνουν τα 384

Κbit/s (=48kbit/s per channel) προσφέροντας 8 ενωμένα κανάλια για τον κάθε συνδρομητή. Τα οφέλη αντίστοιχα για τον παροχέα και τον χρήστη είναι: ΠΑΡΟΧΟΣ Δεν τίθεται έντονη ανάγκη για νέα στοιχεία δικτύου. Διατηρείται χαμηλό ρίσκο σε επενδύσεις χάρη στη διπλή φύση GSM/ EDGE. Ο δρόμος της εξέλιξης είναι σχετικά ομαλός (υποστηρίζονται ίδιες υπηρεσίες με το GPRS, αλλά με τη χρήση του φάσματος του GSM, και μάλιστα σε μεγαλύτερες ταχύτητες). Σημαντικό συμπλήρωμα στο UMTS (επίσης σε ευρωπαϊκές άδειες UMTS που μπορεί να εφαρμόζουν το UMTS και σε αγροτικές περιοχές, πέρα των αστικών) ΧΡΗΣΤΗΣ Νέες εφαρμογές multimedia. Γρήγορη πρόσβαση και υψηλής ταχύτητας διακίνηση δεδομένων. Βελτιωμένη ποιότητα φωνής. Το EDGE μπορεί να ανήκει στην 3 η γενιά ωστόσο αποτελεί μια απλή διαμόρφωση του δικτύου του GPRS, και είναι ένας προοιωνός του UMTS( Universal Mobile Telecoμmunication System ). Το UMTS είναι το Ευρωπαϊκό πρότυπο για τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τρίτης γενιάς στα κινητά. Μέσα στην οικογένεια του UMTS περιλαμβάνεται το ήδη αναφερθέν IMT-2000. Ακολουθώντας την αρχή του να έχει ο χρήστης οπουδήποτε κι αν βρίσκεται εξελιγμένες υπηρεσίες, στην τρίτη γενιά θα υποστηρίζονται πολύ τα πολυμέσα (παιχνίδια, online shopping, πρόσβαση στο Internet κτλ). Στηρίζεται στο GSM δίκτυο, και το χρησιμοποιεί ως βάση για τα νέα πρωτόκολλα του. Έτσι υπάρχει η παρουσία και οι δυνατότητες του GSM, του GPRS, του HSCSD και του CAMEL (Customized Applications for Mobile Enhanced Logic). Το UMTS χρησιμοποιεί δύο κύριες τεχνολογικές καταστάσεις εκπομπής. Αυτές είναι οι λεγόμενες Frequency Division Duplex και η Time Division Duplex που θα αναλύσουμε περισσότερο σε επόμενο κεφάλαιο. 1.6.1 W-CDMA Το Wideband CDMA (WCDMA) αποτελεί μια μεγάλη βελτίωση των τεχνολογιών TDMA και FDMA που λειτουργούν στο GSM. Προσφέρει μεταφορά δεδομένων της τάξης των 384 Κbits/s για κάλυψη ευρείας περιοχής και 2 Mbit/s για τοπική [14],[8]. Όπως και στο CDMA, κάθε σήμα του χρήστη κωδικοποιείται ξεχωριστά. Οι χρήστες μπορούν να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα ένα και μόνο κανάλι συχνότητας χωρίς να παρεμβάλλεται ο ένας στον άλλο εξ αιτίας της μοναδικής κωδικοποίησης που έχει υποστεί το κάθε σήμα. Έτσι, προσφέρεται περίπου 25 φορές μεγαλύτερο εύρος ζώνης, συγκριτικά με το GSM.

time Different users Frame frequency Frequency Σχήμα 1.4 Πολιτική διάθεσης εύρους ζώνης σε συστήματα WCDMA Το παραπάνω σχήμα μας δείχνει περιληπτικά τη λειτουργία του WCDMA. Βλέπουμε ότι όλοι οι χρήστες χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα για να εκπέμψουν τα δεδομένα τους. Διαχωρίζονται όμως μεταξύ τους λόγω των διαφορετικών κωδικών. Επίσης στο σχήμα βλέπουμε ότι ανάλογα με την υπηρεσία που χρησιμοποιεί ο κάθε χρήστης υπάρχουν διαφορετικές χρονικές περίοδοι που είναι ενεργός και εκπέμπει και άλλες περίοδοι όπου είναι ανενεργός χωρίς να εκπέμπει δεδομένα. Στο πλήρως ψηφιακό σύστημα CDMA και WCDMA τα δεδομένα που πρόκειται να αποσταλούν «σπάνε» σε πολύ μικρά «πακέτα», στα οποία τους προσδίδεται ένας κωδικός. Από πλευράς ορολογίας, υπάρχει ο όρος chip. Το chip είναι η μικρότερη μονάδα υψηλού ποσοστού κωδικοποιημένης ακολουθίας. Όταν λοιπόν στέλνεται ένα σήμα, έχει προηγουμένως χωριστεί σε μικρότερα κομμάτια στα οποία τους έχει δοθεί αυτός ο μοναδικός κωδικός, κι ύστερα στέλνονται στις ραδιοσυχνότητες του δικτύου. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό διακίνησης των chips, τόσο μεγαλύτερο το εύρος του σήματος που καταλήγει. Το εύρος σε κάθε συχνότητα μπορεί να φτάσει τα 3,84 Mchips/s κι έτσι το εύρος ζώνης κάθε συχνότητας μπορεί να διευρυνθεί/ επεκταθεί σε 5 MHz στο W-CDMA, συγκριτικά με τα 200kHz στα συστήματα 2 ης γενιάς. Όσο μεγαλύτερο είναι λοιπόν το εύρος ζώνης, τόσο πιο πολλά οφέλη απόδοσης έχει και τόσο μεγαλύτερο ποσοστό δεδομένων μπορεί να υποστηρίξει. 1.6.2 TD-SCDMA Προκύπτει από τα αρχικά των λέξεων Time Division Synchronous Code Division Multiple Access και υποστηρίζει όλους τους τύπους εφαρμογών (φωνή και δεδομένα). Το σύστημα αυτό συνδυάζει τις ήδη αναφερθείσες τεχνολογίες του Time Division Multiple Access (TDMA) του GSM και του Time Division Duplex (TDD) του UMTS. Το αποτέλεσμα είναι να βελτιώνεται κατά πολύ η κίνηση του δικτύου και στις δύο κατευθύνσεις, στο uplink και στο downlink. Ακόμη, η συνεργασία με την τεχνολογία του CDMA, προσφέρει στο TD-SCDMA μοναδικές δυνατότητες σε ιδιαίτερες χωρητικότητες. Έτσι, μέσω της τεχνολογίας TDD στο TD-SCDMA, η κίνηση δεδομένων γίνεται μέσω της ίδιας συχνότητας (μπάντας συχνοτήτων), αλλά σε διαφορετικές χρονοθυρίδες.

Ακόμη, το TD-SCDMA μπορεί να διαχειριστεί και να διεκπεραιώσει υπηρεσίες τόσο συγχρονισμένες circuit-switched (ήχος ή βίντεο που ονομάζονται synchronous ή symmetric υπηρεσίες), όσο κι ασύγχρονες packet-switched (όπως η σύνδεση στο internet, που καλούνται asynchronous ή asymmetric) Πλεονεκτήματα του TD-SCDMA Επαναχρησιμοποίηση των πηγών και της υποδομής του GSM Δεν υπάρχει η ανάγκη για μεγάλες επενδύσεις σε υποδομή. Το GSM αναβαθμίζεται στην 3η γενιά με μειωμένα ρίσκα επενδύσεων Καλύτερη αποδοτικότητα του φάσματος και βελτιωμένη χωρητικότητα από το GSM 1.7 ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΕΠΕΙΤΑ. Οι ιδέες κι οι προτάσεις διαδέχονται η μια τη άλλη, κι οι τεχνολογίες εξελίσσονται. Οι τεχνολογίες 4G αποτελούν τις νεότερες τεχνολογίες κινητής επικοινωνίας, που αναμένονται εμπορικά γύρω στο 2015 και θα παρέχουν τη δυνατότητα ασφαλών και αξιόπιστων «οικουμενικών» (ubiquitous, δηλ. παντού και πάντα διαθέσιμων) υπηρεσιών σε χρήστες περιορισμένης ή και μεγάλης κινητικότητας [11]. Οι τεχνολογίες αυτές έχουν δύο βασικές συνιστώσες: 1. Τις «ραδιο-τεχνολογίες B3G» (ή τεχνολογίες μετάδοσης σήματος) 2. Τις «υπηρεσίες B3G», δηλ. τις εφαρμογές που παρέχονται στον τελικό χρήστη Οι «Ραδιο-τεχνολογίες B3G» αναμένεται να έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης από την 3G, με κορύφωση (peak) τα 20-200 Mbps. Καλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιμου φάσματος και μικρότερο κόστος ανά bit. Προσαρμογή φυσικής και λογικής πρόσβασης (physical & MAC interface) που ελέγχεται από λογισμικό (software controlled radios) και βελτιστοποιείται για IP κυκλοφορία, με χρήση του πρωτοκόλλου IPv6 (all IPv6 δίκτυα μεταφοράς) και εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσιών (QoS), που σχετίζονται με βέλτιστη χρήση του φάσματος και της μπαταρίας, ανάλογα με τα δεδομένα του δικτύου και τις απαιτήσεις του χρήστη. Μικρότερες κυψέλες (cells), για την επίτευξη των ζητούμενων μεγαλύτερων ρυθμών μετάδοσης, για τον ίδιο πληθυσμό. Υψηλότερες χρησιμοποιούμενες συχνότητες (μέχρι 5 GHz), με εύρος ζώνης ραδιοσυχνοτήτων (RF) ανά κανάλι 20~100 MHz. Χρησιμοποίηση πολλαπλών κεραιών, τόσο στους σταθμούς βάσης όσο και στις κινητές συσκευές, με χρήση του πρωτοκόλλου ορθογώνιας πολυπλεξίας συχνότητας, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), αλλά και άλλων μεθόδων.

Εναρμονισμός του χρησιμοποιούμενου φάσματος σε παγκόσμια βάση (επιθυμητό). Οι «Υπηρεσίες B3G» σχεδιάζονται με τα εξής επιθυμητά χαρακτηριστικά: Υποστήριξη ευρυζωνικότητας και πολυμεσικότητας (broadband, multimedia services). Υψηλή ασφάλεια (security) και σφαλματανοχή (fault-tolerance) στις επικοινωνίες, προσαρμοζόμενη δυναμικά στις απαιτήσεις του κάθε δικτύου και του εκάστοτε χρήστη και σε συνδυασμό με τη βέλτιστη χρήση των πόρων (φάσμα, μπαταρία, QoS) της κινητής συσκευής. Συγκεκριμένα, εξατομικευμένα χαρακτηριστικά ασφάλειας και πιστοποιητικά ασφάλειας (security certificates) για κάθε παρεχόμενη υπηρεσία B3G και για κάθε κινητή συσκευή. Οποιαδήποτε πρόσβαση θα γίνεται μόνο εφόσον τα πιστοποιητικά πρόσβασης και των δύο πλευρών είναι αμοιβαία αποδεκτά (από τον πάροχο της υπηρεσίας και από τον χρήστη). Διασυνδεσιμότητα παντού, με πλήθος δικτύων (σταθερά, κινητά, ad-hoc) και διαφόρων παρόχων (ubiquitous connectivity), με τρόπο διαφανή για το χρήστη. Δηλ. καθώς ο χρήστης μετακινείται, ενώ π.χ. είναι συνδεδεμένος με το Internet ή συμμετέχει σε video-τηλεδιάσκεψη, θα μπορεί να αλλάζει δίκτυα (UMTS, WiFi, Bluetooth, κ.λπ.) και παρόχους, με τρόπο αυτόματο, χωρίς να διακόπτεται η σύνδεσή του (seamless handoffs) και ισορροπώντας βέλτιστα μεταξύ ασφάλειας, ποιότητας σύνδεσης (QoS) και κόστους της παρεχόμενης υπηρεσίας.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.1 ΚΥΨΕΛΕΣ Πριν προχωρήσουμε στην περιγραφή των δικτύων ίσως θα ήταν αναγκαίο να γίνει μια αναφορά στις τεχνολογίες και τη μορφή λειτουργίας του λεγόμενου κυψελοειδούς τύπου δικτύου κινητής τηλεφωνίας Όπως είναι φυσικό για να γίνει εφικτή η επικοινωνία θα πρέπει να παρέχεται ηλεκτρομαγνητική κάλυψη στους χρήστες. Για το λόγο αυτό χωρίζουμε μια περιοχή που θέλουμε να καλύψουμε ηλεκτρομαγνητικά σε κυψέλες. Οι κυψέλες αυτές αντιπροσωπεύουν μια γεωγραφική περιοχή κάλυψης του δικτύου του κάθε παρόχου κινητής τηλεφωνίας. Σχήμα 2.1 Μια ομάδα γειτονικών κυψελών για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη μιας

γεωγραφικής περιοχής. Σε κάθε περιοχή (κυψέλη) χρειάζεται μια κεντρική κεραία ( Base Stasion, BS) με μεγάλο εύρος μετάδοσης, για να καλύψει μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις όπου ένας σταθμός βάσης εξυπηρετεί και παραπάνω κυψέλες. Οι Base Station βρίσκονται σε μια σταθερή τοποθεσία μέσα στην κυψέλη και ο ρόλος τους είναι: 1. Να στεγάζουν τους ασύρματους πομπούς και δέκτες. 2. Να έρχεται σε επικοινωνία με τους υπόλοιπους σταθμούς βάσης, είτε ασύρματα είτε ενσύρματα. Συνήθως ενσύρματα μέσω ενός asynchronous transfer mode δίκτυο, (ATM). 3. Να επικοινωνεί με τους κινητούς σταθμούς (χρήστες, MU), με βάση τα εκάστοτε πρωτόκολλα σύνδεσης. 4. Forward error correction (FEC) 5. Rate adaptation 6. W-CDMA spreading/dispreading 7. Μετράει την ποιότητα της σύνδεσης και τον ρυθμό των λανθασμένων frame. (Frame Error Rate) 8. Συμμετέχει στον έλεγχο ισχύος. 9. Τέλος είναι υπεύθυνος για το FDD softer handover 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. Η επικοινωνία του Base Station με τον κινητό χρήστη γίνεται αμφίδρομα. Όταν το σήμα εκπέμπεται από το σταθμό βάσης προς τον χρήστη τότε έχουμε την Κάτω Ζεύξη ( DOWNLINK ). Ενώ από το χρήστη προς τον σταθμό βάσης έχουμε την Άνω Ζεύξη ( UPLINK ). Ακολουθούν δύο εικόνες (2.2A),(2.2B) με σταθμούς βάσης για να έχουμε μια οπτική αντίληψη.

Σχήμα 2.2Α Μια τυπική εκδοχή Σταθμού Βάσης (B.S.) Σχήμα 2.2Β Μια τυπική εκδοχή Σταθμού Βάσης (B.S.)

Η δομή αυτή των κυψελών παρέχει τη δυνατότητα εκτεταμένης επαναχρησιμοποίησης συχνότητας, έτσι ώστε χιλιάδες άνθρωποι να μπορούν να χρησιμοποιούν τα κινητά τηλέφωνα ταυτοχρόνως. Σε μερικές μάλιστα περιπτώσεις όπως στα δίκτυα WCDMA που μελετάμε όλοι οι χρήστες μπορούν να εκπέμπουν στις ίδιες συχνότητες. Το πλεονέκτημα αυτό της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων από γειτονικές κυψέλες οφείλεται κατά ένα λόγο και στην μικρή ισχύ εκπομπής που έχουν πλέον οι σταθμοί βάσης. Η εξήγηση βρίσκεται στο γεγονός πως οι εκπομπές δεν ξεφεύγουν πλέον αρκετά 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 πύργοικεραίες εκπομπής. Επειδή όμως είναι αρκετοί οι χρήστες των κινητών τηλεφώνων, το κόστος ανά χρήστη παραμένει χαμηλό. Να σημειώσουμε εδώ ότι και τα κινητά τηλέφωνα έχουν επίσης πλέον μικρής ισχύος πομπούς. Μάλιστα, τα περισσότερα εκπέμπουν σε 0,6 ή 3 Watts. 2.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Όταν λέμε Σύστημα Πολλαπλής Πρόσβασης εννοούμε ένα σύστημα στο οποίο περισσότεροι του ενός χρήστη μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια κυψέλη. Η μέθοδος πρόσβασης με διαίρεση κάποιου τύπου δείχνει ακριβώς τι μέθοδος χρησιμοποιείται. Τρεις βασικές τεχνολογίες είναι αυτές που οδηγούν πλέον τις εξελίξεις στις τηλεπικοινωνίες της κινητής τηλεφωνίας στις επόμενες γενιές. Αυτές είναι: Σύστημα Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση Συχνότητας (FDMA) Σύστημα Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση Χρόνου(TDMA) Σύστημα Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση Κώδικα(CDMA) περιληπτικά Στα FDMA κάθε κλήση τοποθετείται σε ξεχωριστή συχνότητα(κυρίως αφορά στα αναλογικά συστήματα, για τα οποία έχει ήδη προηγηθεί μια αρκετά λεπτομερής αναφορά) Στα TDMA εκχωρείται σε κάθε κλήση μια συγκεκριμένη μερίδα χρόνου (χρονοθυρίδα) σε μια οριζόμενη συχνότητα Στα CDMA η κάθε κλήση αποκτά έναν μοναδικό κωδικό και διασπείρεται σε όλες τις διαθέσιμες συχνότητες.

2.2.1 FDMA Στην FDMA τεχνολογία τα φάσμα (B Τ ) διαιρείται σε ευδιάκριτα κανάλια φωνής, όπου το κάθε κανάλι έχει το ίδιο bandwidth (Β c ) με τα υπόλοιπα. Για την σωστή λειτουργία του συστήματος, ανάμεσα σε κάθε κανάλι που δημιουργήθηκε από τη διαίρεση αφήνεται ένα guard band (B g ). Το Guard band είναι ένα μέρος του bandwidth ανάμεσα σε δύο συνεχόμενα κανάλια το οποίο δεν χρησιμοποιείται από κανένα κανάλι ώστε να αποφευχθεί η επικάλυψη συχνοτήτων δύο γειτονικών καναλιών. Λειτουργεί παρόμοια με τους ραδιοφωνικούς σταθμούς: κάθε σταθμός στέλνει το σήμα του σε διαφορετική συχνότητα μέσα στην διαθέσιμη μπάντα/ ζώνη. Στην αρχή κάθε κλήσης παραχωρείται στο χρήστη ένα κανάλι το οποίο και χρησιμοποιεί αποκλειστικά αυτός για όλο το χρονικό διάστημα της κλήσης του [8],[11],[15]. Σχήμα 2.3 Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση στο πεδίο της συχνότητας Επίσης δεν είναι απαραίτητος ο συγχρονισμός μεταξύ του σταθμού εκπομπής και αυτού της λήψης και ο κάθε χρήστης δεν δημιουργεί παρεμβολή στους υπόλοιπους χρήστες γύρω του. Το FDMA είναι ικανό να μεταφέρει ψηφιακή πληροφορία, ωστόσο δεν είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για ψηφιακή μετάδοση, γι αυτό χρησιμοποιήθηκε κατά κύριο λόγο στις αναλογικές τεχνολογίες. Τέλος παρόλο που η FDMA τεχνική είναι σχετικά η πιο απλή δεν είναι πολύ ευέλικτη καθώς για να προσθέσουμε ένα νέο χρήστη χρειάζονται τροποποιήσεις στον εξοπλισμό του συστήματος.

2.2.2 TDMA Στην TDMA τεχνολογία, ο πόρος είναι ο χρόνος. Η πληροφορία από όλους τους χρήστες μαζί στέλνεται σε frames, τα οποία έχουν προκαθορισμένο μέγεθος. Υπάρχει λοιπόν ένα κανάλι, ή αλλιώς μια στενή ζώνη εύρους, το frame to οποίo διαιρείται ισόχρονα σε χρονοθυρίδες (time slots). Ο κάθε χρήστης εκπέμπει σε μία προκαθορισμένη χρονοθυρίδα και χρησιμοποιεί όλο το διαθέσιμο εύρος του καναλιού. Μεταξύ δύο συνεχόμενων time slot (T s ) μέσα σε ένα frame πρέπει να έχουμε αφήσει ένα μικρό χρονικό διάστημα ελεύθερο, το guard period (T g ) για να αποφεύγονται τυχών επικαλύψεις Αυτή η τεχνική είναι εφικτή πλέον επειδή η ομιλία-ήχος μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακά δεδομένα και αυτά να συμπιεστούν, κι έτσι να δεσμεύουν λιγότερο χρόνο εκπομπής. Σε ένα χρήστη μπορεί να δοθούν και παραπάνω της μίας χρονοθυρίδας. Με αυτόν τον τρόπο,το TDMA σύστημα προσφέρει πολλαπλάσια χωρητικότητα από ένα αντίστοιχο αναλογικό σύστημα, που χρησιμοποιεί τον ίδιο αριθμό καναλιών [8],[11]. Σχήμα 2.4 Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση στο πεδίο του χρόνου. Ένα από τα μειονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι ότι το κάθε time slot έχει συγκεκριμένη χρονο-απόσταση μέσα στο frame, ανεξάρτητα αν μεταφέρει δεδομένα ή όχι. Οπότε σε περιπτώσεις που η κίνηση είναι bursty έχουμε κακή χρήση του μέσου. Επίσης χρειάζεται συγχρονισμός μεταξύ του εκπομπού και του δέκτη. Στα πλεονεκτήματα της τεχνικής αυτής ανήκει το γεγονός πως δεν χρειάζεται να γίνεται