Reti Cellulari. Docente: Marco Listanti

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1 Reti Cellulari Docente: Marco Listanti Dipartimento INFOCOM Università di Roma La Sapienza URL: 1

2 Contenuti (1/2) 2 Le reti cellulari Aspetti generali e classificazione Standard ed evoluzione Architettura di una rete cellulare Sistemi e interfacce in una rete cellulare Architettura funzionale Coperture cellulari Motivazioni Il canale radiomonile Cenni di dimensionamento

3 Contenuti (2/2) 3 Le reti cellulari geografiche: il GSM Architettura generale Servizi portanti e trasmissione dal punto di vista dell utente Accesso radio Piano di controllo: il trasporto della segnalazione Gestione delle risorse radio Gestione della mobilità e della sicurezza Gestione della comunicazione Evoluzione del GSM verso il 3G (GPRS, EDGE). Le reti cellulari in area locale: le WLAN Ruolo e architetture IEEE

4 Bibliografia 4 1. A. Baiocchi, Reti per radiomobili, aprile 2004 (su sito web). 2. K. Wesolowski, Mobile communication systems, John Wiley & Sons, 2002 (Capp. 2 e 3). 3. M. Mouly, M.-B. Pautet, The GSM System fo mobile communications, pubblicato dagli autori, M. Avattaneo, A. Castellani, G. Fioretto, Con il GPRS anche il GSM trasmette a pacchetto, Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 10, n. 1, aprile 2001 (su sito web). 5. M. Colonna, G. D Aria, Wireless LAN: tecnologie e applicazioni, Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 1, n.1, giugno 2002 (su sito web).

5 Modalità d Esame 5 Una prova scritta alla fine del corso Date da fissare Discussione della prova scritta Sono previsti due appelli alla fine del corso I due appelli sono mutuamente esclusivi Si può sostenere la prova in solo uno dei due appelli qualsiasi sia l

6 Orario delle lezioni e Riferimenti 6 Lezioni Lunedì: (aula 1) Venerdì: (aula 6) Ricevimento Lunedì, dalle alle Stanza 6 Dipartimento INFOCOM Tel.: marco@infocom.uniroma1.it E necessarioiscriversial corsocompilandol appositomodulo disponibile sul sito Sul sito saranno disponibili tutte le informazioni relative al corso e agli esami (date, votazioni, ecc.)

7 Le Reti Cellulari Marco Listanti 7

8 Indice 8 Le reti cellulari Aspetti generali e classificazione Standard Architettura di una rete cellulare Coperture cellulari Le reti cellulari geografiche: Il GSM Le Le reti cellulari in area locale: le WLAN

9 Caratteristiche delle reti cellulari 9 Le caratteristiche peculiari principali di una rete cellulare rispetto ad altre infrastrutture di rete che offrono servizi simili sono la tecnologia utilizzata per il rilegamento di utente (radio) la possibilità degli utenti di fruire dei servizi in mobilità

10 Accesso radio 10 La mancanza di un rilegamento stabile e dedicato con la rete richiede nell i/f radio funzioni specifiche delle reti cellulari (paging, access grant, random access). L interfaccia radio presenta aspetti analoghi alle LAN riguardo la condivisione delle risorse di trasferimento necessità di schemi di accesso multiplo (es. TDMA); meccanismi di risoluzione delle contese sia in fase di pre-assegnazione sia in fase di utilizzazione; meccanismi di gestione del traffico e della congestione (risoluzione delle collisioni, gestione dell interferenza). Tutte queste funzioni possono essere distribuite tra più entità cooperanti (es. i terminali di utente, nelle WLAN) oppure concentrate nei sistemi della rete fissa (es. nel GSM, GPRS, UMTS)

11 Mobilità 11 Il punto di accesso al servizio dell utente può variare nel tempo sia durante una sessione, sia tra una sessione e l altra. La mobilità ha implicazioni su: l infrastruttura di rete e le sue funzioni piano di controllo, in particolare, per la gestione della mobilità; indirizzamento; instradamento. gli aspetti di sicurezza la tariffazione

12 Altri aspetti specifici 12 L uso dello spettro radio e la natura cellulare dell accesso hanno anche altre implicazioni specifiche delle reti cellulari Pianificazione, progettazione e realizzazione dell infrastruttura di rete Per esempio, la pianificazione delle frequenze, la previsione e descrizione del traffico Definizione di obiettivi e requisiti di qualità di servizio Per esempio i requisiti di probabilità di interruzione di chiamate in corso a seguito di fallimento delle procedure che ne assicurano la continuità in presenza di mobilità; oppure la percentuale di area di servizio nella quale garantire la copertura con qualità entro fissate specifiche Regolamentazione Per esempio la compatibilità tra diversi sistemi, le regole di allocazione dello spettro radio, i limiti sulle emissioni degli apparati RF

13 Sistemi di comunicazione mobile 13 Sistemi di radioavviso (paging systems); Sistemi di dispacciamento (trunking systems); Sistemi cordless; Sistemi cellulari; Sistemi di accesso radio locale (Wireless Local Area Network, WLAN); Sistemi di comunicazione personali satellitari

14 Sistemi di radioavviso 14 I sistemi di radioavviso sono costituiti da un call center che raccoglie le chiamate di avviso da destinare agli utenti del servizio e le inoltra attraverso l infrastruttura di diffusione radio allo scopo di allertare i terminali di utente Caratteristica specifica di questi sistemi è la modalità diffusiva unidirezionale di comunicazione e la limitatezza dell informazione trasferita verso l utente (fino a caratteri per ERMES) I sistemi più evoluti sono basati sullo standard ERMES (ETSI 1992, ITU 1994)

15 Sistemi di dispacciamento 15 I sistemi di dispacciamento sono specializzati per comunicazioni di tipo punto-multipunto Il loro scopo è la distribuzione di messaggi e le comunicazioni finalizzate al controllo e gestione di una flotta di unità mobili (es. veicoli di trasporto terrestre, navi, emergenze, forze di pubblica sicurezza) su una regione geografica che può arrivare a dimensioni nazionali. Lo standard numerico più recente, il TETRA, definito dall ETSI, è stato introdotto nel 1995

16 Sistemi cordless 16 I sistemi cordless sono stati introdotti come mezzo per eliminare il cordone di raccordo nei telefoni (wireless telephony) Sono pensati per uso in ambienti prevalentemente chiusi, comunque con raggio limitato a poche centinaia di metri La comunicazione avviene tra uno o più terminali e una stazione base fissa Eventualmente più stazioni insieme a ripetitori possono essere utilizzate per estendere la copertura. Lo standard numerico più completo è il DECT, definito nel 1992, con ampliamenti nel 1996 Il DECT consente gli stessi servizi di una ISDN (fonia con servizi supplementari e servizi dati fino a capacità di 384 kbit/s (simmetrici) o 736 kbit/s (asimmetrici)

17 Sistemi cellulari 17 I sistemi cellulari propriamente detti offrono servizi basati su comunicazioni normalmente punto-punto, bidirezionali, con capacità variabili da pochi kbit/s a centinaia di kbit/s, ad utenti in movimento fino a qualche centinaio di km/h, con copertura capillare e su aree estese (anche in più continenti, per esempio il GSM) Caratteristiche di una rete cellulare sono l impiego di terminali sofisticati sia dal punto i vista dell elaborazione sia per la complessità dei protocolli gestiti potenza massima in trasmissione relativamente elevata (dell ordine di un W per i terminali mobili) elevata complessità funzionale della parte fissa della rete, allo scopo di garantire continuità alle sessioni applicative, robustezza, sicurezza, ampia flessibilità nella gestione e tariffazione delle risorse di rete

18 Sistemi di accesso radio locale 18 Le reti senza fili in area locale (WLAN) sono nate come alternativa infrastrutturale alle LAN cablate, proponendosi di offrire gli stessi servizi I sistemi più diffusi usano lo standard IEEE , il cui primo rilascio è del 1997 e la cui normativa è tutt ora in evoluzione Le caratteristiche principali di una WLAN sono un raggio di copertura limitato tipicamente al di sotto del km potenze massime non superiori a qualche centinaio di mw, una complessità nettamente inferiore a una rete cellulare sia del terminale di utente sia della parte fissa di rete, che si avvale in modo essenziale dell esistente infrastruttura di rete fissa (es. una LAN tradizionale o un accesso a rete pubblica mediante un router e un rilegamento xdsl)

19 Sistemi di comunicazione satellitari 19 I sistemi di comunicazione personale satellitare si propongono di offrire servizi di comunicazione mobile con copertura globale a livello mondiale Trovano nicchie di applicazione dove non è possibile realizzare un infrastruttura di copertura terrestre (es. in mare aperto) risulta non economico realizzare un infrastruttura di copertura terrestre (aree disabitate) le comunicazioni mobili terrestri non sono praticabili per effetto di disastri che ne impediscono temporaneamente la fruibilità.

20 Comunicazioni wireless per dati 20 Sono fondamentalmente diverse dalle comunicazioni a circuito: I dati sono bursty: è naturale e opportuno operare in maniera discontinua I requisiti di ritardo sono spesso abbastanza elastici, tipicamente si effettuano accodamenti nei buffer E possibile ottimizzare (congiuntamente e trasversalmente ai vari livelli) vari parametri: modulazione, codifica, correzione di errore, potenza trasmissiva, capacità assegnata, controllo di congestione) La gamma dei profili di traffico e delle esigenze prestazionali è estremamente vasta Il carico di elaborazione, la modalità always on e le grandi quantità di dati rendono la durata delle batterie un problema rilevante Mobile computing

21 Aspetti critici del mobile computing 21 Capacità, supporto della QoS, fairness Progettazione del MAC e scheduling dei pacchetti Integrità dell informazione Progetto della codifica (di sorgente, FEC) e dell ARQ allo strato di collegamento e di trasporto Efficienza energetica Controllo di potenza, progetto del MAC e della correzione di errore Sicurezza Aspetti di rete: Inizializzazione, sincronizzazione e manutenzione della rete Indirizzamento, gestione della mobilità Applicazioni adattative, gestione robusta della sessione

22 Reti ad-hoc (1/2) 22 Una rete cellulare può essere: Infrastrutturata: i terminali mobili comunicano con stazioni fisse (Access Points), eventualmente collegati tra loro Ad-hoc: i terminali mobili comunicano direttamente tra loro, la rete è funzionalmente piatta, tutti i nodi sono equivalenti Le reti ad-hoc sono auto-organizzanti (Self-organizing networks) Vincoli Basate sull impiego di algoritmi distribuiti per la condivisione dinamica e adattativa della capacità radio Limitate capacità di elaborazione e di consumo energetico Conoscenza locale dell ambiente Necessità di scoprire e mantenere la connettività Instradamento su una topologia tempo-variante (riconfigurabile)

23 Reti ad-hoc (2/2) 23 Vantaggi: Non serve pianificazione o configurazione della rete (auto-organizzazione) Robustezza Pervasività Comunicazione Single hop Multi-hop Applicazioni specifiche: WLAN, reti di sensori Alcuni standard e tecnologie disponibili e in fase di sviluppo: IEEE IEEE (Bluetooth, UltraWideBand radio)

24 Reti di sensori 24 Una rete può comprendere migliaia di nodi Le distanze tra nodi possono ridursi a pochi m Le densità spaziali dei nodi possono arrivare a 20 nodi a m 3. Internet, Satelliti, Task Manager Sink Sink

25 Indice 25 Le reti cellulari Aspetti generali e classificazione Standard ed evoluzione Architettura di una rete cellulare Coperture cellulari Il GSM Le WLAN

26 Un po di storia 26 Il primo sistema radiomobile sperimentale per applicazioni civili fu impiegato dalle forze di polizia negli USA intorno al 1920 Valvole elettroniche Antenne di parecchi metri, basse frequenze radio. Le applicazioni per la Polizia, i Taxi e i trasporti comparvero nel Singola BS, Antenne 20/30 m, celle di km, MT Varie BS connesse ad un controllore, PABX Segnalazione numerica Molte BS condivise da molte organizzazioni Sviluppi della tecnologia negli anni

27 Evoluzione dei sistemi radiomobili 27 Sistemi radiomobili di prima generazione Analogici, solo voce es. ETACS Sistemi radiomobili di seconda generazione Numerici, voce + dati con capacità < 10 kbit/s (SMS, WAP) es. GSM, IS-54/-136 (TDMA), IS-95 (CDMA) Sistemi radiomobili verso la terza generazione Generazione 2,5 gestione avanzata delle comunicazioni dati con capacità < 144 kbit/s es. GPRS (dati a pacchetto), HSCSD (dati a circuito) Terza generazione comunicazioni multimediali, accesso mobile ad Internet, convergenza tra servizi vocali e dati, banda < 384 kbit/s (full area coverage) e < 2 Mbit/s (local area coverage) es. UMTS

28 Sistemi di prima generazione 28 Per ottenere un ampia area di servizio con copertura continua si predispone una rete cellulare di stazioni radio base con copertura sovrapposta FDMA FDD Voce analogica Efficienza di multiplazione NMT, RTMI, RTMS, AMPS, TACS ( )

29 Sistemi di prima generazione in Italia 29 RTMI (1973) Frequenza 160 MHz, 32 canali full-duplex, 4 canali di segnalazione Modulazione FM, 25kHz per canale. Le chiamate da fisso a mobile avvenivano tramite operatore. Il terminale non era tracciato dalla rete. Non esisteva l handover RTMS 450 MHz e TACS 900 MHz (1985) Modualzione FM, 25 khz per canale. La rete traccia il terminale. Viene introdotto l handover. 200 canali radio. Canale di controllo Paging. Access Request.

30 Sistemi di seconda generazione 30 Una delle ragioni principali che hanno portato all introduzione dei Digital Mobile Systems (dal 1990) è stata la maggior efficienza spettrale GSM (Europa). D-AMPS, CDMAone (USA). PDC (Giappone). Reti di servizio locali DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications, Europa) PHS (Personal Handyphone System, Giappone)

31 GSM 31 Nel 1982 la CEPT incaricò il gruppo GSM (Groupe Special Mobile), costituito dai rappresentanti di 12 nazioni dell Europa occidentale, di esaminare l idea Obiettivi del GSM Il nuovo sistema avrebbe dovuto fornire almeno la stessa qualità della voce e efficienza spettrale dei sistemi mobili analogici esistenti Il costo del sistema completamente sviluppato, in fase di produzione di massa, avrebbe dovuto essere inferiore a quello dei sistemi analogici esistenti Si sarebbe dovuta garantire la compatibilità con l ISDN, con alcune limitazioni di banda Servizi GSM = Servizi ISDN + Servizi specifici del GSM Roaming pan-europeo, sicurezza, SMS

32 GSM: specifiche radio 32

33 D-AMPS (IS-54/IS-136) 33 Seconda generazione negli USA: D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) fu introdotto originariamente come un aggiunta all AMP analogico Stessi canali radio = 30 khz, 3 canali voce TDMA. Segnalazione e funzioni di controllo comuni Il D-AMPS è diventato autosufficiente con l aggiunta del canale di controllo numerico; è stato chiamato IS-136 Il sistema numerico di seconda generazione giapponese (PDC, Personal Digital Cellular system) ha caratteristiche molto simili al D-AMPS

34 D-AMPS: specifiche radio 34

35 CDMAone (IS-95) 35 Introdotto nei primi anni 90 sulla base delle realizzazioni della Qualcomm. Può essere operato nella banda che era dell AMPS (down: ; up ) nella banda PCS (down: ; up: ) Impiega il CDMA/FDD in bande di 1,23 MHz con un ritmo di 1,2288 Mchip/s I segnali in downlink da diverse stazioni base sono separabili grazie a codici pseudorandom (pseudonoise sequence); quelli indirizzati a terminali mobili diversi entro una stessa cella/settore sono resi mutuamente ortogonali dall impiego di codici di Walsh (fino a 64 canali) I segnali di mobili diversi in uplink sono separabili grazie a codici pseudorandom

36 CDMAone: specifiche radio 36 Banda di frequenza (FDD) Spaziatura tra canali Modulazione CDMA Rtimi binari ritmo di chip spreading factor Rate Set 1 Rate Set MHz MHz 1230 khz Offset QPSK 1,2288 Mchip/s +64 (seq. Walsh) 9600, 4800, 2400, 1200 bit/s 14400, 7200, 3600, 1800 bit/s Codifica della voce Diversità 8550 bit/s (160 bit ogni 20 ms + 11 bit di parità) Codifica di canale, Interallacciamento, Spread spectrum, Equalizzazione (ricevitore RAKE)

37 Standard WLAN 37 HIPERLAN La WLAN HIPERLAN/1 è stata specificata nel 1996 da ETSI; dal 2000 ETSI ha lanciato il progetto BRAN (Broadband Radio Access Network): esso comprende la specifica di una WLAN ad elevata capacità (fino a 54 Mbit/s) e corto raggio (<200 m), HIPERLAN/2. IEEE Standard promosso dall IEEE dal 1990; il primo rilascio è del 1997; si inquadra nella famiglia degli standard IEEE 802 Applicabile alla banda ISM (Industrial Medical Scientific, da 2,4 a 2,4835 GHz); sono definite estensioni intorno a 5 GHz Bluetooth E stato promosso da un gruppo di industrie; IEEE sta lavorando alla standardizzazione degli strati fisico e MAC di Bluetooth Fornisce uno strumento di connettività radio ad-hoc a corto raggio tra dispositivi portatili e personali

38 Servizi 3G 38 In una parola: Mobile Internet

39 Requisiti generali della 3G 39 Supporto di alti ritmi binari Almeno 384 kbit/s nella copertura globale Fino a 2 Mbit/s in ambienti chiusi e in spazi aperti a corto raggio Supporto di grande flessibilità dei servizi Servizi orientati al pacchetto e al circuito Ampia gamma di ritmi binari con granularità fine Vari servizi su un unica connessione Migliore capacità/copertura rispetto ai sistemi 2G Facile intallazione (ad es., nessuna pianificazione frequenziale)

40 Percorsi verso la 3G 40 Sono possibili due approcci, ambedue perseguiti effettivamente già da vari anni Estensione delle capacità dei sistemi esistenti 2G per gestire dati a commutazione di circuito e soprattutto di pacchetto Utilizzo della maggior parte delle apparecchiature esistenti I sistemi 3G all inizio non offrono copertura completa Sviluppo di sistemi 3G come UMTS, CDMA2000. Nuovi sistemi ottimizzati per applicazioni Multimediali/Internet Possibilità di sviluppare un sistema diffuso su scala mondiale

41 Evoluzione del GSM 41 Servizi dati nel GSM Dal 1996 il GSM fase 2 fornisce connessioni dati a circuito fino a 9.6 kbit/s la messaggistica breve (SMS) sui canali di segnalazione High bit rate Circuit Switched Data (HSCSD) La trasmissione a pacchetto è fornita dal sistema General Packet Radio Service (GPRS), con una completa ridefinizione della rete dorsale e modifiche evolutive nella sezione di accesso radio L ultima evoluzione è EDGE (2 fasi). Mira ad aumentare la capacità dell interfaccia radio. Può essere combinato con l HSCSD e con il GPRS

42 Storia della 3G in Europa 42 L inizio delle attività di studio risalgono al 1988!! Nel gennaio 1998 l ETSI ha scelto il CDMA per l Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) W-CDMA per lo spettro appaiato (FDD) W-TD/CDMA per lo spettro non appaiato (TDD)

43 Lo spettro radio per UMTS 43 Frequency Division Duplex for Uplink.(12x5MHz) for Downlink.(12x5Mhz) Time Division Duplex (4x5Mhz) (3x5Mhz)

44 Evoluzione nel tempo 44

45 Integrazione delle i/f radio 45

46 Uno scenario 3G 46 UMTS Operator UTRAN Node B RNC Server farm and IMS Signaling Gateway WWW ., Profiles DBs, Diameter SIP proxy Dynamic DNS. UMTS IPv4 Core Network GGSN SGSN IPv4 backbone Node B Wireless LANs IEEE ETSI BRAN HIPERLAN/2 Wireless Internet Service Provider IPv4 over WAN UMTS: (3GPP) MM: Ad-Hoc Protocols AA: Ad-Hoc Protocols WLAN: (IETF, ETSI) MM: Mobile IP, Cellular IP, etc AA: User Name/Pwd

47 Uno scenario 3G evoluto 47 Internet Service Domain IP backbone Server farm Signalling Gateway Call Agent CSCF QoS Policy Server HA AAA server proxies, DNS, WWW, ... Gateway Gateway IP Private backbone W-LANs / H2 UTRAN Node B RNC M-IPv6 Wireless Router RNC Node B UTRAN RNC Node B UTRAN UTRAN IP Gateway W-LANs Telco Mobile Operator Domain Private Network Domain

48 Uno scenario Beyond 3G 48 Backbone IPv4/v6 AP Multi hop ANG ANR AR AP Single hop MN MH Single hop MH Mobile Node (MN) Access Mobile Host (MH) Router Access Point (AP) Subsystem Access Router (AR) Access Network Router (ANR) Access Network Gateway (ANG) AR/AP Access Point Subsystem MH Radio interface /Bluetooth

49 Temi di ricerca per il Beyond 3G 49 Requisiti di sistema Input/Output audio e video 3D, realtà virtuale Applicazioni adattative Accesso wireless / tecniche di trasmissione wireless Modulazione/Codifica adattativa, Adattamento del link, MUD/IC,... Soluzioni con diversità spaziale (MIMO, Space Time coding, Smart antennas / Beam-forming) Allocazione flessibile delle risorse Allocazione flessibile di spettro/banda a differenti operatori Protocolli adattativi (es. per condivisione di risorse radio) Riconfigurabilità e software radio Reti auto-organizzate Sicurezza