4.2 Accesso Multiplo, Canali di traffico e di controllo, Bursts ed Acquisizione dei sincronismi nel GSM

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1 1 Comunicazioni Mobili 2 R. Cusani Laurea Specialistica in: Ingegneria delle TLC anno 1 Ingegneria Elettronica anno Accesso Multiplo, Canali di traffico e di controllo, Bursts ed Acquisizione dei sincronismi nel GSM

2 Bande di frequenza 2 Bande allocate al GSM in Europa dall ITU (International Telecomm -unication Union) : MHz per l uplink (MS BS), totale 25 MHz MHz per l downlink (BS MS ), totale 25 MHz Frequency Division Duplexing (FDD) per comunicazioni full-duplex Bande addizionali attorno ai 1800 (o 1900) MHz for DCS-1800 Larghezza di banda del canale: 200 khz Tecniche di accesso multiplo a divisione di tempo e di frequenza

3 Bande di frequenza 3 PCN = Personal Communication Network PCS = Personal Communication System passo di canalizzazione uguale per tutti e pari a 200 khz

4 TDMA/FDMA Accesso multiplo 1 4 Parte FDMA : La banda di 25 MHz è divisa in 124 frequenze portanti spaziate di 200 khz (25 MHz / 200 khz = 124) 144:3 = 38 canali in media per ogni operatore italiano (TIM, Omnitel, Wind) Le frequenze portanti sono: f Uplink (n) = n 0.2 (MHz), n [1, 124] f Downlink (n) = n (MHz), n [1, 124] Bande accoppiate per il Frequency Division Duplexing con i canali Uplink e Downlink spaziati di 45 MHz Ad ogni BTS sono assegnate una o più frequenze portanti

5 TDMA/FDMA Accesso multiplo - 2 5

6 TDMA/FDMA Accesso multiplo Parte TDMA : Ogni portante è divisa nel tempo: l unità base del tempo è il burst period, lungo 15/26 ms ovvero circa ms Otto periodi di burst un frame TDMA di durata 120/26 ms = 4.6 ms

7 TDMA/FDMA Accesso multiplo Numero totale di canali : 124 x 8 = 992 Uplink e downlink sono anche separati nel tempo di 3 timeslots: MS riceve nel k-esimo timeslot e trasmette nel (k+3)-esimo timeslot Ciò evita che la MS trasmetta e riceva simultaneamente no problemi di accoppiamento tra ingresso e uscita dell antenna

8 TDMA/FDMA Accesso multiplo 5 8 Il frame TDMA è l unità base per la definizione di canali logici Un canale fisico è un periodo di burst per il frame TDMA

9 Struttura di canale 9 I canali sono definiti dal numero e dalla posizione dei loro corrispondenti periodi di burst Tutte queste definizioni sono cicliche : l intero modello si ripete ogni 3 ore circa I canali possono essere divisi in: Canali dedicati, allocati alla stazione mobile Canali comuni, utilizzati dalle stazioni mobili in modalità idle

10 Canali di traffico 1 10 I canali di traffico (TCHs) sono utilizzati per trasportare traffico voce e dati TCHs si basano su multiframe di 26 frame TDMA, un totale di 120 ms Multiframes, frames individuali TDMA, e bursts per voce e dati :

11 Canali di traffico ms è anche la lunghezza di un multiframe (120 ms divisi in 26 frames divisi in 8 burst periods per frame) Dei 26 frames: 1 per lo Slow Associated Control Channel (SACCH) 24 sono usati per traffico 1 è inutilizzato TCHs per UL e DL sono separati in tempo da 3 burst periods cosicché la MS non trasmette e riceve mai simultaneamente Ogni canale è full rate TCHs half-rate: doppia capacità di sistema, codifica voce half-rate (6.5 kbps, invece che di 13 kbps)

12 Canali di controllo 12 I canali comuni sono utilizzati in idle mode per scambiare l informazione di segnalazione richiesta per andare in modalità dedicata I terminali mobili sempre in dedicated mode e monitorano le BS circostanti per l handover e altre informazioni I canali comuni sono definiti dentro il 51-esimo frame del multiframe, cosicché i terminali dedicati utilizzano il 26-frame multiframe TCH che può monitorare i canali di controllo

13 Principali canali di controllo Broadcast Control Channel (BCCH) Broadcast, downlink - L informazione viene diffusa a tutte le MS ed include: identità della BS,allocazione di frequenza, sequenze di frequency-hopping 2. Frequency Correction Channel (FCCH) Broadcast, downlink. Usato per sincronizzare in frequenza le MS al time slot di una cella definendo i limiti del burst, e la numerazione del time slot. Ogni cella nel GSM trasmette esattamente un FCCH e un SCH, che sono per definizione sul timeslot numero 0 (all interno del frame TDMA). 3. Synchronisation Channel (SCH) Broadcast, downlink. Usato per sincronizzare nel tempo le MS al timeslot di una cella 4. Random Access Channel (RACH) Comune, uplink. Usato da MS per richiedere accesso alla rete, con protocollo Slotted Aloha

14 Principali canali di controllo Paging Channel (PCH) Comune, downlink. Usato per avvisare la MS dell inizio di una chiamata 6. Access Grant Channel (AGCH) Broadcast, downlink. Usato per allocare un SDCCH al mobile per la segnalazione al fine di ottenere un canale dedicato, seguendo una richiesta sul RACH 7. Slow Associated Control Channel (SACCH) Uplink e downlink, in ogni canale traffico. Usato per bassi rate, segnalazione non critica. 8. Fast Associated Control Channel (FACCH) Uplink e downlink. Alto rate per segnalazione di canale, usato durante il set-up di una chiamata, per l autenticazione, per comandi di handover

15 Struttura temporale della trama nel GSM 15

16 Struttura temporale della trama nel GSM 16

17 Struttura dei bursts 17 Per la trasmissione si hanno quattro diversi tipi di burst: 1) Il normal burst 2) L "F" o burst di controllo di frequenza 3) L "S" o burst di controllo sincrono 4) Il burst di controllo di accesso

18 Normal burst 1 18 Per trasportare voce, dati e segnalazione necessaria per gestire il trattamento della chiamata (dati per instauramento, mantenimento e fine di una chiamata) Lunghezza totale: bits, trasmessi in ms bit rate pari a / = kbps Intervallo di bit pari a Tb =1 / = 3,69 usec

19 Normal burst 2 19 Struttura: 2x57 bit information bits una sequenza di 26 bit training usata per equalizzazione, 1 stealing bit per ogni blocco di informazione (usato per FACCH) 3 tail bits alla fine 8.25 bit di sequenza di guardia

20 Normal burst 3 20 Training sequence bits: sono usati per stimare il canale tra BS e MS per poi equalizzare il canale in ricezione Stealing bits: sottratti ai bits del messaggio, costituiscono il Fast Associated Channel (FACCH). Funziona in blank mode ed in burst mode. FACCH è utilizzato durante gli handovers o quando lo slow associated channel non può inviare abbastanza informazione FACCH ignora il payload della voce, degradando la qualità della voce per portare informazione di controllo Tail bits: utilizzati dal decoder di Viterbi in ricezione, per partire e terminare la decodifica su stato noto Guard bits: riempie lo spazio temporale separando i timeslots successivi

21 "F" o burst di controllo di frequenza 21 Stessa lunghezza del normal burst, ma 142 bits settati a 0 : si trasmette un tratto di segnale ad ampiezza costante che dopo la modulazione analogica diventa un tratto di sinusoide a RF, utilizzato dal ricevitore per sincronizzarsi in frequenza F burst è usato sul FCCH come marcatore per il trattamento della chiamata

22 "S" o burst di controllo di sincronizzazione 22 S burst è usato sul SCH Viene trasmesso dalla BTS alla MS per mantenere il sincronismo di simbolo

23 Bursts di controllo di accesso 23 Il burst di accesso è più corto del normal burst Impiegato solo in uplink, con modalità broadcast, sul random access channel (RACH) MS lo usa per richiedere una successiva operazione, ad esempio per stabilire una chiamata o aggiornare la propria locazione

24 Struttura dei bursts - riepilogo 24 Si usa per canali di traffico e segnalazione Si usa per l accesso alla rete, che avviene sull ACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha

25 Struttura dei bursts - riepilogo 25 Canale FCCH, si usa per il recupero di frequenza Canale SCH, si usa per recuperare i sincronismi temporali

26 Acquisizione del sincronismo in frequenza 1 26 L acquisizione della sincronizzazione in frequenza e nel tempo è un problema di base per tutti i sistemi radio Procedura di inizio sincronizzazione: 1. MS ascolta i segnali emessi dalle BTS cercando le frequenze portanti (beacon) trasmesse sul canale BCCH. La strategia prevede di cercare, nell ordine: la frequenza lastbeacon (l ultima utilizzata dalla MS) tutte le frequenze beacon usate dall operatore mobile di appartenenza tutte le frequenze del GSM La frequenza beacon non è controllata in potenza, ma sempre trasmessa alla massima potenza

27 Acquisizione del sincronismo in frequenza MS cerca un FCCH: è una forma d onda seno, facile da rilevare. L informazione derivata è usata per sincronizzare la frequenza e adattare il clock Segnale ricevuto (senza rumore): T T t Riferimento nel ricevitore: tratto di sinusoide, di durata T T t T è pari a 142 bit ovvero 142 x 3,69 = 0,52 msec Risoluzione in frequenza 1/T = 1,92 khz

28 Acquisizione del sincronismo in frequenza 3 28 Ricerca dei tratti di sinusoide tramite cross-correlazione: t Verifica delle ampiezze dei picchi: A 1, A 2, A 3 > soglia T A 1 A2 A 3 t

29 Acquisizione del sincronismo in frequenza 4 29 Verifica delle distanze tra i picchi: T 12 -T FCCH, T 23 T FCCH < soglia A 1 A2 A 3 t T 12 T 23 Convalida della ricerca: aggancio in frequenza, aggancio preliminare della trama per la frequenza rilevata (posizione del FCCH) La procedura si ripete per le diverse frequenze, ogni volta misurando l energia della sinusoide rilevata La sinusoide a massima energia viene scelta per proseguire la procedura di aggancio alla BTS

30 Acquisizione del sincronismo temporale Agli slots SCH sempre segue lo slot FCCH 4. Gli slot SCH sono facili da trovare. Nel SCH la MS trova l informazione esatta circa il proprio numero di slot all interno del 8* 26* 51* esimo BP clock 5. L MS legge il BCCH per ottenere informazione circa la BTS, l operatore, ed altro Segnale ricevuto (senza rumore): t Riferimento nel ricevitore: sequenza dati di training 64 bit di training risoluzione 1/64 Tb t

31 Acquisizione del sincronismo temporale 2 31 Autocorrelazione della sequenza di training: t * t = t Ricerca della sequenza di training attraverso la cross-correlazione: C 1 C 2 C 3 t In tal modo viene agganciata la trama Il recupero del sincronismo di simbolo viene eseguito su ciascun timeslot, impiegando la sequenza di training (e la stima di canale)