UNIVERSITA` DEGLI STUDI DI CATANIA Facoltà di ingegneria

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1 UNIVERSITA` DEGLI STUDI DI CATANIA Facoltà di ingegneria Laurea Magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni Reti e Servizi Mobili Prof.ssa Daniela Panno Il docente Studio: Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni (DIIT) 5 piano - Polifunzionale Tel: dpanno@diit.unict.it Web site DIEEI: (vecchio sito DIIT) Orario di ricevimento: Appuntamento da concordare via D. Panno Reti e Servizi Mobili 2 1

2 Materiale didattico (1) Libri consigliati: M. Schwartz, Mobile Wireless Communications, Cambridge University Press. O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, 2 Edizione, Hoepli Informatica. B. H. Walke, Mobile Radio Networks, J. Wiley & Sons Eds. W. Stallings, Comunicazioni e Reti Wireless, Mc Graw Hill. G. Columpsi, M. Leonardi, A. Ricci, UMTS, 2 Edizione, Hoepli Informatica. D. Panno Reti e Servizi Mobili 3 Materiale didattico (2) Dispense in formato elettronico disponibili nel sito web del docente*. Altro materiale potrà essere suggerito durante il corso * Fonte: prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano, e prof. Antonio Iera, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria. D. Panno Reti e Servizi Mobili 4 2

3 Lezioni frontali in aula Modalità esame: Scritto e Orale Possibile assegnamento di argomenti di approfondimento individuale e/o di gruppo D. Panno Reti e Servizi Mobili 5 UNIVERSITA` DEGLI STUDI DI CATANIA Facoltà di ingegneria 1 - Introduzione al corso Reti e Servizi Mobili 7 3

4 Obiettivo del corso Conoscere le tecnologie impiegate nelle reti mobili e satellitari, marcatamente differenti da quelle adottate nelle reti fisse a causa delle caratteristiche del mezzo trasmissivo radio e delle problematiche di gestione della mobilità degli utenti. Conoscere gli strumenti metodologici necessari ad analizzare le loro prestazioni e a effettuare la pianificazione e il dimensionamento a livello di sistema. Conoscere gli elementi caratterizzanti i servizi mobili già presenti nel mercato e in corso di attuazione che risultano elemento trainante nell evoluzione dei sistemi mobili stessi. 8 D. Panno : Sistemi per le Comunicazioni Radiomobile Relazioni con altri corsi (1/2) Ci occuperemo delle tecnologie wireless adottate in reti di comunicazione che hanno un estensione territoriale molto ampia, pari a una o più regioni geografiche geografica, in sigla reti WAN (dall'acronimo "Wide Area Network"). In particolare ci occuperemo delle reti nate per la telefonia mobile, anche dette reti radiomobili cellulari o brevemente reti mobili. Altri corsi hanno trattato le reti ad estensione minore: LAN (Local Area Network) e PAN (Private Area Network) : Reti locali ad accesso radio (IEEE , Bluetooth), Reti di Sensori, ecc. 10 4

5 Relazioni con altri corsi (2/2) Le reti radiomobili si basano su nozioni di base affrontate in altri corsi e fanno uso di tecnologie derivanti da vari campi: tecniche avanzate di trasmissione (tecniche di modulazione, tecniche di protezione, equalizzazione) antenne e propagazione del segnale (propagazione radio, modelli di canale, antenne) 11 Scopo del corso (1/2) Noi siamo interessati a Architettura della rete descrizione funzionale Protocolli insiemi di regole da seguire per realizzare le procedure Servizi quello che viene offerto agli utenti D. Panno : Sistemi per le Comunicazioni Radiomobile 12 5

6 Programma (1/2) La comunicazione in ambiente mobile. Classificazione, motivazione e requisiti delle reti mobili. Cenni storici. Cenni alle problematiche di trasmissione e accesso sul canale radio, di gestione della mobilità. Cenni alla codifica vocale e alla codifica di canale. Tecniche di Accesso Radio: FDM, TDM, CDM, FDMA, TDMA, CDMA. Pianificazione radio e capacità. Copertura cellulare e riuso di frequenza. Ottimizzazione della copertura. Tecniche di allocazione statica e dinamica delle frequenze. Analisi della capacità radio. Analisi delle prestazioni: Modelli di teletraffico per il calcolo delle prestazioni a livello chiamata. Modelli di mobilità. 16 Programma (2/2) Reti mobili di 2 generazione. GSM: Architettura ed interfaccia radio, canali fisici e logici, problematiche di gestione della mobilità, servizi dati a circuito. GPRS: interfaccia radio, controllo di accesso al mezzo, architettura protocollare. EDGE. Reti mobili di 3 generazione. UMTS: Architettura ed interfaccia radio, gestione delle risorse radio e della mobilità, servizi. Oltre la 3 generazione: principali funzionalità e prestazioni offerte dalla tecnologia LTE, architettura ed interfaccia radio. Cenni alle problematiche di collasso delle future reti mobili e possibili soluzioni, WiFi Offload e Femtocell. Sistemi Satellitari: Satelliti e orbite, tecniche di accesso al mezzo, reti e servizi mobili satellitari. 17 6

7 Wireless Communication 18 Wireless Communication 19 7

8 L universo Wireless 20 Architettura di una rete di telecomunicaz. Una rete (network) è formata da nodi e connessioni (link). rete di trasporto -switch switch (router/access point/base station) che hanno la funzione di smistare il traffico - endpoints o hosts/terminals che operano come sorgente/destinazione di traffico rete d accesso 22 8

9 Evoluzione delle Reti Mentre il trasporto dell informazione diventa sempre più veloce grazie alle tecnologie ottiche L accesso alle reti diventa wireless e mobile 23 Classificazione 1: Le grandi reti di trasporto moderno fanno comunemente uso di collegamenti radio puntopunto (fissi) e collegamenti satellitari Le reti wired quindi possono comprendere anche segmenti di rete di trasporto di tipo wireless Tradizionalmente si definiscono reti wireless solo quelle nelle quali l accesso dell utente è wireless 24 9

10 Classificazione 2: In funzione del grado di mobilità dei componenti una rete si definisce: Cablata (Wireline): tutte le componenti sono fisse. Un esempio è la rete telefonica tradizionale. Non Cablata (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; Packet 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) D. Panno Reti e Servizi Mobili 25 Reti Wireless Sembrerebbe che ci siano solo dei vantaggi ad utilizzare un mezzo trasmissivo radio: Riduzione costi flessibilità Possibile mobilità degli utenti ma attenzione! mezzo trasmissivo con particolari caratteristiche difficili da gestire come nelle reti fisse tradizionali grosso impatto sulle caratteristiche del sistema il mezzo trasmissivo deve considerarsi come un canale broadcast Meglio wireless o wired? 26 10

11 Canali broadcast (informazione accessibile a/da tutti gli utenti) canali broadcast centrali canali broadcast non-centrali antenne omnidirezionali 27 Reti Wireless Ai due tipi di canali broadcast corrispondono due tipologie di rete wireless, la prima 1) Reti con punto di accesso fisso (es: reti cellulari) Rete fissa Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 28 11

12 Reti Wireless Ai due tipi di canali broadcast corrispondono due tipologie di rete wireless, la seconda 2) Reti wireless ad-hoc ( reti Wireless LAN) collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i terminali mobili hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 29 In base alla classificazione 1. Reti Wireless e Reti Mobili Rete wireless e rete mobile non sono sempre sinonimi. Una rete wireless è una rete senza fili, cioè, in cui alcune delle entità possono comunicare attraverso delle interfacce aeree. Una rete wireless può non essere una rete mobile. Ad esempio 30 12

13 Esempio di Rete Wireless Non Mobile Rete Wireless Rete Wireless Locale Sede 2 Sede 1- Centrale 31 Reti Mobili Class. 1 Le reti radiomobili sono reti che supportano la mobilità degli utenti. Class. 2 Un network è detto mobile se alcuni nodi cambiano ubicazione relativa nel tempo durante il funzionamento (ad es. reti satellitari)

14 Sistemi satellitari Le switch units sono imbarcate su satelliti orbitanti 33 Noi ci occuperemo delle: Reti radio-mobili cellulari La copertura radio del territorio è ottenuta con switch fissi, stazioni radio base (base station BS), che offrono accesso radio agli end points mobili, terminali mobili (Mobile Station MS), nella loro area di servizio, detta CELLA Base Station Mobile Station Cella 40 14

15 Reti Radiomobili Cellulari La rete radiomobile cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station PLMN Public Land Mobile Network Mobile Station Accesso Radio 41 Reti radiomobili cellulari per confrontare e comprendere l evoluzione dei diversi sistemi cellulari. 1. Motivazioni 2. Requisiti 3. Limiti 15

16 Motivazioni dei sistemi radiomobili cellulari Lo scopo primario di un sistema radiomobile è di rendere possibile una connessione anytime, anywhere (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa.) Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni 80 e la domanda è ancora in rapida ascesa. 45 Utenti mobili nel mondo 2001 Mobile systems subscribers Dati da

17 Utenti mobili nel mondo 2007 Gli utenti della telefonia mobile nel mondo supereranno quest anno la soglia di tre miliardi, pari a circa la metà della popolazione mondiale. La domanda di servizi mobili cresce a ritmo sostenuto soprattutto in Paesi come Cina, India e Africa. Ogni minuto, nel mondo vengono sottoscritti circa nuovi abbonamenti mobili, ma è evidente che bisogna estendere i servizi anche in quelle aree del mondo attualmente tagliate fuori dalla rivoluzione digitale. Key4biz.it Quotidiano d'informazione su Telecomunicazioni, Media e Internet (02 luglio 2007 notizia ) 47 Utenti mobili nel mondo 21/08/08 Con quasi 4 miliardi di Sim attive, e 5,9 miliardi previste entro il 2013, il settore Mobile ha ormai una penetrazione complessiva di gran lunga superiore a qualunque altro sistema di comunicazione. Se nei paesi occidentali il sorpasso fisso - mobile è stato piuttosto recente, nei paesi emergenti tale sorpasso è avvenuto da moltissimo tempo visto che i costi di linea mobile sono più abbordabili e quindi più indicati per paesi a corto di investimenti. Secondo uno studio internazionale, Asia, Medio Oriente e Africa concorreranno per almeno l'80% alla crescita nei prossimi 5 anni arrivando al 60% dei totali anche se a differenza dei paesi occidentali, concorreranno al fatturato solo per il 40% visto che comunque i servizi a valore aggiunto quali musica, multimedia e dati saranno utilizzati da una percentuale di utenti decisamente minore rispetto per esempio ad Usa ed Europa. La rete Umts invece è attualmente utilizzata o accessibile a 500 milioni di utenti, ancora molto pochi rispetto ai 4 miliardi di utenti mobili. D. Panno : Sistemi per le Comunicazioni Radiomobile 48 17

18 49 2. Requisiti delle reti mobili Capacità # max di utenti serviti contemporaneamente più utenti (reti single service); max bit rate raggiungibile. Copertura garantire un livello di segnale accettabile a un vasto territorio Qualità garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli delle reti fisse Flessibilità possibilità di accedere ai servizi di rete fissa interoperabilità con sistemi concorrenti 50 18

19 3. Problemi e limitazioni delle reti radiomobili Scarsità delle risorse radio (quantità e qualità) Gestione della mobilità degli utenti Estrema variabilità del traffico (difficile predizione) Consumo energetico 51 Cenni storici La propagazione nello spazio libero è usata da più di 100 anni per le telecomunicazioni Nel 1893 Tesla fornisce una dimostrazione pubblica della possibilità di usare comunicazioni radio Nel 1896 Marconi inventa il telegrafo senza fili Nel 1901 Marconi trasmette segnali telegrafici attraverso l Oceano Atlantico a 1800 miglia I primi (rudimentali) sistemi di telecomunicazione con mezzi mobili appaiono durante la seconda guerra mondiale I primi sistemi di telefonia mobile risalgono agli anni 60, ma sono costosi, poco pratici, con bassa qualità e bassa affidabilità 52 19

20 Cenni storici Nei primi anni 80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso moderno del termine (1983 Chicago) reti specializzate (es. private di una organizzazione) piuttosto costose bassa capacità e versatilità Nella seconda metà degli anni 80 vengono installate le reti analogiche avanzate (AMPS, NMT, TACS) con immediato ed enorme successo commerciale (1G) 53 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service standard U.S.A. (EIA-553); banda intorno agli 800 MHz diffusione: Americhe, Oriente TACS: Total Access Communications System standard sviluppato nel Regno Unito; banda intorno ai 900 MHz, è un adattamento dello standard AMPS diffusione: Europa (Italia) NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, indipendente da AMPS e TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; diffusione: Europa del Nord 54 20

21 Cenni storici: Sistemi analogici (1G): bassa capacità scarsa qualità del servizio numero di servizi limitato alti costi delle apparecchiature problemi di interoperabilità tra sistemi diversi Verso la Seconda Generazione Sistemi digitali (2G-fine anni 80) Integrazioni di servizi diversi Maggiore robustezza all interferenza Sicurezza 55 Analogico/Digitale 56 21

22 Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+) Nel 92 è stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme D-AMPS e IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella metà degli anni 90 con grande successo (meno del GSM) Fine anni 90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (GPRS, HSCSD, EDGE ) Oggi UMTS e CDMA2000 (3G) 57 Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA Dati da

23 La diffusione dei sistemi cellulari in Italia nel 1973 viene istituito il servizio Radio Telefono Mobile Integrato (RTMI), sistema non cellulare con portanti intorno a 160 MHz e modulazione FM; nel 1985 l RTMI viene soppiantato dal Radio Telephone Mobile System (RTMS), sistema cellulare operante a 450 MHz, con modulazione FM e passo di canalizzazione 25 khz; nel 1990 viene introdotto il sistema TACS, con portanti intorno a 900 MHz, modulazione FM e passo di canalizzazione 25 khz; nell ottobre 1992 entra in funzione il sistema cellulare numerico di seconda generazione GSM, con portanti intorno a 900 MHz, modulazione Gaussian filtered minimum shift keying (GMSK) e passo di canalizzazione 200 khz; nel 1998, è stato introdotto il DCS-1800 (Digital Cellular System), con caratteristiche simili al GSM, ma con portanti intorno ai 1800 MHz; nel 2000, viene reso disponibile lo standard GPRS; nel 2003, alcuni gestori di telefonia mobile cominciano ad adeguare la propria rete per supportare il sistema EDGE; nel 2003 entra anche in funzione la rete UMTS, con portante intorno ai 2 GHz, modulazione quadrature phase shift keying (QPSK), passo di canalizzazione 5 MHz ed uso della tecnica di accesso multiplo mista TDMA/FDMA/CDMA

24 Come si traduce questa crescita nel data rate disponibile? 65 Evoluzione 2G (WAP) 2G+ (GPRS) 3G (UMTS) 66 24

25 Evoluzione dei Servizi di comunicazione (1/2) Storicamente le reti cellulari sono nate per il servizio voce e da questo punto di vista possono essere semplicemente pensate come una evoluzione delle reti telefoniche fisse. Oggi una rete cellulare offre sostanzialmente due tipi di servizi di comunicazione servizio voce servizio dati Negli anni novanta, per offrire i servizi basati su Internet, il sistema 2G ha visto l'introduzione del WAP (Wireless Application Protocol) e del GPRS (General Packet Radio Service). Il WAP permette all'utente, tramite un browser, di accedere a informazioni e servizi su Internet ma opportunamente creati per il nuovo standard. 67 Evoluzione dei Servizi di comunicazione (2/2) Con il GPRS viene fornita una connettività IP mediante trasferimento a pacchetto idonea per le connessioni dati. Il GPRS con il suo bitrate (teorico) di 160 kbit/s non è adatto a servizi multimediali a banda larga. L'EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) è un'evoluzione del GSM/GPRS che, utilizzando una differente modulazione radio con una migliore efficienza spettrale, permette di triplicare il bitrate. Lo standard UMTS è stato concepito in modo da interlavorare con GSM/GPRS/EDGE, consentendo ad una chiamata di passare da un sistema all'altro senza essere abbattuta. Il maggior bit rate che la rete mobile può supportare consente alla rete di seguire l evoluzione dei servizi multimediali e dati a larga banda

26 Concetti di base Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia mobile? 69 Rete telefonica vs Rete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia mobile? 1) Rete d accesso: canale wireless mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato Centale telefonica Doppino telefonico Canale Radio 70 26

27 Rete telefonica vs Rete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia mobile? 2) Mobilità degli utenti: mobilità in stand-by mobilità in conversazione cambio del punto di accesso alla rete 71 Rete telefonica vs Rete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia mobile? 3) Codifica della voce: per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità Codifica di sorgente 13 kb/s (GSM) addio banda fonica a 4 KHz 72 27

28 Rete telefonica vs Rete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia mobile? 3) La trasmissione su canale radio Quando il rapporto segnale rumore è basso la BER cresce rapidamente 4) Codifica di canale: Protegge i dati trasmessi dagli errori di trasmissione 73 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti canale wireless mezzo condiviso gestione della mobilità codifica di sorgente Codifica di canale 74 28

29 Canale wireless (Cenni) 75 Nella progettazione di uno schema cellulare, per determinare la dimensione delle celle bisogna tener conto: Altezza delle antenne (BTS e MS) Livello massimo di potenza di trasmissione alla BTS e al MS. Must be strong enough between base station and mobile unit to maintain signal quality at the receiver Must not be so strong as to create too much cochannel interference with channels in another cell using the same frequency band.ma anche degli effetti dinamici ed imprevedibili della propagazione radio 76 29

30 Canale wireless vedi corsi precedenti Rispetto ai mezzi cablati il canale radio è un mezzo di trasmissione molto inaffidabile I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di : Attenuazione della potenza del segnale funzione della distanza tra trasmettitore e ricevitore, costante (path loss) Propagazione per cammini multipli, (multipath fading o fast fading) Attenuazione dovuta ad ostacoli e a cambiamenti della configurazione del terreno circostante (shadowing o slow fading )

31

32 84 Daniela Panno - Tecnologie Wireless per reti WAN 85 32

33 Canale wireless : fading multipath Nella propagazione tra sorgente e destinazione il segnale può seguire più percorsi a causa della riflessione totale o parziale da parte di ostacoli Il comportamento delle onde sugli oggetti dipende dalla frequenza del segnale e dalla caratteristiche e dimensioni degli oggetti In generale, onde a bassa frequenza possono attraversare senza attenuazione molti oggetti (trasparenti), mentre all aumentare della frequenza i segnali tendono ad essere assorbiti o riflessi dagli ostacoli (ad altissima frequenza oltre 5 GHz è possibile quasi solo la propagazione diretta)

34 1,5 1 0,5 Canale wireless : fading multipath ,5 s(t) s(t+t) s(t)+s(t+t) Il segnala risultante può essere attenuato -1-1,5 T=4/5π 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0, ,5-2 -2,5 s(t) s(t+t) s(t)+s(t+t) o addirittura amplificato T= π /6 Se il terminale si muove farà si cheanche per piccoli spostamenti le caratteristiche della ricombinazione varino nel tempo

35 Canale wireless : attenuazione da distanza 1 Nello spazio libero la potenza al ricevitore può essere espressa come: P = P g R T T g R λ 4πd dove P T rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g T e g R i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, λ la lunghezza d onda e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore 2 1 attenuazione di tratta o path loss 94 Canale wireless : attenuazione da distanza La L = λ 4πd 2 rappresenta l attenuazione da spazio libero Free space. Tale attenuazione non è l unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) Inoltre la propagazione reale in prossimità della superficie terrestre ha caratteristiche diverse da quelle in spazio libero 96 35

36 Canale wireless : attenuazione da distanza Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale (propagazione reale) dove però l esponente della distanza (coefficiente di propagazione η) può assumere valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano): P R = P T g T g R λ 4π 2 1 d η 97 Canale wireless: modelli empirici (fondamentale nel cell planning basato su considerazioni di propagazione) Esistono tecniche molto sofisticate per la stima della potenza ricevuta che si basano sulla conoscenza dettagliata delle caratteristiche dell area dove il segnale si propaga (ray tracing techniques); queste tecniche sono però molto onerose in termini di complessità computazionale Spesso si fa dunque ricorso a modelli empirici che calcolano la attenuazione da distanza con formule approssimate e aggiungono attenuazioni casuali per fading e shadowing (modello di Okomura Hata, et al.) Con questi modelli basati su dati empirici si possono ottenere utili indicazioni per dimensionare le celle

37 Accesso Radio Condiviso

38 Accesso radio condiviso Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili. Questa risorsa trasmissiva è condivisa da tutte le comunicazione e va dunque in qualche modo divisa (in modo statico o dinamico) tra i flussi informativi. La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici 107 Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso Multiplo Accesso multiplo centralizzato Multiplazione Nodo 1 MPX Canale punto-punto Nodo 2 DMPX Nodo 1 Accesso multiplo distributito Accesso Multiplo Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 AM AM AM AM Canale broadcast

39 Accesso radio condiviso: centralizzato o Multiplazione (1/2) Nel caso in cui la stazione trasmittente sia unica, la multiplazione di livello fisico è la tecnica che consente di creare i canali fisici consiste nel suddividere la capacità di un canale in sottocanali di velocità inferiore 109 Accesso radio condiviso: Centralizzato o Multiplazione (2/2) La stazione trasmittente coinvolta è unica Problema tipico della tratta downlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali d utente)

40 Accesso radio condiviso: accesso distribuito o Accesso Multiplo Tecnica con la quale da un unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento) (1/1) Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d utente alle stazioni base) Nota: è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing) 111 Accesso radio condiviso: Riuso di frequenze L accesso multiplo è anche alla base della divisione della risorsa radio tra le stazioni radio base Base Station Mobile Station Cella La quantità di risorsa radio (banda) è molto limitata e non è possibile dedicarla in modo esclusivo ad una particolare cella

41 Accesso radio condiviso: Riuso di frequenze L accesso multiplo è anche alla base della divisione della risorsa radio tra stazioni radio base Il problema è in questo caso più complesso La quantità di risorsa radio (banda) è molto limitata e non è possibile dedicarla in modo esclusivo ad una particolare cella Nella divisione della risorsa radio tra le celle in qualche modo la risorsa viene riusata più volte in celle sufficientemente distanti in modo che l interferenza reciproca risulti fortemente attenuata E chiaro che il riuso di frequenze è critico e determina da un lato il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella e dall altro la qualità del canale Dedicheremo particolare attenzione al problema! 114 Accesso radio condiviso: Prestazioni Indipendentemente dal modo con il quale la risorsa viene suddivisa, il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella è limitato Salvo casi particolari (come quelli di allocazione dinamica, sistemi CDMA) il numero di canali è anche fisso Il numero di conversazioni contemporanee per cella è limitato ed è dunque possibile che all arrivo di una chiamata a circuito (ad es. voce) non vi siano più canali disponibili nella rete d accesso radio (blocco della chiamata) nella rete telefonica fissa non ci può essere blocco nella rete d accesso essendo canali dedicati Per valutare le prestazioni in termini di probabilità di blocco della chiamata occorre far ricorso ad alcuni elementi di teoria del traffico

42 Teoria del traffico: il traffico istantaneo Il traffico istantaneo in t è il numero di chiamate (messaggi, pacchetti, ) a(t) in corso su un canale al tempo t T 2 2 a(t) t a(t)=2 t 1 vedi modulo di Teoria delle Code t 116 Teoria del traffico: Risultati sul traffico Il traffico medio in T è A(T) = 1/T T a(t) dt a(t) X 2 X 1 X 3 T t Risulta T a(t) dt = Σ i X i in T Xi è la durata del messaggio (o della chiamata ) i-esima

43 Teoria del traffico: Risultati sul traffico A(T) = T a(t) dt Σ i X i n = T n T X λ frequenza media dell arrivo delle chiamate (call/s) X durata media delle chiamate (s) λ A(T) = λ(τ) X(T) 118 Teoria del traffico: Risultati sul traffico Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi X 1 X 2 t A(T) = a(t) dt T = T Σ i X i T è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive

44 Teoria del traffico: Il Traffico In realtà il traffico istantaneo a(t) è un processo casuale a(t) a(t) A(T) è una variabile casuale di solito si considera la media d insieme E[A(T)] t t 120 Teoria del traffico: Il Traffico A(T) = λ(τ) X(T) In condizioni di stazionarietà le medie non dipendono da T, cioè E[A(T)] = A A = λ X A non ha dimensione Il traffico si misura in Erlang

45 Teoria del traffico: Efficienza Il traffico massimo smaltibile è un parametro importante Nel caso di singoli canali il massimo traffico smaltibile (da 0 a 1), throughput, riflette l efficienza con cui i protocolli usano il canale 122 Teoria del traffico: Il processo di Poisson E il processo casuale più semplice che descrive l occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sull asse temporale descrizione: N(t,t+τ) numero di punti nell intervallo [t,t+τ] 0 N(0,t) t N(t,t+τ) τ

46 Teoria del traffico: Il processo di Poisson E descritto (probabilisticamente) da 3 assiomi 1) La probabilità che ci sia un punto di Poisson in un intervallo infinitesimo dt è pari a: P [ N( t, t + dt) = 1] = λ dt + ω( dt) dove il parametro λ si dimostra essere la frequenza del processo (in punti per unità di tempo) e ω(dt) un infinitesimo di ordine superio a dt. 2) La probabilità che ci siano più punti in un intervallo infinitesimo dt è P [ N ( t, t + dt) > 1] = ω( dt) 3) Il numero di punti presenti in un intervalli di tempo disgiunti sono variabili causali indipendenti. 124 Teoria del traffico: Il processo di Poisson Teorema 1 La probabilità che sia k il numero di punti di Poisson N(t,t+τ) in un intervallo temporale fra t e t+τ è pari a: P[ N( t, t ( λτ) + τ) = k] = e k! k λτ

47 Teoria del traffico: Il processo di Poisson Teorema 2 Gli intervalli T tra punti di Poisson sono variabili casuali indipendenti con distribuzione esponenziale negativa Vale anche il contrario: f T ( t) t = λe λ Se un processo puntuale è caratterizzato da intervalli indipendenti identicamente distribuiti e con distribuzione esponenziale negativa, allora il processo è di Poisson 126 Teoria del traffico: Sistemi di servizio Ad un sistema di servizio arrivano richieste di servizio secondo un processo (puntuale) degli arrivi Ciascuna richiesta è caratterizzata da un tempo di servizio necessario ad uno dei serventi per soddisfarla E possibile la presenza di un sistema di attesa (o coda) dove le richieste attendono che un servente si liberi arrivi serventi

48 Teoria del traffico: Sistema a pura perdita Per modellare l arrivo delle chiamate in una cella con un numero di canali disponibili pari a n basta usare in sistema a pura perdita (senza posti in coda) con n serventi (M/M/n/0) Si dimostra che, nell ipotesi di arrivi di Poisson, la probabilità di rifiuto di una chiamata è data dalla formula B di Erlang: B( n, A) = n n A n! A k k = 0 k! dove A è il traffico offerto, cioè A=λT (in Erlang), λ frequenza media degli arrivi [call/s], T durata media delle chiamate [s] NOTA: vale per qualunque distrib. della durata delle chiamate 128 Teoria del traffico: Sistema a pura perdita Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da: A p = A B( n, A) mentre quello smaltito da: A s ( 1 B( n, A ) = A Ap = A ) Il coefficiente (o fattore) di utilizzo dei canali (efficienza per canale) è dato da: ( 1 B( n, A) ) A ρ = s A =, 0 ρ 1 n n

49 Teoria del traffico: B-Erlang formule Un piccolo incremento del numero di canali riduce sostanzialmente la prob. di blocco Di contro, con un numero fisso di canali la probabilità di blocco è molto sensibile alle variazioni del traffico (il carico cresce di poco percentualmente e la Pb si può triplicare e più!!) Questo è importante nel dimensionamento dei sistemi di comunicazione (normalmente si considera il traffico medio nell ora 130 di busy) Esercizio Mediamente una chiamata dura T=200 secondi e un utente fa una chiamata ogni 15 minuti. Se in una cella sono disponibili 100 canali e per un utente è accettabile una probabilità di blocco dell 1%, si calcoli 1. il numero di utenti per cella 2. Se T= Se un utente chiama ogni 10 minuti B(100,A)=0.01, dalla tabella o dal programma A=84 Erlang 1. n= n= n=

50 132 Esercizio Il contatore statistico di una centrale della rete radiomobile indica che una cella avente 10 canali smaltisce un traffico pari a 7 Erlang. Si calcoli a) il traffico offerto b) la probabilità di blocco c) il fattore di utilizzo dei canali

51 Teoria del traffico: Traffico smaltito A s ( 1 B( n, A ) = A Ap = A )

52 D. Panno : Sistemi per le Comunicazioni Radiomobile

53 138 Gestione della mobilità

54 Gestione della mobilità Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell area del sistema e quindi passare da una cella ad un altra Questo ovviamente pone problemi di routing dell informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce) Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agli utenti mobili di essere in comunicazione vanno sotto il nome di gestione della mobilità 140 Gestione della mobilità Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO possono: chiamare essere chiamati conversare E necessaria una qualche intelligenza che supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING)

55 Gestione della mobilità Nel caso di servizio a circuito le procedure di gestione della mobilità si differenziano a secondo che l utente che si sposta sia in stato IDLE (nessun circuito attivo) o in stato ACTIVE (in conversazione) ACTIVE: c è un circuito attivo che deve essere reinstradato dopo ogni cambio di cella (Handover) IDLE: l utente deve poter essere localizzato per indirizzargli una eventuale chiamata (Location Update, Cell Selection, Cell Reselection) 142 Gestione della mobilità: Cell selection Un terminale mobile in idle si aggancia ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione base: Su un opportuno canale di controllo comune di downlink la stazione radio base trasmette dell informazione di sistema che, tra l altro, specifica il suo identificativo Il terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zona Il terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potente (cell selection) L unità mobile si identifica e viene registra nella LA. Il terminale non smette mai di scandire periodicamente anche le altre frequenze e se trova un segnale più forte da un altra stazione base cambia la selezione (cell reselection)

56 Gestione della mobilità: Location Area Location Area (LA): gruppo di più celle, in genere più grande del cluster Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location Area (e non su base cella) L ultima location area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete Data Base LA 1 LA Gestione della mobilità: Location Update [1/2] Procedura che sovrintende all aggiornamento della posizione dell utente. L identificativo LA viene diffuso periodicamente all interno delle celle appartenenti al LA stesso. Quindi il terminale riceve periodicamente l identificativo del LA in cui si trova. LA 1 LA

57 Gestione della mobilità: Location Update [2/2] L informazione sulla LA in cui si trova un utente serve per indirizzare le chiamate terminate sul mobile Se tale identificativo differisce dall ultimo che ha ricevuto vuol dire che ha cambiato LA. Questo caso richiede un aggiornamento del database di localizzazione, ossia si attiva una procedura di location update. Data Base LA 1 LA 2 segnalazione 146 Gestione della mobilità: Paging All arrivo di una chiamata per l utente mobile viene consultato il registro (data base) Una volta nota la LA in cui l utente risulta risiedere, il Mobile Switching Center (MSC) inizia una procedura di paging alle BSs: - ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con l identificativo dell utente cercato Alla risposta del terminale mobile (reply) la rete conosce la cella e instrada la chiamata paging reply paging Data Base

58 QUESITO: Gestione della mobilità: Paging vs. Location Update Quanto grandi conviene fare le Location Area? piccole grandi Troppi location update Eccessiva segnalazione di paging Data Base LA 1 LA Gestione della mobilità: Handover (o Handoff) Procedura con cui un terminale mobile ACTIVE in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato. E una operazione complessa perché richiede 1. Rendersi conto che si sta uscendo da una cella. 2. Individuare in quale cella si sta entrando. 3. Realizzare lo spostamento del canale. 4. Rilasciare le risorse nella cella abbandonata. Il tutto senza che l utente si accorga di nulla, ossia senza interrompere in modo significativo il servizio

59 Gestione della mobilità: Handover (o Handoff) Procedura con cui un terminale mobile ACTIVE in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato. L handoff viene eseguito in modo differente nei diversi sistemi radiomobili. La procedura può essere attivata dalla rete, sulla base di misurazioni effettuate solo dalla rete (potenza del segnale ricevuto dal mobile, qualità, ecc.) oppure anche dal mobile e comunicate alla BTS. Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci per non perdere le connessioni 151 Gestione della mobilità: Handover (o Handoff) Si osservi che al decrescere della dimensione delle celle, cresce la frequenza ed il numero di operazioni di handoff (a pari caratteristiche di mobilità degli utenti) Inoltre utenti che si muovono veloci rendono più critiche e anche più frequenti le operazioni di handoff. Nelle strutture cellulari gerarchiche spesso si servono gli utenti che si muovono più velocemente tramite celle ad ombrello

60 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi parametri: 1. Il parametro principale per prendere la decisione di handoff è la potenza del segnale, misurata dalla BS e dalla MS. In genere la BS calcola la potenza media su un intervallo per escludere gli effetti di multipath. ma anche 2. Probabilità di blocco di una nuova chiamata a causa di un elevato volume di traffico nella BS. La call in progress potrebbe essere gestita da una cella confinante (capacità della cella). 3. Probabilità di handoff senza successo. 4. Velocità di handoff: # di handoff eseguibili nell unità di tempo Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 1 - metodo del segnale più forte (relative signal strength) l handover avviene nel punto A a causa delle fluttuazioni del segnale (multipath) sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)

61 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 2 - metodo del segnale più forte con soglia (with threshold) se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T 2 ) e la potenza di un altra BS è più forte; l handover avviene nel punto B Critica la scelta del valore di soglia (valore alto, T 1, diventa inutile, valore basso, T 3, degrada la qualità delle chiamate) 155 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 3 - metodo del segnale più forte con isteresi (with hysteresis) se la potenza dell altra BS è più forte di un valore h; l handover avviene nel punto C Evita l effetto pingpong; Inutile se il segnale base 1 ha sufficiente potenza

62 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 4 - metodo del segnale più forte con isteresi e soglia se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia e la potenza di un altra BS è più forte per un margine di isteresi h; Ad es. se la soglia è T1 o T2 l handover avviene in C; se la soglia è T3 l handover avviene in D 157 Prestazioni Handover Quando avviene un handover viene rilasciato il canale nella vecchia cella e viene richiesto un canale nella nuova; il canale nella nuova può non essere disponibile Definiamo la probabilità di handover fallito(p hf ) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (P block ) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamata Nei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) P hf =P block In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attiva Si può tentare di trattare meglio (priorità) le richieste di handover

63 Politiche di Controllo di Ammissione Tecnica dei Canali di Guardia Canali di guardia (Guard Channels) Un certo numero di canali viene riservato per le richieste di handover P hf diventa più bassa ma la capacità del sistema risulta inferiore E critico il dimensionamento del sistema che necessita stime accurate sull andamento temporale del traffico (quanti canali riservo alle richieste di handover?) Risponderemo inseguito a questa ed altre domande 159 Gestione della mobilità: Tipologie di Handover Hard Handover (GSM-2G) Presuppone l abbattimento e l instaurazione di un nuovo link radio Soft Handover (UMTS-3G) Sfruttando la macrodiversità l utente è contemporaneamente collegato con più stazioni base

64 Per sfruttare al meglio le limitate risorse radio si è agito anche sulla codifica dei flussi da trasmettere ad esempio.. Codifica della voce 165 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza suono vocalizzato Banda

65 Codifica della voce: Codificatori vocali Waveform codecs Source codecs (vocoders) Hybrid codecs Trasformano la voce in un flusso di bit 167 Codifica della voce: Waveform codecs nessuna conoscenza a priori di come il segnale è stato generato informazione necessaria: banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) massimo rumore di quantizzazione tollerabile campionatore A to D b bits per campione alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

66 Codifica della voce: Pulse Code Modulation (PCM) standardizzato da ITU nel 1960: G.711 si assume B=4 khz, e la frequenza di campionamento Bc=8 khz, 8 bit/campione, 64 kb/s due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) per America (µ-law) e Europa (A-law) regole di conversione standard 169 Codifica della voce: Differential PCM (DPCM) i campioni vocali successivi presentano della correlazione è possibile utilizzare metodi di predizione per valutare il campione successivo noti i precedenti si trasmette solo la differenza tra valore predetto e valore reale a causa della correlazione la varianza della differenza è bassa ed è possibile codificarla con un minor numero di bit predittore camp quant

67 Codifica della voce: Adaptive DPCM (ADPCM) le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sono adattativi standardizzato nel 1980 da ITU ADPCM a 32 kbit/s: G.721 successivamente ADPCM a 40, 32, 24, 16 kbit/s: G.726 e G.727 Predittore adattativo Bassa qualità camp. - quant. + + adattativo 171 Codifica della voce: Source codecs (vocoders) Si basano su modelli di generazione della voce umana i modelli permettono di togliere la ridondanza da segmenti vocali fino a un informazione base sufficiente a riprodurre la voce elevata complessità ritardi mediamente elevati sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani qualità: intelligibile ma non naturale bit rate basso: < 2.4 kbit/s

68 Codifica della voce: Source codecs (vocoders) Si basano su modelli di generazione della voce umana i modelli permettono di togliere la ridondanza da segmenti vocali fino a un informazione base sufficiente a riprodurre la voce elevata complessità ritardi mediamente elevati sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani qualità: intelligibile ma non naturale bit rate basso: < 2.4 kbit/s 173 Codifica della voce: Hybrid codecs Cercano di colmare il vuoto tra vocoder e waveform codec i più diffusi usano le stesse tecniche dei vocoder ma ottimizzano alcuni parametri minimizzando il segnale errore

69 Codifica della voce: Principali Codifiche Compressione Year Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) G.711 PCM G.726 ADPCM G.722 Subband ADPCM G.728 LD-CELP G.729 CS-ACELP G MP-MLQ Ibrido G ACELP 1996 RPE-LTP (GSM) Cenni alla trasmissione su canale radio e alla codifica di canale 69

70 Trasmissione su canale radio ATTENZIONE: Solo brevissimi cenni, argomento complesso, ci serve solo per capire le motivazioni dietro le scelte architetturali si veda il corso di Comunicazioni elettriche come riferimento sintetico all argomento si usi il testo di H. Walke: Mobile Radio Networks, cap. 2. par Trasmissione su canale radio Analog Cellular Transmitted Signal Received Signal + Noise Digital Cellular Transmitted Signal Received Signal + Noise

71 Digitale vs. Analogico VANTAGGI: Maggiore immunità al rumore Possibilità di usare circuiteria a basso costo E possibile rigenerare il segnale Sicurezza Posso trasmettere segnali di natura diversa indifferentemente SVANTAGGI: Maggiore banda richiesta e necessità di sincronizzazione 179 Trasmissione su canale radio La BER fluttua a causa del fading del segnale Quando il rapporto segnale rumore è basso è possibile migliorare il BER utilizzando dei codici di correzione degli errori (FEC Forward Error Correction) 10-1 Bit Error Rate BPSK non codificato db Eb/No (db) 11 db

72 Trasmissione su canale radio Il channel coding serve a proteggere i dati trasmessi dagli errori di trasmissione I codici correttori consentono di correggere degli errori mediante l aggiunta di bit di ridondanza Se su n bit trasmessi k sono di informazione e (n-k) di ridondanza si definisce il rate del codice come il rapporto k/n 183 Trasmissione su canale radio Il codice migliora le prestazioni 10-1 Bit Error Rate Uncoded BPSK Rate 1/2 Rate 3/ db 11 db Eb/No (db)

73 Trasmissione su canale radio Tipi di codici FEC: Codici a blocco (sono codici sistematici, calcolo i bit di ridondanza dalla parola stessa) Codici di Hamming Codici BCH Codici Reed-Solomon Codici continui (non sistematici, hanno memoria, una code word dipende anche dalle code word precedenti oltre che dalla corrente) Codici Convoluzionali Codici Turbo 185 Trasmissione su canale radio I codici possono essere usati anche solo per rivelare la presenza di errori senza il potere di correggerli (ERROR DETECTION) Quando ad esempio viene scoperta la presenza di errori in segmento di voce codificato è possibile eliminare il segmento dalla decodifica e interpolare il segnale degli altri campioni Quando il tipo di servizio e il sistema lo consente (di solito principalmente per servizi dati) è anche possibile usare tecniche di ritrasmissione (ARQ Automatic repeat ReQuest)

74 Trasmissione su canale radio Nei sistemi cellulari la presenza di elevata interferenza e di fluttuazioni della potenza del segnale dovute alla propagazione ha spinto all uso massiccio di metodi di controllo d errore e di FEC in particolare L uso di codici consente di ridurre il valore di SIR min tollerato dalle trasmissioni ma a spese di aggiunta di ridondanza (l uso di un codice con rate ½ dimezza la capacità). Decidere se vale la pena pagare il prezzo della ridondanza per abbassare il SIR min è compito non facile e dipende molto dalle caratteristiche del sistema e dal tipo di servizio è un fatto però che tali codici siano molto usati 187 Trasmissione su canale radio In realtà le prestazioni dei codici dipendono anche dalla statistica degli errori Le curve ideali dei codici assumono rumore gaussiano bianco (che genera errori indipendenti canale senza memoria) Il canale radio nei sistemi cellulari tende a generare errori correlati (canale con memoria) a causa delle fluttuazioni del segnale e dell interferenza Potenza ricevuta pochi errori molti errori t

75 Trasmissione su canale radio L efficienza della maggior parte dei codici diminuisce velocemente con errori correlati Per questo vengono spesso usati dei meccanismi che mischiano i bit in trasmissione dopo la codifica e li riordinano in ricezione (interleaving) Original Data Samples Transmitter Interleaving Matrix RF Transmission Path Interleaved Data Samples Amplitud e Time Interleaved Data Samples Errors Clustered Receiver De- Interleaving Matrix De-Interleaved Data Samples Errors Distributed 189 Frequency Hopping 1/2 Insieme all uso dei codici e delle tecniche di interleaving si usa anche il frequency hopping. La Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) è una tecnica di trasmissione radio che consiste nel variare la frequenza di trasmissione a intervalli regolari in modo pseudocasuale attraverso un codice prestabilito. L'unico modo di ricevere correttamente la trasmissione è quello di conoscere la sequenza esatta dei salti di frequenza e disporre di un ricevitore adatto a seguirli; altrimenti ciò che si ottiene sono solo dei frammenti sparsi senza alcun significato coerente

76 Frequency Hopping 2/2 Questo porta a due capacità principali della FHSS: 1. un certo grado di segretezza della trasmissione; 2. una buona immunità ai disturbi, soprattutto da parte di altre trasmissioni interferenti. Inoltre la FHSS consente una buona resistenza al multipath fading dato che il ricevitore ottiene per primo il segnale diretto; i segnali riflessi seguono un percorso più lungo e quando arrivano finalmente al ricevitore, quest'ultimo ha già effettuato il salto di frequenza, in questo modo i segnali riflessi non vengono presi in considerazione e non possono interferire nella comunicazione