Generalità sui sistemi radiomobili Il sistema GSM Il sistema UMTS

Generalità sui
sistemi radiomobili
Il sistema GSM
Il sistema UMTS
Docente: Dr. Luca De Nardis
1
Servizi e Reti di
Telecomunicazione
Reti Radio-mobili Cellulari
Reti e Servizi
“Una rete di telecomunicazione è un sistema che fornisce servizi
relativi al trasferimento di informazioni ad una popolazione di
utenti distribuiti geograficamente”.
M. Ajmone Marsan, F.Neri
(http://ulisse.vercelli.polito.it/materiale_com/T4534/disp_rtlc1.pdf)
utente A
RETE DI TLC
utente B
3
Rete di Accesso e Rete Interna
utente
Ret
utente
ed
i Ac
ces
so
utente
utente
RETE INTERNA
(“core network”)
utente
utente
utente
4
Commutazione di circuito e di pacchetto
Rete a commutazione di circuito:
circuito viene riservato un collegamento
dedicato da estremo a estremo per il trasferimento
dell’informazione.
La capacità del collegamento è interamente dedicata ad una specifica
comunicazione (anche quando non viene trasmesso alcun dato).
Può portare a perdite di efficienza.
Rete a commutazione di pacchetto:
pacchetto l'informazione da trasmettere
è suddivisa in pacchetti, che vengono inviati individualmente
attraverso la rete e riassemblati nella loro forma originale quando
giungono a destinazione.
Non viene assegnato un collegamento dedicato, in quanto il canale di
trasmissione viene utilizzato solo per il tempo strettamente necessario.
5
Servizi di telecomunicazione
Servizi “voce”
Servizi “dati”
Servizi “multimediali”
6
Servizi “voce”
Necessitano di una trasmissione
di tipo “real-time” :
Ritardi contenuti.
Variabilità dei ritardi ridotta.
Possono ammettere un certo
numero di errori in trasmissione.
7
Servizi “dati”
Web browsing (HTTP)
FTP
E-MAIL
FAX
File Sharing (P2P…)
Non necessitano di una trasmissione di tipo “real-time”
Ammettono un numero estremamente limitato (spesso nullo)
di errori in trasmissione.
8
Servizi “multimediali”
Video-conferenza
Video on-demand
Streaming Audio
Streaming Video
Giochi on-line
Necessitano di una trasmissione di tipo “real-time”, soprattutto
in termini di variabilità dei ritardi.
Possono ammettere un numero limitato di errori.
Necessitano spesso di ingenti capacità trasmissive.
9
Propagazione radio ideale
La corrente elettrica che scorre
nell’antenna trasmittente genera
un campo elettromagnetico che si
propaga nell’ambiente circostante.
Il campo elettromagnetico che
incide
sull’antenna
ricevente
genera su questa una corrente
elettrica.
In condizioni ideali, le onde
elettromagnetiche
prodotte
dall’antenna
trasmittente
si
irradiano nello spazio in modo
uniforme.
La potenza decresce con il
quadrato della distanza percorsa
dal campo elettromagnetico.
r(t)
s(t)
Pr
Pt
Pt ! K
Pr = 2
L
10
Propagazione radio reale
La legge ideale di attenuazione della potenza non può essere
applicata alle comunicazioni terrestri.
Il segnale emesso dall’antenna trasmittente interferisce con gli elementi
presenti nell’ambiente propagativo (terreno, vegetazione, edificati…).
La potenza emessa dall’antenna trasmittente decresce più
rapidamente con la distanza rispetto al caso di propagazione ideale.
Pt " K
Pr = !
L
2!" !5
11
Propagazione radio ideale
In un canale radio ideale il
segnale ricevuto è associato ad
un unico cammino diretto tra
l’antenna trasmittente e l’antenna
ricevente.
Gli unici effetti di disturbo che
osserviamo in ricezione sono
legati
alla
presenza
di
un’attenuazione (funzione della
distanza) e del rumore termico.
12
Propagazione radio affetta da cammini multipli
In un ambiente indoor, il segnale ricevuto è composto dalla
sovrapposizione di molteplici contributi, associati a differenti
percorsi e dunque differenti interazioni con l’ambiente propagativo
(MULTIPATH).
MULTIPATH
13
Le fluttuazioni a breve termine del segnale
Ognuno dei segnali replicati che
giunge in ricezione è contraddistinto
da una propria ampiezza e una
propria fase.
fase
La somma dei segnali può produrre in
ricezione un’interferenza costruttiva o
distruttiva.
Se il terminale è in movimento,
sperimenterà continue variazioni nelle
ampiezze e nelle fasi dei cammini
multipli, con effetti che si manifestano
già per spostamenti contenuti in
qualche unità della lunghezza d’onda
del collegamento.
Questo tipo di fluttuazione è detta a
breve termine, e le variazioni del livello
di potenza ricevuta possone essere
notevoli.
14
Le fluttuazioni a lungo termine del segnale
fluttuazioni a breve
termine e fluttuazioni
a lungo termine
Se il terminale compie spostamenti
maggiori, anche il livello medio del
segnale è soggetto a variazioni.
Con spostamenti di una certa entità,
infatti, si verifica che alcuni cammini
scompaiono e ne compaiono di
nuovi.
solo fluttuazioni a
breve termine
15
La selettività in frequenza
In ogni trasmissione radio reale, il canale
non si comporta mai nello stesso modo
nella banda del segnale.
Nel caso di trasmissione affetta da
cammini multipli la deformazione subita
dalla risposta in frequenza è di entità non
trascurabil: fenomeno della selettività in
frequenza.
frequenza
Si manifestano delle forti attenuazioni
(notch – nulli nella risposta in frequenza)
causate dal fatto che gli sfasamenti relativi
delle
diverse
componenti
possono
produrre la cancellazione di alcune
frequenze.
Per le trasmissioni a banda stretta, la
presenza di un nullo nella risposta in
frequenza può portare alla perdita
dell’intero segnale.
La selettività in frequenza produce
distorsioni sul segnale.
16
Esempio di canale selettivo in tempo
17
Esempio di canale selettivo in frequenza
18
Canale selettivo in tempo e in frequenza
19
L’interferenza inter-simbolica
Il segnale ricevuto in ambiente multipath è
composto dalla sovrapposizione di repliche
del segnale trasmesso: queste giungono in
ricezione con differenti ritardi (dovuti alle
diverse lunghezze dei percorsi associati ai
vari cammini).
L’energia ricevuta, pertanto, è allargata nel
tempo.
In un sistema digitale, l’allargamento
temporale del segnale ricevuto è causa di
Interferenza Inter-Simbolica.
Per ovviare all’interferenza inter-simbolica
generata dal multipath, in passato era
necessario
ridurre
il
bit-rate
del
trasferimento, oppure procedere ad una
complessa equalizzazione del canale
tempo-variante.
20
Schema riassuntivo dei disturbi presenti sul canale radio
Rumore Termico
Rumore
Disturbi da
accesso
multiplo
Rumore di intermodulazione
Interferenza all’interno della cella
Interferenza dalle celle adiacenti
Interferenza co-canale
Interferenza dai canali adiacenti
Attenuazione con la distanza
su larga
scala
Attenuazion
e
su
breve
scala
Fluttuazioni attorno al valore medio
Allargamento
temporale
Tempo-varianza del
canale
Attenuazione piatta
Selettività in frequenza
Fluttuazioni a breve termine
Fluttuazioni a lungo termine
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Area di copertura
Potenza
ricevuta
PR
SNR =
N
Rumore al
ricevitore
Ogni ricevitore è caratterizzabile con la sua sensibilità S, definita come il
minimo rapporto segnale rumore che garantisce le prestazioni volute.
All’aumentare della distanza del ricevitore dal trasmettitore la potenza
ricevuta decresce, quindi il valore del rapporto SNR decresce.
Oltre una certa distanza d(max), il valore del rapporto SNR raggiungerà il
valore della sensibilità del ricevitore: d(max) rappresenta una misura dell’area
di copertura del trasmettitore.
Fissata la sensibilità del ricevitore, l’area di copertura è una funzione della
potenza trasmessa.
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Modelli di previsione della propagazione elettromagnetica
Nel dimensionamento dell’area di
copertura, l’elemento più delicato
consiste nell’individuare il legame tra
l’attenuazione della potenza trasmessa
e l’ambiente di propagazione.
Nel corso degli anni, numerosi modelli
matematici e strumenti software sono
stati sviluppati per la stima di campo
elettromagnetico.
Nella definizione di un modello di
previsione, il problema fondamentale è
trovare il giusto trade-off tra costi e
accuratezza della stima.
stima
Il costo della stima va espresso in
termini di complessità computazionale e
di acquisizione dei dati geografici.
http://www.awe-communications.com
23
Dimensionamento dell’area di propagazione in base alla
potenza trasmessa dalla stazione
La potenza disponibile in trasmissione è una grandezza fissa.
Allontanandosi dal trasmettitore la potenza ricevuta decresce, e con lei il
valore del rapporto SNR al ricevitore.
Quando si giunge ad un valore di SNR che coincide con la sensibilità S del
ricevitore, si individua la distanza massima al quale può trovarsi un utente in
grado di ricevere il segnale a livelli soddisfacenti.
max) individua l’area di copertura della stazione.
Tale distanza d(max)
24
Dimensionamento della potenza trasmessa dalla stazione
in funzione della dimensione dell’area di copertura
max) alla quale può trovarsi un utente, si valuta
Partendo dalla distanza d(max)
l’attenuazione introdotta dal canale nel percorso che va dalla stazione
trasmittente a questa posizione limite.
Conoscendo il valore della sensibilità, dunque il valore della minima
potenza ricevuta necessaria a garantire il funzionamento dell’apparato, è
possibile risalire al valore di potenza che deve essere trasmessa dalla
stazione.
25
Margini di attenuazione
La valutazione dell’area di copertura implica l’individuazione
dell’attenuazione che subisce la potenza trasmessa all’aumentare
della distanza dal trasmettitore.
Per un utente al confine dell’area di copertura, il livello di potenza
ricevuta è al limite della sensibilità del suo ricevitore: qualsiasi
variazione nelle condizioni del canale porterebbe ad una situazione di
fuori servizio.
Le variazioni delle prestazioni possono essere stimate solamente per
via statistica.
Nel dimensionamento dell’area di copertura, allora, viene introdotto
un margine tale da garantire il corretto funzionamento del sistema
per una fissata percentuale di tempo.
Introdurre un margine, a livello pratico, significa aumentare la
potenza di trasmissione oppure ridurre l’area di copertura a partire
dal dimensionamento operato sul caso ideale.
26
L’impatto della mobilità
nelle comunicazioni radio
Reti Radio-mobili Cellulari
Impatto della mobilità a livello di sistema
Gestione della localizzazione
Handover
Roaming
Sicurezza
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Gestione della localizzazione
La mobilità degli utenti in all’interno della rete, impone la definizione
di procedure per la ricerca dell’utente che deve ricevere una
chiamata.
Esistono 3 approcci differenti per risalire all’informazione di
localizzazione:
Aggiornamento della localizzazione da parte dell’utente (con continue
segnalazioni ad ogni spostamento).
Ricerca dell’utente da parte della rete (senza alcuna informazione di
localizzazione).
Introduzione delle aree di localizzazione (scelta intermedia).
29
Handover (1/2)
La mobilità dell’utente porta a dover considerare il problema della
raggiungibilità del terminale da parte della stazione radio (fuoriuscita
dall’area di copertura).
All’allontanarsi dalla stazione radio base, la qualità del segnale
percepito dal terminale decresce rapidamente al di sotto della soglia
minima stabilita. In assenza di alcun meccanismo di controllo, la
chiamata è destinata ad essere interrotta.
Il problema è tanto più grave quanto è piccola l’area di copertura, nel
senso che diventa maggiore la probabilità che un utente in
movimento esca dal raggio di copertura della stazione radio base.
L’unico modo per non interrompere la chiamata, è quello di
trasferirne il controllo ad una nuova stazione radio base, in grado di
assicurare il soddisfacimento dei vincoli sulla qualità del segnale
ricevuto. Tale procedura prende il nome di handover.
handover
30
Handover (2/2)
TX A
TX B
Il processo di trasferimento della chiamata da una stazione radio
base ad un’altra richiede la risoluzione di due problematiche
differenti:
Occorre definire le modalità per accorgersi che è necessario procedere ad un
handover.
Occorre rendere il trasferimento della chiamata il più possibile trasparente per
l’utente del servizio.
31
Roaming
Nei sistemi di telecomunicazione fissi, la scelta dell’operatore che
fornisce il servizio è fatta al momento della sottoscrizione ed una
volta per tutte.
Con l’introduzione della mobilità e del concetto di area di copertura,
differenti operatori possono co-operare tra loro per offrire ai propri
utenti un’area di copertura decisamente maggiore di quella che
ognuno di essi potrebbe garantire singolarmente.
Un accordo di questo tipo prende il nome di roaming.
roaming
L’introduzione del roaming è possibile a patto che i differenti
operatori riescano a definire un insieme necessario di requisiti
tecnico-amministrativi comuni.
L’utente deve disporre di un’apparecchiatura in grado di accedere
alle reti dei differenti operatori (stessa interfaccia radio).
La definizione di uno standard è fondamentale!
32
Sicurezza
La trasmissione radio, per sua natura, è maggiormente soggetta ad
intercettazioni fraudolente.
Per garantire la sicurezza contro questo problema, in generale, si
protegge l’informazione trasmessa attraverso procedure di cifratura.
La mobilità del terminale, però, è causa di un ulteriore problema: la
gestione della sicurezza nell’accesso alla rete.
rete
Per garantire la sicurezza contro accessi non autorizzati vengono
applicate procedure di autenticazione.
Un’altra problematica che può sorgere nell’ambito di una rete
radiomobile è quella della difesa della privacy.
privacy
33
La tecnologia cellulare
Reti Radiomobili Cellulari
L’interferenza co-canale
Due trasmissioni con bande di frequenza che non si sovrappongono
possono essere ricevute separatamente senza interferenza.
Due trasmissioni con bande di frequenza che si sovrappongono anche
parzialmente interferiscono al ricevitore.
In assenza di meccanismi di codifica, si rischia di perdere l’informazione su
entrambi i canali.
P(f)
P(f)
f1
f2
f1
f2
f
f
35
Il riutilizzo spaziale delle frequenze (1/2)
A causa della disponibilità estremamente limitata di bande di
frequenza, una rete radiomobile dispone di un numero relativamente
ridotto di canali disponibili.
Il sistema GSM, ad esempio, dispone di una banda di 25MHz nella
banda dei 900MHz, che corrisponde a 125 sotto-bande larghe ciascuna
200KHz.
Nel computo effettivo dei canali a disposizione, è inoltre necessario
considerare anche la presenza di bande di guardia e di canali di
segnalazione.
banda totale assegnata all’operatore
sotto-banda (caratterizzata dalla frequenza)
36
Il riutilizzo spaziale delle frequenze (2/2)
Per essere in grado di soddisfare alle richieste di traffico di milioni di
utenti, le frequenze delle sotto-bande devono poter essere riutilizzate
spazialmente.
Se si assicura che due trasmissioni sulla stessa frequenza avvengono
a distanza tale da non interferire sensibilmente l’una con l’altra, due
utenti possono utilizzare la stessa sotto-banda in modo simultaneo.
Attraverso una distribuzione spaziale accurata delle sotto-bande, il
numero totale di trasmissioni simultanee sostenibili dalla rete cresce
sensibilmente.
Il concetto di riutilizzo spaziale delle frequenze ha dato vita allo
sviluppo della tecnologia cellulare.
37
Concetti di base della tecnologia cellulare (1/3)
L’area di copertura che deve essere servita dalla rete
viene suddivisa in celle.
Per una gestione più semplice
dal punto di vista analitico, le
celle vengono generalmente
rappresentate
in
forma
esagonale.
La maggior parte dei modelli,
considera la stazione radio
base posta al centro della
cella
38
Concetti di base della tecnologia cellulare (2/3)
Ad ogni cella viene assegnato un sottoinsieme di frequenze,
frequenze selezionate dall’insieme totale di frequenze assegnate all’operatore.
Due celle confinanti non possono mai utilizzare le stesse frequenze, in
quanto ciò porterebbe ad un’eccessiva interferenza co-canale tra celle
adiacenti.
Una frequenza appartenente ad un sottoinsieme può essere riutilizzata
solamente ad una distanza D.
Se D è scelto sufficientemente grande, l’interferenza co-canale rimane ad
un livello tollerabile che non inficia la qualità desiderata per la trasmissione
radio.
Ogni frequenza del sotto-insieme assegnato ad una cella, può essere
assegnata solo a sottoinsiemi di celle a distanza maggiore o uguale
alla distanza D.
39
Concetti di base della tecnologia cellulare (3/3)
La ripetizione spaziale delle
frequenze è realizzata in
modo regolare:
regolare tutte le celle
che dispongono dello stesso
sotto-insieme di frequenze
distano l’una dall’altra della
stessa distanza D.
40
Modelli cellulari reali
Nella realtà, le celle non sono nè perfettamente circolari né
esagonali.
La forma che assume l’area di copertura della singola cella dipende
dalla variabilità delle condizioni di propagazione.
41
Dimensionamento della cella in base al traffico (1/3)
La capacità massima di traffico smaltibile da una singola cella
dipende dal numero di canali a disposizione.
Conoscendo il numero di canali a disposizione di una cella, e
conoscendo il numero medio di utenti all’interno della cella, è
possibile valutare la probabilità di blocco di una chiamata.
Se una cella contiene un numero elevato di utenti, deve possedere
un numero elevato di canali per mantenere la probabilità di blocco al
di sotto di una soglia prefissata.
Le specifiche sulla qualità del segnale e sulla probabilità di blocco
possono portare a soluzioni discordanti!!
42
Dimensionamento della cella in base al traffico (2/3).
Una soluzione a questo problema consiste nel ridurre la
dimensione delle celle in presenza di un’elevata densità di utenti.
Riducendo la dimensione delle celle:
Diminuisce il numero di utenti per cella.
Diminuisce il numero di risorse (frequenze) necessarie per ogni cella.
Possiamo aumentare la distanza tra celle interferenti.
Il dimensionamento di una cella non dipende solamente da
problematiche di copertura,
copertura ma anche da problematiche di traffico
da smaltire.
smaltire
In ambienti rurali scarsamente abitati, gli operatori installano solitamente
Macro-celle con raggi di copertura maggiori del chilometro.
In ambienti urbani densamente abitati, la rete cellulare si basa su microcelle o pico-celle.
43
Dimensionamento della cella in base al traffico (3/3)
44
Il sistema GSM
Caratteristiche di trasmissione
Bande di frequenza:
Portanti: spaziate di 200 KHz
Allocazione Frequenze in Italia
Febbraio 2001
www.ero.dk
46
Elementi fondamentali dell’architettura interna
47
MS – La stazione mobile
La stazione mobile generalmente rappresenta
l’unica apparecchiatura dell’intero sistema
direttamente accessibile dall’utente.
La stazione mobile consiste di due elementi
principali:
Il terminale mobile (MT
MT – Mobile Termination)
Il modulo di identificazione di utente (SIM
SIM –
Subscriber Identity Module).
Solamente la presenza della SIM di un utente
rende l’apparecchio terminale una Stazione
Mobile, in grado di accedere ai servizi forniti dal
sistema GSM.
Grazie all’estraibilità della SIM e grazie alla
standardizzazione della sua interfaccia con il
terminale mobile, di fatto è possibile operare il
SIM ROAMING.
MS = MT + SIM
48
Accesso Multiplo sull’interfaccia radio (1/3)
frequenza
frequenza
Il sistema GSM si basa su uno schema di accesso multiplo che è
una combinazione di FDMA e TDMA con l’aggiunta di un
meccanismo di Frequency Hopping.
Hopping
C3
C2
C1
C0
tempo
FDMA - Frequency
Division Multiple Access
C0 C1 C2 C3 C0 C1
tempo
TDMA - Time Division
Multiple Access
49
Accesso Multiplo sull’interfaccia radio (2/3)
L’unità di trasmissione è il BURST, equivalente ad un pacchetto di 148 bit trasmesso
in una finestra temporale di (15/26)ms e in una finestra frequenziale di 200KHz.
Utilizzare un canale significa trasmettere burst in determinati istanti e a determinate
frequenze.
Definire un canale significa specificare quali slot fanno parte del canale stesso.
I canali bidirezionali hanno tra loro 45MHz di distanza in frequenza (FDD) e i flussi
sono spaziati in tempo di 3 slot.
50
Accesso Multiplo sull’interfaccia radio (3/3)
Nel dominio del tempo, gli slot sono organizzati in trame di 8 slot.
All’interno della trama gli slot sono numerati con un TN (Timeslot Number) che
va da 0 a 7.
Senza meccanismo di Frequency Hopping, un canale radio è dato da uno
schema periodico di utilizzazione degli slot con un dato TN. Tutti gli slot di
un canale si trovano sulla stessa frequenza.
Nel caso di Frequency Hopping, la frequenza può essere cambiata da slot a
slot: si aggiunge una periodicità in frequenza.
senza FH
con FH
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
51
Trasmissione della “voce” (1/2)
Il percorso della voce è soggetto ad una serie di codifiche e adattamenti.
Conversione A:
A all’interno della stazione mobile il segnale vocale “analogico” viene trasformato in un flusso binario a 13Kbit/s ed inviato in aria.
Conversione B:
B un opportuno “transcoder” (TRAU – Transcoder Rate
Adaptor Unit) genera un flusso a 64Kbit/s a partire da quello a 13Kbit/s.
A
B
52
Trasmissione della “voce” (2/2)
Il flusso di dati trasmesso in aria è un flusso binario a 13Kbit/s,
13Kbit/s ottenuto
dalla conversione digitale del segnale analogico vocale.
dal segnale vocale
analogico
13kbit/s
Vengono aggiunti bit di ridondanza
per la protezione da errore
I 456 bit risultanti dalla codifica di canale vengono
divisi in 8 pacchetti da 57 bit ciascuno (burst)
Dalla codifica della sorgente
vocale, vengono prodotti 8
bursts ogni 20 ms.
53
GPRS – General
Packet Radio Service
GPRS – Introduzione (1/3)
Nel sistema GSM è standardizzata l’interconnessione con le reti
pubbliche per dati a commutazione di pacchetto.
Un accesso di questo tipo, in ogni caso, riserva sull’interfaccia radio
un canale di traffico a commutazione di circuito per l’intera durata
della connessione.
In caso di traffico intermittente (ad esempio il traffico Internet), un
accesso di questo tipo provoca un utilizzo altamente inefficiente della
risorsa trasmissiva.
Per traffico dati intermittente, la soluzione migliore è senza dubbio
quella di introdurre un servizio portante a commutazione di
pacchetto:
Il canale a pacchetto verrebbe allocato solo quando necessario.
Una molteplicità di utenti possono condividere lo stesso canale fisico.
55
GPRS – Introduzione (2/3)
Con lo scopo di risolvere le inefficienze dell’accesso a
commutazione di circuito, il sistema GPRS (General Packet Radio
Serivice) è stato sviluppato all’interno della fase 2+ del GSM.
Il GPRS offre un servizio portante a commutazione di pacchetto per
il GSM anche sull’interfaccia radio.
Il GPRS, inoltre, semplifica e migliora l’accesso radio allre reti dati.
Supportate a pieno le reti basate sul protocollo IP (Internet).
Per introdurre il GPRS nelle reti GSM esistenti, si sono rese
necessarie alcune modifiche sia nell’infrastuttura di rete che nelle
stazioni mobili.
56
GPRS – Introduzione (3/3)
Gli utenti GPRS beneficiano di ritmi di trasferimento maggiori e
tempi di accesso ridotti.
ridotti
Nel GSM, l’instaurazione di una connessione dura alcuni secondi e i
ritmi di trasferimento per la trasmissione dati sono ristretti a 9.6Kbit/s.
Nel GPRS, la connessione offre ritmi di trasferimento fino a 40-50Kbit/s
(171.2Kbit/s massimi nominali) e l’instaurazione di una sessione dura
meno di un secondo.
Il GPRS supporta un sistema di tariffazione adeguato alla
trasmissione dati:
Nelle reti a commutazione di circuito, la tariffazione si basa sulla durata
della connessione.
Nelle reti a commutazione di pacchetto, la tariffazione può essere
basata sulla quantità di dati trasferita e sulle specifiche richieste di
Qualità del Servizio (QoS).
57
UMTS – Universal
Mobile
Telecommunication
System
Principali obiettivi dell’UMTS
Fornire un sistema unico integrato nel quale l’utente può
accedere ai servizi in modo semplice e uniforme rispetto
all’ambiente.
Fornire un’ampia gamma di servizi di telecomunicazione,
telecomunicazione
compresi quelli forniti dalle reti fisse (che richiedono ritmi binari di
trasferimento fino ai 2Mbit/s)
2Mbit/s e quelli specifici delle comunicazioni
mobili.
Fino a 144Kbit/s OVUNQUE, fino a 2Mbit/s in ambito indoor.
Servizi devono essere forniti con una Qualità del Servizio (QoS)
confrontabile con quella delle reti fisse come ISDN.
Fornire servizi attraverso dispositivi palmari, portatili, veicolari,
terminali fissi e mobili, in tutti gli ambienti.
Fornire supporto per il roaming, senza variazioni nella fruizione dei
servizi per l’utente.
59
Principali obiettivi dell’UMTS
Fornire servizi audio, dati, video e in particolare servizi multimediali.
Provvedere alla possibilità, per un utente situato nel suo ambiente
residenziale, di accedere a tutti i servizi comunemente forniti dalle
reti fisse.
Provvedere alla possibilità, per un utente situato all’interno di un
ambiente lavorativo, di accedere a tutti i servizi comunemente forniti
dalle reti locali (LANs).
Provvedere alla possibilità di sostituirsi alle reti fisse in alcune aree
a differente densità abitativa, ovviamente sotto il controllo delle
appropriate autorità nazionali.
60
Bande UMTS: situazione in Europa
Assegnati 215 MHz
• 155 MHz
TDD
• FDD
60 + 60 MHz
T D D (uso privato)
• TDD
35 MHz
FDD
1920
SAT
1980 2010 2025
2110
SAT
FDD
TDD
SAT
componente satellitare
FDD
TDD
• 60 MHz
1900
componente terrestre:
2170
2200
61
Tecniche di accesso multiplo
Lo schema di accesso multiplo CDMA assegna ad ogni utente
l’intera banda a disposizione per tutto il tempo della comunicazione.
FDMA : solo una porzione della frequenza per tutto il tempo.
TDMA : tutta la frequenza ma solo per intervalli ridotti di tempo.
62
La tecnica CDMA
Ad ogni utente è assegnato un codice differente.
Tutti gli utenti utilizzano contemporaneamente la stessa banda di
frequenza: non è necessaria nessuna allocazione di slot temporali o
di sotto-canali frequenziali.
La banda occupata da un segnale codificato è maggiore della banda
originale del segnale dell’utente.
La tecnica CDMA è una modulazione a “spettro espanso” (Spread
Spectrum – SS ).
L’operazione di espansione della banda viene denominata “spreading”
del segnale.
Le prestazioni di un sistema CDMA sono legate alla capacità del
ricevitore di estrarre il segnale utile dalla sovrapposizione dei
segnali trasmessi sulla stessa banda.
Scelta opportuna dei codici.
Controllo della potenza in trasmissione.
63
DS-CDMA (1/4)
Cx
x(t)
s(t)
CODIFICA
frequenza
banda di frequenza del
segnale originale
frequenza
banda di frequenza del
segnale codificato
64
DS-CDMA (2/4)
Utente 1
Utente 2
65
Utente 1
Segnale
codificato
dell’utente 1
Utente 2
DS-CDMA (3/4)
Segnale
codificato
dell’utente 2
Somma dei
segnali codificati
dell’utente 1 e
dell’utente 2
66
DS-CDMA (4/4)
codice assegnato all’utente 1
segnale ricevuto
moltiplicatore
segnale utente 1
segnale decodificato
67
Guadagno di codice e fattore di spreading (1/2)
frequenza
banda di frequenza del
segnale originale
frequenza
banda di frequenza del
segnale codificato
banda del segnale trasmesso
G=
banda originale
Rt R0 ! S
G=
=
=S
R0
R0
guadagno di codice
Rt = ritmo binario trasmesso
R0 = ritmo binario originale
S = fattore di spreading (di allargamento)
68
Guadagno di codice e fattore di spreading (2/2)
banda del segnale trasmesso
S =G =
banda originale
banda del segnale trasmesso = S ! banda originale
banda originale grande = piccolo fattore di spreading
riesco a “schiacciare” poco lo spettro originale, quindi
devo limitare la potenza del segnale da trasmettere se
non voglio provocare troppa interferenza!
banda originale piccola = elevato fattore di spreading
riesco a “schiacciare” molto lo spettro originale,
quindi posso permettermi di trasmettere a potenze
maggiori.
69
Vantaggi delle tecniche Spread Spectrum
Resistenza all’interferenza radio a banda stretta e ai disturbi intenzionali
(jamming).
jamming
Maggiore resistenza ai fenomeni di selettività in frequenza del canale radio.
Bassa probabilità di intercettazione (LPI – Low Probability of Interception).
Interception
Capacità di accesso multiplo con un fattore di ri-uso pari ad 1.
Riduzione dei tempi di accesso alla risorsa.
A fronte di un controllo sul livello tollerabile di interferenza, un utente provvisto di
codice può accedere direttamente alla risorsa radio senza attendere
l’allocazione di un canale.
Flessibilità nell’allocazione della risorsa.
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Pianificazione cellulare per sistemi 3G
schema di ri-uso frequenziale
con fattore 7
schema di ri-uso frequenziale
con fattore 1
Ogni trasmissione occupa l’intera banda a disposizione: la presenza del
codice permette, in ricezione, di recuperare l’informazione di interesse e di
scartare quella interferente.
Non è più necessario il riutilizzo spaziale delle frequenze!
frequenze E non è più
necessario stilare un piano di distribuzione delle frequenze tipico dei sistemi
di seconda generazione.
L’aspetto critico nel progetto della rete diventa la pianificazione dei livelli di
potenza per la gestione dell’interferenza.
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Controllo dell’interferenza (1/2)
Adoperando tecniche di accesso a spettro espanso, ogni segnale
codificato viene ricevuto “mescolato” con differenti segnali di
disturbo:
Rumore di fondo (rumore termico)
Interferenza a banda stretta (generata eventualmente da altri sistemi)
Interferenza a banda larga generata dagli altri utenti della cella e
dagli utenti delle celle adiacenti.
Il dimensionamento delle celle deve tenere conto del limite massimo
di interferenza che il sistema può sopportare.
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Controllo dell’interferenza (2/2)
Pr
SNR =
N+I
All’aumentare del numero di utenti diminuisce gradualmente la qualità
del servizio,
servizio ovvero si innalza la percentuale di errori commessi in
trasmissione.
Questa degradazione “morbida” del servizio prende il nome di soft-blocking.
soft-blocking
La tecnica WCDMA soffre dell’effetto near-far per la tratta di Uplink: a parità
di potenza trasmessa dai terminali, gli utenti più vicini alla stazione radio
base tendono a coprire i segnali degli utenti più lontani.
Servono procedure di controllo di potenza.
L’area di copertura di ogni cella deve variare dinamicamente in
funzione degli utenti presenti.
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Il problema del Power Control
In assenza di un meccanismo adeguato di controllo della potenza, un
sistema WCDMA non è in grado di operare correttamente.
Le tecniche di accesso FDMA e TDMA hanno prestazioni limitate dalla
banda disponibile.
Il controllo di potenza viene applicato per ridurre l’interferenza legata al ri-utilizzo
spaziale della risorsa (interferenza proveniente dalle altre celle).
La tecnica di accesso CDMA ha prestazioni limitate dal livello di
interferenza.
Il controllo di potenza viene introdotto principalmente per ridurre l’interferenza
all’interno della stessa cella.
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Controllo adattativo dell’area di copertura (1/5)
Assumendo di applicare un meccanismo di Power Control, è immediato
valutare il decadimento nelle prestazioni associato alla presenza di un certo
numero di utenti all’interno della cella.
G ! Pr
SNR =
N + ( K " 1) ! Pr
G: guadagno di processo
all’operazione di decodifica).
(dovuto
K: numero totale di utenti.
Pr : potenza ricevuta da ogni terminale.
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Controllo adattativo dell’area di copertura (2/5)
G ! Pr
SNR =
N + ( K " 1) ! Pr
All’aumentare del numero di
utenti presenti all’interno
della cella, le prestazioni del
sistema decadono.
Per un fissato valore di
potenza
ricevuta,
è
possibile valutare il numero
massimo di utenti che è
possibile ammettere nella
cella tale da garantire il
rispetto delle prestazioni
richieste dalle applicazioni.
11 utenti
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Controllo adattativo dell’area di copertura (3/4)
Aumento del
numero di utenti
prestazioni
insufficienti
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Controllo adattativo dell’area di copertura (4/4)
RIDUZIONE DEL
RAGGIO DELLA CELLA
Al variare delle condizioni di carico di una cella, l’area di copertura deve
variare in modo da tenere il livello di interferenza al di sotto del livello
massimo consentito.
Il meccanismo di controllo adattativo della potenza prende il nome di “Cell
Breathing”
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