Sommario
Introduzione ... 13 Le reti cellulari ... 15 Introduzione ... 15 Tecniche di accesso al mezzo ... 16 FDMA (Frequency Division Multiple Access) ... 17 TDMA (Time Division Multiple Access) ... 19 Rete cellulare ... 24 Dimensionamento di una rete cellulare ... 26 Densità geografica di utenti ... 26 Distanza di riuso ... 27 Rapporto segnale‐interferenti C/I ... 30 Calcolo del rapporto C/I in down link ... 31 Calcolo del rapporto C/I in uplink ... 34 Sistema GSM ... 37 Introduzione ... 37 Lo standard GSM ... 39 Architettura ed organizzazione della rete GSM ... 40 Mobile station subsystem (MSS) ... 40 Base station subsystem (BSS) ... 41 Networking and switching subsystem (NSS) ... 42 Procedure di chiamate in ingresso ed in uscita ... 43 Il Segnale GSM ... 45 Formato di modulazione ... 47 Modulazione MSK (Minimum Shift Keying) ... 47 Modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) ... 50 Caratteristiche del trasmettitore ... 63 Codifica di sorgente ... 63 Codifica di canale ... 64Sistema GSM‐R ... 71 Introduzione ... 71 Progetto ERTMS ... 72 Progetto EIRENE ... 73 GSM – RAILWAY... 74 Frequenze di utilizzo ... 75 Celle e uso delle frequenze nel sistema GSM‐R ... 76 Copertura radio nei tunnel(5) ... 79 Caratteristiche principali degli apparati ... 79 Potenza dei terminali... 79 Limite di velocità ... 80 Nuovi servizi e funzioni ... 80 Funzioni aggiuntive del GSM‐R ... 81 ASCI features ... 82 Enhanced Multi‐Level Precedence And Pre‐Emption Service (eMLPP ‐ Priorità per l'accesso alla rete)(6) ... 82 Set‐up time performance classes ... 83 Automatic answer ... 84 Pre‐emption della risorsa radio ... 84 Voice Group Call Service (VGCS ‐ Servizio di chiamate di gruppo)(7) ... 85 Group Identification (group ID) ... 85 Service Area ... 85 Dispacher ... 85 Voice Broadcast Service (VBS ‐ Voice Broadcast Service)(8) ... 88 Servizi supplementari di fase 2+ ... 88 Closed User Group (CUG) Service (Gruppo chiuso di utenti)(9) ... 88 User‐To‐User Signaling (UUS) Service(10) ... 89 Multiparty (Mtpy) Services(11) ... 90 Explicit Call Transfer (Ect) Service(12) ... 91 Railway Specific Features ... 91 Functional Addressing ... 91 Location Dependent Addressing ... 92 Confirmation of High Priority Calls ... 93 Presentation of Functional Numbers to Called and Calling Parties... 95 Shunting Mode(13) ... 95
Direct Mode(13) ... 96 Parte Sperimentale ... 99 Introduzione ... 99 Descrizione del simulatore ... 100 Generazione del valore della fase θ ... 108 Generazione degli impulsi usati in trasmissione ... 111 Implementazione integrale ... 112 Implementazione della normalizzazione... 112 Generazione degli interferenti in banda ... 115 Generazione del rumore piatto nella banda di un canale: filtro di Butterworth ... 115 Implementazione software del filtro di Butterworth ... 116 Rumore AWGN a banda larga ... 119 Disturbi impulsivi (impulso cosinusoidale e sinusoidale) ... 120 Formato file di uscita ... 121 Generazione istantanea della fase ... 125 Spettro del segnale trasmesso ... 131 Gestione del diagramma ad occhio ... 135 Multiplazione dei 19 canali ... 140 Fattore di sovra‐campionamento ... 140 Modulazione dei 19 canali in trasmissione simultanea ... 144 Ricostruzione della fase in ricezione ... 150 Conclusioni ... 157 Ringraziamenti ... 159 Lista Degli Acronimi ... 161 Bibliografia ... 165
Indice delle figure
Figura 1 ‐ Sistema elementare di telefonia mobile ... 15 Figura 2 ‐ Diagramma frequenza ‐ tempo per tecniche FDMA ... 17 Figura 3 ‐ Diagramma spettro ‐ frequenza per tecnica FDMA ... 17 Figura 4 ‐ Banda di guardia per modalità FDMA ... 18 Figura 5 ‐ Diagramma segnale ‐ tempo per tecnica TDMA ... 19 Figura 6 ‐ Slot e Frame ... 19 Figura 7 ‐ Disallineamento possibile di inizio trama ... 20 Figura 8 ‐ Disallineamento di trama a causa di una non perfetta sincronizzazione ... 21 Figura 9 ‐ Durata ottimale dello slot S1 ... 21 Figura 10 ‐ Tecnica FDMA e TDMA mista ... 23 Figura 11 ‐ Cluster con 4 celle e riuso delle frequenze ... 24 Figura 12 ‐ Cella esagonale per sistemi cellulari ... 26 Figura 13 ‐ Cluster di k = 7 celle con riuso dei canali ... 28 Figura 14 ‐ Valori tipici di i e j ... 29 Figura 15 ‐ Calcolo della distanza di riuso ... 30 Figura 16 ‐ Ipotesi semplificativa sulle BTS e su MS ... 31 Figura 17 ‐ Antenne con apertura di 120° ... 32 Figura 18 ‐ Effetto del cell sectoring sull'interferenza nel caso dowlink ... 33 Figura 19 ‐ Architettura della rete GSM ... 40 Figura 20 ‐ Bande frequenziali del sistema GSM Americano ed Europeo ... 45 Figura 21 ‐ Bande frequenziali dettagliate ... 47 Figura 22 ‐ Schema modulatore MSK ... 48 Figura 23 ‐ Densità spettrale di potenza di segnale MSK e QPSK/OQPSK ... 49 Figura 24 ‐ Schema del modulatore GMSK ... 50 Figura 25 ‐ Impulso g(t) usato in trasmissione ... 51 Figura 26 ‐ Filtro gaussiano usato in trasmissione ... 51 Figura 27 ‐ Spettro del filtro Gaussiano al variare di α ... 53 Figura 28 ‐ Andamento nel tempo della funzione q(t‐nTs) ... 55 Figura 29 ‐ Andamento della fase per modulazione MSK ... 56 Figura 30 ‐ Diagramma fasoriale dell'andamento di xmsk(t) ... 57 Figura 31 ‐ Componente in fase del segnale MSK in funzione di ui ... 57 Figura 32 ‐ Impulso utilizzato in MSK ... 58 Figura 33 ‐ Componente in quadratura del segnale MSK in funzione del simbolo da trasmettere ... 59Figura 34 ‐ Struttura per ricevitore MSK ... 59 Figura 35 ‐ Effetto del filtro gaussiano sul’impulso di modulazione q(t) ... 60 Figura 36 ‐ Spettri teorici della GMSK al variare di BT ... 61 Figura 37 ‐ Diagramma ad occhio teorico caso MSK e GMSK (da spettro) ... 63 Figura 38 ‐ Schema del trasmettitore GSM ... 63 Figura 39 ‐ Schema del codificatore di sorgente RPE ‐ LTP ... 64 Figura 40 ‐ codifiche di canale implementate sulle tre classi di bit del GSM ... 65 Figura 41 ‐ Interleaving a blocchi delle trame GSM ... 66 Figura 42 ‐ Struttura di frame e multiframe GSM ... 66 Figura 43 ‐ slot GSM e sua struttura ... 67 Figura 44 ‐ Sistema ERTMS/ETCS ... 72 Figura 45 ‐ Sisteme EIRENE ... 73 Figura 46 ‐ Architettura GSM‐R ... 74 Figura 47 ‐ Occupazione di banda del sistema GSM‐R ... 75 Figura 48 ‐ Sistema cellulare base per trasporto ferroviario ... 76 Figura 49 ‐ Situazione di areaa coperta con cluster da 7 celle ... 77 Figura 50 ‐ Copertura di una singola linea ferroviaria ... 78 Figura 51 ‐ Terminale Palmare Sagem 2W, Modulo radio 8W Sagem, Modulo radio 8W Alstom ... 80 Figura 52 ‐ Setup per la gestione della priorità ... 94 Figura 53 ‐ Ambiente di Sviluppo ... 100 Figura 54 ‐ Design del progetto ... 101 Figura 55 ‐ Occupazione RAM e uso processore fasi iniziali ... 102 Figura 56 ‐ Occupazione RAM e uso processore durante la simulazione ... 102 Figura 57 ‐ Moduli utilizzati ... 103 Figura 58 ‐ Possibile realizzazione del segnale GSM ... 108 Figura 59 ‐ Schermata principale di Output ... 121 Figura 60 ‐ Schermata principale di Output (generazione dei campioni) ... 121 Figura 61 ‐ Schermata principale di Output (fase finale) ... 122 Figura 62 ‐ IGOR PRO ... 123 Figura 63 ‐ Sistema in banda base ... 141 Figura 64 ‐ Sistema modulato in frequenza ... 142 Figura 65 ‐ Schema interpolatore lineare ... 143 Figura 66 ‐ Modulatore e demodulatore (G)MSK ... 152
Grafici
Grafico 1 ‐ Andamento dell'impulso gaussiano al variare di BT ... 111 Grafico 2 ‐ Andamento dell'integrale al variare di BT ... 113 Grafico 3 ‐ Integrale dell'impulso gaussiano al crescere di BT verso ∞ ... 113 Grafico 4 ‐ Zoom della situazione per BT Æ ∞ ... 114 Grafico 5 ‐ Spettro del rumore limitato in banda al variare del numero dei poli ... 117 Grafico 6 ‐ Spettro del rumore limitato in banda con ampiezza frequenziale di 50 e 100 Hz ... 117 Grafico 7 ‐ Disturbo piatto in banda a 2.5 e 5.0 MHz ... 118 Grafico 8 ‐ Disturbo piatto in banda a 34 MHz ... 118 Grafico 9 ‐ Disturbi impulsivi in frequenza ... 120 Grafico 10 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 0.16 ... 126 Grafico 11 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 0.3 ... 127 Grafico 12 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 0.5 ... 127 Grafico 13 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 20 ... 128 Grafico 14 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 0.16 ... 128 Grafico 15 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT = 0.3 ... 129 Grafico 16 ‐ Andamento del segnale trasmesso sul ramo I e Q per BT Æ ∞ ... 129 Grafico 17 ‐ Grafico I‐Q per BT = 0.3... 130 Grafico 18 ‐ Grafico I‐Q per BT = 0.3 (zoom) ... 130 Grafico 19 ‐ Spettro del segnale trasmesso per valori di BT tra 0.16 e 0.3, con ncis pari a 16 ... 131 Grafico 20 ‐ Spettro del segnale per valori di BT tra infinito e 0.16 per ncis = 16 ... 131 Grafico 21 ‐ Spettro del segnale al variare di ncis per BT fissato a 0.3... 132 Grafico 22 ‐ Spettro del segnale al variare di ncis per BT fissato a 0.5... 132 Grafico 23 ‐ Spettro del segnale al variare della lunghezza L del filtro gaussiano per BT = 0.5 ... 133 Grafico 24 ‐ Spettro del segnale al variare della lunghezza L del filtro gaussiano ... 133 Grafico 25 ‐ Spettro del segnale al variare di L per BT = 0.5, ncis = 256 ... 134 Grafico 26 ‐ Diagramma ad occhio componente I per sistema con BT = 0.16 ... 136 Grafico 27 ‐ Diagramma ad occhio componente Q per sistema con BT = 0.16 ... 136 Grafico 28 ‐ Diagramma ad occhio componente I per sistema con BT = 0.3 ... 137 Grafico 29 ‐ Diagramma ad occhio componente Q per sistema con BT = 0.3 ... 137 Grafico 30 ‐ Diagramma ad occhio componente I per sistema con BT = 0.7 ... 138 Grafico 31 ‐ Diagramma ad occhio componente Q per sistema con BT = 0.7 ... 138 Grafico 32 ‐ Diagramma ad occhio componente I per sistema MSK ... 139 Grafico 33 ‐ Diagramma ad occhio componente Q per sistema MSK ... 139Grafico 34 ‐ Spettro dei 19 canali GSM‐R ... 144 Grafico 35 ‐ Spettro dei 19 canali GSM‐R (non tutti attivi) ... 144 Grafico 36 ‐ Trasmissione di alcuni canali GSM‐R con SNR = 20 ... 145 Grafico 37 ‐ Trasmissione di alcuni canali GSM‐R con disturbo AWGN limitato in banda ... 146 Grafico 38 ‐ Trasmissione di alcuni canali GSM‐R con disturbo AWGN limitato in banda e disturbi cosinusoidali ... 146 Grafico 39 ‐ Trasmissione canali GSM‐R con AWGN limitato in banda e disturbi cosinusoidali e AWGN in banda ... 147 Grafico 40 ‐ Spettro in Uplink Banda GSM‐R (banda di guardia di 100 KHz) ... 147 Grafico 41 ‐ Spettro in Downlink Banda GSM‐R(banda di guardia di 100 KHz) ... 148 Grafico 42 ‐ Spettro in Uplink Banda GSM‐R(banda di guardia di 200 KHz) ... 148 Grafico 43 ‐ Spettro in Downlink Banda GSM‐R(banda di guardia di 200 KHz) ... 149 Grafico 44 ‐ Andamento del tempo del filtro adattato ... 152 Grafico 45 ‐ Ricostruzione della fase ramo Q per il caso BT = 0.3 ... 153 Grafico 46 ‐ Ricostruzione della fase ramo Q per il caso BT = 0.3 ... 153 Grafico 47 ‐ Ricostruzione della fase ramo I per il caso MSK ... 154 Grafico 48 ‐ Ricostruzione della fase ramo I per il caso MSK ... 154 Grafico 49 ‐ Segnale con rumore per basso SNR ... 155 Grafico 50 ‐ Segnale con rumore per alto SNR ... 155
