Reti cellulari. Cenni Storici. Cenni Storici. Introduzione, storia e principi generali. Cenni Storici

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1 Cenni Storici Reti cellulari Introduzione, storia e principi generali La propagazione nello spazio libero è utilizzata da quasi 100 anni per le telecomunicazioni I primi rudimentali sistemi di telecomunicazione non diffusiva con mezzi mobili appaiono durante le seconda guerra mondiale Cenni Storici L idea del sistema cellulare risale infatti in base all osservazione dei sistemi radio utilizzati dai servizi di polizia degli USA. Si era capito che restringendo l area di copertura delle stazioni radio e utilizzando più slot di frequenze era possibile garantire più comunicazioni contemporanee. Cenni Storici Mancava però la capacità elaborativa: I computer dell epoca erano lenti e costosi, perciò i sistemi di tlc mobile vennero adottati solo dalle strutture militari Inoltre l Authority responsabile della concessione delle frequenze fu miope e concesse una banda che permetteva soltanto 23 chiamate contemporanee. Nel 1940 si propose un sistema funzionante mediante radio AM.

2 Cenni Storici Cenni Storici Nei primi anni 80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso moderno del termine (1983 Chicago, 1980/2 prototipazione in Giappone) reti specializzate (es. private di una organizzazione) piuttosto costose bassa capacità e versatilità terminali di dimensioni e peso elevati Nella seconda metà degli anni 80 vengono installate le reti analogiche avanzate (AMPS, NMT, TACS) con immediato ed enorme successo commerciale Cenni Storici AMPS:Advanced Mobile Phone Service è uno standard U.S.A. (EIA-553); lavora nella banda intorno agli 800 MHz diffusione: Stati Uniti, Canada, Messico, Australia, Nuova Zelanda Taiwan, Corea del Sud, Singapore, Hong Kong, Thailandia, Brasile,... TACS: Total Access Communication System è uno standard sviluppato nel Regno Unito; lavora nella banda intorno ai 900 MHz, di fatto è un adattamento dello standard AMPS diffusione: U.K., Italia, Irlanda, Spagna, Austria, Penisola Arabica,... NMT:Northern Mobile Telephone System uno standard scandinavo, sviluppato indipendentemente da AMPS e TACS; lavora nelle bande intorno ai 450 e ai 900 MHz, ci sono notevoli differenze nel funzionamento tra le due bande diffusione: Scandinavia, BeNeLux, Austria, Francia, Ungheria, Spagna, Svizzera,... Cenni Storici Alla fine degli anni 80 è diventato chiaro che le reti cellulari esistenti non erano in grado di sopportare la domanda di traffico e qualità a meno di: risolvere i problemi di bassa capacità a causa dell indisponibilità dello spettro migliorare in modo significativo la qualità del servizio e la gamma dei servizi disponibili diminuire drasticamente i costi delle apparecchiature risolvere i problemi di interoperabilità tra sistemi diversi

3 Cenni Storici Cenni Storici I quattro problemi da risolvere hanno spinto verso soluzioni di tipo concentrato (standard internazionali) con tecnologia numerica (GSM, D-AMPS, IS-95) Il sistema GSM è stato introdotto in Europa nel 1992 ed ha subito ottenuto un successo enorme ed inaspettato D-AMPS e IS-95 (CDMA) sono introdotte in U.S.A. nella metà degli anni 90 anch esse con grande successo ma non paragonabile al GSM Alla fine degli anni 90 si è standardizzata le reti con accesso a pacchetto, GPRS, EDGE, I-MODE etc. Nel 2000 si è partiti con la terza generazione, utilizzando CDMA e UMTS Attualmente si studia la quarta generazione (convergenza con wi-fi, wi-max e Bluetooth) Distinzioni Rete Wireless con punto di accesso fisso RETE WIRELESS È una (sotto)rete t in cui l accesso da un terminale avviene attraverso un canale senza filo Terminale RETE CELLULARE È una rete la cui copertura geografica g è ottenuta con una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle. L utente (terminale mobile) si può muovere attraverso la rete passando da una cella all altra senza interrompere la comunicazione verso altre reti Stazione Rdi Radio Base (Gateway o Router) Terminale Terminale

4 Rete Cellulare Rete Cellulare I primi sistemi radiomobili per la telefonia avevano come principio l utilizzo di tecniche di tipo FM: Un unica stazione ad alta potenza per coprire l intera area di interesse Suddivisione dei canali mediante frequenze diverse, assegnate staticamente agli utenti Rete cellulare Rete cellulare La scarsa disponibilità perciò di canali di comunicazione ha dettato il cambio di filosofia Molte stazioni a bassa potenza Riutilizzo delle frequenze in celle diverse assegnate dinamicamente L utilizzo di frequenze allocate dinamicamente, e l esistenza di più celle attraverso le quali si muove l utente sollevano il problema del mantenimento della comunicazione durante la transizione da una cella a quella adiacente: HANDOVER

5 Funzioni chiave per la mobilità Architettura di rete Registrazione: collegamento del terminale alla rete identificazione, autenticazione Localizzazione: posizione e reperimento del terminale paging Handover: (ri)localizzazione + (ri)registrazione +trasferimento della chiamata in corso MSC = commutatore BS = stazione radio base MT = terminale mobile Sezione utente BS BS BS Rete fissa radio o di accesso MSC MSC Rete fissa (core network) MSC Base dati Verso altre reti Identificazione dei link Registrazione Viene indicato come forward link (o canale) il collegamento BTS Mobile FC Il collegamento Mobile-BTS prende il nome di reverse link (o canale): RC Procedura da eseguire: all accensione accensione del terminale tutte le volte che si desidera accedere ad un nuovo servizio (es. fare una nuova chiamata) con fini di autenticazione serve ad associare MT alla rete coinvolge l intera rete

6 Registrazione Localizzazione MT BS MSC richiesta canale assegnazione canale richiesta registrazione richiesta autenticazione conferma autenticazione Registrazione + autenticazione OK rilascio canale ACK rilascio canale Aggiornamento base dati Procedura da eseguire: all accensione accensione del terminale tutte le volte che si cambia zona di localizzazione o Location Area (LA), in generale un gruppo di celle correlate tra loro serve ad associare un terminale ad una specifica zona della rete coinvolge l intera rete Localizzazione Paging MT BS MSC richiesta canale assegnazione canale aggiornamento localizzazione richiesta autenticazione conferma autenticazione Aggiornamento base dati Nuova localizzazione rilascio canale ACK rilascio canale Procedura di localizzazione fine Viene eseguita in caso di chiamata verso MT per stabilire esattamente in quale cella MT si trovi Viene trasmesso in broadcast su tutte le celle un messaggio con l id. di MT Se la Local Area è composta da una sola cella non è necessario

7 Handover Handover È la procedura che consente il trasferimento di una chiamata da una cella alla successiva, mentre il terminale mobile si sposta all interno della rete Di fatto è l elemento distintivo tra le reti cellulari ed ogni altro tipo di rete di telecomunicazione È un operazione complessa che pone alla rete notevoli requisiti in termini di architettura di rete, di protocolli e di segnalazione per la gestione delle procedure connesse agli handover Classificazione handover Classificazione handover Soft Hard: indica se durante l handover sono attivi entrambi i canali radio (soft) o solamente uno per volta (hard) Forward Backward: indica se la segnalazione avviene tramite la BS di origine (backward) oppure la BS di destinazione (forward) MT BT initiated: indica se il primo messaggio di segnalazione per l inizio dell handover viene inviato dal terminale utente come richiesta (MT initiated) oppure dalla stazione base come comando (BS initiated) inoltre bisogna stabilire chi e come effettua le misure necessarie per stabilire il momento opportuno per effettuare un handover

8 Ping Pong Effect Isteresi Se il terminale si trova in condizione di ricevere i segnali di due BTS con qualità di link simile può verificarsi che si effettui un continuo handover tra le due: ping-pong effect Per evitare il ping pong effect viene utilizzato un ciclo di isteresi L handover non avviene se la potenza della cella non servente non ha un margine di potenza superiore ad un db prefissato Soft Forward Handover MT BS1 BS2 MSC richiesta canale assegnazione canale richiesta handover richiesta autenticazione conferma autenticazione Commutazione canale radio rilascio canale ACK rilascio canale esegui handover handover eseguito handover confermato Aggiornamento base dati Commutazione flussi Efficienza delle reti Il segnale generato da un rice-trasmettitore in una cella non rimane confinato a quella cella ma si propaga anche alle celle adiacenti Questo significa che è necessario prevedere un piano di attribuzione delle frequenze che preveda la possibilità di riusare una frequenza in una cella sufficientemente distante per evitare l interferenza tra due comunicazioni diverse

9 Efficienza delle reti cellulari Copertura cellulare l con cluster di 7 celle Viene misurata essenzialmente in base al ri-uso dei canali radio disponibili in celle adiacenti: la banda è una risorsa molto preziosa (sul canale radio) e va usata al meglio Se si potessero usare tutti i canali in ciascuna cella si avrebbe efficienza i 1 Le celle vengono organizzate in cluster di N celle: all interno di un cluster, ciascuna cella utilizza un sottoinsieme unico di canali La dimensione del cluster è una misura dell efficienza del sistema: più sono grossi i cluster meno efficiente i è il sistema Copertura modellizata esagonale Copertura modellizata esagonale Generalmente la copertura viene modelizzata come esagonale l esagono è scelto come figura geometrica più vicina al cerchio in grado al contempo di ricoprire il piano con completezza Grazie alla regolarità introdotta dagli esagoni, il riuso può essere rappresentato secondo una chiara topologia

10 Dimensione del cluster Dimensione del cluster Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS, TACS, NMT):clusterdi19o21celle celle Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o misto FDMA/TDMA (GSM, D-AMPS, JCD):cluster di 7 o 9 celle La densità di canali radio disponibili (l efficienza) per Km 2 è tanto maggiore quanto minore è la dimensione del cluster D altronde, (a parità di tutte le caratteristiche radio) cluster di grandi dimensioni implicano una miglior qualità in quanto si riduce il livello di interferenza tra celle Sistemi numerici con accesso di tipo CDMA (IS-95): cluster di una cella (almeno in linea di principio) Tecniche di copertura cellulare Le celle non sono necessariamente cerchi (o esagoni) regolari delle stesse dimensioni L effettiva dimensione i della cella è determinata t dalla potenza degli apparati, dai ritardi di propagazione e dalla densità di traffico È possibile utilizzare antenne direzionali per avere celle di forma e dimensione particolari Celle di dimensione (e forma) diversa Celle stratificate (celle a ombrello) Sono allo studio tecniche per ottenere celle puntiformi i che inseguono il terminale mobile Dimensione delle celle Data la dimensione di cluster C s, la capacità del sistema (numero di canali radio per Km 2 ) aumenta quando il raggio di cella diminuisce Tuttavia ridurre il raggio, significa ridurre la potenza di emissione delle antenne ed aumentarne il numero, ossia il costo della copertura aumenta

11 Dimensioni della cella Micro e macrocelle Zone a basso traffico La dimensione del cluster è sempre la stessa, quindi non cambia la topologia del riuso frequenziale In b tuttavia si ha una capacità superiore, per Km 2 Zone ad alto traffico Copertura cellulare l stratificata Copertura cellulare di tipo autostradale micro-celle Celle per la copertura stradale via di grande comunicazione Celle ad ombrello altre celle

12 Posizionamento delle antenne Cluster a 9 celle e antenne settoriali a 120 Le antenne possono essere piazzate al centro della cella (a), oppure nel centro congiungente più celle, utilizzando antenne settoriali (b) Stazione radio base Settori Copertura reale Calcolo interferenza cocanale Ipotesi: 1. Cluster di 7 celle esagonali (N=7), con antenna situata nel centro dell esagono esagono 2. Si considera trascurabile l interferenza di celle molto lontane rispetto a quelle vicine: in pratica si tiene conto del solo gruppo di 6 celle appartenenti alla prima cerchia (detto primo tier ) 3. Modello di propagazione deterministico: β P R = h d con: P R Potenza ricevuta d distanza h fattore dipendente dalla potenza trasmessa, guadagni d antenna e freq. β coefficiente di attenuazione

13 Interferenza cocanale Interferenza cocanale D R Vogliamo confrontare la potenza utile C che una stazione base riceve da un terminale utile con la potenza interferente I che la stazione base riceve da altri terminali mobili sullo stesso canale In pratica si considera il rapporto C I che rappresenta un fattore di qualità della trasmissione Per scopi didattici si considerano h e β fissati e uguali per tutte le tratte mobile-base Primo tier Interferenza cocanale Consideriamo il caso peggiore, ossia che il terminale mobile (utile) sia sul bordo della cella servente, e siano presenti altri 6 terminali che trasmettono sullo stesso canale in celle limitrofe Perciò C = h R I i = h D β β Interferenza cocanale Considerando i segnali ricevuti non correlati, si può considerare il valore complessivo dell interferenza come: I = I i = 6 I i i Per cui il rapporto tra potenza utile e interferenza cocanale è: β C 1 D = I 6 R

14 Fattore di riuso Il rapporto D prende il nome di fattore di riuso R C Si osservi come il rapporto I non dipende da D o da R separatamente ma dal loro rapporto: Interferenza cocanale Geometricamente si dimostra che, per celle esagonali vale: D = 3 N R In linea di principio si può cambiare il fattore di scala dell intera griglia di celle senza osservare variazioni del rapporto C/I misurato dai ricevitori Per cui si ottiene: C I = 6 1 β ( 3 N ) 2 Dimensione minima cluster Dalla formula precedente perciò, fissato un C desiderato I per la comunicazione è possibile ricavare il numero N minimo che permette il rispetto delle specifiche imposte. Dalle proprietà geometriche della copertura esagonale si osserva che i valori di N sono: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, Efficienza spettrale Ci sono varie definizioni riguardo l efficienza spettrale delle reti radiomobili, le principali sono: Efficienza di riuso dei canali: indica quanto vengono riusati i canali della banda in termini di Km 2 Traffico smaltito: indica la capacità del sistema di tradurre la banda allocata in traffico per unità di area

15 Efficienza spettrale (1) Considerata B t la banda complessiva del sistema, B c la banda effettiva del singolo canale N c il numero dei canali in modo che: B = B N t E n c il numero di canali assegnati ad una cella di area A del cluster: N n c c = N c L efficienza spettrale E (numero di canali per unità di banda e di area) può essere definita: E = c nc 1 = canali B A N B A 2 Km MHz t c Efficienza spettrale (2) Il traffico smaltito si misura in Erlang/Km 2 Indicando con E c il traffico smaltito nella cella, si ricava l efficienza spettrale E t in termini di traffico smaltito per unità di area A e banda B t del sistema cellulare come: Ec Ec nc Et = = B A N B A t c Erlang 2 Km MHz Gestione del traffico Probabilità di blocco Il parametro indicativo del grado di servizio è rappresentato dalla probabilità di blocco P dalla probabilità di blocco P B La probabilità di blocco è la probabilità che un cliente non possa utilizzare il servizio per mancanza di canali liberi Definendo con E 0 il traffico offerto in una cella, la probabilità di blocco è ottenuta mediante la formula di Erlang: ( n, E ) = E n! 0 c P B = B c 0 n c k E0 k = 0 k!

16 Traffico smaltito Esempio Pertanto il traffico smaltito per cella risulta: E = E 1 ( ) c 0 P B Da cui si può ricavare l efficienza spettrale Sistema composto da 32 celle di raggio r=1.6 Km 336 frequenze totali disponibili Cluster N = Area coperta = r 3 = 213km Numero max di chiamate per ogni cella = 336/7 = 48 Max chiamate contemporanee nell area = =1536 Esercizio Pianificazione della copertura 128 celle r = 0.8km Allocazione fissa dei canali (FCA) essenzialmente basata sul concetto di cluster o sue evoluzioni per avere cluster di dimensioni variabili e celle cui vengono allocate un diverso numero di risorse Allocazione dinamica dei canali (DCA) le risorse vengono assegnate alle celle on-demand Schemi ibridi (HCS)

17 Reti commerciali di prima generazione Reti commerciali di seconda generazione Trasmissione analogica, solo servizio di telefonia Tecnica i d accesso FDMA Copertura del territorio con celle di grandi dimensioni Bassa qualità del servizio i offerto Bassa efficienza nel riuso delle frequenze, e bassa capacità complessiva della rete Reti in esercizio (in fase di dismissione): AMPS, NMT (il TACS è stato dimesso nel 2004) Trasmissione numerica Tecnica i d accesso FDMA/TDMA oppure CDMA Celle di dimensioni più contenute (raggio delle celle da alcune centinaia di metri ad alcune decine di Km) Bassa velocità di cifra Efficienza a complessiva abbastanza a buona, riuso delle frequenze da buono ad accettabile Reti in esercizio: D-AMPS (o ADC), GSM, DCS1800, DECT1900, JDC Reti di seconda generazione estese Sono una prima fase commerciale (Es. GSM2/2+) Sfruttano la stessa architettura tt e la stessa tecnologia di seconda generazione Servizi a velocità più elevata o ad accesso a pacchetto (Es. GPRS), ma soprattutto mirano ad accrescere la capacità complessiva della rete Reti di seconda generazione estese L architettura è di tipo multirete, cioè la rete è formata da diverse sottoreti specializzate (Es. DECT e DCS in ambiente urbano, GSM in ambiente rurale, etc.) È previsto l uso di terminali multistandard in grado di collegarsi alla rete più opportuna in funzione del servizio richiesto Non sempre è possibile mantenere la comunicazione se è necessario cambiare sottorete (Es. DCS GSM SI, GSM DECT NO)

18 Reti di terza generazione Trasmissione numerica, servizi multimediali, elevata velocità di cifra, accesso a pacchetto Tecnica d accesso CDMA, W-CDMA o A-TDMA (Advanced- TDMA, un evoluzione della tecnica FDMA/TDMA del GSM) Copertura cellulare stratificata, con celle di piccole dimensioni per avere elevata capacità e celle ad ombrello sovrapposte per consentire elevata mobilità Uso della diversità spaziale (comunicazione contemporanea con più stazioni fisse) per maggiore qualità/affidabilità Reti di terza generazione Elevata integrazione di numerose sottoreti specializzate per fornire una miglior qualità di servizio Possibilità di handover tra sottoreti differenti Reti previste : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ETSI FPLMTS (Future Public Land MTS) o IMT200-ITU... Mobile generations