CAPITOLO 1:

CAPITOLO 1:

UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System)

1.1 Premessa

NeL1992 l’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni elabora le condizioni generali per un nuovo sistema di radiocomunicazione mobile, pubblicato con la denominazione di IMT-2000 (International Mobile Telecommunications System). In Europa i nuovi sistemi di radiocomunicazione mobile sono meglio conosciuti sotto il nome di UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) e rappresentano una vera innovazione rispetto ai GSM, sistemi radiomobili di seconda generazione e ai GPRS di più recente introduzione. Il sistema UMTS è stato progettato in modo altamente flessibile, al fine di fornire una vasta gamma di applicazioni eseguibili in una molteplicità di ambienti e con lo scopo primario di estendere all’ utenza mobile gran parte dei servizi attualmente offerti all’ utenza fissa.

I servizi forniti comprendono tutto ciò che attualmente viene identificato con il termine “comunicazione multimediale”, in più si ha una vasta disponibilità di applicazioni accessibili sia in modo wired che wireless. Il raggiungimento di tali obiettivi e’ possibile principalmente tramite lo sviluppo di una interfaccia radio innovativa, senza tuttavia trascurare la Core Network che supporta il sistema di accesso alla rete. Infatti, la Core Network dei sistemi di comunicazione mobile di ”seconda generazione“ è stata ottimizzata per il trasporto vocale tramite connessione a circuito, mentre l’UMTS e’ in grado di fornire anche il trasferimento dati nella modalità a pacchetto.

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1.2 Requisiti e principali innovazioni del sistema

Il Sistema UMTS e’ progettato per rispondere ai seguenti requisiti: • Business information.

• Servizi economici e finanziari: transazioni on-line.

• Internet: e-commerce, editoria on-line, video on-demand, interrogazione di data base.

• Didattica: teledidattica, scuola virtuale, laboratori on-line. • Intrattenimento: video on-demand, game on-demand, videoclip.

Media – Audio Broadcasting – Interactive Video – Production of TV/Radio content Broadband – Video Telephony – Video Conference – Video on demand Data/Internet – Internet Access – E- mail

– Real time images – Multimedia content

distribution

Mobile

– Voice – SMS

– Low rate data services (2G)

– Mobility services

3G

fig.1- Servizi offerti dai sistemi di Terza Generazione.

Dovendo ospitare un vasto numero di servizi e’ fondamentale che la rete sia in grado di garantire una certa qualità; per questo è necessario un servizio di trasporto (Bearer Service) che parta dalla sorgente e giunga fino al destinatario.

La qualità del servizio (Quality of service - QoS) di una rete viene stimata in base alla capacità di traffico supportato e al ritardo complessivo delle informazioni tra terminali (end-to-end).

Nel definire le diverse classi di QoS e’ indispensabile tenere in considerazione le limitazioni e le restrizioni proprie dell’interfaccia radio, le quali richiedono l’introduzione di meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria.

Nella rete UMTS sono previste quattro classi di QoS: conversazionale, monodiffusiva, interattiva, subordinata.

.

• Conversational class: viene utilizzata per conversazioni in tempo reale tra utenti (servizio fonico e video conferenza). Il trasferimento dei dati deve essere mantenuto basso in base alla caratteristiche delle percezioni umane.

• Streaming class: viene impiegata per programmi audio e video in tempo reale. Il trasferimento dei dati non e’ limitato in quanto al terminale determinati programmi provvedono all’adattamento per la percezione umana.

• Interactive class: viene applicata al caso in cui un utente finale richieda dati ad un apparato remoto. Alcuni esempi possono essere la ricerca su data base e l’accesso ad un determinato server. Questa classe e’ caratterizzata dal fatto che l’utente finale attende un messaggio in risposta all’interrogazione effettuata all’apparato remoto.

• Background class: si occupa del trasferimento di file come processo subordinato, quindi secondario ad altri di più alta priorità.

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fig.2- UMTS/ GPRS

Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto di traffico real-time, le ultime due sono quelle più adeguate per le tradizionali applicazioni Internet come www, e-mail, FTP, telnet, etc…

Grazie ai bassi requisiti di ritardo la Background Class e la Interactive Class offrono un minore error-rate tramite opportuni schemi di codifica e di ritrasmissione. Il traffico della Interctive Class ha una priorità più alta rispetto al traffico della Background class pertanto quest’ultima può utilizzare soltanto le risorse lasciate libere dal traffico interattivo.

1.3 Architettura di rete

La struttura della rete UMTS può essere suddivisa in tre elementi principali.

• UE (User Equipment): e’ il terminale mobile di cui si serve l’utente per usufruire di tutti i servizi offerti dalla rete. L’UMTS si basa sugli stessi principi del GSM (Global System for Mobile Communications), distinguendo tra la apparecchiatura fisica, ME (Mobile Equipment) e scheda identificativa USIM (User Subscriber Identity Module). Come per il GPRS (General Packet Radio Service), sono previsti diversi tipi di UE, in base alla modalità operativa supportata. Infatti, è possibile utilizzare solo i servizi a commutazione di circuito, solo quelli a commutazione di pacchetto oppure entrambi.

• Utran (UMTS Terrestrial Radio Access Network): è l’unità dedicata al controllo dell’accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio disponibili. Il sistema UMTS si differenzia dai sistemi GSM/GPRS proprio grazie alla presenza di questa unità che permette l’introduzione della tecnica di multiplazione a divisione di codice al posto di quella a divisione di tempo.

La caratteristica dell’interfaccia radio è quello di far convivere nello stesso standard due tecniche differenti: FDD (Frequency Division Duplexing), TDD (Time Division Duplexing).

Con la tecnica FDD vengono impiegate portanti spaziate di 5MHz per la trasmissione in uplink e in downlink; nella TDD trasmissione e ricezione avvengono in tempi distinti sulla stessa frequenza portante. Si deduce che la prima soluzione sia opportuna quando il traffico è sostanzialmente lo stesso nelle due direzioni (traffico simmetrico), mentre la seconda è più adeguata quando il traffico in una direzione è nettamente prevalente su quella nell’altra

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direzione (traffico asimmetrico, come ad esempio nel Web e nella consultazione delle banche dati).

fig.3- Modalità FDD e TDD

• CN (Core Network): Si occupa di fornire agli utenti i servizi richiesti. Può essere connessa con reti di tipo diverso che supportano svariati protocolli di comunicazione.

fig.4- Architettura di rete d’accesso radioterrestre UMTS

L’UTRAN è costituito da un insieme di Radio Network Subsystem (RNS) connessi alla Core Network attraverso l’interfaccia IU (fig.4). Un RNS comprende un controllore

Radio Network Controller (RNC) e uno o più Node B. Il Node B è un’unità fisica di

trasmissione e ricezione all’interno delle celle, è connesso alla RNC attraverso l’interfaccia IUB. All’interno dell’UTRAN, RNC differenti possono essere collegati tra loro tramite la interfaccia IUB. Ogni RNS è responsabile delle risorse del suo insieme di celle . Per ciascuna connessione tra UE ed UTRAN, esiste un RNS definito come Serving RNS, il cui compito è quello di instaurare e gestire la connessione esistente.

Le funzioni principali dell’interfaccia radio sono:

o Trasferimento dei dati d’utente: questa funzione permette di trasferire i dati attraverso L UTRAN tra le interfacce IU e UU.

o Funzioni relative al controllo dell’accesso al sistema: permettono all’utente di connettersi alla rete UMTS per poter usufruire dei servizi offerti.

o Cifratura e decifratura dei canali radio: sono utili per proteggere i dati trasmessi da intercettazioni non autorizzate (questa funzione è presente anche nell’UE).

o Funzioni relative alla mobilità: consentono di gestire la mobilità sull’interfaccia radio e di stabilire la posizione geografica di un certo terminale mobile.

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o Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio: gestiscono le risorse radio della rete, configurando opportunamente le celle e i canali di trasporto comuni. Permettono la trasmissione e la ricerca dello stesso flusso di informazioni attraverso più canali fisici da o verso un determinato terminale mobile. Sono responsabili dell’instaurazione e rilascio delle connessioni end-to-end; garantiscono una adeguata qualità della trasmissione, il controllo della potenza e della codifica di canale.

1.4 Tecnica d’accesso del sistema UMTS: CDMA

Il CDMA (Code Division Multiple Access) è una tecnica d’accesso multiplo che consente agli utenti di trasmettere sulla stessa frequenza e nello stesso istante. Ogni utente si vedrà assegnato tutto lo spettro per tutto il tempo della comunicazione. Per evitare che i segnali dei diversi comunicatori si sommino indistintamente, ad ognuno di essi è assegnato un codice binario detto

sequenza di spreading che permette di “codificare” in modo univoco i segnali

dei singoli utenti, così da renderli univocamente distinguibili.

fig.5- Operazione di spreading.

Quindi ciascun segnale che deve essere trasmesso, sul canale radio, viene moltiplicato con una sequenza binaria (fig.5), caratterizzata da una velocità di trasmissione (detta Chip Rate) molto più grande della velocità dell’informazione da trasmettere. Una volta eseguita l’operazione di spreading sui vari segnali d’utente, le rispettive sequenze di chip vengono sommate e inviate contemporaneamente sullo stesso canale. Le sequenze di codice assegnate agli utenti che condividono uno stesso canale sono tra loro diverse e sono scelte in modo che la loro cross-correlazione sia nulla (si dice che le sequenze sono ortogonali). Questo fa si che, almeno in condizioni ideali di funzionamento, l’operazione duale (despreading) in ricezione annulli l’effetto delle interferenze mutue.

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fig.6- CDMA

L’operazione di despreading (fig6) che avviene nel ricevitore riporta lo spettro del segnale utile allo stato originario, antecedente lo spreading, mentre ha un effetto di espansione sullo spettro del segnale interferente.

fig.7- Schematizzazione di un sistema di trasmissione ideale basato su CDMA

Si è parlato di condizioni ideali di funzionamento in quanto bisogna sempre tener conto di quello che avviene ai segnali durante la loro propagazione in aria dalla sorgente alla destinazione. Se tale propagazione fosse ideale, il segnale trasmesso STOT(t) (fig.7) subirebbe inevitabilmente attenuazione, distorsione e disturbi, che risultano in una degradazione delle condizioni di ortogonalità.

Questo comporta che l’interferenza reciproca non possa essere mai completamente eliminata ma solo fortemente attenuata. La conseguenza fondamentale che ne deriva è che nei sistemi di prima (TACS) e seconda (GSM) generazione l’unica limitazione alla capacità del sistema è data dal

numero prestabilito di canali di time slot1; in un sistema CDMA questa limitazione viene meno.

Però all’aumentare del numero di utenti da servire diminuisce gradualmente la qualità del servizio ovvero si innalza il valore del BER (Bit Error Rate). Pertanto nuove connessioni possono essere accettate solo fin quando il livello di interferenza rimane tale da consentire i requisiti di qualità desiderati. Questa degradazione del servizio prende il nome di Soft-Blocking.

fig.8- CDMA Multipaht channel.

Un altro vantaggio del CDMA consiste nella protezione del multipath. Al ricevitore possono giungere diverse riflessioni dello stesso segnale che in generale hanno diverse ampiezze e fasi (fig.8). La loro somma produce una distorsione del segnale originario, in quanto risulta costruttiva ad alcune frequenze e distruttiva ad altre. La protezione da questo fenomeno, nel CDMA, è intrinseca nell’uso dei codici che permettono al ricevitore di trattare le repliche del segnale con ritardo maggiore ad una certa soglia come gli altri segnali interferenti.

1 _{Time slot è l’unità temporale che contiene una serie di bit suddivisi in diversi campi. Il numero}

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1.5 Parametri caratteristici dell’operazione di

spreading

La tecnica CDMA è caratterizzata, in fase di trasmissione, dal notevole incremento della banda del segnale trasmesso rispetto a quella che sarebbe strettamente necessaria. La figura seguente aiuta a comprendere il concetto:

fig.9- Spettro del segnale prima dell’operazione di spreading .

Spettro del segnale dopo l’operazione di spreading

Detto s(t) il segnale di utente e c(t) la sequenza di spreading, moltiplicando nel tempo le due forme d’ onda otteniamo: s(t)c(t) (fig.10). Il segnale di informazione s(t) , essendo più “lento”, ha una banda fb più piccola di quella fc

della sequenza di spreading c(t), che invece è più ”veloce”. La moltiplicazione nel tempo delle due forme d’onda genera un segnale veloce quanto c(t) e quindi con la stessa banda. L’allargamento spettrale è quantificato dal cosiddetto Processing Gain (può variare da alcune decine al centinaio). Tale guadagno è pari al rapporto tra la banda del segnale trasmesso (fc) e quello del segnale di informazione (fb):

P

G

=

fb fc

fig.10- Andamento nel tempo e banda del segnale d’utente (in alto), della sequenza di spreading in

(al centro) e del loro prodotto (in basso).

Il guadagno PG è legato fortemente alla capacità della tecnica CDMA di ridurre la interferenza in ricezione. Si definisce, inoltre, Spreading Factor il numero di chip con cui viene rappresentato ogni bit di informazione. Tale fattore è legato al numero di sequenze disponibili per lo spreading, di conseguenza regola il numero di utenti che possono essere serviti. Esiste una differenza fondamentale tra Processing Gain e Spreading Factor: il primo parametro include tutte le elaborazioni che vengono eseguite tra la sorgente di informazione e l’antenna trasmittente, il che significa che non dipende solo dall’operazione di spreading; mentre il secondo parametro comprende solo l’operazione di spreading.

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1.6 Despreading e reiezione dell’interferenza

In ricezione, dopo lo stadio di despreading, è presente un filtro adattato il quale ha tipicamente una banda molto più stretta di quella del segnale interferente presente al suo ingresso. L’uso di tale filtro (passa basso) consente di selezionare la componente utile di segnale e di filtrare ciò che si trova esternamente alla banda da esso occupata. Per capire cosa succede in ricezione, supponiamo che al segnale STOT(t) (fig.11) risulti sovrapposto un disturbo additivo a banda stretta:

fig.11- Spettro del segnale ricevuto

La moltiplicazione di questo segnale per la generica sequenza di spreading CK(t) genera un segnale costituito da SK(t) (segnale utile) più un disturbo additivo il quale ha subito un allargamento di banda (fig.12).

Filtrando passa basso questo segnale (fig.13) si ottiene SK(t) a cui si è sovrapposto un disturbo la cui potenza risulta ridotta di un fattore pari al Processing Gain:

fig.13- Spettro del segnale dopo il filtraggio

Quindi, l’effetto del despreading non è solo quello di recuperare il segnale utile, ma anche quello di ridurre, di un fattore pari a PG, la densità spettrale di potenza del disturbo additivo. Il sistema risulta essere tanto più robusto nei confronti dell’interferenza tanto maggiore è il rapporto tra chip rate e velocità di cifra dell’utente. Si arriva alle stesse conclusioni anche nel caso in cui si considerasse un disturbo a banda larga. In questo caso, si considera che il disturbo sia dovuto ad un secondo utente, il segnale ricevuto sarà del tipo

STOT(t)= Sk(t)Ck(t) + Sh(t)Ch(t)

Detto Sk(t) il segnale utile, Sh(t) il segnale interferente e Ch(t) la sequenza di spreading assegnata a questo ultimo (Ch(t) diversa da Ck(t)). Moltiplicando STOT(t) per Ck(t), cioè effettuando il despreading per l’utente k, si ottiene

STOT(t) = Sk(t)Ck(t)Ck(t) + Sh(t)Ch(t)Ck(t)

Dato che il prodotto Ch(t)Ck(t) coinvolge sequenze ortogonali, il segnale

Sh(t)Ch(t)Ck(t) è ancora a spettro espanso, pertanto il successivo filtraggio tira

fuori il segnale utile Sk(t) e quella porzione di Sh(t)Ch(t)Ck(t) che risulta allocata

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1.7 Power Control (Controllo di Potenza)

Se un ipotetico terminale mobile trasmette un alto livello di potenza verso la stazione base che lo sta servendo, considerando il funzionamento del CDMA, l’interferenza provocata da tale utente è tale da degradare oltre misura le eventuali connessioni degli altri utenti . Questo problema può verificarsi anche se l’utente mobile si avvicina molto alla stazione radio base perché è come se rimanesse fermo e aumentasse la potenza trasmessa, in quanto il suo segnale subirebbe una attenuazione minore. E’ evidente dunque che, se non si prendessero dei provvedimenti, la qualità delle connessioni dei vari utenti assegnati alla stessa stazione base dipenderebbe fortemente dalla vicinanza reciproca utenti-stazione. La soluzione adottata dal sistema UMTS per prevenire questo inconveniente noto come Near-Far è il controllo di potenza. Lo scopo è quello di regolare il livello di trasmissione dei diversi segnali in modo che la stazione radio base li riceva tutti con uguale livello di potenza. Il controllo va effettuato sia sulla tratta uplink (ossia riguardante i segnali che dai vari terminali mobili giungono alla stazione radio base dove l’interferenza dovuta agli utenti della stessa cella dipende dalla distanza dei medesimi dalla stazione radio base); sia alla tratta downlink, (ossia dalla stazione radio base ai vari terminali mobili). In questo ultimo caso, però, il problema è meno critico, in quanto c’è un unica stazione radio base che multipla insieme i vari segnali di utente e li trasmette simultaneamente verso i diversi terminali mobili. Ognuno di essi, pertanto, riceve sempre i segnali (quello utile e quelli interferenti, destinati agli altri mobili) ad un livello di potenza uguale. Nella tratta downlink, l’interferenza dovuta ad utenti di una stessa cella non dipende dalla distanza dalla stazione radio base.

fig.14- Esempio di segnali che dai vari terminali mobili giungono alla SRB: tratta UPLINK

Si può evidenziare l’importanza del controllo di potenza nel tratto uplink (fig.11), studiando il caso peggiore:

PC(dB) – PI(dB) = - 80 dB

Avendo indicato con PC la potenza ricevuta del segnale utile e con PI la

potenza del segnale interferente.

fig.15- Schematizzazione del processo di generazione di un segnale ottenuto tramite CDMA

L’operazione di spreading (fig.15) comporta un allargamento della banda del segnale in ingresso dell’ordine di PG (Tb/TC):

PG = Tc Tb = Rbit Rchip =106/104=100 → 20 dB

18 Dove:

Tb= 1/Rbit ; Tc = 1/Rchip .

Rchp (chip rate) è la velocità con cui si susseguono i bit che costituiscono la sequenza di spreading. A prescindere dalla sequenza d’utente, nel sistema UMTS i chip rate è costante e pari 3,84Mchip/s (nel calcolo sopra effettuato si è approssimato a 1Mchip/s).

Rbit (bit rate) è la velocità alla quale la sorgente emette i propri bit. Nel caso, ad esempio, della voce digitalizzata, questo parametro è circa uguale 13kbit/s per i sistemi GSM, per l’UMTS si possono avere valori più bassi fino a 4kbit/s (nel calcolo sopra effettuato si è approssimato a 10kbit/s).

Pertanto, il rapporto tra la portante e l’interferenza globale sulla tratta in salita è:

⇒

I C

= - 80 + 20 = - 60 dB

Una attenuazione così bassa giustifica la necessità di applicare il controllo di potenza nella tratta uplink.

I sistemi di controllo di potenza utilizzati nel caso dell’UMTS possono essere raggruppati essenzialmente in tre classi, anche se per ogni canale vengono apportate modifiche specifiche per l’ottimizzazione del controllo stesso.

¾ Controllo di potenza ad anello aperto: questa tecnica si basa sulla stima dell’attenuazione del canale calcolata tramite misurazioni su un segnale trasmesso con potenza nota. Sulla base di tali misurazioni il trasmettitore deduce il livello di potenza da utilizzare.

¾ Controllo di potenza ad anello chiuso o ad anello interno: la potenza da usare in trasmissione viene ricavata dalle informazioni inviate dal ricevitore, il quale determina le modifiche da apportare al livello del segnale trasmesso tramite l’analisi della qualità del ricevitore.

¾

Controllo di potenza ad anello esterno: in questo caso il livello di potenza da utilizzare in trasmissione è determinato in base ad un preciso valore di potenza che si vuole raggiungere. Questa tecnica è legata al controllo di potenza ad anello chiuso.

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1.8 Suddivisioni delle bande di frequenza

I servizi previsti per i sistemi di terza generazione presentano caratteristiche del tutto nuove rispetto a quelli supportati dai sistemi attuali; questo ha portato ad identificare nuove bande di frequenza. Le frequenze assegnate al GSM nella banda dei 900 MHz e dei 1800 MHz, pur potendo far fronte ad un aumento ancora sensibile dell’utenza voce, non sono certamente in grado di soddisfare le domande emergenti nel campo dei nuovi servizi e dei servizi dati in particolare. La WARC (World Administrative Radio Conference), responsabile dell’assegnazione delle frequenze radio su base mondiale, ha riconosciuto questa esigenza, assegnando così ai sistemi 3G le bande di frequenza 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz (fig. 16).

fig.16- Bande di frequenza per i sistemi IMT -2000.

Come si vede dalla figura, ci sono due particolari bande (1980-2010 MHz e 2170-2200 MHz), ciascuna di 30 MHz e simmetriche rispetto a 2140 MHz, che sono state espressamente assegnate al segmento satellitare dell’UMTS (MSS). Per quanto riguarda l’Europa, c’è il problema che la banda compresa tra 1880 MHz e 1900 MHz viene già attualmente utilizzata dal sistema DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), per cui restano a disposizione per il segmento terrestre (cioè escludendo quello satellitare), 95 MHz nella prima banda e 60 MHz nella seconda (fig.17).

Tale restante parte dello spettro è stata suddivisa in una parte appaiata, riservata alle comunicazioni con simmetria del traffico in entrambi i sensi (da e verso il terminale mobile), ed in una parte non appaiata, riservata alle comunicazioni in cui non ci sia, a priori, una distinzione tra up-link (dal terminale mobile alla stazione radio base) e down-link (dalla stazione radio base al terminale mobile) (fig.18):

• parte appaiata: due bande da 60 MHz Luna, da 1920 a 1980 MHz per l’up-link e da 2110 a 2170 MHz per il down-link;

• parte non appaiata: 35 MHz, compresi ta 1900 e 1920 MHz e tra 2010 a 2025 MHz.

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1.9 Canali di trasmissione

La disponibilità del sistema UMTS di canali di trasmissione è abbastanza articolata; i principali canali sono DCH (Dedicated CHannel) e il DSCH (Downlink Shared CHannel), canali di trasmissione bidirezionali dedicati (uplink e downlink). Il canale DCH viene utilizzato sia in uplink sia in downlink per trasportare l’informazione utente e di controllo tra il terminale mobile e la rete. Il problema connesso all’uso di questo canale consiste nel fatto che la sua allocazione di esso equivale ad instaurare una connessione a circuito, in quanto viene riservato solamente un codice per utente, rendendo quindi possibile il rapido esaurimento delle risorse del sistema. E’ di grande importanza, perciò, l’utilizzo di adeguate strategie di rilascio del canale che permettano di sfruttare in modo efficiente l’insieme delle risorse disponibili senza influenzare eccessivamente la QoS che può essere offerta su questo canale.

Il DSCH è utilizzato in downlink per trasportare pacchetti dati, l’accesso è condiviso tra i vari utenti ed è regolato dalla stazione base. La trasmissione dati è asimmetrica a favore della ricezione. La capacità dei canali dedicati è selezionabile tramite spreading factor. La separazione degli utenti avviene tramite l’assegnazione di un codice, sequenza numerica con velocità di trasmissione molto più grande della velocità dell’informazione da trasmettere. Vengono elencati, qui di seguito, alcuni dei rimanenti canali utilizzati nel sistema:

Canali utilizzati

In downlink

Canali utilizzati

In uplink

BCH RACH PCH CPCH CTH PRACH SCH ……..

1.10 Caratteristiche interfaccia radio del sistema

UMTS

UTRA STANDARD ETSI/3GPP:

Multiple access mode

W-CDMA

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Duplexing

FDD

Channel Separation

200MHz

Channel Bandwidth

5 MHz

Chip Rate

3,84 Mcps

BS communication mode Asyncronous

Frame period

15 slot per frame (10ms)

Spreading Factors

4,8,16,32,64,256,512

Spreading Modulation

QPSK(DL);BPSK(UP)

2 _{W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) è una evoluzione della tecnologia}

CDMA.

E’ un sistema ad ampio spettro che consente una trasmissione ad alta velocità di sessioni multiple

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1.11 Applicazione delle Smart Antennas nei sistemi

UMTS

L’ultimo decennio è stato caratterizzato da un grande sviluppo dei sistemi di telecomunicazione mobile e da una richiesta crescente di servizi con capacità sempre maggiori. Il problema fondamentale dei sistemi di telecomunicazione wireless, oltre alla limitatezza dello spettro delle frequenze radio disponibili, è l’impossibilità di allocare nuova banda per incrementare la capacità dei sistemi. Uno dei modi per sfruttare la risorsa radio a disposizione è quello di utilizzare la tecnica di accesso multiplo a divisione di spazio (SDMA), che permette una differenziazione spaziale degli utenti. La tecnica SDMA consente di incrementare la capacità del sistema utilizzando una schiera di antenne ad un solo estremo del link di comunicazione (stazione base dei sistemi multicellulari). Un’applicazione di questa tecnica si ha nelle Smart Antennas (o Adaptive Array). Per il sistema UMTS è previsto l’impiego di tali antenne, le quali permettono, almeno in condizioni ideali, di creare elettronicamente lobi di irradiazione specifici per ogni utente, consentendo trasmissioni contemporanee alla stessa frequenza entro la stessa cella. I lobi principali, vengono posizionati in corrispondenza della direzione di arrivo dell’utente utile ed i nulli in corrispondenza delle direzioni di arrivo degli utenti interferenti. Il processo che consente di realizzare elettronicamente il diagramma di irradiazone desiderato è detto Beamforming (fig.19).

fig.19- Schema a blocchi Beamformer

Il segnale all’uscita del beamformer dopo la combinazione lineare assume la forma seguente: y (t) =

∑

− = 1 0 L j xj (t) wj (t)* = wH x (t)

Il vettore di coefficienti w è la quantità che permette di progettare elettronicamente il diagramma di irradiazione desiderato per ricevere correttamente il segnale utile ed annullare, quanto più è possibile, l’interferenza;