Mobilni telekomunikacioni sistemi

UVOD

Mobilni komunikacioni sistemi su danas svakako među najznačajnijim telekomunikacionim sistemima koji rade u oblasti mikrotalasa. Zapravo, veoma brz razvoj mobilnih komunikacija predstavlja glavno obeležje razvoja telekomunikacija na kraju dvadesetog i početkom ovog veka. Već u periodu 1996-97. broj novih mobilnih pretplatnika sustigao je broj novih fiksnih pretplatnika. Danas je rast mobilnih mreža mnogo brži u odnosu na rast fiksnih mreža. U zemljama u razvoju koje ranije nisu imale razvijenu telekomunikacionu infrastrukturu, mobilna mreža je zamena za nedostajuću fiksnu mrežu, tako da procenat učešća mobilnih veza u ukupnom broju telefonskih veza može biti i veći nego kod mnogih razvijenih zemalja.
Prvi javni sistem mobilne telefonije predstavljen je 1946.godine u SAD od strane Bell Telephone Laboratories, a počeo je sa radom sledeće godine. Arhitektura prvih sistema mobilne telefonije iz 40-ih godina bila je takva da su pokrivali relativno široke oblasti, uz korišćenje jedne bazne stanice koja je obično bila smeštena na vrhu neke visoke zgrade. Centralni radio predajnik u baznoj stanici emitovao je signal velikom snagom obezbedjujući vezu sa mobilnim korisnicima na udaljenosti i do 100 km od bazne stanice.
AMPS i ostali slični sistemi poznati su kao mobilni sistemi prve generacije, i sa njima praktično počinje era prave komercijalne primene mobilnih komunikacija. Celularni sistem je podrazumevao potpuno novu arhitekturu mobilne mreže. Mreža se sastoji od više distribuiranih baznih stanica koje pokrivaju znatno manje oblasti, a čiji predajnici rade sa višestruko manjim snagama i sa antenama na znatno manjim visinama. Novi koncept mreže omogućava višestruko korišćenje raspoloživog frekvencijskog opsega istovremenim korišćenjem istih radio kanala od strane više baznih stanica. Interferencija izmedju ćelija koje koriste isti set radio kanala izbegnuta je njihovim prostornim razmeštanjem na dovoljne udaljenosti.
Kod AMPS sistema je korišćena analogna tehnologija. Kao tehnika višestrukog pristupa za ostvarivanje veze između mobilnih pretplatnika i bazne stanice korišćen je multipleks na bazi frekvencijske raspodele kanala (FDMA – Frequency Division Multiple Access). AMPS sistem koristio je frekvencijski opseg ukupne širine 50 MHz (od 824 do 849 MHz za vezu između mobilnog korisnika i bazne stanice i od 869 do 894 MHz za vezu između bazne stanice i mobilnog korisnika). U ovom opsegu smešteno je 832 kanala, po 416 kanala za svaki smer prenosa.
Sistemi II generacije su zasnovani na digitalnoj tehnologiji i u odnosu na prvu generaciju imaju mnogo bolje karakteristike. Prednosti digitalog prenosa ogledaju se u sledećem: potreban je manji odnos signal/šum za isti kvalitet govornog servisa, omogućen je veći kapacitet sistema, kompatibilnost sa digitalnom fiksnom mrežom itd. Ostvaren je bolji kvalitet zvuka, a takođe je postalo moguće uvesti širok spektar servisa integrisanih sa govornim servisom kao npr. transfer podataka malim brzinama i slično. Veliki značaj kod sistema druge generacije ima standardizacija. Tako, na primer, u Evropi je razvijen jedinstven GSM (Global System for Mobile Communications) sistem koji je zamenio veliki broj različitih, međusobno nekompatibilnih celularnih sistema prethodne generacije.

Mobilni telekomunikacioni sistemi

Od sredine XX veka su se širom sveta vršili eksperimenti na polju uvođenja komercijalne mobilne telefonije i civilnih bežičnih komunikacija uopšte. Prvi takvi sistemi, koji su za prenos govora koristili analogne tehnike modulacije (po pravilu uskopojasnu FM modulaciju), pušteni su u rad na teritoriji SAD. Tom prilikom su usvojena određena pravila koja se odnose na sve, pa i savremene komercijalne mobilne sisteme, poput onih o podeli teritorije namanje celine (tzv. “ćelije”), neophodnosti posredovanja baznih stanica prilikom komunikacije između pojedinačnih korisnika itd. Komutacija razgovora se u analognim sistemima prirodno vršila po principu komutacije kanala. Ovakvi sistemi se označavaju kao “mobilni sistemi prve generacije” ili 1G.
Do osamdesetih godina prošlog veka su razrađene vrlo efikasne i pouzdane tehnike za bežični prenos digitalnih podataka poput tehnika digitalne modulacije signala, algoritama za prevenciju i korekciju grešaka, novih metoda multipleksiranja, novih arhitektura radio primopredajnika itd. Istovremeno je tehnologija izrade integrisanih kola omogućila realizaciju digitalnih integrisanih kola vrlo visokog stepena integracije (VLSI – Very Large Scale Integration), koja mogu da ostvaruju jako složene algoritme obrade najrazličitijih digitalnih i digitalizovanih analognih podataka, tako da je već naredna (druga) generacija mobilnih telekomunikacionih sistema u potpunosti orijentisana ka prenosu govora u digitalnom obliku. Posebna pažnja je posvećena standardizaciji novih sistema na globalnom nivou, čime je krug potencijalnih korisnika izuzetno povećan tako da su do izražaja najzad mogle da dođu i sve prednosti visokoserijske proizvodnje i slobodnog međunarodnog tržišta. Prvi digitalni standard za mobilnu telefoniju koji je usvojen na celoj teritoriji Evrope nosi naziv GSM, dok se u Severnoj i Južnoj Americi koristi modifikovani GSM (na 1900MHz) i dva različita sistema koja se često označavaju kao PCS/PDC (ili TDMA) i CDMA.

 
Standard GSM

GSM je digitalna mobilna tehnologija koja je rasprostranjena u zemljama Evrope, Afrike, Bliskog Istoka i jednom delu Severne Amerike. Osnove ovog standarda su predložene sredinom osamdesetih godina XX veka, a od strane ETSI (European Telecommunications Standardization Institute) je konačno usvojen 1991. god. GSM je razvijen sa ciljem da se jako velikom broju potencijalnih pretplatnika omogući pouzdana mobilna komunikacija, pre svega prenosom govora i kratkih tekstualnih poruka duzine do 160 alfanumeričkih znakova (SMS –Short Message Service). GSM je značajno unapredio udobnost korišćenja mobilnih uređaja uvođenjem izvesnih kvalitativnih novina, poput razdvajanja identiteta korisnika i mobilnog uređaja upotrebom tzv. SIM kartica (Subscriber Identification Module – modul za identifikaciju pretplatnika), i omogućavanjem korišćenja istog mobilnog uređaja i iste SIM kartice na teritoriji bilo koje mobilne GSM mreže u svetu, a ne samo matične – tzv. Roaming (eng. roam – odlutati).

 
GSM radio-interfejs

Za rad GSM sistema je predviđen frekventni opseg 890 – 915 MHz za prenos govora od mobilnih uređaja do baznih stanica (uplink) i 935 – 960 MHz za prenos u suprotnom smeru (downlink). Oba podopsega su podeljena na po 124 kanala širine 200 kHz, čime je ostvarena FDMA raspodela (Frequency Division Multiple Access – višestruki pristup po frekvencijama). Osim toga, u okviru svakog kanala se koristi vremenska raspodela resursa po TDMA principu (Time Division Multiple Access – višestruki pristup u vremenu). Svakom aktivnom mobilnom uređaju za prenos i prijem informacija na raspolaganju stoji jedan od 8 vremenskih kanala (tzv.slot – ova) u okviru jednog od 124 korisničkih frekvencijskih (prijemnih i predajnih) kanala, što znači da je teoretski u svakom trenutku moguće opsluživati do 992 aktivna pretplatnika putem svake pojedinačne bazne stanice. Dopunom standarda je omogućeno dodatno proširenje oba frekventna opsega za po 15 MHz (tj. 75 frekvencijskih kanala širine 200 kHz), što omogućava povećanje maksimalnog broja aktivnih pretplatnika na 1592 po baznoj stanici.
Prvi frekvencijski kanal ne služi za komunikaciju sa mobilnim uređajima već se u njemu od strane baznih stanica emituju kontrolni podaci, npr. vremenske reference za korekciju frekvencija lokalnih oscilatora mobilnih uređaja, vrši se prozivanje mobilnih uređaja, emituju opšta obaveštenja itd.
Posmatrano na nivou kanala podataka OSI modela, svakom pretplatniku u vremenskom domenu na raspolaganju stoji jedan interval (slot) od 0.577 ms, tokom kojih se vrši razmena podataka sa lokalnom baznom stanicom u okviru jednog frekvencijskog kanala. Osam elementarnih vremenskih slotova čini jedan vremenski ram (frame) u okviru koga se ciklično ostvaruje komunikacija između bazne stanice i 8 mobilnih uređaja. Frekvencijski kanal koji koristi grupa od 8 pretplatnika može da se menja u svakom narednom vremenskom ramu (tj. oko 216 puta u sekundi) u zavisnosti od toga da li je u sistemu primenjena zaštitna tehnika spore FH (Frequency Hopping – skakanje frekvencija). Frekvencija službenog kanala se nikada ne menja.