Capitolo 2. Il sistema DECT

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1 Capitolo 2 Il sistema DECT

2 2.1 Introduzione In un panorama nel quale il concetto di wireless è applicato ad ogni attività sia della vita quotidiana che dell ambiente produttivo in genere, la tecnologia DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) non è certamente la sola protagonista, ma si affianca a numerosi altri sistemi di telefonia mobile. Nata dall esigenza di definire uno standard armonizzato per i telefoni di uso domestico senza filo, il DECT ha proposto una capacità di traffico e una sicurezza contro le interferenze e contro l uso illegale da parte di terzi di gran lunga superiori ai sistemi che l hanno preceduta; inoltre pone dei validi argomenti di confronto anche con i sistemi più moderni. Grazie a felici scelte tecnologiche di base, essa presenta particolari caratteristiche di flessibilità ed economicità che hanno consentito di arricchire gradualmente il sistema con numerose prestazioni che lo rendono adatto ad un numero crescente di applicazioni. Volendo individuare una caratteristica peculiare di questo sistema, si può affermare che esso è in grado di sfruttare a fondo le possibilità della tecnologia digitale in termini di qualità di trasmissione del segnale, di capacità di convogliare diversi tipi di traffico (non solo voce, ma anche dati, testi, segnali, ecc.), di grado di sicurezza della comunicazione. Inoltre, esso consente un uso particolarmente efficiente dello spettro radio, aspetto molto importante che lo rende prezioso per le autorità regolatorie preposte all assegnazione delle frequenze. Lo sviluppo del DECT, reso obbligatorio all interno dell Unione Europea, si è esteso ormai in tutto il mondo; anche gli Stati Uniti hanno standardizzato il PWT, un sistema direttamente derivato dal DECT, mentre in Giappone già da tempo è diffuso uno standard locale, il PHS, le cui prestazioni sono paragonabili al DECT stesso. Per quanto riguarda lo sviluppo dello standard, l organo incaricato a tale scopo, cioè l ETSI 1, ha avuto l accortezza di non porre nessuna esigenza alla rete di 1 European Telecommunication Standard Institute. 58

3 collegamento fra i vari elementi del sistema, diversamente da quanto avvenuto per altri sistemi cellulari. Molto importante per la diffusione dello standard sono stati gli accordi internazionali fra i diversi gestori di reti, che garantiscono al DECT una banda di funzionamento comune, con tutti i benefici in termini di servizi resi all utenza, di gestione di rete e di costi degli apparati. Altro aspetto da mettere in evidenza è la possibilità di interazione senza particolari problemi con tutti i tipi di rete esistenti, come ad esempio il GSM 2, l ISDN 3 e la rete telefonica pubblica; si può senza dubbio dire che questo sia un punto di forza notevole, poiché in tal modo il DECT si pone come elemento complementare e integratore, adatto a costruire infrastrutture di comunicazione mobile potenti ed adattabili. Per quanto riguarda le applicazioni, esse vanno dai classici telefoni domestici senza filo, ai sistemi telefonici aziendali, pure senza filo, e ad un interessante alternativa radio ai sistemi di accesso cablati per abbonati alle reti telefoniche fisse, conosciuta come WLL 4. Grazie al DECT, dunque, i nuovi operatori possono fornire accesso alle varie reti, anche integrate e multimediali, senza la necessità di stendere nuovi cavi di connessione nella parte di terminazione di utente, il cosiddetto ultimo miglio, che diventa ora un accesso radio. Per quanto riguarda l ambito prettamente domestico, il sistema DECT è formato da una stazione radio base e da un certo numero di terminali portatili; con una stazione base di potenza trasmissiva di circa 10mW consente un buon funzionamento dei terminali fino a 50 metri all intermo degli edifici, mentre può arrivare fino a 300 metri all aperto, con possibilità teorica di servire fino a 120 terminali mobili. Fortunatamente i benefici del DECT sono indipendenti dal numero di telefoni collegati. Grazie a sofisticate tecniche di modulazione digitale viene garantita un ottima qualità della voce; inoltre, grazie all allocazione dinamica delle frequenze e delle fasi temporali, i telefoni DECT non possono interferire né fra di loro né con gli 2 Global System for Mobile communication. 3 Integrated Services Digital Network. 4 Wireless Local Loop. 59

4 apparecchi dei vicini di casa, consentendo una capacità teorica di circa conversazioni simultanee per chilometro quadrato e per piano. Nei sistemi aziendali, invece, la struttura è più complessa, simile in linea di principio a quella di una rete radiomobile pubblica: un certo numero di stazioni radio base, collegate a un centralino telefonico attraverso un apposita struttura di commutazione, formano una rete di piccole zone irradiate, chiamate picocelle, che consentono agli utenti di fare e ricevere chiamate o di continuare a conversare anche muovendosi per diverse stanze. Altre caratteristiche fondamentali dei dispositivi DECT, che non possiamo certo tralasciare, sono il basso costo, la facilità di installazione e di ampliamento del sistema, dovuti essenzialmente alla mancanza di cablaggio fisico e dall assenza di pianificazione delle frequenze, la possibilità di crittografia delle conversazioni, e altri vantaggi che saranno evidenziati nel prosieguo della trattazione. Un importante punto di riferimento per gli sviluppi futuri è il DECT Forum, fondato nel 1983 da alcuni dei principali fornitori europei e poi esteso anche ai gestori delle reti. 2.2 Comunicazioni cordless La cordless mobility L accresciuta esigenza di mobilità che caratterizza l epoca moderna ha comportato, nel corso degli anni, ricerche di mezzi e tecnologie che consentissero di soddisfare tale necessità attraverso strade percorribili a costi decrescenti e a prestazioni sempre più elevate. In particolare, le nuove disponibilità economiche, le strutture di trasporto e la nascita di nuove attività sempre più esigenti in termini di servizi, hanno spinto la tecnologia a ricercare soluzioni di comunicazione portatile. Il termine cordless (che significa letteralmente senza corda, ovvero senza collegamento fisico) è entrato nel gergo comune ad indicare le possibilità di comunicare facendo a meno del collegamento fisico tra microtelefono e apparato di abbonato. 60

5 Accanto ai sistemi radiomobili (E-TACS 5, GSM, DCS 6, NMT 7, D-AMPS 8 USA), che sono orientati a reti di telecomunicazioni dedicate, si è avuto un rapido sviluppo della rete fissa, che ha visto nel DECT la più alta e la più semplice possibilità di accesso radio e quindi di mobilità verso la rete fissa. E ora opportuno fare chiarezza sull evoluzione storica che ha portato dalla telefonia cordless alla CTM (Cordless Terminal Mobility) Telefonia cordless di livello 0 La prima realizzazione non codificata, ma lasciata alla libera iniziativa del singolo utente, è stato il cosiddetto CT-0, ovvero telefonia senza fili di primo livello. Con questa terminologia si intende una tipologia di apparato di utente fornito di un proprio ricetrasmettitore, su frequenza fissa, attestato alla terminazione di utente e di una base fissa connessa alla rete telefonica pubblica PSTN 9, dotata di un sistema ricetrasmittente e di un terminale (microfono, ricevitore e ricetrasmettitore) in grado di instaurare un collegamento punto-punto tra base e apparato portatile, con un raggio di copertura di alcune centinaia di metri (salvo la presenza di ostacoli fisici). I limiti principali di un sistema siffatto, nonostante il successo ottenuto negli anni scorsi, sono palesi: facilità di inserimento di utenza non pagante, diffusione di apparati non omologati, riservatezza delle conversazioni non garantita e ridotto raggio d azione. Il sistema CT-0 non è stato standardizzato e il suo utilizzo è stato limitato all area privata; le sue caratteristiche principali sono illustrate in Tabella Extended Total AcceSs. 6 Digital Cellular System. 7 Nordic Mobile Telephone. 8 Digital Advanced Mobile Phone System. 9 Public Switched Telephone Network. 61

6 Terminologia Banda di frequenza Tecnica di multiplazione Deviazione di frequenza Tipo di modulazione Standard ETSI Tipo di trasmissione Descrizione 40 MHz FDMA 3 khz FM Assente Analogica Tabella 2-1: Principali caratteristiche del sistema cordless CT Telefonia cordless di livello 1 Il sistema cordless CT-1, a differenza del precedente, è stato accettato dall ETSI che ne ha regolato l impiego attraverso un apposita normativa; si tratta del primo vero cordless utilizzante una modulazione analogica con frequenza portante di 900 MHz, per impiego comunque domestico, di limitata potenza di emissione e di raggio d azione limitato. Nella Tabella 2-2 sono riportate le caratteristiche principali di questo tipo di sistema di trasmissione analogico che, tra le altre cose, ha gli stessi problemi di riservatezza del CT-0, dato che utilizzando un semplice ricevitore a 900 MHz si potrebbe tranquillamente decodificare la conversazione. 62

7 Terminologia Banda di frequenza Tecnica di multiplazione Tecnica duplex Spaziatura di canale Deviazione di frequenza Tipo di modulazione Applicazione PABX Standard ETSI Tipo di trasmissione Descrizione MHz MHz FDMA Spazio di frequenza: 45 MHz 25 khz 3 khz FM Sì Sì Analogica Tabella 2-2: Principali caratteristiche del sistema cordless CT Telefonia cordless di livello 2 Il sistema CT-2, anch esso standardizzato dall ETSI, può essere considerato il vero precursore dello standard DECT. Attraverso questa tecnologia vi è la possibilità di coprire per la prima volta un intera area urbana attraverso l impiego di ripetitori di segnale, una frequenza di lavoro intorno a 860 MHz e a una decodifica, in parte digitale, del segnale irradiato. Il principio su cui si basava questo sistema di trasmissione era la possibilità dell utente di collegarsi alla rete pubblica. Il CT-2 non ha trovato applicazione in Italia, mentre è stato utilizzato in via sperimentale solo da alcuni paesi ed è divenuto obsoleto. Le principali caratteristiche sono elencate in Tabella

8 Terminologia Banda di frequenza Tecnica di multiplazione Tecnica duplex Spaziatura di canale Velocità dati RF Deviazione di frequenza Descrizione MHz FDMA, TDMA (2 slot) TDD 100 khz 72 kbit/s 18 khz Tipo di modulazione GFSK (BT 0.5) Applicazione PABX Standard ETSI Tipo di trasmissione Sì Sì (CAI) Digitale Tabella 2-3: Principali caratteristiche del sistema cordless CT Telefonia cordless di livello 3 Il sistema CT-3, che ha avuto un certo sviluppo nei paesi extracomunitari non ha ricevuto alcuna standardizzazione; le caratteristiche principali di tale tecnologia sono riportate in Tabella Lo standard DECT Lo standard DECT è stato promulgato dall ETSI nel 1988 con la dicitura iniziale Digital European Cordless Telecommunication. Nel 1992 avviene la definitiva approvazione con la nuova espressione Digital Enhanced Cordless Telecommunication e la sperimentazione si conclude nel L elemento che certamente ha contraddistinto questa tecnologia è stato il superamento delle limitazioni delle tecnologie analogiche attraverso l approccio 64

9 digitale. In questo senso lo standard DECT viene concepito come sistema digitale di seconda generazione che si propone estensione radio della rete fissa, con la capacità di interfacciarsi con le altre reti già esistenti (PSTN,ISDN,GSM,etc.). Terminologia Banda di frequenza Tecnica di multiplazione Tecnica duplex Spaziatura di canale Velocità dati RF Deviazione di frequenza Descrizione MHz FDMA, TDMA (8 slot) TDD 1 MHz 640 kbit/s 259 khz Tipo di modulazione GFSK (BT 0.5) Applicazione PABX Bearer handover Connection handover Tipo di trasmissione Sì Sì Sì Digitale Tabella 2-4: Principali caratteristiche del sistema cordless CT-3 Ulteriori elementi innovativi sono riscontrabili nella capacità di smaltire una notevole densità di traffico e, soprattutto, nella possibilità di allocazione dinamica dei canali radio, eliminando la necessità della pianificazione delle celle (cell planning) tipico dei sistemi radiomobili come E-TACS e GSM. I sistemi DECT, quindi, garantiscono un servizio di mobilità in ambito localemetropolitano; in Figura 2-1 vengono evidenziati i bacini d utenza dei diversi sistemi di telecomunicazione. 65

10 Figura 2-1: Bacino di utenza dei sistemi cordless e radiomobili Struttura generale del sistema DECT L architettura tipica del sistema DECT è analoga a quella della rete fissa in ambito pubblico; infatti, è sufficiente aggiungere l interfaccia radio attraverso opportuni ripetitori dislocati sul territorio, al fine di garantire un adeguata copertura elettromagnetica. I ripetitori sopra citati, chiamati RFP (Radio Fixed Part), sono stazioni radio che si interfacciano alle strutture di rete fissa garantendo sia il prolungamento della rete stessa che la mobilità dell utenza. 66

11 Figura 2-2: Architettura di rete di telecomunicazioni in ambito pubblico In Figura 2-2 si può vedere un applicazione di mobilità in ambito pubblico, mentre in Figura 2-3 si può invece notare l architettura di rete in ambito pubblico con applicazione DECT. Al fine di comprendere al meglio quanto verrà esposto nel seguito della trattazione, è utile introdurre alcuni termini tipici della terminologie multicella (si veda Tabella 2-5). 67

12 Figura 2-3: Architettura di rete di telecomunicazioni in ambito pubblico con applicazione DECT Obiettivi dello standard Lo standard DECT prevede la possibilità di realizzare un sistema di comunicazioni radio basate su strutture a microcelle che consentano la comunicazione tra una parte mobile e una parte fissa. Le iniziali prerogative dello standard erano legate soprattutto alla comunicazione vocale in ambito cordless; tuttavia, la disponibilità di tecnologie più flessibili a costi inferiori ha modificato radicalmente gli obiettivi primari. 68

13 Terminologia Cell (cella) Cluster (gruppo) Handover (passaggio) Paging (ricerca persone) Roaming (girovagare) Descrizione Area geografica servita da una RFP, la quale ne garantisce la copertura radioelettrica. Gruppo logico di una o più celle dove è possibile effettuare handover. Passaggio di una comunicazione dal canale di una cella ad un altro della stessa cella oppure in una cella adiacente. L attività di handover garantisce la continuità di una conversazione quando si passa da una cella ad un altra e consente di migliorare la qualità del collegamento. Avviso di chiamata: il messaggio viene inviato in broadcasting dalla rete fissa e permette di avvisare l utente mobile che è in arrivo una chiamata. Possibilità di cambiare la propria localizzazione sul territorio permettendo all utente di essere chiamato e di chiamare, se in area coperta, nelle diverse località servite da stazioni radio base diverse (mobilità). Il territorio viene suddiviso in un certo numero di location area. Tabella 2-5: Terminologia utilizzata Le applicazioni consentite sono svariate, in particolare esse permettono: ambito pubblico, accesso alla rete fissa WLL (Wireless Local Loop). questa applicazione risulta adatta alla fornitura di servizi in zone ove il cablaggio risulta particolarmente oneroso (ad es. zone rurali); ambito utenza affari (grossa utenza pregiata, PABX 10, WPABX 11 ); applicazioni per trasmissioni dati in ambito locale LAN 12 o WLAN 13 ; applicazioni residenziali alternative alla rete fissa in ambito locale. All interno dello standard sono presenti opportune specifiche di interfaccia (radio, fisica, logica) che permettono l interoperabilità tra apparati di differente origine, offrendo dunque un equilibrato sviluppo di mercato. 10 Private Automatic Branch exchange. 11 Wireless Private Automatic Branch exchange. 12 Local Area Network. 13 Wireless Local Area Network. 69

14 A differenza degli altri sistemi cordless visti nel paragrafo 2.2, il sistema DECT presenta: allocazione delle frequenze nel range MHz; tecnica di multiplazione FDMA/TDMA 14 ; tecnica di modulazione GFSK 15. Le caratteristiche del sistema DECT sono raccolte nella seguente Tabella 2-6 e verranno approfondite nei prossimi paragrafi. Terminologia Banda a radiofrequenza Numero di portanti radio allocabili Lunghezza di trama Tecnica di multiplazione Tecnica di duplex Spaziatura di portante Bit rate lorda Descrizione MHz ms FDMA/TDMA, 24 slot per trama TDD 16, 2 slot sullo stesso portante RF 1728 MHz 1152 kbit/s Tecnica di modulazione GFSK (B T = 0.5) Potenza di picco Algoritmo compressione segnale vocale Bit rate di canale 250 mw Codifica ADPCM kbit/s per fonia 64 kbit/s per segnalazione e controllo Tabella 2-6: Caratteristiche del sistema DECT 14 FDMA = Frequency Division Multiple Access, cfr. Appendice A. TDMA = Time Division Multiple Access, cfr. Appendice A. 15 Gaussian Frequency Shift Keying, cfr. Appendice A. 16 Time Division Duplex, cfr. Appendice A 17 Cfr. Appendice A. 70

15 2.3.3 Architettura del sistema DECT Il modello di architettura di riferimento del DECT individua le relazioni ed i punti di interfaccia relativamente alla rete DECT ed alle reti che ad essa si collegano, sia da un punto di vista logico che da un punto di vista fisico. Ogni raggruppamento logico di funzioni nel contesto DECT è limitato alle interfacce, come si può vedere in Figura 2-4; l interfaccia D3 corrisponde sempre ad una terminazione fisica, mentre le interfacce D2 ed4 rappresentano semplicemente i limiti logici della rete DECT, senza corrispondere ad un preciso punto fisico. L interfaccia D1 può invece corrispondere ad una terminazione fissa. Il modello di riferimento presenta l architettura di rete DECT come una struttura ad albero, permettendo così di capire come livelli gerarchici più alti possano comunicare con livelli gerarchici più bassi, mentre livelli gerarchici analoghi non lo possano fare se non attraverso i livelli superiori Definizioni di riferimento Vengono ora riportate alcune utili definizioni di riferimento: a. Rete globale Per rete globale GNW (Global NetWork) si intende una configurazione logica che consenta i servizi di telecomunicazioni su distanze elevate, la segnalazione, l instradamento, i collegamenti con reti locali connesse e che ha confini geografici nazionali o internazionali. Esempi di reti globali sono: PSTN, ISDN, X.25 PSPDN (rete dati commutata a pacchetto), GSM; b. Rete locale La rete locale LNW (Local NetWork) consente servizi di telecomunicazioni in ambito locale ed è limitata ad aree geografiche molto circoscritte; le caratteristiche della rete locale dipendono fortemente dalla composizione della stessa. 71

16 Figura 2-4: Architettura del sistema DECT 18 Non essendo inclusa nelle terminazioni radio del DECT alcuna funzione di commutazione elettronica, tali prestazioni devono essere incluse nella rete locale. I servizi di telecomunicazione consentiti dalla rete locale possono essere diversi da quelli offerti dalla rete globale. La rete globale è responsabile della traduzione degli identificativi della rete globale quali ad esempio i numeri telefonici PSTN e ISDN in termini di codici di identificazione DECT, ad esempio IPUI e TPUI (vedi paragrafo 2.6). Due reti locali sono separate se per comunicare hanno bisogno di un ulteriore prefisso di numerazione che le identifichi. Esempi di reti locali sono: PABX, ISPBX 19, IEEE 802 LAN. 18 L acronimo AUC significa centro di autenticazione (AUthentication Centre). 19 Centralino telefonico privato per ISDN. 72

17 c. Basi di dati del DECT Sia nel contesto della rete globale che della rete locale, la gestione delle funzionalità legate alla mobilità sono collocate all esterno del DECT; due strutture di riferimento sono necessarie a gestire la mobilità interna al DECT: l HDB (Home Data Base) che gestisce i dati di abbonato e il VDB (Visitor Data Base) che si occupa delle informazioni relative agli utenti non registrati in quella rete (i PP). d. Rete DECT Concettualmente la rete DECT collega la rete locale e la struttura portatile e può essere vista come un legame radio tra le due parti. La rete DECT ha un unico riferimento per utente e contiene i seguenti elementi: 1. Una o più terminazioni radio fisse (FT) costituenti un insieme logico di riferimento che contiene tutte le informazioni relative all interfaccia radio del DECT ; Le FT gestiscono: il protocollo 20 di livello 3 nel piano C * (Control) tranne la mobilità, il protocollo di livello 2 nel piano U * (User), il protocollo di livello 2 per instradamento DECT. 2. Le associate terminazioni radio portatili (PT) inclusi i protocolli definiti per i livelli OSI 1, 2, 3 (ad esempio il ricetrasmettitore portatile). 3. Le applicazioni portatili (PA) o SW/FW (SoftWare/FirmWare), ad esempio applicazioni software di gestione inserite nella struttura portatile. e. Interoperabilità La connessione della rete DECT e della rete locale dal lato della rete fissa e della applicazione portatile verso la parte portatile, richiede in generale delle specifiche di interoperabilità o interworking. Le specifiche di interworking sono definite ai punti di interfaccia identificati con le sigle D2 e D4, come rappresentato in Figura Protocollo ISO/OSI DECT, vedi Appendice A. 73

18 Figura 2-5: DECT interworking Profili DECT Nello Standard DECT trovano notevole spazio i profili che consentono di definire in quale modo venga utilizzata l interfaccia radio in virtù della specifica applicazione; sono definiti anche specifici messaggi standard e protocolli di comunicazione per garantire un agevole interoperabilità tra apparati di diversi costruttori. Inoltre, nell ambito dello standard, sono definite prove di conformità effettuate per la certificazione degli apparati. In quest ottica è facile comprendere come il sistema DECT possa essere una soluzione tecnologicamente avanzata al problema del cablaggio fisico Profilo GAP Il profilo d accesso generico GAP 21, previsto dallo standard DECT, si riferisce ai terminali portatili e alle parti radio fisse che supportano il servizio telefonico a 3.1 khz indipendentemente dalla tipologia di rete a cui si accede. Questo profilo definisce i requisiti tecnici minimi cui deve soddisfare la terminazione portatile e quella fissa, al fine di consentire l interoperabilità tra parte fissa e parte mobile per il tipo di servizio previsto. 21 Generic Access Profile. 74

19 Profilo di interoperabilità DECT/GSM Il DECT costituisce una tecnologia d accesso definita in ambito locale, per cui la mobilità è limitata e non estendibile a livello di rete, come ad esempio quella del GSM. All occorrenza è previsto un livello di interoperabilità tra la rete DECT e la rete GSM: si tratta del profilo DECT GIP (GSM Interworking Profile) che costituisce un notevole supporto alla mobilità utilizzando le prestazioni di mobilità del GSM. Il profilo DECT/GSM per la fonia a 3.1 khz definisce il protocollo che consente al terminale portatile PP di interfacciarsi alla rete GSM, precisamente con l interfaccia A del MSC 22, attraverso la FP, in modo che la rete GSM ignori che l accesso sia stato effettuato tramite DECT Profilo di interoperabilità DECT/ISDN In questo caso sono definiti due profili di interworking tra DECT e ISDN: profilo DECT/ISDN, per terminazioni di sistema (IAP) e profilo DECT/ISDN, per configurazioni intermedie (IIP). Il profilo IAP corrisponde alla situazione nella quale FP e PP costituiscono insieme una terminazione ISDN; il profilo IIP corrisponde alla situazione nella quale FP e PP costituiscono insieme una terminazione trasparente gateway 23 tra rete ISDN e terminazioni relative. Quest ultimo profilo consente i servizi base ISDN, la fonia, il 64 kbit/s, i dati e i servizi supplementari e permette di sfruttare al meglio lo spettro radio Profilo per accesso radio diretto Il profilo RAP 24 costituisce una possibilità in termini economici di utilizzo efficiente dell accesso remoto alla rete fissa in ambito pubblico. Mediante l impiego di tale tecnologia, nuovi operatori possono consentire l accesso alla propria rete a nuovi utenti a costo limitato, evitando i pesanti oneri dovuti alla realizzazione cablata della terminazione di rete fissa (WLL 25 ). 22 Mobile Switching Centre. 23 Dispositivo che si occupa di mettere in comunicazione due reti o sistemi che hanno architetture diverse, convertendo il segnale di una rete in un segnale compatibile con l'altra rete. 24 Radio local loop Access Profile. 75

20 Il profilo RAP definisce il protocollo necessario per i servizi basilari nella rete pubblica ed è diviso sostanzialmente in due parti: 1. definizione dei servizi telefonici di base (telefonia di base, 64 kbit/s); 2. descrizione dei servizi ISDN e dei servizi a banda larga. I servizi indicati sono generalmente forniti attraverso una terminazione telefonica standard e una specifica interfaccia fisica denominata CTA 26 ; questa costituisce la versione fissa della parte portatile ed utilizza una connessione radio con la FP del DECT connessa direttamente alla rete pubblica. Nel caso in cui la terminazione CTA e la FP operino in visibilità elettromagnetica e con antenne a guadagno massimo (12 db), la copertura radio può arrivare fino a 5 km, con possibilità di estensione a ulteriori 5 km Profilo di accesso cordless Il profilo CAP 27 definisce la tipologia d accesso per utenti di tipo cordless consentendo l accesso e la mobilità nella rete. In caso di adeguata copertura radio e con opportuni diritti di accesso, l utente può effettuare e ricevere chiamate entro la rete pubblica e può spostarsi, a velocità limitata, senza interruzione della chiamata in atto. Il profilo CAP definisce possibilità analoghe a quelle di interworking DECT- GSM, senza le limitazioni di mobilità del GSM e mantenendo la compatibilità con il profilo GAP, allo scopo di stimolare l uso della tecnologia DECT in ambito pubblico Profili per servizio dati A,B,C,D,E,F Nel contesto dello standard, l ETSI ha definito una serie di profili per servizi ed applicazioni dati, per consentire una corretta comunicazione tra apparati dati tramite interfaccia radio. In Tabella 2-7 sono riportati i profili per il servizio dati A,B,C,D,E,F. 25 Wired Local Loop. 26 Cordless Terminal Adapter. 27 Cordless terminal mobility Access Profile. 76

21 Profilo Riferimento Applicazione A/B.1 ETS Protocollo Frame Relay per interworking con rete Ethernet e LAN Token Ring a 552 kbit/s. Profilo base C e F. A/B.2 ETS Servizio simile a ETS per applicazioni mobili e interworking con l IP (Internet Protocol). C.1 ETS Servizio Data Link e costruzione del servizio Frame Relay del profilo A/B per applicazioni che necessitano alto grado di integrità dei dati trattati. Comprende l interworking con l utilizzo dell interfaccia V.24. C.2 ETS Il profilo C.2 estende il servizio Data Stream nell ambiente dove è richiesta la mobilità. Il profilo include l interworking con l interfaccia V.24 e il servizio connection oriented. D.1 no standard Servizio trasferimento dati di tipo trasparente, asincrono e sincrono per CUG (Closed User Group). D.2 no standard Simile al profilo D.1 per applicazioni mobili. E.2 ETS Servizio Low Rate Messaging per applicazioni di roaming. Trasmissione messaggi point-to-point e point-to-multipoint (paging alfanumerico) usato nei canali di segnalazione. F.2 ETS Servizio di messaggi multimediali per applicazioni mobili (fax, , accesso a internet, SMS) Tabella 2-7: Profili per servizi dati Mobilità La mobilità è garantita da una serie di caratteristiche: velocità di spostamento dell apparato portatile in ambito di cella o attraversamento da una cella all altra. A differenza dei sistemi radiomobili, i cui limiti sono abbastanza elevati (fino a 50 km/h), la comunicazione in ambito DECT è contenuta entro i 40 km/h in condizioni ottimali. In Tabella 2-8 sono indicate le tecniche attraverso le quali si caratterizza la mobilità. 77

22 Le funzioni per la gestione della mobilità sono le seguenti: I. Identificazione a. Identificazione del portatile: la parte fissa richiede al portatile l invio di specifici parametri di identificazione come l IPUI (International Portable User Identity) o l IPEI (International Portable Equipment Identity). b. Assegnazione al portatile di una identità temporanea: per motivi di identificazione e sicurezza la parte fissa del sistema fornisce al portatile un TPUI (Temporary Portable User Identity), identità di validità temporanea e locale. II. Sicurezza a. Diritti di accesso: procedure per l assegnazione o la rimozione dall unità mobile dei diritti di accesso PARK 28, mediante i quali è possibile effettuare un controllo sull accesso al sistema. b. Autenticazione: procedura utilizzata sia dalla parte fissa che dall unità mobile per verificare la correttezza dell identità ricevuta. c. Cifratura: insieme di procedure per l attivazione e la disattivazione della cifratura della comunicazione, nonchè per lo scambio dei parametri utili al funzionamento di questa. III. Registrazione a. Registrazione dell unità mobile (Location Registration): procedura utilizzata dall unità mobile per indicare alla parte fissa la sua posizione in termini di area di localizzazione. La Location Registration è denominata Attach quando l unità mobile, già registrata correttamente come posizione sulla parte fissa, informa il sistema che è nuovamente disponibile a ricevere chiamate (segue un Detach). 28 Portable Access Right Key 78

23 b. Aggiornamento delle aree di localizzazione (Location Updating): procedura utilizzata dalla parte fissa del sistema per informare l unità mobile che ci sono state modifiche sulle aree di localizzazione; di conseguenza l unità mobile attiverà una procedura di Location Registration. c. Unità mobile non pronta a ricevere chiamate (Detach): a fronte di un Detach, la parte fissa non effettua il paging dell unità mobile fino a un successivo Attach di questa. IV. Localizzazione a. Paging: procedura utilizzata dalla parte fissa per informare l unità mobile che vi è una chiamata in arrivo ad essa indirizzata. Terminologia Descrizione Bearer Handover Connection Handover External Handover Location Area Location Updating Interworking di rete Possibilità di garantire il collegamento cambiando canale nella stessa RFP all interno della cella. Possibilità di garantire il collegamento per RFP diversi nella stessa Location Area. Possibilità di garantire il collegamento per RFP di Location Area adiacenti. Area geografica (formata da una o più celle) in cui un terminale cordless si può muovere liberamente senza comunicare il cambio di localizzazione. Procedura con la quale avviene l aggiornamento della localizzazione di un terminale cordless quando passa da una Location Area ad un altra. Possibilità di collegamento con reti diverse. Tabella 2-8: Tecniche usate per la mobilità 79

24 2.4 Configurazioni DECT Le configurazioni di riferimento sono di tipo concettuale e utilizzate per identificare e descrivere differenti possibilità di accesso dalla rete DECT ad altre reti come PSTN, ISDN, X.25, GSM e IEEE 802 LAN. Ogni configurazione è rappresentata tramite tre schemi a blocchi: il primo schema rappresenta il modello della rete di riferimento, il secondo descrive il modello di riferimento DECT mentre il terzo è un esempio di come il DECT possa connettersi, da un punto di vista fisico, ad una interfaccia della rete di riferimento. Il legame tra i blocchi è rappresentato da interfacce che costituiscono i confini logici a livello funzionale della singola rete Configurazioni PSTN La rete telefonica PSTN può essere descritta come un insieme logico di diverse entità gerarchicamente collegate quali reti d accesso, reti di trasporto, centrali di transito, stadi di gruppo urbano, centralini PBX 29 e POTS 30. I modelli di riferimento della PSTN nell ambito delle applicazioni consentite nello standard DECT sono: 1. telefonia di base; 2. telefonia di base associata con telefonia pubblica; 3. centralini privati PBX; 4. accesso locale. La più semplice configurazione di riferimento è la telefonia urbana: la rete DECT è connessa alla PSTN, attraverso l attacco di abbonato, come telefono di abbonato; in questo contesto il DECT ha in linea di principio le stesse funzionalità degli apparati cordless di prima generazione. In Figura 2-6 sono presentati i tre schemi a blocchi rappresentativi della configurazione telefonica di base. 29 Public Branch exchange. 30 Plain Old Telephone System. 80

25 Figura 2-6: Applicazione DECT nella telefonia di base Configurazioni per applicazioni ISDN Analogamente al caso della configurazione PSTN, l applicazione DECT in ambito ISDN può essere rappresentata nei seguenti schemi a blocchi; nell esempio proposto (figura 3 dello schema a blocchi) la rete DECT è interconnessa all interfaccia S della rete ISDN e la cosa può essere fatta anche con l interfaccia R. Le applicazioni in questo contesto possono riguardare apparati TE (Terminal Equipment), terminazioni di rete NT (Network Terminal) e accesso locale per ISDN. 81

26 Figura 2-7: Esempio di applicazione DECT per ISDN Configurazioni per protocollo X.25: terminali dati Il protocollo X.25 costituisce un protocollo di accesso nel quale sono definite solo due entità funzionali quali il DTE 31 e il DCE 32 e queste appaiono connesse, dal punto di vista del sistema DECT, dalla rete globale. L esempio mostrato in Figura 2-8 rappresenta un terminale (parte di un applicazione portatile) connesso ad un adattatore cordless (terminazione radio portatile) relativo all interfaccia X.25. Chiaramente l adattatore cordless include una terminazione radio portatile al fine di consentire l accesso radio. 31 Data Terminal Equipment. 32 Data Communications Equipment. 82

27 Figura 2-8: Esempio di applicazione DECT per X Sistema DECT per applicazione GSM Dato il notevole sviluppo avuto dalla tecnologia GSM nella telefonia mobile, questa applicazione merita particolare attenzione. In questo particolare caso, il sistema DECT appare come l equivalente del sistema BSS 33 costituito essenzialmente da un sistema di BTS 34 e da un sistema di gestione, il BSC 35, interfacciate opportunamente. Le funzionalità espresse dal BSS coincidono con quelle espresse dal DECT in riferimento alla rete locale ed alla terminazione radio fissa. Dal punto di vista del modello di riferimento, la rete globale è equivalente al MSC 36, la struttura che governa la commutazione elettronica nei sistemi GSM, eventualmente allargata alla rete PSTN/ISDN. 33 Base Station System. 34 Base Transceiver Station. 35 Base Station Controller. 36 Mobile Switching Centre. 83

28 L interfaccia D1 coincide con il punto di riferimento A (interfaccia A) del GSM, MS 37 equivale al terminale portatile PP. L interfaccia D2 corrisponde ad un generico punto relativo al BSS e l interfaccia D4 è interna alla stazione mobile MS. I protocolli di comunicazione attraverso l interfaccia D3 non corrispondono ai protocolli di interfaccia radio del GSM. Quanto detto sinora è raffigurato di seguito. Figura 2-9: Applicazione DECT per GSM La rete DECT e quella GSM possono essere interconnesse in tandem a valle dell interfaccia radio del GSM; l applicazione portatile, la terminazione radio e la terminazione fissa e la rete locale sono collocate a valle dell interfaccia radio del GSM. Nell esempio rappresentato in Figura 2-10, il BSS vede una vera stazione mobile MS e un trasduttore DECT/GSM effettua l interworking tra le interfacce radio del DECT e del GSM. 37 Mobile Station. 84

29 Figura 2-10: Applicazione DECT con trasduttore DECT/GSM E inoltre possibile che la rete locale sia di tipo PBX: in questo caso diversi PP DECT possono comunicare con la rete GSM Applicazione DECT per LAN Un applicazione di particolare rilevanza del sistema DECT è quella relativa alle reti locali LAN. Ciò che caratterizza questa situazione è la rimozione del vincolo di cablaggio fisico che risulta costoso, ingombrante e di difficile adattamento alle diverse situazioni. In questo modo è evidente che i benefici maggiori si manifestano a livello di flessibilità della rete. Esistono due tipi di interfacce realizzabili: LAN bridge e gateway. L interfaccia LAN bridge consente a diversi terminali di collegarsi alle reti LAN attraverso l interfaccia radio del sistema DECT (Figura 2-11a); l interfaccia gateway, costituita essenzialmente da un FP e da un adattatore cordless, permette alla rete DECT di fungere da nodo tra due LAN (Figura 2-11b). 85

30 Figura 2-11: a) Applicazione DECT per LAN bridge. b) Applicazione DECT per gateway 2.5 Interfaccia radio DECT La tecnica di accesso adottata dai sistemi DECT è di tipo FDMA/TDMA/TDD. Il termine FDMA indica che la banda a disposizione è suddivisa in varie portanti a radiofrequenza come illustrato in Figura 2-12; in particolare nei 20 MHz di banda disponibile sono allocate 10 portanti a radio frequenza spaziate di 1728 khz. Figura 2-12: Allocazione in banda dei canali radio per il DECT 86

31 La tecnica TDMA indica il tipo di accesso a divisione di tempo: ciascuna portante RF può infatti essere condivisa da più utenti e per ottenere tale condivisione è necessario organizzare la trasmissione in trame: ciascun trasmettitore dispone di un dato intervallo di tempo (time slot) per trasmettere un burst di segnale. Le trasmissioni devono essere opportunamente sincronizzate e, poichè non è possibile ottenere una sincronizzazione perfetta a causa della dispersione dei ritardi dovuti alla propagazione radio, occorre separare un burst dall altro tramite tempi di guardia (t g ) per evitare sovrapposizioni. Nella tecnica TDMA, oltre ai bit di informazione, vengono trasmessi anche bit di valore noto, al fine di recuperare i sincronismi in ricezione. Quanto appena chiarito è riscontrabile in Figura Infine il termine TDD sta ad indicare che lo stesso canale radio viene condiviso a divisione di tempo tra trasmissione e ricezione; questo significa che la tratta downlink (tratta in discesa RFP PP) e la tratta uplink (tratta in salita PP RFP) condividono al 50% il tempo di bit. Figura 2-13: Struttura di trama TDMA La Figura 2-14 indica che in una trama di durata 10 ms sono trasmessi 24 time slot, di cui i primi 12, di durata 5 ms, sono in direzione downlink mentre i successivi 12 sono in direzione uplink. 87

32 Figura 2-14: Struttura di trama DECT (TDMA/TDD) Per quanto riguarda le dieci portanti in radio frequenza, la loro collocazione è nella banda di frequenze con frequenze centrali f c, ove: f c = f 0 - c 1728 MHz f 0 = MHz e c = 0, 1, 2, 9 La larghezza del singolo canale radio è pari a 1728 MHz, centrato rispetto al valore nominale della portante radio f c Struttura della multitrama DECT La trasmissione dei burst di bit informativi attraverso l interfaccia (CI 38 ) DECT è basata su una suddivisione temporale a due livelli gerarchici: trama e multitrama. A livello gerarchico superiore, le trame sono trasmesse secondo una sequenza che costituisce una multitrama DECT della durata di 160 ms. Ogni multitrama è composta da una multiplazione a divisione di tempo di 16 trame: la trama 0 è la prima della multitrama ad essere trasmessa/ricevuta, mentre la trama 15 è l ultima. 38 Common Interface. 88

33 Figura 2-15: Struttura della multitrama DECT Canale fisico o bearer Ogni canale fisico è definito da una frequenza portante (f c ) e da un time slot (t s ); uno o più canali fisici utilizzati per un determinato tipo di trasmissione vengono definiti bearer. Nel sistema DECT vengono definiti quattro tipi di bearer: 1. Simplex bearer, costituito da un singolo canale fisico che serve per trasmettere in una sola direzione, come nel caso di alcuni canali di segnalazione. Figura 2-16: Simplex bearer in trasmissione 2. Duplex bearer, costituito da una coppia di simplex bearer che operano in direzioni opposte, sulla stessa portante radio e con una spaziatura temporale corrispondente a 12 time slot, ovvero mezza trama (trasmissione segnale vocale). 89

34 Figura 2-17: Duplex bearer 3. Double simplex bearer, simile al duplex bearer, costituito da due canali fisici operanti nella stessa direzione, in modo tale da creare una trasmissione asimmetrica (trasmissione di un fax). Figura 2-18: Double simplex bearer 4. Double duplex bearer, costituito da una coppia di duplex bearer riferita alla stessa connessione MAC Medium Access Control layer; cfr. Appendice A. 90

35 Figura 2-19: Double duplex bearer Composizione del time slot L accesso a divisione di tempo adottato dallo standard DECT prevede l uso condiviso di ciascuna portante a radio frequenza. Il time slot è l intervallo di tempo utilizzato per la trasmissione di un burst di segnale. Figura 2-20: Struttura di time slot per la trasmissione di un segnale vocale In Figura 2-20, che rappresenta la struttura di un time slot per segnali vocali, si possono individuare tre campi che costituiscono il time slot: campo S, costituito da una parola di 32 bit utilizzata per il recupero dei sincronismi; i 32 bit a loro volta sono divisi in 16 bit per il recupero del clock e 16 bit utilizzati per il recupero dei sincronismi. campo D, che contiene 388 bit suddivisi in 64 bit di segnalazione e 320 bit di informazione, mentre i restanti 4 bit sono di CRC Cyclic Redundancy Code. 91

36 campo t g (tempo di guardia), che include 60 bit utilizzati per separare temporalmente i vari time slot trasmessi, in modo da non creare interferenze tra le diverse conversazioni; il tempo di guardia permette un ritardo di propagazione fino a 5 km Formato dei messaggi (livello MAC) Il livello fisico (PHL 41 ) del protocollo ISO/OSI, inferiore al livello MAC, si occupa di modulare e demodulare le portanti radio per creare i canali a radio frequenza. Il livello MAC, invece, ha il compito di allocare le risorse radio, cioè creare, mantenere e rilasciare i bearer, attivando disattivando i canali fisici; inoltre, tale livello ha il compito di multiplare i canali logici, sia di informazione (fonia o dati) sia di segnalazione, sui canali fisici. Quindi, mentre il livello fisico comprende anche i bit di sincronismo e quelli del tempo di guardia, il livello MAC comprende solo i bit di informazione e di segnalazione (campo D). Il campo D è a sua volta suddiviso in due sottocampi, A e B, il primo dei quali contiene 64 bit adibiti ai canali logici di controllo e segnalazione, mentre il secondo, la cui dimensione varia a seconda del tipo di slot (cfr. Figura 2-21), porta i bit d informazione (fonia o dati). Figura 2-21: Campo D del time slot 41 PHysical Layer. 92

37 Il campo A è costituito a sua volta suddiviso in 3 sottocampi: campo H di intestazione (8 bit), campo T di coda (40 bit), campo RA (16 bit) calcolati con un codice CRC per la rilevazione degli errori. Il campo B, invece, può assumere due formati: formato protetto, per servizio dati e formato non protetto, per fonia servizio voce (speech) Canali logici e multiplazione Un canale logico rappresenta il flusso di informazioni da trasmettere sul canale fisico. In particolare nel livello MAC sono presenti i seguenti livelli logici: Q, canale di informazione di sistema (broadcast); N, canale d identità RFP; M, canale di controllo MAC; P, canale di paging; C, canale di segnalazione associato alla connessione; Ip, informazione formato protetto; In, informazione formato non protetto; In Figura 2-22 vengono mostrate la multiplazione dei canali logici a livello MAC e la funzione svolta dal livello PHL; i blocchi triangolari fungono da multiplexer dei canali logici in ingresso; il campo B può essere sia nel formato protetto che non protetto e può essere anche dedicato alla segnalazione. 93

38 Figura 2-22: Multiplazione dei canali logici Allocazione dinamica dei canali (DCA) La caratteristica principale che contraddistingue il sistema DECT è l allocazione dinamica dei canali: i canali non vengono assegnati alle stazioni base RFP secondo schemi prefissati, bensì la selezione delle risorse spettrali viene gestita dai terminali PP. Nei sistemi radiomobili cellulari, infatti, è necessaria una fase di assegnazione iniziale (pianificazione) delle frequenze alle celle del sistema, effettuata in modo da evitare che celle vicine si disturbino. In questa situazione, la parte fissa (la stazione radio base) assegna una risorsa radio al terminale che lo richiede, scegliendo tra le frequenze associate alla cella in cui esso si trova, se disponibili. Un sistema che utilizza, invece, la selezione dinamica dei canali, non necessita di alcuna pianificazione delle frequenze: ogni cella ha a disposizione tutte le frequenze portanti. Un terminale può accedere direttamente alla risorsa radio che reputa migliore in quel momento, passando eventualmente ad un altro canale se quest ultimo supera in qualità quello precedentemente in uso. La modalità utilizzata permette un adattamento del sistema a cambiamenti dell ambiente propagativo e delle condizioni di traffico, rendendo possibile la condivisione di una risorsa comune di frequenza in presenza di più operatori. 94

39 2.5.3 Procedura di selezione Nel sistema DECT è il terminale PP, come detto, che gestisce la selezione delle risorse spettrali. L allocazione dinamica dei canali si basa sul fatto che un canale fisico viene selezionato quando è il meno interferito nel momento della scelta. Essa comprende: selezione di bearer per segnalazioni di controllo; selezione di simplex e duplex bearer di traffico; selezione di bearer di traffico per handover; selezione di bearer per l estensione della velocità dati di un utente di una connessione già stabilita. In una struttura DECT un canale selezionato per una duplex bearer viene cambiato (handover) solo se la qualità degrada o se un altra stazione base dello stesso sistema diventa più forte. Ogni stazione base del sistema deve avere almeno un canale attivo, detto dummy bearer, scelto tra i meno interferiti, che di solito è di tipo broadcast inviato dalla stazione base stessa con le informazioni che la caratterizzano. Il funzionamento dell allocazione dinamica dei canali può essere schematizzato con il diagramma degli stati di un terminale riportato in Figura 2-23, dal quale si notano i quattro stati operativi possibili per un terminale PP. Figura 2-23: Stati operativi del terminale DECT 95

40 Sincronizzazione alla stazione base migliore Un terminale, una volta acceso (active_unlocked), prova ad entrare nello stato successivo (idle_locked), cioè tenta di sincronizzarsi con la stazione base più forte; esso sfrutta le informazioni inviate broadcast nel dummy bearer oppure in altri canali downlink dalle stazioni base per scegliere la stazione più forte. Una volta trovata la stazione base più forte, il terminale ricerca (scansione) le informazioni di sistema e di sincronizzazione dai canali Q e N: dal canale Q ottiene la sincronizzazione di trama e multitrama, mentre dal canale N riceve le informazioni sulla classe del sistema a cui sta tentando di collegarsi e controlla se ha il permesso per accedervi. Il terminale, inoltre, misura la potenza del segnale ricevuto e, in accordo con queste misure, sceglie la stazione base da cui riceve il segnale con potenza maggiore. A questo punto, trovata la RFP migliore, il terminale entra nello stato sincronizzato, ma non ancora attivo (idle_locked) Lista dei canali Il terminale ormai agganciato ad una stazione base deve mantenere il sincronismo di trama e multitrama; nel caso in cui riceva un segnale più forte da un altra RFP può cambiare e sincronizzarsi con essa. In tal caso il PP deve essere in grado di ascoltare messaggi di paging e di riconoscere eventuali richieste di setup da parte della stazione base. Dopo aver scandito i canali, seguendo lo stesso ordine della stazione base, il terminale ne crea una lista, ordinandoli secondo la loro qualità. Esistono due soglie per la classificazione dei segnali, a seconda del livello di potenza RSSI 42 : se il segnale ricevuto ha un RSSI minore di -93 dbm viene classificato come libero ed è sempre un possibile candidato per il setup di una chiamata, altrimenti se il RSSI supera una certa soglia, definita in funzione del contesto ambientale del sistema, il canale viene definito occupato e non può essere scelto. 42 Radio Signal Strength Indicator. 96

41 Lo standard definisce la lista dei canali (anche quella creata dalla RFP) come rappresentato in Figura La lista formata, che può essere utilizzata solo se essa è stata aggiornata da meno di 30 ms, viene sfruttata dal terminale PP per diversi scopi: occupare correttamente un canale libero senza interferire con altri già occupati, oppure per bearer handover 43 ; permettere alla RFP di scegliere un canale con il minor valore di campo e posizionare su di esso il dummy bearer in trasmissione; formare, in base alle informazioni ricevute dal dummy bearer, una lista per RFP da utilizzare in caso di connection handover 44. A questo punto il terminale può passare nello stato active_locked, quando instaura almeno un bearer; in questa condizione, se necessario, può effettuare un handover oppure aumentare il numero di bearer della connessione in corso. Con il rilascio dell ultimo bearer attivo, il terminale torna nello stato idle_locked. Figura 2-24: Lista dei canali 43 Handover nel quale il nuovo canale appartiene allo stesso gruppo (cluster) del vecchio canale. 44 Handover nel quale il nuovo canale appartiene ad un cluster diverso dal vecchio canale. 97

42 2.5.4 Codifica della fonia e trasmissione Per comprendere meglio le modalità secondo cui avviene il dialogo tra parti portatili e parti fisse, viene ora analizzato il processo di codifica del segnale fonico e la relativa trasmissione Configurazioni di riferimento In Figura 2-25 è raffigurata la configurazione di riferimento del collegamento radio DECT. Figura 2-25: Configurazione di riferimento Il PP e il FP sono definite da apposite interfacce: quella acustica, definita da PP verso il parlatore-ascoltatore con i punti di riferimento auricolare (ERP 45 ) e microfono (MRP 46 ), quella radio, tra PP e FP, e quella di linea, tra FP e rete fissa. Punti di riferimento a livello di segnale PCM 47 sono definiti anche per FP e PP; in questo modo le specifiche dell interfaccia di trasmissione prescindono dalla codifica in aria. 45 Ear Reference Point. 46 Mouth Reference Point. 47 Pulse Code Modulation. 98