Lucidi delle lezioni del corso di SERVIZI DI TELECOMUNICAZIONE

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1 TELEFONIA MOBILE Cenni Storici La propagazione nello spazio libero è usata da quasi 100 anni per le telecomunicazioni I primi (rudimentali) sistemi di telecomunicazione mobile non diffusiva appaiono durante la seconda guerra mondiale I primi sistemi di telefonia mobile risalgono agli anni 60,, ma sono costosi, poco pratici, caratterizzati da bassa qualità ed affidabilità Marco Baldi (DIBET) 2 1

2 Cenni Storici Nei primi anni 80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso moderno del termine (1983 Chicago, 1980/2 prototipazione in Giappone). Si tratta di reti: specializzate (di proprietà di una organizzazione) costose a bassa capacità e versatilità Nella seconda metà degli anni 80 vengono installate le reti analogiche avanzate (AMPS, NMT, TACS) con immediato ed enorme successo commerciale Marco Baldi (DIBET) 3 Cenni Storici AMPS: Advanced Mobile Phone Service standard U.S.A. (EIA-553) che lavora nella banda intorno agli 800 MHz diffusione: Stati Uniti, Canada, Messico, Australia, Nuova Zelanda, Taiwan, Corea del Sud, Singapore, Hong Kong, Thailandia, Brasile, Argentina,... TACS: : Total Access Communications System standard sviluppato nel Regno Unito; lavora nella banda intorno ai 900 MHz, di fatto è un adattamento dello standard AMPS diffusione: Regno Unito, Italia, Irlanda, Spagna, Austria, Penisola Arabica,... Marco Baldi (DIBET) 4 2

3 Cenni Storici NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, sviluppato indipendentemente da AMPS e TACS, che lavora nelle bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; presenta notevoli differenze nel funzionamento nelle 2 bande diffusione: Scandinavia, BeNeLux,, Austria, Francia, Ungheria, Spagna, Svizzera,... Marco Baldi (DIBET) 5 Cenni Storici Alla fine degli anni 80 è diventato palese che le reti cellulari esistenti non erano in grado di sopportare la crescente domanda di traffico e qualità del servizio a meno di: risolvere i problemi di bassa capacità legati all indisponibilit indisponibilità dello spettro migliorare in modo significativo la qualità del servizio e la gamma dei servizi disponibili diminuire drasticamente i costi delle apparecchiature risolvere i problemi di interoperabilità tra sistemi diversi Marco Baldi (DIBET) 6 3

4 Cenni Storici Le problematiche esistenti hanno spinto verso la ricerca di soluzioni di tipo concertato (standard internazionali) basate su tecnologia digitale (GSM, D-AMPS, D IS-95) Nel 92 e` stato introdotto con enorme successo il sistema GSM in Europa A meta` degli anni 90 sono stati introdotti in USA i sistemi D-AMPS e IS-95 (CDMA), pur se con minor successo del GSM Alla fine degli anni 90 è terminata la standardizzazione di reti a commutazione di pacchetto (UMTS( UMTS) Marco Baldi (DIBET) 7 Reti Cellulari Reti la cui copertura geografica è ottenuta tramite una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle.. L utente L (terminabile mobile) si può muovere attraverso la rete passando da una cella all altra altra senza interrompere la comunicazione (tramite handover). HANDOVER Marco Baldi (DIBET) 8 4

5 Reti Cellulari Handover Procedura che consente il trasferimento di una chiamata da una cella alla successiva, mentre il terminale mobile si sposta all interno della rete E caratteristico delle reti cellulari, differentemente da altri tipi di reti radio È un operazione complessa che presume determinati requisiti in termini di architettura di rete, di protocolli e di segnalazione Marco Baldi (DIBET) 9 Reti Cellulari L utente mobile è collegato via radio alla Stazione Radio Base che: raccoglie il segnale radio lo elabora per poterlo inviare su rete fissa lo inoltra verso la centrale di smistamento che: collega ogni Stazione Radio Base con le altre collega ogni Stazione Radio Base con la PSTN Marco Baldi (DIBET) 10 5

6 Canale Radio Il canale radio è un mezzo di trasmissione meno affidabile di quelli cablati I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di: Attenuazione (funzione della distanza) Cammini multipli (funzione degli ostacoli presenti e della mobilità dell utente) Esistono differenti modelli di attenuazione da spazio libero in funzione del tipo di scenario radiomobile (microcellulare,, macrocellulare, indoor ) Marco Baldi (DIBET) 11 Canale Radio La propagazione reale è influenzata da: Presenza di ostacoli (fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione delle onde elettromagnetiche trasmesse) Mobilità degli utenti In pratica il segnale trasmesso arriva a destinazione attraverso diversi percorsi e con diversi ritardi temporali (ritardi di fase) Marco Baldi (DIBET) 12 6

7 Tipi di Comunicazione Simplex: : Comunicazione unidirezionale (Radio, TV) Half-duplex duplex: : Comunicazione bidirezionale asincrona (Push( Push-To- Talk) Full-duplex duplex: : Comunicazione bidirezionale sincrona (Telefoni cellulari) Marco Baldi (DIBET) 13 Full-Duplex Frequency Division Duplex (FDD( FDD) UL DL frequenza Time Division Duplex (TDD( TDD) UL DL UL DL UL tempo Marco Baldi (DIBET) 14 7

8 Accesso Multiplo Più utenti devono accedere contemporaneamente ad una risorsa comune (canale) Accesso Multiplo: FDMA - Frequency Division Multiple Access Ciascuna conversazione è identificata dalla sua frequenza (conversazioni( private) TDMA - Time Division Multiple Access La stessa frequenza è usata in tempi diversi (time slots) ) da conversazioni diverse (riunione( riunione: : chi vuole parlare deve attendere il proprio turno) CDMA - Code Division Multiple Access Tutte le conversazioni utilizzano le stesse frequenze contemporaneamente distinguendosi per il codice usato (convegno( internazionale: : ogni coppia di interlocutori usa una lingua diversa) Marco Baldi (DIBET) 15 Accesso Multiplo FDMA (TACS) c f t Marco Baldi (DIBET) 16 8

9 Accesso Multiplo - TDMA c f t Marco Baldi (DIBET) 17 Accesso Multiplo TDMA/FDMA (GSM, DECT) c f t Marco Baldi (DIBET) 18 9

10 Accesso Multiplo CDMA (UMTS) c f t Marco Baldi (DIBET) 19 Efficienza delle Reti Cellulari La definizione di canale dipende dalla tecnica di accesso multiplo utilizzata Un canale, pertanto, può essere identificato da: frequenza (portante e larghezza di banda) tempo (frame, time slot) codice binario (consente di separare canali diversi anche se contemporanei ed isofrequenziali) oppure da una combinazione delle precedenti Marco Baldi (DIBET) 20 10

11 Efficienza delle Reti Cellulari I canali utilizzati all interno di una cella vengono riutilizzati in celle sufficientemente distanti da essa In questo modo la stessa risorsa spettrale viene riutilizzata più volte Il numero di utenti che possono essere serviti aumenta Una cella utilizza solamente una porzione dei canali disponibili Le celle vicine utilizzano canali differenti, in modo da non interferire fra loro Si definisce cluster l insieme l di celle (che utilizzano canali tutti diversi fra loro) sulle quali viene ripartita l intera l risorsa disponibile Marco Baldi (DIBET) 21 Dimensione dei Cluster Cluster di dimensione 3: suddivisione dei canali disponibili in 3 gruppi di uguali dimensioni Cluster di dimensione 7: suddivisione dei canali disponibili in 7 gruppi di uguali dimensioni Marco Baldi (DIBET) 22 11

12 Dimensione dei Cluster Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS, TACS, NMT): cluster di 19 o 21 celle Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o misto FDMA/TDMA (GSM, D-AMPS, D JCD): cluster di 7 o 9 celle Sistemi numerici con accesso CDMA (IS-95): cluster di 1 cella (almeno in linea di principio) Marco Baldi (DIBET) 23 Interferenza Co-canale Conversazioni che usano lo stesso canale in due celle diverse interferiscono fra loro Limite dei sistemi cellulari: interferenza interna del sistema Due celle che utilizzano la stessa risorsa non possono essere troppo vicine Minima distanza di riuso Marco Baldi (DIBET) 24 12

13 Distanza di Riuso La distanza di riuso D è legata alla dimensione del cluster, K,, ed al raggio della cella R A parità di dimensione del cluster, i canali possono essere riutilizzati più densamente se si diminuisce il raggio cellulare Marco Baldi (DIBET) 25 Dimostrazione R A D C 3 R 2 AB = i * R * 3 1/2 BC = j * R * 3 1/2 AC = [AB 2 + BC 2 2 * AB * BC * cos(120 )] = R * [3 * (i 2 + j 2 2ij*(-0.5))] 1/2 = = R * [3 * (i 2 + j 2 + ij)] 1/2 = = R * [3K] 1/2 i B )] 1/2 1/2 = j 120 Marco Baldi (DIBET) 26 13

14 Distanza di Riuso R Dimensione del cluster K con celle esagonali: K = i 2 + ij + j 2 K = * K = K = i 7 1 j 2 3 Distanza di riuso D D = (3K)( 1/2 * R D = 4.58 * R D Marco Baldi (DIBET) 27 Distanza di Riuso Dimensione del cluster: K = i 2 + ij + j 2 K = * R K = K = 4 1 D i Distanza di riuso D D = (3K)( 1/2 * R D = 3.46 * R Marco Baldi (DIBET) 28 14

15 Capacità di una Rete Cellulare Diminuendo il raggio di cella è possibile servire lo stesso traffico su un area minore con conseguente incremento della capacità Dipendenza quadratica: : dimezzando il raggio di cella la capacità quadruplica COPERTURA globale continentale nazionale città quartiere indoor RAGGIO CELLA (m) Marco Baldi (DIBET) 29 Tecniche di Copertura Cellulare Le celle non hanno necessariamente forma regolare e costante (esagoni equivalenti) L effettiva dimensione della cella è determinata dalla potenza degli apparati, dai ritardi di propagazione e dalla densità di traffico È possibile usare antenne direzionali per avere celle di forme e dimensioni particolari Celle stratificate (a ombrello) Sono allo studio tecniche per ottenere celle puntiformi che inseguono il terminale mobile Marco Baldi (DIBET) 30 15

16 Tecniche di Copertura Cellulare Copertura cellulare con cluster di 9 celle ed antenne settoriali a 120 Stazione Radio Base Settori Marco Baldi (DIBET) 31 Tecniche di Copertura Cellulare Copertura cellulare con celle di dimensione diversa per aree a diversa intensità di traffico Zona ad alta densità di traffico Zona a bassa densità di traffico Marco Baldi (DIBET) 32 16

17 Tecniche di Copertura Cellulare Copertura cellulare stratificata micro-celle Celle a ombrello Marco Baldi (DIBET) 33 Tecniche di Copertura Cellulare Copertura cellulare di tipo autostradale Celle per la copertura stradale Via di grande comunicazione Altre celle Marco Baldi (DIBET) 34 17

18 Generazioni di Reti Telefoniche Cellulari Reti commerciali di prima generazione Trasmissione analogica,, solo servizio di telefonia Tecnica di accesso FDMA Copertura del territorio con celle di grandi dimensioni Bassa qualità del servizio offerto Bassa efficienza nel riuso delle frequenze, e bassa capacità complessiva della rete Reti in esercizio (in fase di dismissione): AMPS, TACS, NMT Marco Baldi (DIBET) 35 Generazioni di Reti Telefoniche Cellulari Reti commerciali di seconda generazione Trasmissione digitale Tecnica di accesso FDMA/TDMA oppure CDMA Celle di dimensioni più contenute (raggio delle celle da alcune centinaia di metri ad alcune decine di km) Bassa velocità di cifra Efficienza complessiva migliorata, riuso delle frequenze ottimizzato date le caratteristiche delle reti Reti in esercizio: D-AMPS (o ADC), GSM, DECT1900, JDC DCS1800, Marco Baldi (DIBET) 36 18

19 Generazioni di Reti Telefoniche Cellulari Reti di seconda generazione estese Sfruttano la stessa architettura e la stessa tecnologia radio delle reti di seconda generazione Offrono servizi aggiuntivi basati sulla commutazione di pacchetto (GPRS) Mirano ad accrescere la capacità complessiva della rete L architettura è di tipo tipo multirete,, ossia costituita dall unione di sottoreti specializzate (es. DECT e DCS in ambiente urbano, GSM in ambiente rurale, etc.) È previsto l uso l di terminali multistandard in grado di collegarsi alla rete più opportuna in funzione del servizio richiesto Non sempre è possibile mantenere la comunicazione se è necessario cambiare sottorete (DCS GSM SI, GSM DCS NO, GSM DECT NO) Marco Baldi (DIBET) 37 Generazioni di Reti Telefoniche Cellulari Reti di terza generazione Trasmissione numerica a commutazione di pacchetto,, elevate velocità di cifra, servizi multimediali Tecnica di accesso multiplo CDMA, W-CDMA o A-TDMA (Advanced-TDMA,, evoluzione della tecnica FDMA/TDMA del GSM) Copertura cellulare stratificata,, con celle di piccole dimensioni per avere elevata capacità e celle a ombrello sovrapposte per consentire elevata mobilità Uso della diversità affidabilità spaziale per ottenere migliori qualità ed Marco Baldi (DIBET) 38 19

20 Generazioni di Reti Telefoniche Cellulari Reti di terza generazione Elevata integrazione di molte sottoreti specializzate per fornire migliore qualità di servizio Possibilità di handover tra sottoreti differenti Reti previste : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) - ETSI FPLMTS (Future Public Land MTS) o IMT ITU... Marco Baldi (DIBET) 39 20

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