Sistemi wireless
Denominazione Sigla Frequenza
"f"
Lunghezza d'onda
"λ"
frequenze ultra basse
ULF ultra low frequency
0 - 3 Hz > 107m
frequenze estremamente basse
ELF extremely low
frequency
3 Hz - 3 kHz 107- 105m
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
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
30 - 300 GHz 1 cm - 1 mm
Propagazione
GPRS/UMTS D=decine di Km R = centinaia di Kb/s
Wireless LAN WLAN Wide Area Network
WAN
Campus
(es. area limitata, aeroporto, abitazione,..)
Personal area PAN Mobile LAN
WI-FI ( IEEE 802.11) D= centinaia di m o
qualcheKm R> 10 Mb/s
Bluetooth R=1 Mb/s D<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
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 sistemi
radiomobili “concorrenti”
Sistemi radiomobili
• L’utilizzo dei sistemi radio per consentire le comunicazioni con utenti 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.
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 frequenza assegnate 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 Bell da 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 sistemi radiomobili 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 trunking
automatico, 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).
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..
COPERTURA CELLULARE
RIPARTIZIONE DEL TERRITORIO IN CLUSTER DI 7 CELLE Le 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
Sistemi cellulari
Struttura cellulare
• Ogni cella è controllata da una stazione radio base.
Riuso delle frequenze
Geometria delle celle
• La struttura geometrica delle celle può essere di vario tipo.
c R c R R c
Area = 1.3R
2Area = 2R
2Area = 2.6R
2• La struttura esagonale è quella che viene generalmente utilizzata per la
pianificazione.
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
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.
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.
Soft Handover
• Il terminale che si trova al confine tra le zone di copertura di due SRB, comunicacontemporaneamente 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 dei sistemi 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.
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
Tecniche di accesso multiplo
FDMA/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 : AMPS
Downlink
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
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/TDD
Il 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.
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)
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 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 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.
Sistemi cellulari di prima generazione
Standard
AMPS/NAMPS Narrow Band Advanced
Mobile System
TACS Total Access Communication System
NMT Nordic 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 accesso
multiplo 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 KHz
Modulazione 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.
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.
• 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 un operatore 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)
Evoluzione dei sistemi radiomobili
TACS C-450 NMT RTMS RS2000 AMPS
POCSAG
BANDA III
CT1 CT2
PRIMA GENERAZIONE SECONDA GENERAZIONE
GSM DCS 1800
ERMES Pan-European
TETRA
DECT
SISTEMI CELLULARI
PAGING
RADIOMOBILI PRIVATI
CORDLESS
Sistemi cellulari di seconda generazione Principali 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 (Digital Communication 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.
Architettura delle reti mobili di seconda generazione
PSTN / ISDN
• • • • • • • • • •
MSC MSC
BSS
BSS • • • 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 I delle 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.
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.
Struttura generale del GSM
BTS MS Um
BTS
BTS BSC
Base Station Subsystem (BSS)
A-bis
A
BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller HLR: Home Location Register VLR: Visited Location Register OMC: Operation & Maintenance Centre EIR: Equipment Identity Register AUC: Authentication Centre
Mobile Services Switching Centre (MSC) HLR
EIR VLR OMC
AUC
F
H G
B C
Altre MSCs E
PSTNISDN CSPDN PSPDN Altri VLRs
Altre BSSs
D
Sottosistema di rete
Mobile Station (MS)
• La mobile station (MS) rappresenta la stazione mobile 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 caratterizzare
come proprio un qualsiasi terminale mobile GSM.
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;
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
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 Potenza massima
Tipo
1 20 W (43 dBm) Veicolare 2 8 W (39 dBm) Portatile 3 5 W (37 dBm) Palmare 4 2 W (33 dBm) Palmare 5 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
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: una Base 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.
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 soluzione è 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)
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.
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'utente IMEI, numero telefonico MSISDN, parametri di autenticazione, ecc.).
Network Subsystem (NS)
• 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 utente mobile 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 alla PLMN 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 instrada la chiamata verso il centro MSC che controlla la zona nella quale si trova l'abbonato.
Gateway Mobile Switching Center
(GMSC)
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.
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 è consentito 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 si collega al network: quando riceve o effettua una chiamata, alla scadenza dei location update periodici, alla richiesta di
attivazione, disattivazione o interrogazione dei servizi
supplementari.
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-bised è stata standardizzata. In questo modo non esistono vincoli di soluzioni proprietarie e si possono utilizzare prodotti di fornitori diversi.
BTS BTS BSC 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:
4registrazione;
4autenticazione;
4aggiornamento della posizione;
4handover;
4instradamento della chiamata;
4roaming
4fornisce 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.
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
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 MHz Downlink 935 – 960 MHz : Larghezza di banda 25 MHz
uplink downlink
100 KHz 200 KHz 100 KHz
1 2 3 4
25 MHz ……….
124Le 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),
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 1 2 3 4 5 6 7
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.
Canali di controllo
Downlink
Uplink Broadcast 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
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
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)
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)
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%).
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.
Confronto tra i
Sistemi cellulari di seconda generazione
Sistema GSM/DCS-1800 IS-54/136 PDC IS-95
Regione Europa Nord America Giappone Nord America
Banda di frequenza (MHz)
900/1800 800/1900 700/1500 800-1900
Accesso multiplo FDMA/TDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA FDMA/CDMA Separazione 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 o 1/3
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 mancavaancora un linguaggio che fosse supportato universalmente, come ad esempio l’HTML utilizzato nei browser standard, e mancavano protocolli di trasportoche potessero dialogare con detti terminali ma anche con i tradizionali server del Web.
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 e WEB) poiché entrambe utilizzano il protocollo http.
WAP Forum
• WAP Forumè 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 linguaggioWML (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.
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.
