Politecnico di Milano. Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone

2 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 1 - Introduzione al corso Reti Radiomobili

3 Il docente Prof. Antonio Capone Ufficio: Dip. di Elettronica e Informazione 3 piano stanza 320 Tel: (022399) capone@elet.polimi.it Web pages: Orario di ricevimento: Martedì

4 Materiale didattico Libri consigliati: Bernhard H. Walke, Mobile Radio Networks, Wiley, O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica J. G. van Bosse, Signaling in Telecommunication Networks, Wiley

5 Lucidi del corso Materiale didattico Altro materiale suggerito durante il corso Articoli di approfondimento Link disponibili sul sito web 5

6 Home page del corso 6

7 Modalità d esame Scritto: Esercizi Domande a risposta aperta Orale: Su richiesta del docente Prove in itinere 7

8 Scopo del corso Fornirvi le conoscenze di base della tecnologia e dei protocolli delle Mentre il il trasporto dell informazione diventa sempre più veloce grazie alle tecnologie ottiche L accesso alle reti diventa wireless e mobile 8

9 Scopo del corso Numero di linee telefoniche fisse: 1.27 M Numero di host Internet: 1 M Numero di telefonini: 2.7 M Fonte: ITU Sept

10 Utenti radiomobili nel mondo Cellular Subscribers Telephone Lines Dati da 10

11 Distribuzione degli utenti a livello mondiale Fonte globalis.gvu.unu.edu Dati:

12 Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA Dati da 12

13 Relazioni con altri corsi Le reti wireless fanno uso di tecnologie di vari campi trattate anche in altri corsi: tecniche avanzate di trasmissione (tecniche di modulazione, tecniche di protezione, equalizzazione, ricevitori) antenne e propagazione del segnale (propagazione radio, modelli di canale, antenne) tecniche di elaborazione numerica dei segnali (antenne intelligenti) 13

14 Relazioni con altri corsi Noi siamo interessati alla rete come sistema protocolli servizi procedure ma il sistema è fortemente influenzato dalle tecnologie quindi saremo costretti a fare richiami alle tecnologie trasmissive 14

15 Concetti di base Programma Caratteristiche del canale wireless Trasmissione numerica su canale wireless Codifica della voce Introduzione alle reti radiomobili Architettura di rete ed elementi funzionali Tecniche di accesso multiplo per sistemi radio a canale centrale. Il concetto di copertura cellulare Il concetto di riuso di frequenza Gestione della mobilità: selezione di cella, localizzazione, e handover. 15

16 Programma Capacità e pianificazione radio Modelli matematici ed algoritmi per l ottimizazione della copertura Modelli matematici ed algoritmi per l assegnamento statico delle frequenze Tecniche di allocazione dinamica dei canali 16

17 Programma Analisi delle prestazioni Modelli per il calcolo della capacità per sistemi CDMA Modelli di teletraffico per il calcolo delle prestazioni a livello chiamata Modelli per il dimensionamento della celle e aree di localizzazione 17

18 Programma Il sistema GSM (1) Architettura ed interfacce Canali fisici e canali logici Trasporto in rete fissa Problematiche di gestione della mobilità: localizzazione ed handover Richiami sulla segnalazione telefonica Architettura della rete di segnalazione, protocolli di segnalazione, database di rete, procedure di gestione delle chiamate e di gestione della mobilità 18

19 Programma Il sistema GSM (2) Servizi dati a circuito: architettura di trasporto, gestione delle interfacce, adattamento delle velocità GPRS: interfaccia radio, controllo di accesso al mezzo (MAC), rete IP di supporto e nodi di interconnessione, gestione della mobilità, architettura protocollare, scenari di collegamente a reti IP pubbliche e private 19

20 UMTS Accesso Radio Programma Procedure di spreading e codifica per l interfaccia W-CDMA Canali di trasporto e di segnalazione Procedure di controllo di potenza Servizio voce e gestione delle risorse radio Servizi dati a pacchetto Trasporto e segnalazione nella core network Interfaccia TDD (Time Division Duplexing) 20

21 Programma L architettura IMS (Internet Multimedia Subsystem) Architettura della core network IP Controllo di sessione/chiamata Il protocollo SIP e gli elementi della rete Meccanismi di sicurezza Applicazioni 21

22 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Introduzione alle Reti Radiomobili Reti Radiomobili

23 Reti Wireless L unica differenza sembra consistere nel mezzo trasmissivo radio, eppure: Le particolari caratteristiche del mezzo hanno un grosso impatto sulle caratteristiche del sistema le reti wireless consentono agli utenti di muoversi e gestiscono automaticamante la loro mobilità Meglio wireless o wired? wireless wired 23

24 Mezzo Trasmissivo Le reti wireless esistono grazie alle tecniche di trasmissione su canale radio Nei primi sistemi si è fatto uso di tecniche analogiche mentre nei più recenti di tecniche numeriche Il mezzo radio è un mezzo intrinsecamente broadcast (la trasmissione di un terminale è ascoltabile da tutti gli altri) 24

25 Architettura di una rete rete di trasporto rete d accesso 25

26 Reti (di accesso) Wireless Le grandi reti di trasporto moderno fanno comunemente uso di collegamenti radio puntopunto e collegamenti satellitari Tradizionalmente si definiscono reti wireless solo quelle nelle quali l accesso dell utente è wireless Le reti wireless comprendono di solito anche una rete di trasporto di tipo wired 26

27 Canali broadcast canali broadcast centrali canali broadcast non-centrali 27

28 Reti Wireless Ai due tipi di canali broadcast corrispondo due tipologie di rete wireless 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari) Rete fissa Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 28

29 Reti Wireless Ai due tipi di canali broadcast corrispondono due tipologie di rete wireless 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN) Anche collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 29

30 Copertura Cellulare La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base (base station BS) che offrono accesso radio ai terminali mobili (Mobile Station MS) nella loro area di servizio, detta CELLA Base Station Mobile Station Cella 30

31 Rete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station PLMN Public Land Mobile Network Mobile Station Accesso Radio 31

32 Cenni storici: Motivazioni dei sistemi cellulari Lo scopo primario di un sistema radiomobile è di rendere possibile una connessione anytime, anywhere (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa.) Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni 80 e la domanda è ancora in ascesa... (???) 32

33 Cenni storici: Requisiti dei sistemi radiomobili Capacità possibilità di servire molti utenti Copertura garantire un livello di segnale accettabile a un vasto territorio Qualità garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli delle reti fisse Flessibilità possibilità di accedere ai servizi di rete fissa interoperabilità con sistemi concorrenti 33

34 Cenni storici: Problemi e limitazioni Scarsità delle risorse radio (numero e qualità) Gestione della mobilità degli utenti Estrema variabilità del traffico (difficile predizione) 34

35 Cenni storici La propagazione nello spazio libero è usata da quasi 100 anni per le telecomunicazioni I primi (rudimentali) sistemi di telecomunicazione non diffusiva con mezzi mobili appaiono durante la seconda guerra mondiale I primi sistemi di telefonia mobile risalgono agli anni 60, ma sono costosi, poco pratici, con bassa qualità e bassa affidabilità 35

36 Cenni storici Nei primi anni 80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso moderno del termine (1983 Chicago) reti specializzate (es. private di una organizzazione) piuttosto costose 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 (1G) 36

37 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service standard U.S.A. (EIA-553); banda intorno agli 800 MHz diffusione: Americhe, Oriente TACS: Total Access Communications System standard sviluppato nel Regno Unito; banda intorno ai 900 MHz, è un adattamento dello standard AMPS diffusione: Europa (Italia) NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, indipendente da AMPS e TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; diffusione: Europa del Nord 37

38 Cenni storici: Verso la Seconda Generazione Sistemi analogici: bassa capacità scarsa qualità del servizio numero di servizi limitato alti costi delle apparecchiature problemi di interoperabilità tra sistemi diversi Sistemi digitali (2G-fine anni 80) Integrazioni di servizi diversi Maggiore robustezza all interferenza Sicurezza 38

39 Cenni storici: Seconda e terza generazione Nel 92 è stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme D-AMPS e IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella metà degli anni 90 con grande successo (meno del GSM) Fine anni 90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (EDGE, GPRS, HCSCD) Dal 2003 UMTS e CDMA2000 (3G) 39

40 Servizi di comunicazione Servizi di comunicazione Una rete cellulare di solito offre due tipi di servizi di comunicazione servizio voce servizio dati Storicamente le reti cellulari sono nate per il servizio voce e da questo punto di vista possono essere semplicemente pensate come una evoluzione delle reti telefoniche fisse Il servizio voce è offerto (attualmente) in modalità a commutazione di circuito Esistono servizi dati sia a commutazione di circuito che a commutazione di pacchetto (ad. es. GPRS) Osservazione: con la rete telefonica fissa se usiamo un modem in banda fonica non abbiamo bisogno di distinguere i due servizi (voce e dati) dal punto di vista della rete. Mentre nelle reti cellulari sono sempre distinti. Perché? tenete a mente: vedremo più avanti 40

41 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Rete d accesso canale wireless mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato Centale telefonica Doppino telefonico Canale Radio 41

42 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Mobilità degli utenti mobilità in stand-by mobilità in conversazione cambio del punto di accesso alla rete 42

43 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Codifica della voce per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità Codifica di sorgente 13 kb/s (GSM) addio banda fonica a 4 KHz 43