3.5 rutare de apeluri în gsm
TRANSCRIPT
Comunicații mobile
3.5 Rutare de apeluri în GSM
❑Clasificarea apelurilor
a) Mobile terminating calls (MT): un abonat GSM este apelat;
apelantul este un utilizator PSTN/ISDN
b) Mobile originating calls (MO): apelantul este un utilizator GSM;
un abonat PSTN/ISDN este apelat
c) Apeluri între abonaţi GSM : combinaţie de apeluri MO şi MT
❑Indiferent de tipul apelului - adresa de rutare către un abonat GSM este
MSRN
❑MSRN este obţinut prin procedura de interogare a HLR descrisă
anterior, procedură efectuată de GMSC (MT), MSC ( doar pentru apeluri
între abonaţi GSM) sau centrale PSTN (MT)
Comunicații mobile
Procedura GSM preferată pentru apeluri MT
1 . Un utilizator PSTN/ISDN formează numărul abonatului GSM (MSISDN)
2. Centrala apelantului analizează MSISDN şi, din câmpul NDC
(National Destination Code), sesizează că apelul este destinat unui abonat
GSM. Apelul este redirectat către un GMSC al reţelei HPLMN
3. Pe baza câmpului SN part din structura MSISDN, GMSC sesizează care
este HLR-ul ce memorează datele abonatului GSM şi iniţiază procedura de
obţinere a MSRN. Adresa de rutare MSRN este obţinută în urma dialogului
HLR-VLR prezentat anterior
4. Câmpul SN din structura MSRN este utilizat pentru rutarea apelului de la
GMSC către aria de servicii MSC/VLR curentă
5. Utilizând LAI (cunoscută la nivel de VLR) un mesaj de paging ce include
fie IMSI fie TMSI este construit de către MSC şi transmis via BSC la toate
staţiile de bază din aria curentă de localizare a abonatului mobil
Comunicații mobile
3.5.1 Apeluri de tip MTNotaţii:
A - apelant (MS-A dacă este un abonat GSM)
B - apelat (MS-B dacă este un abonat GSM)
HPLMN – reţeaua mobilă a unui abonat GSM
VPLMN - Visited PLMN – reţeaua mobilă curentă a unui abonat GSM❑ Apeluri naţionale iniţiate din PSTN/ISDN pentru abonaţi deserviţi
de HPLMN -PSTN/ISDN HPLMN în aceeaşi ţară
-două posibilităţi distincte:
A GMSCHLR
MSC-B BTS MS - B
HPLMN
PSTN/ISDN
VLR
LEMSISDN
MSRN
LAI (
+ TMSI)
LAI TMSI
MSISDN
MSRN
MSRN
Comunicații mobile
- legătura GMSC MSC-B este asigurată de linii dedicate PSTN/ISDN sau
poate fi asigurată de operatorul GSM
Procedura de interogare a HLR poate fi efectuată de către centrala abonatului
fix:
❑ Apeluri naţionale iniţiate din PSTN/ISDN către abonaţi în
roaming- apelul este rutat către un GMSC al HPLMN sau interogarea poate fi
efectuată de către centrala locală (sau de tranzit) a abonatului fix
A HLR
MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN
VLR
LE
HPLMN
MSRN
MSRN
LAI (
+ TMSI)
LAI
MSISDN
TMSI/IMSI
MSRN
Comunicații mobile
- serviciul de roaming trebuie să fi fost activat în prealabil- adresa VLR-ului curent este cunoscută de HLR chiar şi în situaţia de
roaming
- facilităţi de taxare sunt incluse: abonatul mobil va plăti segmentul
GSMC – aria curentă MSC/VLR
A GMSCHLR
MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN
VLR
LEHPLMN
VPLMN
MSISDN MSISDN
MSRN
MSRN
LAI (
+TMSI)
LAI IMSI/TMSI
MSRN
Comunicații mobile
❑ Apeluri internaţionale din PSTN/ISDN către abonaţi mobili
naţionali deserviţi de HPLMN
- O/G ISC – outgoing international switching centre- I/C ISC – incoming international switching centreObservaţii:
- în figura de mai sus legătura GMSC –MSC-B este asigurată de către operatorul
GSM, o altă posibilitate ar fi ca aceasta să fie efectuată pe linii dedicate
PSTN/ISDN naţionale din ţara 2 GSM 03.04 - mai multe configuraţii
A GMSCHLR
MSC-B BTS MS - BPSTN/ISDN
LEI/C
ISC
O/G
ISC
HPLMN
Country 2Country 1
MSISDN
MSRN
LAI
TMSI/IMSI
LAI (
+ TMSI)
MSRN
MSRN
Comunicații mobile
❑ Apeluri internaţionale din PSTN/ISDN către abonaţi mobili
aflați în roaming. PSTN şi VPLMN în acceaşi ţară
A GMSCHLR
MSC-BBTSMS - B
PSTN/ISDN
Exc.I/C
ISC
O/G
ISC
Țara 2Țara 1
O/G
ISC
I/C
ISC
HPLMN
VPLMNVLR
- efect “tromboning”
MSISDN
MSISDN/MSRN
MSRN
LAI (
+ TMSI)
LAITMSI/IMSI
IMSI/MSRN
A GMSCHLR
MSC-BBTSMS - B
PSTN/ISDN
Exc.I/C
ISC
O/G
ISC
O/G
ISC
I/C
ISC
HPLMN
Visited PLMN
Țara 1
VLR
- MS-B este în roaming în țara
apelantului
MSISDN
MSISDN
MSRN
MSRN
LAI (
+ TMSI)
LAITMSI/IMSI
Comunicații mobile
3.5.2 Apeluri de tip MO❑ adresa de rutare MSRN nu este necesară; adresa de rutare este
numărul MSISDN al utilizatorului apelat❑ inspectând câmpul NDC din structura MSISDN MSC-ul curent
sesizează că apelul este destinat unui utilizator al unei reţele fixe PSTN-
ISDN
❑VLR-ul asociat are toate informaţiile necesare pentru a gestiona
apelul -> nu este nevoie de o interogare a HLR
BMSC-ABTSMS - A
PSTN/ISDNVLR
LE
H/V PLMN
MSISDNMSISDN
Comunicații mobile
- o adresă de rutare (MSRN) este necesară pentru abonatul apelat
-obţinerea MSRN – procedură de interogare a HLR iniţiată de către
MSC sau GMSC
❑ Apeluri între abonaţi ai aceaşi reţele; ambii abonaţi în rețeaua
proprie (HPLMN)
3.5.3 Apeluri între abonaţi GSM
HLR
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
PSTN/ISDN
HPLMN
MSISDNMSISDN
MSRN MSRN
LAI
LAI TMSI/IMSI
Comunicații mobile
-pentru apeluri intra MSC (MSC-A=MSC-B) MSRN indică aceeaşi
entitate; nu sunt necesare linii dedicate PSTN
-standardul permite conectarea MSC-A şi MSC-B prin linii proprii ale
operatorului❑Apeluri naţionale între doi abonaţi ai aceeaşi reţele mobile; unul
dintre abonaţi este în situaţia de roaming
HLR
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
VLR
PSTN/ISDN
VPLMN
HPLMN
MSISDNMSISDN
MSRN
LAI (
+TMSI)
LAI
TMSI/IMSI
MSRN
Comunicații mobile
❑ Apeluri naţionale între abonaţi ai unor reţele mobile
diferite; ambii abonaţi sunt în situaţia de non-roaming-MSC-A detectează că apelul este naţional, dar că este destinat unui
utilizator mobil al unei alte reţele GSM
- standarul permite ca MSC-A să interogheze HLR-ul celeilalte reţele
pentru obţinerea MSRN
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
VLR
PSTN/ISDN
HPLMN1
HLR
HPLMN2
MSISDN
MSISDN
MSRN
MSRNLAI(+ TMSI)
LAITMSI
MSRN
Comunicații mobile
❑ Apeluri internaţionale între abonaţi GSM
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
VLR
PSTN/ISDN
HPLMN1
HLR
HPLMN2
GMSC
Țară 1
Țară 2
PSTN/ISDN
MSISDN MSISDN
MSISDN
MSRN
MSISDN
LAI(+TMSI)
LAITMSI
MSRN
Comunicații mobile
-MSC-A nu poate interoga HLR-ul asociat părţii apelate iar apelul
este rutat către un GSMC al reţelei apelate
- GMSC obţine MSRN şi rutează apelul către MSC-B pe linii PSTN
-Ce se întîmplă dacă MS-B e în situaţie de roaming în ţara MS-A?
Clasic, rutarea de apeluri are loc conform figurii următoare:
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
VLR
PSTN/ISDN
HPLMN
VPLMN
PSTN/ISDN
MSISDN MSISDN
MSISDN
LAI(+TMSI)
LAITMSIGMSC
HLRMSRN
MSRN
Țara 2
HPLMN
Comunicații mobile
SOR (Support for Optimal Routing): facilitate introdusă în faza 2+ a
standardizării GSM
MS - A BTS MSC-A
MS - B BTS MSC-B
VLR
VLR
PSTN/ISDN
HPLMN
VPLMN
PSTN/ISDN
MSISDNMSRN
LAI(+TMSI)
LAITMSIMSRN
HLR
HPLMN
MSISDN
MSRN
Comunicații mobile
Bibliografie suplimentară:
-Aceleaşi principii se aplică şi pentru apeluri de date din/către
PSTN/ISDN
-Pentru apeluri de date de tip MT iniţiate din PSTN cartela SIM
trebuie să aibă alocat un număr suplimentar AMSIDSN
GSM 09.04- Digital cellular telecommunications system; Interworking between the
Public Land Mobile Network (PLMN) and the Circuit Switched Public Data
Network (CSPDN), GSM technical specification, ETSI.
GSM 09.05- Digital cellular telecommunications system; Interworking between the
Public Land Mobile Network (PLMN) and the Packet Switched Public Data
Network (PSPDN) for Packet Assembly/Disassembly facility (PAD) access, GSM
technical specification, ETSI.
GSM 02.79 - Support of optimal routing, GSM technical specification, ETSI.
GSM 03.03 - Numbering, addressing and identification, GSM technical specification,
ETSI.
GSM 03.04- Signaling requirements for signaling of calls to mobile subscribers,GSM
technical specification, ETSI.
3.5.4 Rutarea apelurilor de date
Comunicații mobile
❑ Rutarea apelurilor în situații de portabilitate- portabilitatea numerelor mobile (MNP – Mobile Number Portability în
specificații 3GPP) permite abonaţilor să îşi păstreze numărul de telefon
(MSIDSN) atunci când îşi schimbă abonamentul (IMSI) de la un
operator la un altul;
- procedurile de rutare a apelurilor utilizează o bază de date de date
suplimentare (NPDB- Number Portability Database ) care furnizează
informații de portare. Aceasta poate fi centralizată (toți operatorii dintr-o
țară partajează aceeași NPDB) sau distribuită (o bază de date
NPDB/operator)
- rețeaua din care este portat un număr este denumită în specificațiile
3GPP number range owner network iar rețeaua în care a fost portat un
număr poartă numele de subscription network (rețea asociată noului
abonament)
- echipamentele de tip MSC și GMSC trebuie să îndeplinească funcții
suplimentare. Principalele opțiuni sunt numite generic:
Terminating call Query on Digit Analysis (TQoD)
Query on HLR Release (QoHR)
Comunicații mobile
- rutarea de tip TQoD este ilustrată mai jos pentru un apel mobil-mobil,
pentru cereri în rețeaua inițială:
NPDB HLR
GMSC1 GMSC2 MSC-B
VLR
Number range
holder networkSubscription
network
Home/visited
network
MSC-A
MSISDN
MSISDN
RN
RN +
MSISDN
MSISDN
MSRN
MSRN
- RN – routing number – identificator pentru rutare cu rol de redirectare
către noua rețea a abonatului
MSISDN
Originating
network
MSRN
Comunicații mobile
- rutarea de tip QoHR-based este ilustrată mai jos (interogarea HLR are
loc în rețeaua din care s-a făcut portarea):
- specificațiile 3GPP indică faptul că o procedură de tip TQoD poate fi
inițiată direct de rețeaua din care se inițiază apelul; în acest caz
apelurile sunt rutate fără a implica rețeaua din care numărul a fost portat
– procedura se numeste OQoD Originating call Query on Digit Analysis
HLR HLR
GMSC1 GMSC2 MSC-B
VLR
Number range
holder networkSubscription
network
Home/visited
network
MSC-A
MSISDN
MSISDN
Unknown
subscriber
RN +
MSISDN
MSISDN
MSRN
MSRN
MSISDN
NPDB
MSISDN
RN
Originating
Network
MSRN
Comunicații mobile
HLR
GMSC2 MSC-B
VLR
Subscription
network
Home/visited
network
MSC-ARN +
MSISDN
MSISDN
MSRN
MSRN
MSISDN
MSISDN
RN
- rutare de tip OQoD
MSRN
NPDB
Originating network
Bibliografie suplimentară: 3GPP TS 23.066 Support of Mobile Number
Portability (MNP); Technical realization; Stage 2 (Release 15)
Comunicații mobile
4.Interfața radio GSM
Comunicații mobile
❑ interfaţa radio= nume generic pentru conexiunea dintre o staţie mobilă şi
o staţie de bază
❑ îngloblează marea majoritate a procesărilor de semnale – implementate
de obicei de software dedicat rulând pe procesoare digitale de semnale în
stațiile mobile și în stațiile de bază
❑ accesul la reţea se face prin unde radio; acoperirea este celulară
❑ interfaţa radio implementează funcţii specifice de securitate şi
confidenţialitate
4.1 Introducere
❑ procesările de semnale sunt folosite pentru adaptare la caracteristicile
rețelei radio (debit maxim 22.8 kbps după codarea canalului) și pentru
contracararea efectelor fading-ului
Comunicații mobile
Model simplificat de propagare radio mobil
-atenuarea poate fi exprimată în dB. pentru distanțe exprimate în km
și frecvențe în MHz
-există multiple modele matematice pentru pierderile prin propagare și
pentru atenuare1
1Y. Singh -Comparison of Okumura. Hata and COST-231 Models on the Basis of Path Loss and Signal
Strength. International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) . July 1997
Comunicații mobile
Contracararea efectelor datorate atenuării se face diferit în downlink
și uplink
- downlink – configurarea dimensiunilor celulelor sau echivalent a
puterilor de emisie ale BTS-urilor (la o anumită distanță d puterea
recepționată trebui să fie mai mare de -102dBm/-104 dBm, funcție de
tipul stației mobile).
- uplink puterea de emisie a stațiilor mobile este controlată de către
BTS prin semnalizări (valori tipice 100 mW -1 W)
❑ Shadowing (fading de umbrire) : termen folosind pentru a modela
fluctuaţiile nivelului semnalului recepționat în jurul valorii medii datorită
obstrucționării căii de propagare în vizibilitate directă (LOS) de către
obstacole, conducând la propagare de tip NLOS (non-line-of sight)
- modelarea fadingului de umbrire se face printr-o distribuție de tip log-
normal (normală în domeniul logaritmic);
Comunicații mobile
- formula matematică care modelează propagarea în spațiul liber și
fadingul de umbrire este:
cu x o variabilă Gaussiană de deviație standard exprimată în dB
(valori tipice 6 - 10 dB);
- efectele fadingului de umbrire: semnalul recepționat este aleator, cu o
densitate de probabilitate log-normală și valori ce oscilează în jurul
valorii medii.
Contracarea efectelor fadingului de umbrire se face tipic la nivel BTS
prin utilizarea de două antene care recepționează independent același
semnal transmis (diversitate în spațiu). Distanța între antene trebuie să
fie suficient de mare astfel încât să asigure recepția independentă în cele două
antene.
Comunicații mobile
❑ Fading pe termen scurt (small scale fading): fluctuaţii rapide ale puterii
semnalului datorate prezenţei obstacolelor care conduc la multiple căi de
propagare prin mecanisme specifice de propagare : reflexie, difracţie şi
împrăştiere
-căile multiple de propagare conduc la existența a mai multor replici ale
semnalului transmis la receptor;
-propagarea prin difracție și penetrarea obstacolelor permit recepționarea
unui semnal, chiar dacă nu există condiții de propagare LOS;
-replicile semnalului transmis ajung la recepție cu diferite întârzieri în timp,
diferite faze şi diferite amplitudini;
-acest tip de fading poate produce împrăștierea în timp (time spreading) a
semnalului transmis: replicile transmise pot ajunge la receptor pe durata de
recepție a unor alte simboluri transmise
Comunicații mobile
Efectul direct al mobilității: caracteristicile canalului de transmisiune se
modifică în timp și în spațiu
Exemplu de semnal recepționat2:
2B. Sklar -Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems Part I: Characterization. IEEE
Communications Magazine. July 1997
-m(t) – medie globală datorată
atenuării și fadingului de umbrire
- r0(t) – fading pe temen scurt datorat
propagării multicale
Model matematic pentru semnalul
recepționat:
2 componentă datorată fadingului pe
termen scurt; semnal aleator cu o
densitate de probabilitate de tip Rayleigh
Comunicații mobile
- fadingul pe termen scurt poate conduce la apariția de minime ale
semnalului recepționat (fading dips) în care puterea semnalului scade
față de valoarea medie cu 20-30 dB cu o probabilitate nenulă
- împrăștierea în timp a semnalului transmis este un fenomen aleator
care se modelează matematic printr-o funcție densitate de probabilitate
caracterizată de următorii parametri:
Timp maxim de întârzire (maximum excess delay): diferența între prima și ultima
replică recepționată pentru un anumit simbol transmis.
Timp mediu de întârziere (mean delay): valoare calculată ca o medie ponderată a
timpilor de întârziere asociați fiecărei replici; ponderile sunt puterile detectate
pentru fiecare replică Pk
Valoarea medie pătratică a timpilor de întârziere (mean square delay)
Deviația standard a timpilor de întârziere (root mean square delay spread):
valoarea efectivă a timpilor de întârziere
( )22 −=t
- valorile tipice pentru parametrul RMS delay spread sunt de ordinul s for
pentru propagare outdoor (max 20 s în GSM) și ns pentru propagare indoor
Comunicații mobile
-fading plat – apare pentru durate de simbol TS >> t ; fadingul se
manifestă în acest caz prin reducerea raportului semnal/zgomot
- fading selectiv în frecvență –apare pentru durate de simbol TS << t ;
fadingul se acest tip de fading se manifestă prin fenomene de tip
intereferență intersimbol induse de canalul de transmisiune
- funcție de valorile parametrilor funcției de densitate de probabilitate
asociate timpilor de întârziere fadingul se clasifică astfel:
Contracarea efectelor fadingului plat se face prin:
-utilizarea de tehnici de tip frequency hopping (salt de frecvență) în
sisteme de tip FDMA – modificarea frecvenței de emisie la intervale
regulate de timp; se induce diversitate în frecvență
-utilizarea de coduri corectoare de erori cu întrețesere (interleaving); se
induce diversitate în timp
- fenomenele de tip ISI sunt cauzate de reflexii pe obiecte distante (sute
de metri- 1km)
MS BS
0
11 0
Măsuri de contracarare : folosirea de egalizoare (sisteme TDMA/FDMA).
utilizarea de corelatoare multiple (CDMA), folosirea unui număr suficient
de mare de subpurtătoare în sisteme OFDM
- interferența intersimbol impune constrângeri asupra ratei maxime de
transfer
-canalul are o funcţie de transfer selectivă în frecvenţă şi atenuează diferit
componentele spectrale ale semnalului transmis
Comunicații mobile
1
- pe lângă fenomenele de propagare multicale. semnalele
recepționate sunt afectate de efecte de tip Doppler induse de mișcarea
relativă între emițător și receptor
- efectul Doppler se manifestă prin deviații de frecvență- dacă un mobil se îndreaptă spre transmiţător cu viteza v pe o traiectorie
rectilinie frecvența semnalului recepționat suferă o deviație de frecvență
- într-un mediu de propagare muticale fiecare replică poate cauza deviații:
- unghiul de incidență este variabil pentru fiecare componentă. conducând
la dispersie în domeniul frecvență: dispersie Doppler
-efectul în domeniul timp: posibilă variabilitate a canalului pe durata de
recepție a unui simbol (fading rapid) – nu este cazul în GSM
=
vf max
d
v
n
Calea n( )n
nd
vf
co s=
Comunicații mobile
Egalizoare
Secvenţa cea mai
probabilă
Demux
Model de
canal
Generator
de semnal
Generator de
secvenţe de date
Calcul
metrici
Algoritmul
Viterbi
Secvenţă
recepţionată
Secvenţă
de
antrenare
idealăSecvenţă de
antrenare
recepţionată
Model de
canal
Reprezentare sub formă de trellis
Comunicații mobile
- construiesc modele matematice pentru canalul de transmisiune prin
estimarea funcției de răspuns la impuls- în GSM canalul de transmisiune se modelează printr-un filtru FIR pe baza
secvențelor de antrenare trimise
- tip de egalizor folosit în GSM– MLSE – Minimum Least Squares
Equalizer (Viterbi)
Schemă bloc