GSM - parte IV. Il livello fisico dellinterfaccia radio (Um) Argomenti della lezione.

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GSM - GSM - parte IVparte IV

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F[MHz]

880890

915 935960925

17101785 1880

1805

DCS/1800uplink

DCS/1800downlink

GSM primario downlink

GSM primario uplink

GSM esteso uplink

GSM esteso downlink

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

Casetti
DCS = Digital Cellular SystemPCS = Personal Communications Service
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Esistono terminali “tri-band”

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

In USA si usano bandeintorno a 1900 MHz anziché

intorno a 1800 MHz

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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 Italia

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

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

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

Il canale all’estremo inferiorenon è mai usato

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

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

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Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali (ARFCN -

Absolute Radio Frequency Channel 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)

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

e da 974 a 1023 (esteso)

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

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I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fissoe distano: 45 MHz a 900 MHz 95 MHz a 1800 MHz

Frequenze assegnateal GSM (Europa)

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Assegnazione delle frequenzein Italia

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

aggiungendo 45 MHz)

Esempio:

TACS da 882 MHz a 902.6 GSM TIM da 902.7 MHz a 908.2 GSM Vodafone da 908.2 MHz a 913.7

Casetti
attenzione: esempio riferito al 1997 quando esisteva TACS e solo 2 operatori GSM in Italia
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Dati generaliBande di frequenza

Carla Chiasserini
prevista la possibilità per GSM di operare anche a 450, 480, 750 MHz, oltre a quelle già citate prima
Casetti
R-GSM (Railway GSM) variante del GSM commerciale appositamente progettato per rispondere alle esigenze del mondo ferroviario. Può usare 4 MHz banda inferiore a quella del GSM (876-879) più la banda del GSM estesa
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Distanza tra portanti 200 KHz

Dati generali

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

Definizione di interfacce standard (non proprietarie) tra elementi della rete

Carla Chiasserini
in particolare tra MT e BTS!! così cellulari prodotti di manufatturiere diverse possono accedere agli stessi apparati di rete (per es. BTS)
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Modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

Uso di controllo di potenza

Dati generali

Uso dell’interleaving

Casetti
GMSK deriva dalla modulazione MSK (Minimum Shift Keying) con l'introduzione di un filtro passa basso di premodulazione che riduce ulteriormente la componente fuori banda (lobi laterali). FSK (Frequency Shift Keying), trasmette i simboli variando la frequenza della modulante: al simbolo 0 corrisponde una precisa frequenza f0, al simbolo 1 una differente frequenza f1. Nella transizione da f0 a f1 o viceversa si possono generare dei salti di fase che provocano una discontinuità del segnale con conseguente allargamento dello spettro in frequenza utilizzato. Proprio questo allargamento della banda rende la modulazione FSK non adatta alle trasmissioni radiomobili.
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Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali

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

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Ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica TDM

La trama TDM è quindi composta da 8 slot

Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali

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

Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali

La trasmissione è organizzatain “burst” Ogni TM trasmette un blocco di dati in un intervallo temporale (1 canale TDM) e “tace” durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali

Carla Chiasserini
come mai la velocità di cifra è 271kbps se la banda è 200kHz?Perchè l'occupazione di banda de lobo principale della GMSK è pari a 0.74*200KHz, quindi si ha la possibilità di tx 200/0.74 kbitps=270.883 kbps.
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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 3.69s

Struttura della trama GSM

Carla Chiasserini
il quarto di bit non deve stupire,perchè la parte finale di uno slot è usato come tempo di guardia!!!
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FDM/TDM

Frequenza + time slot = canale fisico

0.577 (15/26) ms156.25 bit

0.577 (15/26) ms156.25 bit

4.615 ms 4.615 ms

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

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

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

tempo

frequenza

n+1

n

n-1

200 kHz

Ciascun time slot porta un burst di trasmissione

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Struttura della trama GSM

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

serve una sola interfaccia radio!

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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 GSM

3107654310765 2 2

0765431076543 22

BTSTransmits

MS Transmits

TDM Frame

4.615 ms

Carla Chiasserini
così ogni tranceiver alla BTS può gestire 2 portanti radio!!!
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FDM/TDM

55443322110066 77 66 3322110077

00776655443311 22 11 6655443322

tempo

frequenza

45 MHz

downlink

uplink

1.73 ms

Carla Chiasserini
TDM: ripetizione ciclica di time slot (trame)
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Avanzamento temporale (timing advance)

Il non perfetto sincronismo tra TM produce interferenza

tra time-slot vicini

I terminali a distanza diversa dalla BTS subiscono ritardi

di propagazione diversi

Carla Chiasserini
in particolare la tx di un utente lontano potrebbe interferire con la tx di un utente vicino alla BS
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La BTS ordina al terminaledi anticipare la trasmissione

di una quantità di tempo che compensa il ritardo

di propagazione

Avanzamento temporale (timing advance)

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Avanzamento temporale (timing advance)

BTS tx

TM rx

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2…

Tr

TM tx

BTS rx

SenzaTA

TM tx

BTS rx

TaConTA

Carla Chiasserini
questa differenza è ineliminabile. Sul DL quando la BS trasmette, il TM lo riceve con un certo ritardo che dipende dalla sua distanza
Carla Chiasserini
questa trama in UL è perfettamente allineata (senza TA) con quella dove il TM riceve.
Carla Chiasserini
occorre compensare 2 ritardi di propagazione (quello in DL e quello in UL
Carla Chiasserini
Il TM è sincrnizzato sulla base di quello che gli arriva dalla BTS, che gli arriva già con un ritrado di propagazione (quello in downlink), se poi non corregge col TA, la sua tx in uplink arriverebbe in ritrado alla BTS di un altro ritardo di propagazione (quello in UL). Segue che il TA deve compensare per 2 rit. propagazione (quello in DL e quello in UL). Vedi figura in questa slide.
Carla Chiasserini
Nota che la trama in cui la BTS rx Con TA è perfettamente allineata con la trama in alto nella slide della BTS (quella originaria della BTS) salvo i 3 time slot di sfasamento naturali del DL e UL.Così la trama più in basso è t.c. la tx di un MTS corrisponde esattamnete allo slot della trama originaria della BTS
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Il TA riesce a compensare fino ad un ritardo di 233 s (limitato

dal turn-around time del transceiver), che corrispondono

a 35 km di raggio max di una cella GSM

Avanzamento temporale (timing advance)

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

viene spento quando non trasmette e anche quando non vi è

informazione da trasmettere (soppressione dei silenzi)

Tecnica di Accessoe Struttura dei Canali

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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 Canali

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

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

Ramp-up e inviluppo

Casetti
Inviluppo costante=potenza costante della portante
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Servono dei periodi di guardiaprima e dopo la trasmissione dell’informazione utile

Nei periodi di guardia i segnalisi possono sovrapporre

Ramp-up e inviluppo

Nei time-slot si devono prevedere opportuni tempi di guardia

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Ramp-up e inviluppo

tempo

148 bit

546.12 s

+4dB

+1dB

-6dB

-30dB

-70dB

-1dB

28 s 28 s

Casetti
quindi in ogni slot ho 28 micros prima e dopo come tempi di guardia e 542.8 micros come tempo utile, che corrisponde a 148 bit.Quindi la struttura di un burst dovrà riflettere questa situazione (bit utili=147) e gli altri bit di guardia
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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

Frequency hopping

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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 Rx in circa 1 ms

Frequency hopping

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Frequency hopping

f1 …7 0 1 2 7 …0 1 2 7 …0 1 20 1 2 …

…7 0 1 2 7 …0 1 2 7 …0 1 20 1 2 …f2

…7 0 1 2 7 …0 1 2 7 …0 1 20 1 2 …f3

Carla Chiasserini
lo slot su cui TX un utente è sempre lo stesso, è la freq. usata che cambia!!!!
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L’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

FH - Modalità

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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

FH - Modalità

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MA (Mobile Allocation)

Vettore delle frequenze disponibili

MAIO (MA Index Offset)

Valore di sfasamento del saltodi frequenza

Parametri dell’algoritmodi FH

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Seme della sequenza pseudocasuale

che pilota l’algoritmo

FN (Frame Number)

Numero assoluto della trama GSM

Parametri dell’algoritmodi FH

HSN (Hopping Sequence generator Number)

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RNTABLE

Vettore di 128 (0-127) numeri disposti in modo pseudo-casuale

Parametri dell’algoritmodi FH

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

RFCHN = MA(MAI)

RNTABLE

FN HSN

combine

combineMAIO

combine

stored locally

received from BSC (BTS)

algorithms

FH: l’algoritmo