Steven Van LierMobile Telecommunications Engineer - Data Center Manager

CARRIERE INFORMATIE - HOE WERKT EEN GSMNETWERK?

GSM staat voor Global System for Mobile communications. Deze letter combinatie stond voor een standaard die begin jaren negentig is opgericht met als bedoeling om mobiele telecommunicatie te verbeteren zodat full duplex (beide kanten kunnen tegelijkertijd spreken en luisteren) gesprekken konden worden gevoerd. In Belgie zijn 3 operatoren actief in de GSM-band namelijk: Proximus (sinds januari 1994), Mobistar (sinds augustus 1996) en BASE (sinds april 1998). Over de jaren heen hebben alle operatoren de nodige investeringen gedaan waardoor meer dan 95% van Belgi bedekt is door een GSM-signaal. Dit is enorm veel als je dit vergelijkt met andere landen in Europa.

Hieronder vind je een aantal hoofdstukken die zullen worden behandeld. Klik op n van de links om naar het juiste hoofdstuk te gaan. Om terug te keren naar deze pagina klik je op de link "naar boven" 1. GSM netwerk componenten 2. GSM frequentie banden 3. Frequentie concept (= TDMA = Time Division Multiple Access) 4. Coverage concept 5. Voorbeeld van een telefoongesprek 6. Onderdelen van een BTS-site

GSM NETWORK COMPONENTSElk GSM netwerk is opgedeeld in 2 systemen. Elk van deze systemen bestaat uit een aantal functionele units dewelke ieder op zich een individueel onderdeel zijn van het netwerk. De 2 systemen zijn: Switching System (SS) Base Station System (BSS) Bovendien worden deze beide systemen onderhouden en opgevolgd door computer centers dewelke we NMC en OMC noemen. Hieronder vind je een schematisch overzicht van een GSM-netwerk:

Eerst een korte beschrijving van elke onderdeel en zijn nut in het netwerk: MSC - Mobile Switching Center De MSC verzorgd alle switching functies voor het GSM-netwerk. Het controleert gesprekken van en naar mobiele telefoons en maakt ook indien nodig verbindingen naar andere netwerken. Om zijn functies correct uit te voeren maakt de MSC gebruik van verschillende bijkomende systemen (AUC, EIR, VLR en HLR). HLR - Home Location Register De HLR is een database met daarin alle gegevens van de gebruikers van het GSM-netwerk. Deze database houdt permanent een aantal gegevens bij en deze worden constant ge-update.

Zo bevat deze database de identeit van de gebruiker zodat wanneer men aanmeld bij het netwerk de MSC weet dat je toegang mag krijgen tot dit GSM-netwerk. Ook de locatie is opgeslagen in deze database. Het netwerk is geografisch opgedeeld in een aantal zone's die men LAC's noemt (location Area Code). Dit zorgt voor minder trafiek op het netwerk wanneer de MSC een gesprek opzet voor een bepaalde gebruiker want telkens men een gesprek opzet zoekt de MSC via de LAC naar de telefoon in kwestie. VLR - Visitor Locatoin Register De VLR is een database met daarin alle buitenlandse gebruikers die via roaming willen gebruik maken van het GSM-netwerk. Deze personen zijn dus dan uitgeschreven in hun eigen HLR en ingeschreven in deze VLR. Voor de rest heeft de VLR dezelfde functie als de HLR. AUC - Authentication Center De AUC controleert de gebruikers naar echtheid en is zo een middel om fraude tegen te gaan in het netwerk. EIR - Equipment Identy Register De EIR is een database die de gegevens bevat van de mobiele telefoons zodat deze kunnen geblockeerd worden indien gestolen. BSC - Base Station Controller Een BSC controleert en stuurt een aantal BTS'en. De grootste functie van de BSC is ervoor zorgen dat de handovers correct gebeuren en dat alle frequenties correct worden uitgestuurd zodat men geen interferenties krijgt en dus verlies aan bedekking. Het is door middel van de BSC dat men al rijdend kan bellen en steeds van BTS naar BTS wordt overgedragen zonder dat je daar iets van merkt in het telefoongesprek. BTS - Base Transceiver Station Een BTS zorgt voor de radio interface tussen het netwerk en de gebruiker en bestaat dus uit radio apparatuur en antennes dewelke samen verbonden zijn door coax-kabels. MS - Mobiele Telefoon De mobiele telefoon bevat een radio ontvanger en een SIM-kaart waarop alle gegevens staan zoals identiteit en diensten. naar boven

GSM FREQUENCY BANDSOver de gehele wereld worden andere frequentiebanden gebruikt voor mobiele communicatie. Ook in n land zijn er nog eens verschillende banden aanwezig omdat door de onverwachte groei er meer bandbreedte nodig was zodat iedereen kan bellen. In Belgie kan men voor het GSM-gedeelte 3 grote banden vaststellen: EGSM-band (ligt juist onder de 900 Mhz) GSM-band (ligt tussen 900 Mhz en 950 Mhz) DCS-band (ligt tussen 1710 Mhz en 1860 Mhz) De GSM-band is al eerste toegewezen aan mobiele telecommunicatie en vervolgens ten gevolge van de explosieve groei van het gebruik is de DCS-band ontwikkelt met vooral als doel een capaciteits-band te zijn en geen bedekkings-band m.a.w. de DCS band wordt bijna uitsluitend gebruikt in stedelijke gebieden. Tenslotte is door het toenemend aantal operatoren per land de EGSM-band ontstaan zodat alle operatoren de nodige bedekking kunnen geven met zo min mogelijk antenna-sites. Hoe lager de frequentie, hoe verder het signaal kan gaan en dus hoe groter de bedekking wordt. Hieronder vind je een afbeelding met een overzicht van de banden over de gehele wereld en dus als men wil bellen buiten Europa dan heeft men een tri-band telefoon nodig.

naar boven

FREQUENCY CONCEPT (TDMA = TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS)TDMA is het principe waardoor zovele gebruikers tegelijkertijd kunnen bellen op 1 BTS (Base Transceiver Station). Indien dit principe niet zou worden toegepast zou men gewoon terug vallen naar een CBsysteem waar er steeds maar 1 persoon tegelijkertijd kan spreken en waar dat iedereen zou horen wat de anderen zouden zeggen. Het geniale in het systeem is het feit dat men een bepaalde frequentie in tijd gaat opsplitsen in een aantal tijdsloten waardoor men een aantal gebruikers (normaal 7) achter mekaar laat spreken. Deze tijdsloten zijn zo kort en komen zo vlug achter elkaar dat men dit tijdens een gesprek niet meer hoort en ervaart continue te spreken.

Elke BTS-site bestaat bijna altijd uit 3 antennas (per band) die elk hun eigen frequentie hebben en per antenna zit er minstens 1 zender/ontvanger waarin TDMA gebeurt. Dus hoe meer zender ontvangers men in de BTS plaatst hoe meer mensen kunnen bellen op 1 BTS-site. Hieronder een voorbeeld hoe TDMA werkt in praktijk: Men heeft 4 personen die gelijkertijd spreken en toch zitten ze allemaal op dezelfde BTS-site. Gesprek 1 Gesprek 2 Gesprek 3 Gesprek 4 Ik kom niet werken want ik ben ziek Dag schat, ik zit in de file en zal wat later zijn Heb je de resulaten al verwerkt in de excel-file? Kom je morgen ook naar de school fuif

na TDMA verwerking: Ik kom niet Dag schat Heb je de Kom je werken want ik ik zit in resulaten al

En groot gevolg van TDMA is dat men zeker afstand nodig heeft alvorens men dezelfde frequentie mag gebruiken omdat men anders interferentie gaat creren op andere BTS-sites. Bij de DCS-band is dit minder problematisch omdat men meer frequenties beschikbaar heeft dus kan dit gemakkelijk in de stad worden gebruikt. naar boven

COVERAGE CONCEPTSOm een bepaald gebied te bedekken met een GSM-signaal gaat men eerst dit gebied overlappen met een honinggraat structuur en in elk centrum van de gevormde cellen zou een theoretisch BTS-site moeten worden gebouwd. Dit is natuurlijk niet haalbaar dus gaat men in elke cel van de honinggraat structuur naar geschikte locaties zoeken voor het bouwen van een BTS-site. Men houdt hier natuurlijk rekening met een aantal factoren zoals dichtheid bebouwing, fysische mogelijkheid tot effectief bouwen, nodige bouwvergunningen, bestaande pylonen, ... Hierdoor komt het dat de BTS-site meestal niet in de theoretische centrum van de cel staat maar dit kan men later aanpassen door de output power van de antennas te regelen in bepaalde parameters.

De meest effectieve hoogte voor een GSM-netwerk is rond de 30m en het is daarom dat de meeste GSM-pylonen 30m hoog zijn. Ook de antennas spelen een belangrijke rol in de graat van bedekking want elk type antenna heeft een andere soort bedekkingsprofiel zodat men voor elke situatie het type antenna moet kiezen. naar boven

VOORBEELD VAN EEN TELEFOONGESPREKSituatie-beschrijving: Persoon A belt vanaf een vast toestel naar het gsm-toestel van persoon B. Persoon B bevindt zich in een rijdende wagen op de autosnelweg. Beschrijving opzetten telefoongesprek: Persoon A drukt nummer GSM-toestel in op vast toestel. Persoon A komt via GMSC terecht op de MSC De MSC zoekt via de HLR in welke location area (LA) persoon B zich bevindt. Bv LAC = 1 De MSC stuurt een paging signaal in LAC = 1 De BTS waarvan persoon B momenteel het best signaal van ontvangt antwoord de MSC dat hij de persoon B ziet. De MSC stuurt de BSC aan om de BTS de nodig handovers klaar te maken als het gesprek start. De BTS krijgt alle gegevens en finaliseert de verbinding met het GSM-toestel Al deze taken kan je horen indien je GSM legt naast een luidspreker of computerscherm waardoor deze alvorens je ringtone afgaat enkele keren hoort biepen.

Beschrijving tijdens telefoongesprek: Persoon A praat met Persoon B. De BTS waarop Persoon B spreekt checkt continue de signaalsterkte waarmee Persoon B binnenkomt op de BTS. De BTS waarop Persoon B spreekt verwittigd ook continue de 6 omliggende BTS-sites dat een gesprek bezig is en dat ze zich moeten klaar houden voor een handover. Deze 6 andere BTS'en checken ook reeds de signaalsterkte van Persoon B. Van zodra Persoon B zich te ver van de eerste BTS-site bevindt zal de signaalsterkte onder een vooraf bepaald niveau komen waardoor de eerste BTS de handover doet naar de volgende BTSsite die het beste signaal ontvangt. Al deze communicaties tussen BTS-sites verloopt via de BSC die het algemeen overzicht behoudt. Beschrijving na het telefoongesprek: Persoon B duwt op de rode toets van het GSM-toestel en beindigt hiermee het gesprek. De MSC noteert alle gegevens van het gesprek en stuurt deze door naar de billing servers waar het factuur wordt bijgehouden van persoon B. In dit geval zal persoon B geen kosten treffen omdat hij gebeld werd in omgekeerd richting zou persoon B wel moeten hebben betalen. naar boven

ONDERDELEN VAN EEN BTS-SITEin dit deel zal ik proberen uit te leggen uit welke onderdelen een gewone BTS-site bestaat m.a.w. wat de gewone man een GSM-mast bedoelt. Elke BTS-site bestaat uit 3 grote onderdelen: De radioapparatuur

De antennes De verbinding tussen radioapparatuur en de antennes nl de coax-kabels

Radioapparatuur Elke operator heeft meestal 1 leverancier die al het radioapparatuur levert voor een regio of een land. Het voordeel hiervan is dat de handovers tussen verschillende BTS-sites perfect kunnen gebeuren zodat men een goede kwaliteit kan afleveren aan de klant. Voor Belgie zijn Nokia (= Proximus), Nortel (= Mobistar) en Ericsson (= BASE) de huidige leveranciers voor de operatoren. Na het merk is het type apparatuur het grote verschil. Men heeft indoor en outdoor types. De verklaring is heel simpel, de indoor units worden geplaatst in een lokaal, shelter of container waar dat de outdoor units gewoon buiten geplaatst worden naast een pyloon of op een dak. Het interne van de radioapparatuur is hetzelfde voor indoor als outdoor en heeft volgende grote onderdelen: Zender/ontvanger-kaarten (TRX) dewelke de tijdsloten beheert. Combiner-kaarten die verschillende TRX combineert op 1 antenna waardoor meer dan 7 mensen tegelijkertijd kunnen bellen op 1 antenne. Communicatiegedeelte met de BSC. Dit gebeurt oftewel via een koper verbinding via een lease line of een straalverbinding naar een andere BTS-site Batterij back-up systeem om de dekking te kunnen garanderen tijdens stroompannes Antenne-systeem Elke operator heeft zijn eigen visie op het antenna-systeem maar hangt ook gedeeltelijk af van de band die men gebruikt. Hieronder volgt een korte beschrijving waaruit het antenna-systeem bestaat. Bij GSM (900Mhz) bestaat het antenna-systeem normaal altijd uit 3 antennas die afmetingen hebben tussen 2m - 3m. Deze grootte is te wijten aan de golflengte van de uit te stralen frequenties. Indien men de antennas veel kleiner zou maken dan kan men ook maar een veel kleiner gebied bedekken m.a.g. dat er nog meer BTS-sites nodig zijn. Bij DCS (1800Mhz) kan het antenna-systeem uit 3 maar ook uit 6 antennas bestaan. De reden hiervoor is dat DCS een kleinere bedekking geeft en dit kan gedeeltelijk worden opgevangen door 6 antennas waarbij er dan 3 zend- en 3 ontvangst-antennes zijn. Sinds enkele jaren worden ook meer en meer versterkers bijgeplaatst aan de antennes. Dit zijn de kleine doosjes die achter of onder de antennes hangen. Deze hebben als doel het ontvangen signaal van een GSM-toestel te zuiveren van ruis waardoor de afstand tussen een BTS-site en een GSM-toestel groter kan worden en de penetratie van het signaal in gebouwen beter wordt.

Coax-kabels Dit zijn de dikke zwarte kabels die men ziet lopen vanaf de grond tot hoog in de GSM-masten. Deze gebruiken hetzelfde principe als de coax-kabel die je thuis zou gebruiken voor de tv-distributie nl de kooi van faraday maar zijn van een groter formaat. Dit groter formaat is te wijten aan de verliezen die optreden aan de tussenstukken en de afstand. Hoe langer de afstand hoe dikker de kabels.

naar boven Curriculum Vitae Gerealiseerde Projecten Hoe werkt GSM/UMTSnetwerk Nuttige Links Telecom