http://micro3.mht.bme.hu/Mumo/

A mobil rendszerek áttekintése A mobil rendszerek fejlődése Adatsebességek

A mobil rádiórendszerek felosztása adatsebesség és területi lefedettség szerint

Hullámterjedési alapok, Terjedési modellek Rádiószakasz, szakaszcsillapítás Fizikai modellek Szabadtéri terjedés Sík földfelszíni terjedés Diffrakciós modellek Késél diffrakció Többszörös diffrakciós modellek Bullington, Epstein-Peterson, Deygout, JRC

Terjedési modellek Makrocellás terjedési modellek Hata, COST231 Mikrocellás terjedési modellek Walfish-Ikegami modell, COST 231 Beltéri terjedési modellek Mootley-Keenan (félempirikus) Ray-tracing UMTS modellek Beltéri Kültérből beltérbe ill. gyalogos környezet Kültéri - járművekre

Terjedési modellek r P t = dB L log 10 Rádiószakasz-szakaszcsillapítás

Terjedési modellek Termikus zaj

Terjedési modellek Szabadtéri csillapítás

FONTOSABB ANTENNAJELLEMZőK Az antennák feladata a rádiórendszerekben Az antenna iránykarakterisztikája Nevezetes iránykarakterisztikák izotróp, nyereséges körsugárzó, szektoriális sugárzó, mikrohullámú antennák Az antenna megdöntése ( tilt ) Nyereség, irányhatás, hatásos felület

Az antenna iránykarakterisztikája F normalizált fesz. iránykarakterisztika Nevezetes iránykarakterisztikák Izotróp antenna Nyereséges körsugárzó

Nyereséges körsugárzó Szektoriális sugárzó

Az antennák irányhatása, nyeresége és hatásos felülete Irányhatás Nyereség Hatásos felület (vevőant. konverziós jell.)

Egyszerű link budget példa Adatok d=2km f=900MHz Gt=17dBi (65o) Gr=0dBi Fb= Fsb = 5 dB Fm= Fsm = 7 dB Ptb=20W (43 dBm) Ptm=300 mW (25 dBm) Sn=-174dBm/Hz

Egyszerű link budget példa Adatok d=2km f=900MHz Gt=17dBi (65o) Gr=0dBi Fb= Fsb = 5 dB Fm= Fsm = 7 dB Ptb=20W (43 dBm) Ptm=300 mW (25 dBm) Sn=-174dBm/Hz

Egyszerű link budget példa Adatok d=2km f=2000MHz Gt=17dBi (65o) Gr=0dBi Fb= Fsb = 5 dB Fm= Fsm = 7 dB Ptb=20W (43 dBm) Ptm=300 mW (25 dBm) Sn=-174dBm/Hz

Egyszerű link budget példa Adatok d=2km f=2000MHz Gt=17dBi (65o) Gr=0dBi Fb= Fsb = 5 dB Fm= Fsm = 7 dB Ptb=20W (43 dBm) Ptm=300 mW (25 dBm) Sn=-174dBm/Hz

Fizikai modellek - sík földfelszín (kétutas terjedés)

Terjedés beépített területen Többutas terjedési modellek

Teljesítmény mérleg számítás rádiótechnikai tervezésnél - zajjal határolt ellátottság (termikus zaj, emelett az interferencia elhanyagolható) - interferenciával határolt ellátottság. (zavaró jel, emelett a zaj elhanyagolható)

Teljesítmény mérleg számítás A vevő érzékenysége Digitális vevőkészüléknél az előírt BER-hez tartozó jelteljesítmény A GSM rendszerben használt vevőkészülék érzékenysége az a bemenő RF teljesítmény, mely a teljes sebességű beszédcsatorna 1b osztályú bitjeit tartalmazó keretekben legfeljebb 0,4% maradék hibaarányt (RBER = Residual Bit Error Rate) hoz létre.

Teljesítmény mérleg számítás Ehhez a vevőre vonatkozó előírás szerint a vevő bementén legalább 10lg Ec/No = 8dB jel-zaj arány szükséges. A vevő bemenetén megjelenő teljes (külső és belső eredetű) zajteljesítmény Pn = kTsB ; watt k 1,38·10-23 watt·sec/K, Boltzmann állandó Ts a vevő rendszer zajhőmérséklete B a vevő RF sávszélessége

Teljesítmény mérleg számítás A GSM rendszerben 10lg ( Ts/To ) = Fs = 10dB (mobil) 10lg ( Ts/To) = Fs = 8 dB (bázis) B = 250kHz

Teljesítmény mérleg számítás Ezzel a vevő bemenetére számított zajteljesítmény 10lgPn = 10lg(kT0 · Ts/To· B) 10lgPn = -174 + 10lg (Ts/To) + 10lgB ; dBm ahol 10lg kTo = -174dBm az 1Hz sávszélességre jutó termikus zaj teljesítménye. A vevő érzékenysége 10lgPvmin = 10lgPn + 10lg (Ec/No)

Teljesítmény mérleg számítás GSM vevők érzékenysége - a bázisállomás vevőjére: -104dBm - a mobil állomás vevőjére: -102dBm

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) Gyors fading, vagy Rayleigh fading a jel átlagosan félhullámhosszonként (ez a GSM rendszerben mintegy 16cm) 30-40dB-lel változik oka a mobil közelében lévő tárgyakról szóródó beeső hullámok interferenciája Lassú fading, vagy log-normál fading oka a mobil antennát körülvevő tereptárgyak (épületek, növényzet, stb.) árnyékoló hatása A GSM sávban a dB-ben normális (log-normál) eloszlás szórása városban mintegy  = 7dB, beépítetlen (vidéki) területen mintegy  = 10-12 dB

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A Rayleigh fading olyan gyors, és olyan nagy jelszint változást okoz, hogy ez ellen teljesítmény tartalékkal nem lehet védekezni. Erre szolgál gyorsan mozgó mobil esetén a jel keretek átvitel előtti szétosztása (interleaving) majd újra összerakása (deinterleaving) és a meghibásodott bitek kijavítása. Vagyis a csatornakódolás. Lassan mozgó, vagy álló mobil esetén előfordulhat, hogy az antenna hosszasan egy jel minimum körül tartózkodik. Ilyenkor a csatornakódolás nem segít, és az átvitel hibás lesz. Ezt akadályozza meg a frekvencia ugratás, mely a minimumok helyét másodpercenként 217-szer változtatja, és ezáltal olyan hatást idéz elő, mintha az antenna gyorsan mozogna.

Interleaving

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A gyorsan mozgó mobil, illetve a frekvenciaugratás ellenére mégis bekövetkező valamelyes minőségromlást úgy ellensúlyozzuk, hogy a szükséges hasznos jelszintet a vevő érzékenységhez képest M1 = 3dB-lel megnöveljük. Ez a Rayleigh fading tartalék. A lassú fading tartalék, mely a GSM rendszernél városban M2 = 5dB.

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A GSM vevők zajjal határolt érzékenysége tehát fadinges jelre, városban - 102 + 3 + 5 = -94dBm (mobil) - 104 + 3 + 5 = -96dBm (bázis) Ha a mobil készüléket épületben is használni akarjuk, akkor a fenti -94dBm jelszintnek az épületben kell meglennie. Az épületcsillapítás a földszinten 12-15dB. Tehát belsőtéri lefedésre az épületen kívül -79dBm és -82dBm közötti jelszintet kell biztosítani.

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) Interferenciával határolt esetben a fadinges hasznos jel és az ugyanolyan statisztikájú zavaró jel figyelembe vétele C/Ic= 16.5 .. 19dB

A cellás elv A besugárzás cellás elve A frekvencia újrafelhasználása Lehetséges cluster méretek Szektorizálás

A besugárzás cellás elve

A frekvencia újrafelhasználása

Lehetséges cluster méretek Cluster (fürt) méret = N

Lehetséges cluster méretek C/I viszony n a szakaszcsillapítás távolságfüggését leíró hatványkitevő

Szektorizálás Elve

Szektorizálás Hatása C/I viszonyra Kapacitásra (C/Ic) = 19dB előírásnál és az n = 3,5 értéknél

Az elérhető azonos csatorna zavar arány; dB

3/9 cella ismétlődés

4/12 cella ismétlődés 120 fokos szektoriális sugárzókkal

A GSM rendszer jellemzése, a rendszer szolgáltatásai A rendszer fő elemei mobil állomás (MS-Mobile Station) GSM hálózat. MS a föld felszínén (légijármű kizárva) mozog, vagy előre meg nem határozható helyen áll, a mobil berendezésből (ME) és az előfizetői azonosító modulból (SIM-Subscriber Identity Module) áll. A mobil állomásnak háromféle használati módja definiált, ezek gépjárműbe szerelt, hordozható, kézi mobil állomás. A GSM rendszer története 1984-ben a CEPT keretein belül az ajánlás kidolgozását végző munkacsoport felállítása, 1985-ben a munkacsoport részletes ajánlást készített a megvalósítandó hálózatról. 1988-ban létrehozták az ETSI-t (European Telecommunication Standard Institute), mely többek között átvette a GSM szabvány kialakításának feladatát is a CEPT-től. Az ETSI által elkészített műszaki specifikációt 1990-1991-ben publikálták.

A GSM rendszer jellemzése Szolgáltatások: - Az MS bolyongásának biztosítása - A távbeszélő szolgáltatás mellett a rendszer kapcsolódhasson más szolgáltatásokhoz, pl. ISDN hálózathoz - A rendszernek biztosítania kell a már meglévő PSTN/ISDN rendszerek által biztosított szolgáltatásokat, és a mobil rendszer tulajdonságai által lehetővé tett egyéb szolgáltatásokat - Az MS-ek működhessenek hajók fedélzetén - A rendszerhez különböző MS-ek kapcsolódhassanak, kézi, gépkocsiba épített

A GSM rendszer jellemzése A szolgáltatások minősége és titkossága - A távbeszélő szolgáltatás minősége legalább az analóg 900 MHz-es rendszerek minőségét el kell érni - A rendszernek képesnek kell lennie az előfizetői információk titkosítására Rádiófrekvenciás sáv - A rendszer legyen képes a jó rádiófrekvenciás spektrum kihasználására - A rendszer legyen működőképes a teljes 890- 915MHz és 935-960 MHz-es sávban - A rendszer legyen képes az egymás mellett működésre a már meglévő 900 MHz-es rendszerekkel

Sektrális hatékonyság növelésére alkalmazott eljárások Adóteljesítmény szabályozás (interf. Csökk.) A küszöb minőség eléréséig visszaszabályozza az adóteljesítményt mind BS, mind MS oldalon Frekvencia ugratás Alacsony MS sebesség mellett a minőséget növeli a frekvencia diversity révén Nem folytonos adás (interf. Csökk.) Beszéd – VAD (Voice activity Detection) Mobil közreműködésével megvalósított handover Mérés: szomszédos cellákból származó vételi teljesítmény

A GSM rendszer jellemzése Hálózati szempontok - Az azonosítási és számozási rendszernek meg kell felelnie a jelenlegi CCITT ajánlásnak - A rendszernek lehetővé kell tennie a különböző számlázást, a különböző hálózatok használata esetén - A mobil kapcsoló központok és helyzet regiszterek között a nemzetközi szabványos jelzésrendszert kell használni

A GSM rendszer jellemzése A GSM a felhasználó számára a hagyományos beszédátvitel és adatátviteli szolgáltatások mellett új szolgáltatásokat kínál, ezek pl. a rövid üzenet (short message, SMS) szolgáltatások, melyek a személyhívó szolgáltatáshoz hasonlóak, MMS Mobile Multimedia Service.

A GSM rendszer szolgáltatásai Beszéd szolgáltatások A GSM rendszer által kínált legfontosabb szolgáltatás a telefon szolgáltatás, mely kétirányú beszédátvitelt jelent a GSM rendszer előfizetői ill. bármely, a nyilvános vezetékes telefonhálózat (PSTN- Public Switched Telephon Network) előfizetői között. Bármely nyilvános vezetékes telefonhálózat előfizető vagy a nyilvános telefon hálózathoz kapcsolt hálózat elérhető. A GSM rendszer speciális beszéd szolgáltatása a vészhívás lehetősége, mely előfizetői azonosító modul nélkül, tehát ingyenesen igénybe vehető a készülékkel egy egységesített hívószámmal, a 112 hívásával. A szöveges üzenet rögzítés lehetővé teszi az üzenet tárolását és későbbi meghallgatását, mely a GSM rendszer specifikációja szerint nem önálló szolgáltatás, és az üzemeltető alapszolgáltatásként kínálhatja. A szöveges üzenetet a rendszer akkor tárolja, ha az előfizető nem elérhető a hívás idején, vagy ha a hívó fél azt közvetlenül a hívott GSM előfizető hang postafiókjára küldi.

A GSM rendszer szolgáltatásai Adat szolgáltatások A GSM rendszert már a tervezés szakaszában többféle adat szolgáltatásra tervezték. Lényegében minden olyan szolgáltatást lehetővé tesz, amit a nyilvános vezetékes telefonhálózat és az ISDN természetesen a rádiós átvitel korlátait figyelembe véve.

Felhasználók közti kapcsolódások PSTN felhasználók elérése A nyilvános kapcsolt telefonhálózatot széleskörűen alkalmazzák már jelenleg is adatátvitelre modemek felhasználásával. A GSM szabvány kidolgozásakor ezen szolgáltatás elérhetősége alapvető szempont volt, tehát a vezetékes telefonhálózaton elérhető szolgáltatások a GSM hálózaton is igénybe vehető legyen. A legnépszerűbb ilyen szolgáltatások a fax és videotex szolgáltatás. A GSM rádióáltviteli csatorna korlátozó hatása miatt ezen szolgáltatások biztosításához a vezetékes hálózattal szemben jóval bonyolultabb eljárások szükségesek. A GSM rendszerben a beszédátvitel a beszédre optimalizált beszédkódoló alkalmazásával történik. A fax és videotex szolgáltatás igénybe vételéhez a GSM rendszernél nem szükséges modemek alkalmazása. A mobil készülék és hálózat közötti átvitel digitális, ezért a nyilvános kapcsolt hálózattal való együttműködéshez a PSTN és GSM hálózat között kell audio modemet beiktatni. A GSM szolgálat 9600bit/sec maximális adatátviteli sebességet tesz lehetővé teljes duplex módon a V.21, V.22, V.22bis és V.32 szabványoknak megfelelően és group 3 -nak megfelelő fax és videotex modemekkel való együttműködést.

Felhasználók közti kapcsolódások ISDN felhasználók elérése A GSM rendszer maximálisan 9600 bit/sec-os adatátviteli sebessége komoly korlátokat jelent az ISDN-nel való együttműködésnél, mely alapvetően 64 kbit/sec adatsebességet nyújt. Az ISDN-nel való együttműködés ezek után korlátozott adatsebesség mellett, de a standard ISDN adatformátumokkal valósul meg. (14.4 kbps, HSCSD, GPRS, EDGE) GSM felhasználók közötti kapcsolat A GSM hálózat a GSM felhasználói kapcsolatként mindazon szolgáltatásokat nyújtja, melyeket a különféle vezetékes hálózatok felé.

Felhasználók közti kapcsolódások Rövid üzenet szolgáltatás (SMS) Az előzőekben ismertetett adatátviteli szolgáltatások a gyakorlatban sokszor nehézkesen megvalósíthatóak mobil környezetben a nagyméretű - mobil készüléknél nagyobb - terminál berendezések miatt. Ezért a gyakorlatban inkább a fél-mobil használat (időleges installáció) vagy a gépkocsiba telepített terminál (pl. fax) terjedt el. Ennek ellenére a személyhívó szolgáltatás GSM hálózaton belüli megfelelőjére igény van, rövid karakteres üzenetek küldésére és vételére nagyméretű terminál alkalmazása nélkül. A GSM hálózatban ezért megvalósítható a rövid üzenetek fogadása (SMS-MT/PP - Mobile Terminating Short Message Service, Point to Point) és küldése (SMS-MO/PP - Mobile Originating Short Message Service, Point to Point) a GSM előfizetők között. A rövid üzenet küldésének másik típusával adott földrajzi területen tartózkodó összes GSM felhasználóhoz küldhető rövid üzenet (SMS-CB - Cell Broadcast Short Message Service).

A szolgáltatások összefoglalása Hordozó szolgáltatás Kapcsolódó hálózat Adatátviteli sebesség Duplex aszinkron PSTN, ISDN 300, 1200; 1200/75, áramkör kapcsolt 2400, 4800, 9600 kbit/sec PAD hozzáférésű aszinkron PSPDN 300, 1200; 1200/75, 2400, 4800, 9600 kbit/sec Duplex szinkron PSTN, ISDN, CSPDN 1200, 2400, 4800, 9600 adatkapcsolt kbit/sec Beszéd/digitális PSTN, ISDN 1200, 2400, 4800, 9600 kbit/sec Duplex szinkron adat csomag cspdn 2400, 4800, 9600 kbit/sec 12 kbit/sec digitális - 12 kbit/sec