Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi...

80
1 Sistemi wireless Denominazione Sigla Frequenza "f" Lunghezza d'onda "λ" frequenze ultra basse ULF ultra low frequency 0 - 3 Hz > 10 7 m frequenze estremamente basse ELF extremely low frequency 3 Hz - 3 kHz 10 7 - 10 5 m frequenze bassissime VLF very low frequency 3 - 30 kHz 100 - 10 km frequenze basse (onde lunghe) LF low frequency 30 - 300 kHz 10 - 1 km medie frequenze (onde medie) MF medium frequency 300 kHz-3 MHz 1 km - 100 m alte frequenze HF high frequency 3 -30 MHz 100 - 10 m frequenze altissime (onde metriche o ultracorte) VHF very high frequency 30 - 300 MHz 10 - 1 m m i c r o o n d e onde decimetriche UHF ultra high frequency 300 MHz-3 GHz 1 m - 10 cm onde centimetriche SHF super high frequency 3 - 30 GHz 10 - 1 cm onde millimetriche EHF extremely high frequency 30 - 300 GHz 1 cm - 1 mm Propagazione

Transcript of Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi...

Page 1: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

1

Sistemi wireless

Denominazione Sigla Frequenza "f"

Lunghezza d'onda

"λ"frequenze

ultra basseULF

ultra low frequency0 - 3 Hz > 107 m

frequenze estremamente basse

ELF extremely low

frequency

3 Hz - 3 kHz 107 - 105 m

frequenze bassissime

VLF very low frequency

3 - 30 kHz 100 - 10 km

frequenze basse(onde lunghe)

LF low frequency

30 - 300 kHz 10 - 1 km

medie frequenze(onde medie)

MF medium frequency

300 kHz-3 MHz

1 km - 100 m

alte frequenze HF high frequency

3 -30 MHz 100 - 10 m

frequenze altissime(onde metriche o

ultracorte)

VHF very high frequency

30 - 300 MHz 10 - 1 m

microonde

onde decimetriche

UHF ultra high frequency

300 MHz-3 GHz

1 m - 10 cm

onde centimetriche

SHF super high frequency

3 - 30 GHz 10 - 1 cm

onde millimetriche

EHF extremely high

frequency

30 - 300 GHz 1 cm - 1 mm

Propagazione

Page 2: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

2

GPRS/UMTSD=decine di Km

R = centinaia di Kb/s

Wireless LANWLAN

Wide Area NetworkWAN

Campus(es. area limitata, aeroporto,

abitazione,..)

Personal areaPAN

Mobile LANWI-FI ( IEEE 802.11)D= centinaia di m o

qualcheKmR> 10 Mb/s

BluetoothR=1 Mb/sD<10 m

Motivazioni• Lo scopo primario di un sistema radiomobile è

di rendere possibile una connessione “anytime, anywhere” ad utenti mobili

• Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli ’80

Page 3: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

3

Requisiti sistemi radiomobili

• Copertura: garantire un livello di segnale accettabile in tutto il territorio

• Capacità: possibilità di servire molti utenti• Qualità: garantire paramteri di qualità della

comunicazione simili a quelli delle reti fisse• Flessibilità: possibilità di accedere ai servizi della

rete fissa di interoperare con altri sistemiradiomobili “concorrenti”

Sistemi radiomobili

• L’utilizzo dei sistemi radio per consentire le comunicazioni conutenti in movimento è una delle applicazioni ipotizzate fin dai primi anni della storia delle radiocomunicazioni.

• Il primo sistema per le comunicazioni radiomobili fu sperimentato a Detroit nel 1921 sulle macchine della polizia e utilizzava la banda di frequenze di 2 MHz.

• I sistemi realizzati in questi anni utilizzavano collegamenti unidirezionali (dalla centrale verso la macchina); soltanto successivamente furono introdotti sistemi bidirezionali, che consentivano una comunicazione completa tra stazione mobile e centrale. Tutti questi sistemi di comunicazione mobili utilizzavano la modulazione d’ampiezza, che tuttavia consentiva di ottenere scarse prestazioni in un ambiente radiomobile.

Page 4: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

4

Sistemi radiomobili• Un passo importante nelle comunicazioni radio fu l’introduzione della

modulazione di frequenza (FM) nel 1935 da parte di E.H. Armstrong, che portò alla realizzazione di sistemi con prestazioni migliori anche su canali disturbati come quello radiomobile.

• Nel 1935 fu attivato il primo servizio commerciale di radiotelefonia pubblica, che operava nella banda dei 35 MHz.

• Alla fine degli anni ’40 vennero introdotti i sistemi radiomobili che si diffusero rapidamente sia nel campo militare, sia in numerose attività civili, quali polizia, trasporti, vigili del fuoco. Questi sistemi utilizzavano un unico trasmettitore FM per coprire un’area ( tipicamente una città) mediante un’unica cella in modo analogo alle tecniche di tipo broadcasting.

• Nello stesso tempo, lo spettro radio era utilizzato in modo inefficiente: infatti, ad ogni apparato mobile era assegnata direttamente una frequenza diversa al momento della sua immissione nella rete, per cui si arrivò rapidamente a una saturazione delle bande di frequenzaassegnate alle comunicazioni radiomobili.

Sistemi radiomobili cellulari

• Lo sviluppo dei sistemi radiomobili ha avuto un grosso impulso con l’introduzione delle tecniche cellulari.

• Il concetto di rete cellulare fu introdotto nel 1947 presso i laboratori Bellda D. H. Ring

• Il lavoro di Ring rimase per molti anni uno studio teorico; soltanto alla fine degli anni '70 iniziarono lo sviluppo e la sperimentazione di sistemiradiomobili cellulari. Le prime sperimentazioni furono realizzate a partire dal 1979 negli Stati Uniti e in Giappone.

• Un altro passo importante nella direzione di un migliore sfruttamento dello spettro radio fu effettuato nel 1974 con l’introduzione del trunkingautomatico, cioè l’allocazione di un canale temporalmente limitata alla durata di ogni singola connessione e scelto fra un certo numero di canali; tale tecnica fu realizzata nell’ambito del sistema IMTS ( Improved Mobile Telephone Service).

Page 5: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

5

Propagazione

• Nello spazio libero la potenza diminuisce con la distanza al quadrato.

SISTEMI CELLULARI

• Nei sistemi cellulari il territorio è suddiviso in celle. Le celle reali hanno generalmente forme irregolari a causa di ostacoli. Le celle ideali hanno forma circolare. Nella rappresentazione classica si usa una forma esagonale per rappresentare le celle.

Celle Reali Celli Ideali Celle Fittizie

• In ogni cella è posizionata una stazione radio base (BTS=Base Terminal Station), che gestisce il traffico nell’area..

Page 6: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

6

COPERTURA CELLULARE

RIPARTIZIONE DEL TERRITORIO IN CLUSTER DI 7 CELLELe celle con lo stesso numero possono utilizzare le stesse

frequenze.

1

3

4

2

7

6

5

1

3

4

2

7

6

5

1

3

4

2

7

6

5

1

3

4

2

7

6

5

• CLUSTER : insieme di N celle entro il quale vengono utilizzati tutti i C canali radio disponibili.• Fattore di Riuso = D/R=(3N)1/2, dove R= raggio della cella e D distanza tra due celle con lo stesso

numero

Sistemi cellulari• La dimensione delle celle può variare a seconda delle

politiche del gestore e della natura dell’area da coprire. Le celle si dividono in:– PICO-CELLE. R compreso tra 4 e 200 m– MICRO-CELLE. R compreso tra 200 e 2000 m – MACRO-CELLE. R compreso tra 1 e 30 km

Page 7: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

7

Sistemi cellulari

Struttura cellulare

• Ogni cella è controllata da una stazione radio base.

Page 8: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

8

Riuso delle frequenze

Geometria delle celle• La struttura geometrica delle celle può essere di vario tipo.

c c cR

R R

Area = 1.3R2 Area = 2R2 Area = 2.6R2

• La struttura esagonale è quella che viene generalmente utilizzata per la pianificazione.

Page 9: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

9

Cell planning• La pianificazione delle celle (cell planning) sul campo dovrà tener conto

dell'ambiente in cui si colloca la cella, delle asperità del terreno, della conformazione morfologica e della disposizione di grandi strutture ed edifici.

esempio di pianificazione della copertura cellulare attraverso un software di simulazione.

Riuso delle frequenze• La distanza di riuso, ovvero la minima distanza tra due celle che utilizzano le stesse

frequenze. Si determina imponendo che il rapporto C/I (potenza del segnale utile su potenza del segnale interferente) non scenda al di sotto di una soglia prefissata.

• L’insieme minimo di celle che fanno uso di tutta la capacità spettrale del sistema senza riuso di frequenza, viene detto cluster.

Esempio di riuso in un cluster di 7 celle

• La dimensione del cluster è un parametro di progetto molto importante:

– se la dimensione del cluster è elevata, si riduce la capacità del sistema (in quanto il numero di canali a disposizione in ogni cella è limitato), mentre aumenta la qualità della connessione in termini di C/I poiché è maggiore la distanza tra le celle che utilizzano lo stesso gruppo di frequenze.

– se la dimensione del cluster è piccola. La scelta del cluster consiste, in definitiva, nella ricerca del miglior compromesso qualità/capacità per il sistema in esame.

Esempi• Sistemi cellulari FM : C= 7 o 9• GSM : C=3 , 4• CDMA C=1 (le stesse frequenze sono utilizzate in

tutte le celle

Page 10: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

10

Antenne• Antenne omnidirezionali: in ogni cella

si ha un’antenna posta al centro

• Antenne direttive: antenne a tre fasci ciascuno con apertura di 120° poste ai vertici dell’ideale struttura esagonale.

• Si possono usare anche antenne a sei fasci (60°) poste al centro della cella.

Antenne direttive

• L'uso di antenne direttive per settorizzare le celle riduce l'interferenza fra celle che usano lo stesso canale perché ogni fascio dell'antenna "vede" solo l'interferenza prodotta da un terzo della rete.

• In questo modo si può ottenere un più denso riuso della frequenza.

• La settorizzazione è meno costosa del cell splitting e non richiede la sostituzione della stazione base.

Page 11: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

11

Handover• La procedura di handover consente ad un terminale mobile di spostarsi

dalla zona di copertura di una stazione radio a quella di un’altra mantenendo in piedi il servizio in corso

• La realizzazione delle procedure di handover può essere realizzata con due diverse procedure:

– Hard handover– Soft handover

Hard Handover • Rappresenta il metodo attualmente più utilizzato.• Ogni SRB emette un segnale che la identifica e che

permette ai terminali mobili di capire qual è la miglior SRB cui collegarsi.

• Quando la potenza del segnale "faro" emesso da una stazione SRB (ad esempio SRB2 nella figura) supera quella del faro della stazione a cui si è collegati di una certo valore di soglia, si ha l'handover.

• La soglia serve per cautelarsi dalle fluttuazioni della potenza del faro dovute al fading.

• La commutazione da una SRB ad un’altra, causa un'interruzione della comunicazione che può durare da alcune centinaia di ms a quasi un secondo in alcuni sistemi analogici. Tale intervallo di tempo è necessario per ri-sincronizzare il terminale mobile sulla nuova SRB.

• Nei sistemi digitali, l’interruzione può essere considerevolmente ridotta se le SRB sono sincronizzate.

• L’interruzione può risultare impercettibile all’orecchio e non causare disservizio nel caso di comunicazioni foniche, ma provocare ritrasmissioni se avviene durante uno scambio dati, condizionando così la velocità di trasferimento delle informazioni.

Page 12: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

12

Soft Handover• Il terminale che si trova al confine tra le zone di

copertura di due SRB, comunica contemporaneamente con entrambe e, quando passa dall’area di copertura dell’una a quella dell’altra, commuta con continuità con la nuova SRB non appena riscontri una qualità di trasmissione migliore rispetto a quella garantita dalla SRB precedente.

• Affinché il terminale possa comunicare contemporaneamente con due SRB è necessario che l'handover non implichi un cambiamento di canale. Il terminale deve, cioè, continuare ad usare lo stesso canale anche quando si connette con la nuova SRB.

• Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA mentre nelle reti che utilizzano FDMA/TDMA, come il GSM, è necessario adottare tecniche di tipo hard.

• La zona in cui il terminale rimane connesso ad entrambe le SRB è determinata da due soglie, una per l'ingresso in soft handover e l'altra per l'uscita.

• Quando il terminale è connesso a due o più SRB contemporaneamente, il segnale che trasmette viene ricevuto da tutte le SRB cui è connesso. Queste repliche del segnale possono essere utilmente combinate dal Base Station Controller (BSC) per migliorare la qualità del segnale ricevuto. Questo meccanismo prende il nome di macrodiversity.

Caratteristiche generali deisistemi cellulari

Vantaggi• Il concetto di sistema cellulare introduce un nuovo concetto di uso dello

spettro, quello del riuso delle frequenze, per cui utenti in celle sufficientemente distanti possono utilizzare le stesse frequenze.

• La potenza di trasmissione è piccola poiché le celle hanno dimensioni modest. Ad esempio lòe stazioni radio base utilizzano generalmente potenz einferiori a 100 W, mentre i terminali utilizzano potenze tra 0,6 W e 6 W.

• Le frequenze da utilizzare possono essere scelte tra le bande adatte per trasmissioni a piccole distanze. Ad esempio la banda 800 -900 MHz o oltre a 1 GHz.

Svantaggi• problemi di handover;• localizzazione dell’utente mobile ( identificazione della cella in cui si trova)

più complessa• costo del sistema radiomobile per la molteplicità delle stazioni radio base.

Page 13: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

13

Problematiche dei sistemi cellulari• Riuso delle frequenze ( fattore di riuso 4,6 R dove R è il raggio della cella);• Handover tra celle : procedura che consente ad un utente di proseguire una

conversazione anche quando passa da una cella all’altra. Alcuni sistemi di prima generazione non permettono handover. La procedura di handover ha generalmente una durata molto piccola ( ad esempio 1/3 secondo)

• Cell splitting: Quando il numero di abbonati aumenta avvicinandosi al massimo che il sistema può servire da una singola cella, le celle vengono sdoppiate o frazionate in celle più piccole. In linea di principio ciascuna cella può gestire lo stesso numero di utenti della cella maggiore, per cui si ha una moltiplicazione del numero di utenti. Lo splitting di celle produce le seguenti caratteristiche:

– aumenta il numero di utenti del sistema;– è necessario diminuire la potenza di trasmissione delle stazioni radio base perché le

distanze sono minori e per ridurre l’interferenza cocanale;– aumenta il costo del sistema poiché aumenta il numero di stazioni radio base

necessarie• Location update: che consente di identificare l’utente sul teritorio;• Roaming: consente a un utente di utilizzare il terminale anche in zone non coperte dal

proprio operatore e in altri paesi.

Confronti fra le tecniche di accesso multiplo

• FDMA– Vantaggi: ridotta interferenza intersimbolica, bassa complessità– Svantaggi: apparati radio multipli alla stazione base (uno per ogni utente servito),

le procedure di handover sono complicate dalle trasmissioni continue.

• TDMA– Vantaggi: apparato radio comune alla stazione base per gli utenti di una portante, le

trasmissioni discontinue facilitano le procedure (e le misure) di handover e riducono la potenza trasmessa.

– Svantaggi: è richiesta la sincronizzazione, devono essere usate tecniche di equalizzazione per ridurre l’interferenza intersimbolica.

• CDMA– Vantaggi: non c’è un limite rigido al massimo numero di utenti supportabili (la

capacità è limitata dall’interferenza), la sincronizzazione non è richiesta– Svantaggi: elevata complessità del sistema, problema near-far che impone un

controllo di potenza

Page 14: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

14

Tecniche di accesso multiploFDMA/FDD• FDMA : ogni stazione usa una frequenza diversa• FDD (Frequency Division Duplex): trasmettitore e ricevitore mobile operano

contemporaneamente su frequenze diverse, generalmente separate da una banda per evitare interferenze tra trasmissione e ricezione.

• Esempio : AMPSDownlink

824 MHz 849 MHz

Uplink

869 MHz 894 MHz

circuito

TDMA/FDD• Le stazioni usano un canale identificato da una frequenza e da un intervallo di

tempo (timeslot);• Trasmettitore e ricevitore operano su bande di frequenze diverse, ma sullo

stesso time slot.• Esempio GSM

Tecniche di accesso multiplo

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

…………………….. Canale downlink

Frequenza 1

Frequenza 2

Frequenza 124

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

…………………….. Canale uplink

Frequenza 1

Frequenza 2

Frequenza 124

Page 15: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

15

TDMA/TDD• le stazioni utilizzano i time slot per distinguersi nel tempo (TDMA)• TDD (Time Division Duplex): il trasmettitore e il ricevitore utilizzano una sola

frequenza, alternando la direzione di trasmissione e di ricezione.

FDMA/TDDIl sistema FDMA può essere utilizzato anche per la trasmissione digitale. In questo

caso è necessario combinarlo con TDD. Ogni frequenza del FDMA viene divisa in due canali: un canale per la trasmissione eun canale per la ricezione.

Tecniche di accesso multiplo

Frequenza 1

Frequenza 2

Frequenza n

………………

CONFRONTI TRA TDMA E FDMA

Vantaggi TDMA• TDMA presenta costi minori, poiché richiede un numero minore di

trasmettitori e ricevitori nelle stazioni radio base.• TDMA presenta un migliore utilizzo delle bande di frequenza.• TDMA consente il controllo dei segnali in modo più semplice.• TDMA permette in modo più semplice le operazioni di handover.

Vantaggi FDMA• TDMA richiede una maggiore elaborazione deis egnali e quindi una maggiore

complessità del sistema.• TDMA richiede generalmente una maggiore potenza e quindi un consumo

maggiore delle batterie.

Page 16: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

16

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

• Il primo sistema radiomobile cellulare è stato il sistema americano Advanced Mobile Phone System (AMPS), la cui sperimentazione fu effettuata a Chicago a partire dal 1978, quando venne installato un sistema sperimentale.

• Il sistema AMPS è stato standardizzato da EIA (Electronics Industry Association)

• L’AMPS è un sistema nazionale le cui licenze sono state assegnate su base cittadina. Gli obiettivi che tale sistema si proponeva di ottenere erano i seguenti:

• Elevata capacità in termini di numero di abbonati;• Uso efficiente dello spettro;• Possibilità di offrire il servizio a veicoli e stazioni portatili.

Caratteristiche generali• Bande di frequenza da stazione radio base a mobile: 870 - 890 MHz;• Bande di frequenza da stazione mobile a radio base: 825 - 845 MHz;• Spaziatura tra canali: 30 KHz• Numero di canali: 666/832• Copertura di una stazione radio base: 2 - 25 Km• Modulazione: FM ( deviazione di frequenza 12 KHz);

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

Page 17: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

17

Sistemi cellulari di prima generazione

• Sistemi analogici adatti alla trasmissione della voce;• Utilizzano la modulazione di frequenza;• Sistemi sviluppati per la maggior parte su base nazionale e, ad

eccezione di poche e limitate aree geografiche, ha portato all’adozione di tecniche incompatibili e al di fuori di standard comuni. Il terminale mobile può operare soltanto all’interno della propria rete di appartenenza, per cui sia i costruttori di apparecchiature elettroniche, sia i costruttori di rete e di terminali non hanno potuto trarre profitto dalle economie di scala che un mercato più vasto avrebbe consentito di perseguire. Tutto questo ha comportato alti costi nella realizzazione di sistemi mobili cellulari e quindi anche per gli utenti.

Principali svantaggi dei sistemi cellulari di prima generazione

• La possibilità di intercettazione delle chiamate. Tali sistemi cellulari analogici non consentono alcun meccanismo di crittografia, per cui le comunicazioni possono essere facilmente intercettate. Infatti, poiché le comunicazioni sono in chiaro, è sufficiente sintonizzarsi su unafrequenza ed è possibile ascoltare le comunicazioni su tale frequenza.

• Clonazione di un cellulare. Nelle reti cellulari analogiche è relativamente semplice realizzare un clone di un terminale mobile. Nel caso della rete TACS l’identificazione del terminale viene gestita mediante due dati: 1) il numero seriale del terminale; 2) il numero telefonico dell’utente. Nel caso in cui l’utente A riesca a memorizzare nel proprio terminale il numero seriale appartenente al cellulare di un utente B, A ha realizzato un clone del cellulare di B e quindi può far addebitare i costi delle telefonate all’utente B. La clonazione può essere effettuata facilmente perché quando un terminale B inizia una comunicazione, esso deve trasmettere il proprio numero seriale.

Page 18: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

18

Sistemi cellulari di prima generazioneStandard

AMPS/NAMPSNarrow Band Advanced

Mobile System

TACSTotal Access

Communication System

NMTNordic Mobile

Telephone

Banda di frequenza(MHz)

Rx: 896 - 894

Tx: 824 - 849

ETACS:

Rx: 916 – 949; Tx: 871 – 904

NTACS:

Rx: 860 – 870; Tx: 915 – 925

NMT-450:

Rx: 463 – 468; Tx: 453 – 458

NMT-900:

Rx: 935 – 960; Tx: 890 – 915

Tecnica di accessomultiplo FDMA FDMA FDMA

Metodo di duplexing FDD FDD FDD

Numero di canali AMPS: 832

NAMPS: 2496

ETACS: 1240

NTACS: 400

NMT-450: 200

NMT-900: 1999

Separazione dei canali AMPS: 30 KHz

NAMPS: 10 KHz

ETACS: 25 KHz

NTACS: 12.5 KHz

NMT-450: 25 KHz

NMT-900: 12.5 KHzModulazione FM FM FM

Sistemi radiomobili di prima generazione

• Lo sviluppo della tecnologia cellulare analogica è stato perseguito su base nazionale e, ad eccezione di poche e limitate aree geografiche, ha portato all’adozione di tecniche incompatibili e al di fuori di standard comuni.

• Il terminale mobile può operare soltanto all’interno della propria rete di appartenenza.

• La possibilità di intercettazione delle chiamate. Tali sistemi cellulari analogici non consentono alcun meccanismo di crittografia, per cui le comunicazioni possono essere facilmente intercettate. Infatti, poiché le comunicazioni sono in chiaro, è sufficiente sintonizzarsi su una frequenza ed è possibile ascoltare le comunicazioni su tale frequenza.

• Clonazione di un cellulare. Nelle reti cellulari analogiche è relativamente semplice realizzare un clone di un terminale mobile. Nel caso della rete TACS l’identificazione del terminale viene gestita mediante due dati: 1) il numero seriale del terminale; 2) il numero telefonico dell’utente. Nel caso in cui l’utente A riesca a memorizzare nel proprio terminale il numero seriale appartenente al cellulare di un utente B, A ha realizzato un clone del cellulare di un altro B e quindi può far addebitare i costi delle telefonate all’utente B. La clonazione può essere effettuata facilmente perché quando un terminale B inizia una comunicazione, esso deve trasmettere il proprio numero seriale.

Page 19: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

19

Sistemi cellulari di prima generazione

• AMPS (Advanced Mobile Phone System) - Nord America• NMT ( Nordic Mobile Telephone) - Paesi scandinavi• TACS (Total Access Communication System) - Inghilterra

e altri paesi europei tra europei tra cui l’Italia• ETACS (Extended TACS) - Inghilterra e altri paesi

europei tra europei tra cui l’Italia• C450 - Germania• NTT ( Nippon Telephone and Telegraph).

Sistemi cellulari analogici in Italia (1/3)

• Il primo servizio di telefonia radiomobile, denominato RTMI (Radio Telefono Mobile Integrato) fu lanciato in Italia da SIP nel 1973 ed operava nella banda dei 160 MHz con 32 canali bidirezionali. RTMI aveva le seguenti caratteristiche:

– L’utente non poteva essere chiamato direttamente, ma era necessario l’intervento di un operatore telefonico.

– I terminali erano di tipo veicolare e ad ogni stazione mobile veniva assegnata in modo permanente una fissata frequenza.

– La comunicazione cadeva nel passaggio da una cella all’altra (non era prevista nessuna operazione di handover automatica).

• Il sistema incontrò un imprevisto successo, tanto che dopo alcuni anni le frequenze nelle aree metropolitane di Roma e Milano risultarono esaurite.

Page 20: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

20

• Nel 1984 fu attivato da parte di SIP il sistema radiomobile RTMS ( Radio Telephone Mobile System) realizzato da Italtel. Tale sistema operava nella banda dei 450 MHz con 200 canali radio. RMTS presentava numerose innovazioni rispetto al sistema precedente, quali:

– i terminali erano di tipo veicolari o trasportabili

– l’utente poteva essere chiamato direttamente senza passare da unoperatore e la comunicazione non cadeva passando da una cella all’altra.

• Anche RTMS incontrò un notevole successo tanto che nel 1990 si arrivò ad una saturazione del sistema.

Sistemi cellulari analogici in Italia (2/3)

• TACS ( Total Access Communication System): Tale sistema è stato sperimentato inizialmente in Inghilterra e rappresenta una versione modificata del sistema americano AMPS.

• TACS fu scelto da Inghilterra, Irlanda, Italia, Austria e Spagna. Il TACS opera nella banda 890-960 MHz ed ha a disposizione 1000 canali.

• Successivamente è stato sviluppato un’evoluzione di tale standard indicato con la sigla E-TACS (Extended TACS), che utilizza 1300 canali nella banda 872-950 MHz.

Sistemi cellulari analogici in Italia (3/3)

Page 21: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

21

Evoluzione dei sistemi radiomobili

TACS C-450NMT RTMS RS2000 AMPS

POCSAG

BANDA III

CT1CT2

PRIMA GENERAZIONE SECONDA GENERAZIONE

GSMDCS 1800

ERMESPan-European

TETRA

DECT

SISTEMI CELLULARI

PAGING

RADIOMOBILIPRIVATI

CORDLESS

Sistemi cellulari di seconda generazionePrincipali caratteristiche

• Sistemi digitali;• Utilizzano prevalentemente TDMA;• Hanno una struttura cellulare;• I diversi standard sono incompatibili tra loro. Soltanto la Comunità Europea ha

adottato una strategia di sviluppare sistemi europei;• Sono stati progettati per la trasmissione della voce, mentre alcuni prevedono la

trasmissione dei dati a bassa velocità;• Principali sistemi cellulari di seconda generazione:

– GSM (Global System for Mobile Communications) e DCS (DigitalCommunication System) 1800: Europa, utilizza FDMA e TDMA;

– PDC (Personal Digital Cellular): Giappone, utilizza TDMA;– IS - 54 e IS - 136: Nord America, utilizza FDMA;– IS - 95: Nord America, utilizza CDMA.

Page 22: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

22

Architettura delle reti mobili di seconda generazione

PSTN / ISDN

• • • • • • • • • •MSC MSC

BSSBSS BSS BSS• • • • • •

GSM• Il CEPT (Conference Européenne de Postal et Tèlécommunications) costituì nel 1982 il

Groupe Speciale Mobile (da cui deriva il nome GSM) col compito di sviluppare uno standard pan-europeo per le comunicazioni cellulari.

• Attualmente l'acronimo GSM viene utilizzato per Global System for Mobile Communications, dove si è voluto utilizzare il termine globale a causa dell'adozione di questo standard in ogni continente del globo.

• Nel 1985 dopo numerose discussioni il gruppo ha deciso di implementare un sistema basato sulla tecnologia digitale.

• Dopo numerose sperimentazioni fu deciso nel 1987 di adottare narrowband TDMA:• Nello stesso periodo le prime 13 nazioni firmarono il MoU (Memorandum of Understanding),

impegnandosi a rispettare le specifiche e promettendo di avere il primo sistema basato sullo standard GSM operativo entro il 1° luglio 1991.

• Il corpo dello standard era costituito inizialmente da poco più di cento raccomandazioni alla cui stesura hanno collaborato PTT, centri di ricerca ed aziende manifatturiere di tutta Europa e rappresenta uno dei progetti più ambiziosi degli ultimi dieci anni dell'European Telecommunications Standard Institute (ETSI), il quale ha il mandato CEE per l'unificazione normativa in Europa nel settore delle telecomunicazioni e che nel 1990 pubblicò la Fase Idelle specifiche del sistema GSM.

• I primi servizi commerciali furono lanciati a metà del 1991, e nel 1993 erano già operativi 36 network GSM in 22 paesi.

Page 23: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

23

Faso dello sviluppo del GSM

• Fase 1 Completata nel 1990

• Phase 2 Completata nel 1994

• Phase 2+ In fase di standardizzazione

Caratteristiche generali del GSM• La rete radio mobile GSM costituisce il primo sistema standardizzato ad usare

una tecnica di trasmissione numerica per il canale radio• Lo standard GSM definisce una serie di miglioramenti e innovazioni rispetto alle

reti radio cellulari esistenti, quali:• un uso efficiente dello spettro delle radio frequenze (RF), • sicurezza della trasmissione• miglioramento della qualità delle conversazioni, alla riduzione dei costi dei

terminali, delle infrastrutture e della gestione• nuovi servizi, quali la trasmissione dati, il servizio fax e il servizio brevi messaggi

(SMS - Short Message System)• piena compatibilità con la rete ISDN (Integrated Services Digital Network) e con

altre reti di trasmissione dati. • Consente il roaming (mobilità), ossia la possibilità offerta all'utente mobile di

accedere ai servizi GSM anche quando si trova fisicamente al di fuori dell'area di copertura della propria rete di sottoscrizione, registrandosi come utente visitatore. Il Roaming è completamente automatico all'interno di tutte le nazioni coperte dal sistema GSM previo accordo tra gli operatori.

Page 24: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

24

Struttura generale del GSM

BTS

MS

Um

BTS

BTSBSC

Base Station Subsystem (BSS)

A-bisA

BTS: Base Transceiver StationBSC: Base Station ControllerHLR: Home Location RegisterVLR: Visited Location RegisterOMC: Operation & Maintenance CentreEIR: Equipment Identity RegisterAUC: Authentication Centre

MobileServicesSwitchingCentre(MSC)

HLREIR VLR OMC

AUC

F

H G

BC

Altre MSCs

E

PSTNISDNCSPDN PSPDN

Altri VLRs

Altre BSSs

D

Sottosistema di rete

Mobile Station (MS)

• La mobile station (MS) rappresenta la stazionemobile con la quale un utente può usufruire dei servizi offerti dal GSM.

• Consiste di un terminale mobile (Mobile Equipment, ME) e di una smart-card intelligente, detta SIM (Subscriber Identity Module).

• La SIM permette ad un utente di caratterizzarecome proprio un qualsiasi terminale mobile GSM.

Page 25: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

25

SIM card

• La SIM card contiene una memoria nella quale vengono memorizzate diverse informazioni, e un processore in grado di eseguire alcuni algoritmi di cifratura(Encryption algorithms).

Sim chip

SIM card• La SIM card contiene le seguenti informazioni (obbligatorie):

– IC card identification: codice seriale identificativo della SIM;– SIM service table: indica i servizi opzionali disponibili nella SIM;– International Mobile Subscriber Identity (IMSI);– Location information: Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), Location Area

Information (LAI), valore corrente del Periodic Location Updating Timer (T3212) e del Location update status;

– Individual subscribers authentication key (Ki)– Chiave di crittografia (Kc) e cipher key sequence number;– Ciphering key generating algorithm (A8)– Authentication algorithm (A3)– Informazioni BCCH: lista delle portanti che è possibile utilizzare per il cell-

reselection;– Access control class– HPLMN search period: timer di ricerca della propria rete quando si fa il roaming;– Language preference: linguaggio preferenziale;– Phase della SIM;– Personal Identity Number (PIN);– Indicatore PIN attivo/disattivo;– PIN Unblocking Key (PUK);

Page 26: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

26

SIM card

• Ed inoltre può contenere le seguenti informazioni opzionali:– PLMN selector: Selezione automatica dell'operatore di rete;– Lista dei canali di Cell Broadcast selezionati;– Abbreviated Dialling Numbers: lista numeri brevi;– Fixed Dialling Numbers: lista soli numeri chiamabili;– MSISDN number: numero MSISDN dell'abbonato;– Last numbers dialled: lista ultimi numeri chiamati;– Short messages: lista messaggi SMS ricevuti ed inviati;– Rubrica telefonica dell'abbonato– Contatori relativi al servizio di Advice of Charge– Personal Identity Number 2 (PIN2);– Contatore errori di digitazione PIN2;– PIN Unblocking Key 2 (PUK2);– Contatore errori di digitazione PUK2;

Mobile Equipment (ME)• Le principali funzioni che il terminale radiomobile deve

svolgere sono le seguenti:– trasmissione e ricezione radio– selezione della cella migliore (cella servente), in termini di qualità

di conversazione, sulla quale accamparsi– registrazione nell'area di localizzazione– misure trasmissive sul canale radio utilizzato e sui canali adiacenti– controllo della potenza in trasmissione– esecuzione dell'handover– dichiarazione del proprio IMEI– interfaccia uomo/macchina (display e tastiera)– autenticazione e cifratura delle conversazioni

Page 27: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

27

Classificazione dei terminali mobili• I terminali mobili possono

essere classificati in base alla potenza di trasmissione in tre categorie:– Dispositivi veicolari– Terminali trasportabili– Terminali palmari

• I cellulari moderni appartengono alla classe 4

Classi di potenza per i terminali mobili

Le stazioni radio base sono divise in 8 categorie in base alla potenza da 2,5 W a 320 W a passi di 3 dB

Classe Potenzamassima

Tipo

1 20 W (43 dBm) Veicolare2 8 W (39 dBm) Portatile3 5 W (37 dBm) Palmare4 2 W (33 dBm) Palmare5 0,8 W (29 dBm) Palmare

Controllo dinamico della potenza

• Per minimizzare le interferenze tra canali attigui, sia il terminale mobile sia la stazione BTS operano al valore minimo di potenza assicurando un valore accettabile del livello di segnale ricevuto.

• La potenza di emissione sul canale radio può variare in modo dinamico su 32 livellidal valore massimo a un valore minimo di 5 dBm a passi di 2 dB.

• La MS misura l’intensità e la qualità del segnale ricevutoe trasferisce queste informazioni alla BTS.

• La BTS trasmette alla MS la massima potenza che può utilizzare nella trasmissione.

• Le misure sul canale radio sono effettuate durante i processi di handover e power control. La misura è effettuata sulla multitrama SACCH. I risultati di questa misura sono due indici:

– RxLev che misura la potenza del segnale ricevuto– RxQual che misura la qualità del segnale rficevuto

Page 28: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

28

Base Station Subsystem (BSS)

• Il sottosistema BSS (Base Station Subsystem) si occupa della parte radio del sistema e di conseguenza comprende le unità funzionali che consentono di fornire la copertura radio di un'area costituita da una o più celle.

• La stazione base è composta di due unità: unaBase Transceiver Station (BTS) e una Base Station Controller (BSC).

Base Transceiver Station (BTS)• Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita

dall'insieme dei transceiver (ricetrasmettitori) e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella. Le principali funzioni sono:– Frequency Hopping.– Discontinuous Transmission (DTX).– Dynamic Power Control (DPC).– Antenna Diversity.– Gestione degli algoritmi di cifratura.– Monitoraggio della connessione radio mediante misurazioni

sulla qualità dei canali di segnalazione e traffico ed inoltro di queste al BSC affinchè le elabori e prenda le necessarie decisioni.

Page 29: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

29

Base Transceiver Station (BTS)

• Antenne omnidirezionali a basso guadagno:

• La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e una per trasmettere) di tipo omnidirezionali. La BTS si trova quindi al centro della cella che irradia. Questa soluzioneè usata per "coprire" zone a bassa intensità di traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.

• Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno):– Per diminuire il numero di siti (costi) si può suddividere una

cella in un certo numero di settori, ognuno dei quali è "illuminato" da una antenna direttiva (o pannello. Ogni settore può così essere considerato come una nuova cella.

Base Transceiver Station (BTS)

bicella clover

Page 30: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

30

Base Station Controller (BSC)

• Le BTS hanno compiti meramente esecutivi. Il BSC ha il compito di controllare il funzionamento di 1 o più BTS. I principali compiti sono:– Assegnazione canali in ogni cella– Instaurazione e rilascio delle connessioni tra le 2

interfacce (con MSC e BTS)– Analisi delle misure inviate da MS e BTS per prendere

decisioni sulle risorse radio, quali aumento/diminuzione di potenza o comandare handover

– Gestione dei canali PCM a 64 kbit/s che interconnettono BTS e BCS

Base Station Controller (BSC)

• La connessione BTS-BSC è assicurata da una linea dedicata PCM a 2,048 Mbit/s che mette a disposizione 32 canali a 64 kbps.

Page 31: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

31

Network Subsystem (NS)

• Il componente principale è il Mobile Switching Center (MSC), che è un commutatore che deve gestire la mobilità

• Per gestire la mobilità degli utenti esso deve scambiare continuamente informazioni il Visitor Location Register (VLR), che memorizza, temporaneamente, le informazioni relative alle MS che si trovano in quell'area (identità dell'utenteIMEI, numero telefonico MSISDN, parametri di autenticazione, ecc.).

Network Subsystem (NS)

Page 32: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

32

• Il principale compito dell’MSC è di instaurare (call setup comprendente anche la procedura di autenticazione), controllare, tassare le chiamate da/verso le MS presenti nell'area geografica da esso servita.

• In più esegue tutti quei compiti essenziali per gestire un utentemobile come: la gestione della mobilità e l'instradamento delle chiamate.

• L'MSC fornisce la connessione con le reti fisse: Public State Telephone Network (PSTN), Integrated Services Digital Network (ISDN), rete dati a commutazione di pacchetto(PSPDN, Packet Switched Public Data Network) o di circuito(CSPDN, Circuit Switched Public Data Network).

Mobile Switching Center (MSC)

• Tutte le chiamate originate presso le reti fisse o quelle mobili di altri gestori e dirette ad un network GSM sono dapprima inoltrate ad un particolare MSC, detto Gateway MSC (GMSC), che costituisce il punto di accesso allaPLMN GSM (Public Land Mobile Network) a cui appartiene l'utente mobile chiamato.

• Il GMSC interroga il registro HLR dell'abbonato, che a sua volta interroga il corretto registro VLR, e quindi instradala chiamata verso il centro MSC che controlla la zona nella quale si trova l'abbonato.

Gateway Mobile Switching Center (GMSC)

Page 33: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

33

Home Location Register (HLR)• I principali dati d'utente memorizzati nell'HLR sono:

– International Mobile Subscriber Identity (IMSI), che identifica univocamente l'abbonato all'interno di una qualunque rete GSM e che è contenuto anche all'interno della SIM card;

– Mobile Station ISDN Number (MSISDN), che identifica univocamente un abbonato nel piano di numerazione della rete telefonica commutata pubblica internazionale. Possono essere più d'uno in funzione dei servizi sottoscritti (ad esempio si possono avere numeri distinti per voce, dati e fax);

– Tipo e stato dei servizi supplementari e dei servizi sottoscritti dall'abbonato a cui gli è consentito accedere(voce, servizio dati, SMS);

– VLR number, per conoscere il VLR in cui è correntemente registrata la MS.

Visitor Location Register (VLR)

• Il registro VLR contiene e mantiene aggiornate le informazioni relative alle MS che sono presenti, temporaneamente, nell'area da esso servita.

• Quando una MS entra nell'area coperta da un nuovo MSC/VLR, viene inserito nel registro dei visitatori (VLR) di quel MSC e contemporaneamente il registro generale degli utenti (HLR) viene aggiornato per tenere conto della nuova posizione geografica del terminale.

Page 34: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

34

Visitor Location Register (VLR)• Principali dati d'utente memorizzati nel VLR sono:

– IMSI, MSISDN, MSRN e parametri di sicurezza;– HLR number, per poter identificare il proprio HLR;– Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), usato per

garantire la sicurezza del IMSI, viene assegnato ogni volta che si cambia Location Area (LA);

– Stato della MS (spenta, non raggiungibile, ecc.), categoria(operatore, utente ordinario, chiamata di test) ed eventuale priorità;

– Tipi e stato dei servizi sottoscritti dall'abbonato a cui gli èconsentito accedere (voce, servizio dati, fax, SMS, ecc.), detti bearer e teleservices services;

– Location Area Identity (LAI) in cui si trova la MS all'interno di quelle sotto il controllo del MSC/VLR.

Authentication Center (AuC)

• L'AuC è l'unità funzionale del sistema GSM incaricata di generare i parametri necessari per l'autenticazione degli utenti.

• Fornisce sia i codici per l'autenticazione che per la cifratura, per garantire tanto l'abbonato quanto l'operatore di rete da violazioni indesiderate del sistema da parte di terzi.

• L'AuC contiene: il codice IMSI, la chiave di autenticazione (Ki), il codice TMSI corrente e il codice LAI corrente, usati per autenticare e codificare i canali radio, oltre ad un generatore di numeri casuali (RAND), agli algoritmi A3 e A8.

• L'autenticazione viene sempre effettuata ogni volta che la MS sicollega al network: quando riceve o effettua una chiamata, alla scadenza dei location update periodici, alla richiesta di attivazione, disattivazione o interrogazione dei servizi supplementari.

Page 35: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

35

Sistema Stazione radio base

Il sistema BSS ( Base Station Subsystem) consente di fornire la copertura radio di un’area costituita da una o più celle. Esso è costituito da due elementi:4 BTS ( Base Transceiver Station): che gestisce la trasmissione con i terminali mobili

e contiene i transceiver per le celle. In una grande area urbana esiste generalmente un numero elevato di BTS.

4 BSC ( Base Station Controller): gestisce le risorse radio per una o più BTS; in particolare:4 setup dei canali radio;4 frequency hopping;4 handover;4 collegamento tra stazione mobile e MSC.

4 L’interfaccia di comunicazione tra BTS e BSC è detta A-bis ed è stata standardizzata. In questo modo non esistono vincoli di soluzioni proprietarie e si possono utilizzare prodotti di fornitori diversi.

BTS

BSCBTS

BTS

A-bis

Sottosistema di rete (NS) (1/2)Il sottosistema di rete (NS Network Subsystem) fornisce diversi servizi. Esso rappresenta

l’elemento principale della rete GSM e quindi deve comprendere tra le altre funzionalità gli elementi per la commutazione. Il territorio geografico è diviso in aree di servizio. I principali elementi che lo compongono sono:

4 MSC ( Mobile services Switching Center): che si comporta come un commutatore in una rete telefonica. Ogni area di servizio ha una MSC. Svolge in particolare i seguenti servizi:

4 registrazione;4autenticazione;4aggiornamento della posizione;4handover;4 instradamento della chiamata;4 roaming4 fornisce la connessione alle reti fisse ( PSTN, ISDN, reti pubbliche a

commutazione di pacchetto,..).4 GMSC ( Gateway Mobile Switching Center): gestisce tutte le chiamate generate da reti

fisse o da reti mobili di un altro gestore verso gli utenti mobili appartenenti all’area considerata. Il GMSC interroga il registro HLR dell’abbonato, che a sua volta interroga il corretto registro VLR e quindi instrada la chiamata verso il centro MSC che controlla la zona nel quale si trova l’abbonato.

Page 36: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

36

4 HLR ( Home Location Register): in cui sono memorizzati in modo permanente sia i dati di abbonamento degli utenti ( statici), sia dei servizi richiesti dall’utente ( dinamici). Può essere unico per tutti gli utenti di un gestore oppure distribuito sul territorio.

4 VLR ( Visitor Location Register): memorizza i dati relativi agli utenti che si trovano le informazioni relative ai terminali mobili presenti attualmente nell’area considerata. Quando una MS entra nell’area di copertura di una nuova MSC, l’utente viene inserito nel registro VLR della MSC e contemporaneamente viene aggiornato il registro HLR per tenere conto della posizione geografica dell’utente.

4 AuC ( Authentication Center): genera i parametri necessari per l’autenticazione degli utenti. L’autenticazione viene effettuata tutte le volte che la MS si collega alla rete ( chiama o riceve una chiamata, richiesta attivazione, disattivazione o attivazione di servizi supplementari,..).

4 EIR (Equipment Identity Register):Ogni apparato mobile è identificato da un codice IMEI ( International Mobile Equipment Identity), che identifica in modo unico il ME; tale numero è cablato nel ME in modo sicuro dal costruttore ed è indipendente dall’utente.

4 OMC ( Operation and Maintenace Center): effettua il controllo e il monitoraggio degli elementi componenti della rete GSM.

4 NMC (Network Managmegment Center): coordina e gestisce tutti gli OMC.

Sottosistema di rete (NS) (2/2)

Interfacce nel GSM

Page 37: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

37

Interfacce del sistema GSM• Le raccomandazioni GSM hanno definito diverse interfacce per permettere la comunicazione tra le varie entità del

sistema. Ad esse corrispondono protocolli diversi o porzioni specifiche di protocolli generali. Di seguito sono brevemente spiegate le loro principali caratteristiche.

• Um L'interfaccia radio (air-interface) é utilizzata per trasportare la comunicazione tra MS e BTS.• A-bis E' l'interfaccia interna alla BSS che consente la comunicazione tra BTS e BSC. L'interfaccia Abis

permette il controllo e l'allocazione delle frequenze radio nelle BST.• A L'interfaccia A é posta tra BSS e MSC; gestisce l'allocazione delle risorse radio alle MS e la loro

mobilità.• B L'interfaccia B é posta tra MSC e VLR ed utilizza il protocollo MAP/B. Generalmente l'MSC

contiene al suo interno il VLR, così questa diventa un'interfaccia ``interna''. Quando un MSC ha bisogno di informazioni sulla posizione di un MS, interroga il VLR usando il protocollo MAP/B sull'interfaccia B.

• C L'interfaccia C é posta tra HLR e G-MSC o G-SMS. Ogni chiamata originata al di fuori della rete GSM e diretta ad un MS (ad esempio una chiamata dalla rete fissa PSTN) deve necessariamente passare dal Gateway per ottenere le informazioni sull'instradamento e completare la chiamata; il protocollo MAP/C sull'interfaccia C svolge proprio questa funzione. Inoltre, l'MSC può opzionalmente trasferire delle informazioni all'HLR sui costi delle chiamate effettuate.

• D L'interfaccia D é posta tra VLR e HLR; utilizza il protocollo MAP/D per scambiare informazioni riguardanti la posizione o la gestione di un MS.

• E L'interfaccia E interconnette due MSC; permette di scambiare i dati riguardanti gli handover tra usando il protocollo MAP/E.

• F L'interfaccia F interconnette un MSC con l'EIR; utilizza il protocollo MAP/F per verificare lo stato dell'IMEI di un MS.

• G L'interfaccia G interconnette due VLR di due MSC differenti e utilizza il protocollo MAP/G per trasferire le informazioni di un MS, ad esempio durante una procedura di location update.

• H L'interfaccia H é posta tra un MSC e il G-SMS; usa il protocollo MAP/H per trasferire i brevi messaggi di testo (SMS).

• I L'interfaccia I interconnette un MSC direttamente con un MS. I messaggi scambiati attraverso questa interfaccia sono trasparenti alle BSS.

• O L'interfaccia O interconnette una BSC/BTS con l'OMC.

Frequenze per il GSM

Uplink 890 – 915 MHz : Larghezza di banda 25 MHzDownlink 935 – 960 MHz : Larghezza di banda 25 MHz

uplink

downlink

100 KHz 200 KHz 100 KHz

1 43 1242 …………….25 MHz

Le bande di frequenze assegnate sono divise in frequenze portanti o canali. Ogni canale ha assegnata una banda di 200 KHz. In questo modo si hanno 124 possibili canali.All’interno di una nazione le frequenze portanti sono suddivise tra i diversi operatori, sia GSM, sia di altri sistemi radiomobili analogici che eventualmente operano nella stessa banda.ETSI ha assegnato altri 10 MHz per le richieste crescenti di banda ( Extended GSM), per cui si hanno 175 portanti.

Page 38: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

38

Multiplazione FDMA/TDMA nel GSM

• Ogni singola portante utilizza una tecnica TDMA per multiplare gli utenti;• Ogni portante ha 8 timeslot multiplati nel tempo ( ogni time slot ha una durata

di 4,616 ms).• L’insieme di 8 timeslot prende il nome di trama o frame;

• Il numero totale di canali è quindi 992 = 124 x 8.• I canali (992) del GSM si dividono in due classi:8 canali di traffico (TCH Traffic CHannel): servono a trasportare la voce

codificata o i dati;8 canali controllo (CCH Control Channel): che servono a trasportare i

segnali di controllo, di gestione e per il sincronimso tra la stazione mobile e la stazione radio base.

0 54321 76

1 TDMA frame = 8 timeslots (4.615 ms)

Canali di traffico nel GSM

• I canali di traffico possono trasportare voce e dati. Si distinguono:4 canali di traffico full rate (TCH/F) : 22,8 Kb/s ;4 canali di traffico hal rate (TCH/H): 11,4 Kb/s.

h CANALI FONICI. Sono definiti sia per full sia half rate.h CANALI DATI. Sono definite varie velocità da 300 b/s a 9,6 Kb/s sia su half

sia su full rate canali. La velocità di 9,6 Kb/s può essere utilizzata soltanto su un canale full rate.

Page 39: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

39

Canali di controllo

Downlink UplinkBroadcast Control Channels• Frequency Correction - FCCH• Synchronization – SCH• Broadcast - BCCH

Common Control Channels• Access Grant - AGCH• Paging - PCH

Common Control Channels• Random Access - RACH

Dedicated Control Channels• Stand – alone Dedicated - SDCCH• Slow Associated – SACCH• Fast Associated - FACCH

I canali logici

Page 40: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

40

I canali di traffico• Canali che trasportano la voce ed eventuali

dati• Si distinguono in

– Full rate channels: velocità lorda di 22.8 Kb/s (dopo aggiunta di ridondanza per correzione di errori)

– Half rate channels: velocità lorda di 11.4 Kb/2

I canali di controllo CCH

• Sono usati per trasportare segnalazione di vario tipo (esistono 14 diversi tipi di segnali di controllo!!!)

• Le categorie di CCH sono– Broadcast Channels (BCH) – informazioni di interesse

generale nella tratta downlink– Common Control Channels (CCCH) – informazioni

relative ad una connessione in fase preliminare (sono condivisi tra più connessioni)

– Dedicated Control Channels (DCCH) – informazioni di segnalazione specifiche di una connessione

Page 41: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

41

Canali di controllo (1/2)4 Broadcast channels: sono canali che trasportano informazioni di interesse generale.

Sono trasmessi sul canale downlink ( dal BTS a MS).– Broadcast Control CHannel (BCCH). Trasporta in ciascuna cella informazioni rivolte a

tutti gli utenti servita dalla BTS:4 trasmesso continuamente;4 184 byte, che contengono numerosi parametri (identità della cella, codice dell’area locale, operatore di

rete, parametri per il frequency hopping,..);

4 Frequency Correction CHannel (FCCH) e Synchronization CHannel (SCCH): 4 FCCH trasporta informazioni per la MS relative alla correzione di frequenza;4 SCH trasporta informazione necessaria per la sincronizzazione della stazione mobile.

4 Common Control Channels (CCCH): canali che trasmettono informazioni di controllo relative ad una data connessione. 4 Paging Channel (PCH): è usato dalla BTS per segnalare ad un terminale mobile l’arrivo di

una chiamata.4 Random Access Channel (RACH): canale di uplink ( verso BTS), viene utilizzato dalla MS

per chiedere l’accesso alla rete e per rispondere alle richieste della rete ( es. location update).4 Access Grant CHannel (AGCC):canale di downlink utilizzato per allocare il canale richiesto

da un MS mediante il canale RACH.

• Dedicated Control CHannel (DCCH): sono canali assegnati ad una connessione per lo scambio di informazione di segnalazione.4 Slow Associated Control Channel ( SACCH): trasporta l’informazione di segnalazione tra

MS e rete:4 Nella direzione downlink trasporta:

4 I messaggi SMS recapitati durante una chiamata.4 Le informazioni sulle misure effettuate dalla BTS ( Livello di potenza, avanzamento di timing,..).

4 Nella direzione uplink trasporta:4 le misurazioni effettuata dalla MS (Livello ricevuto) necessarie per il controllo del link.

4 Fast Associated Control Channel ( FACCH): utilizzato per trasmettere segnalazioni critiche che non possono essere inserite nel canale SACCH ( ad esempio una segnalazione di handover).

4 Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH): è utilizzato per trasportare i messaggi SMS in fase di standby e per lo scambio delle segnalazioni durante le fasi di identificazione, registrazione, location update e di call setup.

Canali di controllo (2/2)

Page 42: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

42

Frequency Hopping

• Il salto di frequenza ( frequency hopping) consednte di trasmettere messaggi successivi di una stessa comunicazione su frequenze portanti diverse mantenendo lo stesso time slot assegnato alla comunicazione.

• Il frequency hopping viene adottato per combattere disturbi sul canale di comunicazione, quali fading, cammini multipli e battimenti che generalmente sono selettivi in frequenza.

• L’algoritmo FH è trasmesso sul canale BCCH (Broadcast Control Channel) trasportato sullo slot 0.

DCS 1800• DCS 1800 (Digital Communication System 1800 MHz) fornisce tutti i servizi

del GSM;• La rete DCS 1800 è la stessa della rete GSM e le apparecchiature utilizzate per

il GSM possono essere utilizzate anche per il DCS 1800, sono necessarie soltanto alcune modifiche nelle apparecchiature RF.

• DCS 1800 differisce dal GSM per i seguenti fattori:4 Maggiore capacità: 374 canali in confronto a 124 canali del GSM;4 supporta terminali con una potenza più piccola rispetto ai terminali GSM; infatti i

terminali DCS 1800 operano a potenze inferiori a 1 W;4 celle più piccole rispetto a quelle del GSM.

• Frequenze assegnate al sistema DCS 1800:• uplink 1710 - 1785 MHz (75 MHz)

• downlink 1805 - 1880 MHz (75 MHz)

Page 43: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

43

Gestione della mobilità

• Le celle sono raggruppate in aree, dette aree di localizzazione (Location Area), identificate in modo univoco da un numero LAI (Local Area Identify).

• Quando viene effettuata una chiamata verso un terminale mobile, viene inviato un messaggio attraverso il canale di paging (PCH Paging CHannel) verso tutte le celle dell’area in cui il mobile è attualmente localizzato.

• Ogni BTS trasmette su un apposito canale (BCCH) un messaggio che contiene il proprio codice LAI dell’area a cui appartiene la cella. Quando una MS attraversa il confine tra due aree di localizzazione, riceve un LAI diverso dal precedente, per cui deve informare la rete della sua nuova posizione.

IS - 54 e IS - 136

• L’evoluzione dei sistemi cellulari dalla prima alla seconda generazione nel Nord America hanno avuto una vicenda diversa rispetto all’Europa e al Giappone. Infatti USA, Canada e Messico avevano un’interfaccia aria comune, per cui non era necessario sostituire i sistemi di prima generazione e in particolare il sistema AMPS. Per questo motivo i sistemi di seconda generazione hanno cercato di mantenere una compatibilità con AMPS.

• IS-54 (D-AMPS : Digital AMPS): utilizza una tecnica TDMA. – IS-54 utilizza la stessa suddivisione in canali di AMPS ( 30 KHz)– Ciascun canale AMPS viene utilizzato per trasmettere tre segnali numerici TDMA a 8 kb/s

ottenuta campionando la voce.– Utilizza una modulazione DQPSK ottenendo rispetto a GSM una migliore efficienza spettrale

(guadagno di circa 20%).

Page 44: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

44

IS - 95

• Il sistema è stato inizialmente proposto da Qualcomm;• Utilizza una tecnica di accesso multiplo CDMA;• Ciascun canale utilizza una banda di 1,8 MHz ( 1,25 MHz per canali con due

spazi di guardia agli estremi di 275 KHz).• Ogni canale puà accettare 25-40 chiamate contemporaneamente In questo

modo 10 canali CDMA supportano circa 250-400 chiamate. Al contrario il sistema AMPS accettava circa 175 chiamate per cella.

JDC ( Japonese Digital Cellular)

• JDC è stato sviluppato per sostituire i tre sistemi cellulari analogici che attivi in Giappone.

• La struttura base di JDC è molto simile al sistema IS-54 americano e al GSM: infatti utilizza una tecnica di accesso multiplo TDMA

• Utilizza come frequenza le 800 MHz e 1,5 GHz.• La modulazione è di tipo л/4 QPSK• La voce viene codificata a 11,2 Kb/s.

Page 45: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

45

Confronto tra i Sistemi cellulari di seconda generazione

Sistema GSM/DCS-1800 IS-54/136 PDC IS-95

Regione Europa Nord America Giappone Nord AmericaBanda di frequenza

(MHz)900/1800 800/1900 700/1500 800-1900

Accesso multiplo FDMA/TDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA FDMA/CDMASeparazione portanti

(KHz)200 30 25 1250

Modulazione GMSK ΟQPSK ΟQPSK BPSK/QPSK

flusso binario voce(Kbit/s)

VSELP (HR-5.6)RPE-LTP (FR-13)

ACELP (EFR-12.2)

VSELP (FR-7.95)ACELP (EFR-7.4)

PSI-CELP (HR-3.45)

VSELP (FR-6.7)

QCELP (8,4,2,1)RCELP (EVRC)

Durata della trama(ms)

4.6 40 20 20

Codifica di canale Code rate 1/2 Code rate 1/2 Code rate 1/2 Code rate 1/2 o1/3

WAP (Wireless Application Protocol)• Un problema molto importante, dato il successo dei sistemi mobili, è l’integrazione

delle due più importanti risorse tecnologiche del momento: Internet e le comunicazioni mobili per consentire servizi in qualunque istante e posizione.

• L’accesso a Internet mediante sistemi radiomobili pone una serie di problematiche per diversi fattori:

– le basse velocità di trasmissione dei sistemi cellulari;– le prestazioni più scadenti;– le dimensioni limitate dei display ( non a colori) e le scarse capacità di

elaborazione, insieme con le ridotte dimensioni delle memorie, del cellulare..• Il GSM consente la navigazione mediante SMS; tuttavia la navigazione è piuttosto lenta

e costosa poiché ogni singolo messaggio consente di veicolare una quantità minima di dati (160 carattericioè 140 byte). Può essere utilizzato solo per limitate informazioni. Lo sviluppo di sistemi adatti a consentire l’accesso a Internet mediante cellulari ha avuto nel 1995, quando Unwired Planet (ora Phone.com) realizzò un nuovo linguaggio di markup, l’HDML (HanDheld Markup Language) ed un protocollo di trasporto, l’HDTP (HanDheld Device Transport Protocol) adatti ai sistemi mobili.

• Vennero successivamente creati altri protocolli adatti ad essere utilizzati per la navigazione ipertestuale da terminali mobili ma mancava ancora un linguaggio che fosse supportato universalmente, come ad esempio l’HTML utilizzato nei browser standard, e mancavano protocolli di trasporto che potessero dialogare con detti terminali ma anche con i tradizionali server del Web.

Page 46: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

46

WAP• Il WAP, come abbiamo già detto, è stato progettato per funzionare sugli

apparati wireless, in particolare i telefoni cellulari, indipendentemente dal sistema radiomobile utilizzato (GSM, IS, CDMA, ecc.).

• La navigazione WAP è simile a quella “tradizionale effettuata con il PC. Dopo aver effettuato la connessione è possibile visualizzare direttamente sul display del proprio telefonino qualunque sito WAP.

• il WAP si basa sul servizio di trasmissione di ipertesti WWW utilizzato su Internet, ma presenta alcune ottimizzazioni per sopperire alla scarsa potenza elaborativi dei dispositivi, come telefonini o PDA, alle piccole dimensioni dei loro display e alla ridotta ampiezza di banda.

• Esiste, comunque, compatibilità tra queste due tecnologie (WAP eWEB) poiché entrambe utilizzano il protocollo http.

WAP Forum• WAP Forum è stato fondato nel giugno 1997 da parte di alcune fra le più grandi

multinazionali mondiali nel campo delle telecomunicazioni (come Nokia, Ericsson, Motorola, Phone.com,..) .

• Lo scopo di WAP Forum è quello di fornire l’accesso alla rete Internet e ai suoi servizi da terminali mobili ed altri dispositivi wireless;

– creare un protocollo universale che potesse funzionare utilizzando diverse tecnologie di rete mobile;

– favorire la creazione di nuovi servizi distribuibili a diversi tipi di apparecchi e su distinte tecnologie di rete.

• Attualmente aderiscono a WAP Forum oltre 400 aziende.• I lavori del WAP FORUM hanno portato al rilascio della suite WAP versione 1.0, nel

maggio 1998, 1.1 nel giugno 1999 e della 1.2 nell’ottobre 2000. La suite include:– il linguaggio WML (Wireless Markup Language) derivato dal linguaggio HTML

(Hypertext Markup Language), solitamente utilizzato nel Web.• Il WML è un linguaggio relativamente semplice, è compatibile con i server Web attuali,

richiede ridotte capacità di memoria sul cellulare ed è efficiente per quanto riguarda lo sfruttamento della ridotta banda radio disponibile.

Page 47: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

47

Modello WWW

\

Modello WAP• Il modello su cui sia basa WAP è molto simile a quello del WWW.• il "wap gateway" ha funzioni ben diverse da un normale web gateway: si occupa infatti

di tradurre in WML i documenti richiesti dal client, ove questi fossero di tipo HTML, ordinarli in schede e pacchetti (cards e decks), compattarli in binario e inviarli al telefonino che ne ha fatto richiesta.

Page 48: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

48

Evoluzione della seconda generazione di reti cellulari

• La crescita di Internet e dei relativi servizi ha determinato la necessità di realizzare reti mobili in grado di trasmettere dati e di consentire la connessione a Internet anche attraverso un cellulare oppure un PDA.

• Per consentire questi servizi è necessario realizzare reti con velocità maggiori rispetto a quelle possibili con le reti cellulari di seconda generazione.

Evoluzione temporale:• 2G+ : in cui saranno sviluppate modifiche dei sistemi attuali (GSM, PDC, IS-

136) per consentire sia di aumentare la velocità, sia di realizzare trasmissioni di traffico IP ( e quindi a commutazione di pacchetto).

• 3G: saranno operativi sistemi mobili ad alta velocità (UMTS, IMT-2000), che consentiranno alte velocità(2 Mb/s).

• 4G: ancora in fase di definizione; consentirà alte velocità di trasmissione (oltre 2 Mb/s).

Evoluzione del GSM

• GSM classico : commutazione di circuito, velocità fino a 9,6 Kb/s• HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) : servizio a

commutazione di circuito - operativo dal 1999 velocità di 57,6 Kb/s• GPRS (General Packet Radio Service): servizio a commutazione di

circuito, operativo dal 2000 - velocità di 171,2 Kb/s ( nella realtà circa 114 Kb/s);

• EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) : servizio a commutazione di circuito, operativo dal 2002 - velocità fino a 384 Kb/s;

• UMTS o INT - 2000 ( terza generazione - 3G): velocità fino a 2 Mb/s.

Page 49: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

49

HSCSD(High Speed Circuit Switched Data)

• HSCSD rappresenta un’evoluzione del GSM, in cui è possibile utilizzare diversi circuiti ( o time slot) del GSM insieme fino a un massimo di 4 timeslot.

• HSCD è una tecnica a commutazione di circuito,standardizzata da ETSI.

• Ogni canale consente una velocità di 14,4 Kb/s, per cui HSCSD consente una velocità di 57,6 Kb/s sulla tratta radio e quindi una velocità paragonabile a quella di ISDN).

ReteGSM

ReteCommutazione

dipacchetto

Time slot vuoto

•Ogni utente trasmette i dati in un certo numero di canali ( fino a 4 canali); la rete GSM è collegata a una rete a commutazione di pacchetto e provvede a convertite la struttura temporale dei dati ricevuti dai diversi utenti in un unico flusso a commutazione di pacchetto.

•HSCSD presenta il vantaggio di non richiedere modifiche significative della rete GSM; infatti, molti sistemi richiedono soltanto la modifica del software per consentire lo sviluppo del servizio HSCSD partendo da un sistema GSM.

GPRS (General Packet Radio System)• Il sistema GPRS consente di utilizzare la rete GSM per servizi a

commutazione di pacchetto.• L’utilizzatore GPRS può utilizzare la rete GSM per collegarsi alle reti

a commutazione di pacchetto ( X.25 o IP).• La rete può riservare uno o più timeslot ( canali) di una portante per il

servizio GPRS. Ogni utente può utilizzare al massimo 8 time-slot. Ciascun canale (time-slot) presenta una velocità di circa 21,4 Kb/s, per cui la velocità massima per ciascuna stazione mobile è teoricamente di 171,2 Kb/s.

• I canali di uplink e downlink sono separati e quindi è possibile utilizzare differenti velocità di trasmissione e larghezze di banda.

Page 50: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

50

• L’allocazione dei canali radio avviene in modo dinamico in base alle risorse disponibili e al traffico presente in rete, per cui l’utente può accedere a diverse velocità.

GPRS (General Packet Radio System)

GPRS (General Packet Radio System)• Per il GPRS sono stati definiti nuovi standard di codifica di canale indicati con la sigla

CS1, CS2, CS3, CS4. Questi schemi possono essere scelti a secondo delle condizioni di propagazione.

• CS1 e CS2 presentano bassi valori di throughput, am saonoa datti ad ambienti rumorosi.• CS3 e CS4 presentano elevati valori di throughput, ma presentano scarsa protezione ai

disturbi.

• Nella prima applicazione del GPRS sarà possibile utilizzare soltanto C1 e C2 perché l’interfaccia A-bis non supporta velocità superiori a 16 Kb/s. Nella realizzazione del GPRS con gli schemi CS3 e CS4 è necessario aggiornare le BTS.

• La rete GPRS utilizza le risorse soltanto quando necessarie in modo dinamico. Ad esempio per consentire una comunicazione vocale, la rete può riservare un canale a un solo utente, per cui questo canale non è una risorsa condivisa. Nel caso siano necessarie più alte velocità, GPRS può riservare più slot ad un utente.

N. Time-slot CS1 CS2 CS3 CS41 9,05 13,4 15,6 21,48 72 107,2 124,8 171,2

Velocità minime e massime

Page 51: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

51

Bursty Services

bit/s

t

WWW browsing exampleMean

• Molte attività dell’utente sono di tipo bursty e.g. browsing WWW pages

• Internet ha ritardi variabili

• il canale PSTN è scarsamenteutilizzato 100%

WWW pages

Utilizzazione del circuito

CircuitCapacity

33.6k

* 56.6 Kbits/s

Capacità (Mbytes)USATA DISPONIBILE* % USATA

Email 0.99 9.7 10.2(Download)

Email 0.06 3.0 2.0(Browsing)

Web 0.23 4.2 5.5(browsing)

Perché la commutazione di pacchetto?Perché la commutazione di pacchetto?

GPRS

La tecnologia GPRS (General Packet Radio Service) rappresenta un servizio a valore aggiunto della rete GSM (GSM fase 2+) che:

– condivide il mezzo trasmissivo (8 slots TDMA) del GSM

– lascia inalterata la modalità di trasmissione voce del GSM (commutazione di circuito)

– permette di inviare e ricevere dati con un sistema definito “a commutazione di pacchetto”(stessa logica di Internet).

Page 52: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

52

Caratteristiche del GPRSVelocità di trasferimentoLa massima velocità teorica consentita è circa 171 Kbps, ottenibile

utilizzando contemporaneamente tutti gli 8 timeslot disponibili della trama TDMA del GSM; tuttavia ciò non è sostenibile in quanto sarebbe eliminato il traffico voce.Occorre perciò trovareun compromesso tra le due esigenze.

Nota: tale velocità risulta 3 volte maggiore di quella dei modem analogici per PCImmediatezza del servizioAll’accensione del mobile GPRS questo si connette in modo

“always on” ovvero rimane sempre collegato alla rete (per il GSM si parla di connessione dial-up) come se disponesse di una linea dedicata. Quindi le informazioni possono essere spedite e ricevute appena se ne presenta la necessità evitando inutili attese.

Nota: ciò è di rilevante importanza per tutte le applicazioni dove il tempo è una variabile critica come ad esempio la verifica in remoto di carte di credito

.

• La rete GPRS richiede l’introduzione di nuovi apparati nella core network del GSM. In particolare:

– SGSN (Serving GPRS Support Node): sono le entità che svolgono le principali funzionalità del GPRS. Generalmente vi sono vari nodi SGSN e la rete che li collega serve ad effettuare il routing dei pacchetti trasmessi dagli utenti della rete.

– GGSN (Gateway GPRS Support Node): fornisce la connettività verso altre reti (X.25, Internet).

– PCU (Packet Control Unit): serve a gestire i pacchetti e il canale radio.

GPRS (General Packet Radio System)

Page 53: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

53

Schema della rete GPRS

Modifiche alla rete GSM•Le modifiche alla rete GSM dovute all’introduzione del GPRS possono essere così distinte per i vari elementi di rete:•Terminale Mobile:è richiesto un terminale completamente nuovo che sia in grado di gestire il traffico a pacchetto del nuovo protocollo GPRS.•BTS: è richiesto un aggiornamento del software.•BSC: è richiesto sia un aggiornamento del software che l’installazione di un nuovo componente hardware chiamato Packet Control Unit (PCU). Quest’ultimo serve per far instradare al BSC il traffico CPRS verso la competente SGSN; inoltre la PCU è collegata ad un nodo SGSN tramite una connessione “frame relay”.•Core network: occorrono i nuovi nodi SGSN (routers) e GGSN (gateway-firewall ).•Database (HLR, VLR): è richiesto un aggiornamento software per supportare i nuovi profili di utente ed i nuovi tipi di servizi introdotti dal GPRS.

Page 54: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

54

Modalità di funzionamento

Questo tipo di trasmissione prevede un utilizzo della rete direttamente proporzionale alla quantità di dati trasmessi e/o ricevuti;

E’ consentita la suddivisione delle risorse fra più utenti e una razionalizzazione del dimensionamento della rete in base al carico.

Le nuove norme tariffarie saranno quindi calcolate in base al numero di pacchetti scambiati nelle varie transazioni.

GPRS e Internet

• Il GPRS porta sulla rete GSM i protocolli di comunicazione IP eX.25

• Ogni applicazione ora esistente su reti IP o X.25 sarà in grado di operare su una connessione GSM e quindi il GPRS costituisce un’estensione wireless di Internet e delle reti X.25 esistenti

• GPRS permette comunicazioni voce e dati simultanee ed è quindi ipotizzabile uno scenario in cui l’utente pur essendo connesso possa anche fare o ricevere chiamate voce.

• Inoltre, con il protocollo “voice over IP” si potrebbero allocare tutti gli slot della trama TDMA per trasmettere dati

• GPRS USA IL TUNNELLING IP. AD UN MOBILE e’ ASSOCIATO UN INDIRIZZO INTERNET TEMPORANEO DI CLASSE C

Page 55: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

55

Applicazioni del GPRS• In base alla ripartizione della trama TDMA, il GPRS permetterà

la trasmissione di dati ad una velocità di circa 60Kbit/s, per le fasi successive sarà possibile inoltre un ulteriore incremento di tali velocità (EDGE).

• Si potranno offrire agli utenti servizi fino a ora realizzabili solo con un personal computer: – accedere a Internet e scaricare files dal Web;– incrementare l'uso del commercio elettronico – gestire in maniera efficiente la posta elettronica;– consultare banche dati e servizi informativi disponibili on line;– realizzare l'ufficio mobile, sistemi elettronici di pagamento a

distanza, monitoraggio ambientale, telemedicina...

Testo, File & Videoclip

TEXT FILES VIDEOCLIPS

SMS 0.2 kBE-mail 5 kBWML 2 kB

.DOC (text) 200 kB

.XL (s/sheet) 200 kB

.PPT (graphics) 1,000 kB

.GIF (photo) 100 kB

.HTML (web page) 30 kB

MPEG-4 (30sec video) 4 MBMPEG-3 (3 min audio) 2 MB

GSM GPRS EDGE / UMTS

Messaggi sempliciNotifica di eventiServizi Push/pulle-commerce semplice

Web browsingbusinesse-commerce

E-commerce (commerciointerattivo, pubblicità etc)Servizi di intrattenimentoBusiness

Applicazioni tipiche

Typical file size:

Page 56: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

56

Why Permanent Virtual Circuits?

Modem Modem

Email Server

Auth. Server

InternetGSM PSTN

User

Email via GSM Email via GPRS Email Server

GPRS

User

Auth. Server

Internet

Authenticated path to Email server

Virtual GPRS Data Tunnel

Processo Iniziale di chiamata Tempo (s)

• Chiamata GSM 4• InizializzazioneModem 30• Login and Authenticate 11• Download mail 180

Totale 3 min 45s

Chiamata successiva

• Stesso tempo della precedente 3 min 45s

EE--mail solo mail solo quando connessoquando connesso

Processo iniziale di chiamata Tempo (s)

• Chiamata GPRS l 4• Login and Authenticate 11• Download mail 180

Totale 3 min 15s

SUBSEQUENT CALL

• Nessun tempo - Virtual Cct 0min 0s

Email Email scaricata continuamentescaricata continuamente

Permanent Virtual CircuitsPermanent Virtual Circuits

Tipi di teminali GPRS

Tipo A: Può supportare sia la commutazione di circuito sia di pacchetto simultaneamente.

Tipo B: Questo tipo di terminale può supportare commutazione di circuito o di pacchetto ( ma non contemporaneamente) e può essere registrato per ambedue ( indirizzo IP e numero PSTN)

Tipo C: Questo tipo di telefono può essere registrato solo per la commutazione di pacchetto o per quella di circuito, ma non per ambedue

Page 57: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

57

12

621

4283

1

10

100

1,000

10,000

Email (short)

Email (long)

Web PagePhoto

Word Doc

PPT Doc

Audioclip

Videoclip

Tran

smis

sion

Tim

e(S

econ

ds)

3 27

2170

139279

1

10

100

1,000

10,000

Email (short)

Email (long)

Web PagePhoto

Word Doc

PPT Doc

Audioclip

Videoclip

Tran

smis

sion

Tim

e(S

econ

ds)

7 414

42139

279557

1

10

100

1,000

10,000

Email (short)

Email (long)

Web PagePhoto

Word Doc

PPT Doc

Audioclip

Videoclip

Tran

smis

sion

Tim

e(S

econ

ds)

4

42 2583

250833

1.6673.333

1

10

100

1.000

10.000

Email (s

hort)

Email (lo

ng)

Web

Pag

ePho

to

Word

Doc

PPT Doc

Audioc

lip

Videoc

lip

Tran

smis

sion

Tim

e(S

econ

ds)

Banda: Impatto sull’usabilitàGSM @ 9.6 kbps GPRS @ 56 kbps

EDGE/UMTS @ 384 kbps

15 secs

3 mins

GPRS @ 115 kbps

EDGE (Enhanced Data Rates for Global

Evolution) :• EDGE cambia il livello fisico del GSM. Infatti esso utilizza una modulazione

8 PSK. GSM e GPRS utilizzano una modulazione GMSK• Ogni simbolo in 8 PSK corrisponde a 3 bit, per cui la velocità di EDGE è 3

volte quella del GPRS, cioè 384 Kb/s. • EDGE opera come GPRS ai livelli superiori consentendo a utente di accedere

fino a 8 timeslot.

FASI DELLO SVILUPPO DI EDGE• Fase1 (Release’99 & 2002 sviluppo) supporta la trasmissione a pacchetto fino

a 384 Kb/s;• Fase 2 (Release’2000 & 2003 sviluppo) sarà aggiunta Voice su IP.

Page 58: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

58

IS-136+• IS-136+ rappresenta l’evoluzione del sistema americano I-136.• IS-136+ si propone di introdurre la commutazione di pacchetto nella trasmissione

radiomobile.• IS-136+ usa un sistema EDGE ( anche se con funzionalità ridotte rispetto a quello

europeo)• IS-136+ utilizza una banda di 30 KHz per ciascun canale ; introduce una modulazione 8

PSK ( oltre a quella π/4 DQPSK di IS-136). Tuttavia a causa della banda ridotta rispetto al GSM si può ottenere una velocità massima di 43,2 Kb/s.

• IS-136+ si basa sulla struttura di una rete GPRS.

ReteIS - 136 PCU MSC

SGSN GGSN InternetX.25

PSTN

Terza generazione dei sistemi cellulari• I sistemi cellulari di prima e seconda generazione hanno

consentito la diffusione della comunicazione vocale "wireless" in tutto il mondo ed hanno interessato un numero via via crescente di utenti.

• I sistemi di seconda generazione hanno determinato lo sviluppo di nuovi servizi

• Lo sviluppo di Internet e delle applicazioni multimediali ha determinato l’esigenza di accedere a tali informazioni in qualunque luogo e momento.

• I sistemi radiomobili di terza generazione sono stati progettati per le comunicazioni multimediali (trasmissione di dati, immagini fisse e in movimento,..)

• I vantaggi offerti dalla rete mobile: localizzazione e personalizzazione allo spazio e al tempo.

• I sistemi di terza generazione consentiranno elevate velocità ditrasmissione.

Page 59: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

59

Standardizzazione sistemi di terza generazione

• Il processo di standardizzazione dei sistemi di terza generazione ha avuti inizio nel 1992 quando WARC (World Administration Radio Conference) dell’ITU assegnò una banda di 230 MHz nella banda dei 2 GHz per lo sviluppo di un sistema universale, chiamato FPLMTS (Future Public Land Mobile Mobile Telecommunication System).

• Tale sistema fu successivamente indicato con il nome di IMT-2000 (International Mobile Telecommunication 2000).

• In Europa è stato indicato con UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) e standardizzato da ETSI, che iniziò la standardizzazione nel 1996.

UMTS terrestre:•1885 - 2025 MHz•2110 - 2200 MHzche include le bande UMTS satellitare:•1980 - 2010 MHz•2170 - 2200 MHz

UMTS

Page 60: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

60

Bande di frequenza assegnate ai sistemiradiomobili (3a gen.)

MSS= Mobile

Satellite System

1700 1800 1900 2000 2200210040

60

80

20

40

60

80

20

40

60

80

40 80

60

2080

60

40

20

20

WARC'92

80 MHz

USA

DCS1800DCS1800 DECTUMTS

95 MHz

downlink uplink

Europa

PHS Giappone

MSSDwn

MSS MSS

MSSUMTSMSSUp

UMTS

190 MHz

MSSDwn

MSSMSSUp

190 MHz

MSSDwn

uplink

downlink

MSSUp

B CA D EF CB CA D EFUnlic.

UMTS

Reserved

40 80

60

20

IMT-2000 IMT-2000

3a gen. 3a gen.

Per IMT-2000 è stata allocata su scala mondiale una banda di circa 250 MHz.

La proposta ETSI per IMT-2000: il sistema UMTS

• Servizi multimediali con bit-rate massimo da 144Kbit/s fino a 2 Mbit/s.– Viene usato CDMA con chip-rate fisso. Quindi il maggiore bit-rate è ottenuto a

scapito di un minore fattore di spreading. Maggiore è la mobilità di utente, minore è il massimo bit-rate ottenibile per una data qualità del servizio, es. BER = 10-6).

• Creazione dei servizi (servizi di rete intelligente - IN).• Wireless Local Loop, cordless, reti cellulari terrestri e via satellite

integrati in un unico standard.• Virtual Home Environment (VHE): la rete intelligente consentirà ad

un utente mobile sottoscrittore di un servizio di accedere allo stesso servizio con le stesse caratteristiche anche in una nuova rete raggiunta con roaming.

• Global Roaming e quindi interoperabilità delle reti a livello mondiale.• Software downloading su carta intelligente identificativa di utente (U-

SIM).

Valgono le caratteristiche base di IMT-2000 con le seguenti specificità:

Page 61: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

61

COS’E’ L’UMTS

UMTS significa Universal Mobile Telecommunication System ed è lo standard della terza generazione di servizi telefonici mobili (3G)

Sviluppato secondo il framework definito dall'ITU (International Telecommunications Union) e conosciuto col nome di IMT-2000.

La rete analogica rappresentava la prima generazione di telefonia mobile (1G)

La rete GSM, tuttora attiva, rappresenta la seconda (2G)

GENERAZIONI

La tecnologia GPRS, di transizione tra GSM ed UMTS è anche detta (2,5G)

Page 62: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

62

CARATTERISTICHE

Data rate elevatoTrasmissione di Pacchetto dei Dati Usabilità dell’interfacciaMobilità e coperturaTecnologia radio per tutti gli ambientiServizi UMTS disponibili via satellite

Data rate elevato

UMTS raggiungerà la velocità di 2Mb/s cioè 10 volte la velocità di GPRS o di una connessione ADSL

L’Internet Protocolpermetterà di ricevere servizi multimediali interattivi e nuove applicazioni di banda larga (videotelefono e videoconferenze).

UMTS

GSM 2+

ISDN

PSTN

GSM Ph1

0 10sec 1min 10min 1h

Page 63: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

63

Trasmissione di pacchetto

La maggior parte degli attuali sistemi cellulari usa per la trasmissione dei dati la “commutazione di circuito”.UMTS integra alta velocità di pacchetto e trasmissione di dati con commutazione di circuito.Divisione in più pacchetti prima della trasmissione dei dati, poi riassemblati all’arrivo.Tutti i pacchetti portano l’indicazione della loro relazione con gli altri, del mittente e del destinatario, perciò la strada percorsa per arrivare a destinazione perde importanza.

Trasmissione di pacchetto: benefici

Le frequenze radio sono occupate solo durante la trasmissione o la ricezione dei datiConnessione virtuale alla rete 24 ore su 24.Forme di pagamento alternative (es. Pay-per-byte, per sessione, flat rate, up-link/down-link asymmetric bandwidth).

Operazioni meno costose

Data rate on demandTrasmissione dei dati di

pacchetto

Page 64: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

64

Il sistema UMTS

Ottenimento del sistema UMTS con successive evoluzioni:

– UMTS fase 0: la rete è quella di GSM fase 2+, ma questa fornisce agli utenti servizi di tipo UMTS (limitati dal massimo bit-rate del GSM fase 2+). La rete GSM necessita di un aggiornamento software.

– UMTS fase 1: nella rete GSM fase 2+ si affianca al BSS il nuovo sistema radiobase, denominato UTRAN, in cui le stazioni base supportano una nuova interfaccia aria (UTRA) per gestire i servizi ad alto bit-rate previsti da UMTS.

• La core network rimane quella del GSM; stazioni base GSM coesistono con stazioni base UMTS.

– UMTS fase 2: il sistema UMTS ha una nuova core network (operazioni verso 2002).

La componente satellitare di UMTS

terraTerraIRIDIUM

ICO

Medium Earth Orbit (MEO)

Low Earth Orbit (LEO)

GPS

GEostationary Orbit (GEO)

CYBERSTAR, ASTROLINK,EUROSKYWAY, GE*STAR

Picchi di radiazionedelle Fasce di VanAllen

GLOBALSTAR,SKYBRIDGE, TELEDESIC

Un satellite della costellazione TELEDESIC. Quando nel 2003 questo sistema satellitare diverrà operativo, esso avrà in orbita 288 satelliti, ciascuno dal peso di 700 Kg. Le frequenze di trasmissione saranno nella banda Ka (26-40GHz).Tali satelliti forniranno agli utenti mobili servizi multimediali.

I sistemi satellitari serviranno per la copertura di aree impervie e scarsamente popolate o come back-up delle reti radiomobili terrestri.

Page 65: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

65

Usabilità dell’interfaccia

Accesso alle applicazioni e alle loro funzioni attraverso icone grafiche

I tasti funzione sono pochi e di utilizzo intuitivo

Nessuna tastiera numerica, ma touch screen e pochi pulsanti fondamentali

Una tastiera "virtuale" compare per scrivere e-mail e testi

Architettura cellulare a stratiSi avranno picocelle inedifici, microcelle in areaurbana, macrocelle per lacopertura di aree suburbane e rurali a basso traffico.

Le dimensioni delle celle dipendono dalla potenza di trasmissione, dalle frequenzeusate, dall’altezza dell’antenna.

I vari strati (layers) usano frequenze diverse. I vari strati cellulari sono interoperanti(es., inter-layer handoff). Già con sistemi di 2a generazione è possibile ottenere questa architettura, ma i vari strati non sono interoperanti (es., WLAN, DCS 1800, GSM, Satellite).

Satellite

Macrocella terrestre

Macrocella satellitare

Microcella

Picocella

Copertura globale

Area rurale e suburbana Area urbana Interno degli edifici

Page 66: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

66

Mobilità e copertura

Inter-Network Roaming

GlobaleSuburbana

UrbanaEdifici

Terminaliaudio/video

Interni

Le celle classiche verranno divise in:1. macro-celle2. micro-celle3. micro/pico-celle4. pico celle

Più piccola è la cella, maggiore sarà la trasportabilità dei dati. Si passerà da un minimo di 144Kbit/s nelle macro-celle, ad una velocità di 2.048Mbit/s nelle pico-celle.

Tecnologia radio per tutti gli ambienti

L’interfaccia radio UTRA sosterrà le operazioni con alta efficienza di spettro e qualità di servizio.

l’UMTS potrà raggiungere i 2Mbit /s grazie alla tecnologia chiamata W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access).

Questa permetterà di trasferire i dati su larga banda, ovvero 1885-2025Mhz e 2100-2200Mhz.

Page 67: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

67

Mobilità e copertura

L’UMTS è concepito come un sistema globale, comprendente componenti terrestri e satellitari.

Terminali operanti secondo modalità multiple estenderanno la portata dei servizi UMTS.

Un abbonato potrà effettuare operazioni di roamingda un network privato a uno pubblico di tipo pico/micro-cellulare, quindi a un network di tipo macrocellulare (cioè uno di terza generazione) e infine a un network satellitare mobile, il tutto con minime ricadute sulla comunicazione.

Tecnologia radio per tutti gli ambienti:Problemi

I terminali UMTS non opereranno ad alta velocità in tutti gli ambienti.In zone remote o aree urbane congestionate supporterannosolo data rates più basse.

In alcuni paesi si dovrà ridiscutere le allocazioni radio delle reti televisive.Infatti, lavorando nella banda 1900-2200Mhz, l'UMTS si va a porre in contrasto con quelle televisioni via etere che trasmettono usando quelle stesse frequenze (in Italia è il caso di RAI 1).

Page 68: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

68

Servizi UMTS disponibili via satellite

La tecnologia satellitare avrà un ruolo importante nella copertura mondiale di UMTS.

All'interno della banda assegnata all'UMTS, cioè 1885-2025MHz e 2110-2200MHz, le frequenze 1980-2010MHz e 2170-2200MHz sono riservate proprio alla componente satellitare del sistema.

SERVIZI

Page 69: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

69

Virtual home environment

Un ambiente virtuale UMTS in cui l’utente ha l’accesso ai servizi a prescindere da terminale e dalla rete utilizzati.

VHE definisce anche le modalità di sviluppo di nuovi servizi (service creation environment) per ampliare nuovi servizi e renderli sempre più portatili.

Offre la possibilità di effettuare download di software, in completa sicurezza e trasparenza verso l’utente.

Servizi multimediali

Le applicazioni dell’ampia gamma di servizi disponibili con l’UMTS sono svariate, grazie al supporto di terminali con caratteristiche anche profondamente diverse tra di loro.

Sviluppo di servizi di comunicazione ed intrattenimentoIntegrazione ed evoluzione di servizi GSM e WAP.

Page 70: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

70

Servizi di comunicazione

Video-cataloghi commerciali on-line.

Applicazioni di tele-medicina. Trasmettere direttamente sul luogo di incidenti, le lastre, o le fotografie dei feriti.

Applicazioni di video-streaming. Ricevere, su richiesta, filmati direttamente sul telefonino.

Servizi di intrattenimento

La qualità delle immagini dipenderà dalla risoluzione e dal datarate del terminale

UMTS permetterà di seguire in video-streamingeventi sportivi o videoclips

Page 71: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

71

Accesso a servizi Internet-Intranet

Con UMTS non c’è piùbisogno di protocolli specifici come wap, ma si usa IP Sarà necessario visualizzare i contenuti informativi secondo modalità del tutto differenti da quelle di un PC di scrivania

Accesso a servizi Internet-Intranet: applicazioni

procurarsi certificati, pagamenti di tasse e controllo della veridicitàacquisti on-line, fruizione di giornali on-line scuole virtuali, biblioteche on-line, laboratori linguistici o scientifici.mobile office e gruppi di lavoro virtualibanche virtuali, controllo dell’andamento della Borsaeffettuare transazioni finanziarie tramite le nuove USIM cardprenotare voli o posti ferroviari

Page 72: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

72

Servizi vocali

Servizi GSM limitati perché interfaccia difficileper utente

La tecnologia di riconoscimento vocale dell’UMTS potrebbe eliminare il problema

Il linguaggio “VoXML”rappresenta un meccanismo standard per controllare le applicazioni tramite comandi vocali.

Le applicazioni piùfruibili apriranno il mercato UMTS anche agli utenti meno esperti.

Sicurezza ed identificazione dell’utente

USIM sostituisce SIM del GSMOffre una maggiore capacità di memoria

in cui inserire e memorizzare qualsiasi tipo di dati.

Le carte non richiederanno contatto (contactless cards), permettendo un utilizzo più semplice e soprattutto piùampio

Page 73: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

73

Servizi di localizzazione: GSM

rete usata come mezzo trasmissivoappoggiandosi a sistemi specifici per la localizzazione, come il GPS (Global Positioning System)

utilizzo delle tecniche native che il GSM mette a disposizione per localizzare l’utente (identificativo di cella, metodi di triangolazione basati sui diversi livelli di potenza ricevuti).

Il GSM non è però strutturato per supportare in modo nativo e completo i concetti di localizzazione

Servizi di localizzazione: UMTS

UMTS può localizzare sul territorio diversi utenti senza altre apparecchiature

APPLICAZIONI:Servizi di navigazione,

controllo del traffico e antifurto.Supporto alla navigazione a

bordoMonitoraggio dei veicoli con

un sistema UMTS per la localizzazione.

Servizi di pagine gialle, informazioni turistiche

Page 74: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

74

CONCLUSIONI: vantaggi

Miglioramento della qualità dei serviziAumento della velocità di trasmissione anche in aree

Suburbane/UrbaneMemoria e trasmissione dati portatili ad alta sicurezza

per commercio elettronico via UMTS.UMTS unisce telefonia mobile e navigazione in

Internet con interfaccia grafica.UMTS sarà uno standard 3G universale e non solo

europeo.Possibilità di accesso a servizi UMTS in varie

modalità.

Data rate di 2mb/s disponibile solo in alcune aree. Terminale piccolo perché portatile e difficoltà di vedere

bene i video.Mancanza di terminali UMTS funzionanti in grado di

supportare il nuovo standard.Tecnologia non ancora lanciata ma in fase di

sperimentazione perché la qualità necessaria deve essere molto alta.

Molte aziende che in precedenza avevano dato grande spazio all'UMTS, hanno ridimensionato le loro aspettative.

I costi dei servizi on-line dovranno essere bassi per convincere gli utenti ad abbonarsi.

CONCLUSIONI: svantaggi

Page 75: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

75

Sistemi cordless• La telefonia cordless consente di effettuare chiamate telefoniche attraverso il

collegamento con una stazione base fissa.

• Questo tipo di telefonia si rivolge espressamente ad una utenza che si muove in un’area relativamente piccola ( casa ufficio, ambienti di piccole dimensioni,..), a differenza di quanto avviene nella telefonia cellulare che è disegnata per essere usata in movimenti anche di lunga distanza, a volte oltre i confini nazionali.

• Tre sono le principali aree di applicazione della telefonia cordless:

• applicazioni residenziali o domestiche (in casa): distanze piccole e applicazioni semplici,

• applicazioni in ambienti commerciali (in ufficio);

• applicazioni per l’accesso alla rete telefonica pubblica.

• Le ultime due applicazioni consentono la realizzazione di:

• centralini cordless , indicati anche con la sigla CPBX (CordlessPrivate Branch eXchange );

• telepoint.

Centralino cordless

RETETELEFONICA

PUBBLICA

CENTRALINOCPBX

StazioneFissa

StazioneFissa

Wirelesscell

( 100 m)

Wirelesscell

( 100 m)

UFFICIO

Page 76: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

76

Telepoint

StazioneFissa

StazioneFissa

RETEPUBBLICA Stazione

Fissa

Sistemi cordless di prima generazione

• I primi standard di telefonia cordless, sviluppati da CEPT (Comitato Europeo per le Poste e Telecomunicazioni) utilizzavano una tecnologia analogica:

• CT0 ( Cordless Telephone 0);• CT1 (Cordless Telephone 1).

Principali problemi• scarsa sicurezza e riservatezza delle conversazioni, • modesta qualità delle conversazioni• forte sensibilità alle interferenze e ai disturbi

Page 77: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

77

Sistemi cordless di seconda generazioneNel 1985 furono proposti al CEPT (Conferenza Europea per le Poste e

Telecomunicazioni) due diversi sistemi cordless di seconda generazione per la standardizzazione:

• CT2 (Cordless Telephone –2): proposto dal Dipartimento inglese per l’Industria e il Commercio.

• CT3 (Cordless Telephone-3): proposto dal Ministero delle Poste e Telecomunicazioni svedese e basato su una versione migliorata di una tecnologia cordless proposta per la prima volta dalla Ericsson nel 1984.

• Nel gennaio 1988 il CEPT decise di accettare lo standard proposto dal ministero svedese (CT3) e allocò per esso una banda riservata di frequenze da 1880 MHz invece dei 900 MHz adottati per il CT2.

• Tale standard rappresenta la formulazione originaria di quello che oggi viene chiamato standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication).

• Il CEPT, tuttavia, non fissò un piano temporale stringente per l’introduzione di questo standard nei paesi membri. Inoltre, non essendo le decisioni del CEPT degli standard ma semplici raccomandazioni, la mancanza di consenso in ambito CEPT ha portato alla introduzione di due diversi sistemi cordless: il primo in Inghilterra basato sullo standard CT2 ed il secondo basato sullo standard CT3/DECT.

DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

• Il DECT è lo standard adottato da ETSI per i sistemi cordless digitali. Il sistema utilizza un metodo di accesso multiplo di tipo TDMA ed opera nella banda di frequenze 1880-1900 MHz.

• Nel 1989 CEPT emise la raccomandazione T/R 22-02 nella quale si suggeriva ai paesi europei di usare per il DECT. Data la necessità di una regolamentazione internazionale, nel settembre 1989 alcune delle principali compagnie europee di TLC firmarono un documento, il MoU, nel quale si impegnavano a supportare lo sviluppo del DECT

• Nel Luglio 1991 l’ETSI formulò una prima bozza del futuro DECT. Con il DECT l’ETSI definisce un modello pan-europeo di interfaccia radio a bassa potenza per l’accesso ad una infrastruttura di rete fissa. Nel 1992 il comitato RES-3 completò la definizione del DECT che su iniziativa dell’ETSI fu riconosciuto come standard europeo di telecomunicazioni.

• La banda di frequenze 1880-1900 MHz è suddiviso in 10 canali di trasmissione (portanti), separati tra loro di 17.28 KHz e compresi tra 1881.792 e 1897.344 KHz.

• Il DECT presenta alcune caratteristiche simili al GSM, quale la modulazione utilizzata e il tipo di accesso multiplo (TDMA).

Page 78: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

78

Confronto tra i diversi sistemi cordless di seconda generazione

Sistema CT2 CT2+ DECT PHS

Regione Europa Canada Europa Giappone

Duplexing TDD TDD TDD TDDBanda di frequenza

(MHz)864 – 868 944 - 948 1880-1900 1895-1918

Separazione portanti(KHz)

100 100 1728 300

Numero di portanti 40 40 10 77Canali per portante 1 1 12 4Bit-rate del canale

(Kbit/s)72 72 1152 384

Modulazione GFSK GFSK GFSK π/4 DQPSK

Codifica della voce ADPCM32

ADPCM32

ADPCM32

ADPCM32

Potenza mediatrasmessa (mW) 5 5 10 10

Picco della potenzatrasmessa (mW) 10 10 250 80

Durata del frame(ms)

2 2 10 5

Confronto tra sistemi cellulari e cordless

CaratteristicheSistema cordless

digitaleSistema cellulare

digitale

Dimensione dellacella

Piccola (50-500 m) Grande (0.5-30 Km)

Elevazioned’antenna

Bassa (< 15 m) Alta (> 15 m)

Velocità d’utente Bassa (< 6 Km/h) Alta (< 250 Km/h)Copertura Locale Geografica

Complessità delterminale Bassa Moderata

Accesso allo spettro Condiviso Uso esclusivoPotenza trasmessa

dal terminale 5-10 mW 100-600 mW

Duplexing TDD FDDCodifica della voce 32 Kbit/s ADPCM 8-13 Kbit/s codecControllo d’errore CRC FEC/interleaving

Rivelazione Differenziale Coerente differenzialeMitigazione del

multipathDiversità d’antenna

(opzionale)Diversità/rake/equalizzatore

Page 79: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

79

Sistemi di paging• I sistemi di Paging, o di messaggistica personale consentono la trasmissione di

messaggi, dati generalmente di entità limitata e prevalentemente a una via, da parte di una stazione trasmittente verso terminali mobili detti pager.

• I pager comunicano con il loro possessore per mezzo di un tono (beep), di più toni o un display a cristalli liquidi capace di mostrare solo caratteri numerici o alfanumerici (a seconda del modello di pager).

• I moderni sistemi di paging permettono un roaming oltre i confini nazionali e offrono capacità di comunicazione a due vie.

• La tecnologia impiegata per offrire i servizi di paging si basa essenzialmente su due standard:

– l’uso di toni: i messaggi sono generati medianti diversi tipi di toni e della durata.

– l’uso di tecniche digitali in cui sono trasmesse stringhe di bit.

Sistemi di paging

• Un apposito comitato dell’ETSI si è occupato, a partire dal 1990, di sviluppare uno standard pan-europeo digitale per i sistemi di paging, tale standard è stato denominato ERMES (EuropeanRadio Message System) ed offre sia comunicazioni a toni che alfanumeriche su 16 canali radio nella banda 169.4 - 169.8 MHz.

• In Italia il sistema di paging è stato attivato da SIP con il nome di Teledrin

Page 80: Propagazione - dii.unisi.it · Requisiti sistemi radiomobili ... • Questa tecnica è quindi largamente usata in reti cellulari che utilizzano la tecnica di accesso CDMA

80

Private Mobile Radio (PMR)Public Access Mobile Radio (PAMR).

• PMR e PAMR sono sistemi che consentono di comunicare e gestire una flotta di automezzi mobili ( aziende di trasporto, servizi pubblici, polizia, carabinieri,..).

• Private Mobile Radio (PMR): viene assegnata una banda di radiofrequenze all’organizzazione o all’azienda. Le frequenze assegnate sono riservate.

• Public Access Mobile Radio (PAMR): ad ogni organizzazione ( privata o pubblica) viene assegnato l’uso esclusivo del canale radio solo per la durata di una conversazione. Questa tecnica prende il nome di trunking. I principali vantaggi sono:

– diverse organizzazioni possono condividere lo stesso canale radio senza interferire una con l’altra;

– ogni organizzazione ha una rete privata senza i costi associati con l’installazione e la manutenzione di impianti di trasmissione;

– possibilità di roaming internazionale.

TETRA (Trans European Trunked Radio)

• TETRA è uno standard sviluppato da ETSI per le applicazioni PAMR.• TETRA è un sistema digitale.• Le principali caratteristiche del sistema TETRA sono le seguenti:

• Dimensione tipica: 1000-100000 utenti per sistema• Area di copertura: da 50 km2 all’intero territorio nazionale• Densità tipica: da 0.1 a 70 utenti/ km2

• Massima velocità del mezzo mobile: 200 km/h• Durata media di una conversazione: 30 s• Intensità media di traffico: 20mE (milli Erlang)• Call set-up time: < 300 ms• End to end speech delay: < 200 ms