Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych 312[02].Z2.03

Transkrypt

1 MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Grzegorz Lis Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych 312[02].Z2.03 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

2 Recenzenci: dr inŝ. Marian Jerzy Korczyński mgr inŝ. Zbigniew Miszczak Opracowanie redakcyjne: mgr inŝ. Ryszard Zankowski Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 312[02].Z2.03 Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik teleinformatyk. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

3 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania Łącze radiowe w systemach telefonii komórkowej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Procedury zachodzące w systemach GSM Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Przetwarzanie sygnału mowy w telefonii komórkowej GSM Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Układ terytorialny sieci telefonii komórkowej Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa sieci stałej i terminala abonenckiego w GSM Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Sprawdzian osiągnięć Literatura 64 2

4 1. WPROWADZENIE Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o budowie, działaniu i usługach sieci telefonii komórkowej GSM oraz konstrukcji elementów infrastruktury stałej i aparatów telefonicznych GSM, a takŝe w kształtowaniu umiejętności projektowania, eksploatowania, zarządzania i serwisowania urządzeń infrastruktury stałej i telefonów komórkowych GSM. W poradniku znajdziesz: wymagania wstępne wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŝ ukształtowane, abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika, cele kształcenia wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, materiał nauczania wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki modułowej, zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŝ opanowałeś określone treści, ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować umiejętności praktyczne, sprawdzian postępów, sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi opanowanie materiału całej jednostki modułowej, literaturę uzupełniającą. 3

5 312[02].Z2 Urządzenia i systemy telekomunikacyjne 312[02].Z2.01 Badanie urządzeń radiowo-telewizyjnych 312[02].Z2.02 Badanie systemów radiokomunikacyjnych 312[02].Z2.03 Eksploatowanie sieci telefonii komórkowych 312[02].Z2.04 Eksploatowanie telekomunikacyjnych systemów przewodowych Schemat układu jednostek modułowych w module 4

6 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: interpretować podstawowe pojęcia z zakresu elektroniki, czytać schematy ideowe i montaŝowe układów i podzespołów elektronicznych, wyjaśniać zjawiska związane z przesyłaniem sygnałów analogowych i cyfrowych, wyjaśniać zasady przetwarzania analogowo-cyfrowego sygnałów, wykonywać operacje logiczne i arytmetyczne na liczbach zapisanych w róŝnych kodach, wyjaśniać działanie mikroprocesora i jego bloków, wyjaśniać funkcje i zasady współpracy poszczególnych bloków systemu mikroprocesorowego, opisywać tryby pracy procesora, charakteryzować magistrale i sygnały sterujące mikroprocesora, wyjaśniać działanie układów wejścia/wyjścia, opisywać zasadę działania pamięci RAM i ROM, posługiwać się terminologią zawodową z zakresu telekomunikacji, wyjaśniać budowę i działanie systemów telekomunikacji przewodowej i bezprzewodowej, posługiwać się rysunkami, schematami i opisami dotyczącymi urządzeń i sieci telekomunikacyjnych, wykonywać montaŝ elementów i podzespołów urządzeń i sieci telekomunikacyjnych, uŝytkować systemy telekomunikacyjne oraz dokonywać ich przeglądów i napraw, stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŝarowej oraz ochrony środowiska. 5

7 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: posłuŝyć się pojęciami z zakresu systemów telefonii komórkowej, wyjaśnić budowę i działanie urządzeń składowych infrastruktury stałej w sieciach telefonii komórkowej, wyjaśnić budowę i działanie poszczególnych elementów składowych telefonów komórkowych, posłuŝyć się opisami, rysunkami i schematami przedstawiającymi architekturę oraz procedury działania systemów telefonii komórkowych, skonfigurować systemy operacyjne telefonów komórkowych, przeprowadzić montaŝ elementów, podzespołów i urządzeń naleŝących do infrastruktury stałej oraz stacji ruchomych w sieci telefonii komórkowej, wykonać przeglądy i regulacje urządzeń telefonii komórkowej, wykryć oraz usunąć usterki w telefonach komórkowych, wykonać pomiary parametrów elektrycznych i radiowych w urządzeniach sieci telefonii komórkowych, posłuŝyć się nazewnictwem anglojęzycznym dotyczącym systemów telefonii komórkowej, zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące obsługi systemów telefonii komórkowych. 6

8 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Łącze radiowe w systemach telefonii komórkowej Materiał nauczania Zakres częstotliwości przewidzianych dla GSM Standard GSM przewiduje podczas połączenia pełną transmisję dwukierunkową na niezaleŝnych kanałach częstotliwościowych (ang. Full-duplex) stąd dla kaŝdego połączenia przewidziane są kanały częstotliwościowe dla kierunku: stacja bazowa aparat telefoniczny (tzw. kanały w dół ) oraz kanały częstotliwościowe dla kierunku: aparat telefoniczny GSM stacja bazowa (tzw. kanały w górę ). KaŜdy jednokierunkowy kanał częstotliwościowy zarówno w paśmie 900 jak i 1800, ma szerokość 200 khz. Dla systemów GSM 900 oddano do dyspozycji pasmo częstotliwości MHz (kanały w górę) oraz pasmo MHz (kanały w dół). Natomiast dla systemów GSM 1800 częstotliwości te wynoszą: MHz (kanały w górę) oraz MHz (kanały w dół). Zakresy częstotliwości przewidziane dla GSM przedstawia rysunek nr 1. Rys. 1. Pasma częstotliwości [1, s. 23] Podczas trwania połączenia w kanale radiowym pomiędzy telefonem a stacją bazową, uŝyte są dwa kanały, zwane parą dupleksową : jeden dla kierunku w dół i jeden dla kierunku w górę. Moc i gęstość mocy w komunikacji radiowej. Transmisja sygnału w kanale radiowym odbywa się w jednym kierunku od anteny nadawczej do anteny odbiorczej. 7

9 W systemach GSM dla kanałów w dół antena nadawcza znajduje się w stacji bazowej, a antena odbiorcza w telefonie komórkowym. Natomiast dla kanałów w górę role anten są odwrotne: nadaje telefon komórkowy, a odbiera stacja bazowa. Z punktu widzenia jakości i poprawności transmisji waŝne są tu następujące parametry: częstotliwość fali nośnej, moc sygnału emitowanego przez izotropową (dookólną) antenę nadawczą, odległość pomiędzy antenami, warunki propagacji fal radiowych. Gęstość mocy na określonej powierzchni (tzw. Stopień napromieniowania sygnałem radiowym danej powierzchni) sygnałem pochodzącym od dowolnej anteny nadawczej, obliczamy ze wzoru: P G = 4πR gdzie: G gęstość mocy sygnału w danym miejscu [W/m 2 ], P moc sygnału emitowanego przez antenę nadawczą [W], R odległość od anteny nadawczej do analizowanego miejsca [m]. Wykres przedstawiający zaleŝność gęstości mocy od odległości od anteny nadawczej przedstawia rysunek nr 2. 2 Rys. 2. ZaleŜność poziomu mocy w funkcji odległości od anteny nadawczej [1, s.42] Na podstawie wartości gęstości mocy sygnału radiowego, dostarczanego do danego miejsca, obliczamy moc tego sygnału, dostarczanego do anteny odbiorczej, usytuowanej w analizowanym miejscu: 8

10 2 Gλ P odb = 4π gdzie: P odb moc sygnału odbieranego przez izotropową antenę odbiorczą [W], G gęstość mocy sygnału w danym miejscu [W/m 2 ], λ długość fali sygnału emitowanego [m]. Warunki propagacji sygnałów radiowych. NatęŜenie pola elektromagnetycznego sygnału emitowanego przez antenę nadawczą maleje wraz ze wzrostem odległości od ten anteny, ale takŝe zaleŝy od środowiska i tzw. warunków kanału radiowego. Współczynnik, określający, w jakim stopniu maleje natęŝenie pola elektromagnetycznego w róŝnych warunkach, jest następujący: 1/R 2 wolna przestrzeń, 1/R 3 teren podmiejski, 1/R 5 centrum miasta, 1/R 1.5 dukt uliczny. gdzie: R oznacza odległość od anteny nadawczej. Z powyŝszego wynika, Ŝe warunki propagacyjne pogarszają się wraz ze wzrostem liczby przeszkód na drodze sygnału radiowego. ZauwaŜamy takŝe, Ŝe tzw. dukt uliczny (ulica w centrum duŝego miasta z wysoką i szczelną zabudową po obu stronach) tworzy falowód i charakteryzuje się lepszymi warunkami propagacyjnymi dla sygnałów radiowych, niŝ wolna przestrzeń. Tabela nr 1 prezentuje przykładowe poziomy sygnałów odbieranych w róŝnych odległościach i warunkach propagacyjnych, jeŝeli w odległości 10 m od nadajnika poziomy mocy są identyczne i wynoszą 31 dbm. Tabela 1. Przykładowe poziomy mocy w róŝnych odległościach i warunkach propagacyjnych [1, s. 46] 9

11 Anteny dookólne i kierunkowe w komunikacji radiowej Analiza parametrów sygnału radiowego przedstawiona wyŝej dotyczy anten izotropowych, których kształt przypominać powinien kulę, a zdolność nadawania lub odbioru sygnałów radiowych jest identyczna we wszystkich kierunkach. W komunikacji radiowej bardzo często waŝny jest określony kierunek transmisji sygnałów, związany z lokalizacją anten nadawczej i odbiorczej. Emitowanie sygnału przeznaczonego dla jednej określonej anteny odbiorczej, znajdującej się w ustalonym miejscu, we wszystkich kierunkach jest nie tylko nieekonomiczne, ale takŝe niepotrzebnie zakłóca sygnały radiowe, pochodzące od innych systemów radiokomunikacyjnych. W związku z tym wykorzystuje się w komunikacji radiowej anteny kierunkowe, których przykłady przedstawione są na rysunku nr 3. Rys. 3. Przykłady anten kierunkowych [1, s. 48] Parametrem charakterystycznym dla anten kierunkowych, odróŝniającym je od analogicznych anten dookólnych jest zysk kierunkowy podawany w decybelach [db], który definiujemy jako stosunek poziomów mocy sygnałów emitowanych z porównywanych anten: izotropowej i kierunkowej, pozwalających na uzyskanie na identycznej powierzchni terenu w identycznej odległości od porównywanych anten nadawczych, takiej samej gęstości mocy sygnałów nadawanych przez te anteny. Tabela prezentująca przykładowe parametry anten kierunkowych w porównaniu do analogicznej anteny izotropowej, w tym pokazująca zysk kierunkowy, przedstawia tabela 2. Tabela 2. Przykładowe parametry anten kierunkowych [1, s.85] Rodzaj anteny Idealna (izotropowa) Rysunek Szerokość wiązki 360 w poziomie i pionie Zysk Kierunkowy RównowaŜność mocy sygnału nadawanego Typowe zastosowanie 0 db 10 W Kierunkowa 3a db 1 W Kierunkowa 3b 5 30 db 0,01 W Dookólna 3c 350 w poziomie i w pionie 3 db 5 W Komórki sektorowe Linie radiowe punkt punkt Telefony komórkowe, komórki dookólne 10

12 Zwielokrotnienie czasowe podczas transmisji radiowej w GSM KaŜdy kanał częstotliwościowy w GSM (zarówno ten w górę jak i w dół ma szerokość 200 khz. Podczas połączeń moŝe być on wykorzystywany jednocześnie przez 8 telefonów: występuje tu zwielokrotnienie czasowe zasobów tego kanału (ang. TDM). Mówimy, Ŝe na jednym kanale częstotliwościowym pracuje 8 kanałów rozmównych (uŝytkowych). Organizacja wykorzystania kanału częstotliwościowego jest następująca (posłuŝymy się tu przykładowym kanałem w dół): Antena nadawcza stacji bazowej na określonej częstotliwości (w określonym kanale częstotliwościowym) emituje kolejno ramki czasowe, z których kaŝda trwa 4 ms. Stacja bazowa emituje 250 ramek w czasie kaŝdej sekundy. KaŜda z ramek składa się z 8 szczelin czasowych, kaŝdej o czasie trwania 0.5 ms. W kaŝdej ze szczelin czasowych stacja bazowa przesyła pakiet danych, przy czym kolejne pakiety, umieszczone w poszczególnych szczelinach czasowych, przeznaczone są dla innych odbiorców (telefonów GSM). KaŜdy z 8 aktywnych telefonów GSM, pracujących na tym kanale radiowym, obserwuje ustaloną dla siebie szczelinę czasową i odbiera pakiety nadchodzące w tej szczelinie, ignorując pakiety pozostałe. MoŜna więc powiedzieć, Ŝe kaŝdy z aktywnych (pozostających w stanie połączenia) telefonów GSM odbiera w czasie kaŝdej sekundy 250 pakietów, przeznaczonych wyłącznie dla niego. Aby zapewnić drugi kierunek transmisji w połączeniu, kaŝdy z aktywnych telefonów jednocześnie nadaje w określonym kanale częstotliwościowym w górę i w odpowiedniej szczelinie czasowej 250 podobnych pakietów danych, kaŝdy równieŝ o czasie trwania 0.5 ms. Ideę wspólnego wykorzystania wspólnego kanału częstotliwościowego dla 8 rozmówców przedstawia rysunek nr 4. Rys. 4. Zasada wykorzystania wspólnej częstotliwości dla ośmiu uŝytkowników (TDM) [1, s. 98] 11

13 Aby antena nadawcza i odbiorcza telefonu GSM nie zakłócały się wzajemnie, standard GSM przewiduje, Ŝe szczelina czasowa, w której telefon nadaje swój pakiet jest opóźniona o 3 szczeliny w stosunku do tej, w której telefon odbiera przeznaczony dla niego pakiet. PowyŜszy opis pokazuje, Ŝe kaŝdy z aktywnych telefonów GSM odbiera oraz nadaje (emituje) sygnały jedynie w 1/8 czasu trwania połączenia (pozostałe 7/8 czasu wspólny kanał częstotliwościowy przeznaczony jest dla pozostałych 7 uŝytkowników tego kanału). Moc i poziom mocy sygnałów radiowych. W radiokomunikacji stosuje się pojęcie mocy sygnału nadawanego lub odbieranego, gdzie jednostką jest wat [W], a takŝe pojęcie poziomu mocy sygnału, gdzie jednostką jest decybel mocy [dbm]. Zakładamy, Ŝe moc o wartości jednego miliwata [1 mw] odpowiada poziomowi mocy zera decybeli mocy [0 dbm]. PowyŜsze pozwala nam przeliczać moc na poziom mocy i odwrotnie, zgodnie z potrzebami. Przykładowe moce i poziomy mocy sygnałów odebranych przedstawia tabela nr 3. Tabela. 3. Przykładowe moce i poziomy mocy sygnałów odebranych [1, s. 103] Przypomnijmy jeszcze, Ŝe wzmocnienie lub tłumienie sygnałów, które standardowo obliczamy jako stosunek mocy tych sygnałów na wejściu i wyjściu danego wzmacniacza (tłumika), a jednostką takiego wzmocnienia (tłumienia) jest wat przez wat [W/W], obliczamy takŝe przy uŝyciu skali logarytmicznej, gdzie jednostką wzmocnienia (tłumienia) będzie decybel [db]. Przykładowe wartości wzmocnienia (tłumienia), czyli stosunku mocy na wejściu i wyjściu w [W/W] oraz [db] przedstawia tabela 4. 12

14 Tabela. 4. Przykładowe wartości wzmocnienia lub tłumienia w jednostkach liniowych i logarytmicznych [1, s. 112] Problemy radiokomunikacyjne w systemach telefonii komórkowej. NajwaŜniejsze negatywne zjawiska, jakie towarzyszą transmisji sygnałów za pośrednictwem fal radiowych, to: propagacja wielodrogowa związana z uginaniem się oraz odbijaniem się fal o przeszkody, efekt cienia radiowego, efekt Dopplera. Krótko omówimy kaŝde z zagadnień. Propagacja wielodrogowa występuje podczas transmisji sygnałów radiowych w związku z występowaniem na drodze sygnału takich przeszkód, jak budynki, samochody, elementy ukształtowania terenu, itp. W związku z tym poszczególne promienie sygnału ulegają odbiciu, ugięciu i rozpraszaniu, co powoduje, Ŝe sygnał docierający do odbiornika jest wypadkową wielu sygnałów, które co prawda pochodzą z tego samego źródła, ale pokonały róŝne drogi. Powoduje to, Ŝe układy dekodujące odebrany sygnał muszą być rozbudowane i zaawansowane technologicznie. Efekt cienia radiowego powiązany jest z propagacją wielodrogową sygnałów radiowych. Zdarza się, Ŝe do odbiornika docierają sygnały wysłane z nadajnika, ale charakteryzujące się róŝnymi amplitudami oraz fazą, jako efektami wielu róŝnych dróg transmisji tego samego sygnału. JeŜeli zdarzy się, Ŝe dwa sygnały są zgodne w fazie, wtedy ich amplitudy sumują się i uzyskujemy poprawę warunków odbioru. Gdy jednak występuje duŝe przesunięcie fazowe, a w szczególnym przypadku przesunięcie to zbliŝy się do wartości 180 stopni, (mówiąc inaczej przesunięcie wyniesie połowę długości transmitowanej fali), to sygnały będą w przeciwfazie, a w związku z tym ich wzajemne nałoŝenie się na siebie spowoduje całkowite lub prawie całkowite wytłumienie sygnału. Wówczas warunki odbioru są złe. Dodajmy, Ŝe w przypadku fali z zakresu 900 MHz, długość fali λ wynosi około 33 cm, czyli szkodliwe przesunięcie fal, to itp. 17cm, natomiast w przypadku fali z zakresu 1800 MHz, długość fali λ wynosi około 17 cm, a szkodliwe przesunięcie fal wzniesie itp. 9 cm. JeŜeli w związku z tym telefon GSM znajduje się itp. w samochodzie jadącym z prędkością 80 km/h, to jego antena odbiorcza wpada w zanik co 3 7 ms zaleŝnie od pasma częstotliwości, a więc kilkaset razy na sekundę. Zjawisko to nazwiemy zanikami szybkozmiennymi. Efekt cienia radiowego prezentuje rysunek nr 5. 13

15 Rys. 5. Efekt cienia radiowego [1, s. 143] Efekt Dopplera, to zjawisko zmiany częstotliwości sygnałów w stosunku do częstotliwości załoŝonych, emitowanych przez źródła poruszające się. ZałóŜmy, Ŝe telefon komórkowy nadaje sygnał radiowy o częstotliwości f 1, sygnał ten rozchodzi się w środowisku z prędkością u 1 (najczęściej zbliŝoną do prędkości światła), ale sam telefon porusza się z prędkością v 1 (itp. rozmówca jedzie samochodem), to częstotliwość tego sygnału, odebranego przez stację bazową, będzie się róŝnić od f 1 i będzie równa: f 2 = (f 1 * u 1 )/(u 1 -v 1 ) jeŝeli samochód zbliŝa się do stacji bazowej, lub f 2 = (f 1 * u 1 )/(u 1 +v 1 ) jeŝeli samochód oddala się od stacji bazowej. W związku z ww. zjawiskiem telefon GSM zmuszony jest na bieŝąco kontrolować własną prędkość w stosunku do stacji bazowej i odpowiednio przestrajać własne obwody, aby emitowany przez niego sygnał był poprawnie odbierany przez stację bazową. Podobnie telefon zmuszony jest na bieŝąco przestrajać własne obwody odbiorcze, aby poprawnie odbiera strumień danych (pakiety). Dla przykładu, w paśmie 900 MHz, jeŝeli telefon porusza się z prędkością 60 km/h, przesunięcie pasma częstotliwości dla sygnałów radiowych wynosi 50 Hz. Budowa pakietu danych w GSM Pakiet danych jest standardową i zunifikowaną jednostką informacyjną, jaka przesyłana jest w kanale radiowym od stacji bazowej do telefonu i od telefonu do stacji bazowej. Pakiet jest słowem binarnym o długości 148 bitów, które jest transmitowane w czasie 0,5 ms. Pakiet składa się z trzech części: 57 bitów danych, potem 26 bitów tzw. sekcji treningowej, a następnie drugie 57 bitów danych. Wynika z tego, Ŝe w jednym pakiecie udaje się przesłać tylko 114 bitów danych (informacji uŝytkowych). Sekcja treningowa, to doskonale znany nadawcy i odbiorcy ciąg 26 bitów, który pozwala odbiorcom upewnić się, Ŝe pakiet został przesłany prawidłowo, a zakłócenia zewnętrzne nie spowodowały przekłamać na poszczególnych pozycjach (bitach). Ponadto warto zauwaŝyć, Ŝe sekcja treningowa umieszczona jest w środku kaŝdego pakietu, co pozwala sądzić, Ŝe jeŝeli środkowa część pakietu przesłana jest bezbłędnie, to zarówno część poprzedzająca, jak i następująca po tej sekcji równieŝ przesłana jest poprawnie. Struktura logiczna pakietu przedstawiona jest na rysunku nr 6. 14

16 Rys. 6. Struktura logiczna pojedynczego pakietu [1, s. 149] Estymacja parametrów kanału radiowego PoniewaŜ warunki propagacyjne dla telefonii komórkowych ciągle się zmieniają (szczególnie jest to powodowane przede wszystkim przemieszczaniem się abonentów, którzy pozostają w stanie aktywnym i uczestniczą w połączeniach), w systemie GSM występuje procedura ciągłego analizowania warunków propagacyjnych (lub prościej: analizowania parametrów kanału radiowego) i ciągłe dostosowywanie się do tych warunków. Proces ten nazywa się korekcją adaptacyjną lub estymacją parametrów kanału radiowego i jest wykonywany zarówno przez stacje bazowe, jak i telefony komórkowe, na bieŝąco, podczas kaŝdego połączenia. W procesie tym waŝną rolę odgrywa ciąg 26 bitów, zwany sekcją treningową. Zasada działania korekcji adaptacyjnej jest następująca: pakiet informacyjny dzielony jest na 3 odcinki, które nazwane są kolejno: X 1 (57 bitów), X 0 (sekcja treningowa 26 bitów) i X 2 (57 bitów). JeŜeli cechy kanału radiowego zdefiniujemy ogólnie jako Y, to po przesłaniu w tym kanale pakietu informacyjnego X 1 X 0 X 2, gdzie kaŝda jego część ulegnie wpływom Y, do odbiorcy dotrze zmieniony nieco pakiet o treści Z 1 Z 0 Z 2, przy czym Z 1 = X 1 *Y, Z 0 = X 0 *Y, Z 2 = X 2 *Y. JednakŜe sekcja treningowa X 0 jest znana stronie odbiorczej i wie ona, jakie bity powinny do niej dotrzeć w ramach środkowej części pakietu o długości 26 bitów. Strona odbiorcza, znając poprawną sekcję treningową X 0 oraz odebraną sekcję treningową Z 0 jest w stanie oszacować (obliczyć) warunki kanału radiowego: Y = Z 0 / X 0, 15

17 Wartość Y pozwoli teraz na poprawne odczytanie obydwu 57-bitowych części informacyjnych pakietu X 1 i X 2 : X 1 = Z 1 *X 0 /Z 0, X 2 = Z 2 * X 0 /Z 0 Proces ten jest realizowany przez działania matematyczne na wielomianach o współczynnikach 0 i 1 reprezentujących poszczególne wartości bitów. Dodać naleŝy, Ŝe proces ten odbywa się po stronie odbiorczej (stacja bazowa dla kanału w górę oraz telefon komórkowy dla kanału w dół ) 250 razy na sekundę, czyli odrębnie dla kaŝdego przesyłanego pakietu. Omówioną procedurę wykonuje korektor kanału radiowego w stacji bazowej oraz telefonie komórkowym Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są główne załoŝenia organizacji kanałów radiowych w GSM? 2. Jaki typ łączności w kanale radiowym przewiduje standard GSM? 3. Jakie są główne parametry łącza radiowego w telefonii komórkowej GSM. 4. W jaki sposób zdefiniujesz pojęcie dotyczące transmisji sygnałów radiowych: moc, poziom mocy, gęstość mocy. 5. Jak zmienia się gęstość mocy w funkcji odległości od anteny nadawczej? 6. Jaka jest zaleŝność mocy odbieranej przez antenę odbiorczą od gęstości mocy? 7. Jaka jest zaleŝność pomiędzy mocą sygnału a poziomem mocy? 8. Co oznacza pojęcie antena izotropowa? 9. Co to jest zysk kierunkowy anteny? 10. W jaki sposób w telefonii komórkowej GSM wykorzystano technologię TDM? 11. Na czym polega efekt cienia radiowego? 12. Na czym polega efekt Dopplera? 13. Jaka jest wielkość oraz zawartość pakietu w GSM? 14. Na czym polega korekcja adaptacyjna w kanale radiowym w GSM? 15. Co to jest estymacja parametrów kanału radiowego w GSM? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Oblicz gęstość mocy sygnału nadawanego przez maszt telefonii komórkowej w paśmie 900 MHz, znajdujący się poza terenem miejskim. Obserwator znajduje się w odległości: a) 1 km, b) 2 km od anteny nadawczej. Moc sygnału nadawanego przez izotropową antenę nadawczą wynosi 100 W. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŝność pozwalającą na obliczenie gęstości mocy sygnałów, 16

18 3) ustalić, jaka jest wartość zysku kierunkowego anteny nadawczej, 4) dokonać obliczenia gęstości mocy w odległości 1 km od anteny odbiorczej, 5) dokonać obliczenia gęstości mocy w odległości 2 km od anteny odbiorczej, 6) porównać otrzymane wyniki, 7) przeanalizować wyniki pod kątem dopuszczalnego poziomu mocy wg IRPA, 8) sformułować odpowiedź i wnioski. WyposaŜenie stanowiska pracy: zeszyt, długopis, kalkulator, wzór na gęstość mocy, literatura. Ćwiczenie 2 Wyznacz moc i poziom mocy sygnału dostarczanego do izotropowej anteny odbiorczej, znajdującej się w odległości a) 1 km, b) 2 km od nadajnika GSM. Pozostałe parametry pobierz z ćwiczenia 1. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŝność pozwalającą na obliczenie mocy sygnału radiowego dostarczanego do anteny odbiorczej oraz odpowiadającego jej poziomu mocy, 3) dokonać obliczenia mocy odbieranej w odległości 1 km od anteny nadawczej, 4) dokonać obliczenia mocy odbieranej w odległości 2 km od anteny nadawczej, 5) dokonać obliczenia poziomu mocy odbieranej w odległości 1 km od anteny nadawczej, 6) dokonać obliczenia poziomu mocy odbieranej w odległości 2 km od anteny nadawczej, 7) porównać otrzymane wyniki, 8) przeanalizować wyniki, 9) sformułować odpowiedź i wnioski. WyposaŜenie stanowiska pracy: zeszyt, długopis, kalkulator, wzór na gęstość mocy, literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 3 Oblicz wymagane odstrojenie odbiornika radiowego telefonu GSM od częstotliwości nośnych 950 MHz i 1850 MHz w sytuacji, gdy telefon odbierający sygnały a) znajduje się w spoczynku, b) porusza się z prędkością 50 km/h w kierunku do anteny nadawczej, c) porusza się z prędkością 50 km/h w kierunku od anteny nadawczej, d) porusza się z prędkością 100 km/h w kierunku do anteny nadawczej, e) porusza się z prędkością 100 km/h w kierunku od anteny nadawczej. 17

19 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać wszystkie posiadane dane liczbowe niezbędne do wykonania zadania, 2) zapisać zaleŝności pozwalające na obliczenie przesuniętych częstotliwości nośnych, 3) dokonać obliczeń przesuniętych częstotliwości nośnych, 4) porównać otrzymane wyniki, 5) przeanalizować wyniki, 6) sformułować odpowiedź i wnioski. WyposaŜenie stanowiska pracy: zeszyt, długopis, kalkulator, wzór na gęstość mocy, literatura zgodna z punktem 6 poradnika. Ćwiczenie 4 Sprawdź, jaka jest poprawna treść przesłanego pakietu informacyjnego X 1 X 0 X 2, którego poszczególne segmenty rozpoznane przez obwody wejściowe odbiornika są następujące: Z 1 = Z 2 = natomiast sekcja treningowa zamiast ciągu ma postać Sposób wykonania ćwiczenia X 0 = Z 0 = Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wyznaczyć poprawną wartość sekcji treningowej X 0, 2) wyznaczyć ciąg charakteryzujący parametry kanału radiowego Y, 3) na podstawie otrzymanego ciągu Z 1 obliczyć poprawną sekcję X 1, 4) na podstawie otrzymanego ciągu Z 2 obliczyć poprawną sekcję X 2, 5) zapisać pełną treść poprawnego pakietu informacyjnego. WyposaŜenie stanowiska pracy: zeszyt, długopis, komputer osobisty, literatura zgodna z punktem 6 poradnika. 18

20 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) określić główne załoŝenia i parametry dotyczące organizacji kanałów radiowych w GSM? 2) scharakteryzować typ łączności radiowej występujący w sieci telefonii radiowej? 3) wymienić główne parametry kanału radiowego w GSM? 4) scharakteryzować i zastosować pojęcia związane z transmisją w kanale radiowym: moc, poziom mocy, gęstość mocy? 5) określić główne typy anten nadawczych i odbiorczych? 6) scharakteryzować pojęcie: zysk kierunkowy anteny? 7) omówić wykorzystanie technologii TDM w systemach telefonii komórkowej? 8) scharakteryzować zjawiska związane z transmisją w kanale radiowym: efekt cienia radiowego i efekt Dopplera? 9) omówić zawartość i wielkość pakietu danych w standardzie GSM? 10) omówić pojęcie korekcji adaptacyjnej w komunikacji radiowej w GSM? 19

21 4.2. Procedury zachodzące w systemach GSM Materiał nauczania Podpis elektroniczny Telefonia komórkowa świadczy usługi telekomunikacyjne abonentom mobilnym (bezprzewodowym), gdzie naduŝycia są dalece bardziej prawdopodobne, niŝ w przypadku telefonii stałej. W związku z tym autorzy standardów GSM połoŝyli duŝy nacisk na zabezpieczenia systemu: ochrona systemu przed dostępem do usług przez osoby niepowołane, ochrona danych dotyczących abonentów, ochrona informacji o połoŝeniu abonenta, ochrona treści rozmów telefonicznych i treści przesyłanych plików, moŝliwość blokowania telefonów przez system. Z załoŝenia system GSM ma być odporny zarówno przed włamywaczem zewnętrznym, jak i włamywaczem wewnętrznym (itp. nieuczciwym pracownikiem operatora telefonii komórkowej). W celu jednoznacznej identyfikacji telefonu GSM Ŝądającego obsługi przez system (a właściwie jedynie identyfikacji karty SIM abonenta), zastosowano w telefonii komórkowej procedurę podpisu elektronicznego. Definicja ten procedury w GSM jest następująca: podpis elektroniczny pozwala przesłać drogą elektroniczną takie informacje, które potwierdzą jednoznacznie o autentyczności nadawcy (tu: telefonu komórkowego). Aby przybliŝyć tę procedurę, przypomnijmy, kaŝdy operator telefonii komórkowej uŝywa odrębnego, tajnego algorytmu kryptograficznego A3, który zapisany jest w sposób zaszyfrowany w kaŝdej karcie SIM naleŝącej do tego operatora oraz takŝe zapisany jest, równieŝ w sposób zaszyfrowany, w centrum identyfikacyjnym AuC tego operatora. Ponadto kaŝda karta SIM posiada indywidualne hasło H, zapisane tam równieŝ w postaci zaszyfrowanego ciągu zero jedynkowego. Dodajmy, Ŝe zarówno A3 jak i H są niemoŝliwe do odczytania. Przebieg procedury jest następujący: kiedy dany telefon GSM zaŝąda obsługi przez sieć, AuC losuje pewien ciąg binarny (nazwijmy go X) i przesyła do telefonu GSM. Telefon, po odebraniu liczby X, korzystając z tajnego hasła H oraz wykorzystując tajny algorytm A3 wykonuje pewne operacje matematyczne i oblicza wartość liczby Y, po czym odsyła tę wartość, jako swoją odpowiedź, do AuC. Centrum identyfikacyjne (jest to gigantyczny i dobrze chroniony komputer) w tym samym czasie, niezaleŝnie od telefonu GSM równieŝ oblicza wartość Y. Ostatnim etapem, jaki wykonuje AuC jest porównanie wyników Y: własnego i otrzymanego od telefonu GSM. JeŜeli wyniki są identyczne, potwierdza to autentyczność karty SIM abonenta (autentyczność abonenta). Na tej podstawie system rozpoczyna świadczenie usługi dla telefonu. Gdyby wyniki były róŝne, system zarządza powtórzenie operacji, a kiedy wyniki znów są inne, sieć odmawia obsługi tego telefonu. Obrazowo opisaną procedurę podpisu elektronicznego w GSM przedstawia rysunek nr 7. 20

22 Rys. 7. Kolejne kroki procedury podpisu elektronicznego [1, s. 211] Warto jeszcze dodać, Ŝe algorytm szyfrujący został tak zaprojektowany, Ŝe nawet gdyby inny abonent długotrwale obserwował kanał radiowy i przechwycił wiele par liczb: X, Y, to nie będzie w stanie ustalić ciągów A3 oraz H. Identyfikacja karty SIM abonenta GSM Proces identyfikowania abonentów GSM (kart SIM abonentów) przeprowadzany jest przez system kaŝdorazowo: podczas włączania telefonu komórkowego, podczas nawiązywania połączenia z tego telefonu. Jak juŝ podane było wyŝej, główną rolę w procesie identyfikowania kart SIM spełnia komputer o ogromnej mocy obliczeniowej, z uwagi na pełnioną rolę pilnie strzeŝony, w którym przechowywane są tajne hasła identyfikacyjne H wszystkich abonentów tej sieci, a takŝe tajny algorytm kryptograficzny A3, zwany centrum identyfikacyjnym (ang. Authentication Centre AuC). Kiedy abonent włącza telefon lub nawiązuje połączenie, karta SIM wysyła do systemu zgłoszenie zawierające itp. własny nr telefonu, zwany międzynarodowym numerem abonenta ruchomego (ang. International Mobile Subscriber Identity IMSI), zapisany w postaci strumienia 128 bitów. Sygnał odbiera centrala obszarowa (ang. Mobile Switching Centre MSC) obsługująca teren na którym znajduje się obecnie ten abonent. Centrala ta przeprowadzi procedurę identyfikacji abonenta i podejmie decyzję o jego autentyczności. Zgłasza się do AuC i Ŝąda wygenerowania dla tego abonenta liczby X (w opisie technicznym GSM nosi ona nazwę liczby losowej (ang. Random Number RAND). AuC generuje liczbę RAND i poprzez MSC przesyła ją do zgłaszającego się abonenta. Telefon, korzystając z hasła H i algorytmu A3 oblicza wartość liczby Y, zwanej w specyfikacjach technicznych podpisem elektronicznym (ang. Signed Response SRES). NiezaleŜnie od telefonu, wartość liczby SRES oblicza równieŝ AuC. Następnie zarówno telefon, jak i AuC przesyłają swoje wyniki SRES do 21

23 centrali obszarowej MSC, a ta podejmuje decyzję o rozpoczęciu obsługi tego abonenta lub odmowie tej obsługi. Dodajmy, Ŝe RAND, to ciąg 128 bitów, natomiast SRES, to tylko 32 bity. Proces identyfikacji karty SIM abonenta przedstawia obrazowo rysunek nr 8. Rys. 8. Kolejne kroki identyfikacji karty SIM w standardzie GSM [1, s. 219] Identyfikacja sprzętowa telefonów GSM Oprócz bieŝącej, kaŝdorazowej weryfikacji autentyczności karty SIM abonenta Ŝądającego obsługi, identyfikacji podlega równieŝ aparat telefoniczny współpracujący z kartą SIM. Procedura ta odbywa się następująco: kiedy aparat włączany jest do sieci lub nawiązywane jest połączenie, aparat wysyła do centrali obszarowej MSC swój numer sprzętowy, jaki nadany mu został przez producenta (ang. International Mobile Equipment Identity IMEI). Numer ten przekazywany jest do bazy danych zwanej Rejestrem Identyfikacji WyposaŜenia (ang. Equipment Identity Register EIR). Bazę taką prowadzi odrębnie kaŝdy z operatorów telefonii komórkowej. Dodajmy tu, Ŝe zgodnie w wymagania standardów GSM, kaŝdy z EIR prowadzi trzy listy, na których zapisywane są numery IMEI telefonów komórkowych: lista czarna te telefony będą blokowane, lista szara telefony obserwowane i lista biała telefony komórkowe dopuszczone do obsługi. Kiedy do EIR dociera zgłoszenie z numerem IMEI telefonu, sprawdzane jest, na której z list znajduje się ten numer IMEI. JeŜeli numeru nie ma na czarnej liście, rejestr EIR informuje centralę obszarową MSC, Ŝe telefon moŝe być obsługiwany przez sieć. Proces identyfikacji telefonów pokazuje rysunek nr 9. Rys. 9. Zasada identyfikacji sprzętowej telefonów GSM [1, s. 143] 22

24 Włączanie telefonu GSM do sieci Gdy włączone zostanie zasilanie telefonu GSM, telefon odbiera nadchodzące sygnały radiowe, po czym: analizuje odbierane sygnały w paśmie GSM, wyróŝnia sygnały pilotowe okolicznych stacji bazowych BTS, wyszukuje najsilniejszy sygnał pilota BTS, synchronizuje swój odbiornik do częstotliwości i fazy wybranego pilota BTS, odczytuje z sygnału pilota dane: kraj, operator GSM, obszar centralowy, obszar przywołań, numer komórki, częstotliwości wykorzystywane w tej komórce. Dopuszczalny poziom mocy nadajników dopuszczalny w tej komórce. Następnie telefon ustawia optymalną moc swojego nadajnika i wysyła sygnał zgłoszenia (Ŝądanie rejestracji w systemie), po czym oczekuje na odpowiedź. System przeprowadza identyfikację karty SIM oraz telefonu (IMEI), po czym aktualizowane są zapisy dotyczące tego abonenta w bazach HLR i VLR (zostaną one omówione później). Telefon nabywa uprawnień do obsługi przez sieć, co potwierdzane jest przez pojawienie się na wyświetlaczu telefonu logo operatora i informacji o poziomie zasięgu radiowego sygnału GSM w miejscu, gdzie znajduje się abonent. Skakanie po częstotliwościach KaŜda stacja bazowa ma do dyspozycji kilka lub kilkanaście częstotliwości (kanałów częstotliwościowych). Warunki propagacyjne dla transmisji sygnałów radiowych zmieniają się w czasie, a ponadto dla jednych częstotliwości są lepsze, dla innych gorsze. JeŜeli część z obsługiwanych w danej chwili abonentów (telefonów GSM) trafia na kanał o złych warunkach propagacji, jakość transmisji dla tych abonentów nie jest zadawalająca, powstają błędy transmisji, a co za tym idzie zarówno telefony, jak i stacja bazowa, musi zwiększyć moc anten nadawczych, co z kolei prowadzi do zwiększenia zakłóceń w kanale radiowym. W związku z tym autorzy standardu GSM opracowali procedurę, która pozwala na cykliczną zmianę częstotliwości dla wszystkich obsługiwanych w danej chwili abonentów, dzięki czemu kaŝdy z abonentów trafia na częstotliwości lepsze i gorsze. MoŜna powiedzieć, Ŝe wtedy parametry kanałów radiowych dla telefonów zostały uśrednione. JeŜeli skakanie po częstotliwościach odbywa się wystarczająco szybko, jakość transmisji dla danego telefonu GSM w kanale uśrednionym jest dobra i nie wpływa negatywnie na poprawność transmitowanego sygnału. Standard GSM przewiduje moŝliwość zmiany częstotliwości nośnych kanałów radiowych dla wszystkich obsługiwanych w danym momencie telefonów GSM nawet 250 razy na sekundę. Oznacza to, Ŝe nawet kaŝdy z kolejno transmitowanych pakietów, wysyłany jest na innej częstotliwości. Dodajmy, Ŝe opisana procedura skakania po częstotliwościach utrudnia dodatkowo ewentualny podsłuch, a takŝe pozwala obniŝyć moce nadajników stacji bazowych i telefonów o itp. 40 % (2dB). Regulacja mocy nadajników, czyli wielkość komórki Zgodnie z załoŝeniami standardu GSM, obszar terenu zwany komórką obsługuje jeden zestaw anten nadawczo-odbiorczych sektorowych, a liczba kanałów częstotliwościowych przypadających na kaŝdą z komórek jest taka sama. PoniewaŜ w centrach miast zapotrzebowanie na kanały uŝytkowe na kaŝdy km 2 jest duŝo wyŝsze, niŝ poza miastami, przyjęto, Ŝe na terenach miast naleŝy zlokalizować duŝą liczbą komórek małych, natomiast poza miastami wystarczy niewielka liczba komórek, natomiast komórki te charakteryzują się duŝo większą powierzchnią. 23

25 Przypomnijmy tu, Ŝe pojemność sieci telefonii komórkowej, to liczba kanałów uŝytkowych przypadających na 1 km 2 powierzchni terenu. W miejscach o duŝym zaludnieniu wymagana pojemność sieci telefonii komórkowej jest bardzo duŝa (prowadzonych jest wtedy nawet kilkaset rozmów telefonicznych i innych połączeń jednocześnie), a w miejscach o małym zagęszczeniu uŝytkowników (itp. tereny rolnicze lub leśne) wystarczy, Ŝe na kaŝdy km2 przypadnie kilka kanałów uŝytkowych. PowyŜsze informacje wskazują, Ŝe wielkość komórki zaleŝy od zapotrzebowania. Granicy pomiędzy komórkami nikt jeszcze nie widział, gdyŝ mówiąc o wielkości komórek mamy na myśli moc nadajnika i powierzchnia terenu obsługiwana przez niego. Przypomnijmy, Ŝe telefon komórkowy analizuje parametry panujące w danej komórce i dostosowuje się do nich. Oprócz parametrów czasowych i częstotliwościowych, dotyczy to głównie mocy. Telefon dostosowuje moc własnego nadajnika do zaleceń stacji bazowej, przez którą jest właśnie obsługiwany. Podczas normalnej pracy stacja bazowa analizuje nieprzerwanie moce wszystkich aktywnych telefonów i na tej podstawie wysyła do poszczególnych stacji ruchomych zalecenia zmniejszenia lub zwiększenia mocy nadajników tak, aby poziomy mocy sygnałów docierających do stacji bazowej od poszczególnych aparatów były zbliŝone. PoniewaŜ aktywny telefon moŝe poruszać się nawet z duŝą prędkością, zmiany mocy nadajników mogą odbywać się kilka razy na sekundę. Procedura podwyŝszania lub obniŝania mocy odbywa się stopniowo. Przykład tej procedury pokazuje rysunek nr 10. Rys. 10. Zasada stopniowego obniŝania mocy nadajników [1, s. 223] Zgodnie ze standardem GSM, kaŝda stacja bazowa BTS musi mieć moŝliwość regulacji mocy własnego nadajnika w zakresie 30 db (1000 razy), a kaŝda stacja mobilna MS (telefon komórkowy) w zakresie, co najmniej 20 db (100 razy). Technologia GPRS w sieciach telefonii komórkowej. GPRS (ang. General Pocket Radio System) jest sposobem na przesyłanie danych dowolnego typu pomiędzy telefonami GSM za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej, korzystając z czasowo wolnych kanałów uŝytkowych, przeznaczonych normalnie do celów realizacji połączeń głosowych. Jakie są załoŝenia technologii GPRS? Przypomnijmy, Ŝe podczas normalnego połączenia telefon generuje 250 pakietów w kaŝdej sekundzie, kaŝdy pakiet zawiera kolejne 32 próbki sygnału mowy i trwa 0,5 ms (jest to 1/8 czasu 24

26 przeznaczonego na nadawanie w ramce, na określonej częstotliwości nośnej). PoniewaŜ jednak podczas normalnej rozmowy telefonicznej dźwięki przesyłane są jedynie przez % czasu trwania tej rozmowy, pozostały czas to przesyłanie pakietów pustych, zawierających ciszę związaną z przerwami, jakie tworzą rozmówcy w sposób naturalny podczas rozmowy. Standard GSM przewiduje, Ŝe jeŝeli pojawi się milczenie w słuchawce trwające powyŝej 0,5 s, nadajnik (telefon lub stacja bazowa) informuje o tym odbiornik (stacja bazowa lub telefon), po czym od tego momentu w kanale radiowym przesyłane są zaledwie 2 pakiety (kontrolne) na sekundę. Pozostały czas tego kanału uŝytkowego przejmuje do własnej dyspozycji stacja bazowa. Co słyszy abonent, do którego docierają jedynie dwa pakiety kontrolne na sekundę? Aby nie czuł dyskomfortu, Ŝe jego połączenie zostało przerwane, jego telefon odtwarza mu w kółko ostatni zapamiętany 0,5-sekundowy odcinek odgłosów z otoczenia. Mówimy, Ŝe abonent ten słyszy pseudo-szum z otoczenia swojego rozmówcy. Jest on zwany szumem tła. Decyzję o tym, czy przetwarzać na postać analogową otrzymane pakiety, czy teŝ odtwarzać abonentowi szum tła, kaŝdorazowo podejmuje koder sygnału mowy na podstawie poziomu odbieranego dźwięku. Jak wykorzystywany jest kanał uŝytkowy, który tymczasowo zwolniony został z uwagi na milczenie rozmówców? Z takich właśnie kanałów korzysta technologia pakietowej transmisji danych GPRS. Plik przygotowany w telefonie abonenta do wysłania, transmitowany będzie w postaci kolejnych pakietów, identycznych jak pakiety sygnału mowy, z przerwami, na róŝnych częstotliwościach i w róŝnych szczelinach czasowych ramki, w zaleŝności od tego, którzy z rozmówców będą milczeć podczas połączenia. Warto zauwaŝyć, Ŝe GPRS jest technologią niewymagającą połączenia w czasie rzeczywistym on-line o moŝe wykorzystywać jednocześnie więcej, niŝ jeden uwolniony chwilowo kanał uŝytkowy. Statystyki podają, Ŝe średnia przepustowość sieci GSM dla technologii GPRS mieści się w przedziale od 30 do 80 kb/s. Zasadę transmisji przerywanej, zastosowanej w GPRS, przedstawia rysunek 11. Rys. 11. Transmisja przerywana, wykorzystywana w GPRS [1, s. 229] 25

27 Procedura śledzenia abonentów GSM Główną cechą systemów komórkowych jest dostęp do oferowanych usług z kaŝdego miejsca na Ziemi, gdzie występuje zasięg radiowy sieci GSM dowolnego operatora. Wspomniane oferowanie usług dla telefonu jednej sieci, znajdującego się w zasięgu innej, musi sprowadzać się przede wszystkim do dwóch funkcji: moŝliwość wykonywania połączeń z własnego telefonu, moŝliwość otrzymywania połączeń do własnego telefonu. Zapewnienie swobodnego dostępu do usług GSM niezaleŝnie od miejsca, gdzie aktualnie znajduje się telefon (kontynent, kraj) wymusza na systemach telefonii komórkowej wszystkich operatorów pełnienia funkcji ciągłego śledzenia ruchu abonentów i wzajemnego informowania się w tym zakresie. KaŜdy z systemów GSM musi na bieŝąco śledzić przemieszczanie się wszystkich telefonów na całym obszarze zasięgu danej sieci (nie tylko telefonów własnej sieci, ale takŝe wszystkich pozostałych). Jednocześnie jeden z podstawowych wymogów będących podstawą standardu GSM jest fakt, Ŝe informacja o miejscu przebywania abonenta w danej chwili jest tajemnicą tego abonenta. Dodajmy, Ŝe koszty ciągłego śledzenia swoich abonentów równieŝ poza granicami kraju ponosi operator GSM. Nie moŝe on jednak pobierać od abonentów Ŝadnych opłat, chyba, Ŝe abonenci korzystają z usług (połączenia, transmisja danych). Śledzenie telefonów komórkowych jest moŝliwe tylko wtedy, gdy ich zasilanie jest włączone (stan czuwania). Standard GSM przewiduje, Ŝe sieć z własnej inicjatywy nie wywołuje kolejno abonentów i nie sprawdza ich lokalizacji. To telefony przypominają systemowi o swoim istnieniu i informują go o własnej lokalizacji. Jak odbywa się śledzenie abonenta? Telefon GSM będący w stanie czuwania bezustannie nasłuchuje sygnałów docierających z okolicznych stacji bazowych i wybiera spośród nich sygnał najsilniejszy uznając, Ŝe na terenie tej komórki właśnie się znajduje. W sygnale pilota stacji bazowej znajduje się itp. identyfikator obszaru przywołań, do którego naleŝy komórka. Telefon przesyła do stacji bazowej sygnał identyfikacyjny i w ten sposób informuje ją o własnej obecności na terenie tej komórki. Stacje bazowe na bieŝąco zbierają informacje od poszczególnych telefonów i informują sterownik BSC o telefonach, jakie znajdują w poszczególnych komórkach się na danym obszarze przywołań. Sterowniki BSC przesyłają do centrali MSC informacje o abonentach przebywających na poszczególnych obszarach przywołań obszaru centralowego. Centrala MSC na podstawie odebranych informacji aktualizuje zapisy we własnej bazie VLR. Ponadto informuje centrale macierzyste poszczególnych abonentów (równieŝ jeŝeli są to centrale w innych krajach) o fakcie obecności tych abonentów na danym obszarze centralowym. Dzięki temu sieci macierzyste abonentów mogą aktualizować zapisy we własnych bazach HLR. W efekcie ciągłego śledzenia ruchu abonentów: w bazie HLR kaŝdego operatora zapisane są informacje o aktualnym miejscu przebywania kaŝdego z abonentów tego operatora, w bazie VLR kaŝdej centrali obszarowej zapisane są informacje o kaŝdym telefonie komórkowym przebywającym aktualnie na terenie tej centrali. Zestawienie sygnałów występujących w komunikacji pomiędzy telefonem komórkowym (ang. Mobile Stadion MS) oraz stacją bazową (ang. Base Stadion BS) dotyczących uaktualniania informacji o połoŝeniu MS, pokazuje tabela 4. 26

28 Tabela 4. Komunikacja telefonu komórkowego ze stacją bazową w celu uaktualnienia danych [1, s. 231] Kierunek przesyłania sygnału od MS do BS od BS do MS od MS do BS od BS do MS od MS do BS od BS do MS od MS do BS od BS do MS od MS do BS od BS do MS Wiadomość śądanie przydziału specjalnego kanału sygnalizacyjnego Przydział kanału sygnalizacyjnego (w tym nr kanału) śądanie uaktualnienia informacji o połoŝeniu (w tym informacji o nowym połoŝeniu) śądanie sprawdzenia autentyczności uŝytkownika (zawiera RAND) Odpowiedź stacji ruchomej (zawiera SRES) Polecenie rozpoczęcia szyfrowania transmisji w kanale radiowym Potwierdzenie rozpoczęcia szyfrowania Potwierdzenie uaktualnienia informacji o połoŝeniu MS oraz przydział nowego tymczasowego numeru identyfikacyjnego TMSI Potwierdzenie otrzymania poprzedniej wiadomości Zwolnienie kanału sygnalizacyjnego oraz zakończenie procedury Przykład śledzenia abonenta GSM ZałóŜmy, Ŝe abonent jednej z polskich sieci telefonii komórkowej czasowo przebywa w Hiszpanii w okolicach Barcelony. Centrala obszarowa MSC w Barcelonie zapisała we własnej bazie VLR fakt obecności tego gościa wraz z numerem obszaru przywołań, w którym gość się znajduje. Centrum NMC tej sieci komórkowej w Warszawie zapisało w bazie HLR identyfikator centrali barcelońskiej MSC, gdzie obecnie przebywa nasz abonent. Aby informacje te mogły być na bieŝąco zapisywane w bazach VLR i HLR, sieci telefonii komórkowych operatora polskiego i hiszpańskiego muszą tymi informacjami się wymieniać. Komunikację pomiędzy operatorami GSM w zakresie obsługi procedur śledzenia abonentów pokazuje rysunek

29 Rys. 11. Komunikacja pomiędzy operatorami w celu śledzenia ruchu abonentów [1, s. 143] Zwróćmy uwagę, Ŝe informacja o połoŝeniu abonenta nie jest zapisywana z dokładnością do pojedynczej komórki, lecz z dokładnością do pojedynczego obszaru przywołań. W związku z tym, jeŝeli dana centrala otrzymuje Ŝądanie realizacji połączenia do danego abonenta przebywającego w tym terenie, zarządza wysyłanie sygnału wywołania we wszystkich komórkach naleŝących do danego obszaru przywołań. Z chwilą, gdy Ŝądany abonent odbierze telefon, telefon ten zgłasza tę informację i dopiero wtedy okazuje się, w której komórce znajduje się abonent. Zasada poufności informacji o lokalizacji abonentów. Standard GSM mówi, Ŝe informacja o aktualnej lokalizacji kaŝdego z abonentów sieci (nawet jeŝeli abonent ten przebywa za granicą) jest jego tajemnicą i w Ŝaden sposób inni abonenci nie mogą zorientować się, gdzie ów abonent przebywa. Rozpatrzmy następujący przykład: Abonent polskiej sieci GSM jedzie do Hiszpanii. Będzie przebywał na terenie Barcelony. Jego telefon będzie więc obsługiwany przez tamtejszą sieć, a nasz abonent znajduje się na obszarze centralowym barcelońskiej centrali MSC. Tak się składa, Ŝe do naszego abonenta (ab. B) telefonuje pewien Hiszpan przebywający w Barcelonie, uŝytkownik telefonu komórkowego naleŝącego do tamtejszej sieci (ab. A). PoniewaŜ sprawą nadrzędną w standardzie GSM jest zachowanie tajemnicy, co do aktualnej lokalizacji kaŝdego z abonentów, połączenie z hiszpańskiego telefonu GSM do telefonu polskiego, nawet jeŝeli ten ostatni przebywa równieŝ w Hiszpanii, musi zostać zrealizowane poprzez centralę MSC w Polsce. Abonent hiszpański, telefonując do abonenta polskiego, płaci za połączenie międzynarodowe, niezaleŝnie od tego, gdzie polski abonent obecnie przebywa i odbierze połączenie. Abonent polski natomiast, odbierając połączenie w momencie gdy przebywa za granicą, zapłaci za fakt obsługi jego telefonu przez sieć GSM innego kraju. W przytoczonym przykładzie połączenia pomiędzy abonentami polskim i hiszpańskim występuje podwójne połączenie międzynarodowe. Zasadę realizacji połączeń międzynarodowych pokazuje rysunek

30 Rys. 12. Zasada realizacji połączeń międzynarodowych do abonentów GSM [1, s. 143] Gdyby natomiast to abonent polski, przebywając czasowo w Hiszpanii wykonał połączenie do komórkowego abonenta hiszpańskiego, nie ma potrzeby realizowania połączenia poprzez Polskę, jak pokazuje to rysunek nr 12. Procedura zestawiania połączenia z telefonu GSM Aby nie pominąć elementów obsługi telefonu GSM poza zasięgiem własnej sieci (itp. za granicą), prześledźmy poniŝszy przykład: ZałóŜmy, Ŝe polski abonent (ab. A) wyjechał do Barcelony, a stamtąd dzwoni do abonenta sieci stacjonarnej we Włoszech (ab. B). Oto kolejne kroki: Ab. A wybiera pełny nr telefonu Ŝądanego ab. B, tel. GSM ab. A wysyła sygnał zgłoszenia do najbliŝszej stacji bazowej BS, a ta poprzez sterownik BSC do centrali obszarowej MSC w Barcelonie, hiszpańska centrala obszarowa MSC przeprowadza we współpracy z polskim AuC procedurę identyfikacji abonenta A, Barcelońska centrala MSC rozpoczyna obsługę abonenta A: przydziela mu kanał rozmówny i zestawia połączenie z Barcelony do centrali macierzystej MSC abonenta A w Polsce, centrala MSC zestawia (przedłuŝa) połączenie do abonenta sieci stałej we Włoszech, do telefonu ab. B wysyłany jest sygnał wywołania (dzwonienia), podniesieniem mikrotelefonu ab. B odbiera połączenie. PowyŜszy przykład ukazuje, Ŝe wszystkie połączenia inicjowane z telefonu komórkowego danej sieci GSM realizowane są za pośrednictwem centrali macierzystej własnej sieci tego abonenta, niezaleŝnie od miejsca (kontynentu, kraju), w którym abonent ten inicjuje te połączenia. Prześledźmy proces wywołania do telefonu komórkowego i zestawienia połączenia. Poszczególne sygnały, przesyłane w kanale radiowym pomiędzy telefonem komórkowym (ang. Mobile Stadion MS) oraz stacją bazową (ang. Base Stadion BS), zestawione są w tabeli nr 5. 29