Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Καρκαλέτση Ευαγγέλου Αριθμός Μητρώου: 5039 Θέμα: Διαδικασίες Κυψελοειδούς Σχεδιασμού (CELL PLANNING): Μελέτη παραμέτρων για την εύρεση των βέλτιστων θέσεων εγκατάστασης των Σταθμών Βάσης των Κυψελωειδών Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας (GSM και TETRA). Επιβλέπων: Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Πάτρα, 18 Μαρτίου 2009

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: Διαδικασίες Κυψελοειδούς Σχεδιασμού (CELL PLANNING): Μελέτη παραμέτρων για την εύρεση των βέλτιστων θέσεων εγκατάστασης των Σταθμών Βάσης των Κυψελωειδών Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας (GSM και TETRA). του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καρκαλέτση Ευαγγέλου (Α.Μ.): 5039 παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 18/3/09 Ο Επιβλέπων Καθηγητής Σ. Κωτσόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Ν. Φακωτάκης 1

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2009 Τίτλος: Διαδικασίες Κυψελοειδούς Σχεδιασμού (CELL PLANNING): Μελέτη παραμέτρων για την εύρεση των βέλτιστων θέσεων εγκατάστασης των Σταθμών Βάσης των Κυψελωειδών Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας (GSM και TETRA). Φοιτητής: Καρκαλέτσης Ευάγγελος Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος Περίληψη Η αυξανόμενη ζήτηση κινητών τηλεφώνων οδήγησε στην εισαγωγή του κυτταρικού ή κυψελοειδούς συστήματος κινητής ραδιοτηλεφωνίας (Cellular mobile radio). Σύμφωνα με το σύστημα αυτό διαιρείται η προς εξυπηρέτηση περιοχή σε εξάγωνα - Kυψέλες ή Κύτταρα - καθένα από τα οποία περιλαμβάνει ένα πομπό χαμηλής ισχύος τοποθετημένο στο σταθερό σταθμό (σταθμός κυττάρου Σ.Κ.). Κάθε σταθμός κυττάρου είναι συνδεμένος σε ένα τηλεφωνικό κέντρο κινητής ραδιοτηλεφωνίας (ΤΚΚΡ), που έχει πρόσβαση στο αστικό και υπεραστικό τηλεφωνικό δίκτυο. Το κέντρο αυτό διαθέτει κατάλληλο ηλεκτρονικό εξοπλισμό και ελέγχει όλη την περιοχή. Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας μελετάμε την διαδικασία κυψελοειδούς σχεδιασμού και εξετάζουμε τις παραμέτρους που την επηρεάζουν. Επιπλέον διεξάγουμε πειραματικές μετρήσεις στην περιοχή της Πάτρας, οι οποίες μας οδηγούν σε σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τον σχεδιασμό ενός κυτταρικού συστήματος κινητης τηλεφωνίας. Στο 1 ο κεφάλαιο παραθέτουμε απαραίτητα στοιχεία και έννοιες, όπως για παράδειγμα η κάλυψη (coverage), που αφορούν στον κυψελοειδή σχεδιασμό, ενώ στο 2 ο κεφάλαιο παρουσιάζουμε θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας των συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών GSM και TETRA. Στο 3 ο κεφάλαιο αυτό επιχειρούμε να εμβαθύνουμε στην έννοια του σχεδιασμού κυψελοειδών κυτταρικών συστημάτων. Υπάρχουν κάποιοι γενικοί στόχοι που πρέπει ένα κυτταρικό σύστημα να ικανοποιεί, όπως η κατάλληλη ράδιο κάλυψη, η ελαχιστοποίηση του κόστους και η υψηλή ποιότητα υπηρεσιών, όμως οι μέθοδοι σχεδιασμού που οδηγούν στην υλοποίηση του κατάλληλου συστήματος που θα ικανοποιεί τους παραπάνω στόχους ποικίλουν. Κάθε μέθοδος αποτελεί μια ξεχωριστή προσέγγιση σχεδιασμού με τις δικές τις συνθήκες, το δικό της κυτταρικό και μαθηματικό μοντέλο. Στο 4 ο κεφάλαιο μελετάμε ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά των καναλιών εξασθένισης και εξετάζουμε την επιρροή τους στην απόδοση ενός συστήματος 2

διαμόρφωσης με κωδικοποίηση. Ακόμα, θεσπίζουμε όρια μέτρησης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βελτιώσουν την απόδοση των καναλιών εξασθένισης. Η εξασθένιση εμφανίζεται λόγω μείωσης του ραδιοσήματος μεταξύ πομπού και δέκτη όταν παρεμβάλλονται αντικείμενα και λόγω ανάκλασης και διασποράς του σήματος. Επίσης, η λαμβανόμενη ισχύς σήματος μειώνεται ανάλογα με την απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. Στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζουμε και σχολιάζουμε τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε στη περιοχή των Πατρών. Σκοπός των μετρήσεων είναι η αξιολόγηση της λαμβανόμενης στάθμης σήματος από τον κινητό χρήστη σε διαφορετικά περιβάλλοντα και περιοχές με ποικιλία χαρακτηριστικών, όσο αφορά στη γεωγραφία, τη δόμηση και άλλους παράγοντες. Τέτοιες πειραματικές μετρήσεις, στην περιοχή ενδιαφέροντος, αποτελούν βασική προϋπόθεση για να στηθεί ένα σύστημα κυψελοειδούς κυτταρικού σχεδιασμού. Εξ άλλου, η στάθμη σήματος αποτελεί το ιδανικό εργαλείο για να βγάλουμε συμπεράσματα ως προς την κάλυψη (coverage) και τα κανάλια εξασθένισης (fading channels), τα οποία εξετάσαμε σε προηγούμενα κεφάλαια. 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή..9 1.1 Νόμοι Maxwell Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα..9 1.2 Κινητή τηλεφωνία ιστορική αναδρομή 11 1.2.1 Κινητή Τηλεφωνία 0 ης Γενιάς.11 1.2.2 Κινητή Τηλεφωνία 1 ης, 2 ης, 3 ης και 4 ης Γενιάς..11 1.3 Χαρακτηριστικά Κυτταρικής Κινητής Τηλεφωνίας.14 1.3.1 Γενικά..14 1.3.1.2 Η κυψελοειδής δομή 15 1.3.1.3 Θεμελιώδες κύτταρο- Συστάδα (cluster).16 1.3.1.4 Τύποι κυττάρων.17 1.3.2 Κυψελοειδής Κάλυψη(cell planning)..18 1.3.2.1 Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και cell planning.20 1.3.2.2 Βελτίωση Κάλυψης και Χωρητικότητας 26 Κεφάλαιο 2 ο - GSM και TETRA 2.1 GSM(Global System for Mobile Telecomunications).31 2.1.1 Περιγραφή Συστήματος GSM.31 2.1.1.1 Ιστορία του GSM και των ασύρματων κυτταρικών κινητών επικοινωνιών.31 2.1.1.2 Υπηρεσίες GSM.34 2.1.1.3 Η μετάβαση από την αναλογική στην ψηφιακή τεχνολογία.37 2.1.1.3.1 Η χωρητικότητα του συστήματος.37 2.1.1.3.2 Συμβατότητα με άλλα συστήματα όπως το ISDN 38 2.1.1.3.3 Πτυχές ποιότητας υπηρεσίας (QoS)..38 2.1.1.4 Αρχιτεκτονική του δικτύου GSM 38 2.1.1.4.1 Ο κινητός σταθμός (MS).39 2.1.1.4.2 Το υποσύστημα σταθμών βάσης..40 2.1.1.4.3 Το υποσύστημα διακοπτικού δικτύου (NSS)..41 2.1.1.4.4 Το υποσύστημα λειτουργίας και υποστήριξης (OSS) 43 2.1.1.4.5 Οι γεωγραφικοί τομείς του δικτύου GSM..43 2.1.1.5 Η ασύρματη διεπαφή GSM..44 2.1.1.5.1 Καταχώρηση συχνοτήτων..44 2.1.1.5.2 Σχέδιο πολλαπλής πρόσβασης 44 2.1.1.5.2.1 FDMA και TDMA 45 2.1.1.5.2.2 Δομή ραδιο-διαύλων.45 2.1.1.5.2.3 Δομή χρονοθυρίδων..47 2.1.1.5.2.4 Μεταπήδηση συχνότητας..48 2.1.1.5.3 Από τις πληροφορίες πηγής στα ράδιο κύματα.49 2.1.1.5.3.1 Κωδικοποίηση ομιλίας..49 2.1.1.5.3.2 Κωδικοποίηση καναλιών.50 2.1.1.5.3.2.1 Κωδικοποίηση καναλιών για τα κανάλια δεδομένων TCH GSM..50 2.1.1.5.3.2.2 Κωδικοποίηση καναλιών για τα διαλεκτικά κανάλια GSM 51 4

2.1.1.5.3.2.3 Κωδικοποίηση καναλιών για τα κανάλια ελέγχου GSM 51 2.1.1.5.3.3 Παρεμβολή ενδοδιαφυγής 51 2.1.1.5.3.4 Συγκέντρωση χρονοθυρίδων.51 2.1.1.5.3.5 Διαδικασία κρυπτογράφησης (Ciphering) 51 2.1.1.5.3.6 Διαμόρφωση 52 2.1.1.5.4 Ασυνεχής μετάδοση (DTX)..52 2.1.1.5.5 Πρόοδος συγχρονισμού..53 2.1.1.5.6 Έλεγχος Ισχύος (Power Control).53 2.1.1.5.7 Ασυνεχής λήψη.53 2.1.1.5.8 Πολυόδευση και εξισορρόπηση.53 2.1.1.6 Εγκατάσταση Κλήσης.54 2.1.2 Διαχείριση Πόρων του Ραδιο-δικτύου GSM 54 2.1.2.1 Λειτουργικές διαδικασίες συστήματος GSM..54 2.1.2.1.1 Μετάδοση.55 2.1.2.1.2 Διαχείριση (RR) Πόρων του Ράδιο-Δικτύου.55 2.1.2.1.3 Διαχείριση κινητικότητας.56 2.1.2.1.4 Διαχείριση επικοινωνίας (CM).57 2.1.2.1.5 Λειτουργία, διοίκηση και συντήρηση (OAM) 58 2.1.2.2 Διαδικασία μεταγωγής και αλγόριθμοι RRM..58 2.1.2.2.1 Διαδικασία μεταγωγής 59 2.1.2.2.2 Κριτήρια για την επιτυχή πραγματοποίηση των μεταγωγών..60 2.1.2.2.3 Αλγόριθμοι για τη διαδικασία μεταγωγής.61 2.1.2.2.4 Εναλλακτικοί Αλγόριθμοι Μεταγωγής για Μικροκυτταρικά Συστήματα.63 2.2 TETRA (Terrestrial Trunked Radio System) 64 2.2.1 Επισκόπηση Private Mobile Radio(PMR)...65 2.2.1.1 Χαρακτηριστικά ιδιωτικών κινητών ραδιοεπικοινωνιών.65 2.2.1.2 Συστήματα PMR.65 2.2.1.3 Ειδικές απαιτήσεις PMR 65 2.2.1.4 Διαμορφώσεις PMR.66 2.2.2 Το σύστημα ΤΕΤΡΑ 67 2.2.2.1 Γενικά.67 2.2.2.2 Καθιέρωση του ΤΕΤΡΑ..68 2.2.2.3 Παροχές του ΤΕΤΡΑ.68 2.2.2.4 Παράμετροι λειτουργίας και βασικές Υπηρεσίες..69 2.2.2.5 ΤΕΤΡΑ τερματικά..71 2.2.2.6 Το Μυρμήγκι-ΤΕΤΡΑ..71 2.2.2.6.1 Γενικά χαρακτηριστικά.71 2.2.2.6.2 Απλή και σύνθετη μορφή του Μυρμήγκι-ΤΕΤΡΑ.72 2.2.2.6.3 Τομείς της αγοράς που αφορούν το Μυρμήγκι-ΤΕΤΡΑ..72 2.2.2.7 Χαρακτηριστικά συστήματος ΤΕΤΡΑ..73 2.2.2.7.1 Ασφάλεια.73 2.2.2.7.2 Τύπος κλήσης και ποιότητα κλήσης..73 2.2.2.7.3 Ενσωματωμένη ικανότητα φωνής και δεδομένων.73 2.2.2.7.4 Ανοικτή τυποποίηση και συνολικό κόστος της ιδιοκτησίας (TCO).73 2.2.2.7.5 ΤΕΤΡΑ υπηρεσίες και χαρακτηριστικά..73 2.2.2.8 Διαχείριση ενός ΤΕΤΡΑ δικτύου..74 5

Κεφάλαιο 3 ο - Διαφορετικές Προσεγγίσεις στον Κυτταρικό Σχεδιασμό 76 3.1 Προσέγγιση σχεδιασμού μέσω γεφύρωσης του χάσματος μεταξύ Δυναμικών και Στατικών μεθόδων 76 3.1.1 Εισαγωγή..76 3.1.2 Δυναμικός και Στατικός SIR 78 3.1.3 Στατικός και Δυναμικός σχεδιασμός.79 3.1.4 Μέση Πιθανότητα Διακοπής Λειτουργίας..81 3.1.5 Χωρητικότητα Συστήματος.84 3.2 Ολοκληρωμένη προσέγγιση στο σχεδιασμό κυψελοειδών δικτύων.86 3.2.1 Εισαγωγή 86 3.2.2 Συμβατικός προγραμματισμός..87 3.2.3 Ενσωματωμένος σχεδιασμός και βελτιστοποίηση.89 3.2.3.1 Η έννοια του ενσωματωμένου σχεδίου.89 3.2.3.2 Κόμβοι ζήτησης 90 3.2.3.3 Κινητός συνδρομητής.90 3.2.3.4 Ράδιο Μετάδοση..91 3.2.3.5 Κατανομή των πόρων.91 3.2.3.6 Αρχιτεκτονική Συστήματος.92 3.2.4 Εργαλείο σχεδιασμού ICEPT..92 3.2.4.1 Απαιτήσεις εργαλείου σχεδιασμού 92 3.2.4.2 Κύρια συστατικά ICEPT.93 3.2.4.3 Αποτελέσματα..94 3.2.5 Σύνοψη της ολοκληρωμένης προσέγγισης σχεδιασμού..95 3.3 Προσέγγιση Σχεδιασμού με τη μέθοδο Προσομοιωμένης Ισχυροποίησης.95 3.3.1 Γενικά 96 3.3.2 Αποτελέσματα και συμπεράσματα.97 3.4 Επίδραση του Ανισοτρόπου μοντέλου διάδοσης 100 3.4.1 Εισαγωγή..100 3.4.2 Μορφή Κυττάρων στα Κατοικημένα / Εμπορικά Περιβάλλοντα.101 3.4.3 Αποτελέσματα και συμπεράσματα...105 3.5 Προσέγγιση σχεδιασμού με στόχο υψηλή αποδοτικότητα μικροκυτταρικών συστημάτων...106 3.5.1 Εισαγωγή...106 3.5.2 Περιγραφή Συστήματος...107 3.5.2.1 Μικροκυτταρική Διαμόρφωση...107 3.5.2.2 Διαχείριση των Μικροζωνών δίχως παρεμβολές...109 3.5.2.3 Κανάλι κίνησης και σχέδιο διαχείρισης κλήσεων...109 3.5.3 Αποτελέσματα...110 3.6 Προσέγγιση σχεδιασμού βάση νέας εκτίμησης ταχύτητας κινητού (2 σχέδια επιλογής μικροκυττάρου / μακροκυττάρου)...110 3.6.1 Εισαγωγή...111 3.6.2 Υπάρχοντα Σχέδια...112 3.6.2.1 Σχέδιο RDT... 112 6

3.6.2.2 Σχέδιο PLO...113 3.6.2.3 Σχέδιο ΕΑ...114 3.6.3 Προτεινόμενα Σχέδια...115 3.6.3.1 Σχέδιο ORST...115 3.6.3.2 Σχέδιο AORST...118 3.6.4 Αποτελέσματα...118 3.7 Προσέγγιση Σχεδιασμού Ολόκληρου και Μισού Τετράγωνου για Αστικά CDMA Μικροκυτταρικά Δίκτυα...119 3.7.1 Γενικά...119 3.7.2 Αποτελέσματα και Συμπεράσματα...121 3.8 Προσέγγιση σχεδιασμού για Επέκταση Χωρητικότητας, Αλγόριθμος Ταμπού...122 3.8.1 Εισαγωγή...122 3.8.2 Σχεδιασμός Κυττάρων με Επέκταση Χωρητικότητας...122 3.8.2.1 Χωρητικότητα σταθμού βάσης...122 3.8.2.2 Πιθανή περιοχή υπηρεσιών ενός σταθμού βάσης...123 3.8.2.3 Διατύπωση προβλήματος...124 3.8.3 Αναζήτηση Ταμπού για το πρόβλημα κυτταρικού σχεδιασμού...126 3.8.3.1 Αρχικοί σταθμοί βάσης και κάλυψη...126 3.8.3.2 Ενδυνάμωση με τη βραχυπρόθεσμη λειτουργία μνήμης...127 3.8.3.3 Νέα τοποθέτηση TDAs...128 3.8.3.4 Διαφοροποίηση με τη μακροπρόθεσμη λειτουργία μνήμης...128 3.8.4 Αποτελέσματα και Συμπεράσματα...129 3.9 Μια σύγκριση τριών τεχνικών Τεχνητής Ζωής για το Σχεδιασμό κυττάρων στον κινητό υπολογισμό...130 3.9.1 Γενικά...131 3.9.2 Αποτελέσματα και Συμπεράσματα...133 3.10 Επίλογος...133 Κεφάλαιο 4 ο - Κανάλια εξασθένισης...135 4.1. Εισαγωγή...135 4.2. Απώλειες στη πορεία διάδοσης...135 4.2.1. Απώλειες Πορείας στον Ελεύθερο Χώρο...136 4.2.2. Απώλειες Πορείας στο Επίπεδο της Γης...136 4.2.3. Γενικό Μοντέλο Απωλειών Πορείας...138 4.3. Κατανομές Εξασθένισης...139 4.3.1. Κατανομή Εξασθένισης Σκίασης...140 4.3.2. Κατανομή Εξασθένισης Πολλαπλών διαδρομών...141 4.3.3. Άλλες Κατανομές Εξασθένισης...144 4.4. Εξασθένιση Επιλεκτικής Συχνότητας...146 4.4.1. Συχνότητα Doppler...146 4.4.2. Καθυστέρηση Διάδοσης...147 4.4.3. Εύρος ζώνης Συσχετισμού και Χρόνος Συσχετισμού...150 4.4.4. Φάσμα Εξασθένισης...155 4.4.5. Τύποι Εξασθένισης Πολλαπλών Διαδρομών...156 4.5. Προσομοιωτές Εξασθένισης...158 7

4.5.1. Επίπεδη Εξασθένιση Rayleigh με τη μέθοδο φιλτραρίσματος...158 4.5.2. Άλλες μέθοδοι για την παραγωγή διαδικασίας εξασθένισης Rayleigh...162 4.5.3. Εξασθένιση με άλλες Κατανομές...165 4.5.4. Εξασθένιση Επιλεκτική Συχνότητας...166 4.6. Συμπεριφορά της Διαμόρφωσης κάτω από Εξασθένιση...167 4.7. Διαστρωμάτωση και Ποικιλομορφία...171 4.7.1. Συνδυασμός Ποικιλομορφίας...171 4.7.2. Τρόποι να εξασφαλιστεί η ποικιλία...178 Κεφάλαιο 5 ο - Μετρήσεις στη Πάτρα για την αξιολόγηση της λαμβανόμενης στάθμης σήματος από τον κινητό χρήστη...184 5.1. Εισαγωγή...184 5.2. Διαδικασία των μετρήσεων και αποτελέσματα...184 5.2.1 Διαδικασία των μετρήσεων...184 5.2.2 Σχολιασμός των αποτελεσμάτων και συμπεράσματα...206 5.3. Μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος ανοικτού χώρου...210 5.3.1 Εισαγωγή...210 5.3.2 Συνοπτικός Πίνακας μοντέλων διάδοσης ραδιοσήματος ανοικτού χώρου..212 5.3.3 Αναλυτικά τα μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος ανοικτού χώρου...213 5.4 Προσέγγιση πειραματικών μετρήσεων από γνωστά θεωρητικά μοντέλα υπολογισμού των απωλειών οδεύσεως(rf Models).232 5.4.1 Εισαγωγή.232 5.4.2 Προσέγγιση των πειραματικών αποτελέσματων και σχολιασμός 232 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.238 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ - Κώδικες προγραμματισμού στο Matlab.242 8

Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1.1 Νόμοι Maxwell Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα Οι νόμοι που διατυπώθηκαν από τον Maxwell αποτελούν τον πυρήνα της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας. Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell το ηλεκτρομαγνητικό κύμα δημιουργείται από κάθε παλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο αλλά και γενικότερα από κάθε φορτίο με επιτάχυνση. Σε ένα απλό μοντέλο εξάπλωσης κατά μία διεύθυνση, οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου υπακούουν στην Ε = Ε max ημω (t x/c) και οι τιμές της έντασης του μαγνητικού πεδίου Β = Β max ημω(t x/c). Η συχνότητα του κύματος θα είναι ίση με τη συχνότητα της πηγής. Όσο για την ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η λύση των εξισώσεων του Maxwell μας αποκαλύπτει ότι θα είναι ίση με το οποιοδήποτε πηλίκο του Ε max και του Β max Ε max =cβ max. Η τιμή όμως η οποία προκύπτει είναι ένα αποτέλεσμα εντυπωσιακό. Η ταχύτητα θα είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Αν χρησιμοποιήσουμε τη γεωμετρική έννοια ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ, μπορούμε να πούμε ότι, κατά τη διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, εκτός του ότι το διάνυσμα Ε είναι πάντα κάθετο στο διάνυσμα Β, θα είναι και τα δύο κάθετα στην κυματική ακτίνα. Σε κάθε δηλαδή σημείο του χώρου έχουμε μία γεωμετρική αναπαράσταση με ένα τρισορθογώνιο σύστημα. Το διάνυσμα Ε, το διάνυσμα Β και η κυματική ακτίνα είναι ανά δύο μεταξύ τους κάθετα. Τα παραπάνω φαίνονται ξεκάθαρα στο σχήμα 1.1 για τυχαία διεύθυνση διάδοσης των άξονα των χ: Σχήμα 1.1 Επίπεδα πολωμένη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδιδόμενη κατά μήκος του άξονα χ. Στην γενική τους μορφή οι νόμοι του Maxwell είναι οι εξής: 9

Σχήμα 1.2 Ολοκληρωτική μορφή των εξισώσεων Maxwell. Σχήμα 1.3 Διαφορική μορφή των εξισώσεων Maxwell. με D=εΕ, Β=μΗ, J=σΕ όπου: E: η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (V/m) D: η πυκνότητα της ηλεκτρικής ροής (Cb/m2) H: η ένταση του μαγνητικού πεδίου (A/m) Β: η πυκνότητα της μαγνητικής ροής (Wb/m2) J: η πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος (A/m2) Ρυ: η πυκνότητα του ηλεκτρικού φορτίου (Cb/m3) ε: η ηλεκτρική διαπερατότητα μ: η μαγνητική διαπερατότητα και σ: η ηλεκτρική αγωγιμότητα. 10

Ο Maxwell έβαλε τις βάσεις για να αναπτυχθεί η ασύρματη μετάδοση. Ακολούθησαν και άλλοι επιστήμονες καθένας από τους οποίους προχώρησε και ένα επιπλέον βήμα έως ότου φτάσουμε στο σημείο να μπορούμε να κάνουμε λόγο για κινητή τηλεφωνία μηδενικής γενιάς. Ο Heinrich Rudolf Hertz ανακάλυψε τη διπολική κεραία το1886 και επιβεβαίωσε την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (που είχαν προβλεφθεί από τους Maxwell και Faraday) το1888. Ο Nikola Tesla Κατασκεύασε τις πρώτες πρακτικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος, το πρώτο ασύρματο σύστημα επικοινωνίας το 1893 δηλαδή τα σήματα Morse (με ακτίνα 80 km το 1895) και μια τηλεκατευθυνόμενη βάρκα το1898. Ο Alexander Stepanovich Popov κατασκεύασε δέκτη Η/Μ κυμάτωντο1894 (coherer), πέτυχε μετάδοση ραδιοκυμάτων μεταξύ κοντινών κτιρίων το1896,6 μιλίων το 1898 και 30 μιλίων το 1899. Ο Guglielmo Marconi έστειλε το πρώτο υπερατλαντικό σήμα το 1901, ίδρυσε εταιρεία υπερατλαντικού ασύρματου τηλέγραφου το 1903 και πήρε το ΝόμπελΦυσικήςτο1909. Ο Reginald Fessenden έκανε την πρώτη μετάδοση ήχου (της δικής του φωνής) το 1901 [(Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ)], την πρώτη αμφίδρομη υπερατλαντική ασύρματη επικοινωνία(1906) και την πρώτη ραδιοφωνική εκπομπή (μουσικό περιεχόμενο), το 1906. Από το 1900 έως το 1940 έχουμε ευρεία χρήση ασύρματου τηλέγραφου κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο, ραδιοφωνικές εκπομπές (1920-1930), πλοήγηση αεροσκαφών με χρήση ραδιοβοηθημάτων (μετά το 1920), διαμόρφωση FM (Frequency Modulation) το 1935 και ευρεία χρήση ασύρματων από αστυνομίες αμερικάνικών πόλεων (μετά το 1930). 1.2 Κινητή τηλεφωνία ιστορική αναδρομή 1.2.1 Κινητή Τηλεφωνία 0 ης Γενιάς Πρώτη λειτουργία συστήματος το 1946 στις Η.Π.Α Frequency Modulation κανάλι 120 KHz Αρχικά Push-to-Talk, αργότερα Full-Duplex Τοπολογία Δικτύου: Μια πολύ μεγάλη κεραία για κάθε μεγάλη αμερικανική πόλη Πρόβλημα: περιορισμένος αριθμός καναλιών Πολύ γρήγορα τα συστήματα κορέστηκαν 1.2.2 Κινητή Τηλεφωνία 1 ης, 2 ης, 3 ης και 4 ης Γενιάς Οι γενιές ταξινομούνται σύμφωνα με τη ραδιο-διεπαφή που χρησιμοποιεί η εκάστοτε τεχνολογία (Πρώτη Γενιά) 1G:Αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980 και βασίστηκε σε τεχνολογίες αναλογικής FM μετάδοσης. Χρησιμοποιήθηκε κυψελωτή τοπολογία. 11

Τα συστήματα της πρώτης γενιάς προσέφεραν απλές υπηρεσίες φωνής. Ορισμένα από αυτά: NTT Cellular Japan 1979, Advanced Mobile Phone System (AMPS) USA 1983, European Total Access Cellular System (ETACS) Ευρώπη 1985. (Δεύτερη Γενιά) 2G:Εισήχθη στην αγορά το 1991. Στα συστήματα 2G εφαρμόστηκαν τεχνικές ψηφιακής μετάδοσης πχ TDMA. Τα συστήματα 2G προσέφεραν υψηλότερη χωρητικότητα καθώς επίσης και χαμηλότερο κόστος για τους διαχειριστές του δικτύου. Τα 2G συστήματα εισάγουν τη χρήση σύντομων μηνυμάτων (SMS) και υπηρεσιών χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στους χρήστες. Τα συστήματα: 1. GSM: Global System for Mobile Communications [Πανευρωπαϊκό standard, Time Division Multiple Access(TDMA)], 2. IS-95 [Αμερικανικό standard, βασισμένο σε τεχνολογία Code Division Multiple Access (CDMA) Qualcomm], 3. Pacific Digital Cellular (PDC) (Ιαπωνικό standard, TDMA), 4. IS-136 (Αμερικανικό standard, TDMA) (Δυόμισι Γενιά) 2.5G:Η Γενιά αυτών των κινητών συστημάτων προσέφερε τη δυνατότητα χρήσης συνδέσεων μεταγωγής πακέτου πάνω από τον αέρα. Τα συστήματα: 1. High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) για το GSM. Κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλές οπές (slots). 2. General Packet Radio Service (GPRS) για τα GSM, IS-136 Μεταγωγή Πακέτου όπως στο Internet! 3. Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) για τα GSM, IS-136 πολλαπλές οπές και προσαρμογή στο κανάλι. 4. IS-95B για το IS-95 κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλούς κώδικες. (Τρίτη Γενιά) 3G: Επιτυγχάνει ένα μέγιστο ρυθμό μετάδοσης των 2 Mbps και προσφέρει υπηρεσίες πολυμέσων μεταγωγής πακέτου (data,video κτλ.) παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας και τηλε-ειδοποίησης, υψηλής ποιότητας τηλε-διάσκεψη και πρόσβαση στο Internet καθώς επίσης και υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος. Τα 3G συστήματα αναφέρονται ως Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) στην Ευρώπη και ως International Mobile Telecommunications 2000 (IMT2000) στον υπόλοιπο κόσμο και είναι τα εξής: 1. 3G W-CDMA (UMTS) Μετεξέλιξη του GSM αλλά βασισμένο σε Wideband CDMA και μεταγωγή πακέτου (Ευρωπαϊκό standard) 2. 3G cdma2000 Μετεξέλιξη του ISM-95 (αμερικανικό standard) 3. 3G TD-SCDMA (Κινεζικό standard βασισμένο στο GSM). (Τέταρτη Γενιά) 4G: Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήματα θα είναι 10-20 Mbits/sec για ακίνητα περιβάλλοντα και 2 Mbits/sec για κινούμενα οχήματα. Η χωρητικότητα για τα 4G συστήματα πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την αντίστοιχη των 3G, ενώ το κόστος ανά bit πρέπει να μειωθεί δραματικά ώστε η χρέωση να 12

Σχήμα 1.4 Κινητή τηλεφωνία 4 ης γενιάς. Στα σχήματα που ακολουθούν δίνουμε γραφικά την εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας (σχήμα 1.5), τη χρονική τους εξέλιξη (σχήμα 1.6) και την εξέλιξη όπως την αντιλαμβάνεται από τη μεριά του ο χρηστής (σχήμα 1.7). Σχήμα 1.5 Εξέλιξη των Συστημάτων Κινητών Επικοινωνιών 13

Σχήμα 1.6 Εξέλιξη των Συστημάτων Κινητών Επικοινωνιών και Χρόνος εξέλιξης Σχήμα 1.7 Γενιές κινητών Συστημάτων:Από την Άποψη του Χρήστη 1.3 Χαρακτηριστικά Κυτταρικής Κινητής Τηλεφωνίας 1.3.1 Γενικά Η αυξανόμενη ζήτηση κινητών τηλεφώνων οδήγησε στην εισαγωγή του κυτταρικού ή κυψελοειδούς συστήματος κινητής ραδιοτηλεφωνίας (Cellular mobile radio). Σύμφωνα με το σύστημα αυτό διαιρείται η προς εξυπηρέτηση περιοχή σε εξάγωνα - Kυψέλες ή Κύτταρα - καθένα από τα οποία περιλαμβάνει ένα πομπό χαμηλής ισχύος τοποθετημένο στο σταθερό σταθμό (σταθμός κυττάρου Σ.Κ.). Κάθε σταθμός κυττάρου είναι συνδεμένος σε ένα τηλεφωνικό κέντρο κινητής ραδιοτηλεφωνίας (ΤΚΚΡ), που έχει πρόσβαση στο αστικό και υπεραστικό τηλεφωνικό δίκτυο. Το κέντρο αυτό διαθέτει κατάλληλο ηλεκτρονικό εξοπλισμό και ελέγχει όλη την περιοχή (σχήμα 1.8). 14

Σχήμα 1.8 Περιοχή με κυτταρικό σύστημα κινητής ραδιοτηλεφωνίας. Τα κύτταρα έχουν συνήθως 1 ως 8 τετραγωνικά μίλια επιφάνεια και εξυπηρετούνται από ορισμένα τηλεφωνικά κανάλια αμφίδρομης επικοινωνίας (DUPLEX) που χορηγούνται για όλη την περιοχή. Τα κανάλια αυτά λαμβάνονται από τη ζώνη συχνοτήτων στην οποία λειτουργεί το σύστημα και μοιράζονται στα ξεχωριστά κύτταρα. Τα ίδια κανάλια χρησιμοποιούνται σε περισσότερα κύτταρα της ίδιας περιοχής, εφόσον απέχουν αρκετά μεταξύ τους, ώστε να αποφεύγονται παρεμβολές. Όταν ο συνδρομητής κινείται, παρακολουθείται από ένα κεντρικό υπολογιστή του ΤΚΚΡ. Αν περάσει από ένα κύτταρο σε άλλο κατά τη διάρκεια μιας κλήσης, το ΤΚΚΡ τον μετάγει αυτόματα σε ένα ελεύθερο κανάλι του νέου κυττάρου. Η μεταγωγή, γνωστή ως Hand-off, δεν γίνεται σχεδόν αντιληπτή από το συνδρομητή. Όσο αυξάνει ο αριθμός των συνδρομητών, υποδιαιρείται το κύτταρο σε μικρότερα κύτταρα. Τα ίδια κανάλια χρησιμοποιούνται στα νέα κύτταρα για την εξυπηρέτηση των νέων συνδρομητών. 1.3.1.2 Η κυψελοειδής δομή Σε ένα κυψελοειδές σύστημα, η καλυπτόμενη περιοχή ενός φορέα-χειριστή διαιρείται σε κύτταρα. Ένα κύτταρο αντιστοιχεί στην καλυπτόμενη περιοχή ενός πομπού ή μιας μικρής ομάδας πομπών. Το μέγεθος ενός κυττάρου καθορίζεται από την ισχύ του πομπού. Η έννοια των κυψελοειδών συστημάτων σχετίζεται με τη χρησιμοποίηση χαμηλής ισχύος πομπών προκειμένου να επιτραπεί αποδοτικά η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. Στην πραγματικότητα, εάν οι 15

χρησιμοποιούμενοι πομποί εκπέμπουν πολύ ισχυρά, οι συχνότητες δεν μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για εκατοντάδες χιλιόμετρα δεδομένου ότι περιορίζονται στην καλυπτόμενη περιοχή του πομπού. Η ζώνη συχνοτήτων που διατίθεται σε ένα κυψελοειδές κινητό ράδιο σύστημα κατανέμεται σε μια ομάδα κυττάρων (θεμελιώδης κύτταρο) και αυτή η κατανομή επαναλαμβάνεται σε όλη την καλυπτόμενη περιοχή ενός φορέα-διαχειριστή. Ολόκληρος ο αριθμός των διαθέσιμων ράδιο καναλιών μπορεί έπειτα να χρησιμοποιηθεί σε κάθε ομάδα κυττάρων που διαμορφώνουν την καλυπτόμενη περιοχή του φορέα-χειριστή. Οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε ένα κύτταρο θα επαναχρησιμοποιηθούν σε πολλά κύτταρα μακριά. Η απόσταση μεταξύ των κυττάρων που χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα πρέπει να είναι επαρκής για να αποφευχθούν παρεμβολές. Η επαναχρησιμοποίηση συχνότητας θα αυξήσει αρκετά τη χωρητικότητα σε αριθμό χρηστών. Προκειμένου να λειτουργήσει σωστά, ένα κυψελοειδές σύστημα πρέπει να ελέγξει τις ακόλουθες δύο κύριες συνθήκες: Η στάθμη της ισχύος ενός πομπού μέσα σε ένα μονό κύτταρο πρέπει να περιοριστεί προκειμένου να μειώσει την παρεμβολή που προκαλεί στους πομπούς των γειτονικών κυττάρων. Η παρεμβολή δεν θα έχει άσχημα αποτελέσματα στο σύστημα εάν μια απόσταση ίση με περίπου 2,5 έως 3 φορές της διαμέτρου του κυττάρου διατηρηθεί μεταξύ των πομπών. Τα φίλτρα δεκτών πρέπει επίσης να είναι εκτελέσιμα πολύ συχνά.. Τα γειτονικά κύτταρα δεν μπορούν να μοιραστούν ίδια κανάλια. Προκειμένου να μειωθεί η παρεμβολή, οι συχνότητες πρέπει να επαναχρησιμοποιηθούν μόνο κάτω από ένα ορισμένο σχεδιασμό. Προκ ειμένου να ανταλλαχθούν οι πληροφορίες που απαιτούνται για να διατηρηθούν οι συνδέσεις επικοινωνίας μέσα στο κυψελοειδές δίκτυο, κρατούνται διάφορα ράδιο κανάλια για τις πληροφορίες σηματοδοσίας. 1. 3.1.3 Θεμελιώδες κύτταρο- Συστάδα (cluster) Τα κύτταρα ομαδοποιούνται σε συστάδες (θεμελιώδη κύτταρα). Ο αριθμός των κυττάρων σε μια συστάδα πρέπει να καθοριστεί έτσι ώστε η συστάδα να μπορεί να επαναλαμβάνεται συνεχώς μέσα στην καλυπτόμενη περιοχή του φορέα-χειριστή. Οι χαρακτηριστικές συστάδες περιέχουν 4, 7, 12 ή 21 κύτταρα. Ο αριθμός κυττάρων σε κάθε συστάδα είναι πολύ σημαντικός. Όσο μικρότερος είναι ο αριθμός κυττάρων ανά συστάδα, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο αριθμός καναλιών ανά κύτταρο. Η χωρητικότητα κάθε κυττάρου επομένως θα αυξηθεί. Εντούτοις, πρέπει να βρεθεί μια ισορροπία προκειμένου να αποφευχθεί η παρεμβολή που θα μπορούσε να εμφανιστεί μεταξύ των γειτονικών συστάδων. Αυτή η παρεμβολή παράγεται εξαιτίας του μικρού μεγέθους των συστάδων (το μέγεθος της συστάδας καθορίζεται από τον αριθμό κυττάρων ανά συστάδα). Ο συνολικός αριθμός καναλιών ανά κύτταρο εξαρτάται από τον αριθμό διαθέσιμων καναλιών και τον τύπο της χρησιμοποιούμενης συστάδας. 1.3.1.4 Τύποι κυττάρων 16

Η πυκνότητα του πληθυσμού σε μια χώρα ποικίλει τόσο πολύ ώστε να χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι κυττάρων που παρουσιάζονται στο σχήμα 1.9 που ακολουθεί και οι κυριότεροι από αυτούς είναι τα εξής: Μακροκύτταρα (Macrocells) Μικροκύτταρα (Microcells) Επιλεκτικά κύτταρα Κύτταρα ομπρελών Σχήμα 1.9. Οργάνωση κυττάρων Μακροκύτταρα: Τα macr ocells είναι μεγάλα κύτταρα για τις απομακρυσμένες και αραιά κατοικημένες περιοχές. Μικροκύτταρα: Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούνται για τις πυκνά κατοικημένες περιοχές. Με το διαχωρισμό των υπαρχόντων περιοχών σε μικρότερα κύτταρα, ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών αυξάνεται καθώς επίσης και η ικανότητα των κυττάρων. Η στάθμη ισχύος των πομπών σημάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα κύτταρα μειώνεται και επομένως και η δυνατότητα της παρεμβολής μεταξύ των γειτονικών κυττάρων. Επιλεκτικά κύτταρα: Δεν είναι πάντοτε χρήσιμο να καθοριστεί ένα κύτταρο με μια πλήρη κάλυψη 360 μοιρών. Σε μερικές περιπτώσεις, απαιτούνται κύτταρα με μια ιδιαίτερη μορφή και κάλυψη. Τέτοια κύτταρα καλούνται επιλεκτικά κύτταρα. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα των επιλεκτικών κυττάρων είναι τα κύτταρα που μπορούν να βρεθούν στις εισόδους των σηράγγων όπου δεν απαιτείται η κάλυψη των 360 βαθμών. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιείται ένα επιλεκτικό κύτταρο με μια κάλυψη 120 βαθμών. Κύτταρα τύπου ομπρέλας: Ένας αυτοκινητόδρομος που διασχίζει πολλά και πολύ μικρά κύτταρα παράγει ένα σημαντικό αριθμό μεταγωγών (handovers, ΗΟs) μεταξύ των διαφορετικών μικρών γειτονικών κυττάρων. Προκειμένου να λυθεί αυτό το πρόβλημα, εισάγεται η έννοια των κυττάρων τύπου ομπρέλας(βλ. σχήμα 1.10). Ένα τέτοιο κύτταρο καλύπτει διάφορα microcells. Η στάθμη ισχύος μέσα σε ένα κύτταρο τύπου ομπρέλας αυξάνεται συγκρίνοντας την με τα επίπεδα ισχύος που χρησιμοποιούνται στα microcells που διαμορφώνουν το κύτταρο τύπου 17

ομπρέλας. Όταν η ταχύτητα του κινητού χρήστη είναι πάρα πολύ υψηλή, τότε το κινητό μετάγεται (ΗΟ) στο κύτταρο τύπου ομπρέλας. Ο κινητός χρήστης θα μείνει περισσότερο ώρα στο ίδιο κύτταρο (στην περίπτωση του κύτταρου τύπου ομπρέλας). Επομένως, θα μειωθεί ο αριθμός HO και έτσι η λειτουργία του δικτύου. Ένας πάρα πολύ σημαντικός αριθμός απαιτήσεων HO και τα χαρακτηριστικά διάδοσης ενός κινητού μπορούν να βοηθήσουν ώστε να ανιχνευθεί η υψηλή ταχύτητά του χρήστη. Σχήμα 1.10 Παράδειγµα χρησιµοποίησης µικροκυψελών και κυψέλης οµπρέλας. Οι δρόµοι, που παρουσιάζουν μεγάλη κίνηση και έχουν γύρω τους ψηλά κτίρια, καλύπτονται µε μικροκυψέλες, ώστε να ικανοποιηθεί η αυξηµένη ζήτηση σε κανάλια και να υπάρξει επαρκής ραδιοκάλυψη. 1.3.2 Κυψελοειδής Κάλυψη(cell planning) Τα πρώτα συστήματα κινητής τηλεφωνίας δεν ήταν κυψελοειδή. Για την κάλυψη μιας μεγάλης περιοχής χρειαζόταν ένας ισχυρός πομπός και μια κεραία σε υψηλό μέρος. Δεν γινόταν επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα πολύ μικρή χωρητικότητα. Η ιδέα του κυψελοειδούς συστήματος προέκυψε από την ανάγκη επέκτασης του ραδιοτηλεφωνικού συστήματος για την κάλυψη της αυξημένης ζήτησης, η οποία δεν μπορούσε να ικανοποιηθεί απλά με την χρησιμοποίηση πρόσθετου φάσματος συχνοτήτων. Στην κυψελοειδή κάλυψη έχουμε αντικατάσταση των μεγάλων πομπών με πολλούς μικρότερους (100 Watt ή λιγότερο). Οι γειτονικοί σταθμοί βάσης λειτουργούν με διαφορετικές ομάδες καναλιών (συχνοτήτων). Η χωρητικότητα μπορεί να αυξηθεί με επιπρόσθετο διαμερισμό του φάσματος και της περιοχής. 18

Ονομάζουμε Κύτταρο ή κυψέλη (Cell) μια γεωγραφική περιοχή που καλύπτεται από ένα σταθμό βάσης και επαναχρησιμοποίηση συχνότητας (frequency reuse) το σχέδιο κατανομής των συχνοτήτων των καναλιών στους σταθμούς βάσης. Για λόγους ευκολίας τα κύτταρα απεικονίζονται με εξαγωνικό σχήμα. Το εξάγωνο είναι το απλούστερο σχήμα με το οποίο μπορούμε να ψηφοθετήσουμε μια επιφάνεια. Στην πράξη, τα κύτταρα δεν είναι εξάγωνα και οι σταθμοί βάσης δεν τοποθετούνται πάντοτε στο κέντρο των κυττάρων, αντίθετα οι περιοχές που καλύπτει κάθε σταθμός βάσης αλληλεπικαλύπτονται και είναι άμορφες (βλ. σχήμα 1.11). Θεωρητικό Κυψελοειδές Πραγματικό διάγραμμα πλέγμα διάγραμμα κάλυψης κυττάρων κάλυψης Σχήμα 1.11 Σχήμα 1.12 Πρότυπα κυψελών σε κέντρα πόλεων Στην κυτταρική τηλεφωνία κάθε κανάλι μπορεί να αντιστοιχεί σε διαφορετική συχνότητα (Frequency Division Multiple Access), σε διαφορετική οπή (Time Division Multiple Access) ή σε διαφορετικό κώδικα (Code Division Multiple Access). Επιπλέον κάθε χρήστης χρειάζεται δύο κανάλια: το ευθύ κανάλι (forward channel: για επικοινωνία από το σταθμό βάσης στο χρήστη) και το ανάστροφο κανάλι (reverse channel:από το χρήστη στο σταθμό βάσης). Τα δυο κανάλια 19

τοποθετούνται σε διαφορετικές συχνότητες (Frequency Division Duplexing) ή σε διαφορετικές οπές (Time Division Duplexing). Για να υπολογίσουμε τη χωρητικότητα του συστήματος χρειάζεται να ορίσουμε τα παρακάτω μεγέθη: έστω S:ο αριθμός διαθέσιμων καναλιών, k:ο αριθμός καναλιών ανά σταθμό βάσης, N=S/k:ο αριθμός σταθμών που χρησιμοποιούν όλα τα διαθέσιμα κανάλια, τότε Ν γειτονικές κυψέλες δημιουργούν μια συστάδα(cluster) και το Ν καλείται διάσταση συστάδας (cluster size), ενώ το 1/Ν καλείται συντελεστής επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων (frequency reuse factor). Εάν M: ο αριθμός συστάδων στο σύστημα τελικά θα είναι C=MkN=MS: η χωρητικότητα του συστήματος. 1.3.2.1 Επαναχρησιμοποίηση συ χνοτήτων και cell planning Η κύρια λειτουργία της κυτταρικής τηλεφωνίας αφορά στην επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Με την επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων (ή κωδίκων για το CDMA) αυξάνουμε την χωρητικότητα του συστήματος χωρίς να χρειαζόμαστε καινούργιο φάσμα συχνοτήτων. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με επαναχρησιμοποίηση των ίδιων καναλιών σε κυψέλες που είναι μακριά 10-50 κανάλια (TDM, FDM ή CDMA) ανά κυψέλη και με ελεγχόμενη ισχύ εκπομπής για περιορισμό της ισχύος του σήματος που διαφεύγει στις γειτονικές κυψέλες. Στο σημείο αυτό η σχεδίαση του κυττάρου (cell planning) θα καθορίσει τον αριθμό των κυψέλων που πρέπει να παρεμβληθούν ανάμεσα σε δύο κυψέλες που χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα. Οι δύο παράγοντες που περιορίζουν την επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων είναι: η παρεμβολή από κανάλι της ίδιας συχνότητας (Co-channel interference) και η παρεμβολή από γειτονικό κανάλι (adjacent-channel interference). Αρχικά θεωρώντας Α:την επιφάνεια μιας κυψέλης, οι χρήστες ανά επιφάνεια είναι k/α και μπορούμε να έχουμε απεριόριστα υψηλό αριθμό χρηστών, επιλέγοντας απεριόριστα μικρό μέγεθος κυψέλης. Προκύπτουν όμως δυο προβλήματα: οι μεταπομπές γίνονται πιο συχνές για μικρές κυψέλες και όσο μικραίνουν οι κυψέλες, το σχήμα τους γίνεται ολοένα και πιο απρόβλεπτο. Επιπλέον μια συστάδα μπορεί να αντιγραφεί περισσότερες φορές σε μια περιοχή αν τα κύτταρα γίνουν μικρότερα (σημειώστε ότι στην περίπτωση αυτή η ισχύς εκπομπής θα πρέπει να μειωθεί κατάλληλα). Έτσι επιτυγχάνουμε μεγαλύτερη χωρητικότητα. Οι επιτρεπτές τιμές για τη διάσταση συστάδας Ν είναι όλες οι τιμές της μορφής N=i 2 +ij+j 2, ενώ οι επιθυμητές τιμές της ποικίλουν. Καθώς το Ν μεγαλώνει οι συχνότητες που είναι διαθέσιμες σε κάθε σταθμό βάσης μειώνονται και λιγότεροι χρήστες μπορούν να εξυπηρετηθούν, ενώ και οι παρεμβολές μειώνονται. Η σωστή επιλογή του Ν δεν είναι απλή υπόθεση. Τα συστήματα CDMA συχνά επιλέγουν Ν=1,ενώ τα συστήματα TDMA/FDMA συχνά επιλέγουν Ν=4,7,9,12. Στη συνέχεια εξετάζουμε τo cell planning από την πλευρά της γεωμετρίας. Κύτταρα με 3 τομείς (βλ. σχήμα 1.13) είναι πολύ συνηθισμένα (κάθε τομέας είναι 120 0 ). Μερικοί ονομάζουν τους τομείς κύτταρα. Κύτταρα με 2 τομείς συνηθίζονται για την κάλυψη επαρχιακών αυτοκινητοδρόμων. Τα περισσότερα κύτταρα προσανατολίζονται έτσι ώστε ο ένας τομέας να είναι βορινός. 20

Σχήμα 1.13 Κύτταρα με τρεις τομείς. Κάθε χρώμα παριστάνει ένα διαφορετικό set συχνοτήτων. Στην αρχή τα κυτταρα είχαν εξαγωνικό σχήμα (βλ. σχήμα 1.14) και η κάλυψη του σταθμού βάσης ήταν πανκατευθυντική (omni-directional) (Α). Με την εφαρμογή της τμηματοποίησης, τα κυτταρα παίρνουν σχήμα ρόμβου (Β). Πολλοί σχεδιαστές, όμως, προτιμούν να δουλεύουν με κυτταρα εξαγωνικού σχήματος (C). Κλασσικο εξαγωνικο κυτταρο Τομεις σχηματος ρομβου Τομεις σχηματος εξαγωνου Σχήμα 1.14 Μορφές κυττάρων και τομείς. Κύτταρα ανά συστάδα =Ν Ακτίνα κυττάρου = R Αποσταση συσταδων = D (=απόσταση επαναχρησιμοποίησης) Συντελεστής επαναχρησιμοποίησης = 4 / 12 4 κύτταρα ανά συστάδα, Ν =4 3 τομείς ανά κύτταρο 12 ομάδες συχνοτήτων = 7 / 21 7 κύτταρα ανά συστάδα, Ν =7 3 τομείς Άννα κύτταρο 21 ομάδες συχνοτήτων Σχήμα 1.15 Παραδείγματα συστάδων. 21

Οι έννοιες της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων και του cell planning γίνονται αντι ληπτές άμεσα από το σχήμα 1.15. Ας δώσουμε όμως τώρα ένα παράδειγμα κατανομής συχνοτήτων βασισμένο στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα 1.16 Παράδειγμα κατανομής συχνοτήτων με συντελεστή επαναχρησιμοποίησης 7/21 Παράδειγμα: Ένα φάσμα συνολικού εύρους 33 MHz διατίθεται σε ένα σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί 2x25 khz για πλήρως αμφίδρομη (full duplex) επικοινωνία (δηλ. κάθε κανάλι επικοινωνίας έχει εύρος 50 khz). Ποιος είναι ο αριθμός των καναλιών ανά κύτταρο; Ο αριθμός καναλιών του συστήματος είναι: 33.000 KHz / 50 khz = 660 κανάλια Α. Για επαναχρησιμοποίηση με Ν=4 έχουμε 660/4 =165 κανάλια / κύτταρο Β. Για επαναχρησιμοποίηση με Ν=7 έχουμε: 660/7 = 95 κανάλια / κύτταρο Υποθέστε τώρα ότι 1 MHz φάσματος από τα 33 MHz διατίθεται για κανάλια έλεγχου. Κάθε κανάλι ελέγχου έχει εύρος επίσης 50 khz. Ο αριθμός καναλιών φωνής είναι 32.000 khz/ 50 khz = 640 κανάλια Α. Για Ν=4 έχουμε 640/4 =160 κανάλια φωνής + 5 κανάλια έλεγχου / κύτταρο Β. Για Ν=7 έχουμε: 640/7 = 91 κανάλια φωνής + 3 κανάλια έλεγχου / κύτταρο 22

Στο πλαίσιο της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων είναι απαραίτητο να υπολογίσουμε την ελάχιστη απόσταση μεταξύ γειτονικών κυττάρων με το ίδιο σύνολο καναλιών. Τα κύτταρα αυτά τα ονομάζουμε ομοιοκαναλικά. Η απόσταση D (απόσταση επαναχρησιμοποίησης) μεταξύ των ομοιοκαναλικών κυττάρων είναι: D i ij 2 2 Μια συστάδα μπορεί να παρασταθεί με ένα εξάγωνο ακτίνας R C. Η απόσταση μεταξύ των κέντρων των συστάδων είναι: Η ακτίνα Rc μιας συστάδας είναι: i 2 i j j 2 D Rc R 3 j 7 B G F A j C D B E G A C i G B C F D A E F D E Σχήμα 1.17 Παράδειγμα με Ν=7, είναι i=2 και j=1 οπότε D 2 = 2 2 + 2 + 1= 7 D=(R 3) 7 H επιφάνεια ενός εξαγώνου ακτίνας R είναι: Ο αριθμός των κυττάρων σε μια συστάδα είναι: N 6 3 R 4 3 3 2 R επιφανεια συσταδας C 2 D επιφανεια κυτταρου 3 3 2 3R R 2 3 3 2 2 2 Κατά συνέπεια οι δυνατές τιμές του Ν είναι 3, 4, 7, 9, 12 κ.λ.π. για απόσταση ομοιοκαναλικών κυττάρων (i,j) = (1,1), (0,2), (1,2), (0,3), (1,3). Επομένως ο λόγος q της απόστασης των ομοιοκαναλικων κυττάρων ως προς την ακτίνα του κυττάρου είναι 2 2 q D i ij j R 1 / 3 2 2 R i ij j 2 2 3 N 23

Η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων εξελίσσεται ραγδαία και έχουν ανακαλυφθεί και νέες τεχνικές με δυνατότητες όπως η αναπήδηση συχνότητας, ο έλεγχος ισχύος και η διακοπτόμενη εκπομπή. Ακόμα το σύστημα GSM/EDGE μπορεί να χρησιμοποιήσει πιο απαιτητικές αλλά αποδοτικές τεχνικές επαναχρησιμοποίησης, όπως αυτές στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.18 Εξελιγμένες τεχνικές επαναχρησιμοποίησης Το τελευταίο βήμα του celll planning ως προς την επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων αφορά στην κατανομή των καναλιών στα κύτταρα. Αυτή γίνεται με στόχο την ικανοποίηση των χρηστών. Για να είναι ευχαριστημένοι οι χρήστες, πρέπει να τους δίδεται ένα κανάλι μόλις το ζητήσουν. Συνήθως μια αποδεκτή πιθανότητα μη αποδοχής κλήσης είναι 2%, ενώ η ποιότητα εξυπηρέτησης που μεταβάλλεται με τον χρόνο και την τοποθεσία πρέπει να διατηρηθεί ομοιόμορφη σε όλο το σύστημα. Η τεχνική κατανομής καναλιών χρησιμοποιεί τρεις τύπους αλγόριθμων: α) Στατική διάθεση καναλιών [Fixed channel allocation FCA], β) Δυναμική διάθεση καναλιών [Dynamic channel allocation DCA], γ) Δανεισμός καναλιών [Channel borrowing] και δ) Συγκανάλωση [Trunking]. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε κάθε ένα ξεχωριστά. Στη σταθερή εκχώρηση καναλιών κάθε σταθμός βάσης λαμβάνει συγκεκριμένο υποσύνολο των διαθέσιμων συχνοτήτων (όπως είδαμε μέχρι τώρα). Όταν όλες οι συχνότητες ενός σταθμού βάσης χρησιμοποιούνται, οι επιπλέον χρήστες δεν εξυπηρετούνται, ακόμα και όταν υπάρχουν διαθέσιμα κανάλια σε γειτονικούς σ ταθμούς βάσης. Το διαθέσιμο φάσμα έχει εύρος W Ηz και κάθε κανάλι καταλαμβάνει εύρος Β Hz. Ο συνολικός αριθμός των καναλιών είναι: Nc = W/B. Για συστάδα μεγέθους N, ο αριθμός των καναλιών ανά κύτταρο είναι: Cc = Nc/N. Για ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού οι γειτονικοί σταθμοί βάσης μπορούν να δανείζουν / δανείζονται κανάλια, αλλά τότε αυξάνεται ο κίνδυνος παρεμβολών και ο σχεδιασμός του δικτύου περιπλέκεται. Η FCA είναι η 24

βέλτιστη μέθοδος κατανομής καναλιών για ομοιόμορφη κίνηση σε όλα τα κύτταρα. Μια μη ομοιόμορφη FCA στρατηγική είναι ακόμα πιο αποτελεσματική αν είναι δυνατόν να διαπιστωθεί η ποιότητα εξυπηρέτησης σε πραγματικό χρόνο και να ρυθμισθεί η διάθεση των καναλιών σύμφωνα μ αυτόν. Βέβαια, αυτό απαιτεί την χρησιμοποίηση πολύπλοκου αλγόριθμου κατανομής καναλιών. Στη δυναμική εκχώρηση καναλιών τα διαθέσιμα κανάλια δεν αντιστοιχούν σε συγκεκριμένους σταθμούς και κάθε σταθμός μπορεί θεωρητικά να τα χρησιμοποιήσει όλα. Όποτε έρχεται ένας χρήστης το σύστημα προσπαθεί να του βρει ένα κανάλι. Το κανάλι επιστρέφει στην δεξαμενή μόλις περατωθεί η κλήση. Η DCA είναι πιο ευέλικτη μέθοδος αλλά και πολύ πιο δύσκολη στην υλοποίηση. Για την τελευταία χρησιμοποιούνται πολλές ενδιάμεσες λύσεις όπως οι ημιστατικές εκχωρήσεις, όπου τα μισά κανάλια εκχωρούνται στατικά και τα υπόλοιπα δυναμικά. Επιπλέον ο αλγόριθμος του δανεισμού καναλιών δανείζει συχνότητες από κύτταρα μικρής κυκλοφορίας σε κύτταρα με μεγάλη κυκλοφορία. Και εδώ το κανάλι επιστρέφει μόλις περατωθεί η σχετική κλήση. Για παράδειγμα στο σχήμα 1.16 αν το κύτταρο D δανειστεί κανάλια από το κύτταρο Α, τα γειτονικά κύτταρα Α δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα κανάλια. G F B A E C D G G F B A A E C Σχήμα 1.19 Γειτονικά Κύτταρα Τέλος η συγκανάλωση ή αλλιώς ομαδοποίηση καναλιών είναι μια μέθοδος παροχής πρόσβασης σε χρήστες, κατόπιν αιτήσεως των, από μια δεξαμενή διαθέσιμων καναλιών. Με την συγκαναλωση ένας μικρός αριθμός καναλιών μπορεί να εξυπηρετήσει ένα μεγάλο πλήθος χρηστών. Οι τηλεφωνικές εταιρείες χρησιμοποιούν την θεωρία της συγκανάλωσης για να καθορίσουν τον αριθμό των κυκλωμάτων που πρέπει να φτάνουν σε ένα κτίριο. Γενικότερα, η θεωρία της συγκαναλωσης διερευνά πως ένας περιορισμένος αριθμός κυκλωμάτων μπορεί να εξυπηρετήσει έναν μεγάλο αριθμό χρηστών. 25

1.3.2.2 Βελτίωση Κάλυψης και Χωρητικότητας Στη παρούσα παράγραφο εξετάζουμε τεχνικές βελτίωσης της κάλυψης και αύξησης της χωρητικότητας. Το κόστος ε νός κυψελοειδούς συστήματος είναι ανάλογο του αριθμού των σταθμών βάσης (BS), ενώ τα έσοδα είναι ανάλογα του αριθμού συνδρομητών. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι: 1. Νέο φάσμα ακριβή λύση. Οι ζώ νες συχνοτήτων για κινητή τηλεφωνία έχουν πουληθεί (στις Η.Π.Α για $2 0B). 2. Αρχιτεκτονικές προσεγγ ίσεις: διαίρεση κύτταρων(cell splitting), τομεοποίηση κυττάρων(sectoring), διαμερισμός επαναχρησιμοποίησης(reuse partitioning), επικάλυψη κυττάρων(cel l overlay), χρήση επαναληπτών, ζώνες μικροκυττάρων. 3. Δυναμικός καταμερισμός καναλιών σύμφωνα με το φόρτο σε κάθε κυψέλη (ανομοιόμορφη κατανομή συχνοτήτων) και 4. Βελτίωση των τεχνολογιών πρόσβασης. Έπειτα θα αναλύσουμε τις αρχιτεκτονικές προσεγγίσεις δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στη διαίρεση κυττάρων και την τομεοποίηση. Διαίρεση κυττάρων [cell splitting] είναι η υποδιαίρεση του κυττάρου σε μικρότερα κύτταρα. Αυτό αυξάνει τον αριθμό των φορών που επαναχρησιμοποιούνται τα κανάλια. Αρχικά μειώνουμε την ακτίνα κυψέλης κατά ένα παράγοντα k. Μετά αυξάνουμε τον αριθμό κυψελών κατά ένα παράγοντα k 2. Στη συνέχεια μειώνουμε την εκπεμπόμενη ισχύ κατά k n, όπου n είναι ο εκθέτης με τον οποίο μεταβάλλεται η ισχύς με την απόσταση έτσι τελικά έχουμε τον ίδιο αριθμό καναλιών ανά κυψέλη, αλλά k 2 περισσότερα κανάλια ανά km 2! Για παράδειγμα, μείωση της ακτίνας στο ½ αυξάνει τον αριθμό των κυττάρων 4 φορές (υποδιαίρεση σε 4 κύτταρα). Σχήμα 1.20 Διαίρεση Κύτταρων Για να μην διαταραχθεί η ισορροπία του συστήματος και για να διατηρηθεί η τιμή του λόγου σήματος προς παρεμβολή, πρέπει να ελαττωθεί η ισχύς εκπομπής. 1. Ισχύς λήψεως [στο σύνορο του παλαιού κυττάρου] Pt1R-n 2. Ισχύς λήψεως [στο σύνορο του νέου κυττάρου] Pt2(R/2)-n 3. Η ισχύς λήψεως πρέπει να είναι ίση για να έχουμε τις ίδιες επιδόσεις Pt2= Pt1/2n, Π.χ. για n=4, Pt2= Pt1 / 16. Τα μειονεκτήματα του cell splitting αφορούν στη χρήση περισσότερων τοποθεσιών για σταθμούς βάσης, στις συχνές μεταπομπές και στη δύσκολη σταδιακή υλοποίηση. 26

Ας δούμε για παράδειγμα τη διαίρεση κυττάρων στο σχήμα 1.21 βλέπουμε ότι οι BS είναι στις τρεις γωνίες κάθε κυττάρου(τομεοποιηση). Ο BS Α έχει πολύ μεγάλη κίνηση και γι αυτό πλαισιώνεται από 6 νέους BSs, στους οποίους διανέμονται τα κανάλια με τον τρόπο που φαίνεται στο σχήμα. Έτσι ο νέος BS με το σύμβολο G τοποθετείται ακριβώς στο μέσον των δυο παλαιών BS με το ίδιο όνομα και έχει το ίδιο set συχνοτήτων. Σχήμα 1.21 Παράδειγμα Διαίρεσης Κύτταρων Λόγω των κοινών συχνοτήτων τα ομοιοκαναλικά κυτταρα δημιουργούν παρεμβολές. Αυτές αντιμετωπίζονται από την τομεοποίηση που αφορά στην κατευθυντικών κεραιών αντί ισοτροπικών. χρήση Σχήμα 1.22 Παράδειγμα τομεοποίησης 27

Αναλυτικά στο παράδειγμα του σχήματος 1.22: φαίνονται 3 τομείς των 120 0, το κινητό στο κεντρικό κύτταρο θα υποστεί παρεμβολή από δυο μόνο κύτταρα (και όχι από 6). Αυτό βελτιώνει τον λόγο φέροντος προς παρεμβολή κατά 5dB περίπου και μας επιτρέπει την ελάττωση του συντελεστή επαναχρησιμοποίησης που ισοδυναμεί με μείωση των σταθμών βάσης. Με την τομεοποίηση, κάθε τομέας είναι απλά ένα νέο κύτταρο. Χρειάζεται μεταπομπή μεταξύ τομέων. Οι κατευθυντικες κεραίες των σταθμών βάσης τοποθετούνται συνήθως στις παρυφές των κυττάρων. Και οι τρεις κεραίες των τομέων λαμβάνουν τα σήματα που εκπέμπει ένα κινητό. Ο σταθμός βάσης χρησιμοποιεί την κεραία με την καλύτερη λήψη για να εκπέμψει το σήμα. Η χρήση κατευθυντικών κεραιών για την εκπομπή μειώνει την παρεμβολή στα άλλα κυτταρα. Δυστυχώς η τομεοποίηση αυξάνει τις μεταπομπές, την πολυπλοκότητα του συστήματος και συνεπάγεται μειωμένη απόδοση της ομαδοποίησης των καναλιών. Όσο αφορά στη τεχνική της επικάλυψης κυττάρων, ξεχωρίζουμε από ένα σύνολο καναλιών πχ το Β ένα υποσύνολο το Β. Τα κανάλια του Β τα διαθέτουμε σε μία κυψέλη Β μονάχα σε απόσταση R/2 από το σταθμό βάσης(βλ. σχήμα 1.23).. Σχήμα 1.23 Επικάλυψη Κυττάρων Επίσης στην τεχνική χρήσης επαναληπτών κάθε επαναλήπτης επαναλαμβάνει ό,τι λαμβάνει σε ένα εύρος συχνοτήτων( bent pipes ). Πλεονεκτήματα της τεχνικής είναι η ύπαρξη σήματος σε ορισμένα δυσπρόσιτα μέρη (π.χ. μεγάλα κτίρια, υπόγεια, σταθμοί του μετρό), η ικανότητα εξασφάλισης μόνο με χρήση επαναληπτών ή σταθμών βάσης, η απλότητα και η οικονομικότητα των επαναληπτών που χρησιμοποιούνται. Μειονέκτημα είναι ότι δεν αυξάνεται η χωρητικότητα του συστήματος, ενώ αντίθετα αυξάνεται ο θόρυβος. 28

Σχήμα 1.24 Κατανεμημένο Σύστημα Κεραιών με Επαναλήπτες μέσα σε κτίριο Ολοκληρώνοντας αυτή την παράγραφο εξετάζουμε τη τεχνική των μικροζωνών. Οι μικροζώνες ή ζωνικές μικροκυψέλες έχουν δομή όπως αυτή του σχήματος 1.25. Σχήμα 1.25 Δομή Ζωνικών Μικροκυψελών 29

Τα πλεονεκτήματα της τεχνικής είναι α) πως το σήμα από το σταθμό βάσης έχει εξασθενήσει αρκετά πριν εγκαταλείψει την κυψέλη, β) τα κανάλια δεν μοιράζονται ανά κεραία, γ) δεν χρειάζονται μεταπομπές μέσα στην κυψέλη και δ) δεν μειώνεται η αποτελεσματικότητα της ομαδοποίησης καναλιών. Τα μειονεκτήματα είναι α) ότι ο σταθμός βάσης είναι πλέον κατανεμημένος, ενώ β) χρειάζονται και επιπλέον ζεύξεις. 30

Κεφάλαιο 2ο GSM και TETRA 2.1 GSM(Global System for Mobile Telecomunications) 2.1.1 Περιγραφή Συστήματος GSM 2.1.1.1 Ιστορία του GSM και των ασύρματων κυτταρικών κινητών επικοινωνιών Το GSM (σφαιρικό σύστημα για την κινητή επικοινωνία) είναι ένα ψηφιακό κυψελοειδές σύστημα επικοινωνιών, το οποίο λειτουργεί στην ζώνη των 900 MHz του ενεργού ράδιο-φάσματος. Αναπτύχθηκε προκειμένου να δημιουργηθούν κοινά ευρωπαϊκά πρότυπα κινητών τηλεφώνων αλλά έγινε γρήγορα αποδεκτό παγκοσμίως. Το GSM σχεδιάστηκε για να είναι συμβατό με τις υπηρεσίες ISDN. Η ιδέα των κύτταρο-βασισμένων κινητών ράδιο συστημάτων εμφανίστηκε στα Bell εργαστήρια (στις Η.Π.Α) στις αρχές της δεκαετίας του '70. Εντούτοις, τα κινητά κυψελοειδή συστήματα δεν εισήχθησαν για εμπορική χρήση μέχρι τη δεκαετία του '80. Κατά τις αρχές της δεκαετίας του '80, τα αναλογικά κυψελοειδή τηλεφωνικά συστήματα γνώρισαν ταχεία ανάπτυξη στην Ευρώπη, ιδιαίτερα στη Σκανδιναβία και το Ηνωμένο Βασίλειο, αλλά και στη Γαλλία και τη Γερμανία. Σήμερα τα κυψελοειδή συστήματα συνεχίζουν να αντιπροσωπεύουν ένα από τα πιο γρήγορα αναπτυσσόμενα συστήματα τηλεπικοινωνιών. Όμως στις αρχές των κυψελοειδών συστημάτων, κάθε χώρα ανέπτυξε το δικό της σύστημα, μια κατάσταση η οποία ήταν ανεπιθύμητη για τους ακόλουθους λόγους: Ο εξοπλισμός ήταν περιορισμένος για να λειτουργήσει μόνο μέσα στα όρια κάθε χώρας. Η αγορά για κάθε κινητό εξοπλισμό ήταν περιορισμένη. Προκειμένου να υπερνικηθούν αυτά τα προβλήματα, η Διάσκεψη των Ευρωπαϊκών Ταχυδρομείων και των Τηλεπικοινωνιών (Conference of European Posts and Telecommunications, CEPT) διαμόρφωσε, το 1982, μια ειδική επιστημονική ομάδα για θέματα κινητών επικοινωνιών, γνωστής ως Groupe Special Mobile (GSM), με σκοπό να αναπτυχθεί ένα πανευρωπαϊκό κινητό κυψελοειδές ράδιο σύστημα (ο όρος GSM έγινε αργότερα το ακρωνύμιο για το Σφαιρικό Σύστημα για την Κινητή Επικοινωνία). Το τυποποιημένο αυτό σύστημα έπρεπε να ικανοποιήσει ορισμένα κριτήρια: Υψηλή υποκειμενική ποιότητα φωνής Χαμηλό κόστος τερματικών και σταθμών βάσεων Αποδοτικότητα φάσματος Υποστήριξη για τη Διεθνής περιπλάνηση Υποστήριξη μιας σειράς νέων υπηρεσιών και δυνατοτήτων χρήστη Δυνατότητα να υποστηριχθούν οι νέες υπηρεσίες και τα φορητά τερματικά 31

Συμβατότητα με άλλα συστήματα όπως το ISDN (ψηφιακά δίκτυα ενοποιημένων υπηρεσιών) Αντίθετα με τα υπάρχοντα κυψελοειδή συστήματα, που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας αναλογική τεχνολογία, το σύστημα GSM αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας ψηφιακή τεχνολογία. Πλέον τα σήματα φωνής, η σηματοδοσία και ο έλεγχος λειτουργιών επεξεργάζονται ψηφιακά. Οι λόγοι για αυτήν την επιλογή εξηγούνται σε επόμενη παράγραφο. Το 1989, η ευθύνη για τις προδιαγραφές GSM μεταβιβάστηκε από τη CEPT στον οργανισμό Ευρωπαϊκού Ιδρύματος Προτύπων Τηλεπικοινωνιών (ETSI), και η 1 η φάση των προδιαγραφών GSM δημοσιεύθηκε το 1990, ενώ η παροχή εμπορικών υπηρεσιών άρχισε στα μέσα του 1991, και μέχρι το 1993 υπήρξαν 36 δίκτυα GSM σε 22 χώρες. Παρόλο που το GSM τυποποιείται στην Ευρώπη, δεν αποτελεί μόνο ένα ευρωπαϊκό πρότυπο. Πάνω από 200 δίκτυα GSM (συμπεριλαμβανομένου τα DCS1800 και PCS1900) λειτουργούν σε 110 χώρες σε όλο τον κόσμο. Στην αρχή του 1994, υπήρξαν 1,3 εκατομμύριο συνδρομητές παγκοσμίως, και ο αριθμός αυτός αυξήθηκε σε περισσότερο από 55 εκατομμύρια συνδρομητές μέχρι τον Οκτώβριο του 1997. Με τη Βόρεια Αμερική να κάνει μια καθυστερημένη είσοδο στον τομέα GSM με ένα δίκτυο αποκαλούμενο GSM PCS1900, τα συστήματα GSM υπάρχουν σε κάθε ήπειρο, και το ακρωνύμιο GSM πλέον αντιπροσωπεύει το σφαιρικό σύστημα για την κινητή επικοινωνία. Στόχος των προδιαγραφών GSM είναι να περιγράψουν τη λειτουργία και τις διεπαφές για κάθε συστατικό του συστήματος, και να παρέχουν τις οδηγίες σχετικά με το σχεδιασμό του συστήματος. Αυτές οι προδιαγραφές θα τυποποιήσουν έπειτα το σύστημα προκειμένου να εγγυηθούν την κατάλληλη αλληλεπίδραση μεταξύ των διαφορετικών του στοιχείων. Οι υπεύθυνοι για την ανάπτυξη του GSM επέλεξαν ένα αναπόδεικτο (μέχρι τότε) ψηφιακό σύστημα, σε αντιδιαστολή με τα προηγούμενα τυποποιημένα αναλογικά κυψελοειδή συστήματα, όπως το AMPS στις Ηνωμένες Πολιτείες και το TACS στο Ηνωμένο Βασίλειο. Είχαν τη πεποίθηση ότι η πρόοδος στους αλ γορίθμους συμπίεσης και τους επεξεργαστές ψηφιακών σημάτων θα επέτρεπε την εκπλήρωση των αρχικών κριτηρίων και τη συνεχή βελτίωση του συστήματος από άποψη ποιότητας και κόστους. Οι πάνω από 8000 σελίδες των συστάσεων GSM έχουν ως σκοπό να επιτραπεί ευελιξία και ανταγωνιστική καινοτομία μεταξύ των προμηθευτών, αλλά και να παρέχουν αρκετή τυποποίηση για να εγγυηθούν την κατάλληλη αλληλεπίδραση μεταξύ των συστατικών του συστήματος. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί παρέχοντας τη λειτουργικότητα και τις περιγραφές των διεπαφών για κάθε μια από τις λειτουργικές οντότητες που καθορίζονται στο σύστημα. Τα σημαντικότερα γεγονότα στην ανάπτυξη του συστήματος GSM παρουσιάζονται στον πίνακα 2.1. 32

Έτος 1982 1985 1986 1987 Γεγονότα Το CEPT συστήνει την επιστημονική ομάδα GSM προκειμένου να αναπτυχθούν τα πρότυπα για ένα πανευρωπαϊκό κυψελοειδές κινητό σύστημα Πραγματοποιείται υιοθέτηση ενός μεγάλου καταλόγου συστάσεων που παράγονται από την συσταθείσα ομάδα GSM Εκτελούνται δοκιμές σε διάφορους τομείς προκειμένου να εξεταστούν οι διαφορετικές ράδιο τεχνικές που θα προταθούν αργότερα για τη διεπαφή αέρα Η τεχνική TDMA επιλέγεται ως μέθοδος προσπέλασης (στην πραγματικότητα, θα χρησιμοποιηθεί μαζί με την τεχνική FDMA). Υπογράφεται από τους φορείς λειτουργίας τηλεπικοινωνιών (που αντιπροσωπεύουν 12 χώρες) το αρχικό υπόμνημα συμφωνίας (mou). 1988 Επικυρώνεται το σύστημα GSM 1989 Η ευθύνη των προδιαγραφών GSM περνούν στον οργανισμό ETSI 1990 Εμφανίζεται η 1 η φάση των προδιαγραφών GSM 1991 Πραγματοποιείται η εμπορική έναρξη της υπηρεσίας GSM 1992 Γίνεται διεύρυνση των χωρών που υπογράφουν το GSM και διευρύνεται κάλυψη των μεγαλύτερων πόλεων και αερολιμένων 1993 Ξεκινά η παροχή υπηρεσιών GSM σε περιοχές εκτός της Ευρώπης 1995 Ξεκινά η 2 η φάση των προδιαγραφών κάλυψης GSM στις αγροτικές περιοχές η Πίνακας 2.1. Γεγονότα στην ανάπτυξη του GSM Από την εξέλιξη του GSM, είναι σαφές ότι δεν αποτελεί μόνο ένα ευρωπαϊκό πρότυπο. Τα δίκτυα GSM είναι λειτουργικά ή προγραμματισμένα σε πάνω από 80 χώρες σε όλο τον κόσμο. Η γρήγορη και αυξανόμενη αποδοχή του συστήματος GSM διευκρινίζεται με τους ακόλουθους αριθμούς: 1.3 εκατομμύρια συνδρομητές GSM παγκοσμίως στην αρχή του έτους 1994, Πάνω από 5 εκατομμύριο συνδρομητές GSM παγκοσμίως στην αρχή του 1995, Πάνω από 10 εκατομμύρια συνδρομητές GSM μόνο στην Ευρώπη μέχρι το Δεκέμβριο του 1995. Μετά την εμφάνιση του GSM, αρχίζουν να αναπτύσσονται επιπρόσθετα ψηφιακά κινητά συστήματα. Ο πίνακας 2.2 απεικονίζει τα διαφορετικά κινητά κυψελοειδή συστήματα που αναπτύσσονται από την εμπορική έναρξη των κυψελοειδών συστημάτων. 33