GSM DE FREKANS PLANLAMA YÖNTEMLER VE HÜCRELERE FREKANS ATAMASI YAPACAK PLANLAMA YAZILIMI GERÇEKLE T R M

Transkript

1 EGE ÜN VERS TES FEN B L MLER ENST TÜSÜ (YÜKSEK L SANS TEZ ) GSM DE FREKANS PLANLAMA YÖNTEMLER VE HÜCRELERE FREKANS ATAMASI YAPACAK PLANLAMA YAZILIMI GERÇEKLE T R M Serkan KAYACAN Bilgisayar Mühendisli i Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu : Sunu Tarihi : Tez Danı manı : Prof. Dr. Levent TOKER Bornova - ZM R

2

3 III Serkan KAYACAN tarafından yüksek lisans tezi olarak sunulan GSM de Frekans Planlama Yöntemleri ve Hücrelere Frekans Ataması Yapacak Planlama Yazılımı Gerçekle tirimi ba lıklı bu çalı ma E.Ü. Lisansüstü E itim ve Ö retim Yönetmeli i ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü E itim ve Ö retim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan de erlendirilerek savunmaya de er bulunmu ve 21/09/2007 tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirli i/oyçoklu u ile ba arılı bulunmu tur. Jüri Üyeleri: mza Jüri Ba kanı : Prof. Dr. Levent TOKER... Raportör Üye : Prof. Dr. Serdar KORUKO LU... Üye :Yrd. Doç. Dr. Radosveta SOKULLU...

4

5 V ÖZET GSM DE FREKANS PLANLAMA YÖNTEMLER VE HÜCRELERE FREKANS ATAMASI YAPACAK PLANLAMA YAZILIMI GERÇEKLE T R M KAYACAN, Serkan Yüksek Lisans Tezi, Bilgisayar Mühendisli i Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Levent TOKER Eylül 2007, 250 sayfa Çok sayıda abonenin bulundu u GSM ebekelerinde, mobil telefon servislerinin kullanımının artması ve bunun yanında ses ve görüntü içeren yeni servislerin de gelmesiyle birlikte operatörler bu trafi i kar ılayabilmek için a kapasitesini arttırmak zorunda kalırlar. Kapasiteyi arttırmak için yeni hücreler eklenebilir ya da mevcut makro hücreler bölünebilir. Bunun yanında operatörler geli mi a özelliklerini kullanarak frekans tekrar kullanım faktörünü azaltırlar. Spektrumun limitli olmasından ve donanımsal kısıtlardan dolayı mevcut makro hücrelerde kapasite artırımının konu ma kalitesinde kötüle meye neden olması kaçınılmazdır. Kaliteyi korumak için makro hücrelerin mikro hücrelere bölünmesiyle aynı alana daha çok hücre ile servis verilecektir. Bu durumda frekans planlama önem kazanacaktır. Bu tez çalı masında, mobil ölçümlere dayalı frekans planlaması yapan bir yazılım gerçeklenmi tir. Anahtar Sözcükler: GSM ebekesi, hücresel a, hücre planlama, frekans planlama, ICDM, frekans atama yazılımı.

6

7 VII ABSTRACT FREQUENCY PLANNING METHODS IN GSM AND IMPLEMENTATION OF FREQUENCY ALLOCATION TO CELLS KAYACAN, Serkan MSc in Computer Engineering Supervisor: Prof. Dr. Levent TOKER September 2007, 250 pages The large number of subscribers in the network and the increasing usage of existing mobile telephony services together with upcoming new services, such as video and audio streaming, will force operators to significantly increase capacity offered by the network. Sectorisation and cell splitting are two standard methods to increase capacity from macrocells. Often operators also utilise advanced network features to reduce the frequency reuse factor and thus further increase network capacity of macro cells. Owing to the limited spectrum and because of HW constraints regarding channel separation required on a cell or a site basis, providing additional capacity from existing macro cells is often impossible without degrading call quality. Therefore, network operators also have to use alternative cell types such as micro cells to meet capacity requirements. The reduced cell sizes also create new challenges. The main challenge is frequency planning. In this thesis, a software is implemented for mobile measurementbased frequency planning. Keywords: GSM network, cellular network, cell planning, frequency planning, ICDM, frequency allocation software.

8

9 IX TE EKKÜR Bu çalı mam süresince her türlü deste i sa layan çok de erli danı manım Sayın Prof. Dr. Levent Toker e te ekkürü bir borç bilirim. Çalı mam sırasında desteklerini hiç bir zaman esirgemeyen aileme, çalı ma arkada larım Mehmet Kurutepe, Kamil Solmaz ve Ülgen Ünal a, arkada larım nanç Seylan ve Simge Aksu ya te ekkür ederim.

10

11 XI Ç NDEK LER ÖZET... V ABSTRACT... VII TE EKKÜR... IX Ç NDEK LER... XI EK LLER D Z N... XV Ç ZELGELER D Z N... XVIII KISALTMALAR... XIX 1 GSM'E G R GSM'in Tarihçesi GSM Sistem Standartları Eri im Metodu Modülasyon GSM'in Avantajları S STEME GENEL B R BAKI Hücresel A Hücresel Yapı A Planlaması Hücreleri Ayırma ve Mikro Hücre Uygulaması Sektörel Hücreler emsiye Hücreler GSM ebekesi Hücreler Mobil stasyon Terminal Cihazı (MS - Mobile Station) Abone Kimlik Modülü (SIM - Subscriber Identity Module) Baz Alıcı - Verici stasyonu (BTS - Base Transceiver Station)... 14

12 XII Baz stasyon Denetleyicisi (BSC - Base Station Controller) Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (MSC - Mobile Services Switching Center) Geçit Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (GMSC - Gateway Mobile Services Switching Center) letme ve Bakım Merkezi (OMC - Operation and Maintenance Center) Dahili Yer Kaydedicisi (HLR - Home Location Register) Ziyaretçi Yer Kaydedicisi (VLR - Visitor Location Register) Cihaz Kimlik Kaydedicisi (EIR - Equipment Identity Register) Do rulama Merkezi (AUC - Authentication Center) Co rafi A Yapısı A Bölgesi ve GMSC MSC/VLR Servis Bölgesi Yerle im Bölgesi (LA Location Area) Hücre Kaydetme Arama Kurulumu Aktarma (Handover/Handoff) Güvenlik Parametreleri Do rulama (Authentication) ifreleme SAYISAL RADYO TRANSM SYONU Zaman Bölmeli Çoklu Eri im (TDMA - Time Division Multiple Access) Transmisyon Problemleri Yol Kaybı Zayıflama Log-Normal Zayıflama Rayleigh Zayıflaması Toplam Zayıflayan Sinyal Zaman Ayrılması Zaman Ayarlaması...42

13 3.3 Transmisyon Problemlerine Çözümler Analog Sinyaller ve Sayısal Transmisyon lkeleri Konu ma Kodlama Kanal Kodlama Araya Yerle tirme (Interleaving) kinci Seviye Araya Yerle tirme Modülasyon Anten (Uzay) Farklılı ı Frekans Atlaması (Frequency Hopping) Dengeleyici (Equalizer) Sayısal Transmisyon Probleminin Özet Çözümü SAYISAL RADYO (HAVA) ARAYÜZÜ Kanal Kavramı Kontrol Kanalları Yayın Kanalları (BCH) Ortak Kontrol Kanalları (CCCH) Tahsis Edilmi Kontrol Kanalları Trafik Kanalları (TCH) HÜCRE PLANLAMA Hücreler Hücre Planlama Adımları Trafik ve Kapsama Analizi Nominal Hücre Planı Saha ncelemeleri Sistem Tasarımı Sistem Gerçekle tirimi Sistemin Düzenlenmesi Trafik Kavramı Kanal Kullanımı Frekans Planlama Yöntemleri Frekans Planlama Metodu Seçimi Ayrık Frekans Dizilimi Sürekli Frekans Dizilimi MRP (Multiple Reuse Pattern) XIII

14 XIV 6 HÜCRELERE FREKANS ATAMA UYGULAMASI Giri Mobil Ölçümlere Dayalı Frekans Planlama BA List (BCCH Allocation List) ICDM (Inter Cell Dependency Matrix) Frekans Atama Yazılımı Frekans Atama Yazılımının Çalı ma Sonuçları Frekans Atama Sonuçlarının De erlendirilmesi Frekans Atama Yazılımının Kullanımı EK 1 FREKANS ATAMA YAZILIMININ KAYNAK KODU KAYNAKLAR D Z N ÖZGEÇM...250

15 XV EK LLER D Z N ekil Aynı frekanslara sahip olamayan kom u hücreler... 6 ekil Hücreleri ayırma (Ericsson, 1998c)... 8 ekil Sektörel Hücreler... 9 ekil emsiye Hücreler (Ericsson, 1998b) ekil GSM ebekesi Sistem Modeli (Ericsson, 1998a) ekil GSM/PLMN a ı ve di er yerel a lar arasındaki linkler ekil Ericsson MSC/VLR Servis Alanları ekil Bir MSC/VLR servis alanının yerle im bölgelerine bölümü ekil Bir MSC/VLR servis alanının yerle im bölgelerine ve hücrelere bölümü ekil GSM deki alanlar arası ili ki ekil ebekedeki kaydetme prosedürü ekil Mobil çıkı lı arama kurulumu prosedürü ekil BTS ler arası aktarma (Harputluo lu, 2000) ekil MSC ler arası aktarma (Harputluo lu, 2000) ekil Do rulama lkesi ekil ifreleme anahtarı Kc nin hesabı ekil ifrelemenin ba latılması ve yapılması ekil Giri en sinyal ekil (A). FDMA (B). TDMA ekil Log-normal zayıflama ekil Rayleigh zayıflaması ekil Mesafe ile Rx sinyal gücü ili kisi ekil Rx sinyal gücü ekil Zaman ayrılması ekil Sinyal i leme blokları (Harputluo lu, 2000) ekil Analog bir i aretin örneklenmesi ekil Düzgün kuantalama... 46

16 XVI ekil Bir PCM hatta 32 kanalın çoklanması...47 ekil zaman aralıklı bir çerçeve...48 ekil nsanda konu ma sistemi...49 ekil Konu ma transmisyon modeli...50 ekil Konu ma kalitesi bit oranı ili kisi...50 ekil Blok kodlama...51 ekil Katlamalı kodlama...52 ekil GSM 'de kanal kodlama...53 ekil Araya yerle tirme...54 ekil Alınmı, tekrar elde edilmi mesaj blokları...55 ekil Kodlanmı konu manın 20 ms araya yerle tirilmesi...55 ekil Konu ma çerçevesi...56 ekil Normal burst...56 ekil kinci seviye araya yerle tirme...57 ekil Anten farklılı ı...58 ekil C 1 ve C 2 frekansları arasında frekans atlaması...59 ekil Viterbi dengeleyici...60 ekil Bir radyo kanalı üzerindeki yukarı ve a a ı link...62 ekil TDMA kanal kavramı...63 ekil Mantıksal kanallar...64 ekil Hücre ekilleri (Mishra, 2004)...69 ekil Dairesel ve sektörel hücreler (Ericsson, 1998c)...70 ekil Hücre planlama adımları (Ericsson, 1998d)...71 ekil Erlang B Tablosunun bir bölümü (Ericsson, 1998d)...75 ekil Bir ça rının iki farklı kanaldan geçmesi (Ericsson, 1998b)...78 ekil Erlang B Tablosunun bir bölümü (GoS : %2, Trafik: 33 E) (Ericsson, 1998d)...79 ekil Bir hücrenin küçük hücrelere bölünmesi sonucu olu an trafik da ılımı (Ericsson, 1998b)...80 ekil Frekans planlama metodu önerileri (Ericsson, 1998e)...84

17 XVII ekil TCH frekans sayısı ve tekrar kullanıma göre spektrum kullanımı (Ericsson, 1998e) ekil MRP yapıları ekil Geli tirilen yazılımın i leyi biçimi ekil Hücrelerin kalite de erlerindeki iyile me ekil Frekans atama yazılımı ekran görüntüsü

18 XVIII Ç ZELGELER D Z N Çizelge Hücre tablosu...95 Çizelge ICDM tablosu...96 Çizelge Önceliklendirilmi hücre tablosu...97 Çizelge Olu turulan sonuç plan...98 Çizelge Hücrelere göre ta ıyıcı kanalların maliyet de erleri Çizelge Olu turulan sonuç planının toplam maliyeti...102

19 XIX KISALTMALAR ARQ AUC BCCH BER BSC BSIC BSS BTS CDD CEPT CGI EIR FDMA FLP GMSC GMSK GoS GSM HLR HSN ICDM IMEI IMSI ISI LA LAI Automatic Repeat Request Authentication Center Broadcast Control Channel Bit Error Rate Base Station Controller Base Station Identity Code Base Station System Base Transceiver Station Cell Design Data Conferance of European Posts and Telgraphs Cell Global Identity Equipment Identity Register Frequency Division Multiple Access Fractional Load Planning Gateway Mobile Services Switching Center Gaussian Minimum Shift Keying Grade of Service Global System For Mobile Communications Home Location Register Hopping Sequence Number Inter Cell Dependency Matrix International Mobile Equipment Identity International Mobile Subscriber Number Inter Symbol Interference Location Area Location Area Identity

20 XX MAIO MCC MNC MOC MoU MRP MS MSC MSIC MTC OMC PCM PIN PUK SDCCH SIM SRES SS TCH TDMA TMSI TRU TS VLR Mobile Allocation Index Offset Mobile Country Code Mobile Network Code Mobile Originated Call Memorandum of Understanding Multiple Reuse Pattern Mobile Station Mobile Services Switching Center Mobile Subscriber Identification Number Mobile Terminated Call Operation and Maintenance Center Pulse Code Modulation Personal Identification Number Personal Unblocking Key Stand Alone Dedicated Control Channel Subscriber Identity Module Signed Response Switching System Traffic Channel Time Division Multiple Access Temporary Mobile Subscriber Identity Transceiver Unit Time Slot Visitor Location Register

21 1 1 GSM'E G R GSM (Global System For Mobile Communications - Küresel Mobil leti im Sistemi), son yirmi yılda hızla geli mi olan ve çok talep gören bir ileti im teknolojisidir. Küreselle me sürecine giren dünyamızda bu süreci en çok hızlandıran etken ileti im teknolojileri olmu tur ve bunda GSM' in payı büyüktür. 1.1 GSM'in Tarihçesi GSM'in tarihi 1982'de Nordic PTT'sinin Avrupa Posta ve Telgraf Konferansına (CEPT - Conferance of European Posts and Telgraphs) 900 Mhz'de Avrupa'yı kapsayan genel bir telekomünikasyon servisi kurulması teklifi ile ba lamı tır. Daha sonra Mobil Uzmanlık Grubu (Group Special Mobile) adı altında bir çalı ma grubu olu turulmu tur. Konferans sırasında olu turulan bu çalı ma grubunun amacı, Avrupa çapında, 900 Mhz aralı ında i leyecek olan, kamuya açık bir hücresel ileti im sistemi olu turmak olmu tur (Ericsson, 1998c). Hücresel telekomünikasyon, telekomünikasyon uygulamalarının en hızlı geli eni ve en çok talep görenidir. Tüm dünyada yeni telefon aboneliklerindeki en büyük yüzde payı hücresel telekomünikasyon uygulamalarındadır ve sürekli artmaktadır. Birçok hususta hücresel çözümler, ticari kablo a ları ve kablosuz telefonlarla boy ölçü ebilmektedir. Sayısal radyo transmisyonu kullanımı ve GSM ebekelerdeki ileri algoritmik ileti im, analog hücresel sistemlerden daha mükemmel bir frekans kullanımı sa lar. Dolayısıyla sürekli artan abonelere daha iyi hizmet sunulmu olur. GSM genel bir standardı sa lamakla birlikte, hücresel aboneler, telefonlarını ya da veri ileti im cihazlarını bütün GSM servis alanı üzerinde kullanabileceklerdir. Bu haberle me dola ımı, GSM sistemleri içeren ülkelerde ve bu ülkeler arasında otomatik olarak gerçekle ir.

22 2 Uluslararası dola ıma ek olarak, yüksek hızda veri haberle mesi, kopyalama ve kısa mesaj hizmetleri gibi kullanıcı servisleri sa lar. GSM'in teknik standartları ISDN vb. di er standartlarla uyum içinde çalı abilecek ekilde hazırlanmı tır (Harputluo lu, 2000) yıllarında sayısal veya analog sistem kurulması konusunda tartı malar vardı. Görü meler sonrasında 1985'de sayısal sistemde karar kılınmı tır. Bundan sonraki basamak ise dar bant çözümü veya geni bant çözümü seçme meselesi olmu tur. 1986'da Paris'te farklı irketlerin farklı çözümlerle boy ölçü ebilecekleri bir ortam olu mu tur. 1987'nin Mayıs ayında dar bant TDMA (Time Division Multiple Access) çözümünde ortak karara varılmı tır. Aynı zamanda 13 ülke, sistemin belli kaidelerine ve özelliklerine uyacakları bir protokol imzalamı lardır (MoU - Memorandum of Understanding). Dolayısı ile büyük bir potansiyel piyasa ortaya çıkmı tır. Bu ülkeler anla tıkları ekilde bir GSM sistemi faaliyete geçirmek için 1 Temmuz 1991 tarihini belirlemi lerdir (Ericsson, 1998c).

23 3 1.2 GSM Sistem Standartları GSM ebekeler için sistemin standartları; Frekans Bandı Duplex Mesafe Ta ıyıcı Ayrı tırması Modülasyon Transmisyon Oranı Eri im Metodu Konu ma Kodlayıcısı Çe itlilik Yukarı link: 890 Mhz Mhz A a ı link: 935 Mhz Mhz 45 Mhz 200 Khz GMSK 270 kbit/sn TDMA RPE LPC 13 kbit/sn Kanal kodlama Araya yerle tirme Adaptasyon dengeleme Frekans atlaması 1.3 Eri im Metodu Sayısal GSM sistemi, her ta ıyıcının sekiz zaman aralı ına bölündü ü Zaman Bölmeli Çoklu Eri im Metodu (TDMA) kullanır (Ericsson, 1998a). Hareketli istasyon (Mobile Station) aynı zaman aralı ında gönderir ve alır. Bu demektir ki, aynı zamandaki sekiz konu ma aynı radyo kanalında yer alabilir.

24 4 1.4 Modülasyon 'dir. Kullanılan modülasyon GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) 1.5 GSM'in Avantajları GSM ile olu turulmak istenen özellikler u maddeler ile verilebilir (Ericsson, 1998a); Çok daha iyi konu ma kalitesi (e it veya mevcut olan analog hücresel teknolojiden daha iyi) Dü ük terminal, i letim ve hizmet ücretleri Yüksek seviyede güvenlik Uluslararası dola ım Dü ük güçte çalı an portatif veya mobil terminal deste i Yeni hizmetlere ve ebekelere uyumluluk

25 5 2 S STEME GENEL B R BAKI 2.1 Hücresel A GSM, hücresel yapıya sahip bir ileti im sistemidir. GSM sistemindeki tüm hücreler, hücresel a ı olu turmaktadır. Genelde bir hücre, anten sisteminden olu an bir sektörün kapsama alanı olarak tanımlanabilir. Bir baz istasyonu birkaç hücreye sahip olabilir Hücresel Yapı Radyo frekans haberle mesinin ilk zamanlarında mühendisler alıcı ve verici arasında bir hat olu turduklarında oldukça sevinmi lerdi. lk hatlar iki yönlü ileti im için de ildi. Bunlar tek-yön gönderme hatları olarak kaldılar ve mobilleri arayan insanlar hemen cevap alamazlardı. Hatta aramalarının mobil adreslere ula ıp ula madı ını dahi hemen anlayamazlardı. Bundan sonraki basamak çift-yönlü, hemen cevap alınabilen bir transmisyon hattı kurmak oldu. Bu da mobil vericilerle sa landı, fakat ebeke yapısı kolay kullanıma uygun de ildi ve hizmet belli bir alan ile sınırlı idi. Bu alana, bir verici ile veya tek bir bölgede farklı kanallarda çalı an vericilerin küçük bir koleksiyonu ile ula mak mümkündü. ebekenin tanıdı ı bu alanlara Hücre denildi. Hücrenin veya ebekenin ebadı verici gücü ile ilgili idi. Hücredeki alıcı ve vericinin frekansını seçmek çok önemliydi. Çünkü di er sistemlerden giri ime çok müsaitti (Ericsson, 1998a). Günümüz perspektifinden bakılırsa bu dezavantajlar açıkça kendini gösteriyor. Büyük bir bölge için küçük bir frekans grubu kullanılıyordu. Bütün bu problemlere çözüm arandı. Sonraları, frekans bandının ayrılıp birçok hücreler arasında bir hücreye tahsis edilmesi önerildi. Hücreler de birbirine biti ik ve bir arada olacaklardı. Böylece hücre yapısı olu tu ( ekil 2.1).

26 6 ekil Aynı frekanslara sahip olamayan kom u hücreler Bu projenin düzgün çalı ması için bazı kısıtlamalar getirildi; Aynı kanalı kullanan farklı iki istasyon arasındaki giri imi azaltmak için frekanslar belli hücrelere tahsis edildi. Farklı istasyonlar arası giri imi azaltmak için, bir tek hücre içinde güç seviyeleri uygun bir ekilde ayarlandı. Biti ik hücrelerin birbirlerine yönelik giri ime sebep olmaması için, güç sınırlı olmalıdır. Alıcı filtreleri geli tirildi. Günümüzde, bir mobil abone, mobil cihazı ile hücre kapsama alanı içinde her yerden arama gönderebilir ve arama alabilir. Hücre ekli teoride altıgen olarak gösterilir ve bu yapay bir gösterimdir. Baz istasyonu anteni tarafından yayılan sinyalin ideal kapsaması ise dairesel olarak gösterilir. Ancak gerçekte bazı alanlar çe itli nedenlerle gerekli sinyal seviyesine sahip olamazlar. Bu sebeple hücreler pratikte geometrik olmayan ekillere sahiptirler (Mishra, 2004).

27 2.1.2 A Planlaması E er Amerika daki gibi nüfusun farklı bölgelerde farklı yo unluklarda oldu unu dü ünürsek, her bölgede aynı büyüklükte hücre olu turmanın mantıklı bir ey olmadı ını görürüz. Operatör açısından olayı ele alalım: New York gibi büyük ve nüfusun yo un oldu u bir bölge ile nüfusun seyrek oldu u Hawaii adasına, aynı i levleri benzer bir a ile tedarik etmek mümkün de ildir (Ericsson, 1998b). Bunun için a ve hücre planlamada farklı tasarımlar geli tirilmi tir Hücreleri Ayırma ve Mikro Hücre Uygulaması Abone sayısı arttıkça ebeke içindeki yo unluk da artmı tır. Operatörler ve radyo mühendisleri kapasiteyi arttırma yoluna gitmi lerdir. Oldukça temel bir fikir ortaya atılmı tır. Var olan alanı daha küçük parçalara ayırmak, böylelikle var olan kanal sayısını katlayarak, büyük hücreli eski duruma kıyasla, kapasiteyi çok daha yukarılara çekerek abone yo unlu unu kar ılamaktır ( ekil 2.2).

28 8 ekil Hücreleri ayırma (Ericsson, 1998c) Bu basit proje boyunca, hücrelerde kullanılan güç seviyeleri dü ük tutulmu tur. Bundaki amaç ise mobil istasyonlar için gerekli olan pil büyüklü ünü azaltmak olmu tur. Mobiller için gerekli olan güç miktarı azalınca, mobillerin ebatları ve a ırlıkları da dü mü tür. Bu da ebekeleri kullanıcılar açısından daha çekici hale getirmi tir.

29 Sektörel Hücreler Her zaman dairesel hücre olu turmanın bir anlamı yoktur. Haberle me mühendisleri hücreleri çok de i ik ekillerde tasarlamı lardır. Bunda dikkate alınan kriterler yayımlanan gücün belirli bir bölge içinde sınırlandırılabilmesi ve kom u bölgelerden gelen gücün bu belirli bölgelere alınmaması olmu tur. Burada anten tasarımının önemi söz konusu olmu tur. Bu seçimli kapsama planının en genel olanı bölgelere dilimlenmi hücre dir. Burada kapsama alanı tipik 360 dereceden ziyade 120 dereceyle sınırlandırılmı tır ( ekil 2.3). Böyle antenler genellikle tünel giri lerine, vadi kenarlarına ve gökdelenlerin aralarına yerle tirilirler (Harputluo lu, 2000). 9 ekil Sektörel Hücreler emsiye Hücreler Hücre ayırma tekni i ilk uygulandı ında, operatörler çok küçük hücreler içinde bir transit geçi in farkına varmı lardır. Bu da farklı küçük hücreler arasında çok büyük sayıda hücreden hücreye i aret geçi ine sebep olmu tur. Tabii ki bu istenmeyen bir durumdur. Bu daha çok ortalama hızın çok yüksek oldu u Avrupa'da görülmü tür. Bunu

30 10 engellemek için emsiye hücreler olu turulmu tur ( ekil 2.4). Bir emsiye hücrede, altında bulunan mikro hücrelerin içinde yayımlanandan daha yüksek seviyede güç yayımlanır (Ericsson, 1998b). En önemlisi ise emsiye hücrede yayımlanan gücün farklı frekans da olmasıdır. Böylece mobil, yüksek bir hızla seyahat ederken, sistem tarafından hızlı hareket eden olarak algılanacak ve ebeke içinde birçok kere farklı hücre tarafından ele alınmaktan kurtulacaktır. Bu duruma ise emsiye hücre el atacaktır. Çünkü emsiye hücre daha büyüktür ve mobil yüksek hızda olsa bile bu emsiyenin dı ına hemen çıkamaz. Böyle yüksek hızda seyreden bir mobil, yayılım karakteristiklerinden, çok sayıda farklı hücreler veya sistem tarafından ele alınma talebinden fark edilir. Bu hücrede mobil çok uzun bir zaman dilimi için kalabilir, böylelikle ebekenin i yükü azaltılmı olur. ekil emsiye Hücreler (Ericsson, 1998b)

31 GSM ebekesi GSM ebekesi temel olarak, Anahtarlama Sistemi (SS Switching System) ve Baz stasyon Sistemi (BSS - Base Station System) olmak üzere iki bölüme ayrılır (Ericsson, 1998a). Bunlardan her biri, bütün sistemin fonksiyonlarının gerçekle tirildi i bir takım fonksiyonel üniteler içerir. Bu fonksiyonel üniteler, de i ik donanım gereçleri ile gerçeklenirler ( ekil 2.5). ekil GSM ebekesi Sistem Modeli (Ericsson, 1998a)

32 12 Anahtarlama Sistemi (SS) u fonksiyonel üniteleri içerir; Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (MSC - Mobile Services Switching Center) Ziyaretçi Yer Kaydedicisi (VLR - Visitor Location Register) Dahili Yer Kaydedicisi (HLR - Home Location Register) Do rulama Merkezi (AUC - Authentication Center) Cihaz Kimlik Kaydedicisi (EIR - Equipment Identity Register) Baz stasyon Sistemi (BSS) ise u üniteleri içerir; Baz Alıcı - Verici stasyonu (BTS - Base Transceiver Station) Baz stasyon Denetleyicisi (BSC - Base Station Controller)

33 2.2.1 Hücreler Önceki bölümlerde belirtildi i gibi, sistem biti ik radyo hücreleri a ı eklinde tasarlanır ve bu hücreler birlikte tüm servis alanını kapsarlar Mobil stasyon Terminal Cihazı (MS - Mobile Station) Hücresel ebekenin en çok bilinen ünitesi mobil istasyonlardır. Güç ve uygulama açısından dikkate alınırsa farklı tipte mobil istasyonlar mevcuttur. SIM ve mobil cihaz birlikte mobil istasyonu olu tururlar (Ericsson, 1998c). Sabit mobil istasyonlar, arabanın içine kalıcı olarak yerle tirilir ve maksimum izin verilen RF çıkı gücü 20W'dır. Portatif üniteler (çanta telefonları) 8W ve elle ta ınabilir üniteler 2W'a kadar güç çıkarırlar. 1993'den bu yana üretilen mobiller ile GSM sistem daha cazip hale gelmi tir. Elle ta ınabilen üniteler, hacimce oldukça küçüktürler Abone Kimlik Modülü (SIM - Subscriber Identity Module) SIM, mobil aboneye bir kimlik tedarik eder. SIM olmadan, acil aramalar hariç, mobil i levini göremez. SIM, kredi kartı büyüklü ünde, içinde kurulmu çipi olan plastik bir karttır. Smart Card olarak da adlandırılır. SIM kart, e er mobil kullanılmak isteniyorsa mobil içine yerle tirilmelidir. Elle ta ınabilir cep telefonları için, kredi kartı büyüklü ündeki SIM kartın yerine daha küçük olan plug-in SIM geli tirilmi tir. Belirli abone parametreleri SIM kartta yüklüdür. Bunlarla beraber abone tarafından kullanılan ki isel veriler de ki isel telefon numaraları gibi bu kart içindeki çipte mevcuttur. SIM kart aboneyi tanıtır ve bir telefonu ki iselle tirdi ine göre, sadece SIM kartı alarak yurt dı ına çıkmak mümkündür. Bu durumda gidilen yerde bir mobil telefon kiralayarak ve ki i kendi SIM kartını takarak, o cihazı kendi numarasından telefon ediyormu gibi kullanabilir. Mali yükümlülük, ki inin ba lı oldu u numaraya ait olur. Aynı zamanda bu ki iye, ki inin abone numarası çevrilerek de ula ılabilir (Harputluo lu, 2000).

34 14 ebekeden alınan kısa mesajlar da bu kartta saklanır. Kartın güvenli i için dört basamaklı bir ifre konulmu tur. Bu ifre PIN (Personal Identification Number) olarak adlandırılır. PIN kartta yüklüdür ve üç kere yanlı girilirse, kart kendini bloke eder. Bu durumda kart ancak sekiz basamaklı bir ifre ile çözülebilir. Buna da PUK (Personal Unblocking Key) denir ve PUK da kartta yüklüdür Baz Alıcı - Verici stasyonu (BTS - Base Transceiver Station) Her bir hücre bir grup radyo kanalını i leten Baz Alıcı - Verici istasyonuna (BTS) sahiptir. Bu kanallar giri imi önlemek amacıyla kom u hücrelerde kullanılan kanallardan farklı tasarlanmı lardır. BTS, mobilin ebekeye arayüzüdür. Bir BTS genellikle hücrenin ortasına yerle tirilir. BTS'den çıkan güç hücrenin gerçek boyutunu belirler. Bir baz istasyon, her biri ayrı RF kanalı temsil eden alıcı-vericilere sahiptir (Ericsson, 1998c) Baz stasyon Denetleyicisi (BSC - Base Station Controller) Bir grup BTS, bir BSC ile kontrol edilir. Bu baz istasyonların sayısı üreticiye ba lıdır ve birkaç onlar veya birkaç yüzler mertebelerinde olabilir. Baz istasyon denetleyicisinin (BSC) en önemli görevleri arasında güç kontrolü, frekans idaresi ve BTS'lerin kontrolü sayılabilir. BSC donanımı, BTS gibi aynı bölgeye veya kendi ba ına bir bölgeye yerle tirilebilece i gibi Mobil Servisler Anahtarlama Merkezinin (MSC) bölgesine de yerle tirilebilir, BSC ve BTS, fonksiyonel olarak bir bütündür, buna da Baz stasyon Sistemi veya Baz stasyon Alt Sistemi (BSS - Base Station System) adı verilir (Harputluo lu, 2000) Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (MSC - Mobile Services Switching Center) Belli bir sayıda temel istasyon denetleyicisine (BSC) bir Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (MSC) hizmet eder. MSC'ler PSTN, ISDN, PLMN ve birçok özel ebekelerle yapılan kar ılıklı görü meleri kontrol ederler.

35 2.2.7 Geçit Mobil Servisler Anahtarlama Merkezi (GMSC - Gateway Mobile Services Switching Center) GMSC, hücresel a ın PSTN'e arayüzüdür. E er sabit a daki bir abone herhangi bir GSM abonesini aramak isterse, PSTN aramayı Gateway diye adlandırılan giri yerine ba lar. Gateway, genellikle bir MSC'de gerçeklenir ve bu MSC, GMSC - Gateway MSC olarak adlandırılır (Harputluo lu, 2000). GMSC, herhangi bir MSC olabilir. GMSC, ara tırılan mobil istasyonun yerini bulacaktır. Sahip oldu u kayıtlarla sabit a dan gelen aramayı BSC ve BTS yoluyla mobil istasyona gönderir. GMSC bu göndermeyi Dahili Yer Kaydedicisine (HLR) sorarak yapar. HLR, GMSC'ye adresi bildirir ve GMSC aramayı, aranılan mobil istasyonun bulundu u MSC'ye yönlendirir. Arama, yönlendirilen MSC'ye ula tı ında, Ziyaretçi Yer Kaydedicisi (VLR) mobil istasyonun nerede oldu unu detayları ile bilecektir, çünkü VLR, HLR'dan gerekli verileri almı tır. Böylece aramanın gönderildi i MSC, aramayı o tarafa do ru anahtarlayacaktır. ebekenin boyutuna ba lı olarak, bir operatör, sabit ebekeye bir arayüz kullanabilir. Bu da birkaç GMSC veya sadece bir GMSC kullanarak olur. E er sabit ebekedeki trafik, GMSC'lerin tedarik edebilece inden daha fazla mesaj de i imi (exchange) gerektiriyorsa, sabit ebekeye eri imi olmayan ek MSC'ler bir araya konu landırılmalıdır. E er daha fazla mesaj de i imi gerektirmezse, GMSC ile MSC aynıdır. Aralarındaki en önemli fark, MSC'nin HLR ile ilgisinin olmaması, yani GMSC'nin HLR ile ilgisinin bulunmasıdır (Ericsson, 1998a) letme ve Bakım Merkezi (OMC - Operation and Maintenance Center) OMC'nin hem (G)MSC'ye, hem de BSC'ye eri imi vardır. ebekeden gelen hata mesajlarını ele alır. BTS ve BSC'nin trafik yükünü kontrol eder. OMC, BSC yoluyla BTS'i düzenler ve operatörün sisteme ba lı parçaları kontrol edebilmesini sa lar. Hücreler küçüldükçe ve baz istasyonlarının sayısı arttıkça, gelecekte bireysel istasyonları kontrol

36 16 etmek mümkün olmayacaktır. Bu olay alıcı-verici kalitesi dengesini bozabilecektir, çünkü bu kontroller belli bir düzende sürekli yapılmaktadır. Dolayısıyla uzaktan kontrollü, yerinde bakım olayını sa layan sistemler kurmak maliyeti dü ürmek açısından önemlidir, fakat sistem kalitesini de muhafaza etmelidir. Bu, BTS'deki self-test fonksiyonları ile desteklenir (Ericsson, 1998a). Bu özelliklerin sisteme sa lanması üreticiyle alakalıdır Dahili Yer Kaydedicisi (HLR - Home Location Register) Yukarıda bahsedilen üniteler, mobil ile sabit bir a abonesi arasındaki konu ma ba lantılarının geçti i ünitelerdir. E er bir mobil istasyona arama yapılması olayı söz konusu olmasaydı, daha fazla donanıma ve teçhizata ihtiyacımız olmayacaktı. Esas problem MS ile sonlandırılan bir görü me yapılmak istendi inde ortaya çıkmaktadır. Bu durumda mobil istasyonun yeri önemlidir ve mobil istasyonun izini takip edecek bir takım veri tabanlarına ihtiyaç vardır. Bu veri tabanlarından en önemli olanı Dahili Yer Kaydedicisi dir (HLR). Herhangi bir ki i bir GSM operatöründen abonelik aldı ında o operatörün HLR ında kaydedilir. HLR, ilgili (G)MSC bölgesine ait bütün abonelerin kullanıcı veri ve kimlik bilgilerini saklar. Bunlar, bir kullanıcının Uluslararası Mobil Abone Numarası (IMSI - International Mobile Subscriber Number), do rulama parametreleri ve abonenin kabul edilen bütünleyici servisleri gibi kalıcı veriler ve bazı geçici verilerdir. SIM deki geçici veriler unları içerirler; Abonenin o anda bulundu u VLR E er abone yönlendirme seçerse gelen aramaların hangi numaraya aktarılaca ı Güvenlik ve ifreleme için gerekli bazı parametreler IMSI, SIM kartta kalıcıdır ve GSM sistemde aboneyi tanımlayan önemli bilgilerden biridir. IMSI nin ilk üç basama ı Mobil Ülke Kodunu (MCC - Mobile Country Code), daha sonraki iki basamak Mobil ebeke Kodunu (MNC - Mobile Network Code) tanımlar. On basama a kadar olabilen Mobil Abone Kimlik Numarası (MSIC Mobile Subscriber Identification Number), IMSI yi tanımlar.

37 17 Örne in IMSI: Bu numara Almanya dan bir aboneyi tanımlar (MCC=262), bu abonenin aylık fatura ödemesini 02 numaralı operatöre ödedi i (MNC=02) anla ılır. Abonenin ebeke kimlik numarası da 'dır (MSIC). Ancak PSTN'den ula ılacak numara IMSI'den tümüyle farklıdır ve 0172 alan kodu ile ba lar ve 7 basamaklı abone numarası ile devam eder Ziyaretçi Yer Kaydedicisi (VLR - Visitor Location Register) Ziyaretçi Yer Kaydedicisi (VLR), MSC bölgesinde yerle tirilen bütün mobil istasyonlar hakkında bilgi içeren bir veri tabanıdır (Ericsson, 1998c). Mobil istasyon, yeni bir MSC bölgesine girer girmez o MSC'ye ba lı olan VLR, HLR'dan mobil istasyon hakkında bilgi ister. Aynı zamanda HLR, mobil istasyonun bulundu u bölgenin hangi MSC oldu u hakkında bilgilendirilecektir. E er mobil istasyon bir arama yapmak isterse, VLR, her seferinde HLR'a sormadan aramanın sa lanması için gereken tüm bilgileri elde edecektir. VLR, da ıtılmı HLR gibi görülebilir. VLR, aynı zamanda MSC bölgesindeki mobil istasyonun yeri hakkında tam bilgiye sahiptir. VLR, bütün mobillerin ili kide oldukları (G)MSC'ye yüklenen, konu ile ilgili verileri içerir. Kalıcı veri, HLR'da bulunan veri ile aynı olup, geçici veri biraz farklılık gösterir. Örne in VLR, TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity - Geçici Mobil Abone Kimli i) bilgisini saklar. Bu bilgi sınırlı zaman aralıkları içindir ve hava arayüzü yoluyla IMSI'nin transmisyonunu önler. VLR, arama olayının kurulumu esnasında do rulama prosedürü süresince aboneye özel veriler tedarik ederek (G)MSC'yi destekler. VLR, belli bir abone için o abonenin HLR'ından veri alır. Abone verilerini VLR'a yerle tirme HLR'daki veri trafi ini azaltır. Çünkü her seferinde lazım oldu unda bu verilerin tekrar tekrar istenmesine gerek yoktur. A a ı yukarı birbirinin aynı olan bu verilerin hem HLR, hem de VLR'a yüklenmesinin di er sebebi her birinin farklı amaçlara hizmet etmesidir. HLR, PSTN'den bir arama geliyor iken gerekli abone bilgilerini GMSC'ye tedarik etmelidir. VLR, tam zıt bir i levi yerine getirir, yani bir mobil istasyondan arama geliyor iken gerekli abone bilgilerini ev sahibi

38 18 GMSC'ye tedarik eder. Sonuçta hem HLR hem de VLR, GSM sisteminde ki haberle me akı ı açısından çok önemli yerlere sahiptirler Cihaz Kimlik Kaydedicisi (EIR - Equipment Identity Register) Bilindi i gibi SIM ve mobil cihaz birlikte mobil istasyonu olu tururlar. SIM in bulunmadı ı durumda mobil istasyon GSM ebekesine acil haller dı ında giri alamaz. SIM kart, mobil cihazı ebekeye tanıttı ından ve ba ka mobil cihazlarda da kullanılabilece inden dolayı çalıntı mobil cihazların durumu ne olacak diye akla soru gelebilir. Bunun için cihazın kendine özel donanım kimli i içeren bir veri tabanına ihtiyaç duyulmu tur. Bu da cihaz kimlik kaydedicisidir (EIR). EIR'ın varlı ı GSM sistemine güvenlik sa lar. EIR'da çalıntı cihazlardan ba ka, donanımında bozukluk olan ve ebekede kullanılmayan mobil cihazların seri numaraları vardır. Uluslararası Mobil Cihaz Kimli i (IMEI - International Mobile Equipment Identity), sadece belirli bir istasyonun seri numarası de ildir. Aynı zamanda üreticiyi ve üretilen ülkeyi de gösterir. Burada amaç her kaydetme ve arama kurulumunda mobil istasyon kimli inin kontrol edilmesi, sonra IMEI'ye dayanarak mobil istasyonun sisteme eri imini engellemek veya kabul etmektir. Örnek olarak unu verebiliriz; herhangi bir firmanın üretti i cihaz, RF kalitesi gibi tavsiye edilen özelliklere yeteri kadar uymuyorsa, bu mobil uyumsuz dalgalar üretece inden ve giri ime sebep olaca ından yasaklanmı demektir ve bu cihaz ebekeden reddedilir Do rulama Merkezi (AUC - Authentication Center) Do rulama Merkezi (AUC), HLR ile ili kilendirilmi tir. AUC, mobil istasyonun do rulama prosedürü esnasında HLR'a bazı parametreler tedarik eder. AUC, belirli bir abone ile ilgili giri de erlerini hesaplamak ve istenilen sonuçları HLR'a aktarmak için hangi algoritmayı kullanaca ını önceden bilir. Do rulama prosedürleri ile ilgili algoritmalar

39 AUC da yüklüdür ve herhangi bir andaki kötü kullanıma kar ı korunurlar. 2.3 Co rafi A Yapısı 19 Her telefon a ı, gelen aramaları uygun bir ekilde do ru santrallere ve sonuçta aranılan aboneye ula tıracak iyi bir yapıya sahip olmalıdır. E er bu bir mobil a ise, tüm abonelerin hareketlili inden dolayı bu yapı çok daha fazla önem ta ır. Bu açıdan a yapısının kurulumu ve i leyi i do ru olmalıdır A Bölgesi ve GMSC Bir GSM/PLMN a ı ile di er PSTN, ISDN ve PLMN a ları arasındaki linkler, uluslararası veya ulusal transit santraller sayesinde olacaktır ( ekil 2.6). Bir GSM/PLMN a ına gereken aramalar bir veya daha fazla GMSC ye gönderilir. Bu GMSC, GSM/PLMN için bir giren transit santral gibi çalı ır. Bir GSM/PLMN a ında tüm mobil sonlandırmalı aramalar bir GMSC ye iletilir (Ericsson, 1998a). ekil GSM/PLMN a ı ve di er yerel a lar arasındaki linkler

40 MSC/VLR Servis Bölgesi Bir MSC bölgesi, tüm a ın tek bir MSC tarafından kaplanan parçasını temsil eder. Bir mobil aboneye aramayı göndermek için, abonenin bulundu u alandaki MSC dikkate alınır (Harputluo lu, 2000). Servis bölgesi, MS'in bulundu u ve MS'in kayıtlı oldu u VLR'ın bulundu u bölgedir. VLR, HLR'dan MS hakkında bilgi alır. Ericsson firmasının üretti i CME 20 sisteminde herhangi bir MSC bölgesi ile o MSC'ye kar ılık gelen servis bölgesi aynı bölgeyi temsil eder ( ekil 2.7). Bir ba ka deyi le her bir MSC, bir VLR ile gerçeklenir (Ericsson, 1998c). Bu gerçekleme üretici firmaya göre de i ir, verilen örnek Ericsson içindir. ekil Ericsson MSC/VLR Servis Alanları Yerle im Bölgesi (LA Location Area) Her MSC/VLR servis bölgesi birkaç yerle im bölgesine ayrılmı tır ( ekil 2.8). Yerle im bölgesi (LA), MSC/VLR servis bölgesinin bir parçasıdır ve mobil istasyonun bu alanda serbestçe gezmesi yerle im bölgesindeki MSC/VLR kontrolündeki yer bilgisini de i tirmez. Bir yerle im bölgesi, abonenin bulunması için arama mesajının yayımlandı ı bölgedir. Yerle im bölgesi, birkaç hücreye sahip olabilir ve bir veya daha fazla BSC'ye ba lıdır. Fakat sadece bir MSC/VLR'a sahiptir. Yerle im

41 bölgesi, sistem tarafından Yerle im Bölgesi Kimli i (LAI - Location Area Identity) kullanarak tanınır. Sistem aktif durumdaki aboneyi aramak için kullanır. 21 ekil Bir MSC/VLR servis alanının yerle im bölgelerine bölümü Hücre Bir LA, belli sayıda hücreden olu ur ( ekil 2.9). Hücreler, ebekenin Hücre Küresel Kimli i (CGI - Cell Global Identity) ile tanıdı ı bölgelerdir. MS, Baz stasyon Kimlik Kodu (BSIC - Base Station Identity Code) vasıtasıyla, aynı ta ıyıcı frekansları kullanan hücreleri ayırt eder (Ericsson, 1998b).

42 22 ekil Bir MSC/VLR servis alanının yerle im bölgelerine ve hücrelere bölümü Özet olarak, co rafi yapıyı ekil 2.10 daki biçimde dü ünebiliriz; ekil GSM deki alanlar arası ili ki

43 Kaydetme Mobil istasyon açıldıktan sonra, çok kısa bir zamanda, ebekenin varlı ını fark etmek için belirli bir tarama algoritması kullanarak bütün GSM frekanslarını tarar. ebeke fark edildi inde, mobil istasyon ya ilerideki sistem enformasyonunu okur ya da temel kanalı okur ( ekil 2.11).

44 24 ekil ebekedeki kaydetme prosedürü

45 Bu enformasyonla, mobil istasyon ebekedeki o an ki pozisyonunu belirtme olana ına sahip olur. E er mobil istasyonun yeri en son kapatıldı ı yer de ilse, bir kaydetme prosedürü (registration procedure) ba lar. ekil 2.11'de kaydetme prosedürü esnasında yapılması gerekenler ve ebekedeki de i ik cihazlar ile ili kilerini tanımlar. lk olarak mobil istasyon, ebekeden baz istasyon tarafından belirtilecek bir kanal talep eder. Sonra BSC üzerinden BTS'deki bir kanal aktif hale getirilmeye çalı ılır, bo kanal olup olmadı ı ara tırılır ve varsa bu BSC'ye bildirilir. Bo kanal varsa mobil istasyon alt yapıya ba lanmı tır ve sistemden bölgenin kendisi için uygun hale getirilmesini ister. Bu talep BSC'den (G)MSC'ye aktarılır ve bu arada herhangi bir i lev almadan önce mobil istasyonun do rulanması istenir. Do ru parametrelerin alınması üzerine (G)MSC, mobili BSC ve BTS üzerinden ve yeni bölgede kabul eder. Daha sonra (G)MSC yeni bölgeyi ve geçici kimli i mobile belirtir (TMSI). Mobil istasyon da bunu tanımak zorundadır. Prosedür bitti inde kanal BSC'den BTS yoluyla açılır. E er sistem hangi mobillerin sistemde mevcut oldu unu bilmek isterse, bu kaydetme i lemi de o kadar ba arıyla tamamlanır. Mobil istasyonlar, kapatıldıklarında veya açıldıklarında ebekeyi haberdar ederler. Aslında kaydetme prosedürü ebeke içindeki bilgi akı ını limitler ve ebekede sanal bir kontrol sa lar. HLR'ın bildi ini, GMSC zaten bilir ve mobil istasyonun kapalı veya açık olma durumu ebekede genel bilgi halini alır. E er bir ki i kapalı bir mobil istasyonu aramak isterse, GMSC hemen aranılan mobilin mevcut olmadı ını gösteren bir mesaj sinyali gönderir. Böylelikle mobil istasyonu bölgede tarama olayı bo u bo una yapılmamı olur. Dolayısıyla sistem daha az me gul edilmi ve sistemin dinamik enerjisinden tasarruf edilmi olur (Harputluo lu, 2000). 2.5 Arama Kurulumu 25 Aramanın kurulumundan (call establishment) önce, mobil istasyon açık olmalı ve sisteme kaydedilmi olmalıdır. ki farklı prosedür vardır. Bunlardan biri "mobil çıkı lı arama" (MOC - Mobile Originated Call), di eri ise "mobil sonlandırmalı arama" dır (MTC - Mobile Terminated Call). Burada sadece mobil çıkı lı aramalardan bahsedilecektir. Mobil sonlandırmalı arama i lemleri de bunun zıt yönünde benzer i lemler olacaktır.

46 26 Mobil çıkı lı arama, GSM sistemde kullanılan i aretle me hakkında genel bir izlenim edindirecektir. Burada i aretle meden kastedilen mesaj de i imidir. Gerçek bir arama ba lamadan önce, ebeke ve mobil istasyon arasında on dört farklı mesaj de i imi olur (Ericsson, 1998a). Mevkiinin uygun hale getirilmesi prosedürüne (Location Update Procedure) benzer bir prosedür ile mobil bir kanal talebi ile ba lar. Sistem tarafından kanal belirtilmesi yapılır. Mobil istasyon kanal isteme sebebini sisteme haber verir. Prosedürün devam etmesine izin verilmeden önce mobil kendi gerçekli ini tekrar kanıtlamak zorundadır. ebeke bir mesaj göndererek gizli dinleyicilere kar ı koruma amacıyla mobil istasyonun verilerini ifrelemesini ister. ifreleme i i, mesajın sadece mobil istasyonun ve BTS'in anlayaca ı bir ekilde gönderilmesi demektir. Sonra mobil aramak istedi i numarayı gönderir. Arama devam ederken, BSC, BTS yolu ile kullanıcı verilerinin aktarılaca ı bir trafik kanalı belirtir. Farklı tipteki mesajlar ve kullanıcı verileri farklı kanallardan giderler. ekil 2.12 de mobil çıkı lı arama prosedürü görülmektedir. Bazı kanallar sadece mesaj de i imi için, bazıları ise kullanıcı verilerinin ele alınması içindirler. Aranılan nokta me gul de ilse mobil i aretini (sinyalini) gönderir ve kar ı taraf telefonu açtı ında ba lantı kurulmu olur.

47 27 ekil Mobil çıkı lı arama kurulumu prosedürü 2.6 Aktarma (Handover/Handoff) Handover veya Handoff prosedürü, bir mobil istasyonun iki hücre arasında geçi yaparken konu manın devamı için bir araçtır. Bir arama, hücre sınırı geçildi inde veya mobil istasyon ile belirli bir baz istasyon arasındaki mesafe çok arttı ında dü er. Hücresel bir ebekede, bir hücrenin kom u hücreleri vardır. Böylelikle sistem, mobil istasyonun hangi hücreye geçebilece ini saptayabilmektedir. Bir sonraki hücreyi saptayabilme metodu analog ve sayısal sistemlerde farklılık gösterir. Bu farklılık Handoff ve Handover sözcüklerinden tespit edilebilir. Handoff analog

48 28 sistemlerde kullanılmakta iken, Handover ise GSM sisteminden bahsedilirken kullanılır. Analog sistemlerde, baz istasyon, mobil istasyon ile kendi arasındaki ba lantı kalitesini gösterir. Baz istasyon, ba lantı kalitesinin dü tü ünü ve mobil istasyon ile kendi arasındaki mesafenin arttı ını fark ederse, kom u hücrelerden mobile olan güç seviyelerini rapor etmesini ister. Mantıklı olanı, mobil için rapor edilen en yüksek güç seviyesi, mobil istasyona en yakın hücrede tespit edilir. Daha sonra ebeke, baz istasyonun yeni hücrede hangi frekans kanalını kullanaca ına ve mobil istasyonun hangi uygun frekansa senkron edilece ine karar verir. Son olarak mobil istasyon kanal de i ikli i için artlandırılır. Handoff prosedüründe mobil istasyon oldukça pasif kalır. Bütün ölçümler ve ölçümlerden sonra gelen i ler baz istasyonlarda ve ebekede yapılır. Hücre bölgeleri, kullanımda olan de i ik kanallardaki farklı mobil istasyonların güç seviyelerini ölçmek için ölçme alıcısı ile donatılmı lardır (Harputluo lu, 2000). GSM sistemindeki durum farklıdır. Mobil istasyon sürekli kom u hücrelerde algılanan güç seviyelerini göstermelidir. Baz istasyon mobil istasyona güç ölçümlerini yapması için baz istasyonları kanallarının listesini verir. Bu liste temel kanalda gönderilir. Bu temel kanal, mobil açıldı ında frekansın senkron oldu u kanaldır ve birinci kanaldır. Mobil istasyon, kalite için, içinde bulunulan hücrenin güç seviyesi ölçümlerine devam eder. Ayrıca bu ölçümler kom u hücrelerin güç seviyeleri için de aynı ekilde yapılır. Ölçüm sonuçları periyodik olarak ölçüm raporuna yerle tirilerek baz istasyona geri gönderilir. Baz istasyon, mobil istasyona olan ba lantının gücü ve kalitesi üzerinde ölçüm yapıyor da olabilir. E er ölçümler, bir aktarma yapılması gerekti ini gösteriyorsa, aktarma için en uygun baz istasyonu daha önceden tespit edilmi oldu undan hiç gecikme olmadan bu aktarma gerçekle tirilerek sorun çözülür. GSM sistemi farklı tipte aktarmalar seçer. Mobil istasyonun hangi tipte bir hücre sınırını geçti ine ba lı olarak, yeni hücrede, mevcut bir kanal sa lamak için bu aktarma i inin kontrol edilmesi lazımdır. E er aktarma bir BSC alanı içinde gerçekle tirilecekse, aktarma MSC'ye ba vurmadan BSC tarafından ele alınabilir. Bu ekilde bir aktarma BTS'ler arası basit aktarma olarak adlandırılır ( ekil 2.13).

49 29 ekil BTS ler arası aktarma (Harputluo lu, 2000) E er mobil istasyon bir BSC sınırından geçiyorsa, bu durumda konu mada düzgün geçi sa lanması için MSC bunu kontrol eder. Bu iki farklı MSC arasındaki aktarma için de devam edebilir. MSC'ler arası geçi teki tek fark, mobil ileride ikinci MSC tarafından ele alınsa da, ilk MSC hala arama yönetiminin kontrolünü muhafaza eder ( ekil 2.14).

50 30 ekil MSC ler arası aktarma (Harputluo lu, 2000) Teorik olarak, iki ülkenin politik sınırları arasında aktarma yapmak mümkündür. Bu özellik için herhangi bir teknik kısıtlama yoktur. Farklı serbest dola ım anla malarından dolayı, hiç bir ekilde bir telefon aramasını ba latmak mümkün de ildir. Örne in Almanya'dan sviçre'ye geçince aboneler yeni yabancı ebekede kayıtlarını yaptırmak zorundadırlar.

51 Güvenlik Parametreleri Do rulama (Authentication) Do rulama prosedürü abonelerin SIM kartlarının geçerlili ini kontrol eder. Do rulama, A3 diye adlandırılan ve SIM kart ile do rulama merkezinde (AUC) yüklü olan bir do rulama algoritmasına dayanır ( ekil 2.15). ekil Do rulama lkesi A3 algoritması iki giri parametresi kullanır; biri sadece ebekede ve SIM kartta yüklü olan do rulama anahtarıdır (Ki). kinci de er ise, hava arayüzünde mobil istasyona gönderilen rastgele üretilmi numaradır (RAND - Random Generated Number). Mobil istasyon, A3 algoritması için bir giri de eri olan rastgele üretilmi numarayı SIM'e geçer. Sonuç olan SRES (Signed Response), mobil istasyondan hava arayüzü yoluyla ebekeye gönderilir. Çünkü SRES de eri, do rulama merkezinden hesaplanan de erle ebekede kar ıla tırılır. Do rulama parametreleri (RAND ve SRES), do rulama merkezinin kullanımı için HLR ve VLR'da saklıdır. E er HLR veya VLR'da bu parametreler tüketilirse do rulama merkezinden yenileri istenir. Tükenme durumu ise, her arama kurulumunda veya kaydetmede bu parametrelerin ıskartaya çıkma ihtimaline ba lıdır. Bu güvenlik özelli inin bir önemli noktası, konu ile

52 32 ilgili bu parametrelerin (A3 ve Ki) güvenli yerlerde saklanması ve hava arayüzü ile asla gönderilmemesidir (Ericsson, 1998a) ifreleme Sayısal transmisyon verinin ifrelenmesi için uygundur. Çünkü bit dizisi, hava arayüzünün iki tarafından da belirli bir metot ile gönderilmektedir. GSM sistem, i areti ve kullanıcı verisini korumak için böyle bir ifreleme metodu kullanır. Bir tarafta ifrelenen veri sadece di er tarafta de ifre edilebilir. A5 diye adlandırılan ifreleme algoritması veri dizisini ifreler ve orijinal veri dizisinin tekrar elde edilmesi için aynı algoritma tekrar kullanılır. ifreleme fonksiyonlarını tasarlayan mühendisler, bu algoritmanın gizli dinlemelere kar ı çok iyi korundu unu belirtmektedirler. Bu algoritma Kc diye adlandırılan özel bir anahtar istiyor. Bu anahtar ise ebeke tarafından verilen rastgele numaradan (RAND) hesaplanıyor. Rastgele numara do rulama prosedürü için kullanılan numaradır. Bu hesaplama, RAND ile önceden bahsetti imiz do rulama anahtarı Ki'nin A8 kodu ile adlandırılan bir algoritmaya tabi tutulmasıyla oluyor ( ekil 2.16). ekil ifreleme anahtarı Kc nin hesabı

53 A8 algoritması SIM kartta yüklü olarak bulunmaktadır. Mobil cihaz A3 ve A8 hakkında hiçbir bilgiye sahip de ildir. A8 algoritması ile hesaplanan Kc, A5 algoritmasında yani veriyi ifreleme veya de ifre etmede kullanılır ( ekil 2.17). ifreleme prosedürünün ba laması için, ebeke mobil istasyona ifrelemenin ba latılması komutunu verir. Artık bundan sonra mobilden ifrelenmi olarak çıkan veri hava arayüzünden ebekeye iletilir ve ebeke bu verileri de ifre ederek uygun ünitelere yönlendirir. 33 ekil ifrelemenin ba latılması ve yapılması

54 34 3 SAYISAL RADYO TRANSM SYONU Arabalarında seyahat eden herkes farkına varmı tır ki, seyahat esnasında bir radyo yayını dinlerken alınan sinyal kalitesi zaman zaman de i ir. Örne in bir tünele veya iki tepe arasına girerken oldu u gibi. Bu etkiye gölgelenme (shadowing) adı verilir ve kablosuz dünyada ilgilenilmesi gereken birçok can sıkıcı gerçeklerden biridir (Ericsson, 1998d). Bu bölümde hücresel radyo ortamının temel problemleri ve bunlarla ilgili bazı ölçümler ele alınacaktır. Ek olarak, en genel biçimde sayısal haberle me ilkeleri de anlatılacaktır. Problemlerin ço undaki en genel faktör, istenilen sinyalin çok zayıf olmasıdır. Bu zayıflık, rastgele (ısıl) gürültü veya giri im (interference) sinyalleri ile kar ıla tırıldı ında çok daha fazla önem kazanır. Böyle bir sinyal, istenilen sinyalin alındı ı kanal üzerinde gelen, istenmeyen sinyal olarak tanımlanabilir. Örne in bu sinyal, ili kili olunan verici ile aynı frekansta çalı an ve ona çok uzak olmayan bir ba ka vericiden karı an sinyal olabilir ( ekil 3.1). ekil Giri en sinyal Bu gerçeklere dayanarak denilebilir ki, bütün frekansların tekrar tekrar kullanıldı ı bir sistem olan hücresel sistem, gürültü de il giri imden dolayı sınırlandırılır.

55 Zaman Bölmeli Çoklu Eri im (TDMA - Time Division Multiple Access) Sıradan radyo yayınlarında FDMA (Frequency Division Multiple Access - Frekans Bölmeli Çoklu Eri im) metodu kullanılır. Böylelikle her kanala belirli bir frekans bandı tahsis edilir. E er ba ka bir kanalı dinlemek istiyorsanız alıcının frekansını ba ka kanala ayarlamalısınız. Bu teknik, analog hücresel sistemlerde kullanılır. öyle ki; bir hücredeki her arama bir frekans bandı kullanır. E er dubleks, yani iki yönlü arama ise iki bant kullanılır. Belirli bir arama için belirli bir bant kullanıldı ından, bu frekans bandı ba ka bir arama için kullanılamayacaktır. GSM'de TDMA tekni i kullanılmaktadır ve her frekans bandı için sekiz zaman aralı ı bulunur (Ericsson, 1998d). TDMA ve FDMA arasındaki fark ekil 3.2'de gösterilmi tir. (A)'da her konu an mobile tahsis edilmi bir frekans bandı (ta ıyıcı frekansı) ilkesi ile uygulanan FDMA, (B)'de ise aynı frekans bandını kullanan sekiz zaman aralı ında, sekiz farklı mobilin konu abilece i TDMA sistemi görülmektedir. ekil (A). FDMA (B). TDMA Dikkat edilmelidir ki, ekillerde tek yön gösterilmi tir. Zıt yönde ise buna uygun gelen frekanslar/zaman aralıkları olmalıdır.