GSM - parte IVGSM GSM -- parte IVparte IV

Il livello fisico dell’interfaccia radio (Um)

Il livello fisico dell’interfaccia radio (Um)

Argomenti della lezioneArgomenti della lezione

F[MHz]

F[MHz]

880880890890

915915 935935960960925925

1710171017851785 18801880

18051805

DCS/1800uplinkDCS/1800uplink

DCS/1800downlinkDCS/1800downlink

GSM primario downlinkGSM primario downlinkGSM primario uplinkGSM primario uplink

GSM esteso uplinkGSM esteso uplinkGSM esteso downlinkGSM esteso downlink

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

Esistono terminali “tri-band”Esistono terminali “tri-band”

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

In USA si usano bandeintorno a 1900 MHz anziché

intorno a 1800 MHz

In USA si usano bandeintorno a 1900 MHz anziché

intorno a 1800 MHz

In Italia le frequenze in usoper il TACS erano nella banda

assegnata al GSM a livello internazionale, creando

quindi situazioni di conflitto

In Italia le frequenze in usoper il TACS erano nella banda

assegnata al GSM a livello internazionale, creando

quindi situazioni di conflitto

Assegnazione delle frequenzein ItaliaAssegnazione delle frequenzein Italia

A 900 dispone di 124 (125-1) canali FDM nella parte primaria dello spettro più 50 canali nella parte estesa

A 900 dispone di 124 (125-1) canali FDM nella parte primaria dello spettro più 50 canali nella parte estesa

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

A 1800 dispone di 374 (375-1)canali FDMA 1800 dispone di 374 (375-1)canali FDM

Il canale all’estremo inferiorenon è mai usatoIl canale all’estremo inferiorenon è mai usato

Se possibile, sia a 900 che a 1800 anche i canali all’estremo superiore sono usati come “guardia”

Se possibile, sia a 900 che a 1800 anche i canali all’estremo superiore sono usati come “guardia”

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali

(ARFCN - Absolute Radio FrequencyChannel Number),

che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso)

indipendemente dal fatto che sia GSM/900 o DCS/1800

Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali

(ARFCN - Absolute Radio FrequencyChannel Number),

che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso)

indipendemente dal fatto che sia GSM/900 o DCS/1800

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

I canali GSM-900 hanno ARFCN da 0 a 124 (primario)

e da 974 a 1023 (esteso)

I canali GSM-900 hanno ARFCN da 0 a 124 (primario)

e da 974 a 1023 (esteso)

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fissoe distano:

I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fissoe distano:

45 MHz a 900 MHz45 MHz a 900 MHz95 MHz a 1800 MHz95 MHz a 1800 MHz

Frequenze assegnateal GSM (Europa)Frequenze assegnateal GSM (Europa)

Assegnazione delle frequenzein ItaliaAssegnazione delle frequenzein Italia

Assegnazioni per l’uplink nel 1997 (quelle per il downlink

si ottengono aggiungendo 45 MHz)

Assegnazioni per l’uplink nel 1997 (quelle per il downlink

si ottengono aggiungendo 45 MHz)

Esempio:Esempio:

TACS da 882 MHz a 902.6TACS da 882 MHz a 902.6

GSM TIM da 902.7 MHz a 908.2-GSM TIM da 902.7 MHz a 908.2-

GSM Vodafone da 908.2+ MHz a 913.7GSM Vodafone da 908.2+ MHz a 913.7

Dati generaliBande di frequenzaDati generaliBande di frequenza

Distanza tra portanti 200 KHzDistanza tra portanti 200 KHz

Dati generaliDati generali

Codifica a 13 kb/s (full rate)o 6.5 kb/s (half rate) Codifica a 13 kb/s (full rate)o 6.5 kb/s (half rate)

Definizione di interfacce standard (non proprietarie) tra elementidella rete

Definizione di interfacce standard (non proprietarie) tra elementidella rete

Modulazione GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)Modulazione GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)

Uso di controllo di potenzaUso di controllo di potenza

Dati generaliDati generali

Uso dell’interleavingUso dell’interleaving

Tecnica di Accesso e Struttura dei CanaliTecnica di Accesso e Struttura dei Canali

GSM usa una tecnica di accesso mista a divisione di tempo e frequenza (FDMA/TDMA)

GSM usa una tecnica di accesso mista a divisione di tempo e frequenza (FDMA/TDMA)

La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 kHz l’uno

La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 kHz l’uno

Ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica TDMLa trama TDM è quindi composta da 8 slot

Ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica TDMLa trama TDM è quindi composta da 8 slot

Tecnica di Accesso e Struttura dei CanaliTecnica di Accesso e Struttura dei Canali

La velocità di cifra al trasmettitore è di circa 271 kbit/sLa velocità di cifra al trasmettitore è di circa 271 kbit/s

Tecnica di Accesso e Struttura dei CanaliTecnica di Accesso e Struttura dei Canali

La trasmissione è organizzatain “burst” La trasmissione è organizzatain “burst”

Ogni TM trasmette un blocco di datiin un intervallo temporale (1 canale TDM) e “tace” durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali

Ogni TM trasmette un blocco di datiin un intervallo temporale (1 canale TDM) e “tace” durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali

la durata della trama TDM è di 4.615 msLa durata di uno slot è di 0.577 ms e uno slot trasporta 156.25 bit (271 kbps*0.577)La durata di un bit è di 3.69µs

la durata della trama TDM è di 4.615 msLa durata di uno slot è di 0.577 ms e uno slot trasporta 156.25 bit (271 kbps*0.577)La durata di un bit è di 3.69µs

Struttura della trama GSMStruttura della trama GSM

FDM/TDMFDM/TDM

Frequenza + time slot = canale fisicoFrequenza + time slot = canale fisico

0.577 (15/26) ms156.25 bit

0.577 (15/26) ms156.25 bit

4.615 ms4.615 ms

00776655443311...... 22 11 ......6655443322

00776655443311...... 22 11 ......6655443322

00776655443311...... 22 11 ......6655443322

tempotempo

frequenzafrequenza

n+1

n

n-1

n+1

n

n-1

200 kHz200 kHz

Ciascun time slot porta un burst di trasmissioneCiascun time slot porta un burst di trasmissione

Struttura della trama GSMStruttura della trama GSM

La trasmissione bidirezionalein GSM è ottenuta mediante separazione sia in frequenza sia in tempo; in questo modo

serve una sola interfaccia radio!

La trasmissione bidirezionalein GSM è ottenuta mediante separazione sia in frequenza sia in tempo; in questo modo

serve una sola interfaccia radio!

Le trame sui canali uplinke downlink sono sincronizzate (su

base slot) e sfasate di 3 slot, in modo da consentire la separazione

tra trasmissione e ricezione

Le trame sui canali uplinke downlink sono sincronizzate (su

base slot) e sfasate di 3 slot, in modo da consentire la separazione

tra trasmissione e ricezione

Struttura della trama GSMStruttura della trama GSM

3107654310765 2 2

0765431076543 22

BTSTransmits

BTSTransmits

MS TransmitsMS Transmits

TDM FrameTDM Frame

4.615 ms4.615 ms

FDM/TDMFDM/TDM

55443322110066 77 66 3322110077

00776655443311 22 11 6655443322

tempotempo

frequenzafrequenza

45 MHz45 MHz

downlinkdownlink

uplinkuplink

1.73 ms1.73 ms

…

…

…

…

Avanzamento temporale (timing advance)Avanzamento temporale (timing advance)

Il non perfetto sincronismo tra TM produce interferenza

tra time-slot vicini

Il non perfetto sincronismo tra TM produce interferenza

tra time-slot vicini

I terminali a distanza diversa dalla BTS subiscono ritardi

di propagazione diversi

I terminali a distanza diversa dalla BTS subiscono ritardi

di propagazione diversi

La BTS ordina al terminaledi anticipare la trasmissione

di una quantità di tempo che compensa il ritardo

di propagazione

La BTS ordina al terminaledi anticipare la trasmissione

di una quantità di tempo che compensa il ritardo

di propagazione

Avanzamento temporale (timing advance)Avanzamento temporale (timing advance)

Avanzamento temporale (timing advance)Avanzamento temporale (timing advance)

BTS txBTS tx

TM rxTM rx

00 11 22 33 44 55 66 77 00 11 22……

TrTr

TM txTM tx

BTS rxBTS rx

SenzaTA

SenzaTA

TM txTM tx

BTS rxBTS rx

TaTa

ConTA

ConTA

Il TA riesce a compensare fino ad un ritardo di 233 µs (limitato

dal turn-around time del transceiver), che corrispondono

a 35 km di raggio max di una cella GSM

Il TA riesce a compensare fino ad un ritardo di 233 µs (limitato

dal turn-around time del transceiver), che corrispondono

a 35 km di raggio max di una cella GSM

Avanzamento temporale (timing advance)Avanzamento temporale (timing advance)

Per risparmiare le batterie e ridurre l’interferenza il trasmettitore RF

viene spento quando non trasmettee anche quando non vi è informazione

da trasmettere (soppressione dei silenzi)

Per risparmiare le batterie e ridurre l’interferenza il trasmettitore RF

viene spento quando non trasmettee anche quando non vi è informazione

da trasmettere (soppressione dei silenzi)

Tecnica di Accessoe Struttura dei CanaliTecnica di Accessoe Struttura dei Canali

Spegnimento e accensione del trasmettitore RF pongono notevoli

problemi di “ramping”,cioè di transitorio per portare

l’amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati

Spegnimento e accensione del trasmettitore RF pongono notevoli

problemi di “ramping”,cioè di transitorio per portare

l’amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati

Tecnica di Accessoe Struttura dei CanaliTecnica di Accessoe Struttura dei Canali

Gli amplificatori hanno dei tempinon nulli di accensione e spegnimento (ramp-up/down)

Gli amplificatori hanno dei tempinon nulli di accensione e spegnimento (ramp-up/down)

La trasmissione deve avvenirea inviluppo costante e senza interferenza con lo slot precedente e successivo

La trasmissione deve avvenirea inviluppo costante e senza interferenza con lo slot precedente e successivo

Ramp-up e inviluppoRamp-up e inviluppo

Ramp-up e inviluppoRamp-up e inviluppo

tempotempo

148 bit

546.12 µs

148 bit

546.12 µs

+4dB+4dB

+1dB+1dB

-6dB-6dB

-30dB-30dB

-70dB-70dB

-1dB-1dB

28 µs28 µs 28 µs28 µs≈

Servono dei periodi di guardiaprima e dopo la trasmissione dell’informazione utile

Servono dei periodi di guardiaprima e dopo la trasmissione dell’informazione utile

Nei periodi di guardia i segnalisi possono sovrapporreNei periodi di guardia i segnalisi possono sovrapporre

Ramp-up e inviluppoRamp-up e inviluppo

Nei time-slot si devono prevedere opportuni tempi di guardia

Nei time-slot si devono prevedere opportuni tempi di guardia

Ramp-up e inviluppoRamp-up e inviluppo

tempotempo

148 bit

546.12 µs

148 bit

546.12 µs

+4dB+4dB

+1dB+1dB

-6dB-6dB

-30dB-30dB

-70dB-70dB

-1dB-1dB

28 µs28 µs 28 µs28 µs≈

In GSM è previsto di poter trasmettere messaggi consecutivi della stessa comunicazione su frequenze diverse

In GSM è previsto di poter trasmettere messaggi consecutivi della stessa comunicazione su frequenze diverse

FH serve a ridurre gli effetti del fading da percorsi multipli: si guadagnano circa 2 dB

FH serve a ridurre gli effetti del fading da percorsi multipli: si guadagnano circa 2 dB

Frequency hoppingFrequency hopping

Il FH usato in GSM è lento perché il cambio di frequenza avviene con cadenza di trama (8 slot=4.615 ms) e non di pochi bit come in altri sistemi

Il FH usato in GSM è lento perché il cambio di frequenza avviene con cadenza di trama (8 slot=4.615 ms) e non di pochi bit come in altri sistemi

TM deve essere in grado di re-sintonizzare Tx ed Rxin circa 1 ms

TM deve essere in grado di re-sintonizzare Tx ed Rxin circa 1 ms

Frequency hoppingFrequency hopping

Frequency hoppingFrequency hopping

f1f1 ……77 00 11 22 77 ……00 11 22 77 ……00 11 2200 11 22 ……

……77 00 11 22 77 ……00 11 22 77 ……00 11 2200 11 22 ……f2f2

……77 00 11 22 77 ……00 11 22 77 ……00 11 2200 11 22 ……f3f3

L’uso o meno di FH è una scelta dell’operatoreL’uso o meno di FH è una scelta dell’operatore

Se la rete indica al TM di andarein modalità FH questo deve esserein grado di farlo

Se la rete indica al TM di andarein modalità FH questo deve esserein grado di farlo

FH - ModalitàFH - Modalità

Le sequenze di hopping sono calcolate da BTS ed TM in base ad algoritmi di generazione di sequenze pseudo-casuali, in alternativa si può seguire un più semplice hopping ciclico

Le sequenze di hopping sono calcolate da BTS ed TM in base ad algoritmi di generazione di sequenze pseudo-casuali, in alternativa si può seguire un più semplice hopping ciclico

Le modalità e i parametri per il calcolo della sequenza di hopping sono decise da BTSe trasmesse al TM

Le modalità e i parametri per il calcolo della sequenza di hopping sono decise da BTSe trasmesse al TM

FH - ModalitàFH - Modalità

MA (Mobile Allocation)MA (Mobile Allocation)

Vettore delle frequenze disponibiliVettore delle frequenze disponibili

MAIO (MA Index Offset)MAIO (MA Index Offset)

Valore di sfasamento del saltodi frequenzaValore di sfasamento del saltodi frequenza

Parametri dell’algoritmodi FHParametri dell’algoritmodi FH

Seme della sequenza pseudocasualeche pilota l’algoritmoSeme della sequenza pseudocasualeche pilota l’algoritmo

FN (Frame Number)FN (Frame Number)

Numero assoluto della trama GSMNumero assoluto della trama GSM

Parametri dell’algoritmodi FHParametri dell’algoritmodi FH

HSN (Hopping Sequence generator Number)HSN (Hopping Sequence generator Number)

RNTABLERNTABLE

Vettore di 128 (0-127) numeridisposti in modo pseudo-casualeVettore di 128 (0-127) numeridisposti in modo pseudo-casuale

Parametri dell’algoritmodi FHParametri dell’algoritmodi FH

MA(C0,...,CN-1)

RFCHN = MA(MAI)

RNTABLE

FN HSN

combine

combineMAIO

combine

stored locally

received from BSC (BTS)

algorithms

FH: l’algoritmoFH: l’algoritmo