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Evoluzione della telefonia mobile: dal TACS all’UMTS

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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)

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Architettura GeneraleArchitettura Generale

• Non CablataNon Cablata (Wireless)(Wireless) 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 satellitari

Le switch units sono imbarcate su satelliti orbitanti

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Sistemi satellitariSistemi satellitari

I 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 di networking 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 dello

standard IEEE 802.11, ma il nome più usato è packetpacket radio networkradio network.

La mobilità delle switch porta alcuni problemi di organizzazione

diversi da quelli dei network cellulari

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L’universo Wireless

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Network cellulari Network cellulari

Nei Network cellulari

• le switch sono fisse e chiamate anche base base

stationstation: 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 segnali

Possiamo far coincidere la nascita delle comunicazioni mobili con l’invenzione nel 1935 della modulazione di modulazione di frequenzafrequenza (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 segnale portanteportante, producendo un segnale modulatosegnale modulato 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 modulazione

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Tecniche di modulazione

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Alcuni 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 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.

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Segnali analogici e digitali

Ad es. un segnale digitale binario

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

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Sistemi 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 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 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 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: 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 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 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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GSM(Global System for Mobile Communications)

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L’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 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 dell0 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 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 Card

La 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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Autenticazione

IMSI + 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;• MSIN Mobile Station Identification Number (max 13

cifre), numero seriale.

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Problemi 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 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 canale

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FDMA

FDMA (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 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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TDMA

Con 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 TDMS

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

FDMA: viceversa

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2G: 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 Italia

Assegnazione 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. VODAFONE: 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 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 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 di segnalazione

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GSM: canali di 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 WAP

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

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WAP: 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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WML

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: vantaggi

Standard aperti e indipendenza da un unico costruttore.

Compatibilità con diversi sistemi di trasmissione di reti mobili.

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WAP: 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-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: 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 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 circuito

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Modalità 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 pacchetto

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I-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 rete

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I-MODE: Funzionamento

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I-MODE

Se 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: Servizi

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Evoluzioni

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

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Reti 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 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 risiede nel fatto che il GPRS trasmette i dati su una rete dedicata a commutazione di pacchetto molto più veloce dell’altra.

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GPRS: Caratteristiche

Gestione flessibile ed efficiente della risorsa radio.

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

Servizio connectionless sempre disponibile

Diversi livelli di qualità di servizio (QoS), tra cui la trasmissione da 20 a 100 Kbps.

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GPRS 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 GPRS

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GPRS: 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: 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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GPRS

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: 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: 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: 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: 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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EDGE

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-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 Rete

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Edge

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 è adottato in Usa, in temporanea sostituzione del sistema UMTS, mentre in Europa ha avuto poca diffusione perché tutti gli operatori hanno optato per la tecnologia 3G.

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Migrazione da 2G a 3G

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Riassunto

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UMTS

L’ Universal Mobile Telecomunications Universal Mobile Telecomunications SystemSystem 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: Servizi

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

mondiale)

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UMTS-Nuovi Terminali

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UMTS-Nuovi Palmari

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UMTS: 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: 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: 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: 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 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 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 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 Spectrum

Chi lo ha inventato?

92

Spread Spectrum

Hedy LamarrHedy LamarrAttrice di HollywoodAttrice di Hollywood

93

CDMA

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Confronti

Dal punto di vista spettrale…

…e da quello del riutilizzo

delle frequenze nei sistemi cellulari

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MacrodiversitàUn 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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Macrodiversità

=

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Ricevitore 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 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 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).

100

GSMGSM

GPRSGPRS

UMTSUMTS

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UMTS: 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.

102

RNC

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-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 Breathing

Per 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 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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ATM

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 virtuali

I 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 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.

109

UMTS: QoS

110

The END