TE Sviluppi tecnologici nelle telecomunicazioni: presente e futuro

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1 TE Sviluppi tecnologici nelle telecomunicazioni: presente e futuro Alessandro Puiatti Docente e ricercatore SUPSI DTI alessandro.puiatti@supsi.ch 1

2 Contenuti Telefonia mobile: dalla storia ai giorni nostri Trasmissione dati: eliminiamo il cavo VoIP: le telefonate via internet TV digitale Cosa ci riserva il futuro? 2

3 Telefonia mobile: dalla storia ai giorni nostri 3

4 Storia Già nel 1924, Bell Labs testavano i radio telefoni mobili (from 4

5 Storia La storia della telefonia mobile pubblica incomincia negli anni '40 Il 28 luglio 1945 fu progettato su carta il primo sistema cellulare Il 17 giugno 1946 in Saint Louis la AT&T e la western Bell resero operativo MTS (Mobile Telephone Service) Motorola sviluppò la parte radio Bell System si occupò dell'installazione 150MHz, 6 canali, 60kHz di banda ciascuno 5

6 Storia Fuori degli USA lo sviluppo della telefonia mobile procedeva lentamente Nel 1949 il primo sistema nazionale di telefonia radio pubblica (in Olanda) Nel 1951 Automatic Mobile Telephone system (MTA) in Stockholm e Göteborg (totalmente operativo nel 1956) Nel 1952 il Giappone riguadagna l'indipendenza e la NTT (Nippon Telephone and Telegraph) incomincia la ricerca sulla telefonia mobile 6

7 Storia Tra gli anni 50 e 70: nascono in diversi paesi europei dei servizi di telefonia mobile nascono Ericsson e Nokia negli USA vengono ampliati o migliorati i sistemi esistenti le compagnie telefoniche ed i produttori hanno ormai ben chiara l'idea della telefonia cellulare arrivano i transistor a dare man forte allo sviluppo dei dispositivi mobili 7

8 Storia Tra gli anni 70 ed 80 in USA, nord Europa e Giappone si incrementa la ricerca Agli inizi degli anni '80 negli USA il sistema Advance Mobile Phone Service (AMPS) diventa operativo -> prima generazione di sitemi cellulari banda di frequenze nel range degli 850 MHz due range: 20 MHz in Uplink e 20MHz in Downlink un totale di 1'332 canali ( ) di 30 khz prodotto da Motorola, E.F. Johnson e Oki 8

9 Storia AMPS il primo sistema cellulare 9

10 Storia AMPS il primo sistema cellulare 10

11 Storia Sistema TDMA IS-136 (IS-54) Per incrementare il numero di utenti nel'93 viene aggiunto il sistema TDMA (Time division Multiple Access) 6 time slots, ognuno di 6,67 ms Un canale full-rate fatto da due slot equidistanti (1 e 4, 2 e 5, 3 e 6) 3 utenti per canale o 6 nel caso di low-bit-rate della codifica audio 11

12 Sistema TDMA (IS-54 a IS-136) 12

13 Storia - GSM Nel 1982, 26 compagnie telefoniche europee iniziano la definizione del GSM ( Group Special Mobile adesso Global System for Mobile Communications) Sistema completamente digitale, non retro compatibile, nella banda dei 900 MHz Il primo sistema GSM viene sviluppato nel '91 in 18 paesi europei Nel '93 altri 9 paesi europei più Australia, Hong Kong, gran parte dell'asia, Sud America ed ora anche USA 13

14 Sistema GSM 14

15 Storia

16 Storia - CDMA Un nuovo sistema di codifica dei canali CDMA (Code Division Multiple Access) Viene adottato da due nuovi sistemi nel Nord America: cdmaone e PCS (Personal Communication System) Consente di avere più utenti su uno stesso canale Utilizza un codice pseudo random che viene associato ad ogni connessione 16

17 CDMA - Codifica CDMA = Code Division Multiple Access 17

18 CDMA - Decodifica 18

19 CDMA 19

20 GSM Network Overview Access Network: Base Station Subsystem Core Network: GSM CS network HLR BSC BTS Mobile VLR EIR AuC SS7 Station MSC PSTN BTS Um Abis A 20

21 GSM Base Station Subsystem BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller 21

22 GSM - Mobile Switching Center Ogni MSC copre diverse celle BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BSC BSC MSC 22

23 GSM Altri elemnti della rete HLR: Home Location Register VLR: Visitor Location Register EIR: Equipment Identity Register AuC: Authentication Center 23

24 GSM Public Land Mobile Network BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BSC BTS BTS BSC BTS BTS BSC MSC BTS BSC MSC PSTN 24

25 GPRS General Packet Radio Services Bit rate da 9,6 a 76,8 kbps Necessità di interconnessione con reti: GSM PSTN (Public Switched Telephone Network) ISDN (Integrated Service Digital Network) PDN (Packet Data Network - Internet) 25

26 GPRS Network Overview Gateway GPRS Support Node (GGSN): interfaccia tra rete GPRS ed qualsiasi altra rete 26

27 GPRS Network Overview Serving GPRS Support Node (SGSN): fornisce i servizi GPRS ad una MS nella rete a cui è associata 27

28 Cellular Networks Must Change Expand to accommodate rapid market subscriber growth Evolve to satisfy the increasing demand for information anytime, anywhere North America Europe Japan Pacific Rim Rest of World Mobile Subscribers Source: Ovum; Analysis; Merrill Lynch; ADL 1995 December Source: IDC and Dataquest 2005

29 Changing Traffic Mix Data Growth 300% Relative Traffic Transition & Convergence 150 Voice Growth 5% Data over Circuits Time Source: Vint Cerf, MCI Lucent Technologies Proprietary December 2000 Voice over Packets

30 What Does this Mean? Operators want to add more services to gain more revenue more services means data! Operators want to cause stickiness to their network Users want high rates = at least 56 Kbps today, >300 Kbps tomorrow Adding bandwidth to the circuit-switched network is expensive ($$$$$), much more than for packet-switched networks ($) Today s frequencies and modulation do not support these rates well December 2000

31 What Does this Mean? GPRS will solve these problems, right? WRONG! December 2000

32 Telefonia mobile 3G (Third Generation) Deve supportare i seguenti bit-rate: 144 kbps per utilizzo a velocità sostenuta (auto) almeno 384 kbps per utilizzo in movimento (a piedi) circa 2048 Mbps in utilizzo stazionario Deve supportare: voce, audio ad alta qualità, video telefonia, filmati, video streaming, giochi interattivi accesso ad Internet veloce trasferimento di file di dimensioni sostenute 32

33 UMTS Universal Mobile Communication System MPE: RNC: RNS: 33 Multimedia Processing System Radio Network Controller Radio Network Subsystem

34 UMTS - Specifiche UTRA: Universal Terrestrial Radio Access 34

35 Dual, Tri, Quad Band? 850 MHz (USA) 900 MHz (Europa e gran parte del mondo) ( MHz Tx; MHz Rx) 1800 MHz (Europa e gran parte del mondo) ( MHz Tx; MHz Rx) ( MHz Tx; MHz Rx) 1900 MHz (USA e Canada) ( MHz Tx; MHz Rx) 35

36 Telefono Satellitare Copertura estesa all'intero pianeta Necessità di una visibilità diretta del satellite Costi elevati 36

37 Trasmissione dati: eliminiamo il cavo 37

38 Un po' di sigle WAN: Wide Area Network MAN: Metropolitan Area Network LAN: PAN: Personal Area Network BAN: Body Area Network Local Area Network Mettendoci una W davanti diventa Wireless (WLAN = Wireless Local Area Network) 38

39 Bluetooth Nasce dalla Ericsson PAN 39

40 Bluetooth Livello fisico FHSS: Frequency Hop Spread Spectrum Banda 2.4 GHz 79 canali max 760 kbps Freq. F4 4 2 F3 3 F2 F1 1 T1 T2 T3 40 T4 Tempo

41 Bluetooth Tipologia di rete Master, Slave, Parked Più nodi in rete costituiscono una Piconet Un rete è costituita da: S 1 Master M da 1 a massimo 7 Slave fino a 255 Parked P S S P 41

42 Bluetooth - Scatternet Più Piconet fanno una Scatternet Un nodo può essere Master solo in una rete S M S S M P S S S P S S P P M S S S 42

43 WLAN Wireless Local Area Network Le sigle più note: IEEE ; Banda 2.4 GHz max 2 Mbps IEEE b; Banda 2.4 GHz max 11 Mbps IEEE g; Banda 2.4 GHz max 54 Mbps IEEE a; Banda 5 GHz max 54 Mbps WiFi 43

44 WLAN Gli elementi della rete Access Point (AP) punto di accesso e di gestione della rete Station nodo della rete I nodi comunicano tra loro attraverso l'ap La velocità di trasmissione diminuisce con l'aumentare della distanza D B 50m 100m AP A C 44

45 WLAN Livello fisico Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) US X X X X X X X X X X X Canada X X X X X X X X X X X Europe (except FR & SP) X X X X X X X X X X X France X X Spain X X X X 14 Japan X Channels allowed in the World 45

46 WLAN - DSSS Correlation Spread Noise Correlation Spread Noise 46

47 WLAN - Configurazione ESSID (Extended Service Set Identifier) Canale IP (se non presente il DHCP) Sicurezza (WEP, WPA, WPA2...) 47

48 WLAN - Configurazione Ogni rete deve avere un nome (ESSID) diverso Se le reti sono sovrapposte o vicine conviene avere canali distanti (es ) N M 50m AP 100m AP3 L 50m AP 100m AP1 48 Q I D P B 50m AP 100m AP2 A C O F G H E

49 WLAN Canali vicini Due canali vicini interferiscono tra loro 22 MHz Power 0 dbr - 30 dbr Frequency Ch1 Ch10 Ch GHz 5 MHz 49 Ch GHz

50 WLAN Canali distanti Meglio se i canali sono sufficientemente distanti tra loro 30 MHz Power 0 dbr - 30 dbr Frequency Ch1 Ch GHz Ch GHz 50

51 WLAN Connessione di casa Internet ADSL Access Point BSS STA LAN STA3 51

52 WLAN Connessione in ufficio 802.x LAN Internet Distribution System Access Point BSS STA LAN STA3 52

53 WLAN Connessione di più reti WLAN1 802.x LAN STA1 BSS1 STA1 BSS1 Portal Access Point Access Point Distribution System Access Point ESS Router Access Point BSS2 BSS2 STA2 STA2 WLAN STA LAN STA3 53

54 IEEE Ad-Hoc Network IBSSID (Independent Basic Service Set ID) Canale Indirizzi IP ad hoc network STA1 Sicurezza (WEP, WPA...) STA3 IBSS1 STA2 IBSS2 STA5 STA4 ad hoc network 54

55 Connessione di una rete Ad-Hoc a internet 802.x LAN Internet IBSS STA2 ad hoc network STA3 55

56 Più reti Ad-Hoc connesse tra loro e ad Internet STA3 IBSS1 STA1 routing IBSS2 STA2 LAN Internet STA2 ad hoc network 56 STA3

57 VoIP: le telefonate via internet 57

58 VoIP Internet esiste da circa venti anni La rete telefonica fissa e mobile consentono la trasmissione dati e la connessione con internet La digitalizzazione e la compressione dell'audio ormai non è più una novità I costi di connessione internet sono flat Ma allora perché non telefonare tramite internet? Voice over IP (Internet Protocol) 58

59 VoIP I protocolli usati sono: proprietari, ad esempio Skype standard, tra cui ((( SIP (Session Initiation Protocol) H.323 Internet Rete GSM/GPRS/UMTS Fissa VoIP Provider 59

60 VoIP VoIP Provider Commerciali AT&T CallVantage Broadvoice Clearwire Cox Communications Engin (Australia) FaktorTel (Australia) italkbb Jajah Lingo Mediacom Net2Phone Primus Canada Qwest 60 Sipgate (Germany, Austria, UK) SIPphone Skype SunRocket Telio (Norway) Tesco (UK) Time Warner Verizon VoiceWing VoicePulse Voip.com VoipBuster Vonage Voxbone Wengo Yahoo! Messenger

61 TV Digitale 61

62 TV Digitale Digital Video Broadcasting (DVB) Standard definito dal progetto DVB Iniziato nel 1993 Definisce due categorie di specifiche: Specifiche di livello logico Specifiche di livello fisico 62

63 DVB Specifiche di livello logico Definiscono le specifiche per la costruzione del flusso digitale televisivo (Transport Stream TS) Le caratteristiche del TS non dipendono dal mezzo fisico utilizzato per la trasmissione 63

64 DVB Specifiche di livello logico Formati di compressione A/V Aggregazione di servizi Formati dei dati Segnalazione dei servizi Incapsulamento di dati generici non A/V e di protocolli non DVB Realizzazione e distribuzione di applicazioni interattive 64

65 DVB Creazione di un canale TV Componente principale di un flusso TV digitale è quella audiovisiva Formato di compressione MPEG-2 (Moving People Expert Group) Compressione da 216Mbps (PAL Phase Alternate Line) a 4/6Mbps con MPEG-2 Compressione audio di tipo MPEG-1 layer II o MP2 65

66 DVB Creazione di un canale TV Encoder MPEG-2 ES PES PCR- Elementary Stream Packetized Elementary Stream Program Clock Reference 66 Figura presa da DTTlab -

67 DVB Creazione di un canale TV Sequenza di pacchettizzazione Figura presa da DTTlab - ES PES - Elementary Stream Packetized Elementary Stream 67

68 DVB Creazione di un canale TV I pacchetti sono di 188 byte: 4 byte di Header 184 byte di Payload Figura presa da DTTlab - Header - Adaptation Field Payload - Descrive il contenuto del pacchetto e contiene il PID (Packet Identifier) Si adatta al fine di avere sempre 188 bytes Contenuto audio o video del pacchetto 68

69 DVB Creazione di un canale TV Il PID definisce il tipo di flusso elementare: video (la maggior parte del flusso) audio (intervallati nel flusso video) dati (intervallati anch'essi, più rari, descrivono la struttura dello stream) A volte Adaptation Field contiene PCR (si evita un PID dedicato) 69

70 DVB Creazione di un flusso multiprogramma Su un singolo canale UHF un flusso di 25Mbps -> max 6 canali TV a 4Mbps 2 2 n n Figura presa da DTTlab - SPTS Single Program Transport Stream MPTS - Multi Program Transport Stream 70

71 DVB - Flussi di dati Le sezioni; mappano stream di dati all'interno dei TS ( appl. interattive, dati IP...) Figura presa da DTTlab

72 DVB Segnalazione dei servizi Al TS multicanale, (multiservizio) si aggiunge l informazione che descrive la struttura Il ricevitore identifica e ricostruisce gli stream elementari che compongono il TS. Vengono iniettate nel TS un set di tabelle informative con cadenza ciclica Ogni tabella viene trasmessa all interno di uno stream dati con un determinato PID. 72

73 DVB Segnalazione dei servizi Le tabelle principali sono trasmesse su PID riservati -> il ricevitore sa sempre dove poterle recuperare. Le tabelle fondamentali che compongono la DVB-SI sono: PAT: Program Association Table PMT: Program Map Table NIT: Network Information Table SDT: Service Description Table EIT: Event Information Table 73

74 DVB Segnalazione dei servizi (PAT) La PAT elenca il numero di canali TV o servizi presenti nel Transport Stream Sempre trasmessa con PID 0 Program Association Table Program number PID

75 DVB Segnalazione dei servizi (PMT) La PMT elenca gli stream elementari che compongono un dato canale o servizio specificando per ogni flusso il PID Viene trasmessa con PID arbitrario definito in PAT Program Map Table (prog. 13) PID per Program Clock Reference = 726 PID per video = 726 PID per audio (italiano) = 57 PID per audio (inglese) = 60 PID per sottotitoli =

76 DVB Segnalazione dei servizi (NIT) La NIT da informazioni sul Network che sta trasmettendo: nome, parametri di modulazione etc... Trasmessa su PID 16 Network Information Table Network Name: TSI1 Freq: 834 MHz, FEC 2/3, FFM 8K TS id Network id Original Network id 76

77 DVB Segnalazione dei servizi (SDT) La SDT contiene informazioni descrittive per ogni servizio: canale TV, fornitore del servizio. Trasmessa su PID 17 Service Description Table Service id (coincide con il Program number nella PAT Service Name = TSI1 Flag che indicano la presenza di EIT per il servizio Service id Service Name = TSI2 Flag che indicano la presenza di EIT per il servizio 77

78 DVB Segnalazione dei servizi (EIT) La EIT descrive la programmazione di un canale (evento corrente / prossimo evento) Event Information Table Event id (identifica univocamente l'evento nel TS) Start Time Durata Descrizione evento Event id (identifica univocamente l'evento nel TS) Start Time Durata Descrizione evento 78

79 DVB Sintonizzazione di un canale Figura presa da DTTlab - MHP Multimedia Home Platform 79

80 DVB Specifiche di livello fisico DVB ha definito uno standard specifico per ogni canale fisico di trasmissione sul quale è possibile irradiare un Transport Stream di servizi TV Definisce: forme di modulazione del segnale i meccanismi di protezione e correzione d'errore 80

81 DVB Specifiche di livello fisico DVB-S DVB-T DVB-C DVB-H variante DVB-T ottimizzato per dispositivi portatili in mobilità 81

82 DVB-S DVB-S: il primo a diventare operativo Figura presa da DTTlab

83 DVB-S Ricezione con antenna parabolica a puntamento fisso cammino ottico sempre garantito Figura presa da DTTlab

84 DVB-S Esempio di copertura dei satelliti che trasmetto canali TV in lingua italiana Figura presa da DTTlab

85 DVB-T Rilasciato nel 1997 Trasmette il TS sulle stesse frequenze riservate alle trasmissioni TV analogiche (VHF/UHF) Su un canale TV analogico trasmette 5/6 canali TV digitali 85

86 DVB-T Ricezione con normali antenne TV anche in assenza di cammino ottico Figura presa da DTTlab

87 DVB-T vs TV Analogica 87

88 DVB-T vs TV Analogica 88

89 DVB-S vs DVB-T 89

90 DVB-S vs DVB-T 90

91 Cosa ci riserva il futuro? 91

92 Cosa ci riserva il futuro? On the Road using your PDA you present and electronic tickets; airport waiting lounge equipped with Bluetooth technology Internet ports. In the Office your PDA automatically synchronizes with your desktop PC to transfer files, s and schedule information In the Car as your enter a national park, a map of the park appear on your display and your personal electronic tour guide is downloaded to your vehicle In the Home upon arriving to your home the door unlocks, the entry light turns on and the the heat is adjusted to your pre-set preferences 92 *from

93 Cosa sta succedendo oggi? Le Telecom Company forniscono servizi: telefonici, internet, multimediali (IPTV) Le compagnie che forniscono TV via cavo forniscono anche: internet, telefonia digitale Le compagnie di distribuzione dell'energia (AIL) vogliono fornire servizi integrati: energia, connessione a internet, connessione mobile UMTS 93

94 Cosa ci riserva il futuro? Una maggiore diffusione della DVB-T 94

95 Cosa ci riserva il futuro? La diffusione della DVB-H Un incremento nell'utilizzo del VoIP Telefonia mobile di quarta generazione La casa interattiva? La IPTV? 95

96 Cosa ci riserva il futuro? WiMax 96

97 Cosa ci riserva il futuro? Ubiquitous computing: la possibilità di essere connessi ad internet in ogni momento in ogni luogo alcune soluzioni proprietarie (Swisscom, Orange...) soluzioni a livello network (Mobile IP, Mobile TCP) soluzioni a livello applicativo (WiOptimo) 97

98 Cosa ci riserva il futuro? - molto futuro Il Progetto HAGGLE e l'opportunistic Networking la connettività non è garantita non è detto che il mio messaggio arrivi a destinazione posso usare nodi intermedi per raggiungere la destinazione quando trovo la connessione spedisco 98

99 Riferimenti bibliografici ellular/cell_hist.html M.R. Karim and M. Sarraf, W-CDMA and cdma2000 for 3G Mobile Networks ; McGraw-Hill Samuel C. Yang, 3G CDMA2000 Wireless System Engineering, Artech House, Inc. Bluetooth SIG, Specification of the Bluetooth System - Version 1.1B, Specification Volume 1 & 2, February DTT lab, Tutorial: La TV digitale Maury Wright, WiMAX Wireless Broadband 99