Uomo Animale di Relazione: la Comunicazione

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1 Parte Prima: Concetti Introduttivi sui Sistemi Cellulari Docente: Filiberto Bilotti Uomo Animale di Relazione: la Comunicazione V sec a.c. Aristotele definiva l uomo Animale di Relazione Necessità dell uomo di essere in contatto con gli altri uomini: sviluppo degli strumenti di comunicazione Ruolo della scienza e della tecnica nel rendere più immediata ed efficace la comunicazione I-I-2 1

2 Le Comunicazioni Senza Fili James Clerk Maxwell Heinrich Hertz Guglielmo Marconi Comunicazioni radio-televisive Comunicazioni satellitari Comunicazioni cellulari I-I-3 Preistoria: il Primo Telefono Mobile 1910 Hilda e Lars Magnus Ericsson I-I-4 2

3 Primi Sistemi Radiomobili in Ambiente di Polizia 1921 Polizia di Detroit: solo ricezione di toni I-I-5 Primi Successi 1924 Bell Telephone: primo apparecchio per ricezione e trasmissione di segnali vocali I-I-6 3

4 4 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Apparecchiature Civili e Militari: gli Antenati dei Telefoni Mobili Anni Trenta: Apparecchiature Militari e Civili I-I-7 Mobile Telephone Service MTS (I) 1946 Saint Louis Missouri: AT&T e Southwestern Bell Frequenza del sistema: 150 MHz Numero di canali: 6 da 60 khz l uno Potenza dell antenna trasmittente: 250 kw Raggio di copertura: 20 miglia Comunicazione tramite operatore Half-duplex (2 portanti per Rx e Tx separate di 5 khz) I-I-8

5 Mobile Telephone Service MTS (II) I-I-9 Primi Sistemi Automatici e Congestione del Traffico 1948 Richmond Indiana: la Richmond Radiotelephone Company rese operativo il primo servizio di radiotelefonia interamente automatico 1956: assegnazione alla Bell System della banda di frequenze intorno ai 450 MHz 1958: prima conversazione tra due ricevitori mobili (Richmond Radiotelephone Company) I-I-10 5

6 Improved Mobile Telephone Service (IMTS) 1964 Harrisburg Pennsylvania: la Bell System rese operativa una versione migliorata dell MTS Prime vere conversazioni full-duplex Canali da khz l uno 1968 assegnazione alla Bell System della banda di frequenze intorno agli 800 MHz I-I-11 L Idea di un Sistema di Telefonia Cellulare 1945 Jett (FCC): riuso della frequenza 1947 Ring&Young (Bell): memorandum interno di descrizione di un sistema cellulare celle riuso della frequenza bassa potenza dei trasmettitori centrale di smistamento d area I-I-12 6

7 Primi Sistemi Commerciali di Telefonia Cellulare (I) 1969 Bell System: Linea Ferroviaria New York Washington (telefoni pubblici posti sui treni) 1973 Cooper (Motorola): primo brevetto di un sistema cellulare con ricevitori portatili I-I-13 Primi Sistemi Commerciali di Telefonia Cellulare (II) 1975 inizio della sperimentazione a Chicago Illinois da parte della Bell System 1978 (maggio): primo sistema cellulare commerciale realizzato dalla Bahrain Telephone Company (Batelco) I-I-14 7

8 Advanced Mobile Phone Service (AMPS) 1978 (luglio) la Bell System inaugura al termine della sperimentazione l AMPS (non ancora in versione commerciale) 10 celle 21 mila miglia quadrate 800 MHz circuiti integrati, switch automatico, computer I-I-15 Primo Sistema AMPS Commerciale in USA 1979 Tokio Giappone: sistema commerciale di 88 celle 1981 Città del Messico Messico: primo sistema AMPS commerciale del Nord America 1983 AURORA-400: sistema analogico cellulare canadese (420 MHz, 86 celle) 1983 (ottobre): primo sistema AMPS commerciale in USA (Chicago Illinois) I-I-16 8

9 Caratteristiche del Sistema AMPS Commerciale Frequenze: MHz MHz Canali: 50 canali per cella Dim. Cella: 1-10 miglia I-I-17 Primo Sistema Radiomobile Multinazionale 1981 Nordic Mobile Telephone System NMT-450: sistema commerciale cellulare scandinavo attivo in Danimarca, Svezia, Norvegia e Finlandia (450 MHz) I-I-18 9

10 Altri Sistemi Cellulari Analogici Sorti in Europa negli Anni Total Access Communications System TACS (900 MHz) Gran Bretagna 1985 Radio Telefono Mobile Integrato (RTMI) Italia 1985 Radiocom 2000 Francia 1986 Nordic Mobile Telephone NMT West German C-Netz Germania, Austria, Portogallo, Sud Africa I-I-19 Generazioni di Sistemi di Telecomunicazioni Cellulari Terza Generazione Sistemi a larga banda UMTS/W-CDMA Seconda Generazione Sistemi Digitali GSM/CDMA/TDMA Prima Generazione Sistemi Analogici AMPS/TACS/NMT I-I-20 10

11 Sistemi Cellulari Digitali in Europa e negli USA (I) L Europa vinse la sfida del digitale nei confronti degli USA per due motivi: necessità di un nuovo sistema pan-europeo che superasse le differenze dei precedenti (nel prevedere un sistema nuovo si decise di sfruttare gli ultimi ritrovati della tecnologia); limitazioni imposte dalla FCC tramite regolamentazioni volte a favorire la plularità del mercato. I-I-21 Sistemi Cellulari Digitali in Europa e negli USA (II) BREVE STORIA DEL GSM (I) primi studi sul sistema GSM (Groupe Speciale Mobile - dal nome del gruppo di studio che lo concepì, poi Global System for Mobile communications) 1986 test del sistema e scelta della trasmissione numerica 1984 scelta della tecnica di accesso TDMA I-I-22 11

12 Sistemi Cellulari Digitali in Europa e negli USA (III) BREVE STORIA DEL GSM (II) 1989 inizio della sperimentazione del sistema GSM operante a 900 MHz 1990 prima operatività del sistema GSM 900 (non ancora in versione commerciale) 1991 prima operatività del sistema GSM 900 in versione commerciale 1991 pubblicazione specifiche GSM1800 (UK) I-I-23 Sistemi Cellulari Digitali in Europa e negli USA (IV) IL DIGITALE IN USA (I) 1988 nascita dell ultimo sistema analogico (IS- 41): sforzi volti principalmente a migliorare le versioni precedenti di AMPS 1990 prime licenze concesse dalla FCC per sistemi radiomobili digitali 1990 nascita del D-AMPS (IS-54): primo sistema digitale in USA (basato sulla TDMA e compatibile con i precedenti analogici) I-I-24 12

13 Sistemi Cellulari Digitali in Europa e negli USA (V) IL DIGITALE IN USA (II) 1994 nascita dell IS-95, sistema digitale basato sulla tecnica d accesso CDMA la FCC concede le prime licenze nella banda PCS (Personal Communication Services) a 1900 MHz In tale banda si inseriscono il nuovo sistema TDMA IS-136 e l IS-95. I-I-25 Il Presente ed il Futuro: Sistemi a Larga Banda 1992 assegnazione delle frequenze dell IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) 2000 ( and MHz) 1996 il nuovo sistema europeo allo studio prende il nome di UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 2002 la Mobilkom Austria lancia il primo sistema UMTS I-I-26 13

14 La Situazione Attuale nel Mondo 1/2 Utenti di telefonia mobile: 1.5 miliardi (luglio 2004) Taiwan: 22.6 milioni di utenti (100.7% della popolazione) nell aprile 2002 In attesa della diffusione dei sistemi di terza generazione il GSM è il sistema di gran lunga più diffuso (685 reti di 592 operatori in 203 Paesi) Le reti di terza generazione attive sono 61 contro le 57 pianificate (dati aggiornati al luglio 2004) I-I-27 La Situazione Attuale nel Mondo 2/2 Dati in milioni di utenti (luglio 2004) % % % 4 0.3% % GSM CDMA TDMA WCDMA ALTRI I-I-28 14

15 Storia della Telefonia Mobile in Italia 1/5 La Sip lanciò il primo servizio di telefonia mobile nel 1973 (Radio Telefono Mobile Integrato) Frequenza portante: 160 MHz Canali: 32 bi-direzionali Operava nelle grandi città e lungo le principali vie di comunicazione Antenne omni, operatore, no handover. Saturazione. I-I-29 Storia della Telefonia Mobile in Italia 2/5 La Italtel sviluppò un nuovo sistema cellulare alla fine degli anni ottanta (Radio Telephone Mobile System) Lancio commerciale nel 1985 Frequenza portante: 450 MHz Canali: 200 bi-direzionali Chiamata automatica. Handover. Saturazione ( utenti nell 89) I-I-30 15

16 Storia della Telefonia Mobile in Italia 3/5 Saturazione di RTMS. Attesa del nuovo sistema digitale paneuropeo GSM ancora in fase di sviluppo (1995). Necessità di un nuovo sistema analogico: Extended Total Access Communication System Lancio commerciale nell aprile del 1990 Frequenza portante: 900 MHz Alcuni milioni di abbonati nel 1995 (saturazione) I-I-31 Storia della Telefonia Mobile in Italia 4/5 Sperimentazione GSM iniziata dalla Sip nel 1990 Ottobre 1992: sperimentazione sugli assi autostradali Milano-Napoli e Torino-Venezia Marzo 1994: gara vinta da Omnitel Pronto Italia per l assegnazione delle licenze Aprile 1995: lancio commerciale (Sip, poi TIM) Ottobre 1995: lancio commerciale (Omnitel) 1997 e 1999: nuove licenze a Wind e Blu I-I-32 16

17 Storia della Telefonia Mobile in Italia 5/ ottobre 2000: asta per le 5 licenze di UMTS Otto concorrenti (2 escluse per motivi tecnici dall asta + Andala [poi H3G], Blu, Ipse 2000, Omnitel [poi Vodafone], TIM, Wind) Blu chiede la sospensione dell asta e poi si ritira Assegnazione automatica e ricavo di 13.8 miliardi di Euro Roventi polemiche per la mancata asta I-I-33 Il Lancio Commerciale di UMTS in Italia 10 gennaio 2001 assegnazione delle licenze Marzo 2003 lancio da parte di H3G con il brand 3 Maggio 2004 lancio da parte di TIM e Vodafone Ottobre 2004 lancio da parte di Wind I-I-34 17

18 Comunicazioni Cellulari (I) Lo spettro assegnato ad un sistema radiomobile è limitato (S). Perché sussista una singola comunicazione c è bisogno di una coppia di porzioni di spettro (canale-ch): una per la comunicazione tra il terminale mobile e la stazione radio base (up-link); una per la comunicazione tra la stazione radio base e il terminale mobile (down-link). I-I-35 Comunicazioni Cellulari (II) Poiché lo spettro totale è limitato, è limitato anche il numero di comunicazioni contemporanee (N=S/ch). Per aumentare la capacità di un sistema radiomobile si può agire su diversi fattori. Il primo fattore è la riduzione del canale (ch) assegnato ad una singola comunicazione. I-I-36 18

19 19 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Comunicazioni Cellulari (III) Il concetto di Comunicazione Cellulare ha permesso di aumentare notevolmente la capacità dei sistemi radiomobili. Il territorio è diviso in aree, dette celle, di opportuna forma e dimensione servite da antenne a bassa potenza. Teoricamente all interno di ciascuna cella si può pensare di usare tutti i canali disponibili. I-I-37 Comunicazioni Cellulari (IV) Tale caratteristica è detta riuso della frequenza e rappresenta la novità fondamentale di un sistema di comunicazione cellulare. Se una regione viene divisa in un certo numero di celle (M), il numero di comunicazioni contemporanee è pari al prodotto M*N. I-I-38

20 20 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Comunicazioni Cellulari (V) Celle di forma quadrata presentano punti con distanza variabile dal centro: Problemi di sovrapposizione o di mancata copertura I-I-39 Comunicazioni Cellulari (VI) Celle di forma circolare non permettono di coprire tutto il territorio. Aree non coperte I-I-40

21 21 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Comunicazioni Cellulari (VII) Celle di forma esagonale: permettono di coprire tutto il territorio e le distanze tra i punti della cella e il centro non sono molto diverse. I-I-41 Comunicazioni Cellulari (VIII) La potenza emessa dall antenna della stazione radio base che serve una cella si attenua all aumentare della distanza e non è nulla nelle celle adiacenti. Si avrebbe interferenza tra i canali utilizzati dalle celle vicine (interferenza co-canale) con conseguente deterioramento del servizio fino alla impossibilità di mantenere attiva la comunicazione. I-I-42

22 22 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Comunicazioni Cellulari (IX) Nel pianificare un sistema cellulare si raggruppano le celle in gruppi di celle detti cluster. All interno dei cluster non si usano mai gli stessi canali: non c è riuso della frequenza. I-I-43 Comunicazioni Cellulari (X) Il riuso della frequenza si adopera in gruppi di celle diverse. I cluster possono essere costituiti da un numero variabile n di celle (tipici valori: 4, 7, 12). I-I-44

23 23 Università degli Studi ROMA TRE Facoltà di Ingegneria Comunicazioni Cellulari (XI) L utilizzo dei cluster diminuisce il numero di comunicazioni contemporanee da M*N a M*N/n. La grandezza 1/n è detta fattore di riuso della frequenza. La minima distanza prima che si possa riusare un canale dipende da diversi fattori. I-I-45 Comunicazioni Cellulari (XII) Al fine di aumentare ulteriormente la capacità di un sistema di comunicazioni cellulari si può introdurre il concetto di settore (porzione di una cella). 3 settori per cella 6 settori per cella I-I-46

24 Comunicazioni Cellulari (XIII) Altro metodo per aumentare la capacità è quello di suddividere la cella in sottocelle (cell splitting) nelle regioni a traffico più intenso. L aumento di capacità può essere controllato in base alla intensità del traffico. I-I-47 Comunicazioni Cellulari (XIV) Principali vantaggi di un sistema cellulare: aumento della capacità del sistema impiegando il riuso della frequenza; diminuzione delle potenze nei trasmettitori sia delle stazioni radio base sia dei terminali mobili. Principali svantaggi di un sistema cellulare: costi maggiori dovuti al numero di antenne; aumento della probabilità di handoff e aumento della complessità degli algoritmi ad esso dedicati. I-I-48 24

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