SISTEMI GSM E UMTS

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1 SISTEMI GSM E UMTS In questo capitolo andremo a studiare i sistemi attualmente utilizzati nell ambito della telefonia mobile: il GSM e il più innovativo UMTS, analizzando, brevemente, anche il sistema GPRS. GSM (Global System Mobile Communication) La sigla del sistema GSM (Sistema globale per comunicazioni mobili) è nata in ambito ETSI (European Telecommunication Standard Institute) dal nome del gruppo di lavoro (Group Special Mobile) che aveva il compito di creare uno standard per le telecomunicazioni mobili in ambito europeo. Infatti i sistemi radiomobili che erano utilizzati fino ai primi anni 90 non avevano uno standard comune: ciò causava gravi disagi alla mobilità d utente, nel senso che, per esempio, un utente italiano che doveva comunicare attraverso il proprio terminale italiano (riferito allo standard in uso in Italia, ETACS) in Germania, era impossibilitato a farlo per incompatibilità tra gli standard. Tra gli obiettivi principali del gruppo di lavoro GSM c era quello di creare uno standard che presentasse le seguenti caratteristiche: - Elevata efficienza delle radiofrequenze; - Elevata capacità di traffico: quindi possibilità di trasmettere non solo voce, ma anche dati; - Impiego efficace di terminali portatili, che essendo numerici potevano presentare dimensioni ancora più ridotte; - Compatibilità con tutte le reti pubbliche esistenti: PSTN (reti a commutazione di circuito), ISDN (Integrated Service Digital Network), PPSDN (reti a commutazione di pacchetto); - Elevata sicurezza per gli utenti e le informazioni trasmesse rispetto ai sistemi analogici: grazie alla introduzione di tecniche crittografiche diventa molto più difficile violare la privacy degli utenti, cosa che invece era molto semplice, ad esempio, con gli ETACS, dove bastava intercettare la frequenza ed ascoltare tutto quello che si voleva; - Buona qualità della voce. I sistemi GSM hanno avuto un successo enorme; ancora oggi, infatti, il sistema GSM conta il maggior numero di utenti: per il suo successo è passato da standard europeo a standard mondiale! Come si intuisce da quello che è stato detto prima, il GSM sfrutta una tecnologia completamente numerica e consente il Roaming internazionale. La figura sottostante da un idea della penetrazione delle tecnologie radiomobili di prima e seconda generazione nel mondo. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 222

2 Osserviamo che dopo pochi anni dalla nascita del GSM, in particolare nel 2002, questo era il sistema che presentava il maggior numero di utenti, anche rispetto agli standard americani IS-95 CDMA, IS-136, PDC e PHS. Struttura della rete GSM 900 I componenti principali della rete GSM, che abbiamo già visto nei capitoli precedenti, sono: - Mobile Station, ossia il terminale mobile d utente; - Base Transceiver Station, ossia la stazione radiobase; - Base Station Controller che è un sistema di controllo delle stazioni radiobase, direttamente collegate ad esso; - Mobile Switching Center, che è direttamente collegata alla BSC; - I Visitor Location Register e Home Location Register sono dei registri presenti nel MSC. L HLR contiene tutte le caratteristiche degli utenti che si sono abbonati a quella particolare rete, mentre il VLR contiene le informazioni degli utenti che hanno fatto accesso temporaneamente in quella rete, o comunque, che si trovano in quel momento in quella determinata area. Andiamo ad analizzare singolarmente i componenti prima accennati. Il terminale mobile GSM presenta una caratteristica che non esisteva nei precedenti ETACS: questa è la SIM (Subscriber Identity Module) che contiene tutte le informazioni d utente: quindi dati personali, tariffa di quell utente, credito o debito residuo e per le ultime generazioni di SIM vi è la possibilità di memorizzare una grande mole di dati (non indispensabili per le comunicazioni) quali messaggi, rubrica, agenda ecc. Per cui, nei sistemi GSM, l individuazione di un utente dipende dalla SIM e non più dal telefonino: quest ultimo può, infatti, essere utilizzato da più utenti, cioè da più SIM, mentre quest ultima è nominativa. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 223

3 La Base Transceiver Station BTS fornisce la connessione con i terminali mobili ed effettua le operazioni di modulazione e demodulazione dei segnali radio, cioè li converte da radiofrequenza a banda base e viceversa. Diverse Base Transceiver Station fanno capo alla stessa Base Station Controller, come già avevamo accennato prima. Il compito principale della Base Station Controller è la gestione della rete radio: canali vocali, celle adiacenti ecc. Inoltre la BSC è responsabile della connessione e della amministrazione dei canali di controllo e voce verso la MS. Permette inoltre le operazioni di Handover tra le celle: le misurazioni sulla qualità fatte dalla BTS vengono inviate al BSC che valuta e decide quando effettuare l handover. BTS BSC Il Mobile Switching center è un dispositivo preposto alla commutazione delle chiamate, al controllo dell attivazione della chiamata (con l aiuto del VLR e HLR), alla gestione della mobilità dell abbonato e anche alla gestione della tariffazione delle chiamate. Il MSC permette anche di connettere alla rete fissa le varie BSC e quindi rappresenta un interfaccia tra rete mobile e rete fissa: effettua anche una transcodifica da 64 Kbit/s (segnale PCM che arriva dalla rete fissa) a 13 kbit/s, cioè effettua una compressione della voce, che si rende necessaria per risparmiare banda e quindi avere maggiore efficienza; quanto detto è reso possibile dallo sviluppo di molte tecniche di compressione che oggi hanno portato il bit rate a 8 Kbit/s. Per capire la differenza tra HLR e VLR basta fare un esempio: supponiamo che un utente con scheda prepagata scaduta tenti di accedere alla rete: sarà l HLR e non il VLR a verificare che l utente di quel particolare operatore si trova in una situazione tale per cui non può accedere e quindi comanda al MSC di non dare l autorizzazione a quel determinato utente di accedere alla rete. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 224

4 Interfaccia Radio Ricordiamo che nel caso del GSM si ha una tecnica ibrida FDMA-TDMA. Gli organismi internazionali di assegnazione delle frequenze hanno stabilito che la ripartizione delle bande di frequenza del sistema GSM 900 (il sistema GSM 1800 è una evoluzione ma le caratteristiche sono simili) dovesse essere come quella riportata in figura: Uso dello spettro RF all interno della banda CEPT impiegata dalla rete GSM-900. Le frequenze tra parentesi si riferiscono all utilizzo dello spettro sul territorio italiano. Come si può vedere dalla figura precedente, abbiamo 25 MHz di banda disponibile nel tratto Up-Link e altri 25 MHz nel tratto Down-Link. In questa banda di 25 MHz vi sono 124 portanti spaziate ciascuna di 200 KHz. La distanza tra una portante di Up-Link e la corrispondente di Down-Link, in un collegamento Duplex, è di 45 MHz. Queste portanti, come avevamo già detto, non sono riservate ad un unico utente, ma ogni portante F x permette, tramite la tecnica TDMA, l accesso fino ad otto utenti per portante: quanto detto è molto più comprensibile osservando la figura di sotto. Ciò significa che ogni utente non accede per tutto il tempo a una determinata portante, ma vi accede ad intervalli di tempo regolari. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 225

5 Struttura di un time slot del GSM In questo caso abbiamo 3 bit di intestazione (Header), 57 bit informativi, quindi 1 bit selettivo che indica se i bit informativi trasportano dati o informazioni di controllo, quindi si hanno 26 bit di sincronismo (training sequence) che permettono di calcolare la risposta all impulso del canale e di sincronizzare la trama, nuovamente 1 bit selettivo e 57 informativi, 3 bit di intestazione e i famosi 8,25 bit di guardia. I canali allocati opportunamente nei time slot della trama GSM trasmessa sono suddivisi in: - Canali di traffico TCH (Traffic Channel) per trasmettere voce o dati di utente (payload); - Canali di segnalazione CCH (Control Channel) per il controllo delle chiamate e la gestione del sistema. Analizziamo ora, con un esempio, quello che succede quando, un mobile, si sposta da una cella facente capo ad un MSC, in un altra cella facente capo ad un altro MSC. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 226

6 Durante la fase di avvicinamento all altra Base Station, il mobile si accorge che il livello del segnale associato alla BS da cui si allontana scende sotto una determinata soglia, mentre quello della BS cui si avvicina è in continuo aumento. E in questo momento che il mobile si connette alla nuova BS, o meglio chiede di potersi connettere: questa richiesta di aggiornamento viene inoltrata dalla BS al MSC di riferimento. Il MSC verifica nel HLR se quel particolare utente è abilitato a connettersi con quella BS; quindi il HLR ordina di cancellare i dati dell utente dal VLR corrispondente al MSC da cui proviene lo stesso utente. Ricevuta la risposta affermativa dal HLR, il MSC andrà ad iscrivere nel suo VLR i dati del nuovo utente e quindi darà l ordine alla BS di concedere il collegamento all utente. Consideriamo ora il caso di collegamento tra un utente della rete fissa ed un utente della rete mobile. La problematica che vogliamo risolvere è come l utente della rete fissa riesce a rintracciare il mobile desiderato. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 227

7 La richiesta di collegamento (IAM) del cliente di rete fissa con un determinato mobile viene inoltrata al Gateway Mobile Switching Center che rappresenta l interfaccia tra rete fissa e rete mobile. Il GMSC interroga il suo HLR per verificare se l utente mobile cercato appartiene a quella rete mobile; avuta una risposta positiva, la richiesta IAM viene inoltrata a tutti MSC collegati con il GMSC: i MSC interrogano i rispettivi VLR ; ovviamente il mobile può essere solo in una cella che fa capo ad un particolare MSC che troverà i dati d utente nel proprio VLR. Il dialogo tra MSC e GMSC si risolve solo quando è chiaro a quale MSC appartiene in quel momento l utente mobile. Il problema che nasce è quello di individuare a quale cella appartiene il mobile, poiché ogni MSC gestisce diverse celle. Pertanto il MSC invia una richiesta radio a tutte le BS di sua competenza. Solo una BS, per ovvie ragioni, risponderà affermativamente e quella risposta significherà che il mobile è stato trovato. In questo modo si garantisce la connessione tra utente chiamato ed utente chiamante. Diciamo che quanto esposto è stato molto semplificato rispetto a quello che succede nella realtà. Basti pensare al fatto che se il GMSC dovesse interrogare tutti i MSC per sapere a quale di questi fa capo il mobile ci sarebbe un grande spreco di risorse; in realtà ci sono procedure molto più intelligenti, come quella di iniziare ad interrogare il MSC che ha registrato l ultima presenza dell utente mobile (anche se si tratta di qualche giorno prima): infatti è molto probabile che l utente mobile si trovi ancora nella stessa cella di prima; se questo primo tentativo non dovesse andare a buon fine, vengono interrogati i MSC più vicini e così via. Evoluzione dei servizi dati su mobile Il grafico seguente mostra l evoluzione nel tempo dei sistemi di telecomunicazione mobili: si noti la crescita continua della bit-rate, che ha favorito l accesso a Internet utilizzando il telefonino come Modem. Il GPRS (General Packet Radio Service ) è un evoluzione del GSM e consiste nell introduzione di alcuni blocchi (SGSN, GGSN) che permettono la trasmissione dati a commutazione di pacchetto anziché a commutazione di circuito. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 228

8 La migrazione GSM-UMTS prevede che insieme ai blocchi tradizionali del GSM vengano aggiunti i nodi del GPRS (SGSN, GGSN) in modo da avere due interfacce nella rete GSM: - un interfaccia A che si basa sulla commutazione di circuito e quindi è preferita per le comunicazioni vocale; - un interfaccia G b che si basa sulla commutazione di pacchetto e quindi è preferita per lo scambio dati. Attraverso queste due interfacce è possibile interconnettersi alle reti di accesso UMTS, in modo da avere un unico sistema con la possibilità di scegliere, attraverso lo stesso terminale dual-mode o trialmode, di connettersi alla rete GSM o UMTS a seconda delle esigenze. Evoluzione delle telecomunicazioni verso l UMTS La telefonia mobile e la trasmissione di dati tramite Internet sono i settori che negli ultimi anni hanno rivoluzionato il mondo delle telecomunicazioni con un impatto sociale al di fuori di ogni aspettativa. Nei paesi più evoluti, tra cui anche l Italia, il numero di terminali mobili in esercizio ha già superato il numero di linee fisse telefoniche. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 229

9 Per quanto riguarda Internet, esso è diventato il mezzo più importante per raccogliere e distribuire informazioni a livello mondiale, con un traffico dati che raddoppia ogni sei mesi e con circa 18 milioni di nuovi utenti ogni mese. È iniziata da recente, e si svilupperà sempre di più, la nuova era delle comunicazioni multimediali che permettono di combinare voce, testo e video. Grazie ad Internet già oggi sono disponibili molte applicazioni multimediali. Ad esempio esistono applicazioni per il lavoro cooperativo a distanza che consentono di gestire contemporaneamente voce e testi, di condividere documenti e spezzoni di video. Ci sono applicativi che consentono la comunicazione simultanea tra più utenti, il commercio elettronico o la negoziazione di titoli azionari. Soluzioni di Voice over IP (VoIP) o di Telephony over IP (ToIP) si stanno diffondendo in questi anni. Per quanto riguarda i sistemi radiomobili, si stanno affacciando sul mercato nuovi servizi basati sull accesso ad Internet. Inoltre sono state realizzate specifiche piattaforme applicative come il Wireless Application Protocol (WAP), che permette di adattare le informazioni provenienti dal mondo Internet per renderle fruibili anche sui terminali radiomobili, superando i limiti di capacità trasmissiva della tratta radio e di rappresentazione grafica del terminale. Tali sistemi di seconda generazione presentano tuttavia notevoli limiti fisici e funzionali. I sistemi radiomobili di terza generazione sono stati quindi concepiti per le applicazioni multimediali, puntando alla realizzazione di una grande varietà di servizi attraverso un sistema universale. I servizi multimediali sono assai eterogenei in termini di requisiti richiesti alla rete di telecomunicazioni. Applicazioni con elevato grado di interattività, come la videoconferenza e i servizi vocali, richiedono un ritardo di trasmissione molto limitato e costante, mentre altre applicazioni, come la posta elettronica, non impongono requisiti stringenti sul ritardo. I sistemi di terza generazione devono quindi essere in grado di gestire ed offrire all utenza una grande varietà di applicazioni con requisiti tecnici (ritardo, errori, segretezza) assai diversi. Negli ultimi anni, l ITU ha emesso lo standard per i sistemi di terza generazione denominato IMT 2000 (Internazional Mobile Telecommunications-2000) definendo i requisiti minimi che devono possedere i vari sistemi per garantire un buon grado di compatibilità ed idonei, quindi, ad assicurare il roaming mondiale attraverso terminali multimodo. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 230

10 Lo standard UMTS Lo standard UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) emesso dall ETSI (European Telecommunications Standard Institute) fa parte della famiglia di sistemi IMT-2000 ed è progettato in modo altamente flessibile per fornire un ampia gamma di applicazioni in una molteplicità di ambienti, estendendo all utenza mobile gran parte dei servizi offerti all utenza fissa. UMTS è stato sviluppato in fasi successive, caratterizzate da un progressivo aumento delle funzionalità, garantendo nel contempo la compatibilità con il GSM e prevedendo una migrazione graduale dal GSM all UMTS (nelle modalità viste prima). UMTS svolge un ruolo fondamentale nel creare un mercato di servizi di radio-comunicazione mobili, multimediali e di elevata qualità. Questo standard è in grado di trasferire voce, video, immagini fisse e dati ad utenti in movimento, con sofisticate capacità di personalizzazione del servizio e con raggiungibilità globale. Tra i principali servizi UMTS ricordiamo: - Accesso a Internet, posta elettronica, trasferimento di immagini in tempo reale, trasferimento di documenti multimediali; - Telefonia mobile avanzata (videotelefonia); - Servizi dati a larga banda; - Servizi video on demand, servizi video interattivi, teleshopping, video broadcasting. Il massimo valore di ritmo binario impiegabile dipende, oltre che dal tipo di terminale a disposizione, anche dall ambiente in cui si opera. L ITU-R (M.1225) ha indicato i seguenti valori: - 64, 144, 384, 512, 1024 e 2048 kbit/s per gli ambienti interni (indoor) residenziali e di ufficio; - 64, 144 kbit/s (fino a 384 kbit/s) per gli ambienti esterni (outdoor) pedonali (fino a 10 km/h); - 16, 32, e 64 kbit/s ( o 144 kbit/s) per gli ambienti esterni veicolari (fino a 200 km/h). Nel rispetto dei valori massimi di ritmo binario per ambiente e classe di terminale è stato introdotto il concetto di banda su domanda (BoD, Bandwidth on Demand). In tal modo l utente è di volta in volta in grado di fissare la propria esigenza di connettività in relazione alla qualità di servizio ed al costo. Il sistema UMTS può essere visto come sistema globale, con coperture graduali a seconda dell ambiente in cui viene richiesto il servizio. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 231

11 Accesso radio Come abbiamo già detto nel capitolo precedente, l accesso radio si effettua attraverso la tecnica CDMA. Accetta per sua natura una vasta gamma di bit rate sulle stesso unico canale e se la sorgente lo richiede, la bit rate può essere variata durante la stessa connessione. Le bande assegnate dalla WARC (World Administrative Radio Conference) e dall ITU al sistema IMT-2000 sono quelle comprese tra MHz e MHz. In Europa i primi 15 MHz della banda coincidono con parte della banda attualmente utilizzata dal sistema DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication). La restante porzione di spettro relativa al segmento terrestre è stata suddivisa in parte appaiata (60+60 MHz, da 1920 a 1980 MHz in up-link e da 2110 a 2170 MHz in down-link), dove cioè c è simmetria tra tratta in salita e quella in discesa, e in parte non appaiata (35 MHz, da 1900 a 1920 MHz e da 2010 a 2025 MHz), dove non c è una distinzione a priori tra le porzioni assegnate all up link e al down link. In Europa la banda disponibile per la componente terrestre dei sistemi mobili UMTS è pari a 155 MHz. Le bande appaiate MHz e MHz sono state assegnate al segmento satellitare (MSS). Per realizzare l interfaccia radio dell UMTS, l ETSI ha adottato una soluzione mista: - la tecnica W-CDMA per le trasmissioni simmetriche nelle bande appaiate (con duplexing FDD); - la tecnica TD-CDMA per le trasmissioni a ping-pong (cioè per le comunicazioni in cui la trasmissione nei due sensi si ha in intervalli di tempo diversi) nelle bande non appaiate (con duplexing TDD). In figura è mostrata l allocazione delle frequenze in Europa: per la soluzione W-CDMA è prevista una coppia di bande di frequenza ciascuna di ampiezza di 60 MHz, mentre per la TD-CDMA sono assegnate due porzioni di banda che coprono complessivamente 35 MHz. La tecnica W-CDMA La tecnica W-CDMA appartiene alla classe delle tecniche di accesso multiplo a divisione di codice del tipo DS (Direct Sequence).La soluzione adottata da ETSI è detta a larga banda perché la chip rate è molto maggiore di quella dei sistemi CDMA in esercizio. Sono infatti previsti tre possibili valori pari a 4096 kchip/s, 8192 kchip/s e kchip/s. La robustezza alle interferenze è così elevata che si può --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 232

12 utilizzare la stessa frequenza portante in tutte le celle di una rete, ottenendo così una notevole semplificazione della pianificazione della rete cellulare. Pur mantenendo fissa la chip rate, la capacità di trasporto delle informazioni può essere variata entro ampi margini cambiando il rapporto tra la velocità dei bit di informazione e la chip rate e adattando proporzionalmente la potenza di trasmissione. Questa caratteristica conferisce quindi alla tecnica W- CDMA una grande flessibilità. Per consentire ai terminali mobili di distinguere le stazioni radiobase, ciascuna di queste è identificata da una propria sequenza pseudocasuale (PN): in tal modo è possibile riutilizzare nelle diverse celle i medesimi codici ortogonali di utente. La tecnica W-CDMA è adatta alla trasmissione di segnali di informazione a bit rate R b variabile. Poiché il valore del ritmo di chip R c si mantiene fisso ( e quindi è fissa la larghezza di banda a radiofrequenza B=1/T c ), il fattore di espansione spettrale g s = R c /R b risulta variabile. Esso è piccolo per segnali di informazione a banda larga e grande per segnali a banda stretta. La tecnica TD-CDMA La soluzione TD-CDMA (Time Division CDMA) è una combinazione di una tecnica a divisione di tempo (come quella utilizzata nel GSM) e di una tecnica a divisione di codice CDMA. La trasmissione su ogni portante radio è organizzata in trame suddivise in otto intervalli di tempo (time slot). A differenza del GSM, ciascuno di questi intervalli, invece di essere dedicato ad un unico collegamento, può essere contemporaneamente impiegato da otto collegamenti diversi, sovrapponendo in esso otto segnali con una tecnica CDMA. Su ciascuna portante si possono così multiplare 64 canali. In questo sistema il rapporto tra la chip rate e la velocità delle informazioni nei singoli canali è fisso; per realizzare canali con velocità diverse occorre affasciare più canali elementari, fino ad utilizzare contemporaneamente tutti i sessantaquattro canali di una data portante, ovviamente diminuendo la capacità del sistema. La robustezza alle interferenze non permette di utilizzare la stessa frequenza in tutte le celle di una rete; occorre perciò prevedere l utilizzo di più portanti e pianificare l impiego delle frequenze. Per realizzare trasmissioni a ping pong e canali asimmetrici basta dedicare una parte degli intervalli di tempo ad un verso di trasmissione e quella rimanente al verso opposto. L interfaccia radio di UMTS è definita UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network); al fine di facilitare la realizzazione di terminali dual-mode FDD/TDD, i parametri delle due componenti sono stati armonizzati il più possibile; di conseguenza, le specifiche per entrambe risultano spesso costituite dagli stessi elementi. Protocolli dell interfaccia radio I primi tre strati dell architettura, partendo dal basso, secondo la Raccomandazione ITU-R M.1035, sono: - Lo strato fisico L1, che svolge varie funzioni quali la modulazione, la rivelazione e correzione di errori, la multiplazione, la sincronizzazione, il controllo di potenza; - Lo strato di controllo L2, suddiviso in due sottostrati: L2/MAC per il controllo di accesso al mezzo e L2/RLC per il controllo del canale radio; - Lo strato di rete L3, in cui riveste un ruolo importante il sottostrato RRC (Radio Resource Control) responsabile della gestione delle risorse radio. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 233

13 Considerando gli strati L1 ed L2, si distinguono i canali fisici (relativi al primo strato) e i canali di trasporto (relativi al secondo strato): - I canali fisici provvedono al trasporto dei flussi numerici sul mezzo fisico; - I canali di trasporto sono utilizzati dallo strato fisico per fornire servizi agli strati superiori. I canali di trasporto possono essere classificati in: - Canali comuni utilizzati per le informazioni condivise tra più comunicazioni; - Canali dedicati utilizzati in esclusiva dalle singole connessioni. Esiste un solo canale dedicato il Dedicated Channel (DCH) che è utilizzato sia in up-link che in down-link per trasportare informazioni di utente e di controllo con modalità commutazione di circuito. Tra i diversi canali comuni, invece, ricordiamo : il Downlink Shared Channel (DSCH), utilizzato per trasportare pacchetti dati e in cui l accesso è condiviso tra vari utenti ed è regolato dalla stazione base; il Random Access Channel (RACH), utilizzato per la procedura di accesso al sistema nella tratta up-link; esso è il canale di trasporto sul quale i terminali mobili inviano alla rete le richieste di attivazione delle connessioni. La figura accanto ci fa comprendere meglio il significato e le funzionalità dei canali comuni e dei canali dedicati. E rappresentata una cella che contiene una stazione radiobase che fornisce il servizio a diversi terminali mobili: tra questi qualcuno chiede un servizio di tipo voce e qualcun altro un servizio di tipo dati. Nel caso di utente voce si ha solo un canale dedicato DCH che va nei due sensi, up-link e down-link. Per un utente dati, invece, si ha un canale dedicato DCH in up-link, mentre in down-link si ha un canale comune DSCH che da le informazioni a tutti gli utenti che, in quel momento, sono collegati. La tabella seguente riassume le caratteristiche dei vari canali di trasporto dell UMTS. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 234

14 I canali fisici sono tipicamente basati sulla seguente struttura: - Trama radio di durata di 10 ms e costituita da 15 time slot, tutti di uguale durata; - Time slot di durata di 0,667 ms (10/15 ms); ogni slot è costituito da un numero di simboli variabile a seconda della velocità di cifra del servizio da trasmettere (come abbiamo già detto, il sistema UMTS è un sistema flessibile anche per quanto riguarda la frequenza di cifra); - Simbolo che è l elemento di informazione dopo le operazioni di codifica di canale (cioè dopo l inserimento dei codici a correzione di errore). Ecco di seguito schematizzata la struttura di una generica trama UMTS. Ogni simbolo viene moltiplicato per un numero di chip pari allo spreading factor (numero di chip con cui si rappresenta ogni bit ossia rapporto tra tempo di chip e tempo di simbolo) del servizio da trasmettere, in modo da ottenere il valore costante di 2560 chip per slot. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 235

15 Il ritmo di emissione dei chip è, quindi, pari a 3,84 Mchip/s (ottenuto dal rapporto 2560/0,667 ms). In definitiva quello che cambia è il bit rate, mentre il ritmo di emissione chip è sempre lo stesso: quindi, in corrispondenza della variazione del bit rate, deve variare lo spreading factor, che è cioè relativo alla bit rate dell informazione da trasmettere. Per chiarire quanto detto facciamo un esempio di trasmissione con spreading factor pari a 7. Supponiamo che in corrispondenza del bit informativo 1 abbiamo livello 1, mentre in corrispondenza del bit informativo 2 un livello 0 come in figura. In questo esempio, in corrispondenza di un bit informativo, abbiamo 7 chip (poiché abbiamo posto che lo spreading factor sia pari a 7). La sequenza del codice è all interno della durata di ogni singolo bit e, inoltre, questa sequenza si ripete in modo costante per ogni singolo bit. Nell esempio considerato, la sequenza di codice è: Ovviamente facendo il prodotto tra il segnale informativo e il codice si ha: in corrispondenza del bit 1 la stessa sequenza del codice, mentre in corrispondenza del bit 0 abbiamo la sequenza invertita. Poiché il chip rate (numero di chip al secondo) è sempre lo stesso, se cambiassimo la bit rate, ossia la durata del bit, cambia anche lo spreading factor. Quindi al fine di trasmettere segnali con velocità di sorgente variabile, occorre quindi utilizzare sequenze di spreading con lunghezza variabile (per avere il valore costante di 3,84 Mchip/s). Nel caso FDD la lunghezza delle sequenze può variare tra un minimo di 4 ed un massimo di 256. Di conseguenza il ritmo binario è anch esso variabile tra 15 e 960 kbit/s. La seguente tabella sintetizza le caratteristiche dell interfaccia radio sia nel caso del FDD che nel caso del TDD. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 236

16 Da notare che mentre nella componente TDD (TD-CDMA) i termini trama radio e time slot conservano lo stesso significato di quello del sistema GSM, nel caso della componente FDD (W-CDMA) hanno un significato diverso. Nel caso W-CDMA i diversi canali fisici sono trasmessi su tutti gli slot della trama. La trama assume quindi il significato di minimo elemento di trasmissione in cui la velocità di trasferimento dell informazione è mantenuta costante: la velocità di sorgente può cambiare ad ogni trama (cioè ogni 10ms). Si noti comunque che la velocità di trasmissione in aria (chip-rate) rimane costante al variare della velocità di sorgente. Il time slot è invece il minimo elemento del canale fisico per cui la potenza di trasmissione è mantenuta costante; tramite il meccanismo di controllo di potenza, la potenza di trasmissione può essere aumentata o diminuita ogni slot. Nella figura seguente è rappresentata la variazione della velocità di sorgente con cadenza pari ad una trama radio (10ms). Si noti che pur variando la velocità di sorgente, la velocità di trasmissione in aria (chip rate) rimane costante e pari a 3,84 Mchip/s. Nella figura seguente sono invece illustrati gli effetti del controllo di potenza sul livello di potenza trasmesso. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 237

17 Architettura di rete UMTS UMTS sta migliorando le funzionalità della attuali reti mobili, fornendo ad ogni utente una maggiore capacità di trasferimento ed una più ampia gamma di servizi, per mezzo di un innovativo schema di accesso radio e di una più evoluta rete fissa. Analizziamo in dettaglio l architettura della rete UMTS. Abbiamo l UTRAN, ossia l interfaccia radio, che è costituita da RNC (Radio Node Controller), sistema di controllo radio dei vari nodi, e da dei blocchi (Node B), collegati alla RNC attraverso l interfaccia Iub, ognuno dei quali controlla un certo numero di celle. L UTRAN è interfacciato al CORE NETWORK attraverso l interfaccia Iu, in cui si possono avere sia trasmissioni a commutazione di circuito che trasmissioni a commutazione di pacchetto. Nel caso di commutazione di circuito si passa per il 3G MSC, che contiene un VLR che fornisce informazioni sugli utenti che stanno in quella determinata area. Il 3G MSC si interfaccia, quindi, con la rete pubblica a commutazione di circuito. Nel caso di commutazione di pacchetto si passa per il 3G SGSN che attraverso il GGSN si connette alla rete pubblica a commutazione di pacchetto. La conclusione è che il sistema UMTS utilizza sia la commutazione di circuito (per le comunicazioni real-time) sia la commutazione di pacchetto (per la trasmissione dati). --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 238

18 Si sta sviluppando l UMTS per realizzare un'unica CORE NETWORK a commutazione di pacchetto: cioè l evoluzione è verso i sistemi All-IP. Anche la trasmissione della voce sarà a pacchetto: basti pensare al già attuale Vo-IP: ovviamente la qualità del servizio non è ancora eccezionale a causa del ritardo dei pacchetti e della possibile perdita di questi ultimi. Negli ultimi anni, comunque, l introduzione di nuove tecniche sta consentendo un rapido sviluppo della tecnologia Vo-IP e un miglioramento della Qualità del servizio. Gestione della mobilità con IP Per la gestione della mobilità nella rete UMTS è prevista la soluzione GTP (GPRS Tunneling Protocol) adottata nel sistema GPRS e una basata sul protocollo Mobile IP. Nei protocolli IP attuali (versione 4) la funzione di Mobile IP è svolta attraverso un meccanismo di incapsulamento detto tunneling. I pacchetti inviati da un utente della rete al mobile host, che si è spostato dalla propria rete di appartenenza ad una visitata (Foreign Network), vengono incapsulati dall Home Agent (che si trova nella rete di appartenenza) e trasmessi con l indirizzo del Foreign Agent (nella rete visitata) che, dopo averli spacchettati, li consegna al destinatario. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 239

19 In senso contrario i pacchetti viaggiano direttamente dal Mobile Host alla terminazione ad esso connessa. Questa procedura richiede che il Roaming Mobile Host si registri preventivamente nella rete visitata e che il Foreign Agent informi di tale registrazione l Home Agent, fornendogli tutti gli elementi necessari al successivo reinstradamento dei pacchetti. Gestione delle risorse radio L obiettivo principale in un sistema CDMA è quello di minimizzare la potenza complessivamente trasmessa dalle stazioni mobili. È necessario attestare ogni utente alla stazione base che permette di utilizzare la minore potenza. La gestione delle risorse radio costituisce l insieme di procedure e algoritmi per una efficiente gestione dei livelli del link radio, consentendo un uso corretto ed efficiente dei canali messi a disposizione dal livello fisico dell interfaccia radio. La gestione delle risorse radio è particolarmente importante per il funzionamento di un sistema radiomobile basato su CDMA; poiché in tale sistema la risorsa condivisa dagli utenti è la potenza trasmessa, una gestione inadeguata di quest ultima può avere effetti negativi sulla capacità complessiva del sistema. Esiste una profonda differenza tra la gestione delle risorse radio nel sistema UMTS e quella del GSM. Si consideri ad esempio il caso in cui una cella del sistema risulti particolarmente carica. In tale situazione sarebbe opportuno cercare di spostare parte del traffico nelle celle adiacenti. Nel GSM ciò può essere fatto forzando alcuni utenti ad utilizzare le risorse di una stazione radio base diversa dalla best server. In particolare, se un utente richiede l instaurazione di una chiamata ad una cella in congestione, il sistema potrà cercare di servire la richiesta impiegando le risorse di un altra cella vicina (procedura di direct-retry). Nel caso UMTS, poiché obiettivo principale in un sistema CDMA è minimizzare la potenza complessivamente trasmessa dai mobili, è necessario attestare ogni utente alla stazione radio-base che permette di utilizzare la minore potenza. Pertanto è necessario attestare ogni mobile alla stazione radio base che permette di minimizzare la somma (in unità logaritmiche) dell attenuazione di tratta e del livello di interferenza (funzione del carico). Tale stazione è detta best choice. Forzare un utente, nel caso di carico elevato, ad operare su una cella diversa dalla best choice significa forzarlo a trasmettere con una potenza maggiore, e questo, in un sistema CDMA, provoca un peggioramento della qualità di tutti gli utenti. Per tale motivo sono utilizzate le politiche di Admission Control che prevedono di limitare l accesso di nuove chiamate alla rete anche in presenza di risorse radio disponibili. Poiché la tecnica di accesso CDMA prevede una soft capacity, per cui la qualità peggiora con il crescere del numero delle chiamate, --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 240

20 è quindi l operatore che stabilisce quale deve essere il carico massimo, e di conseguenza vieta l accesso ad ulteriori chiamate per mantenere la qualità a livelli accettabili. Soft handover e macrodiversità In un sistema radiomobile cellulare con tecnica di accesso CDMA tutte le celle (almeno nell ambito dello stesso livello gerarchico) operano sulla stessa frequenza di portante. Di conseguenza, quando il mobile si sposta da una cella ad una adiacente non effettua una cambio di frequenza, ma solo un cambio del codice CDMA. Il segnale trasmesso da una stazione radio base può quindi essere ricevuto da chiunque conosca i codici di spreading utilizzati e si trovi all interno della zona geografica dove i segnali sono ricevuti sopra certe soglie minime di potenza. Allo scopo di migliorare la qualità della comunicazione, il mobile non si limita (come accade ad esempio nei sistemi TDMA) a rimanere collegato ad una sola BS (Base Station), ma coinvolge nella chiamata tutte le BS da cui riceve un segnale di riferimento sufficientemente buono (macrodiversità). Viene così definito il concetto di Active Set (AS) come l insieme di BS da cui il mobile riceve la stessa informazione utile. Il processo di attivazione e rilascio dei link paralleli è svolto in funzione della qualità del segnale ricevuto dal mobile lungo i suoi movimenti nella rete. Quando il mobile opera in macrodiversità, il mobile può quindi migliorare la qualità della comunicazione sul down-link combinando trama per trama i segnali di contenuto energetico più elevato. Tali segnali possono provenire da celle appartenenti a Nodi B ed RNC diversi. Essi sono trattati in modo da raggiungere il mobile allineati temporalmente ; in tal modo i segnali con lo stesso contenuto informativo possono venire combinati. Nella tratta tra terminale mobile e stazione base (up-link) il segnale trasmesso dal mobile viene decodificato da tutte le BS appartenenti all AS e il segnale viene così ricombinato al livello gerarchico superiore (Nodo B, nel caso in cui le BS dell AS appartengono allo stesso Nodo B, o RNC nel caso in cui appartengono a Nodi B differenti), permettendo così di ottenere un significativo miglioramento di qualità. L entità del miglioramento dipende anche dal tipo di ricombinazione dei segnali: si può utilizzare un semplice meccanismo di selezione sulla base dell osservazione del segnale che contiene meno errori (macrodiversità realizzata a livello di RNC) oppure si possono sfruttare tutti i segnali ricevuti, combinandone i diversi contributi (macrodiversità realizzata a livello di Node B). L impiego in rete della macrodiversità consente un aumento della capacità del sistema. Infatti, la macrodiversità può essere anche sfruttata per garantire il target di qualità voluto, a fronte di una diminuzione del valore di potenza trasmessa dal mobile, usando appunto la combinazione dei segnali provenienti dalle stazione basi dell AS. In tal modo il sistema opera con livelli di potenza inferiori rispetto al caso in cui operi senza macrodiversità; essendo il CDMA un sistema limitato in potenza, ciò permette un aumento della capacità complessiva del sistema. Un altro dei vantaggi derivanti dalla macrodiversità è una maggiore robustezza del sistema contro lo shadowing (attenuazione del segnale radio dovuta alla presenza di ostacoli fra mobile e la BS). Infatti se un mobile è collegato contemporaneamente a più BS, sarà molto meno probabile che si trovi ad avere degli ostacoli su tutte le congiungenti verso le stazioni base. Si noti come il trovarsi nello stato di macrodiversità renda particolarmente semplice l operazione di handover; per questi motivi nei sistemi CDMA si parla di soft handover. Un possibile schema di algoritmo di soft handover è il seguente: se un opportuno segnale di riferimento ricevuto da una stazione radio base appartenente all Active Set (AS) risulta, per un periodo di tempo t, inferiore di un certo margine rispetto al livello di segnale di riferimento ricevuto dalla stazione migliore appartenente all AS, la stazione in oggetto viene eliminata dall AS. Viceversa, se la differenza tra il livello di segnale di riferimento ricevuto dalla stazione migliore appartenente all AS e quello ricevuto --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- SISTEMI GSM E UMTS 241

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