1 Cellulaire communicatie Voorkennis Telecommunicatie: . Kenmerk simplex-en full duplex-verbinding. . Kenmerk thermische ruis en signaal-ruis-verhouding. Inleiding De eerste generatie mobiele netwerken was gebaseerd op zenders met een hoog verm ogen en een groot dekkingsgebied. Op hoge torens werden hiervoor antennes geplaatst. Alh oewel deze benadering resulteerde in een uitgestrekt dekkingsgebied, was hergebruik van dez elfde zendfrequenties vanwege interferentie onmogelijk. Interferentie in deze context betekent dat twe e dicht bij elkaar gelegen zenders een signaal verzenden binnen dezelfde frequenti eband. Deze twee signalen verstoren elkaar. In overlappingsgebieden resulteert dit in een ze er slechte ontvangst van het signaal. Binnen een dekkingsgebied van drieduizend vierkante kilometers konden in de jare n zeventig slechts twaalf mobiele gebruikers tegelijkertijd bellen. Nieuwe frequentiebanden reserveren voor mobiele communicatie was echter onmogelijk. 1.1 Cellulaire netwerken Cellulaire communicatie was de doorbraak bij het oplossen van het bandbreedte-pr obleem. Bij deze communicatievorm vervangen we een zender met een hoog vermogen door een aantal zenders met een laag zendvermogen. Een zender/ontvanger (base station) bi nnen een cellulair communicatiesysteem dekt een klein gedeelte van het totale dekkingsgeb ied af. Elk base station krijgt een beperkt aantal kanalen toegewezen. Omringende base stati ons maken gebruik van kanalen die binnen andere frequentiegebieden liggen. Hierdoor is de interferentie minimaal. In figuur 1.1 is het principe van cellulaire communicatie afgebeeld. Situatie B cluster met zeven frequenties Situatie A cluster met vier frequenties f1 f2 f3 f4f5 f6 f7 f1 f2 f3

f4f5 f6 f7 f1 f2 f3 f4f5 f6 f7 f1 f2 f3f4f5 f6 f7 f1 f2 f3 f4f5 f6 f7 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 cel (hexagon) Figuur 1.1 Cellulaire communicatie Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

Cellen waarin dezelfde aanduiding staat, gebruiken dezelfde frequentieband. Een zeshoekige cel wordt ook wel aangeduid met de term hexagon. Om een groep cellen die bij elk aar hoort (cluster) tekenen we een dikke lijn. In figuur 1.1 zijn twee clusters afgebeeld. In situatie A is de cluster-grootte, N, gelijk aan 4 en de hergebruik-frequentie -factor 1/4. De cluster-grootte in situatie B is 7 en de hergebruik-frequentie-factor 1/7. Voorbeeld 1.1 Inleiding Een cellulair telefoonsysteem voor full duplex-verbindingen beschikt over een to tale bandbreedte van 33 MHz. Voor een full duplex-verbinding zijn twee simplex-kanale n nodig. Het ene simplex-kanaal gebruikt het telefoonsysteem om spraak te verzende n en het andere kanaal voor ontvangst. De bandbreedte van een simplex-kanaal is 25 kH z. Gevraagd Bereken het maximale aantal full duplex-kanalen per cel, indien: a) een cluster uit 4 cellen bestaat; b) een cluster uit 7 cellen bestaat; c) een cluster uit 12 cellen bestaat. Oplossing Voor een full duplex-verbinding is een bandbreedte van 2 x 25 kHz = 50 kHz nodig . Het cellulaire telefoonsysteem kan per cluster 33000 : 50 = 660 full duplex-kana len tegelijkertijd in stand houden. a) Indien een cluster uit 4 cellen bestaat, kan elke cel in dit cluster maximaal

660:4= 165 full duplex-verbindingen in stand houden. b) Indien een cluster uit 7 cellen bestaat, kan elke cel in dit cluster maximaal 660:7 95 full duplex-verbindingen in stand houden. c) Indien een cluster uit 12 cellen bestaat, kan elke cel in dit cluster maximaal 660:12=55 full duplex-verbindingen in stand houden. Voorbeeld 1.2 Een cellulair telefoonsysteem gebruikt control-kanalen voor besturingsdoeleinden zoals

bijvoorbeeld het opbouwen en verbreken van verbindingen. Het cellulaire telefoon systeem uit de inleiding in voorbeeld 1.1 gebruikt voor de control-kanalen een bandbreedte van 1 MHz. Gevraagd Bereken het maximale aantal full duplex-control-en -spraakkanalen per cel, indie n: a) een cluster uit 4 cellen bestaat; b) een cluster uit 7 cellen bestaat; c) een cluster uit 12 cellen bestaat. Oplossing Een bandbreedte van 1 MHz voor control-kanalen betekent dat per cluster 1000:(2x25)= 20 full duplex-kanalen beschikbaar zijn voor besturingsdoeleinden. Het aantal full duplex-kanalen per cluster voor spraak is 660-20 = 640. a) Indien een cluster uit 4 cellen bestaat, kan elke cel in dit cluster maximaal 640:4= 160 full duplex-verbindingen in stand houden voor spraakverkeer. Het maximaal aantal full duplex-verbindingen voor control-kanalen is: 20:4=5. In de praktijk heeft elke cel slechts n full duplex-verbinding nodig voor een controlkan aal. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

b) Indien een cluster uit 7 cellen bestaat, is de situatie als volgt: control-kanalen kanalen voor spraakverkeer aantal cellen aantal full duplexv erbindingen per cel totaal aantal full duplexv erbindingen per cluster aantal cellen aantal full duplexv erbindingen totaal aantal full duplexv erbindingen 4 3 12 4 92 368 2 3 6 2 90 180 1 2 2 1 92 92 totaal 20 totaal 640 In de praktijk heeft elke cel slechts n full duplex-verbinding nodig voor een control-kanaal. Dit betekent dat we de full duplex-kanalen als volgt verdelen: control-kanalen kanalen voor spraakverkeer aantal cellen aantal full duplexv erbindingen per cel totaal aantal full duplexv erbindingen per cluster aantal cellen aantal full duplexv erbindingen totaal aantal full duplexv erbindingen 4 1 1 4 91 364 3 1 3 3 92 276 totaal 4 totaal 640 c) Indien een cluster uit 12 cellen bestaat, is de situatie als volgt: control-kanalen kanalen voor spraakverkeer aantal

cellen aantal full duplexv erbindingen per cel totaal aantal full duplexv erbindingen per cluster aantal cellen aantal full duplexv erbindingen totaal aantal full duplexv erbindingen 8 2 16 8 53 424 4 1 4 4 54 216 totaal 20 totaal 640 In de praktijk heeft elke cel slechts n full duplex-verbinding nodig voor een control-kanaal.Dit betekent dat we de full duplex-kanalen als volgt verdelen: control-kanalen kanalen voor spraakverkeer aantal cellen aantal full duplexv erbindingen per cel totaal aantal full duplexv erbindingen per cluster aantal cellen aantal full duplexv erbindingen totaal aantal full duplexv erbindingen 8 1 8 8 53 424 3 1 4 4 92 216 totaal 12 totaal 640 Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

1.2 Co-channel-interferentie Hergebruik van frequentiebanden betekent dat binnen een dekkingsgebied verschill ende cellen dezelfde frequentiebanden gebruiken. Deze cellen worden in vakliteratuur aangeduid met de term co-channel-cells. Interferentie tussen co-channel-signalen heet co-c hannel interferentie. Storende invloeden van thermische ruis kunnen we sterk reduceren door de signaal -ruisverhouding te verhogen. In tegenstelling tot thermische ruis lukt dit niet bij co-channelin terferentie. Een hoger zendvermogen resulteert immers in een nog grotere inteferentie bij de nabij gelegen co-channels. Reductie van co-channel-interferentie kunnen we allee n bereiken, indien co-channel cells ver genoeg uit elkaar staan. Wanneer elke cel even groot is en base stations hetzelfde zendvermogen hebben, i s de cochannel interferentie onafhankelijk van het zendvermogen. Co-channel-interferentie is afhankelijk van de cel-radius (R) en de afstand tussen de middelpunten van co-ch annel cells (D). De gewenste afstand tussen de middelpunten van co-channel cellen kunnen we berekenen met de formule: Q = D/R = v (3 x N) Q is de hergebruikverhouding van co-channels. N is het aantal cellen per cluster. afstandtussen co-channelscells Radius van een cel (R) Figuur 1.2 Co-channels Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

Voorbeeld 1.3 Gegeven Een stad heeft een oppervlakte van 3400 km2 en wordt gedekt door een cellulair n etwerk. De kenmerken van dit netwerk zijn: Clustergrootte van 7 cellen. Radius van een cel is 6,4 km. Elke cel heeft hetzelfde zendvermogen. Frequentiespectrum van het cellulaire netwerk is 40 MHz. Bandbreedte full-duplex-kanaal is 60 KHz. Gevraagd a) Bepaal het aantal cellen voor het cellulaire netwerk in de stad. b) Bepaal het aantal full-duplex-kanalen per cel. c) Bepaal de minimale afstand tussen twee cellen die informatie verzenden/ontvan gen binnen dezelfde bandbreedte. Oplossing a) De oppervlakte van cel (hexagon) = 2,5981R2 De radius (R) van een cel is 6,4 km. Dit betekent dat het dekkingsoppervlakte va n een cel gelijk is aan 2,5981 x (6,4)2 = 106,418 km2. Het aantal cellen voor het cellulaire netwerk in de stad is 3400/106,418 = 32. b) Het frequentiespectrum van het cellulaire netwerk is 40 MHz. De bandbreedte van een full-duplex-kanaal is 60 KHz. Het totaal aantal full-duplex-kanalen per cluster is (40 x 106) / (60 x 103) = 6 66 fulduplexkanalen. Een cluster in het cellulaire netwerk van deze stad bestaat uit zeven cellen. He t aantal full-duplex-kanalen per cel is daarom 666/7 = 95. c) Om co co-channel interferentie te voorkomen moet er een minimale afstand zijn tu ssen twee cellen die in dezelfde bandbreedte informatie verzenden/ontvangen. De afsta nd berekenen we met de formule: Q = D/R = v (3 x N). * Het aantal cellen per cluster (N) is 7. * Q = v (3 x 7)= 4,582 De minimale afstand tussen co-channel cels is: * D = Q * R = 4,582 x 6,4 = 29,32 km. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

1.3 Cellulair netwerk Een cellulair netwerk heeft een draadloze verbinding naar het vaste telefoonnetw erk. In figuur 1.3 is een cellulair netwerk afgebeeld. TelefoonnetwerkMSC MobielStation(MS) base station Figuur 1.3 Cellulair systeem De basiscomponenten in figuur 1.3, zijn: 1) Een mobiel station (ms). 2) Base station. Dit station bestaat uit ontvangers, zenders en antennes die teg elijkertijd verschillende full duplex in stand kunnen houden. 3) Mobile Switching Centre (MSC). In vakliteratuur soms aangeduid met de term Mobile Telephone Switching Office (MTSO). Elk mobiel station communiceert met n van de base stations. Wanneer de gebruiker v an een mobiel station zich verplaatst, kan een telefoongesprek via verschillende base s tations plaatsvinden. Dit betekent dat de bandbreedte van het spraak- en control-kanaal verandert zonder dat de gebruiker van het mobiele station daar iets van mag merken. Het do orgeven van de telefoonverbinding van de het ene naar het andere base station heet handoverprocedure. Het MSC cordineert de activiteiten van alle base stations en koppelt het cellulai re netwerk aan het telefoonnetwerk. Een standaard MSC is geschikt voor 100.000 cellulaire a bonnees en kan tegelijkertijd 5000 telefoonverbindingen in stand houden. Daarnaast kan een MSC telefoonkosten doorberekenen en ondersteunt het onderhoud van systeemfuncties. Communicatie tussen een mobiel en base station is vastgelegd in een Common Air I nterface (CAI). Deze interface omvat de volgende vier kanalen: Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

1) Forward Voice Channel (FVC). Via dit kanaal vindt het spraakverkeer van het b ase station naar het mobiele station plaats. De communicatie van het base station na ar het mobiele station wordt ook wel aangeduid met de term down link. 2) Reverse Voice Channel (RVC). Via dit kanaal vindt het spraakverkeer van het mobiele station naar het base station plaats. De communicatie van het mobiele st ation naar het base station wordt ook wel aangeduid met de term up link. 3) Forward Control Channel (FCC). Via dit kanaal vindt het opzetten van spraakverbindingen van het base station naar het mobiele station plaats. 4) Reverse Control Channel (RCC). Via dit kanaal vindt het opzetten van spraakverbindingen van het mobiele station naar het base station plaats. Control Channels versturen en ontvangen berichten voor het opzetten van verbindi ngen. Mobiele stations die geen telefoonverbinding in stand houden, monitoren continu control channels. Op het moment dat we een mobiel station inschakelen, tast het eerst af van welk FCC kanaal het ontvangen signaal het sterkst is. 1.4 Mobiele verbinding Wanneer we bellen naar een mobiel station, gebeurt het volgende: 1) Een Mobile Switching Centre geeft de oproep door aan alle base stations. 2) Base stations versturen een International Mobile Subscriber Identity (IMSI) a ls een braodcast-bericht via de forward control channels. Elk mobiel station heeft naas t een telefoonnummer een uniek IMSI-nummer dat uit 15 cijfers bestaat. 3) Na ontvangst van het IMSI-nummer verstuurt het mobiele station onderstaande g egevens via het reverse control channel: a) Electronic Serial Number (ESN). In een mobiele telefoon is dit nummer vastgelegd in de Subscriber Identity Module (SIM). b) Station Class Mark. Dit getal is een indicatie van maximale zendvermogen van het mobiele station. In tabel 1 staat het zendvermogen van diverse mobiele stations. Tabel 1 Zendvermogen klasse maximale radio frequentie vermogen

(dBm) type mobiel station 1 20 voertuig 2 8 voertuig/portable 3 5 portable 4 2 handheld (typical) 5 0,8 handheld Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

mobiel station (MS) ViewViewcardcard 503 5CA 453 114 A.M. VELDERA.M. VELDERS expiexpir: 4: 4--1010--19981998 GOLDGOLD + hard-en software Subscriber Identification Module (SIM) Figuur 1.4 SIM 4) Het Mobile Switching Centre controleert of het electronic serial number bij h et IMSIn ummer behoort. Wanneer deze nummers bij elkaar horen, geeft het Mobile Switching Centre een base station opdracht om spraakkanalen toe te wijzen aan het mobiele station. 5) Base station geeft aan het mobiele station door welk forward voice channel en reverse voice channel het kan gebruiken voor het ontvangen en versturen van spraakverkee r. In figuur 1.5 is het opzetten van een telefoonverbinding tussen een vaste telefo onaansluiting en een mobiel station als functie van de tijd weergegeven. Het opzetten van een telefoonverbinding waarbij een mobiel station het initiatief neemt, is weergegeven in figuur 1.6. Voorbeeld 1.4 Gegeven Het zendvermogen van een mobiel station is 5 dBm. Gevraagd Bepaal het zendvermogen (Pz) uitgedrukt in mW. Opmerking 0 dBm is gelijk aan 1 mW. Oplossing 5 = 10 x 10log (Pz/1mW) 10log (Pz/1mW) =0,5 Pz = 100,5 = 3,16 mW Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

Verstuurt spraak RVC Ontvangst spraak FVC Bevestigt ontvangst IMSI en verstuurt ESN en Station Class Mark RCC Ontvangt bericht waarin het toegewezen spraak-kanaalpaar staat. Ontvangt IMSI en vergelijkt deze met eigen IMSI. FCC Ontvangst spraak. RVC Verstuurt spraak FVC Ontvangt IMSI, ESN en Station Class Mark. Verstuurt dit door naar MSC. RCC Stuurt bericht naar MS om spraakkanalen toe te wijzen Stuurt IMSI naar desbetreffende gebruiker. FCC Base station Verbind MS met de oproepende telefoonaansluiting Vraagt aan base station: Wijs een niet gebruikt spraakkanaal-paar toe aan MS Controleert of de MS een geldig IMSI en ESN heeft. Ontvangt telefoonoproep. Stuurt IMSInaar alle base stations.

Verbinding opzetten tussen vaste telefoonaansluiting en mobiel station kanaal MSC BSC MS Verstuurt spraak RVC Ontvangst spraak FVC Bevestigt ontvangst IMSI en verstuurt ESN en Station Class Mark RCC Ontvangt bericht waarin het toegewezen spraak-kanaalpaar staat. Ontvangt IMSI en vergelijkt deze met eigen IMSI. FCC Ontvangst spraak. RVC Verstuurt spraak FVC Ontvangt IMSI, ESN en Station Class Mark. Verstuurt dit door naar MSC. RCC Stuurt bericht naar MS om spraakkanalen toe te wijzen Stuurt IMSI naar desbetreffende gebruiker. FCC Base station Verbind MS met de oproepende telefoonaansluiting Vraagt aan base station: Wijs een niet gebruikt spraakkanaal-paar toe aan MS Controleert of de MS een geldig IMSI en ESN heeft. Ontvangt telefoonoproep.

Stuurt IMSInaar alle base stations. Verbinding opzetten tussen vaste telefoonaansluiting en mobiel station kanaal MSC BSC MS tijd Figuur 1.5 Verbinding opzetten tussen vaste telefoonaansluiting en mobiel statio n Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos) 9

Neemt initiatief voor telefoonoproep en verstuurt IMSI, ESN en Station Class Mark Ontvangt verzoek telefoonoproep, IMSI, ESN en Station Class Mark Verstuurt spraak RVC Ontvangst spraak FVC RCC Ontvangt bericht waarin staat welke spraakkanalen het kan gebruiken. FCC Ontvangst spraak. RVC Verstuurt spraak FVC . RCC Wijst spraakkanalen aan MS toe FCC Base station Maakt verbinding tussen MS en vaste telefoonaansluiting . Geeft base station opdracht om spraakkanalen toe te wijzen aan MS Ontvangt verzoek telefoonoproep en controleert IMSI en ESN Verbinding opzetten tussen mobiel station en vaste telefoonaansluiting kanaal MSC BSC MS Neemt initiatief voor telefoonoproep en verstuurt IMSI, ESN en Station Class Mark Ontvangt verzoek telefoonoproep, IMSI, ESN en Station Class Mark Verstuurt spraak RVC Ontvangst spraak FVC

RCC Ontvangt bericht waarin staat welke spraakkanalen het kan gebruiken. FCC Ontvangst spraak. RVC Verstuurt spraak FVC . RCC Wijst spraakkanalen aan MS toe FCC Base station Maakt verbinding tussen MS en vaste telefoonaansluiting . Geeft base station opdracht om spraakkanalen toe te wijzen aan MS Ontvangt verzoek telefoonoproep en controleert IMSI en ESN Verbinding opzetten tussen mobiel station en vaste telefoonaansluiting kanaal MSC BSC MS tijd Figuur 1.6 Verbinding opzetten tussen mobiel station en vaste telefoonaansluitin g Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos) 10

1.5 Hand off-strategien Roaming is n van de grote voordelen van een cellulair netwerk. Een Mobile Switchin g Centre schakelt automatische een bestaande telefoonverbinding door naar nieuwe k analen (handover), wanneer het mobiele station een ander base station bereikt. Tijdens de een handover moet het mobiele station zich identificeren bij het volgende base stati on. Via dit base station krijgt het mobiele station nieuwe voice en control channels Binnen cellulaire netwerken is de handover-procedure zeer belangrijk.Deze proced ure moet succesvol en zo min mogelijk keren plaatsvinden. Uiteraard mogen gebruikers hier van niets merken. Om aan deze eisen tegemoet te komen, definiren ontwerpers van cellulaire netwerken een ontvangst-signaalniveau waarbij de handover-procedure start. Ontwerpers specificeren een bepaald ontvangst-signaalniveau van een base station als het minimaal bruikbare signaal (Pminimaal) voor acceptabele spraakkwaliteit. In de p raktijk ligt dit tussen de -90 en -100 dBm. Een iets sterker signaalniveau wordt als grens (hand off threshold) gebruikt, waarbij de handover-procedure start. Het verschil tussen de ze signalen mag niet te groot zijn (. = Phand off threshold -Pminimaal). Mobiele en base sta tions belasten een Mobile Switching Centre extra tijdens onnodige hand off-procedures, als . te groot is. Daarentegen verbreekt het Mobile Switching Center de verbinding, indien . daaren tegen te klein is. Dit komt omdat er dan onvoldoende tijd om van het ene naar het andere base station over te schakelen. Om conflictsituatie te vermijden behoren ontwerpers van cellu laire netwerken de waarde van . met zorg te kiezen. In figuur 1.7 verloopt de handover-procedure niet goed en komt het vermogen van het ontvangstsignaal beneden een acceptabele waarde. Hierdoor wordt de verbinding ve rbroken. Deze situatie doet zich voor als . te klein is of wanneer door een hoge netwerkb elasting een Mobile Switching Centre te langzaam reageert. A B tijd Pontvangen niveau bij punt A niveau bij punt B (verbinding is verbroken) Pminimaal omverbinding in stand te houden Phand off threshold base station 1 base station 2 . Figuur 1.7 Foute handover

Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

In figuur 1.8 verloopt de handover-procedure naar wens. A B tijd Pontvangen base station 1 base station 2 via base station 1 niveau bij punt B Phand off threshold via base station 2 Figuur 1.8 Goede handover De handover-procedure mag niet in werking treden, als ruis het ontvangstsignaal tijdelijk verzwakt. Een Mobile Switching Centre moet er zeker van zijn dat een mobiele sta tion zich van een base station verwijdert. Om hier zeker van te zijn, meet een base statio n het ontvangen signaal van een mobiel station gedurende een bepaalde periode. Een bas e station start de handover-procedure, indien blijkt dat de signaalsterkte van het mobiele station inderdaad afneemt gedurende een bepaalde periode. Het meten van de gemiddelde signaalsterkte moet secuur gebeuren. De snelheid waarmee een mobiel station zich verplaatst is eveneens een belangrijk aspect bij het bepalen van het moment waarop de hando verprocedure moet starten. Aan de hand van de gemeten signaalverzwakking in een periode (T) berekent een base station de snelheid van een mobiel station. Zie figuur 1.9. Binnen de eerste generatie cellulaire netwerken meten base stations onder superv isie van een Mobile Switching Centre de signaalsterkte van het reverse voice channel. In de h uidige tweede generatie netwerken zijn de handover-procedures mobile assisted. Elk mobi el station meet continu de ontvangen signaalsterkte van de omliggende base stations bij Mob ile Assistent Hand Off (MAHO). Deze meetwaarde geeft een mobiel station door aan het dienstdoende base station. De handover-procedure treedt in werking, wanneer de signaalsterkte van een aangrenzend base station sterker wordt als de signaalster kte van het dienstdoende base station. De MAHO-methode resulteert in een veel snellere hando verprocedure dan binnen de eerste generatie netwerken. Dit komt omdat in plaats van een Mobil e Switching Centre nu elk mobiel station de signaalsterkte meet. Voor het beheren van handover-verzoeken zijn verschillende technieken ontwikkeld . Sommige netwerken handelen een handover-verzoek en het opzetten van een nieuwe telefoonverbinding op dezelfde wijze af. De kans dat een handover-verzoek of het opzetten Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

P .afstand signaal verzwakking afstand XY Figuur 1.9 Verzwakking = f(afstand) van een nieuwe telefoonverbinding mislukt, is binnen deze netwerken even groot. Een verbinding abrupt afbreken veroorzaakt gebruikers echter meer overlast dan het m islukken van een nieuwe telefoonverbinding. De guard channel-methode reserveert een bepaalt percentage van de beschikbare vo ice channels voor het afhandelen van handover-verzoeken. Het nadeel van deze methode is dat er minder voice channels overblijven voor het opzetten van nieuwe verbindingen. Han doververzoeken in een wachtrij (queuing) plaatsen is een andere methode. Verzoeken in een wachtrij plaatsen is mogelijk omdat er een bepaalde tijd ligt tussen het bereike n van Phand off threshold- en het Pminimaal-niveau. De grootte van een wachtrij afhank elijk is van het telefoon-verkeer in een district. Toch is de kans aanwezig dat een telefoonverbi nding wordt verbroken. Dit komt omdat bij een hoge netwerkbelasting te grote vertragingen op treden tijdens het afhandelen van handover-verzoeken. Hierdoor komt de signaalsterkte b eneden het Pminimaal-niveau Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

1.6 Transmissietechnieken In de meeste situaties is het wenselijk dat een gebruiker binnen een draadloos c ommunicatienetwerk tegelijkertijd informatie kan ontvangen/versturen van/naar het base station. Tegelijkertijd informatie ontvangen en versturen wordt in vakliteratuur aangedui d met de term duplexing. Duplexing-technieken zijn: 1) Frequency Division Duplexing (FDD). Deze techniek biedt twee verschillende frequentiebanden voor elke gebruiker. De forward band gebruiken we voor het verk eer van het base station naar de mobiele gebruiker en de reverse band voor het verke er van de mobiele gebruiker naar het base station. Kortom: een FDD-duplex-kanaal bestaat uit twee simplex-kanalen (forward en reverse). 2) Time Division Duplexing (TDD). Bij deze techniek krijgt elke gebruiker gedure nde een bepaalde periode de beschikking over het transmissiemedium. Deze periode noemen we een tijdslot. Elk TDD-duplex-kanaal heeft een forward- en reverse tijd slot. In figuur 1.10 zijn FDD-en TDD-technieken afgebeeld. scheiding tussen Frequency Division Duplexing (FDD) frequentie tijd Reverse channel Reverse channel Forward channel frequentiebanden scheiding tussen tijdsloten (guard time) reverse tijdslot forward tijdslot Time Division Duplexing (TDD) Forward channel reverse band forward band Figuur 1.10 FDD- en TDD-technieken Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

FDD- en TDD-technieken hebben voor- en nadelen. FDD passen we toe voor radiocomm unicatiesystemen waarbij elke gebruiker zijn eigen radiofrequenties heeft. Een mobiel communicatiesysteem moet het toewijzen van frequentiebanden aan mobiele gebruike rs zorgvuldig cordineren. Dit is noodzakelijk aangezien FDD-transceivers tegelijkert ijd radiosignalen verzenden en ontvangen. Om storingen te voorkomen moet de scheidin g tussen beide frequentiebanden groot genoeg zijn. Cordinatie is tevens noodzakelijk om go edkope oscillator technologien te kunnen toepassen. TDD maakt het mogelijk dat een transceiver als een zender of ontvanger functione ert binnen dezelfde frequentieband. Speciale voorzieningen voor de scheiding tussen de reve rse en forward band zoals bij FDD zijn daardoor niet noodzakelijk. Een ander probleem w at zich echter bij TDD voordoet binnen een draadloos netwerk, is de vertraging tussen ee n base station en mobiel station. De afstand tussen een base station en mobiel station varieert. Hierdoor verandert de vertraging. Het toewijzen van tijdsloten gebeurt volgens s trikte regels waarbij geen rekening wordt gehouden met vertragingen. Deze regels maken TDD all een geschikt voor vaste toegangsnetwerken en draadloze telefonie binnen huizen en be drijven. 1.7 Multipel-toegangstechnieken Multipel-toegangstechnieken stellen mobiele gebruikers in staat een beperkte rad iobandbreedte te delen. Bandbreedte delen is noodzakelijk om een grote groep gebruikers tegelijkertijd te laten bellen. Bij communicatie met een hoge kwaliteit, mag dit geen invloed hebben op de verwerkingssnelheid van het mobile netwerk. Multipel-toegangstechnieken die toegepast worden om de gelimiteerde bandbreedte te delen onder mobiele stations, zijn: 1) Frequency Division Multiple Access (FDMA) De beschikbare bandbreedte wordt bij FDMA opgedeeld in simplex-kanalen met dezel fde bandbreedte. zendvermogen tijd frequentie 1 2 3 4 5 6 kanalen Figuur 1.11 FDMA Eigenschappen van FDMA zijn: a) Om tegelijkertijd informatie te kunnen verzenden en ontvangen heeft een stati on twee

simplex-kanalen nodig. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

b) Indien een gebruiker zijn kanaal tijdelijk niet gebruikt, is het onmogelijk dat andere gebruikers deze bandbreedte krijgen toegewezen. c) De bandbreedte van een FDMA-kanaal is betrekkelijk smal (30 kHz). d) Een FDMA-systeem is minder complex dan een TDMA-of CDMA-systeem. e) Aangezien een FDMA-systeem continu bits verstuurt zijn er t.o.v. een TDMAsysteem minder bits nodig voor synchronisatie en framing. f) Voor een FDM-systeem zijn goede filters nodig om de interferentie tussen naast elkaar liggende kanalen te minimaliseren. 2) Time Division Multiple Access (TDMA) Bij TDMA krijgt elke gebruiker gedurende een bepaalde tijd (tijdslot) de beschik king over de beschikbare bandbreedte. zendvermogen tijd t frequentie jds 1 2 3 4 5 6 Figuur 1.12 TDMA Eigenschappen van TDMA zijn: a) Om tegelijkertijd informatie te kunnen verzenden en ontvangen heeft een station twee tijdsloten nodig. b) Binnen een TDMA-systeem is de datatransmissie niet continu maar schoksgewijs (burst). Dit resulteert in een lager batterijgebruik, omdat de zender in het mob iele station automatisch wordt uitgeschakeld als het geen data verstuurt. c) Vanwege de niet continue datatransmissie binnen een TDMA-systeem is de handover-procedure veel eenvoudiger in een mobiel station. Gedurende de periode dat een mobiel station niet de beschikking heeft over een tijdslot om data te verzenden, luistert het nu naar andere base stations. d)

Door de schoksgewijze datatransmissie zijn er binnen een TDM-systeem betrekkelij k veel bits nodig voor synchronisatie doeleinden. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

e) De tijd die ligt tussen twee opeenvolgende tijdsloten (guard time) moet voldoen aan een bepaalde minimale waarde. Dit is noodzakelijk om interferentie tussen twee tijdsloten te voorkomen. 3) Code Division Multiple Access (CMDA) Elk informatie-signaal van een gebruiker wordt vermenigvuldigd met een spreading signal. Dit signaal bevat voor elke gebruiker een unieke code. Om het informatie -signaal te kunnen (de)moduleren moeten het base station en het mobiele station deze unie ke code kennen. Code tijd mobiel station mobiel station mobiel station mobiel station mobiel station mobiel station frequentie 1 2 3 4 5 6

Figuur 1.13 CDMA Eigenschappen van CDMA zijn: a) Veel gebruikers binnen CDMA-systeem delen dezelfde bandbreedte. b) Hoge data-transmissiesnelheid per kanaal. c) Base stations regelen via commando.s het zendvermogen van mobiele stations. Hiermee voorkomen we dat het signaal van het ene mobiele station .verdrinkt. in het signaal van een ander station. In tabel 2 staat een overzicht van multipel-toegangstechnieken binnen verschille nde draadloze netwerken. Tabel 2 Toepassing multipel-toegangstechnieken cellulair systeem multipel-toegangstechniek Advanced Mobile Phone System (APMS) FDMA/FDD Global System for Mobile (GSM) TDMA/FDD CT2 (Cordless Telephone) FDMA/TDD Digital European Cordless Telephone (DECT) FDMA/TDD W-CDMA (3GPP) CDMA/FDD CDMA/TDD Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

Voorbeeld 1.5 Gegeven In een GSM-netwerk wordt TDMA/FDD toegepast als modulatietechniek en in een DECT-systeem FDMA/TDD. Gevraagd 1) Wat wordt er bedoeld met: a) TDMA/FDD; b) FDMA/TDD? Oplossing 1) Met deze aanduidingen wordt het volgende bedoeld: a) FDD wordt toegepast als duplexing techniek tussen een base station en mobiel stations. Verschillende mobiele stations moeten n reverse en forward band van dit duplexing-systeem delen. Het delen van deze banden in een GSM-netwerk gebeurt op basis van Time Division Multiple Access (TDMA). In figuur 1.14 is het principe v an deze multipel-toegangstechniek afgebeeld. base station 712345607123456071234560draaggolf 0 draaggolf 1 draaggolf 2 FDD-duplexing techniek tijdsloten (TDMA) Figuur 1.14 TDMA/FDD In een GSM-netwerk passen we de Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) modulatietechniek om de FDD-duplexingtechniek te realiseren. b) TDD wordt toegepast als duplexing techniek tussen een base station en mobiel stations. Verschillende mobiele stations moeten het reverse en forward tijdslot van dit duplexing-systeem delen. Het delen van deze banden in een DECT-systeem gebeurt op basis van Frequency Division Multiple Access (FDMA). Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

1.8 TDMA-frame In figuur 15 is de structuur van een TDMA-frame afgebeeld. TDMA-frame preamble informatiebericht trail bits tijdslot 1 tijdslot 2 tijdslot 3 tijdslot N trail bits guard bits sync. bits data . . . . . . . . . . . Figuur 1.15 Structuur TDMA-frame Het pramble-veld bevat adres-en synchronisatie-informatie. Een base station en m obiel station gebruiken deze informatie om elkaar te identificeren. Aan de ontvangstzi jde voorkomen guard bits interferentie tussen verschillende tijdsloten en TDMA-frame s. Voorbeeld 1.6 Gegeven In een GSM-netwerk passen we TDMA/FDD toe als multipel-toegangstechniek. De tota le bandbreedte van de forward band is 25 MHz. Deze bandbreedte delen we op in radio draaggolven met een bandbreedte van 200 KHz. Elke draaggolf bevat acht tijdsloten voor spraakverkeer. Gevraagd Bepaal het aantal mobiele gebruikers binnen n cluster die tegelijkertijd kunnen be llen. Opmerking De eigenschappen van de reverse band zijn hetzelfde als die van de forward band. Oplossing Het aantal draaggolven van 200 KHz binnen de totale forward bandbreedte is: 25MHz/200KHz = 125. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

Acht mobiele gebruikers kunnen tegelijkertijd via een bandbreedte van 200 KHz telefoneren. Het aantal mobiele gebruikers binnen n cluster die tegelijkertijd kunnen bellen is : 125 x 8 = 1000. Voorbeeld 1.7 Gegeven Een GSM-netwerk verstuurt/ontvangt TDMA-frames die acht tijdsloten bevatten. Elk tijdslot bevat 156,25 bits. De transmissiesnelheid van deze bits is 270,833 Kbit/s. Gevraagd Bereken: a) Zendtijd van n bit. b) Zendtijd van n tijdslot. c) Zendtijd van n TDMA-frame. Opmerking De zendtijd van het preamble- en trail bits-veld in een TDMA-frame mogen we verwaarlozen. Oplossing a) Zendtijd van n bit is: 1/(270,833 x 103) = 3,692 sec. b) Zendtijd van n tijdslot is: 156,25 x 3,692 x 10-6 = 0,577 msec. c) Zendtijd van n TDMA-frame is: 8 x 0,577 x 10-3 = 4,615 msec. Voorbeeld 1.8 Gegeven Een tijdslot, zie figuur 1.16, in het TDMA-frame binnen een GSM-netwerk bestaat uit de volgende bits: ! 2 x 3 Tailbits om het begin van een tijdslot te markeren. ! 2 x 57 databits. Deze bits bevatten gebruikers-en signaleringsinformatie. ! 2 x 1 Stealing flags.Deze bits matkeren de plaats van de databits in een tijds lot. ! 26 Training Sequences-bits (vast bitpatroon). Deze bits gebruikt een GSM-netwe rk

voor synchronisatie doeleinden. ! 8,25 Guard Period-bits. Deze bits geven het mobiel station voldoende tijd om d e zender bij aanvang en het einde van een tijdslot aan en uit te schakelen. Gevraagd a) Bereken de bruto transmissiesnelheid waarmee een mobiel station data kan verstur en wanneer het de beschikking heeft over n tijdslot binnen een TDMA-frame. b) Bereken het lijnrendement van n TDMA-frame in een GSM-netwerk. Opmerking Verwaarloos de zendtijd van het preamble- en trail bits-veld in een TDMA-frame. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

8,25 Guard Period-bits 3 tail bits 2 x 1stealing flag-bit 3 tail bits 57 data-bits 57 data-bits 26 training sequence-bits tijdslot (156,25 bits) Figuur 1.16 Tijdslot c) Waarom wordt het transport van informatie binnen een GSM-netwerk aangeduid met de term multiplexing met grote tussenpauzes (burst multiplexing) ? Oplossing a) Het aantal TDMA-frames dat per seconde wordt verstuurd is: 1/(4,615 x 10 -3) = 216,685. Het aantal databits in een tijdslot van n TDMA-frame is: 2 x 57 = 114. De transmissiesnelheid waarmee een mobiel station data kan versturen wanneer het de beschikking heeft over n tijdslot binnen een TDMA-frame: 114 x 216,685 = 24,7 Kbit/sec. De netto transmissiesnelheid voor een GSM-spraak- en data-verbinding is respectievelijk 13 Kbit/s en 9,6 Kbit/s. Omdat GSM-apparatuur besturingsinformat ie toevoegt aan de data van gebruikers, ontstaat een verschil tussen de brutoen netto-transmissiesnelheid. Deze informatie voorkomt data-verlies als gevolg van interferentie en andere storingen. Aan de ontvangstzijde kan mobiele apparatuur hierdoor eventueel data-verlies zelfstandig corrigeren. De procedure om extra besturings-informatie toe te voegen aan data voor transmissiefoutcorrectie, heet Forward Error Correction (FEC). Zonder de FEC-methode zou de Bit Error Rate (BER) tussen de 10-3 en 10-1 liggen. Dit is te slecht voor een spraakverbinding. Door de FEC-methode toe te passen ligt de BER tussen 10-5 en 10-6. b) Een tijdslot bestaat uit: 2 x 3 tailbits + 8,25 Guard Period-bits + 26 Training Sequence-bits + 2 x 57 dat abits + 2 x 1 Stealing Flags = 156,25 bits. Een TDMA-frame bestaat uit: 8 x 156,25 = 1250 bits Het totaal aantal data-bits in een TDMA-frame is: 8 x 2 x 57 = 912. Het rendement n TDMA-frame in een GSM-netwerk, is: (912/1250) x 100 % = 72,96%. Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)

c) Het 2 x ags 148

aantal bruikbare bits voor het transport van informatie in een tijdslot is: 3 tailbits + 26 Training Sequence-bits + 2 x 57 databits + 2 x 1 Stealing Fl = bits.

De zendtijd van deze bruikbare informatie in een tijdslot is 148 x 3,692 sec = 546,416 sec. De tijd tussen twee opeenvolgende tijdsloten is 4615 sec. Conclusie Een mobiel station kan gedurende 546,416 sec bruikbare informatie versturen via d e ether en moet vervolgens 4615 . 546,416 = 4068,584 sec wachten. Aangezien de wachttijd veel groter is dan de zendtijd wordt het transport van informatie binn en een GSM-netwerk aangeduid met de term burst multiplexing. P tijd tijd tussen twee tijdsloten (4615 sec) zender in mobiel station ingeschakeld (546,416 sec) zender in mobiel station uitgeschakeld (4068,584 sec) bruikbare deel van een tijdslot (148 bits) Figuur 1.17 Burst multiplexing Hoofdstuk 1 Theorie cellulaire communicatie (W.J. Roos)