Serviciile de telecomunicatii mobile si
Retelele Inteligente
Sistemul digital pan-european de telefonie mobila GSM (Global System for Mobile
Communications) este in prezent implementata in majoritatea tarilor din Europa
si in unele tari din Asia, Australia si Indonezia, rezultand o retea
cvasiuniversala care ofera servicii de comunicatii mobile pentru cca 300
milioane de persoane.
Introducerea serviciului GSM asigura economii majore si aduce beneficii atat
pentru fabricanti si operatori, cat si pentru utilizatori. Inca de la inceput,
sistemul GSM a fost conceput ca un sistem pur digital, fara vreun compromis de
dragul compatibilitati 23123i815x i cu alte sisteme existente. Standardul GSM a fost
elaborat de un grup de studii al Institutului European de Standardizare in
Telecommunicatii (ETSI), Grupul Special Mobil (GSM). Ulterior, administratiile
de telecomunicatii din cateva tari europene au semnat un "Memorandum de
Intelegere" (MoU) pentru a dezvolta si apoi comercializa, incepand cu
1991, sistemul GSM alaturi de sistemele radio celulare analogice existente.
Dezvoltarea sistemului GSM compatibil cu retelele digitale cu servicii
integrate (ISDN) reprezinta un pas major pentru evolutia retelelor de
telecomunicatii personale, punand la dispozitia utilizatorului un numar unic,
indiferent de locul geografic unde se afla.
In cadrul sistemului GSM au fost incorporate mai multe tehnologii si metode de
transmisie, cat si o tehnica de criptare eficienta privind identitatea
abonatilor si continutul convorbirii pentru protectia impotriva receptiei
neautorizate. Pentru controlul automat al transferului abonatilor mobili de la
o locatie la alta sunt utilizate baze de date specializate.
Serviciile asigurate de sistemul GSM includ:
- transmisii de voce, date si fax integrate intr-un singur sistem;
- transferul apelului catre un alt numar sau spre operatoare/serviciul automat
de mesaje (sistemul voice-mail);
- folosirea serviciului GSM atunci cand utilizatorul calatoreste in strainatate
(roaming);
- plasarea unor apeluri intr-o coada de asteptare atunci cand utilizatorul
telefonului mobil este ocupat sau nu doreste sa raspunda;
- indicatii detaliate privind apelurile (nume, numar chemator, durata, costul
convorbirii);
- realizarea de apeluri tip conferinta intre trei abonati;
- asigurarea unor servicii pentru un grup inchis de utilizatorii (CUG) si
impartirea utilizatorilor pe clase de abonati cu prioritati ierarhizate;
- serviciul de transmitere de mesaje scurte si apeluri de urgenta netaxabile;
- utilizarea unor "cartele inteligente" de marimea unor carti de
credit in care se afla stocate numarul (codul) echipamentului si numarul
abonatului.
Printre avantajele sistemului GSM fata de sistemele analogice:
- largimea de banda mai ingusta pentru un canal datorita utilizarii
algoritmilor de compresie a vocii;
- imbunatatirea calitatii transmisiei prin folosirea codurilor detectoare si
corectoare de erori;
- criptarea (cifrarea) semnalelor digitale pentru asigurarea securitatii si
protectiei la interceptarea nedorita.
Caracteristicile sistemului GSM
Sistemul GSM utilizeaza o combinatie de tehnici de acces la canalul radio:
multiplexarea in frecventa (FDMA - Frequency Time Division Multiple Access) si
multiplexarea in timp (TDMA - Time Division Multiple Access).
Initial, pentru sistemul GSM a fost alocata banda de 900 MHz, iar mai tarziu au
fost alocate frecvente si la
1 800 MHz pentru al doilea sistem care in esenta este similar cu GSM, numit DCS
(Digital Communication System la 1 800 MHz).
In cadrul GSM, fiecare celula deservita de o statie radio de baza (Base
Tranceiver Station - BTS) admite maximum 200 canale full-duplex.
Fiecare canal este constituit dintr-o frecventa purtatoare tur de la statia
mobila la statia de baza (up-link) in gama 890...915 MHz si o frecventa
purtatoare retur de la statia de baza la statia mobila, statia down-link in
gama 935...960 MHz. Fiecare banda de frecventa are o largime de 200 kHz.
Intr-un cadru TDMA sunt alocate 8 intervale de timp (time-slots) pentru
semnalele vocale sau de date. In cadrul benzii standard de 25 MHz alocata
pentru serviciile de telecomunicatii mobile, fiecare dintre cele 124 de canale
de frecventa suporta 8 conexiuni separate, utilizand multiplexarea prin
diviziunea timpului (TDMA), dand astfel posibilitatea alocarii celor 124 de
purtatoare la (teoretic) 992 de canale vocale sau de date. Pentru a evita
interferentele cu celulele vecine, multe canale nu sunt utilizate.
In prezent, se studiaza posibilitatea introducerii unui protocol de codare si
compresie a vocii, denumit "half rate speach coding", care permite
dublarea numarului de canale utilizate intr-o singura celula. Un cadru TDMA
este o secventa de 1 250 biti (informatii si semnalizare), transmisi pe canalul
radio in 8 ferestre (cuante) de timp.
Cuantele TDMA fac parte dintr-o ierarhie complexa de cadre, multicadre (26 sau
51 cadre TDMA), supercadre
(1 326 cadre TDMA) si hipercadre (2 048 cadre TDMA).
Un canal "fizic" dintr-un cadru TDMA poate purta diverse tipuri de
informatii care apartin unor canale "logice" diferite. Depinzand de
modul cum este facuta impachetarea, canalele logice vor avea o rata de
transmisie variind intre 114 biti/s si 22,8 kbiti/s.
Canalele logice sunt impartite in:
- canale de trafic;
- canale de control.
Canalele de trafic (TCH) transporta semnale vocale sau date codificate si pot
lucra la debitul maxim ("full-rate") de 22,8 kbiti/s sau injumatatind
("half-rate") de 11,4 kbiti/s, prin utilizarea numai a jumatate din
fereastra de timp alocata.
Un canal radio poate sa contina 8 canale de trafic "full-rate" sau 16
canale de trafic "half-rate", precum si orice combinatie posibila
intre cele doua moduri, cu conditia ca: 2 x nr. canale "full-rate" +
nr. canale "half-rate" = 16.
Canalele de control (CCH) contin date de semnalizare si sincronizare si se
impart la randul lor in:
- canale de control al difuzarii (broadcast) (BCCH) care sunt utilizate
continuu si contin date privind identitatea statiei de baza (Base Transceiver
Station - BTS) a ariei de localizare, precum si alte date.
Canalele BCCH sunt urmarite permanent de catre statiile mobile (Mobile Stations
- MS) in scopul localizarii si transferului controlului intr-o noua celula.
Canalele de Control Comun (CCCH) impartite in trei subcanale logice:
- canale de avertizare (Paging Channel - PCH), utilizate de statia de baza pentru
a anunta mesaje (apeluri) catre statiile mobile;
- canale de acces aleator (Random Channel - RACH) pentru a permite statiilor
mobile sa ceara acces pe un canal dedicat pe care poate initia o convorbire;
- canale de acordare a accesului (AGCH), prin care se anunta numarul canalului
de trafic acordat statiei mobile pentru convorbire.
Canalele de control dedicate asociate (ACCH) sunt alocate pentru utilizari
dedicate, specifice statiei mobile pentru reactualizarea localizarii,
inregistrarea (autentificarea) si stabilirea legaturii. Aceste canale logice
sunt folosite pe toata durata unui apel pentru raportarea masuratorilor
efectuate de statia mobila si semnalizarea transferului in alta celula.
Canalele ACCH se impart la randul lor, in functie de debitul de transmisie, in:
- canale lente (Slow ACCH - SACCH);
- canale rapide (Fast ACCH - FACCH).
Prin intermediul canalelor ACCH, fiecare BTS mentine o baza de date a statiilor
mobile inregistrate (Home Location Register), a statiilor mobile aflate
momentan in perimetrul deservit de aceasta la un moment dat (Visitor Location
Register).
Informatiilor necesare pentru mentinerea acestor baze de date sunt transmise
prin canalul de control dedicat.
Sistemul GSM utilizeaza mecanisme de protectie pentru eliminarea erorilor de
transmisie cauzat de fenomenul de
"fading" (disparitia semnalului) care poate sa afecteze canalele
radio:
- "intreteserea" bitilor, utilizata pentru a imprima un caracter
aleator erorilor de transmisie;
- utilizarea codurilor bloc convolutionale pentru indicarea la receptie a
erorilor;
- folosirea unui acelasi tip de decoder pentru toate tipurile de canale logice,
utilizand o schema unitara de codare si intreteserea bitilor;
- folosirea antenelor omnidirectionale pentru imbunatatirea calitatii semnalelor
transmise/ receptionate de catre BTS;
- utilizarea metodei de modulatie GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
realizeaza modularea purtatoarei sinusoidale cu salt de frecventa (FSK) cu faza
continua si deviatie minima de frecventa (indice de modulatie = 0,5), impulsul
purtator de semnal de date fiind de forma curbei lui Gauss.
Folosirea GMSK faciliteaza utilizarea unei benzi inguste de frecventa si
capabilitatea de detectie coerenta la receptie.
Arhitectura si functionarea retelei GSM
Modelul tipic al retelei GSM in care apar si componentele retelei inteligente,
este definit in numarul 6/1997 al revistei. Elementele de baza ale sistemului
GSM sunt:
- subsistemul retelei (Network Subsystem - NSS);
- subsistemul statiilor de baza (Base Station Subsystem - BSS), NSS contine
Centrul de Comutatie pentru abonatii mobili (MSC) si unitatile de inregistrare
(Registrul pentru Abonatii Locali - HLR) si Registrul pentru Abonatii
Vizitatori (VLR), Centrul pentru Autentificare (AVC) si Registrul pentru
Identificarea Echipamentelor (EIR). Centrul de Operare si Intretinere (OMC)
face parte, de asemenea, din NSS si contine interfetele cu operatorul uman,
precum si softul necesar pentru exploatare si intretinere.
Functiile principale ale MSC sunt:
- controlul apelurilor;
- semnalizarea catre PSTN (Reteaua Telefonica Comutata Publica), BTS si HLR;
- comutarea si routarea apelurilor;
- managementul resurselor;
- transferul semnalelor intre BTS - MSC, BTS - BTS, MSC - MSC;
- taxarea.
Registrele de apartenenta pentru abonatii locali/vizitatori (HLR/VLR) contin
baze de date cu informatii despre tipul abonatului (serviciile speciale la care
s-a abonat), informatia de localizare, numarul de identificare internationala a
abonatului mobil (IMSI), numarul de identificare unica a abonatului GSM in
planul de numerotatie PSTN/ISDN (MS-ISDN), informatii privind transferul in
alta celula, serviciul de roaming etc.
Centrul pentru Autentificare (AVC) contine parametrii de autentificare si cheia
cifrului de securitate si control al abonatului mobil.
Registrul pentru Identificarea Echipamentelor (EIR) este o baza de date care
contine informatii privind identitatea echipamentelor mobile pentru a preveni
furtul sau neplata abonamentului, precum si pentru a face posibila taxarea
celui care vorbeste, in cazul unei statii mobile folosita in comun de mai multi
abonati.
BSS contine:
- controlul statiei de baza (BSC);
- statia de baza (BTS);
- statia mobila (MS).
In cadrul sistemului GSM, controlul functionarii se distribuie intre BSC, BSS,
BTS si MS (deci intre toate elementele din sistem) prin intermediul
interfetelor standardizate;
- interfata radio UM, intre MS si BTS;
- interfata A intre MSC si PSTN.
Statia de baza (Base Transceiver Station - BTS) este un sistem de
emisie-receptie (transceiver) care contine intregul echipament necesar
comunicatiei radio duplex cu multiplexarea in timp (TDM).
O statie de baza poate acoperi maximum trei celule, depinzand de marimea
traficului din fiecare celula in parte. De la BTS semnalul este transmis catre
BSC (Controlerul Statiei de Baza). BSC este responsabil pentru functionarea
corecta a legaturii radio si de gestionarea resurselor radio. BSC stabileste
nivelul puterii semnalului de radio-frecventa emis de statia mobila si de
statia de baza, ia decizii cu privire la momentul in care trebuie initiat
procesul de transfer (handover) si stabileste care celula urmeaza sa preia
apelul.
Statia Mobila (MS) beneficiaza de implementarea unor concepte arhitecturale
performante originale care au la baza trei solutii tehnice interesante:
- concentrarea functiilor de codare/decodare de canal pe un singur circuit
integrat;
- utilizarea conversiei directe atat pe partea de emisie, cat si pentru cea de
receptie;
- arhitectura RISC (Reduced Instruction Set Code) pentru demodulator, maximizand
raportul intre performantele atinse, fiabilitate si cost.
Centrul de Comutatie pentru Abonatii Mobili (MSC) corespunde centralei
telefonice digitale din PSTN si controleaza una sau mai multe BSC, deci
concentreaza abonatii dintr-o zona geografica larga. MSC este responsabila
pentru controlul apelului (stabilirea, routarea, controlul si finalizarea
apelului) si este cuplat cu alte MSC in cadrul aceleiasi retele GSM. MSC poate
juca si rolul de poarta (gateway) catre alte retele GSM sau de alta natura (retele
de date, ISDN).
In cadrul modelului tipic al sistemului GSM din figura 1 se disting si
componentele retelei inteligente:
- Punctul de Comutare a Serviciilor (SSP) aflat intre centrele MSC;
- Punctul de Control al Semnalizarii (SCP), care contine Registrul de
Apartenenta al Abonatilor Locali (HLR) si alte registre (EIR si AVC);
- Punctul de Transfer al Semnalizarii (STP), prin intermediul caruia mai multe
SSP-uri pot accesa un SCP.
Conceptul de "abonat mobil" definit in reteaua GSM poate fi, de
asemenea, aplicat si in reteaua fixa PSTN/ISDN, asigurand abonatilor o
"mobilitate virtuala". Mobilitatea virtuala inseamna ca orice abonat
poate sa fie accesat prin intermediul unui singur numar (personal) de la orice
terminal, din orice punct al retelei fixe, prin programarea (inregistrarea)
acestui numar in acel terminal folosind cifratia in tonalitati (DTMF) sau o
cartela inteligenta.
Punctul comun de intersectie al celor doua retele (fixa si mobila) o reprezinta
Sistemul de Semnalizare nr. 7 pe Canal Comun (SS7) (dezvoltat de ITU-T), care
sta si la baza dezvoltarii Retelei Inteligente (IN) si asigura separarea
semnalizarii necesara controlului apelului de informatia utila pentru abonat
(voce si date).
In ambele tipuri de retele (fixe si mobile), "inteligenta" pentru
serviciile de telecomunicatii se concentreaza atat in echipamentul mobil, cat
si in nodurile retelei (in bazele de date), iar "motorul" care
permite operarea si administrarea celor doua retele este SS7, care asigura
localizarea in timp real a abonatilor si resurselor pentru serviciile
solicitate, routarea apelurilor si finalizarea acestora.
Reteaua GSM detine multe dintre caracteristicile Retelei Inteligente, definita
si standardizata de ITU-T. In cele mai multe cazuri, reteaua pentru abonatii
mobili se instaleaza si functioneaza separat de reteaua fixa (terestra), desi
pot exista conditii tehnice ca si cele doua retele sa constituie o singura
entitate, caz in care problema duplicarii resurselor ar avea o rezolvare
simpla.
Exista doua alternative:
- Un operator al unei retele publice terestre poate sa furnizeze servicii tip
GSM si IN pentru abonatii sai, in cazul in care aceasta decizie ar fi luata de
forurile guvernamentale, iar conditiile tehnice o permit. In acest scenariu, o
singura retea IN nationala ar asigura toate functiile necesare pentru abonatii
ficsi si mobili, precum si asigurarea "mobilitatii virtuale" in
cadrul retelei fixe.
- Un operator al retelei GSM care doreste sa implementeze acest sistem la un
cost minim nu ar avea motive sa implementeze toate serviciile IN, caci o parte
din ele ar putea fi platite de utilizatori ca servicii cu valoare adaugata de
la operatorul retelei fixe care are deja implementata IN, iar functionalitatea
registrelor HLR/VLR poate fi, de asemenea, asigurata in cadrul retelei fixe.
Ceea ce lipseste sunt doar canalele radio prin care se actualizeaza localizarea
terminalelor mobile. De asemenea, utilizatorul retelei fixe trebuie sa asigure
introducerea codurilor de la orice terminal telefonic care permite conectarea
unei cartele inteligente de tip SIM (Subscriber Identity Module) sau a unei
carti de credit daca echipamentul permite. In plus, accesul la bazele de date
prin intermediul SS7 este o cerinta esentiala.
Implementarea IN asigura proiectantilor de retele de telecomunicatii mai multe
optiuni privind modul in care pot fi aplicate diverse arhitecturi si topologii
pentru dezvoltarea retelelor fixe, retelelor mobile sau a ambelor tipuri de
retele. De asemenea, adoptarea acestor strategii de planificare poate fi interesanta
si pentru orice operator care administreaza un anumit tip de retea si doreste
sa implementeze celalalt tip in sistemul sau.
Odata cu implementarea IN in PSTN si extinderea SS7, operatorii de retele
radiocelulare isi pot concentra atentia de la functia de semnalizare si
comutatie la partea de transmisie prin interfata radio.
