ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 10

1. ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία ΠληροφορίαςΔιάλεξη 10 Σύστημα Τηλεφώνου Μέρος Β TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2. Περίληψη Θέματα για σήμερα: • Βασικά στοιχεία κινητού τηλεφωνικού συστήματος • Αναλογικό • Ψηφιακό • Τεχνολογίες πρόσβασης • Βασικά στοιχεία δορυφορικού τηλεφωνικού συστήματος

3. Υλικό Αναφοράς • Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, • Κεφ. 13, σελίδες 180 -190 • How Cell Telephones Work • http://electronics.howstuffworks.com/cell-phone.htm

4. Κινητή Τηλεφωνία • Δυνατότητα τηλεφωνικής επικοινωνίας παντού και πάντα (σχεδόν) • με τον ίδιο πάντα αριθμό τηλεφώνου • Κινητό τηλέφωνο (mobile phone or cellular phone) • cellular = κυψελοειδής, κυτταροειδής • Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό και δέκτη ασύρματης επικοινωνίας => χρησιμοποιεί ραδιοσυχνότητες • Χρησιμοποιεί πομπό χαμηλής ισχύος => μικρή μπαταρία και μικρές συσκευές • Οι ραδιοσυχνότητες είναι περιορισμένες • Σήμα πολύ ψηλής συχνότητας δεν μπορεί να περάσει από καταιγίδα βροχής • Μέχρι τώρα η τεχνολογία που χρησιμοποιεί ψηλές συχνότητες είναι πιο ακριβή • => ο αριθμός κινητών συνομιλιών σε μία συγκεκριμένη ώρα είναι περιορισμένος

5. Κινητή Τηλεφωνία • Η καινοτομία της κινητής τηλεφωνίας είναι ο διαχωρισμός μίας πόλης σε μικρά κύτταρα ή κυψέλες • επιτρέπει να χρησιμοποιούνται οι ίδιες ραδιοσυχνότητες από διάφορους χρήστες σε μία πόλη • => δυνατότητα να εξυπηρετούνται περισσότεροι χρήστες • Επιτρέπει ευελιξία στην ανάπτυξη του δικτύου • Μέσα σε κάθε κύτταρο οι ραδιοσυχνότητες είναι πάλι περιορισμένες, αλλά είναι και ο χώρος περιορισμένος • Μία μεγάλη πόλη μπορεί να έχει εκατοντάδες κύτταρα

6. Κινητή Τηλεφωνία • Βάση της κινητής τηλεφωνίας είναι ένα δίκτυο που συνίσταται από κυψέλες • Ονομάζεται κυψελοειδές ή κυψελωτό δίκτυο τηλεφώνου (cell telephone system) • Σε κάθε κυψέλη υπάρχει ένας σταθμός Βάσης (base station) που επικοινωνεί με τα κινητά τηλέφωνα στην κυψέλη του • Δηλαδή, αντί να υπάρχει ένας μεγάλος σταθμός για μία πόλη, υπάρχουν πολλοί μικροί σταθμοί • Ένας σταθμός Βάσης αποτελείται από • αρκετές κεραίες εκπομπής / λήψης, συνήθως στερεωμένες σε έναν ιστό • μια μονάδα ελέγχου – ένα μικρό κτίριο με τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας

7. Αντένες κινητής τηλεφωνίας

8. Κινητή Τηλεφωνία Οι σταθμοί Βάσης • συνδέονται με ένα κέντρο με συνηθισμένα τηλεφωνικά καλώδια • διαβιβάζουν στο κέντρο τις συνομιλίες που διενεργούνται από κάποιο κινητό τηλέφωνο στην κυψέλη τους • λαμβάνουν από το κέντρο τις συνομιλίες που πρέπει να διαβιβάσουν σε κάποιο κινητό τηλέφωνο στην κυψέλη τους • Κάθε πόλη έχει κέντρο μεταγωγής κινητού τηλεφώνου (Mobile Switching Center ή Mobile Telephone Switching Office - MTSO) • Ελέγχει όλους τους σταθμούς Βάσης • Ενώνει όλες τις κλήσεις στο σταθερό σύστημα τηλεφώνου

9. Χρήση ραδιοσυχνοτήτων • Κάθε κινητό τηλέφωνο χρησιμοποιεί 2 συχνότητες για αμφίδρομη επικοινωνία • Υπάρχουν 832 ραδιοσυχνότητες για μία πόλη: 790 για φωνή και 42 για δεδομένα => υπάρχουν 395 κανάλια συνομιλίας • Το ραδιοσήμα του σταθμού Βάσης δεν είναι υπερβολικά ισχυρό για να μην δημιουργεί παρεμβολές στα σήματα της επόμενης κυψέλης => οι ίδιες συχνότητες χρησιμοποιούνται σε κυψέλες που δεν είναι γειτονικές (π.χ. οι κυψέλες με κίτρινο χρώμα) • Κάθε κυψέλη έχει 6 γείτονες • Στα αναλογικά συστήματα κάθε κυψέλη έχει 395 / 7 = 56 κανάλια • Στα ψηφιακά συστήματα κάθε κυψέλη έχει 168 κανάλια

10. Το μέγεθος της κυψέλης ορίζεται από τον αναμενόμενο αριθμό χρηστών κινητών τηλεφώνων και καθορίζεται κατά το σχεδιασμό του δικτύου Τυπικό μέγεθος στις ΗΠΑ 26 km2 Μπορεί να είναι 1 έως 4 km2 ή και μικρότερο στο κέντρο κάποιας μεγαλούπολης Αν κάποιο κινητό τηλέφωνο απομακρυνθεί από την κυψέλη, τότε η σύνδεση μεταβιβάζεται αυτόματα στην επόμενη κυψέλη Μέγεθος κυψέλης

11. Αριθμός κυψελών • Αν σε κάποια κυψέλη χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερα κινητάτηλέφωναυπερφορτώνεται ο σταθμός Βάσης • Τότε μπορεί να γίνει υποδιαίρεση της κυψέλης • Εγκαθίστανται δηλαδή αναγκαστικά πρόσθετοι σταθμοί Βάσης που με μικρότερη ισχύ εκπομπής εξυπηρετούν τις μικρότερες κυψέλες τους •  ευελιξία στην δομή και λειτουργία της κινητής τηλεφωνίας

12. Λειτουργία κινητού • Το κινητό τηλέφωνο χρησιμοποιεί κωδικούς για να επικοινωνήσει και να λάβει κλήσεις • Electronic Serial Number (ESN) – προγραμματισμένος αριθμός (32 bits) από την κατασκευάστρια βιομηχανία (για αναγνώριση της συσκευής) • Mobile Identification Number (MIN) – αριθμός (10 digits) που βασίζεται στον αριθμό τηλεφώνου του κινητού (για προσδιορισμό του χρήστη) • System Identification Number (SID) – μοναδικός αριθμός (5 digits) που καθορίζεται σε κάθε φορέα κινητής τηλεφωνίας • Όταν ένας χρήστης ανάψει το κινητό του, το τηλέφωνο πρώτα λαμβάνει ένα SID από τον σταθμό Βάσης σε μία ειδική συχνότητα (control channel) • Αν το κινητό δεν βρίσκει το control channel τότε είναι out of range (εκτός ακτίνας) και γράφει το μήνυμα “no service” • Αν λάβει το SID τότε το συγκρίνει με το SID που έχει προγραμματισμένο και αν ταιριάζει ξέρει ότι επικοινωνεί με το δικό του σύστημα (home system). Διαφορετικά ξέρει ότι κάνει περιαγωγή (roaming) δηλαδή ότι χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό σύστημα από εκείνο στο οποίο ο χρήστης έχει συνδρομή.

13. Λειτουργία κινητού • Μαζί με το SID το κινητό στέλλει και ένα “registration request” το οποίο φυλάγεται σε βάση δεδομένων στο MTSO για εντοπισμό του κινητού όταν καλείται από άλλα τηλέφωνα • Όταν το κινητό ενός χρήστη καλείται • το MTSO λαμβάνει την κλήση και πρώτα εντοπίζει το κινητό • Μετά το MTSO διαλέγει τις 2 συχνότητες για την κλήση και τις στέλλει στο κινητό μέσω του control channel • Όταν το κινητό και ο σταθμός Βάσης αλλάξουν σε αυτές τις συχνότητες, τότε η κλήση ενώνεται και μπορεί να γίνει η συνομιλία • Όταν χρήστης κινείται προς την άκρη της κυψέλης του ο σταθμός Βάσης αντιλαμβάνεται ότι η ισχύς του σήματος του κινητού ελαττώνεται. Ταυτόχρονα, γειτονικοί σταθμοί Βάσης αντιλαμβάνονται ότι ο χρήστης κινείται προς την κυψέλη τους από την αύξηση της ισχύς του σήματος. Σε κάποια στιγμή, σε συνεργασία με το MTSO,ο ένας σταθμός Βάσης δίνει (hands off) την κλήση στον άλλο σταθμό και το κινητό λαμβάνει νέες συχνότητες μέσω του control channel για να αλλάξει κυψέλη.

14. Συστήματα κινητής τηλεφωνίας Αναλογικά κινητά τηλέφωνα (Πρώτη Γενιά): • AMPS (Advanced Mobile Phone System) • από τις αρχές του 1980 στις ΗΠΑ • Συχνότητες 824 – 894 MHz • Κάθε χρήστης λαμβάνει 2 σταθερές συχνότητες για την διάρκεια της συνομιλίας • Δηλ. χρησιμοποιεί FDMA (Frequency Division Multiple Access) • Η επικοινωνία δεν ήτανε απόρρητη, η συνομιλία μπορούσε να ανιχνευτεί Ψηφιακά κινητά τηλέφωνα: • GSM (Global System for Mobile Communications) • Από τα μέσα του 1980 στην Ευρώπη • Αρχικά το διεθνές πρότυπο στην Ευρώπη, Αυστραλία, Ασία και Αφρική, αλλά τώρα υπάρχει και στις ΗΠΑ • Συχνότητες 900 MHz και 1800 MHz στην Ευρώπη και Ασία, και 1900 MHz στις ΗΠΑ (υπάρχουν GSM κινητά με τις δύο συχνότητες στα 900 MHz / 1900 MHz) • Μετατροπή φωνής σε ψηφιακό σήμα (64.000 bits / sec) που επεξεργάζεται και κωδικοποιείται έτσι ώστε το bit rate να μειώνεται στα 13.000 bits / sec. Αυτή η επεξεργασία επιτρέπει 3-10 ψηφιακές κλήσεις στον ίδιο ραδιοχώρο που χρειάζεται μία αναλογική κλήση • Χρησιμοποιεί κρυπτογραφία για ασφάλεια της συνομιλίας • Χρησιμοποιεί TDMA (Time Division Multiple Access) • Αντί να χωρίζονται οι συχνότητες για κάθε χρήστη, χωρίζεται ο χρόνος • Χρησιμοποιεί 30 kHz μεταξύ των καναλιών και 3 χρονικά διαστήματα • Μια κλήση μπορεί να χρησιμοποιήσει όλες τις συχνότητες, αλλά για ένα σύντομο χρονικό διάστημα.

15. Συστήματα κινητής τηλεφωνίας • Interim Standard 95 (IS-95) • Λειτουργεί στις 2 συχνότητες 800 MHz / 1900 MHz • Χρησιμοποιεί CDMA (Code Division Multiple Access) • Δίνει ένα μοναδικό κωδικό σε κάθε κλήση και την σκορπά σε όλες τις ελεύθερες συχνότητες • PCS (Personal Communications Service) • Προσφέρει υπηρεσίες Caller ID, paging και email • Έχει μικρότερα κύτταρα και γι’ αυτό και πιο πολλές αντένες • Χρησιμοποιεί συχνότητες 1850 MHz και 1990 MHz • Χρησιμοποιεί TDMA με 200 kHz μεταξύ των καναλιών και 8 χρονικά διαστήματα • Μπορεί να δουλεύει σε τρένα και σε αεροπλάνα με μικροκυτταρικό σύστημα (microcellular mode). • Στο σπίτι ή στο γραφείο η συσκευή δουλεύει ως ασύρματο τηλέφωνο. Θα χρησιμοποιεί τη βάση του ασύρματου τηλεφώνου (και μετά το ενσύρματο σύστημα τηλεφώνου), ή θα χρησιμοποιεί ένα Wi-Fi σύστημα και θα επικοινωνεί μέσω του διαδικτύου. (Δεν θα χρησιμοποιεί τις συχνότητες της κινητής τηλεφωνίας.) • Έξω, οπού δεν θα έχει Wi-Fi, η συσκευή θα δουλεύει ως κανονικό κινητό. • Η αλλαγή από το ένα σύστημα στο άλλο κατά τη διάρκεια μιας ομιλίας δεν θα είναι αισθητή.

16. Τεχνολογίες πρόσβασης κινητής τηλεφωνίας • TDMA χωρίζει μία συχνότητα σε • 3 χρονικά διαστήματα. Οι συχνότητες • καναλιών χωρίζονται με 30 KHz • Δίνει σε κάθε κλήση μέρος του χρόνου σε μία συγκεκριμένη συχνότητα. Με FDMA κάθε τηλέφωνο λαμβάνει 2 διαφορετικές συχνότητες => βάζει κάθε κλήση σε ξεχωριστή συχνότητα. Όχι αποτελεσματικό για ψηφιακή κινητή τηλεφωνία.

17. Τεχνολογίες πρόσβασης κινητής τηλεφωνίας • CDMA (Code Division Multiple Access) • Δίνει ένα μοναδικό κωδικό σε κάθε κλήση και τον σκορπά σε όλες τις ελεύθερες συχνότητες • Ο κωδικός χρησιμοποιείται στην κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδομένων • Ο δέκτης χρησιμοποιεί τον ίδιο κωδικό για να αποκωδικοποιήσει το σήμα • Μια κλήση μπορεί να χρησιμοποιήσει όλες τις συχνότητες (όπως το TDMA) για όλο το χρόνο (όπως το FDMA) • Μπορεί να εξυπηρετήσει ως και 2 φορές περισσότερες κλήσεις στο ίδιο φάσμα συχνοτήτων. (Λιγότεροι πύργοι αντενών, αλλά το σύστημα είναι πιο πολύπλοκο.)

18. Συστήματα τρίτης γενεάς • Τα αναλογικά κινητά τηλέφωνα είναι η πρώτη γενεά και ακόμα χρησιμοποιούνται • Τα ψηφιακά είναι καλύτερα σε όλα και έτσι τα αναλογικά θα εξαφανιστούν (αν δεν έχουν ήδη) • Τα πρώτα ψηφιακά συστήματα είναι η δεύτερη γενεά • Προσφέρουν πιο μεγάλη χωρητικότητα, δηλ. εξυπηρετούνται πιο πολλοί χρήστες • Ψηλότερη ποιότητα με ψηφιακό ήχο • Caller ID, paging, instant messaging • Πιο πολλά αναμένονται (από 2004 και μετά) από τα συστήματα τρίτης γενεάς (3G) • Ψηλότερα data rates για video, internet access, και web browsing • Λειτουργία παντού σε όλο τον κόσμο, ακόμα και μέσα στο αεροπλάνο (τουλάχιστον σύντομα θα έχουμε αυτή τη δυνατότητα) • Αρκετά μοιάζουν σαν PDAs (Personal desk assistants) • Θα προσφέρουν video-conferencing, advanced personal calendar, multi-player gaming (εφαρμογές πολυμέσωνμε smart-phones).

19. Μέσα στο κινητό αντένα LCD display μπαταρία εσωτερικό πληκτρολογίου μικροεπεξεργαστής πλακέτα μικροκυκλωμάτων μεγάφωνο μικρόφωνο εφεδρική μπαταρία SIM Card

20. Όχι μόνο τηλέφωνο • Εκτός από την βασική λειτουργία για τηλεφωνικές κλήσεις, πολλά κινητά προσφέρουν • Μνήμη για καταχώρηση στοιχείων επικοινωνίας, ραντεβού και άλλες πληροφορίες • Ημερολόγιο και ρολόι • Αριθμομηχανή • Δυνατότητα για EMAIL • Δυνατότητα για πρόσβαση στο διαδίκτυο • Απλά ηλεκτρονικά παιγνίδια • Συνδυασμό άλλων τεχνολογιών όπως PDA, GPS receiver, MP3 player, ψηφιακή κάμερα • Άλλα;

21. Δορυφορικό σύστημα τηλεφώνου • Χρήσιμο σε περιοχές που δεν μπορούν να υπάρχουν άλλα συστήματα τηλεφώνου, όπως σε πλοία στην θάλασσα και σε μακρινές απομονωμένες περιοχές • Χρήσιμο σε κατάσταση μαζικής καταστροφής τηλεφωνικών γραμμών και κέντρων σε μία περιοχή • Δορυφορικά συστήματα • INMARSAT (International Marine Satellite) Προσφέρει τηλεπικοινωνία σε πλοία οπουδήποτε και σε μακρινές απομονωμένες περιοχές • Iridium Motorola Corporation (1999) 66 δορυφόροι σε χαμηλή τροχεία της γης (low earth orbit) σε ύψος 780 km • λειτουργεί όπως το κινητό σύστημα εδάφους με ψηφιοποίηση σήματος όπως στο GSM, αλλά οι κυψέλες είναι από πάνω και κινούνται • Οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται είναι 1.6 GHz μεταξύ κινητού τηλεφώνου και δορυφόρου και 20 – 30 GHz μεταξύ δορυφόρων και μεταξύ δορυφόρων και σταθμών εδάφους • Μετάδοση αναλογικής φωνής αρχικά, και όχι δεδομένων (data) • Λόγω του ψηλού κόστους, η εταιρεία σταμάτησε την λειτουργία του συστήματος το 2000,αλλά μετά ξανάρχισε το Μάρτη του 2001 (http://www.iridium.com/)