CAPITOLO 2:
Dal sistema GSM verso il sistema
UMTS
2.1 Premessa
I sistemi di telefonia cellulare, durante i primi anni ’80, hanno avuto, in Europa, una rapida crescita. Ogni nazione sviluppa un proprio sistema, che risulta essere incompatibile con quelli degli altri paesi: il terminale è limitato ad operare entro i confini nazionali. Questa situazione non è ottimale, non solo per questioni economiche (legate all’impossibilità di realizzare economie di larga scala) ma soprattutto perché i sistemi mobili devono limitare la loro operatività all’interno dei confini nazionali. Nel 1982, un gestore pubblico di servizi di telefonia mobile dei paesi nordici (Nordic PTT) propone al CEPT (Conference Européenne de Postale et Tèlècommunications) la implementazione di un servizio comune di telefonia mobile europeo. Si crea, così, un gruppo di studio (Groupe Social Mobile) che ha il compito di sviluppare un sistema in grado di garantire precisi requisiti:
• assicurare una buona qualità audio della conversazione ; • bassi costi per i terminali e per la gestione del servizio ; • supporto per il roaming internazionale;
• supporto per i terminali palmari ;
• supporto per un ampio ventaglio di nuovi servizi ; • compatibilità con il sistema digitali ISDN;
• garantire un eccellente grado di sicurezza e di riservatezza.
I primi servizi commerciali vengono lanciati a metà del 1991, e nel 1993 sono già operativi 36 network GSM in 22 paesi. La rete radiomobile GSM (fig.1) costituisce il primo sistema standardizzato ad usare una tecnica di trasmissione numerica su canale radio: questo rappresenta una caratteristica peculiare della rete, in quanto tutti i sistemi radio antecedenti utilizzavano tecniche di trasmissione analogiche. I vantaggi che offre un sistema numerico sono i seguenti:
• ha una capacità maggiore perché i sistemi digitali sono meno sensibili all’interferenza e al rumore, pertanto consentono di ridurre le dimensioni delle celle, aumentando il numero di utenti che possono essere serviti contemporaneamente;
• garantisce, inoltre, un alto grado di sicurezza e di riservatezza.
Altra caratteristica di base del GSM è il roaming, ossia la possibilità offerta all’utente mobile di accedere ai servizi anche quando si trova fisicamente fuori dall’area di copertura della propria rete di sottoscrizione. Il roaming è completamente automatico all’interno di tutte le nazioni coperte dal sistema GSM ed è regolato da precisi accordi commerciali tra i vari operatori. Oltre alla possibilità di effettuare il roaming l’utente può usufruire del servizio fax, trasmettere dati e brevi messaggi di testo (SMS).
2.2 Tecnica d’accesso del sistema GSM
I sistemi radio trasmettono e ricevono i segnali su una risorsa comune rappresentata dalla porzione di spettro elettromagnetico che è stata loro assegnata dagli enti regionali. Essendoci più utenti che usano la stessa risorsa, qualora due o più utenti volessero trasmettere contemporaneamente e sulla stessa frequenza sarebbero soggetti ad una
collisione. Allo scopo di risolvere situazioni come queste e di massimizzare la capacità del
sistema, sono state introdotte le tecniche ad accesso multiplo: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access). Il sistema digitale GSM combina le due tecniche, ottenendone una ibrida FDMA/TDMA: la banda assegnata ad un operatore è suddivisa tra diverse portanti FDMA, ognuna delle quali è spartita tra gli utenti attraverso la TDMA. In particolare, la tecnica FDMA consiste nel suddividere la banda assegnata al sistema in un certo numero di canali, centrati su una frequenza portante (fig.2).
fig.2- Tecnica FDMA
Mentre la tecnica TDMA è caratterizzata dalla ripartizione della risorsa trasmissiva in frazioni temporali denominati “time slot“ (fig.3); in questo modo, tutti gli utenti possono usufruire dell’intera banda anche se per intervalli di tempo limitati che si ripetono periodicamente. Il singolo utente accede al canale, che è unico per time slot prefissati, dopodiché si mette in attesa dello stesso time slot appartenente alla trama successiva. La breve durata delle trame garantisce che l’utente non percepisca la distinzione tra gli istanti in cui il terminale trasmette (o riceve) e quelli in cui invece è in attesa.
fig.3- Tecnica TDMA
Il canale di traffico è quindi identificato da un determinato intervallo di tempo e da una portante radio. Dai dati della rete GSM è possibile risalire al numero di frequenze portanti che essa può utilizzare; inoltre è possibile rilevare la massima potenza con la quale le portanti sono irradiate. La potenza massima teorica con la quale si ipotizza sia alimentata la antenna, si ricava moltiplicando il numero di portanti per la potenza massima di ogni portante:
Palimentazione = Nportanti*Pportante
Il valore così ottenuto rappresenta una stima per eccesso della potenza che si avrebbe nelle condizioni di massima emissione della sorgente. Tali condizioni sono particolarmente difficili da verificare in pratica.
2.3 Handover
Una delle caratteristiche peculiari dei sistemi cellulari è la possibilità di mantenere attiva una comunicazione nonostante l’utente continui a spostarsi liberamente nel territorio. La mobilità degli utenti può causare la necessità di cambiare frequentemente cella di servizio oppure canale di trasmissione, per continuare a garantire una buona qualità del segnale. Questa commutazione automatica, che avviene senza interruzione nel collegamento, è chiamata handover (fig.4). Esistono quattro tipi differenti di handover nel sistema GSM, che coinvolgono il trasferimento di una comunicazione tra:
• canali diversi di una stessa cella, cioè di una stessa BTS (Base Transceiver Station);
• celle diverse ma controllate da una stessa BSC (Base Station Controller); • celle diverse BSC, ma controllate da uno stesso MSC (Mobile Switching
Center);
• celle controllate da diversi MSC.
I primi due tipi, chiamati handover interni, coinvolgono solo una stazione BSC. Sono gestiti direttamente da questa ultima, senza coinvolgere l’MSC, eccetto che per notificargli il completamento dell’handover.
Gli ultimi due tipi, chiamati handover esterni, sono invece trattati dagli MSC direttamente coinvolti.
Gli handover possono venire richiesti sia da un MSC (per bilanciare il carico del traffico) sia direttamente dal terminale.
Nei periodi di inattività, la stazione mobile sonda i cosiddetti canali di broadcast delle celle geograficamente adiacenti e compie delle misure sulla potenza che da essi riceve. Queste informazioni vengono passate alla stazione base di controllo, la quale prepara una lista delle migliori candidate per un eventuale handover in base alla potenza del segnale ricevuto. Le informazioni di segnalazione che la MS scambia con la BTS sono in quantità maggiore o minore a seconda di quante unità funzionali sono coinvolte. La decisione se effettuare l’handover è strettamente vincolata al controllo di potenza.
fig.5- Handover nei sistemi di seconda e terza generazione
Nei sistemi GSM si presuppone l’abbattimento e l’instaurazione di un nuovo link radio (Hard Handover), nei sistemi UMTS l’utente è contemporaneamente collegato con più stazioni base (Soft Handover) (fig.5).
2.4 Architettura del servizio GPRS
Il primo passo per trasformare il cellulare in uno strumento di accesso ai dati contenuti in rete è stato quello di introdurre il WAP (Wireless Application Protocol). Questo nuovo protocollo consente di usufruire di servizi che riguardano, per lo più, la possibilità di accedere alla propria casella di posta elettronica, di ricevere le quotazioni dei titoli in borsa, di fare transazioni on-line, di collegarsi alla propria banca per le ultime notizie. Le informazioni vengono tradotte in un formato compatibile ai piccoli schermi, mantenendo la navigabilità e l’interattività tipiche di internet (fig.6).
fig.6- Architettura di rete del GSM prima dell’introduzione del GPRS
Il WAP si è rivelato però lento e costoso, deludendo le aspettative. Le cause di ciò sono da ricondurre all’assenza di un vero standard unificante per il protocollo e alla ridotta capacità del canale dati GSM , che si appoggia ad un circuito con una banda trasmissiva di soli 9,6kbit/s. Per ovviare a questi inconvenienti viene elaborato un servizio innovativo detto GPRS (General Packet Radio Service) che consente di arrivare a velocità fino a 171kbit/s (fig.7).
fig.7- Architettura di rete del GSM con il GPRS
Questo nuovo servizio traccia l’inizio del passaggio dai sistemi GSM alla telefonia di Terza Generazione. Il sistema UMTS, infatti, incorpora la rete centrale GSM con il GPRS e il CAMEL1 (Customizer Application for Mobile Enhanced Logic).
Il GPRS è la prima tecnologia che rende possibile di trasferire l’informazione a pacchetto via etere tra il telefono cellulare e la sua stazione radio base. In questo modo il canale radio è occupato solo nel momento stesso in cui l’informazione viaggia tra telefono e stazione radio base, permettendo un uso condiviso di quello stesso canale da parte di altri terminali mobili. Attraverso la commutazione di pacchetto, i dati di ogni utente vengono separati in pacchetti correlati tra di loro prima di essere trasmessi e ricostruiti una volta giunti a destinazione, trasformando quella che era una rete statica in una rete dinamica. La tecnica di trasporto a commutazione di pacchetto rispetto a quella a commutazione di circuito, permette di trasferire contemporaneamente in modo efficiente dati che richiedono
bit rate variabili e informazione di segnalazione. Questa tecnica è stata scelta per essere
utilizzata all’interno dei sistemi che rappresentano l’evoluzione delle reti GSM perché permette un migliore sfruttamento delle risorse della rete. Il GPRS introduce una nuova codifica di canale che consente di raggiungere 20kbps circa di velocità su un singolo time slot.
La trama è costituita da 8 time slot della durata ciascuno di 0,577ms, per un totale di 4,616ms per trama (fig.8).
1Permette l’accesso globale ad operazioni dipendenti dall’utente, come servizi prepagati, screening delle
fig.8- Tecnica TDMA
Questa nuova allocazione permette trasmissioni attraverso la Core Network del GSM con bit-rate superiore rispetto al limite di 64kbit/s tipico della rete ISDN e di essere sempre connessi alla rete Internet al momento stesso che si accende l’apparecchio.
fig.9- Architettura di rete di un sistema GPRS
Rispetto all’architettura GSM si possono notare due nuovi elementi di rete (fig.9): il GSN (GPRS Support Node) e il GR (GPRS Register). I GSN svolgono le funzioni di Serving GPRS Support Node (SGSN) e di Gateway GPRS Support Node (GGSN), entrambe le funzionalità possono essere svolte dallo stesso nodo oppure da due nodi differenti. Il GGSN fornisce l’interfaccia con le reti dati esterne (ISDN, Internet, ect…) svolgendo funzioni di conversione per i dati, gli indirizzi ed i protocolli di segnalazione. Il SGSN svolge le funzioni di controllo della posizione dei terminali mobili e di instradamento dei pacchetti relativi a tutti gli utenti che si trovano nella zona di sua competenza. Le informazioni sugli utenti GPRS sono contenute nel registro GR, al quale si accede tramite i GSN.
il flusso di dati all’interno della rete fissa. Ciò che rende diversi i due sistemi è il tipo di accesso radio utilizzato (radio subsystem). Il Core Network, invece, è mantenuto senza grandi variazioni (fig.10).
fig.10- Architettura logica del dominio a pacchetto GPRS- UMTS
Il passaggio dal GPRS all’UMTS è un esempio di come la separazione tra i diversi elementi di una rete permetta di riutilizzare il network subsystem con diverse tecnologie di accesso sull’interfaccia radio (fig.11).
Infatti è proprio questa ultima che influisce maggiormente sulla qualità dei servizi offerti delle reti di telecomunicazione, dal momento che la trasmissione sul canale radio è molto critica e necessita di particolari accorgimenti per poter soddisfare la crescente richiesta di servizi ad alto bit rate. Una delle caratteristiche fondamentali che differenzia il sistema UMTS dal GPRS è determinata dall’introduzione di una tariffazione flessibile. Essa può dipendere dalla durata della connessione, dalla quantità di dati trasferiti e dalla qualità del servizio richiesto. Dal punto di vista dell’utente, la distinzione tra i due sistemi è che l’UMTS ha una maggiore disponibilità di servizi ed una maggiore velocità di trasferimento dati. Questo è reso possibile grazie ad un’allocazione delle risorse radio molto flessibile ed efficiente. Per la trasmissione di dati a pacchetto, infatti, a seconda del livello di attività di un terminale mobile, possono essere allocati dalla rete canali comuni a contesa o canali dedicati.
2.6 Gestione della multiutenza
Il problema della multiutenza deriva dal fatto che il canale radiomobile, cioè la banda di frequenze assegnata al sistema, deve trasmettere in contemporanea dati relativi a più utenti distinti. Il sistema FDMA divide lo spettro totale in più bande, assegnando ad un singolo utente una banda di frequenza per tutto il tempo della trasmissione. Parallelamente il sistema TDMA assegna l’intero spettro ad ogni singolo utente per un periodo limitato di tempo, in maniera più o meno ciclica. L’UMTS introduce una innovazione con il CDMA: l’intera banda di frequenza e tutto il tempo di trasmissione sono interamente assegnate a tutti i canali (fig.12).
CDMA: Code Division TDMA: Time Division FDMA: Frequency Division Multiple Access Multiple Access Multiple Access
fig.12- Tecniche di accesso al canale radiomobile
Gli utenti trasmettono sui vari canali ciascuno con il proprio codice crittografico; l’inevitabile interferenza tra canali in ricezione può essere “filtrata” in quanto la chiave di decrittazione del codice è disponibile solo all’utente che deve ricevere sul particolare canale. Le operazioni di cri-decrittazione sono effettuate automaticamente dal sistema in modo del tutto trasparente per l’utente.
TDMA/FDMA CDMA
Riuso delle frequenze: 1/3 Riuso delle frequenze: 1/1
fig.13- Efficienza di riuso delle tecniche di multiplazione
La tecnica CDMA, in definitiva, garantisce, a differenza della TDMA e della FDMA, che la capacità teorica del sistema dipende dal numero di codici disponibili; che il sistema è limitato dall’interferenza e non dalle risorse (canali) e che l’efficienza di riuso è unitaria (fig.13). Con riuso della frequenza si intende il tipo di topologia utilizzata per coprire il territorio (nei sistemi di radiocomunicazione si usano celle esagonali) e la necessità di riutilizzare più volte le stesse risorse radio in celle diverse, mantenendo limitata l’interferenza cocanale.
2.7 Riepilogo sulle caratteristiche tipiche del sistema GSM
e del sistema UMTS
UMTS GSM
Potenza di emissione massima de 5 telefonini 125-250mW 2W Procedura d’accesso al canale CDMA TDMA2 Capacità di trasmissione dati per utente Fino a 2Mbit/s 9,6KBit/s3 Ampiezza di banda per canale 5MHz 200KHz Frequenza degli impulsi 100Hz 217Hz Numero degli intervalli di tempo per unità di tempo 15 4 8 Banda di frequenza 2GHz 900Mhz/1800Mhz Numero di collegamenti vocali per canale 108 5 8 Raggio massimo delle celle (celle rurali) Ca.8Km6 35Km
2La procedura d’accesso usata nel GSM è il risultato di un misto di TDMA/FDMA (ad impulsi). 3 Con GPRS sono possibili capacità di trasmissione dati fino a 57,5KBit/s o 171,2KBit/s.
4 Vale solo per il tipo di esercizio TDD dell’UMTS , impiegato prevalentemente all’interno di edifici con una
potenza ridotta. Con il tipo di esercizio FDD, il trasmettitore non trasmette a impulsi ma in modo continuo.
5 Questa cifra vale per il 50% di voice activity. Con il 100% di voice activity (nessuna pausa vocale),
sono possibili solo 72 collegamenti vocali per canale.
6 Questo raggio della cella è possibile solo se non vi sono interferenze provenienti da celle vicine
(pochissimo traffico). In caso d’interferenze (la situazione più realistica) il raggio della cella dei sistemi UMTS è al massimo di ca. 2-3 Km.
