Reti Radio Cellulari L. Giugno, M. Luise 15/11/ INTRODUZIONE AI SISTEMI DI COMUNICAZIONE CON MEZZI MOBILI: I SISTEMI CELLULARI

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1 Ret Rado Cellular L. Gugno, M. Luse 15/11/ OBIETTIVO In questa documento s dscutono le caratterstche prncpal delle ret cellular per radocomuncazone con mezz mobl (brevemente, sstem radomobl). In partcolare, dopo una breve ntroduzone sulle tecnche d uso passato e presente, s dscuterà la modellstca del canale d propagazone e s llustreranno nfne alcun aspett del sstema cellulare dgtale d seconda generazone (2G) GSM. 2. INTRODUZIONE AI SISTEMI DI COMUNICAZIONE CON MEZZI MOBILI: I SISTEMI CELLULARI S defnsce sstema d comuncazone con mezz mobl (o anche sstema radomoble) un sstema d telecomuncazon n cu è possble mantenere la connessone o l collegamento tra due o pù u- tent anche n stuazon d mobltà totale o parzale degl utent stess. Convenzonalmente s fa concdere la nascta delle comuncazon con mezz mobl con l'nvenzone della modulazone d frequenza FM (Frequency Modulaton) avvenuta nel 1935 da E. H. Armstrong. Nella modulazone FM, stante per stante, vene fatta varare la frequenza d un segnale auslaro snusodale (detto segnale portante o semplcemente portante) proporzonalmente ad un segnale analogco da trasmettere (segnale modulante) producendo l segnale effettvamente trasmesso (segnale modulato). Nel corso d questo documento l attenzone sarà rvolta alla descrzone delle prncpal caratterstche d una partcolare classe d sstem radomobl, coè quell mpegat per applcazon d telefona moble, al gorno d ogg not anche come sstem cellular. 2.1 CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEI SISTEMI CELLULARI Un sstema d telefona moble elementare può essere schematzzato come rportato nella Fgura 1 sottostante. In esso sono generalmente present: una porzone pù o meno vasta del terrtoro, nella quale l sstema radomoble svolge le propre funzon, detta area d chamata o d copertura; un trasmetttore centrale, n genere fsso, detto BTS (Base Transcever Staton) mpegato per nstaurare le connesson tra gl utent; uno o pù termnal utente mobl dett anche MS (Moble Staton). Le connesson che s nstaurano da una MS verso la BTS sono dette n uplnk, mentre quelle nel verso opposto, coè dalla BTS alla MS, sono dette n downlnk

2 Fgura 1 - Esempo d sstema elementare d telefona moble. I prm sstem analogc d telefona moble vennero svluppat n va spermentale verso la fne degl ann 40 n dverse part del mondo. Ess mpegavano format d segnalazone e d controllo dfferent ed ncompatbl tra d loro. Tpcamente s trattava d apparat d tpo analogco destnat a servre aree geografche partcolar, ed avent capactà d servzo assa lmtate (alcune decne d canal, con nterruzon del servzo quando s uscva dall area d copertura della BTS), nonché prestazon (n termn d effcenza energetca e spettrale) non sempre soddsfacent. Quest sstem prevedevano la suddvsone del terrtoro n zone geografche autonome, cascuna delle qual era coperta da una BTS con l mpego d tutte le frequenze assegnate al servzo. L area d copertura della BTS doveva essere la pù estesa possble, e cò mplcava l mpego d potenze d trasmssone adeguatamente elevate. Una grave lmtazone d questo sstema era, come gà accennato, la necesstà che l MS aveva d reterare la chamata quando uscva dall area d copertura della BTS. Inoltre l numero massmo d MS attv all nterno d ogn area d copertura era lmtato al numero de canal (coè delle frequenze) assegnate al servzo, con conseguente bassa denstà geografca d u- tent. La tecnca d accesso al mezzo, coè alla banda o porzone d banda d frequenze allocate al servzo radomoble, era d tpo FDMA (Frequency Dvson Multple Access). Essa consste nel suddvdere la banda frequenzale dsponble per l sstema n dverse sottobande n genere adacent, ad ognuna delle qual corrsponde un canale fsco utlzzable per la trasmssone o rcezone del segnale, come s nota dalla Fgura 2. L FDMA è una delle tecnche d accesso multplo al mezzo trasmssvo, che permettono l'accesso contemporaneo alla rsorsa fsca da parte d pù utent. Tal tecnche s basano o sulla suddvsone delle frequenze a dsposzone entro la banda allocata (FDMA), o sulla suddvsone temporale della rsorsa (Tme Dvson Multple Access o TDMA), o su entrambe con una tecnca d accesso msto al mezzo (FDMA/TDMA). Non verranno consderate n questa sede altre tecnche d accesso al mezzo come, solo per ctarne alcune, la CDMA (Code Dvson Multple Access), utlzzata ne sstem cellular d terza generazone (3G), la SDMA (Space Dvson Multple Access) e la ODMA (Opportunty Drven Multple Access)

3 Fgura 2 Accesso al mezzo d tpo FDMA. Nell accesso d tpo TDMA, come s vede dalla Fgura 3, ogn utente sfrutta cclcamente la rsorsa fsca per un certo perodo d tempo, l cu valore dpende dalle caratterstche del segnale n questone. Ogn ntervallo temporale dedcato all utente è noto con l termne d tme slot. E' evdente che le due tecnche, FDMA e TDMA, possono essere utlzzate conguntamente, portando n tal caso l numero de canal fsc rsultant al prodotto tra l numero delle sottobande d frequenze dsponbl per quello de tme slot defnt. Fgura 3 Accesso al mezzo d tpo TDMA. Sebbene l segnale telefonco occup n banda base, coè nella banda d frequenze naturale n cu è allocato prma delle operazon d modulazone, una porzone dello spettro delle frequenze compresa tra 0 e crca 4 khz, canal su cu venvano trasmess con modulazone FM segnal telefonc de prm sstem radomobl erano costtut da bande frequenzal larghe crca 120 khz, centrate attorno alla frequenza della portante FM. In seguto s cercò qund d rdurre la larghezza d banda del canale assegnato agl utent, coè d rdurre l cosddetto passo d canalzzazone del sstema. Negl ann '60 la banda del canale s rdusse a crca 60 khz e verso la fne degl ann '70 s arrvò a crca 25 khz. In quello stesso perodo, nzarono a dffonders prm cosddett sstem cellular analogc. In quest sstem, l terrtoro nteressato dal servzo vene suddvso n tante porzon relatvamente pccole dette celle, cascuna delle qual n genere è servta da una BTS ed entro cascuna delle qual vene mpegato un sottonseme delle sottobande (coè delle frequenze) total dsponbl che, allo scopo d lmtare le nterferenze co-canale (coè quelle generate da altr utent che trasmettono alla stessa frequenza dell utente n esame), sono dverse da quelle utlzzate nelle celle adacent. La cella delmta una porzone del terrtoro convenzonalmente d forma esagonale. I canal dsponbl, coè le porzon della banda complessva allocata per la forntura de servz del sstema cellulare, vengono dstrbut opportunamente su d un gruppo base, detto cluster, d celle adacent. Il numero totale d canal dsponble per cluster, ndcato con S, è par a: S = h N (2.1.1) dove h è l numero d canal n una cella e N è l numero d celle che compongono un cluster. Al fne d massmzzare l'effcenza d'un sstema cellulare, occorre che la stessa rsorsa fsca (coè un canale allocato n una sottobanda delle frequenze dsponbl) sa utlzzata contemporane

4 amente dal maggor numero possble d utent. Un rsultato del genere s può ottenere rutlzzando la stessa frequenza pù volte n celle tra loro dverse, per servre zone terrtoral dfferent e dstant. In questo modo s rende trascurable l'nterferenza co-canale, n quanto l'attenuazone del segnale rado trasmesso è proporzonale alla dstanza percorsa dallo stesso durante l suo tragtto. In questo modo è possble consentre l accesso ad un maggor numero d utent operant all nterno dell area d copertura. Infatt, agendo sulle dmenson delle celle, è possble varare la denstà geografca degl utent stess e qund la capactà della rete cellulare, come verrà spegato approfondtamente n seguto. Questo modo d procedere consente d rutlzzare pù volte uno stesso gruppo d canal (prncpo della panfcazone o ruso delle frequenze) rpetendo la struttura d un cluster sul terrtoro quante volte è necessaro per coprre un area geografca comunque vasta. Fgura 4 - Struttura d un cluster e ruso delle frequenze. Nella Fgura 4 è rportata la struttura d due cluster adacent, compost da 3 celle, ed l secondo de qual ottenuto per rpetzone del prmo. I grupp d celle e utlzzano tutte le frequenze allocate al servzo, ma quelle utlzzate da celle adacent sono dverse per mnmzzare le nterferenze co-canale, come spegato precedentemente. In partcolare le celle 1-1, 2-2 e 3-3, utlzzano la stessa porzone d tutte le frequenze dsponbl allocate al servzo. Queste coppe d celle sono alla massma dstanza l una dall altra, detta dstanza d ruso e defnta come D= 3N R (2.1.2) dove N è l numero d celle che compongono un cluster, R è l raggo della cella esagonale e k = 1 N è l cosddetto fattore d ruso, n quanto ogn cella usa una porzone delle frequenze dsponbl par a 1 N. Varando l fattore d ruso e contemporaneamente la dmensone delle celle è possble far varare l numero d utent servt a partà d canal dsponbl e d area d copertura del servzo, coè far varare la capactà della rete cellulare. Per capactà d un sstema cellulare s'ntende l numero massmo d'utent che possono essere servt dalla rete con un certo grado d servzo. Essa dpende da numeros fattor, come ad esempo: l numero de canal a dsposzone per gl utent; la dstrbuzone geografca e temporale dell'utenza; le caratterstche tecnche del sstema utlzzato (mmuntà alle nterferenze, le potenze trasmesse e le dstanze tra gl utent n goco etc.). La capactà d una rete cellulare, ndcata con C, è par a: - 4 -

5 C = M S = M h N (2.1.3) dove M è l fattore d rpetzone del cluster ed S è l numero totale d canal per cluster. Vedamo adesso come vara la capactà C d una rete cellulare quando varano var parametr che compaono al membro destro dell equazone (2.1.3). Supponamo qund d dover coprre un assegnata area geografca, e d aver fssato un determnato numero N d celle component un cluster elementare. Se dmnusce la dmensone delle celle, coè se dmnusce l raggo R, poché N è fssato, per servre la stessa area geografca occorre aumentare M, coè l numero che ndca quante volte l cluster è rpetuto. Dal momento che se R dmnusce M aumenta, osservando la formula della capactà n (2.1.3), pochè h ed N rmangono fssat s ha l vantaggo che la capactà C della rete cellulare aumenta. Questa stuazone presenta però anche uno svantaggo ntrnseco: dfatt, se l raggo R delle celle dmnusce, aumenta l numero delle antenne (e qund delle BTS) necessare nella rete per servre la stessa area geografca e qund aumenta anche l costo totale delle rete, come s nota dalla Fgura 5 sottostante. Fgura 5 Influenza del raggo delle celle sulla capactà ed l costo d una rete cellulare. Se nvece supponamo costante l raggo della cella R e faccamo aumentare l numero N d celle per cluster, dalla formula (2.1.2) s nota che la dstanza d ruso D aumenta, e qund dmnuscono le nterferenze co-canale. Il valore ottmo d N, scelto come compromesso tra l lvello d nterferenza co-canale tollerato ed l costo della rete, è n genere fssato per ogn sstema cellulare. E possble anche n cert cas suddvdere una cella n pù sottocelle d dmenson pù pccole, n modo da aumentarne localmente la denstà degl utent ove rchesto (ad esempo, n una cttà). Il passaggo tra due celle adacent è senza conseguenze per l utente, n quanto la rete fssa d controllo provvede automatcamente ad assegnargl un nuovo canale (con frequenza dversa) che sarà mantenuto all nterno della cella d arrvo. Questa operazone d sosttuzone del canale, che deve essere navvertble per l utente, prende l nome d handover. Il passaggo d un utente da una rete ad un altra, d dversa generazone o appartenente ad un gestore dverso da quello n carca per la rete d partenza, prende l nome d roamng. 2.2 LA DIFFUSIONE DEI SISTEMI CELLULARI NEL MONDO I dvers sstem radomobl o cellular esstent al mondo sono per convenzone suddvs n dverse categore che vanno sotto l nome d generazon. Queste sono le cosddette: prma generazone (1G); - 5 -

6 seconda generazone (2G); seconda generazone e mezzo (2.5G); terza generazone (3G). Sono tuttora n fase d studo sstem cellular d quarta generazone (4G). Esstono attualmente al mondo dvers sstem 1G ncompatbl tra d loro per le comuncazon radomobl telefonche, tutt basat sull uso della modulazone analogca FM per la trasmssone della voce. I prncpal sono: l AMPS (Advanced Moble Phone System) svluppato negl Stat Unt; l NMT (Nordc Mobl Telefon-system), svluppato da paes nordc europe; l TACS (Total Access Communcatons System), adottato anche n Itala, svluppato dalla Gran Bretagna e smle allo standard amercano AMPS; l JTACS (Japan TACS) e NTACS (Narrowband TACS), svluppat n Gappone. L NMT è stato realzzato n due verson, operant attorno a 450 MHz e 900 MHz, mentre l TACS lavora ntorno a 900 MHz. Entramb sstem mpegano la modulazone FM con un solo canale per portante (SCPC - Sngle Channel Per Carrer) e passo d canalzzazone par a 25 khz. I sstem d seconda generazone (2G), basat sull mpego d tecnologa dgtale, sono sostanzalmente tre: l sstema nord-amercano IS-54 (Interm Standard-54), recentemente soppantato dal IS-95 con accesso CDMA; l sstema europeo GSM (Global System for Moble Communcaton), adottato anche n molt paes asatc ed n Australa; l sstema gapponese PDC (Personal Dgtal Cellular). Tra sstem 2.5G rcordamo nvece: l GPRS (General Packet Rado Servce) nato come evoluzone del GSM; l EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evoluton). Infne, per quanto rguarda sstem d terza generazone (3G) menzonamo: l UMTS (Unversal Moble Telecommuncatons System) n Europa; l CDMA2000 negl Stat Unt; l W-CDMA (Wdeband CDMA) n Gappone. 2.3 LA DIFFUSIONE DEI SISTEMI CELLULARI IN ITALIA Il prmo sstema radomoble talano, l RTMI (Rado Telefono Moble Integrato), entrato n servzo nel 1973 e destnato ad una fasca molto rstretta d utenza, operava ntorno a 160 MHz ed aveva caratterstche puttosto prmtve (mancanza dell handover, non completa automatzzazone delle chamate). Esso fu soppantato nel 1985 dal sstema RTMS (Rado Telephone Moble System) operante attorno a 450 MHz, d tpo cellulare, mpegante ancora la modulazone FM con passo d canalzzazone 25 khz. Nel 1990 entrò n servzo la rete cellulare TACS a 900 MHz con analoghe caratterstche d modulazone e canalzzazone. Dall ottobre del 1992, nfne, è stato attvato l sstema cellulare dgtale paneuropeo GSM, operante ntorno a 900 MHz, avente caratterstche nettamente nnovatve e superor rspetto a sstem che l hanno preceduto. Attraverso una partcolare codfca della voce, che consente d trasformare un segnale fonco o dat a 9.6 kbt/s n un flusso a - 6 -

7 13 kbt/s, nel GSM s ottene la stessa effcenza spettrale del TACS nella trasmssone d segnal vocal. Il GSM presenta caratterstche superor a sstem precedent per quanto rguarda la denstà geografca d utenze (l cluster è composto da N =9 celle contro le 21 del TACS) e consente l attvazone d servz non prevst dal TACS, qual la trasmssone dat, l fax dgtale, la posta elettronca, l trasfermento d chamata, la teleconferenza, l SMS ed altr. In seguto verrà llustrato brevemente l formato d modulazone e d accesso, nonché la struttura e le funzon base del modem GSM. Prelmnarmente verranno descrtte l organzzazone delle ret cellular mpegate n Itala e le caratterstche del canale radomoble. Rmandamo a note ddattche successve l esame delle ret rado d terza generazone (3G) come l UMTS, attve n Itala a partre dal ARCHITETTURA ED ORGANIZZAZIONE DELLA RETE GSM Come schematzzato nella Fgura 6, l archtettura semplfcata d una rete GSM è costtuta essenzalmente da tre sottosstem prncpal che sono collegat tra loro e con gl utent tramte vare nterfacce [Rap01], [Meh97]. Ess sono: Network and Swtchng Subsystem (NSS); Base Staton Subsystem (BSS); Operaton Support Subsystem (OSS). La stazone moble o Moble Staton (MS) vene d solto consderata come parte del BSS. D seguto s rporta una breve descrzone d ogn sottosstema d rete su ndcato e delle part d cu è composto. Fgura 6 - Archtettura semplfcate della rete GSM. 3.1 NETWORK AND SWITCHING SUBSYSTEM (NSS) Il Network and Swtchng Subsystem (NSS) s occupa della gestone della mobltà degl u- tent, degl handover, della scurezza e dell nterfaccamento con le ret fsse ed nfne delle chama

8 te da quando vengono nstaurate a quando vengono termnate. In questa parte del sstema sono contenute le nformazon sulla poszone del MS e su servz a qual l utente è abltato. La struttura del NSS è mostrata nella Fgura 7. Al suo nterno sono present dvers MSC (Moble Swtchng Center) e GMSC (Gateway MSC) ed noltre s trovano de database che contengono tutte le nformazon rguardo gl utent del sstema. Ess sono: l HLR (Home Locaton Regster), l VLR (Vstor Locaton Regster), l AuC (Autentcaton Center) e l EIR (Equpment Identty Regster). Le vare enttà del NSS comuncano tra loro utlzzando l protocollo SS7 (Sgnalng System 7). Fgura 7 - Struttura del NSS Moble Swtchng Center (MSC) Il Moble Swtchng Center (MSC) è l componente prncpale del sottosstema d rete; all nterno d quest component avvengono tutte le operazon d regstrazone, aggornamento della poszone, set-up e commutazone per la gestone delle chamate da e verso le MS. Gl MSC sono collegat tramte l nterfacca A a BSS e tramte quest agl utent GSM. Alcun MSC sono anche collegat alle ret esterne (es. PSTN, ISDN, ecc.) e costtuscono l unca va per l nterazone della rete con l esterno, per questo vengono chamat Gateway MSC (GMSC). Quest ultm sono dotat delle nterfacce necessare per nteragre con le ret esterne. L MSC conosce tutte le celle e BSS della sua servce area (area d competenza) e noto l dentfcatore d cella è n grado d ndvduare l BSC cha la controlla. Inoltre, ogn MSC conosce qual altr MSC controllano le celle adacent alla sua area d copertura, e sfrutta questa nformazone quando devono essere effettuat handover tra celle appartenent a due dvers MSC. Oltre a tutto quanto detto fnora, l MSC svolge funzon d sncronzzazone de suo BSS e funge da gateway per noltrare messagg SMS provenent dall SMSC (Short Message Servce Center) verso gl utent e vceversa Vstor Locaton Regster (VLR) Il VLR è un database collocato nel MSC che contene tutte le nformazon necessare per gestre gl utent che sono attualmente present nell area servta dal MSC stesso. Tal dat però vengono mantenut soltanto fnché la MS è presente n quell area, n quanto all nterno del database vene traccata la poszone d una MS mentre s sposta da una locaton area (LA) all altra nella zo

9 na controllata dall MSC/VLR. I dat relatv ad ogn utente sono present n modo permanente nell HLR, e quando una MS entra n una area controllata da un MSC/VLR queste nformazon vengono copate nel VLR n modo che possano essere faclmente reperte ogn volta che è necessaro. Rguardo dat contenut: Stato della MS (lbero, occupato, ecc.); Local Area Identty (LAI): le celle all'nterno della rete sono raggruppate entro aree geografche chamate Locaton Area ed a ognuna d tal aree vene assegnato un LAI. Ogn VLR controlla molte Locaton Area e quando un abbonato s sposta da una LA all'altra questo è aggornato nel VLR; Temporary Moble Subscrber Identty (TMSI): è un numero d'denttà dell'abbonato utlzzato per ragon d scurezza. Vene perodcamente cambato dal gestore del sstema. Il VLR gestsce e controlla tal numer e l notfca all'hlr; Moble Subscrber Roamng Number (MSRN): è l numero utlzzato da un abbonato esterno alla rete d un operatore GSM, per una chamata dal GMSC verso l'msc che controlla l BSS connesso al chamato Home Locaton Regster (HLR) È un altro database che memorzza n modo permanente nformazon rguardant tutt gl u- tent della rete o d un gruppo. Alcun de dat contenut nell HLR sono permanent, ad esempo l IMSI (numero che dentfca l'abbonato della MS) e l MSISDN (numero telefonco della MS) che dentfcano unvocamente un utente nel sstema e possono essere modfcat solo per queston ammnstratve; altr dat nvece sono varabl e possono essere cambat automatcamente dalla rete, ad esempo la poszone corrente della MS che vene regstrata sotto forma dell ndrzzo del VLR che ospta la MS. Inoltre l HLR contene parametr d autentcazone nvatgl dall AuC, sa a qual servz supplementar è abltato l utente e quale SMS gateway ha messagg ancora non trasmess. Se la MS s sposta nell area d un altro VLR, l ndrzzo del VLR che contene la MS vene aggornato e l HLR nva tutte le nformazon necessare rguardant l moble al nuovo VLR; nello stesso tempo tal nformazon vengono rmosse nel veccho VLR. Le nformazon dell HLR sono nserte per la prma volta nel database dall'operatore d rete quando s aggunge un nuovo abbonato al sstema e consstono n: Identfcatv dell'abbonato, IMSI e MSISDN; Il VLR attuale dell'abbonato; I servz supplementar fornt all'abbonato; Lo stato e la chave d'autentcazone KI della SIM card, l TMSI e l'msrn. In una rete GSM possono esserc pù d un HLR a cu possono accedere gl MSC ed VLR present nella rete Authentcaton Center (AuC) In questa parte della rete sono contenute le nformazon necessare per proteggere la comuncazone dell utente nell nterfacca rado che altrment potrebbe essere faclmente ntercettata. Per evtare cò, sono prevste sa una procedura d autentcazone che una d cfratura; nell AuC sono contenute n un database le chav d autentcazone degl utent e d cfratura de messagg. Tal chav non vengono ma trasmesse nell nterfacca rado per evtare che vengano ntercettate

10 3.1.5 Equpment Identty Regster (EIR) Ogn MS è dentfcata n modo unvoco dall IMEI (Internatonal Moble Equpment Identty). Tale numero è regstrato nell EIR e garantsce che solo gl utent autorzzat possano avere accesso alla rete. All nterno dell EIR, gl IMEI sono dvs n tre categore: Lsta banca: contene gl IMEI de mobl che non hanno nessun tpo d problema e possono accedere tranqullamente alla rete; Lsta grga: contene mobl con problem d funzonamento (es. problem software); Lsta nera: contene gl IMEI de mobl che rsultano rubat, n modo che quest non abbano accesso alla rete ndpendentemente dalla SIM usata. 3.2 BASE STATION SUBSYSTEM (BSS) Il Base Staton Subsystem (BSS), l cu schema a blocch è rportato nella Fgura 8, è l untà responsable della comuncazone rado con le MS n una determnata area d copertura ed è vsta dall MSC tramte una unca nterfacca: l nterfacca A. Esso è costtuto da una o pù BTS, da un BSC (Base Staton Controller) e da una TRAU (Transcodng and Rate Adapton Unt), l cu scopo è quello d adattare le dverse codfche usate nella rete GSM e nella rete fssa. D seguto vengono descrtte le prncpal funzon delle vare part che lo compongono Base Staton Controller (BSC) Questa untà svolge le funzon d controllo all nterno del BSS, è connessa all MSC tramte l nterfacca A, e alle vare BTS che controlla tramte nterfacce A-bs. Il BSC è ncarcato della gestone delle rsorse rado d tutte le celle controllate; quando l MSC stablsce l tpo d canale logco che va assegnato (es. un canale d traffco) a un partcolare moble, l BSC stablsce gl effettv parametr rado del canale (es. portate e tme slot). Il BSC noltre controlla la potenza d trasmssone sa del moble che della BTS nella propra area, secondo degl algortm not con l nome d power control; fornsce l segnale per l rfermento d frequenza e temporzzazone che vene po trasmesso n manera broadcast dalle BTS; msura l rtardo del segnale nvato dalla MS rspetto al clock della BTS ed eventualmente, se l segnale non è ben centrato nel tme slot, comunca alla BTS d strure l moble ad antcpare la trasmssone Base Trancever Staton (BTS) Il prncpale compto della Base Trancever Staton (BTS) è quello d trasmettere/ rcevere l segnale rado alla/dalla MS attraverso l nterfacca rado. Per questo la BTS svolge tutte le operazon d codfca, cfratura, multplazone e modulazone del segnale che deve essere trasmesso e le operazon nverse n fase d rcezone. Inoltre s occupa d trasmettere segnal d sncronzzazone d frequenza e temporzzazone su canal broadcast d controllo. Un altra mportante funzone della BTS è quella d rlevare burst d accesso (Access Brst) d un moble che cerca d stablre una comuncazone rado e nformare d cò l BSC che provvede po ad assegnare al moble canal necessar. La BTS msura la qualtà del collegamento rado n uplnk e trasmette questa nformazone al BSC che la usa per decdere se è necessaro o meno un handover

11 Fgura 8 - Struttura del BSS Transcodng and Rate Adapton Unt (TRAU) Lo scopo d questa untà è quello d adattare var bt rate (voce e dat) del sstema GSM (13 Kbps per canal vocal Full Rate) a quello usato sulla rete fssa (64 Kbps PCM). La TRAU può essere poszonata n vare part all nterno del BSS ma d solto vene posta nelle vcnanze dell MSC n modo da permettere l utlzzo della codfca GSM che ha un bt rate pù basso per un tratto maggore, consentendo così d trasmettere pù canal a partà d capactà Moble Staton (MS) La Moble Staton (MS) può essere sa portatle che stallata su un vecolo (es. auto o treno); essa è provvsta d una nterfacca MMI (Man Machne Interface) verso l utente che ne permette l utlzzo per accedere a servz della rete GSM. La MS è costtuta dal Moble Equpment (ME) coè l apparecchatura vera e propra che è utlzzata dall utente (telefono) e dalla SIM card (Subscrber Identty Module) la quale rappresenta l utente moble ndpendentemente dal ME usato per accedere al sstema GSM. Tra le vare funzone della MS, v è l controllo della qualtà e della potenza del segnale rcevuto; sfruttando la conoscenza a pror della sequenza d bt del mdambolo, che verrà ntrodotto n seguto, l moble stma la BER (Bt Error Rate) della comuncazone. Questo processo vene e- seguto sa sul segnale della BTS servente che su quello della BTS vcne; n seguto, la MS nva alla BSC una lsta con le 6 BTS mglor e l BSC sfrutta questa nformazone per selezonare la BTS pù opportuna nel caso d handover. 3.3 OPERATION SUPPORT SUBSYSTEM (OSS) Questo sottosstema è costtuto da uno o pù Operaton Mantenance Center (OMC) che s occupano del controllo e della manutenzone d tutte le part della rete. Esso permette a gestor d avere una nterfacca tramte cu poter gestre tutta la rete. Le prncpal funzon svolte da un OMC sono: Gestone d tutte le procedure d tarffazone e gestone del credto degl utent; Controllo d tutte le MS del sstema; Manutenzone dell hardware tramte montoraggo dello stato delle vare part del sstema; Dstrbuzone ottmale del carco su var element della rete;

12 Controllo della qualtà del servzo. Nella Fgura 9 vene rportato lo schema logco completo d una rete GSM; con le lnee tratteggate sono ndcate le tratte wreless della rete. Fgura 9 - Archtettura completa d una rete GSM. 3.4 PROCEDURE DI CHIAMATA NELL AMBITO DELLA RETE GSM Quando un abbonato delle rete fssa effettua una chamata ad una MS della rete GSM componendo l prefsso corrspondente, la rete fssa, dopo la rcerca della poszone della MS presso l MSC d resdenza dello stesso, provvede ad nstradare la chamata all MSC competente per area (dentfcato da dat present ne database HLR e VLR) e da questo al BSC dpendente. Quest ultmo è collegato alle sue BTS attraverso lnee dedcate ed effettua la chamata rradandola smultaneamente da tutte le BTS. L utente n ascolto rconosce la chamata, rsponde su un canale dedcato ed attraverso una procedura partcolare d scambo d nformazon con l BSC ottene l assegnazone del canale fullduplex sul quale ha po luogo la conversazone. La MS deve ovvamente avere la possbltà d sntetzzare le frequenze relatve a canal d traffco e d controllo per la comuncazone da tutte le celle. Vceversa, una chamata provenente da un MS vene recepta dalla BTS che copre la cella nella quale s trova la MS. La BTS stessa, attraverso l BSC competente, nstrada la chamata all MSC, l quale a sua volta provvede all assegnazone del canale fsco tra la MS e la rete fssa. Infne nel caso d chamata da una MS ad un altra MS all nterno della rete cellulare GSM, la chamata vene recepta dalla BTS che copre la cella nella quale s trova la MS d partenza, come nel caso d chamata da rete cellulare a rete fssa. Dalla BTS, attraverso l BSC competente e l MSC della servce area n cu s trova la MS d partenza, la chamata arrva all MSC d destnazone (che potrebbe benssmo essere quello d partenza nel caso n cu le due MS s trovno nella stessa servce area), attraverso la consultazone de regstr HLR e VLR. Da qu la chamata è nstradata al BSC subordnato e po rradata smultaneamente da tutte le BTS da esso dpendent

13 4. IL CANALE DI PROPAGAZIONE WIRELESS Per garantre la qualtà del servzo offerto da una rete cellulare, e pù n generale da una rete wreless, assume partcolare mportanza lo studo delle caratterstche del canale d propagazone, fondamentale per l progetto, l dmensonamento e l anals d un sstema d comuncazone rado. Esstono due modell largamente usat n letteratura per caratterzzare un partcolare canale d comuncazone: l modello a larga-scala, utlzzato per predre l energa meda rcevuta n un sstema wreless n funzone della dstanza ntercorrente tra l trasmetttore ed l rcevtore. In genere è u- tlzzato per determnare l area d copertura d una rete cellulare; l modello a pccola-scala, utlzzato per la predzone dell energa stantanea rcevuta e delle sue fluttuazon causate da pccol movment della MS. La partcolare tpologa d canale rado d volta n volta preso n consderazone dpende n genere dalla scenaro n cu s svolgono le applcazon wreless e da altr fattor, tra qual s può annoverare ad esempo l valore della frequenza della portante n uso. Solo per ctarne alcun, tpc scenar standardzzat per la propagazone del segnale n sstem wreless sono ad esempo quell de: pont rado; collegament va satellte; sstem d comuncazone terrestr fss; sstem d comuncazon terrestr mobl (n ambente urbano, suburbano etc.). I var segnal utlzzat ne sstem d telecomuncazone wreless utlzzano n genere delle frequenze dslocate nell ntervallo compreso tra 30 MHz e 30 GHz. Poché la lunghezza d onda λ d un segnale a frequenza f 0 è c λ = (4.1) f 8 dove c è la veloctà della luce nel vuoto par a crca 310 m/s, ne consegue che valor tpc d λ per applcazon wreless sono quell compres tra 10 m e 1 cm. La propagazone del segnale modulato sotto forma d onda elettromagnetca avvene per cammn multpl. Oltre che attraverso l cosddetto raggo dretto (quello coè n vsbltà ottca), l segnale che s propaga da un trasmetttore ad un rcevtore n un sstema wreless può propagars anche per: rflessone; dffrazone; dffusone o scatterng. In partcolare, n un ambente d propagazone urbano e nell ambto delle frequenze utlzzate nelle comuncazon cellular, s presuppone che sa applcable un modello d propagazone del segnale a ragg tpco dell ottca geometrca, che rsulta valdo quando le dmenson degl oggett nell ambente d propagazone rsultano sensblmente maggor della lunghezza d onda λ. In quest potes, l segnale rcevuto è composto da dvers contrbut rvelat dall antenna rcevente, cascuno de qual costtuto da una copa del segnale trasmesso ma con dfferent ampezze e rtard d fase, nonché dfferent rtard d gruppo. Il rtardo d gruppo ndca l tempo che un segnale mpega per attraversare un certo mezzo. Nel caso d propagazone rado, l mezzo è l ara o var ostacol e tale msura ndca qund con che rtardo sono rcevute le replche o cope del segnale

14 Queste dverstà sono fscamente orgnate dalle dfferent caratterstche d propagazone ncontrate da cascuno de ragg n cu l onda elettromagnetca rsulta scomposta. Ad esempo, l segnale rcevuto può essere costtuto o meno da un raggo dretto nel caso n cu v sa effettvamente un collegamento a vsta tra antenna trasmttente e rcevente. Questa componente è n genere accompagnata anche da molte altre prodottes per rflessone del raggo dretto su ostacol nelle vcnanze dell antenna rcevente (come edfc, aspertà del terreno ecc.), se le dmenson de suddett ostacol sono maggor della lunghezza d onda λ del segnale trasmesso, come è ga stato accennato n precedenza. Cascuno d quest ragg rfless presenterà ampezze dverse per la dverse caratterstche del fenomeno d rflessone, e sarà caratterzzato da dvers rtard d fase e d gruppo causat dalle dverse lunghezze geometrche de relatv percors. Questa semplce descrzone del fenomeno della propagazone per cammn multpl (multpath), rappresentata schematcamente nella Fgura 10, s avvcna molto alla realtà de fatt ed è partcolarmente sensble n ambente urbano e suburbano ove la denstà d utent del servzo è pù elevata. Per quanto rguarda nvece gl altr fenomen che caratterzzano la propagazone d un onda elettromagnetca n un ambente n cu sono present ostacol, la dffrazone s verfca ogn qualvolta un'onda ncontra un ostacolo le cu dmenson sono comparabl alla sua lunghezza d'onda λ (ad esempo su superfc appuntte, spgol etc. nel caso d segnal GSM). In questo caso l fronte d onda vene alterato (n fase o n ampezza) e la propagazone non è pù rettlnea, perché cascun punto del fronte d onda s comporta come una sorgente puntforme secondara d front d onda sferc. S generano qund delle onde elettromagnetche secondare che generano campo anche nelle zone d'ombra detro l'ostacolo, coè quelle che non sarebbero fscamente raggunte dal segnale a causa della presenza dell'ostacolo stesso. Infne, l ultmo fenomeno s verfca quando un trasmetttore rrada nello spazo crcostante un onda elettromagnetca che ncde su eventual oggett subendo un fenomeno d rflessone dsordnata, chamato appunto dffusone o scatterng. Una parte del campo dffuso torna verso la trasmetttore che può essere equpaggato anche per le operazon d rcezone (su questo modo d funzonamento s basano sstem RADAR per la scoperta d bersagl), mentre la restante parte s dsperde, s attenua etc.. I fenomen d scatterng s verfcano generalmente quando le dmenson degl ostacol ncontrat dal segnale durante l suo tragtto sono mnor d quelle della sua lunghezza d onda λ, ad esempo nel caso del foglame. TX Multpath Termnale Moble Fgura 10 - Multpath

15 Ne paragraf successv verranno llustrat dvers modell d fadng, coè d attenuazone per cammn multpl, largamente utlzzat nelle comuncazon dgtal cellular. 5. MODELLI DI CANALI RADIOMOBILI Come gà accennato nel paragrafo precedente, n un ambente d propagazone tpco de sstem cellular, l segnale rcevuto è la somma d pù contrbut avent ampezze, rtard e rotazon d fase casual, ndpendent e varabl nel tempo. Il motvo prncpale d questa varabltà temporale è l moto del termnale utente, che causa una varazone della dstanza ntercorrente con l trasmetttore mpegato, coè una delle vare BTS present nella rete. Un andamento tpco della varazone nel tempo del lvello del segnale rcevuto (con frequenza portante par a 1 GHz) su un moble dotato d veloctà costante par a 20 km/h n ambente urbano è mostrato nella Fgura 11. Fgura 11 - Andamento tpco del lvello del segnale rcevuto n un collegamento wreless con un mezzo moble dotato d veloctà costante (v=20 km/h). Il modello che vene comunemente adottato per descrvere un segnale rcevuto per propagazone attraverso N ragg (qund n un canale multpath) è espresso dalla formula seguente, n cu è stato trascurato l contrbuto dovuto al rumore termco: N () ρ () = 1 jϑ () t () y t = t e x t τ t (5.1) dove termn ρ () t (con ρ () t > 0 ), ϑ ( t ) e τ ( t ) rappresentano rspettvamente le ampezze de ragg rcevut, l loro rtardo d fase e l loro rtardo d gruppo, mentre l termne x() t rappresenta l segnale trasmesso. Campagne d msura effettuate negl ann n manera estensva e sstematca hanno permesso d quantfcare con precsone l ordne d grandezza de var parametr n goco, e n partcolare de rtard τ che cammn multpl presentano tpcamente n ambente urbano, suburbano, collnare, rurale etc. Rtard tpc τ sono dell ordne del mcrosecondo, con valor anche pù pccol (decm d µs) per ambente urbano e valor pù grand (fno a 10 µs e pù) per ambente extraurbano o collnare. La formula (5.1) suggersce un nterpretazone dell effetto che un generco canale d propagazone ha sul segnale trasmesso x() t. Dfatt, esso può essere rcondotto a quello d un fltro con rsposta mpulsva che n generale s ndca con ( ),τ ht, che dpende specfcatamente dall stante temporale t d osservazone e da rtard τ con cu sono rcevute le replche del segnale. Poché l

16 fltro n questone produce n uscta l segnale y( t ) quando al suo ngresso è applcato ( ) x t, la (5.1) rappresenta qund la relazone ngresso-uscta del fltro consderato. A seconda degl scenar propagatv tpc delle applcazon wreless, l canale d propagazone può essere classfcato ad esempo sulla base delle sue caratterstche temporal, n quanto può rsultare: stazonaro (o tempo-nvarante o statco) se le sue caratterstche non varano al varare del tempo; tempo-varante, se nvece le sue caratterstche dpendono dal tempo. Invece, dal punto d vsta del comportamento n frequenza è possble che un canale d comuncazone possa essere selettvo n frequenza se le dverse component frequenzal dello spettro del segnale n ngresso al canale vengono dstorte n modo dverso a seconda d quale componente s consdera. non-selettvo n frequenza se le dverse component frequenzal d cu sopra non sono dstorte dall effetto del canale d comuncazone. Ovvamente, la condzone che l canale present un partcolare comportamento nel tempo non e- sclude a pror che s possa verfcare uno qualsas de suddett comportament n frequenza, e vceversa. Ad esempo esstono canal contemporaneamente stazonar nel tempo e non selettv n frequenza oppure selettv n frequenza e tempo-varant. Verranno adesso esamnat alcun cas caratterstc d canal d comuncazone che possono essere ncontrat nella modellzzazone d sstem d comuncazone cellular. 5.1 CANALE COSTANTE Il prmo esempo d canale d comuncazone su cu rvolgere l attenzone è quello d canale costante. Il segnale y() t n uscta può essere ad esempo scrtto come: y( t) = ρx( t ) (5.1.1) coè n pratca assmlato al caso d propagazone n sola vsbltà ottca o LOS (Lne of Sght) con un attenuazone costante nel tempo sull ampezza del segnale x( t ) trasmesso. 5.2 CANALE SELETTIVO STATICO Il modello generco d canale multpath espresso dalla (5.1) s trasforma nel caso d canale statco n: N jϑ () = ρ ( τ ) y t e x t (5.2.1) = 1 dove s nota l ndpendenza dal tempo delle varabl che rappresentano le attenuazon n ampezza, rtard d fase ed rtard d gruppo de sngol ragg rcevut. Una volta noto l ambente crcostante e le poszon relatve d antenna trasmttente e rcevente è n teora possble valutare tutt parametr del modello d canale d trasmssone d cu sopra. Supponamo d essere rusct a compere questa operazone deale, e valutamo l mpatto della

17 propagazone per cammn multpl sulla rcezone del segnale. Per fare questo, semplfchamo ulterormente l modello d canale statco n modo da arrvare al cosddetto canale a due ragg per l quale vale la relazone: jϑ () = ( ) + ρ ( τ ) y t x t e x t (5.2.2) Come s nota, l segnale rcevuto è composto da un raggo dretto convenzonalmente fssato ad ampezza untara, sfasamento e rtardo null, ed un solo raggo rflesso con ampezza, sfasamento e rtardo dat. In ambto frequenzale la relazone d cu sopra s trasforma n jϑ j2π fτ ( )( ρ ) corrspondente ad una rsposta n frequenza del canale par a Y( f) = X f 1+ e e (5.2.3) ( ) π ( ) τ 2 ) = 1 ρ j f fn H f e (5.2.4) ove f N = ϑ /(2 πτ ) 1/ 2τ è chamata frequenza d notch del canale. La rsposta n ampezza del canale 2 ( ) = 1+ 2 cos 2 ( ) H f ρ ρ π f f N τ (5.2.5) con τ =1 µs è mostrata nella Fgura 12 per var valor d ρ e per una frequenza d notch par a 0.5 MHz, corrspondente ad uno sfasamento tra due ragg par a 2π. Essa vara n funzone della fre- 1 ρ 1+ ρ. Come s nota dalla Fgura 13, se l segnale trasmes- quenza oscllando tra valor ( ) e ( ) so x() t ha una larghezza d banda molto mnore dell nverso del rtardo 1/τ (par a 1 MHz), l comportamento del canale è defnto patto e lo spettro del segnale subsce uguale attenuazone o amplfcazone per tutte le sue component ρ=1 H(f) ρ=0.5 ρ= Frequency, [MHz] Fgura 12 Esempo d rsposta n ampezza per canale a 2 ragg

18 ρ=1 H(f) ρ=0.5 ρ= X(f) Frequency, [MHz] Fgura 13 Condzone d canale non dstorcente n frequenza. Vceversa, se l segnale ha banda comparable con 1/τ, come n Fgura 14, esso subsce notevol dstorson da parte del canale per effetto de cammn multpl n quanto esso ha un comportamento selettvo n frequenza. La frequenza d notch corrsponde al punto d massma attenuazone del canale, che dventa un nullo quando ρ = ρ=1 H(f) ρ=0.5 ρ= X(f) Frequency, [MHz] Fgura 14 Condzone d canale dstorcente n frequenza

19 Per un segnale dat modulato con veloctà d segnalazone R = 1/ T, dove T è l tempo d smbolo, e qund banda occupata B proporzonale a R, la condzone d non selettvtà del canale s traduce nella condzone B << 1/τ ovvero T >> τ (5.2.6) mentre nel caso d canale selettvo n frequenza ovvamente vale la condzone B 1/τ ovvero T τ (5.2.7) La selettvtà n frequenza del canale trasmssvo s traduce n una dstorsone lneare del segnale trasmesso, che a sua volta genera nterferenza nter-smbolca o ISI (Inter Symbol Interference) al rcevtore. Questa deve essere opportunamente compensata per evtare una severa degradazone delle prestazon del sstema. Le tecnche usate per la compensazone dell ISI sono genercamente note come tecnche d equalzzazone. 5.3 PROFILI DI CANALE PER CANALI REALISTICI Per semplfcare l modello d canale espresso dalla (5.2.1) pur mantenendo una certa aderenza alla realtà, s caratterzza un partcolare scenaro operatvo fssando un nseme d rtard τ n, n= 1,2,..., N ed assocandol ad un corrspondente nseme d potenze mede σ, n= 1,2,..., N, x t 6 Mbt/s e tempo d bt T = 1 R=0.16 µs. Nella Tabella 1 sono ndcat valor de rtard, delle ampezze e delle fas de sngol ragg tpc del modello d canale DVB-T a 20 ragg, mentre nella Fgura 15 rportamo l suo modulo della rsposta n frequenza. Nella Tabella 2 sono ndcat valor de rtard, delle ampezze e delle fas de sngol ragg tpc del modello d canale DVB-T a 30 ragg, mentre nella Fgura 16 e nella Fgura 17, rportamo, rspettvamente, l proflo del canale n questone ed l modulo della sua rsposta n frequenza. Da un anals de valor de rtard nelle tabelle su rportate, s nota l estrema selettvtà de canal n questone, n quanto la condzone espressa dalla (5.2.6) non è soddsfatta. Per concludere questa dscussone sulla modellstca del canale wreless, rpetamo che l modello qu consderato è stazonaro nel tempo, e qund ncapace d descrvere l fenomeno d e- vanescenza (fadng) della rcezone tpco delle comuncazon verso mezz mobl. Sottolneamo noltre che la descrzone del canale adottata è d tpo determnstco e qund ncapace d descrvere le varazon statstche dell ambente d propagazone che s ncontrano consderando dvers cas specfc d collegamento trasmetttore-rcevtore, anche nell ambto della stessa tpologa d ambente (urbano, rurale ecc.). E mportante charre come l modello d canale determnstco fn qu consderato possa essere convertto n un modello statstco che tenga conto della varabltà delle confgurazon dell ambente d propagazone. In questo contesto, canal fn qu propost devono essere ntes some una partcolare realzzazone d un nseme aleatoro d canal con determnate propretà statstche a comune. Nella sezone successva, verrà effettuata una trattazone statstca del modello d canale tempo-varante ntrodotto n precedenza e verranno descrtt n dettaglo prncpal fenomen d fadng che tpcamente s verfcano nelle comuncazon con mezz mobl. coè fssando l cosddetto proflo delle attenuazon o proflo del canale. Pur non essendo un canale utlzzato per applcazon d telefona cellulare, n questa sezone rporteremo a ttolo d esempo, l proflo d canale a 20 e 30 ragg adottato dallo standard DVB-T per la trasmssone d segnal televsv dgtal terrestre, con veloctà d segnalazone ( ) 2 n

20 Rtardo [µs] Ampezza Fase [rad.] Tabella 1 Valor de parametr caratterstc per canale DVB-T a 20 ragg. 5 0 H(f) (db) Normalzed Frequency, ft Fgura 15 Modulo della rsposta n frequenza del canale DVB-T a 20 ragg