3.3 Interfaccia Radio

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1 Politecnico di Milano acoltà di Ingegneria dell Informazione 3.3 Interfaccia adio eti adiomobili

2 Interfaccia adio DD (requency Division Duplexing) 45 Mz di separazione uplinkdownlink uplink downlink 200 kz DM rame ms f BS ransmits f down slot offset uplinkdownlink MS ransmits f up ime slot = 577 µs 2

3 Modulazione: Interfaccia radio MGSK (Minimum Gaussian Shifk Keying) modulazione a fase continua e forma d impulso gaussiana (con piccola interferenza intersimbolica) odifica di canale: onvoluzionale a differenti rate per i diversi tipi di servizio Equalizzazione: Sono trasmessi delle sequenze di bit note in ogni blocco fisico In ricezione si usa la sequenza nota per stimare il canale e sintetizzare il filtro di equalizzazione odifica della voce: 13 kbits (codificatore PE - full rate) 12.2 kbits (codificatore di tipo ELP - enhanced full rate) 3

4 rasmissione e ricezione Voce odifica di sorgente 13 kbs 22.8 kbs odifica di canale 22.8 kbs Modulatore emporizzatore GMSK 32 kbs ontrollo Decoder vocale Decoder canale Equalizzatore onvertitore AD Demodulatore Dai 13 kbits del codificatore vocale si passa ai 32 kbits del canale radio 4

5 requency opping L effetto del fading da multipath dipende anche dalla frequenza del segnale i possono essere portanti con bassa attenuazione e portanti con alta attenuazione Essendo la trasmissione protetta da codici E è meglio che gli errori dovuti a qualche portante fortemente attenuata siano distribuiti su più flussi informativi Si adotta un meccanismo di salto di frequenza che cambia la frequenza ogni slot secondo una sequenza fissa f 5

6 Power ontrol La potenza di emissione delle MS è controllata dalla BS La BS invia dei comandi di power control che richiedono alla MS di alzare o abbassare la potenza trasmissiva Lo step di incrementodecremento è di 2 db L obiettivo del controllo è di portare la potenza ricevuta dalla BS ad un livello prefissato Il power control riduce l interferenza media nel sistema riducendo la potenza delle MS con piccola attenuazione di canale (vicine alla BS) Il power control riduce anche il consumo di energia delle MS 6

7 Sincronismo di portante Sincronismo nel GSM ogni MS deve recuperare con precisione la frequenza della portante radio Sincronismo di slot Ogni MS deve avere informazioni sullo slot corrente Sincronismo di trama Ogni MS deve conoscere il rame Number corrente Sincronismo tra stazioni base (opzionale) Le stazioni base hanno orologi sincroni Le stazioni base hanno lo stesso rame Number 7

8 Sincronismo di portante La frequenza della portante radio viene recuperata dalla MS ascoltando il canale broadcast comune trasmesso dalla BS Su tale canale, ad intervalli regolari, viene trasmesso uno slot speciale con bit fissi che sono usati per recuperare con precisione l informazione sulla frequenza della portante e quindi aggiustare la frequenza dell oscillatore locale 8

9 Sincronismo di slot e trama Molti canali nel GSM seguono una struttura a multitrama (ad esempio: il canale di broadcast è trasmesso ogni x trame) La sequenza di requency opping dipende dalla multitrama Ogni MS deve quindi conoscere il numero di trama corrente per interpretare correttamente l informazione La stazione base BS trasmette sul canale di broadcast informazioni che permettono alle MS di ricostruire la scansione temporale di slot e il rame Number 9

10 Sincronismo di slot Le trasmissioni updown link subiscono ritardi di propagazione dipendenti dalla posizione delle MS Necessità di avere in ogni slot una parte di bit non significativi per garantirsi un certo margine sull errore riferimento temporale 2τ tempo di propagazione τ = dv d - distanza v - velocità della luce 10

11 Sincronismo di slot In genere si effettua una scelta conservativa per cui il tempo di guardia è: g = max(2 i τ i ) 11

12 Sincronismo di slot La rete GSM è progettata per avere celle con max =35 Km Nella situazione peggiore (ai bordi) si ha un tempo di guardia di 2τ = 2 x 35 3 x 10 8 = 233 µs che corrisponde a 68,25 bit alla velocità di kbs 12

13 Sincronismo di slot: iming Advance Per limitare il tempo di guardia: la BS stima il ritardo e invia l informazione alla MS che può quindi compensare anticipando la trasmissione usato nel GSM: si anticipa la trasmissione all allontanarsi dalla base (timing advance, riduce il tempo di guardia a circa 9 bit, pari a 33,3 µsec) 2) stima ritardo 4) trasmissioni successive 1) prima trasmissione 3) invio stima ritardo 13

14 Blocchi fisici o Burst Il blocco fisico è l informazione trasmessa in uno slot a causa del meccanismo DMA ciascun blocco è una unità trasmissiva autonoma che deve seguire un appropriato profilo di potenza per evitare di interferire con gli slot vicini db µs 14

15 lassificazione dei Bursts Normal Burst è usato per la trasmissione di informazione d utente (voce o dati) nei canali di traffico Access Burst usato per trasmettere le informazioni sul canale di accesso casuale (andom Access annel - A) è usato nel primo accesso alla rete lunghi periodi di guardia per permettere alla BS di calcolare la distanza dalla MS e di fornire alla MS informazioni per la procedura di timing advance 15

16 lassificazione dei Bursts requency orrection Burst usato sul canale di sincronizzazione (requency orrection hannel - ) 142 bits sono posti a 1 Synchronisation Burst usato per trasmettere informazioni di sincronizzazione di slot e trama Dummy Burst non contiene informazione ma solo bit di riempimento usato negli altri slot della frequenza principale di sistema quando non ci sono canali di traffico attivi per mantenere alto il livello di potenza 16

17 Normal Burst 148 bit = µs 3 oded bits 57 S 1 raining Sequence 26 S 1 oded bits 57 3 Guard Period bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore S-bits: (stealing bits) segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione oded Data: bit di utente (voce, dati etc.), 114 bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a 13 kbits netti per la voce, a 9.6 kbits o meno per i dati (codifica di canale più ridondante) raining Sequence: bit di controllo usati per la equalizzazione e per l aggancio dei trasmettitori GP: periodo di guardia per consentire l accensione e lo spegnimento dei trasmettitori 577 µs 17

18 Access Burst 8 Synchronisation 41 oded bits 36 3 Guard Period E usato dalla MS sul canale di accesso casuale nella prima trasmissione verso la BS prima di essere registrato E dunque usato in modo asincrono senza il controllo del timing advance ontiene bits 8tailing bits 41 synchronisation sequence 36 coded bits 3tailing bits bits come periodo di guardia 577 µs 18

19 requency orrection Burst 3 ixed bit sequences Guard Period µs omprende bits 2 x 3 tail control bits 142 fixed bit sequences sono tutti 0 rappresentano un riferimento costante in frequenza in rapporto fisso con quello della portante 8,25 bits di guardia 19

20 Synchronisation Burst 3 oded bits 39 raining sequence 64 oded bits 39 3 Guard Period µs omprende bits 2 x 3 tail control bits 2 x 39 coded bits 25 bit di informazione codificati diventano 78 bit divisi in due pezzi da 39 bit 64 bit di training sequence 8.25 bit di periodo di guardia 20

21 Dummy Burst 3 Pseudo-random sequence Guard Period µs E usato sulla portante del canale di controllo comune quando non ci sono altre informazioni o canali di traffico da trasmettere per assicurare che il livello medio di potenza misurato sia sufficiente per consentire un aggancio veloce delle MS ontiene bits 2 x 3 tail control bits 142 pseudo-random sequence 8.25 bits di periodo di guardia 21

22 I canali Logici Identificano univocamente il tipo di informazione che trasportano: Segnalazione (info di sincronizzazione..) raffico dati Sono divisi in canali di traffico e canali di controllo canali comuni e canali dedicati 22

23 anali Logici LOGIAL ANNELS OMMON ANNELS DEDIAED ANNELS Broadcast ONOL ANNELS ommon ONOL ANNELS Dedicated ONOL ANNELS AI ANNELS S B P A AG SD SA A =requency orrection annel S=Synchronisation hannel B=Broadcast ontrol annel P=Paging annel A=andom Access annel AG=Access Grant annel SD=Stand-alone Dedicated ontrol annel SA=Slow Associated ontrol annel A=ast Associated ontrol annel =raffic annel ull rate =raffic annel alf rate E=raffic annel Enhanced ull rate 23

24 I canali di traffico (raffic hannels-) anali che trasportano la voce ed eventuali dati Si distinguono in: ull ate channels: velocità lorda di 22,8 Kbsec alf ate channels: velocità lorda di 11,4 Kbs ull ate alf ate trama 1 trama 2 f f hh f hh t t 24

25 I canali di controllo (ontrol hannels-) ) Usati per trasportare segnalazione di vario tipo (esistono 14 tipi di canali di controllo!!) re grandi categorie di Broadcast hannels (B): informazioni di interesse generale sulla tratta downlink ommon ontrol hannels (): informazioni relative ad una connessione in fase preliminare (condivisi tra + connessioni) Dedicated ontrol hannels (D): informazioni di segnalazione specifiche di una connessione Broadcast ONOL ANNELS ommon ONOL ANNELS Dedicated ONOL ANNELS S B P A AG SD SA A 25

26 Broadcast ONOL ANNELS anali Broadcast (Broadcast hannels - B) (requency orrection hannel): canale downlink usato per correggere la frequenza alla MS, 148 bit senza codice. S (Synchronization hannel): trasporta l identificativo della BS (BSI) e un indicazione del numero di trama (N), 25 bit + ridondanza per codifica di canele. B (Broadcast ontrol hannel): trasporta informazioni generali, 184 byte codificati. 26

27 Broadcast ONOL ANNELS B (Broadcast( ontrol hannel) Numero di canali di controllo comune allocati (2 bit) 1 bit per indicare se i canali di controllo comune sono associati a canali dedicati Numero di blocchi riservati al AG (3 bit) Distanza di messaggi di page successivi verso una MS (3 bit) Parametri relativi al requency opping 27

28 ommon ONOL ANNELS anali di ontrollo omuni (ommon ontrol hannels - ) P (Paging hannel): downlink usato dalla BS per notificare ad una MS una chiamata entrante, trasmesso in broadcast su una LA A (andom Access hannel): uplink utilizzato dalla MS per richiedere l accesso alla rete (Location Update, richiesta di chiamata). E soggetto a collisioni. AG (Access Grant hannel): downlink per risposte a richieste su A 28

29 Dedicated ONOL ANNELS anali di ontrollo Dedicati (Dedicated ontrol hannels D) SA (Slow Associated ontrol hannel): scambio di misure relative ad una connessione tra MSBS e BSMS (Potenza seganale ricevuto, qualità.). Multiplato con il traffico d utente (184 bit in 20 msec di misurazioni) A (ast Associated ontrol hannel): usato per segnalazione veloce (richiesta di handover rapido). Sostituisce il traffico d utente SD (Stand-alone Dedicated hannel): canale di segnalazione assegnato in seguito a richiesta su A (identificazione, autenticazione, call setup ) 29

30 Dedicated ONOL ANNELS Slow Associated ontrol hannel (SA) In downlink: comandi per il controllo di potenza le informazioni dl B (che non possono più essere decodificate dalla MS assestata sul canale di traffico In uplink: misurazioni della MS: XLEV-SEVING-ELL (livello di potenza ricevuta dalla propria BS) XQUAL-SEVING-ELL (BE misurata sul flusso downlink) XLEV-NELL N (livello di potenza ricevuta dalle celle adiacenti) B-EQ-NELL N (# portante B delle adiacenti) BSI-NELL N (BSI delle adiacenti) 30

31 Uso dei canali per set up di un canale di traffico Mobile BS B A AG SD + SA messaggi relativi alla cella, ai canali paging, chiamata richiesta di accesso assegnazione SD segnalazione traffico + assegnazione 31

32 Accesso multiplo casuale (A) L accesso multiplo al canale A è casuale (non coordinato con le altre stazioni mobili) Quindi si possono verificare collisioni in trasmissione La corretta ricezione del messaggio di accesso viene riconosciuta dalla risposta della BS sul canale AG Nel messaggio sul A viene inserito un identificativo temporaneo (sequenza pseudo-casuale) che poi viene riportata nel messaggio sul canale AG Il meccanismo di gestione del A è di fatto di tipo Slotted-ALOA 32

33 Mappaggio dei canali logici in quelli fisici La segnalazione necessità di un bit rate di trasmissione più basso rispetto all informazione d utente (Sarebbe uno spreco di risorse assegnare a segnalazione 1 SLO per trama) La velocità effettiva di trasmissione può venir ridotta col meccanismo della multitrama IDEA: gli slot assumono un identità, e possono venire assegnati su un periodo di più trame, appunto la multitrama trama 1 trama multitrama 33

34 Esempio di gestione Multitrama: : SA Un burst dati normale trasporta 114 bit di dati 148 bit = µs 3 oded bits 57 S 1 raining Sequence 26 S 1 oded bits 57 3 Guard Period µs un canale che utilizzi uno slot per trama ha dunque una velocità di 114 [bit]4.6 [ms]=24.7 Kbs la velocità della voce codificata è invece di 22,8 Kbs avanzano 1,9 Kbs equivalenti 1 SLO ogni 13 trame. SA: 1 SLO ogni 26 trame per una velocità di 950 bitsec. 34

35 anali di segnalazione SA A - Negli slot assegnati al canali di traffico () si ricava lo Slow Associated ontrol hannel (SA) (A) usato per convogliare misure e comandi si utilizza una supertrama di 26 trame (120 ms) 35

36 36 Multitrama Multitrama full duplex full duplex Nota su come si legge il diagramma temporale: è la sequenza di slot di uno stesso canale di traffico, ovvero di uno slot di una trama Downlink, Uplink S A 577 µs 4,615 ms Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst I D L E

37 anali di segnalazione comune Un particolare slot (slot 0) su una particolare portante (frequenza 0) viene usato per ricavare uno o più canali in modalità supertrama da 51 trame ( ms) trama 0 trama 2 trama supertrama 37

38 anali di segnalazione comune nella direzione downlink vengono ricavati i canali per sincronizzazione di frequenza () sincronizzazione di bit (S) Broadcast ontrol hannel (B) ommon ontrol hannel 0 50 trama. S B S B S B - in uplink servono per il andom Access hannel (A) 38

39 anale di segnalazione SD Un altro slot viene utilizzato per ricavare 8 canali Stand-Alone Dedicated ontrol hannel (SD) (S) usati per il setup e altri messaggi (SMS) gli 8 canali sono ricavati con 3 slot ciascuno all interno della supertrama di 26 slot S S S S S S S S S S S S A S S S S S S S S S S S S - 39

40 odifica di canale: canale vocale 13 Kbs Il codificatore a 13 Kbs considera segmenti di parlato di 20 ms Ogni 20 ms il codificatore procure 260 bit che vengono divisi in 3 gruppi (classe 1a 50 bit, classe 1b bit, classe 2 78 bit) a cui vengono applicate differenti codifiche lasse 1a 50 bit lasse 1b 132 bit codice ciclico (53, 50) lasse 2 78 bit lasse 1a 53 bit lasse 1b 132 bit ail 4 bit codice convoluzionale 12 lasse 2 78 bit lasse 1a + lasse 1b 378 bit 456 bit lasse 2 78 bit 456 bit in 20 ms equivale ad un rate di 22.8 Kbs 40

41 odifica di canale: canale vocale 13 Kbs Segmento di 20 ms di voce codificata 456 bit frammento 1 frammento 2 frammento 3 frammento bit 114 bit 114 bit 114 bit 3 oded bits 57 4 Normal Burst trasmessi in 4 trame ovvero in 4.6*4 = 18.4 ms ma uno slot ogni 13 è di segnalazione e quindi in media 18.4*1312=20 ms S 1 raining Sequence 26 S 1 Normal Burst oded bits

42 odifica di canale: canale vocale 13 Kbs Interleaving In realtà i bit dei 4 blocchi fisici da 114 bit non sono sequenze contigue di bit in uscita dal processo di codifica I bit sono mescolati: B(i,1) B(i,2) B(i,3) B(i,4) B(i+1,1) B(i+1,2) B(i+1,3) B(i+1,4)... B(i+3,3) B(i+3,4) Interleaving B(i,1) B(i+1,1) B(i+2,1) B(i+3,1) B(i,2) B(i+1,2) B(i+2,2) B(i+3,2) B(i,4) B(i+1,4) B(i+2,4) B(i+3,4)... 42

43 odifica di canale: canale dati a 9.6 Kbs interleaving e Ogni 5 ms viene generato un blocco di 48 bit a cui sono aggiunti 12 bit di overhead di protocollo di linea per un totale di 60 bit bit Anche il canale dati 60 bit 60 bit 60 bit 60 bit subisce su un elevato 240 bit ail numero di 4 bit blocchi (19) codice convoluzionale bit puncturing di 32 bit 456 bit 43

44 odifica di canale: canali di segnalazione SD, B, P, AG I canali generano blocchi informativi di 184 bit ogni 20 ms 184 bit codice IE (224, 184) 184 bit 40 bit codice convoluzionale 12 ail 4 bit 456 bit 44