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Evoluzione Evoluzione della telefonia mobile:della telefonia mobile:

dal TACS all’UMTSdal TACS all’UMTS

Daniele D’Agostino

Dipartimento di Informatica

Università di Genova

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Mobile Communication Networks Mobile Communication Networks

Una rete (network) è formata da Una rete (network) è formata da nodinodi e e connessioniconnessioni (link). (link).

I nodi sono di due tipi:• endpointsendpoints o hosts/terminals

che operano come sorgente/destinazione di traffico• switchswitch (router/access point/base station)

che hanno la funzione di smistare il traffico

Un network è detto mobilemobile se alcuni nodi cambiano ubicazione relativa nel tempo durante il funzionamento

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Architettura GeneraleArchitettura Generale

In funzione del grado di mobilità dei componenti una rete si definisce:

• CablataCablata ((WirelineWireline)): tutte le componenti sono fisse. Un esempio è la rete telefonica tradizionale.

• Non CablataNon Cablata (Wireless)(Wireless), che a sua volta si può suddividere in: Cellulare, in cui gli end point sono mobili e le switch sono fisse; Satellitare, in cui le switch sono satelliti orbitanti intorno alla

terra; Pocket radio, in cui sia gli end point che le switch sono mobili.

Di solito le prime due sono di tipo WWAN (Wireless Wide Area Network), mentre l’ultima è una WLAN (Wireless Local Area Network)

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Sistemi satellitariLe switch units sono imbarcate su satelliti orbitanti

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Sistemi satellitariSistemi satellitariSistemi satellitariSistemi satellitariI link sono terra-satellite o inter-satellitari. Sono di due tipi:

• pochi satelliti in orbita geostazionaria. Buona copertura, spesso basta un singolo hop.

• Low Earth Orbit (LEO) network composti da molti satelliti e molto costosi: un esempio è Iridium.

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Pocket Radio NetworkPocket Radio Network

I sistemi di comunicazione militari richiedono tecniche dinetworking di tipo adattivo, capaci di sopravvivere in ambienti ostili.Esempi: ARPANET, DARPA, PRNET, SURAN.

Di recente si è visto un interesse per l’uso anche in applicazioni civili.Questi network vengono chiamati ad hocad hoc dal comitato dellostandard IEEE 802.11, ma il nome più usato è packetpacket radio network radio network.

La mobilità delle switch porta alcuni problemi di organizzazionediversi da quelli dei network cellulari

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L’universo WirelessL’universo Wireless

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Network cellulari Network cellulari

Nei Network cellulari

• le switch sono fisse e chiamate anche base stationbase station: alcune sono

collegate alla rete in modo wired altre in modo wireless;• gli end point sono mobili, si trovano in celle, ciascuna associata ad

una base station. Questa organizzazione favorisce il riuso delle frequenze di trasmissione in celle geograficamente distanti.

Appartengono a questa categoria • le reti telefoniche cellulari come GSM/GPRS in Europa, AMPS

negli USA, PCS in Giappone;• gli standard di telefonia cordless;• le WLAN IEEE 802.11

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Trasmissione dei segnaliTrasmissione dei segnali

Possiamo far coincidere la nascita delle comunicazioni mobili con l’invenzione nel 1935 della modulazione di frequenzamodulazione di frequenza (FMFM, frequency modulation) da parte di E. H. Armstrong.

La FMFM varia proporzionalmente al segnale analogico da trasmettere (segnale modulantesegnale modulante) la frequenzafrequenza di un segnale ausiliario sinusoidale, detto carriercarrier o segnale portantesegnale portante, producendo un segnale segnale modulatomodulato che viene poi inviato tramite un mezzo trasmissivo.

La AMAM, modulazione di ampiezzamodulazione di ampiezza, al contrario, varia l’ampiezzaampiezza del carrier in funzione del segnale modulante.

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Tecniche di modulazioneTecniche di modulazione

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Tecniche di modulazioneTecniche di modulazione

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Alcuni concetti di baseAlcuni concetti di base

La trasmissione di dati può avvenire sotto due forme:

• analogica

• digitale

sincrona: trasmetto oltre al dato un segnale di

sincronizzazione, detto clock

asincrona: trasmetto solo il dato. Il clock viene

generato dal ricevitore

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Segnali analogici e digitaliSegnali analogici e digitali

Un segnale analogico può

assumere valori continuicontinui

in un certo intervallo.

Un segnale digitale può

assumere solo un numero

finitofinito di valori.

Un segnale analogico può

essere convertito in digitale

da circuiti speciali: A/D D/A

converter.

Ad es. un segnale digitale binario

assume solo i valori 0/1 (on/off).

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Sistemi cellulari: caratteristicheSistemi cellulari: caratteristiche

I sistemi radio non cellulari (radio, TV), effettuano trasmissioni di tipo broadcastbroadcast

I sistemi cellulari applicano la tecnica del riutilizzo delle frequenzeriutilizzo delle frequenze: una frequenza, (che può corrispondere ad un canale), viene utilizzata più volte in luoghi diversi, a condizione che siano sufficientemente lontani tra loro.

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Riuso delle frequenzeRiuso delle frequenze

Si suddivide il territorio

da servire in sottoaree

di dimensioni limitate, le celle.

Ogni cella gestisce alcuni

canali radio, diversi da quelli utilizzati nelle celle adiacenti, ed opera con potenza ridotta:

ciò consente di riutilizzare

le frequenze in celle

non adiacenti.

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Assegnamento delle RFAssegnamento delle RF

Lo spettro delle

radio-frequenze (RF) è diviso in due tipi di bande:

• assegnate;

• libere.

Le ultime sono soggette a regole ma non necessitano di permessi e sono prive di di tasse.

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Sistemi di Prima GenerazioneSistemi di Prima Generazione

AMPS (Advanced Mobile Phone Standard), sviluppato negli USA (1979 a Chigago).

NMT (Nordic Mobile Telephone), realizzato in Svezia nel 1981 e subito dopo in Norvegia, Danimarca e Finlandia.

TACS (Total Access Communications System), una versione modificata del sistema AMPS, nel 1985 nel Regno Unito, introdotta poi in Italia nel 1990.

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Sistemi 1GSistemi 1G

Sistemi AnalogiciModulazione FM, 1000 canali centrati nella

banda 890-960 MHz.ETACS (Extended TACS), che assegna

1320 canali nella banda 872-950 MHz.

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1G: caratteristiche1G: caratteristiche

Single Channel Per Carrier Utenti limitati dalle interferenze cocanaleNo crittografia e riconoscimento sul numero

di serie del ME (possibile clonazione)No trasmissione datiStandard nazionale

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Sistemi di Seconda GenerazioneSistemi di Seconda Generazione Nel 1982 fu creato il gruppo di studio Groupe

Speciál Mobile (GSM) per siluppare un sistema radiomobile cellulare comune per tutti i paesi dell'Europa occidentale.

Criteri • buona qualità audio, sicurezza delle

comunicazioni e bassi costi di gestione• possibilità di roaming internazionale; • supporto per nuovi sevizi (soprattutto dati); • compatibilità con il sistema digitale ISDN.

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2G: vantaggi del sistema digitale2G: vantaggi del sistema digitale

Più utenti per canale (Time Division Multiplexing); capacità maggiore (minor rumore ed interferenze); riservatezza, le informazioni trasmesse sono cifrate

direttamente dall'apparato utente; sicurezza: l'identità del ME può essere controllata

tramite un opportuno algoritmo; supporta la trasmissioni dati (il segnale vocale stesso

viene digitalizzato e poi trasmesso).

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GSMGSM((Global System for Mobile Communications)Global System for Mobile Communications)

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L’architettura di rete GSML’architettura di rete GSM

Ogni MS consiste in un terminale terminale mobilemobile o MEME (Mobile Equipment), e di una SIMSIM (Subscriber Identity Module) netta distinzione tra il cellulare e i dati dell'abbonato.

Ogni cella è servita da una stazione ricetrasmittente BTSBTS (Base Transceiver Station), che fornisce la trasmissione e la ricezione radio per e dalla stazione mobilestazione mobile o MSMS.

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L’architettura di rete GSML’architettura di rete GSM

Un gruppo di più BTS (clustercluster)) è controllato da una BSCBSC (Base Station Controller), che si occupa del mantenimento della chiamata, ovvero controlla la gestione e distribuzione dei canali e la funzione di handover.

Un gruppo di BSC è gestito da una centrale di commutazione MSCMSC (Mobile Services Switching Center): essa costituisce il cuore del sistema radiocellulare, è responsabile dell'indirizzamento delle chiamate dalla fonte alla loro destinazione.

Il MSC agisce anche come interfaccia tra la rete GSM e le reti pubbliche di telefonia e dati, e può anche essere collegato ad altri MCS sulla stesa rete e su altre reti GSM.

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L’architettura di rete GSML’architettura di rete GSM Il Registro Ubicazioni LocaliRegistro Ubicazioni Locali (HLR) contiene i dati

relativi agli utenti di un gestore.

Il Centro di AutenticazioneCentro di Autenticazione (AUC) fornisce i codici per l'autenticazione e per la cifratura.

Il Registro dell'Ubicazione dei VisitatoriRegistro dell'Ubicazione dei Visitatori (VLR) contiene e mantiene aggiornate le informazioni relative alle MS che sono presenti, nell'area da esso servita.

Il Registro Identità degli ApparecchiRegistro Identità degli Apparecchi (EIR) contiene informazioni sulle MS.

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Sim CardSim CardLa SIM card contiene: IMSI (International Mobile Subscriber Identity) una chiave segreta di autenticazione Ki un algoritmo di autenticazione (A3) un algoritmo di cifratura una lista degli operatori GSM preferenziali SMS…

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AutenticazioneAutenticazioneIMSI + Ki costituiscono l’identificazione

dell'abbonato, svincolato dall’ME utilizzato.Il codice ha una lunghezza massima di 15 cifre

ed è composto da:• MCC Mobile Country Code (3 cifre), che identifica

la nazione dell'operatore (Italia: 222); • MNC Mobile Network Code (2 cifre), identifica

l'operatore all'interno della nazione (TIM ha 01, OMNITEL ha 10);

• MSIN Mobile Station Identification Number (max 13 cifre), numero seriale.

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Problemi generaliProblemi generali

Gestione della potenza: se riduco la dimensione delle celle aumento il numero di utenti supportati.

Gestione della larghezza di banda: più utenti su di un canale maggiore la capacità.

Gestione della mobilità e scalabilità handover

location tracking

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Dimensione delle celleDimensione delle celle Il numero e la dimensione delle celle dipende dal

numero dei clienti in una certa zona, da rumori ed interferenze.

Max 35 Km di raggio, dovuto al massimo ritardo di 233x10-6 del TDMA per comunicazioni

MS-BTS-MS

(233x10-6 x 3x105 = 70 Km)

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Assegnazione di un canaleAssegnazione di un canale

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FDMAFDMAFDMA (Frequency Division Multiple Access): la banda assegnata è divisa in canali centrati su una frequenza (portante) diversa per ognuno: la risorsa elementare è la portante radio.

Usata nei sistemi 1G.

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1G: I canali1G: I canali

Circa 832 canali full-duplex, quindi 120 canali a cella circa (AMPS).

I canali sono di vario tipo:• Controllo/Gestione, BSC->ME• Paging, BSC->ME• Accesso, bidirezionali• Dati, bidirezionali.

Quindi circa 45 canali per gli utenti, divisi tra i vari gestori.

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TDMATDMACon TDMA la banda assegnata è divisa in frazioni temporali, i time

slot, che rappresentano quindi la risorsa elementare.

Una tecnica mista TDMA/FDMA è utilizzata in sistemi 2G.

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FDMA vs TDMSFDMA vs TDMS

TDMA: I segnali sono separati nel tempo ma si sovrappongono in frequenza)

FDMA: viceversa

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2G: TDMA+FDMA2G: TDMA+FDMAOgni canale (frame) è diviso in 8 frazioni temporali di circa 0,577 ms.

Il time slot k-esimo di un frame è un canale: con il Dual Band abbiamo quindi 548 portanti e 4384 canali.

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GSM in ItaliaGSM in ItaliaAssegnazione delle frequenze Extended GSM

(880-915 MHz, 925-960 MHz) del 1999. TIM: 11,4 MHz (57 portanti), ma le portanti da 51 a 64

solo per l'area urbana delle grandi città. OMNITEL: 10.6 MHz (53 portanti), con portanti 66-76

solo per l'area urbana delle grandi città. WIND: 4.8 MHz (24 canali) solo per il territorio

all'esterno dell'area urbana delle grandi città.

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GSM in ItaliaGSM in Italia

Assegnazione delle frequenze DCS

(1710-1785 MHz, 1805-1880 MHz ) del 1999.

TIM e OMNITEL: 4.8 MHz ciascuno. WIND e BLU: 10 MHz ciascuno.

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GSM: canali di trafficoGSM: canali di traffico

I canali di traffico trasportano le informazioni di tipo fonia e dati generati dall'utente. Possono essere di tipo: • TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech • TCH/FS: Full rate Speech • TCH/HS: Half rate Speech • TCH/F9.6: dati a 9.6 Kbps • TCH/F4.8: dati a 4.8 Kbps • TCH/F2.4: dati a 2.4 Kbps • TCH/F1.2: dati a 1.2 Kbps

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GSM: canali diGSM: canali di segnalazione segnalazione

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GSM: canali diGSM: canali di segnalazione segnalazione

Broadcast Control Channel: informazioni sulla BTS, 184 byte con Id cella, operatore…

Paging Channel: segnala ad un ME l’arrivo di una chiamata.

Random Access Channel – Access Grant Channel: utilizzati da ME e BTS rispettivamente per l’assegnamento dei canali.

Slow Associated Control Channel: trasporta gli SMS, misurazioni sull’intensità del segnale…

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HandoverHandoverLa possibilità di mantenere in piedi un servizio dato ad un utente

che si trova in condizioni di mobilità viene gestito dalle procedure di handover.

L’operazione è gestita dal BSC, se le due celle appartengono

allo stesso cluster, altrimenti dall’MSC.

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Il WAPIl WAPIl Wireless Application Protocol è nato nel 1997 da un consorzio di operatori nel campo della telefonia mobile, la cui definizione è: “Lo standard mondiale de facto per fornire connessioni ad Internet e servizi avanzati di telefonia a telefoni mobili, palmari ed altri terminali wireless”.

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WAP: ArchitetturaWAP: ArchitetturaL’architettura Wap ricalca quella Web, adattandone i prototcolli

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WAP: ArchitetturaWAP: ArchitetturaIl WAP gateway fa da tramite tra la rete cellulare e la rete. L'utente richiede una pagina al gateway che la traduce (decodifica) e la invia al Web server; quindi il gateway riceve la risposta dal server e la ricodifica (e comprime) per trasmetterla all'utente.

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WMLWML

E’ il linguaggio per creare pagine e servizi.Un documento è il deck, composto da più

card. Massima dimensione 1,4 KB.Viene downloadato un deck alla volta, in

formato compresso.

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WAP: vantaggiWAP: vantaggi

Standard aperti e indipendenza da un unico costruttore.

Compatibilità con diversi sistemi di trasmissione di reti mobili.

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WAP: svantaggiWAP: svantaggi

Idea di fondo di Internet su telefonino “sbagliata”

Difficile configurazione del telefonino e poca “usabilità” dello stesso

Rete GSM non lo supporta adeguatamente:Velocità scarsaTariffazione a tempo

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I-MODEI-MODE

La NTT DoCoMo nel 1999 è riuscita dove il WAP ha fallito, utilizzando i 9600bps forniti dalla rete 2G giapponese PDC.

Perché?

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I-MODE: PrincipiI-MODE: Principi

Rete a commutazione di pacchetto, evoluzione di quella esistente PDC Packed Network (PDC-P)

Indirizzato ai giovani (email, loghi, suonerie)

Terminali “adeguati”Tariffazione a traffico (ed economica)

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Modalità di trasmissioneModalità di trasmissioneNe vediamo due:

• a commutazione di circuito a commutazione di circuito

• a commutazione di pacchettoa commutazione di pacchetto

Le reti a commutazione di circuitocommutazione di circuito utilizzano le risorse disponibili per allocare un circuito ad ogni richiesta di servizio. Un circuito costituisce un collegamento “fisico” tra i terminali dei due utenti ed è a loro uso esclusivo per tutta la durata della comunicazione.

Vantaggi: efficienza e nessun rischio di congestione

Svantaggio: il costo

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Commutazione di circuitoCommutazione di circuito

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Modalità di trasmissioneModalità di trasmissione

Le reti a commutazione di pacchettocommutazione di pacchetto usano la tecnica dello store and forward (memorizzazione ed inoltro) di un pacchetto alla volta. Le informazioni da trasmettere vengono frazionate in unità di dati (pacchetti) comprendenti anche dati di controllo

(per esempio il destinatario, la posizione relativa nel flusso dei pacchetti) ed inviate una alla volta secondo cammini indipendenti tra loro ma dipendenti dalle condizioni della rete (traffico e nodi guasti). All’arrivo i pacchetti vengono riassemblati come in un puzzle.

Vantaggi: supporta più comunicazioni

Svantaggio: rischio di congestione

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Commutazione di pacchettoCommutazione di pacchetto

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I-MODE: Architettura di reteI-MODE: Architettura di rete

Due nuovi elementi di rete:Packet GateWay transfer processing

equipment, il gateway fra la rete mobile e le reti esterne (Internet).

Packet local Processing Module, si occupa della gestione dei pacchetti scambiati fra il PGM e le Base Station.

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I-MODE: Architettura di reteI-MODE: Architettura di rete

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I-MODE: FunzionamentoI-MODE: Funzionamento

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I-MODEI-MODESe la rete PDC-P introduce il trasferimento a pacchetti, il servizio

I-Mode, con il suo insieme di server, gateway e database, può essere visto come una interfaccia fra utente radiomobile e Internet.

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I-MODE: ServiziI-MODE: Servizi

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EvoluzioniEvoluzioni

2G (WAP) 2G+ (GPRS) 3G (UMTS)

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Reti 2+ GReti 2+ GL’High Speed Circuit-Switched DataHigh Speed Circuit-Switched Data (HSCS) riserva più timeslot (da 1 a 4) ad una singola connessione in uplink.

Introduce inoltre i concetti di bandwidth on-demand uplink-downlink asimmetrica.

Vantaggi: velocità fino a 56Kbps

Svantaggi rete a commutazione di circuito (costi) riduzione della capacità della cella

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GPRS: 2.5 GGPRS: 2.5 G

Il GPRS, General Packet Radio Service, è un nuovo servizio non vocale a valore aggiunto, evoluzione del GSM, che permette l’interconnessione trasparente a reti a commutazione di pacchetto esterne a partire da un accesso wireless.

La rete esistente resterà la stessa per la voce, mentre la novità risiederà nel fatto che il GPRS trasmetterà i dati su una rete dedicata a commutazione di pacchetto molto più veloce dell’altra.

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GPRS: CaratteristicheGPRS: Caratteristiche

Gestione flessibile ed efficiente della risorsa radio.

Più connessioni possono condividere la medesima risorsa di rete (il canale trasmissivo).

Servizio connectionless sempre disponibileDiversi livelli di qualità di servizio (QoS),

tra cui la trasmissione da 20 a 100 Kbps.

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GPRS e GSMGPRS e GSM

La rete GSM si può pensare come formata da due sottoreti separate quella GSM a commutazione di circuito quella GPRS a commutazione di pacchetto

Sono logicamente isolate, ma condividono BSS e HLR.

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La sottorete GPRSLa sottorete GPRS

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GPRS: Architettura di reteGPRS: Architettura di rete

Due nuovi elementi di rete: SGSNSGSN (Serving GPRS Support Node): tiene traccia dei ME

presenti nella sua area di servizio e scambia con loro i pacchetti GGSNGGSN (Gateway GPRS Support Node): fornisce la connettività

verso i protocolli di altre reti dati ( X.25) e gestisce l’instradamento dei pacchetti.

I due elementi utilizzano il GPRS tunnel protocol (GTP) ed

una tecnica di modulazione (Gaussian minimum-shift

keying) con velocità teorica massima di 171.2kbps.

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GPRS: FunzionamentoGPRS: Funzionamento

I canali a pacchetto (PDCH, insieme di timeslot) sono allocati dinamicamente su richiesta tra i canali fisici GSM disponibili nella cella, da 1 a 8 time slot ad utente.

Canali a commutazione di circuito Canali a commutazione di pacchetto

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GPRSGPRS

Il servizio GPRS, pertanto, è molto efficiente per applicazioni con le seguenti caratteristiche:• trasmissione poco frequente di piccoli o grossi volumi

di dati (applicazioni interattive);• trasmissione intermittente di traffico dati bursty

(applicazioni in cui il tempo medio tra due transazioni consecutive è di gran lunga superiore alla durata media di una singola transazione).

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GPRS: ProGPRS: Pro

Multiplexing di più connessioni su un unico canale trasmissivo, quindi condivisione tra più connessioni.

Non si richiede l'instaurazione di un circuito dedicato quindi la fase di set-up della connessione risulta notevolmente velocizzata

Eliminazione delle costose apparecchiature che, nel GSM base, fungevano da gateway per le reti a commutazione di pacchetto.

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GPRS: ControGPRS: Contro

La velocità massima dipende dal numero di utenti che utilizzano il servizio nella stessa cella.

I pacchetti possono seguire percorsi diversi ed arrivare al ricevente in qualunque ordine: overhead di informazioni.

Il tempo di viaggio dei pacchetti è imprevedibile La capacità delle celle resta limitata: il GPRS non

ha effetto sulla capacità delle celle esistenti, il numero dei canali disponibili resta invariato.

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GPRS: QoSGPRS: QoS

Tramite circuiti virtuali ed altre tecniche si possono garantire velocità, accuratezza ed affidabilità con servizi• ad alte prestazioni, in cui la varianza del parametro

prestazionale misurato è trascurabile (guaranteed service);• a buone prestazioni, con un valore ben preciso della

varianza del parametro prestazionale (predictive service);• a discrete prestazioni e da un valore non precisato della

varianza del parametro prestazionale (best effort service).

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GPRS: ConclusioniGPRS: Conclusioni

100 Kbps sono sufficienti per la maggior parte degli utenti;

costi contenuti di realizzazione;EMS – MMS.

Videotelefonia e videoconferenze comunque non sono supportabili.

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EDGEEDGE

La telefonia di terza generazione negli USA partirà in ritardo rispetto al previsto (dopo il 2004) poiché il Pentagono usa le frequenze che sarebbero destinate alla rete UMTS per la gestione degli apparati militari e della difesa missilistica.

Soluzione temporanea: EDGEEDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution), che tramite un nuovo schema di modulazione nella struttura radio GSM, l’8-PSK, aumenta il bit rate offerto.

E’ sufficiente aggiungere un ricetrasmettitore EDGE ad ogni cella esistente della rete GSM.

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Codifica 8-PSKCodifica 8-PSK

Il segnale digitale è diviso in gruppi di di tre bit: ognuna delle 8 possibili configurazioni è convertita analogicamente variando la fase della portante da 0° a 315° ad incrementi di 45°.

Baud rate: ogni simbolo trasmesso corrisponde a tre bit, quindi abbiamo 1 Baud = 3 bit.

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EDGE: Architettura di ReteEDGE: Architettura di Rete

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EdgeEdge

Il sistema EDGE costituisce la trasformazione più profonda del GSM e più vicina all'UMTS.Con una capacità trasmissiva di 384 Kbps sarebbe in grado di sostenere un buon segnale di videofonino.

Il sistema sarà adottato in Usa, in temporanea sostituzione del sistema UMTS, mentre in Europa non avrà diffusione perché tutti gli operatori hanno optato per la tecnologia 3G.

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Migrazione da 2G a 3GMigrazione da 2G a 3G

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RiassuntoRiassunto

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UMTSUMTS

L’ Universal Mobile Telecomunications SystemUniversal Mobile Telecomunications System ha come scopo fornire un unico sistema in grado di supportare tutti i servizi, voce dati e video, in vari formati e combinazioni.

Caratteristiche :  una banda utilizzabile più larga; l’interoperabilità di soluzioni base su molteplici tecnologie; l’offerta di servizi multimediali ad alta velocità.

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UMTS: ServiziUMTS: Servizi

Servizi Circuit- and Packet-Oriented Diverse QoSRoaming globaleCapacità elevate (50% popolazione

mondiale)

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UMTS-Nuovi TerminaliUMTS-Nuovi Terminali

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UMTS-Nuovi PalmariUMTS-Nuovi Palmari

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UMTS: StoriaUMTS: Storia

L’idea nasce nel 1985 con nome Future Public Land Mobile Telecommunications Systems (FPLMTS)

Nel 1996 è stata ribattezzata International Mobile Telecommunications for the year 2000 (IMT-2000).

1998: dissidi Europa-USA 1999: il 3GPP approva lo standard.

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UMTS: ProposteUMTS: Proposte

Pur basati su tecnologia W-CDMA emersero due proposte differenti: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) Cdma2000

Oggi l’UMTS è “W-CDMA based”, supporta tre modalità operazionali: direct sequence FDD (basilare per UTRA) multi-carrier FDD (cdma2000) TDD (compatibile lo standard cinese).

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UMTS: CelleUMTS: CellePrevede l’utilizzo di un’unica banda per tutte le celle.

Le celle hanno una struttura gerarchica e non hanno tutte la stessa dimensione.

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UMTS: BandaUMTS: BandaCapacità di trasmissione dati: 144 Kbps: massima mobilità e qualsiasi ambiente 384 Kbps: mobilità limitata in micro e macro celle 2 Mbps: bassissima mobilità in pico celle

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Spread SpectrumSpread SpectrumIl CDMA è uno schema di modulazione ad accesso multiplo basato su Spread SpectrumSpread Spectrum: gli utenti trasmettono alla stessa frequenza e nello stesso istante. La separazione è ottenuta assegnando a ciascun utente un codice (sequenza) diverso.

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Spread SpectrumSpread SpectrumLo spreadingspreading moltiplica ciascun segnale con una sequenza numerica, il codicecodice, diverso per ogni utente, in modo che in condizioni ideali, il despreadingdespreading, annulli l’effetto delle mutue interferenze. Il limite della capacità del sistema è dato dal livello di interferenza residua dopo l’operazione di despreading.

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Spread SpectrumSpread SpectrumLa codifica CDMA diffonde il segnale in una banda più ampia, ma il livello medio di potenza del segnale si è notevolmente ridotto.Ciò perché il livello di energia dei singoli Bit non varia con la codifica, e tale energia viene distribuita sui singoli Chip che sono in quantità ben maggiore, quindi più bassa potenza per unità di banda (W/Hz).

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Spread SpectrumSpread Spectrum

Chi lo ha inventato?

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Spread SpectrumSpread Spectrum

Hedy LamarrHedy LamarrAttrice di HollywoodAttrice di Hollywood

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CDMACDMA

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ConfrontiConfronti

Dal punto di vista spettrale…

…e da quello del riutilizzo

delle frequenze nei sistemi cellulari

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MacrodiversitàMacrodiversitàUn utente UMTS ha la possibilità di essere servito da più celle in contemporanea. Questa funzionalità, detta Macrodiversità, è resa possibile dall'utilizzo dei Ricevitori Rake, i quali possono estrarre lo stesso segnale proveniente da sorgenti differenti poichè li considera come differenti percorsi per effetto di cammini multipli dello stesso segnale.

Il vantaggio è che ciascuna cella coinvolta nel collegamento potrà trasmettere con potenze molto basse, con conseguente aumento delle capacità di cella, e i ricevitori possono utilizzare tutte le componenti trasmesse combinandole.

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MacrodiversitàMacrodiversità

=

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Ricevitore RakeRicevitore RakeIl ricevitore RakeRake (rastrello) ha una serie di finger che effettuano una operazione di despreading su ciascun percorso di ritardo del segnale, e tutti i contributi così recuperati vengono inviati ad un unico rivelatore che li ricombina in fase e ne effettua la somma.

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UMTS: Architettura di reteUMTS: Architettura di rete

La banda è quella compresa tra 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz, con canali da 5 MHz.

L’architettura del sistema UMTS può essere divisa in due segmenti principali: • la rete di accesso UTRAN (UMTS

Terrestrial Radio Access Network);• l’infrastruttura di commutazione e routing, la

Core Network (CN).

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UMTS: Architettura di reteUMTS: Architettura di reteL'UMTS differisce dal GSM per l'interfaccia radio di trasmissione (multiutenza a divisione di codice WCDMA) UTRAN.

Invece la Core Network è una diretta evoluzione: ad esempio è necessario implementare la funzione "transcoder" per la compressione della voce e l'internetworking per conversione tra i protocollo dell'interfaccia A (tra il BSS del GSM) e la Iu-CS (la corrispettiva UMTS).

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GSMGSM

GPRSGPRS

UMTSUMTS

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UMTS: UTRANUMTS: UTRAN

UTRAN è costituita da un insieme di RNSRNS (Radio Network System) connessi alla CN. Un RNCRNC è il sostituto del BSC.

Il Node-BNode-B controlla un insieme di celle e supporta sia FDD (Frequancy Division Duplex) che TDD (Time Division Duplex). E’ il nuovo BTS, l'unità fisica di trasmissione e ricezione all'interno delle celle.

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RNCRNC

Gestione autonoma delle risorse radio Ha le stesse funzioni del BSC del GSM.

Gestisce i protocolli di scambio tra le interfacce: i dati provenienti dalla CN sono multiplessati e inviati ai terminali utente e viceversa.

Funzioni come ammissione al servizio, controllo delle risorse, controllo di congestione, handover sono tutte svolte da un singolo RNC.

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Node-BNode-B

Il compito principale è la conversione dei dati, la correzione di errori, l’adattamento del rate, lo speading e despreading del WCDMA, la modulazione e demodulazione QPSK.

Misura la qualità e l'intensità del collegamento coi terminali, stima il frame error rate per l'RNC che li usa per decidere sull'handover.

Controllo di potenza del terminale.

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Cell BreathingCell BreathingPer effetto del controllo di potenza le celle UMTS hanno dimensioni variabili. Quando il numero degli utenti serviti dalla cella aumenta, aumenta il rumore, quindi si rende necessario diminuire la potenza in trasmissione per tutti gli utenti serviti, con conseguente riduzione del raggio di copertura della cella stessa.

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La Core NetworkLa Core NetworkL’architettura consiste di due domini di rete: il dominio a commutazione di circuito, incentrato intorno agli MSC; il dominio a commutazione di pacchetto, incentrato intorno ai nodi GGSN.

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ATMATM

L’integrazione con ATM (Asynchronous Transfer Mode), probabilmente la tecnologia vincente tra le reti ad alta velocità, è uno degli obiettivi dell’UMTS.

ATM è stata pensata con l’obiettivo di integrare i flussi diversi (video, audio, immagini e dati) sulla stessa infrastruttura trasmissiva, accoppiando i benefici della commutazione di circuito (bassi ritardi) e quelli della commutazione di pacchetto (gestione flessibile della banda).

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Circuiti virtualiCircuiti virtualiI circuiti virtuali possono essere commutati (switched virtual circuit, SVC), generato on-demand; permanenti (permanent virtual circuit, PVC), es. linee affittate.

Le celle di flussi distinti possono alternarsi in modo arbitrario, ma le celle di una stessa connessione percorrono il medesimo cammino e quindi, se arrivano arrivano in ordine.

La commutazione è eseguita in modo veloce in quanto i commutatori sono in genere sincroni e costituiti da elementi con solo due ingressi e due uscite, ed eseguono l’instradamento basandosi su di un solo bit, che indica porta superiore o inferiore.

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Servizi BearerServizi Bearer

BearerBearer indica un percorso di trasmissione delle informazioni con definite capacità di ritardo, velocità e qualità minima del collegamento (BER).

Il sistema UMTS può veicolare differenti tipi di bearer in funzione dei servizi richiesti e del tipo di dati che dovranno essere trasmessi, e le caratteristiche di questi vengono negoziati in fase di richiesta della connessione.

I servizi che presentano delle criticità nel ritardo della trasmissione verranno trasportati su un bearer a commutazione di circuito, mentre i servizi di trasmissione dati verranno trasportati su un bearer a commutazione di pacchetto.

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UMTS: QoSUMTS: QoS

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The ENDThe END