1Federico Marcheselli

Le reti Mobili Università aperta 13 feb ‘13

Quarta Lezione

Le reti Mobili

2

Argomenti del Corso:

� sistemi di comunicazione: schema a blocchi• schema a blocchi di una corretta comunicazione

• teoria di base sulla propagazione delle onde

• lo spettro elettromagnetico

• i sistemi analogici e digitali (digitalizzazione del segnale)

� gli apparati per le comunicazioni radio e le antenne• tipi di antenne (marconiana, stilo, yagi, telaio, parabola ,ecc.)

� Evoluzione dei sistemi mobili dall’ETACS all’LTE

� Reti di emergenza: la Rete Radiomobile Regionale “ERretre”• architettura della rete digitale ERretre dell’Emilia-Romagna (a standard Tetra)

• i vantaggi della rete ERretre

• tipologie ed utilizzo degli apparati digitali

ProgrammaProgramma

3

Trasmettitore

Codifica

Feed-back

Canale

Ricevitore

Decodifica

come è costituito un sistemadi comunicazione ed il processo

di comunicazione

• Trasmettitore: chi invia il messaggio

• Codifica: operazione necessaria per preparare il messaggio all’invio

• Canale: mezzo attraverso il quale viene inviato il messaggio

• Decodifica: operazione necessaria per leggere il messaggio

• Ricevitore: chi riceve il messaggio

• Feed-back : operazione necessaria per comunicare al trasmettitore

l’avvenuta ricezione del messaggio

Scopo di un sistema di comunicazione è trasmettere informazioni da una sorgente (trasmettitore) ad uno o più destinatari (ricevitore)

Sistema di comunicazioneSistema di comunicazione

4

Cosa caratterizza le onde elettromagnetiche?

• La lunghezza d’onda O: la distanza tra una cresta e la successiva (in stretta relazione con la

dimensione dell’antenna);

• L’ampiezza : il valore massimo assunto dal campo elettrico e da quello magnetico;

• La perpendicolarità dei campi : campo elettrico e campo magnetico sono sempre

perpendicolari tra loro;

• La direzione di propagazione : è sempre perpendicolare sia al campo magnetico che al

campo elettrico;

• L’energia : è sempre proporzionale alla frequenza;

• La velocità : nel vuoto è 3x10^8 m/s (in altri mezzi varia a seconda della loro densità)

Le trasmissioni radio avvengono tramite le onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio prevalentemente in linea retta ma, a seconda della

frequenza e degli ostacoli incontrati, possono subire riflessioni.

Teoria di base sulla propagazioneTeoria di base sulla propagazione

5

Tabella delle frequenze utilizzate nelle trasmissioni via etere

Lunghezza d’onda= velocità della luce/frequenza di trasmissione (�= c/f)

Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico

6

Lo spettro delle onde elettromagnetiche(lunghezze d’onda ed interazione con le dimensioni degli oggetti)

Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico

7Campionamento CodificaQuantizzazione

• I sistemi di telecomunicazione possono essere :

– Analogici : trasmettono e ricevono forme d’onda analogiche (segnale che varia con continità nel tempo).

Un segnale analogico è caratterizzato da un andamentocontinuo nell’intervallo di definizione: in tale intervallo esso può assumere con continuità tutti gli infiniti valori

– Digitali : trasmettono e ricevono segnali digitali

(segnale che può assumere solo i valori0 e 1)

Di seguito è riportato il processo di digitalizzazione di un segnale

Segnale analogico

Sistemi analogici e digitaliSistemi analogici e digitali

8

Per digitalizzare un segnale.......

CAMPIONAMENTO : si estraggono ad intervalli regolari dei campioni del segnale.

La frequenza con cui si estraggono i campioni è detta

frequenza di campionamento.

QUANTIZZAZIONE : permette di ridurre le ampiezze del segnale, variabili in originein un intervallo continuo, a un numero finito di valori.

CODIFICA: il segnale, dopo essere stato campionato e quantizzato,

viene convertito in digitale, secondo un’opportuna

codifica.

Digitalizzazione di un segnaleDigitalizzazione di un segnale

9

Radio Portatile Radio FissaRadio Veicolare

Ponte Radio

Struttura di un sistema di telecomunicazioni

Apparati Radio ricetrasmittentiApparati Radio ricetrasmittenti

10

La Sala RadioLa Sala Radio

11

Antenne : hanno il compito di irradiare o captare le onde elettromagnetiche.Generalmente troviamo due grandi distinzioni: antenne omnidirezionali(irradiano ugualmente in tutte le direzioni sul piano orizzontale) ed antennedirettive (irradiano in determinate direzioni).

Antennadirettiva

(ad esempiotelevisiva)Antenna

Omnidirezionale(ad esempio di una

radio su una vettura)

Ponte Radio(tipicamente installato

in zona dominante)

Le antenneLe antenne

12

AntenneDirettive

(parabola, antenna TV, Ponti radio, etc..)

AntenneSettoriali

(copertura cellulare, etc..)

Le antenneLe antenne

parabola TV

antenna TVparabola ponte radio

Evoluzione dei sistemi mobiliEvoluzione dei sistemi mobili

14

Comunicazione nelle reti cellulariComunicazione nelle reti cellulari

15

Reti cellulari costituite da:

• base station : alcune sono collegate alla rete in modo wired

(es CDN, fibra ottica, etc.) altre in modo wireless (es. ponti

radio);• end point mobili , si trovano in celle , ciascuna associata ad

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

Fondamentali delle reti cellulariFondamentali delle reti cellulari

TACS: sistemi di prima generazioneTACS: 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.

• ETACS (Extended TACS), che assegna 1320 canali nella banda 872-950 MHz. • Caratteristiche

o Singolo canale per portanteo Limite d’utenti dovuto alle interferenze cocanaleo No crittografia e riconoscimento sul numero di serie del ME

(possibile clonazione)o No trasmissione datio Standard nazionale

GSM: sistemi di seconda generazioneGSM: 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.

Vantaggi:• 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).

18

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

GSM: cenni di architettura (1/2)GSM: cenni di architettura (1/2)

19

Ogni MS consiste in un terminale mobileterminale mobile o MEME(Mobile Equipment), e di una SIMSIM (Subscriber IdentityModule) netta distinzione tra ilcellulare e i dati dell'abbonato.

Ogni cella è servita da unastazione ricetrasmittente BTSBTS(Base Transceiver Station), che fornisce la trasmissione e la ricezione radio per e dallastazionestazione mobilemobile o MSMS.

GSM: cenni di architettura (2/2)GSM: cenni di architettura (2/2)

20

Un gruppo di più BTS (cluster)cluster) 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 dihandover .

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 dellechiamate dalla fonte alla loro destinazione.

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

GSM: il funzionamento (1/2)GSM: il funzionamento (1/2)

21

• 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.

GSM: il funzionamento (2/2)GSM: il funzionamento (2/2)

22

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…

SIM CardSIM Card

23

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

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

z Gestione della mobilità e scalabilitàz handoverz location tracking

Vantaggi / svantaggi del GSMVantaggi / svantaggi del GSM

• 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)

24

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.

FDMAFDMA

25

Con TDMA la banda assegnata è divisa in frazioni temporali, i timeslot, che rappresentano quindi la risorsa elementare. Una tecnica mista TDMA/FDMA è utilizzata in sistemi 2G.

TDMATDMA

26

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

FDMA: viceversa

FDMA vs TDMAFDMA vs TDMA

27

Ogni 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.

2G: TDMA + FDMA2G: TDMA + FDMA

GPRS ed EDGE (1/2)GPRS ed EDGE (1/2)Il GPRS, General Packet Radio Service , è un nuovo servizio non vocale, evoluzione del GSM, che permette l’interconnessione reti a commutazione di pacchetto esterne a partire da un accesso wireless.

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• 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.

.

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).

GPRS ed EDGE (2/2)GPRS ed EDGE (2/2)

EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution): è nato come soluzione temporanea in USA a fronte del ritardo nell’avvio della telefonia di terza generazione (UMTS) a causa del mancato rilascio delle frequenze (ancora destinate all’uso militare). Non ha avuto grande diffusione in Europa.

Tramite un nuovo schema di modulazione nella struttura radio GSM, l’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°), aumenta il bit rate offerto. E’ sufficiente aggiungere un ricetrasmettitore EDGE ad ogni cella esistente della rete GSM.

Ha una capacità trasmissiva di 384 Kbps e cioè in grado di sostenere un buon segnale di videofonino.

UMTS (1/2)UMTS (1/2)

L’ Universal Mobile Telecomunications System ha come scopo quello di 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• servizi Circuit- and Packet-Oriented • diverse QoS• roaming globale• capacità elevate (50% popolazione mondiale)

Oggi l’UMTS è “W-CDMA based”, supporta tre modalità operazionali:

• direct sequence FDD (basilare per UTRA)• multi-carrier FDD (cdma2000) • TDD (compatibile con lo standard cinese).

UMTS (2/2)UMTS (2/2)

Capacità di trasmissione dati:

¾ 144 Kbps: massima mobilità e qualsiasi ambiente¾ 384 Kbps: mobilità limitata in micro e macro celle¾ 2 Mbps: bassissima mobilità in pico celle

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

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

La 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.

LTELTE

• è l’acronimo di Long Term Evolution

• è una recente evoluzione della telefonia cellulare e può essere considerato come una fase transitoria tra il 3G (UMTS) ed il 4G (in fase di sviluppo)

• nato per offrire accesso mobile a banda larga• velocità download in mobilità circa 330Mb/s ed upload 86 Mb/s• circa 3 volte più veloce dell’UMTS in situazione di bordo cella

• utilizza la modulazione OFDM per il downlink e Single-Carrier FDMA per l’uplink (al posto del W-CDMA dell’UMTS)A differenza dell‘HSPA che utilizza la rete UMTS, con LTE è necessario predisporre una nuova rete dedicata

• è estesa su tutto il territorio della regione Emilia-Romagna

La rete radiomobile digitale “ERretre”La rete radiomobile digitale “ERretre”

• è una rete privata digitale a standard europeo Tetra (opera sulla banda 450 – 470 MHz)

• è appositamente concepita per i servizi di emergenza (ad esempio Protezione Civile, Emergenza Sanitaria, Polizia Municipale, Sistemi di monitoraggio ambientale, etc..)

Rete Erretre: informazioni di baseRete Erretre: informazioni di base

Oltre 80 siti garantiscono una copertura veicolare della regionesuperiore al 98%

Distribuzione dei siti sul territorioDistribuzione dei siti sul territorio

• cifratura delle chiamate (a protezione delle comunicazioni da possibili intercettazioni)

• autenticazione dei terminali (a protezione dall’accesso in rete di apparati non autorizzati)

• ridondanza dei collegamenti e dei relativi apparati

• funzionalità avanzata di disaster recovery ed operatività dei terminali in modalità locale (fall-back)

La sicurezza come punto di forzaLa sicurezza come punto di forza

Sito A

Sito B

Sito C

Sito D

Sito E

Sito F

Sito G

Sito H

Sito I Sito L

Sito M

Sito N

Sito O

Sito P

Sito Q

Sito R

Architettura della rete ERretreArchitettura della rete ERretre

La copertura radiomobileLa copertura radiomobile

• interoperabilità fra Enti/Servizi diversi sull’intera regione

• trasmissione voce e dati anche simultanea

• radiolocalizzazionedegli apparati

• invio/ricezione di stati operativi da/verso le centrali operative

• attivazione di gruppi dinamici e unioni di gruppo

• chiamate di emergenza o a priorità (con abbattimento forzato

delle chiamate attive)

• realizzazione di applicazioni specifiche (interrogazione banche

dati, ecc..)

• chiamate di gruppo ed individuali

I principali servizi offertiI principali servizi offerti

Traffico chiamate voceTraffico chiamate voce

Traffico SDS (con radiolocalizzazione)Traffico SDS (con radiolocalizzazione)