Le tecnologie per la connettività radio in ambito geografico

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1 Le tecnologie per la connettività radio in ambito geografico 1 Molteplici requisiti Uniformità di copertura radio Servizio di connettività offerto in zone a differente richiesta di traffico e ad utenti in mobilità Medesima qualità di servizio soluzione: Copertura cellulare del territorio Riuso delle risorse di comunicazione Rete di ricetrasmettitori opportunamente posizionati e dimensionati 2 1

2 Struttura generica di una rete radiomobile Copertura a celle del territorio HLR Switch Public Network Switch Switch 3 Procedura di Hand-Over Mobilità dell utenza sconfinamento dalla cella. La procedura di Hand-Over si incarica di attuare tutte le azioni necessarie affinché la connessione in corso venga mantenuta nel passaggio da una cella ad un altra. 4 2

3 Procedura di LOCATION UPDATING??? Il sistema deve inoltrare agli utenti mobili le chiamate ad essi indirizzate. Deve quindi conoscere in tempo reale la posizione di ogni mobile attivo sul territorio. La funzione di LOCATION UPDATING viene eseguita attraverso registri di localizzazione nei quali la posizione di ogni utente viene continuamente aggiornata. 5 Procedura di ROAMING??? Il ROAMING è la possibilità offerta ad un utente di essere sempre rintracciabile in qualunque punto del territorio coperto da quel determinato sistema radiomobile, anche se il servizio viene offerto da un Gestore diverso da quello presso cui l utente si è sottoscritto. Richiede accordi di Roaming tra gli operatori e una adeguata rete di interconnessione. 6 3

4 Procedura di AUTENTICAZIONE Le procedure di Hand-Over e di Roaming richiedono che tutti gli apparati siano preventivamente riconosciuti dalla rete, che quindi cataloga in una banca dati gli utenti autorizzati. Ciò è particolarmente importante nel caso di coperture territoriali offerte da più Gestori. E necessario che le diverse reti coesistenti abbiano accessi differenziati e controllati, effettuando ad ogni accesso da parte dell utenza una specifica procedura di AUTENTICAZIONE. 7 Il Cluster E l insieme di tutte le celle che si suddividono, e completano, la risorsa di comunicazione La Dimensione N del cluster è pari al numero di queste celle Nei sistemi radiomobili è l interferenza che condiziona la qualità Il rapporto Segnale/Interferente Dipende dalla Dimendione del cluster 8 4

5 Determinazione della capacità di cella Valutazione della richiesta di traffico Calcolo del numero dei canali necessari attraverso le formule di Erlang Assegnazione dei canali alle celle considerando l interferenza da canale adiacente La richiesta di traffico 9 Probabilità di blocco GOS: Grado di servizio Determino il numero di canali necessario per soddisfare una determinata richiesta di traffico una volta fissata la Probabilità di blocco (Grado di servizio) 10 5

6 L evoluzione tecnologica 1 G: ETACS 2 G: GSM 2,5 G: GPRS 3 G: UMTS 3,5 G: HSPA 4 G: LTE 11 2 G: GSM Bande 900/1800 Frequenze Uplink Frequenze Downlink N portanti Extended GSM (E-GSM) MHz MHz 174 DCS MHz MHz 374 Caratteristiche di sistema Uno standard sviluppato in ambito europeo ma applicato in molte nazioni nel mondo Accesso multiplo TDMA/FDMA/FDD Commutazione di circuito Codifica del segnale vocale a 13 Kb/s; Modulazione GMSK Servizi aggiuntivi (SMS,.. TD, FAX) SIM-CARD 12 6

7 Architettura della rete GSM BTS BSC BSC HLR BSC BSC PSTN 13 Funzioni dell interfaccia radio Emissione portante RF Modulazione Trama TDMA Costruzione del burst Cifratura (chiphering) Interallacciamento Codifica di canale Codifica vocale Conversione A/D Normal burst Normal Burst TB 3 Encripted Bits 58 1 time slot = 156,25 bit ( 0,577 ms) Training sequence 26 Encripted Bits 58 TB 3 GP 8,25 tempo di bit 3,69 μs TDMA frame = 8 time slots ( 4,615 ms) TB = Tail Bits GP = Guard Period 14 7

8 Codifica della voce 4 KHz Codifica numerica (standard G.711 PCM) Requisiti del codificatore vocale: sufficiente qualità della voce bit rate = 13 Kb/s; codifica segmenti vocali di 20 ms robustezza contro errori di trasmissione (T e <10-2 ); ritardo di trasmissione contenuto; facilità di realizzazione; basso consumo di energia. Codifica di sorgente (riduzione di ridondanza) 64 Kb/s 13 Kb/s 15 Codifica di canale L operazione di codifica introduce ridondanza da 260 bit / 20 ms a 456 bit / 20 ms R = 22,8 Kb/s Diagonal interleaving 464 bit / 20 ms 464 bit / 20 ms 464 bit / 20 ms Il blocco lungo 20 ms contiene 464 bit. La funzione di interlacciamento diagonale lo suddivide in 8 sottoblocchi da 58 bit ciascuno, che poi vengono trasmessi su più burst e su più canali per salvaguardare l informazione. A5 B1 A6 B2 A7 B3 A8 B4 B5 C1 4,6 ms B6 C2 B7 C3 B8 C4 Burst N Burst N+1 Burst N+2 Burst N+3 Burst N+4 Burst N+5 Burst N+6 Burst N

9 Timing Advance Il TDMA richiede l allineamento temporale delle TS all ingresso della radio base Gli utenti devono trasmettere in modo sincrono, ma devono essere compensati i ritardi di propagazione Access Burst Ritardo =funzione della distanza TB8 Syncro 41 Info 36 TB 3 Guardia 68,25 17 Gestione dinamica della potenza Tx Terminali di utente (MS) Trasmettitori fissi (BTS) Classe Potenza max Classe Potenza max 1 20 W + 43 dbm W + 55 dbm 2 8 W + 39 dbm W + 52 dbm 3 5 W + 37 dbm 3 80 W + 49 dbm 4 2 W + 33 dbm 4 40 W + 46 dbm 5 0,8 W + 29 dbm 5 20 W + 43 dbm 6 10 W + 40 dbm 7 5 W + 37 dbm 8 2,5 W + 34 dbm POWER CONTROL= controllo dinamico della potenza trasmessa, per ogni time slot. Gestione dinamica della potenza (in step di 2 db): da step 0 = Pmax a step 15 = Pmax - 30 db Trama n Trama n+1 P TX 18 9

10 DTX ( Tx discontinua) Funzione presente sia nella MS che nella BTS. Il circuito VAD = Voice Activity Detector rivela l attività vocale e condiziona l emissione della portante. Attività vocale parlo ascolto parlo ascolto t Emissione portante SI NO SI NO t Codec Tx Rx Codec + VAD SID Noise Maggiore autonomia del portatile 19 Identità della MS: la SIM CARD IMEI (International Mobile Equipment Identity) SIM (Subscriber Identity Mobile) Sim Card MS = Apparato radiomobile + Identità utente CPU, ROM, RAM, EEPROM La memoria ROM della SIM contiene: Il sistema operativo; IMSI = International Mobile Subscriber Identity; A8 = Chiphering key generation algorithm; A3 = Authentication algorithm; La memoria EEPROM della SIM contiene: Ki = Individual subscribers authentication key); PIN1/PIN2 = Personal Identity Number; PUK1/PUK2 = PIN Unblocking Key; Rubrica telefonica a disposizione dell utente; Messaggi SMS dell utente; 20 10

11 Procedura di autenticazione Generatore di numeri casuali RETE UTENTE Sfida RAND RAND Algoritmo A3 di cifratura Coincidenza? Algoritmo A3 di cifratura Ki SI accettato NO rifiutato Risposta firmata Ki Chiave di autenticazione memorizzata in HLR/AUC Chiave di autenticazione memorizzata nel modulo SIM 21 Procedura di cifratura MS: Sim Card AuC IMSI Richiesta di accesso Ki A8 Ki A8 Gener. RAND Algoritmo A8 Algoritmo A8 Kc Kc Algoritmo A5 Algoritmo A5 Messaggio in chiaro Messaggio cifrato Kc = chiave di cifratura A8 = generatore di Kc A5 = algoritmo di cifratura Messaggio in chiaro 22 11

12 2,5 G: GPRS (General Packet Radio Service) Modalità a pacchetto per reti GSM (fino a 115 Kbit/s) Usa da 1 a 8 canali sulla stessa portante Introduce una rete logica nuova sovrapposta a GSM Utilizza l infrastruttura fisica di GSM Introduce due nuovi nodi di rete SGSN: Serving GPRS Support Node, che svolge le funzioni dell per la rete a pacchetto GGSN: Gateway GSN, che interconnette la rete GSM con le altre reti a pacchetto (PDN-Packet Data Networks) 23 Architettura della rete GPRS BTS BSC BSC BSC HLR SGSN SGSN PSTN GGSN Internet SGSN 24 12

13 3 G: UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Rispetto ai precedenti sistemi, la modalità di accesso è differente W-CDMA: Wideband-CDMA E prevista la trasmissione di segnali a bit rate variabile (Max = 2 Mb/s) Tempo di chip della sequenza di espansione Tc costante (Rb=3,84 Mc/s) Banda occupata a radiofrequenza costante (canale da 5 MHz) Variano parallelamente Tb (tempo di bit) e N (lunghezza della sequenza). I canali radio: i tre livelli canali logici: descrivono la tipologia di informazione trasferita, canali di controllo (per il trasferimento delle informazioni del piano di controllo); canali di traffico (per il trasferimento delle informazioni del piano di utente); canali di trasporto: definiscono in che modo e con quali caratteristiche avviene il trasferimento delle informazioni sui canali fisici canali fisici: sono i canali radio su cui viene trasferita l informazione 25 Architettura della rete UMTS NODO B RNC RNC RNC HLR SGSN SGSN PSTN GGSN Internet SGSN 26 13

14 Attribuzione delle frequenze Operating Band Frequency Band Common Name UL DL Frequencies Frequencies (MHz) (MHz) I 2100 IMT Region Europe, Asia, Africa, Israel, Brazil, India II 1900 PCS America 27 Strato fisico FD/W-CDMA Un canale fisico è identificato dal codice di canalizzazione ad esso attribuito entro la cella di appartenenza Due canali fisici dedicati alla connessione di utente: DPDCH Dedicated Physical Data CHannel DPCCH Dedicated Physical Control CHannel DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): utilizzato per trasportare informazioni dei livelli superiori (dati d utente o di controllo tra la rete e la stazione mobile); DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): utilizzato per trasportare informazione di controllo di livello fisico: simboli pilota per la stima del canale; bit per il controllo di potenza (TPC); velocità di trasmissione

15 Spreading e modulazione Uplink Cod. di canaliz. (OVSF) cd cos(ωt) DPDCH I c scramb Real p(t) DPCCH cc Q j I+jQ cd, cc : codici di canalizzazione c scramb: codice di scrambling (short or long) p(t): filtro pulse-shaping (radice di cos. rialzato, roll-off 0.22) Imag p(t) sin(ωt) DPDCH e DPCCH sono divisi dall uso di codici diversi Durante una chiamata (CS), almeno il DPCCH e` sempre attivo Lo stesso codice si può riusare sui rami I e Q Il codice di scrambling e` una sequenza complessa Si utilizza una modulazione QPSK 29 Spreading e modulazione downlink I p(t) cos(ωt) DPDCH/DPCCH S P cch c scramb sin(ωt) Q p(t) cch: codici di canalizzazione c scramb: codice di scrambling p(t): filtro pulse-shaping (radice di cos. rialzato, roll-off 0.22) Lo stesso codice di canalizzazione è usato sul ramo I e Q Il codice di scrambling e` una sequenza reale applicata sia sul ramo I che sul ramo Q Si utilizza una modulazione QPSK 30 15

16 Codici usati nel W-CDMA di CANALIZZAZIONE di SCRAMBLING Espandono lo spettro del segnale; in UL separano i vari canali fisici dello stesso terminale mobile; in DL separano gli utenti diversi dentro la stessa cella; sono disponibili in numero pari allo SF per ciascun codice di scrambling; sono del tipo OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor. Non modificano la larghezza dello spettro del segnale; in UL individuano i vari terminali mobili; in DL individuano i settori o le celle diverse; in UL sono diversi milioni, in DL sono 512; ne esistono 2 tipi, long o short, e sono sempre trasmessi allineati al radio frame. 31 3,5 G: HSPA (High Speed Packet Access) HSDPA e HSUPA È basato sull architettura UMTS Max bit rate = 14,4 Mb/s Incremento di prestazioni ottenuto grazie ad una ottimizzazione della tecnologia adottata in UMTS: riduzione del ritardo dovuto ad errori in ricezione, correzione degli errori più veloce modulazione e codifica adattative ottimizzazione nella procedura di selezione di cella MIMO (antenne multiple in trasmissione e ricezione) canali di trasporto adattativi ed addizionali 32 16

17 4 G: LTE (long Term Evolution) Data Rate: Downlink 100 Mb/s, Uplink 50 Mb/s su 20 MHz Range: km Capacità: fino a 200 utenti per cella OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) OFDMA employs multiple closely spaced sub-carriers, but the sub-carriers are divided into groups of sub-carriers. Each group is named a sub-channel. The sub-carriers that form a sub-channel need not be adjacent. In the downlink, a sub-channel may be intended for different receivers. In the uplink, a transmitter may be assigned one or more subchannels

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