GSM - parte IV. Argomenti della lezione. Il livello fisico dell interfaccia radio (Um) Frequenze assegnate al GSM (Europa)

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1 Argomenti della lezione GM - parte IV Il livello fisico dell interfaccia radio (Um) Frequenze assegnate al GM (Europa) Frequenze assegnate al GM (Europa) GM primario downlink GM primario uplink GM esteso downlink GM esteso uplink DC/800 uplink DC/800 downlink A 900 dispone di 24 (25-) canali FDM nella parte primaria dello spettro (24 UL e 24 DL), più 50 canali nella parte estesa F [MHz] A 800 dispone di 74 (75-) canali FDM Il canale all estremo inferiore non è mai usato Frequenze assegnate al GM (Europa) e possibile, sia a 900 che a 800 anche i canali all estremo superiore sono usati come guardia Frequenze assegnate al GM (Europa) Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali (ARFCN - Absolute Radio Frequency Channel Number), che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso) indipendentemente dal fatto che sia GM/900 o DC/800

2 Frequenze assegnate al GM (Europa) Frequenze assegnate al GM (Europa) I canali GM-900 hanno ARFCN da 0 a 24 (primario) e da 974 a 02 (esteso) I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fisso e distano: 45 MHz a 900 MHz 95 MHz a 800 MHz Assegnazione delle frequenze in Italia In Italia le frequenze in uso per il AC erano nella banda assegnata al GM a livello internazionale, creando quindi situazioni di conflitto. Cessazione attività AC: dicembre 2005 Assegnazione delle frequenze in Italia Esempio: Assegnazioni per l uplink nel 997 (quelle per il downlink si ottengono aggiungendo 45 MHz) AC da 882 MHz a GM IM da MHz a GM Vodafone da MHz a 9.7 Frequenze assegnate al GM nel mondo Dati generali Bande di frequenza In UA si usano bande intorno a 900 MHz anziché intorno a 800 MHz. Esistono terminali tri-band In America Latina si usano bande intorno a 850 MHz. Esistono terminali quadri-band

3 Dati generali Dati Generali Definizione di interfacce standard (non proprietarie) tra elementi della rete Distanza tra portanti 200 KHz Codifica a kb/s (full rate) o 6.5 kb/s (half rate) Dati generali Modulazione GMK (Gaussian Minimum hift Keying) Uso di controllo di potenza Uso dell interleaving ecnica di Accesso e truttura dei Canali GM usa una tecnica di accesso mista a divisione di tempo e frequenza (FDMA/DMA) La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 khz l uno ecnica di Accesso e truttura dei Canali Ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica DM La trama DM è quindi composta da 8 slot ecnica di Accesso e truttura dei Canali La trasmissione è organizzata in burst Ogni M trasmette un blocco di dati in un intervallo temporale ( canale DM) e tace durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali La velocità di cifra al trasmettitore è di circa 27 kbit/s

4 truttura della trama GM FDM/DM Frequenza + time slot = canale fisico La durata della trama DM è di 4.65 ms La durata di uno slot è di 0.7 ms e slot trasporta bit (ossia 0.7*27 kbps) Ciascun time slot porta un burst di trasmissione frequenza n khz n n tempo 4.65 ms 0.7 ms bit truttura della trama GM La trasmissione bidirezionale in GM è ottenuta mediante separazione sia in frequenza sia in tempo; in questo modo serve una sola interfaccia radio! truttura della trama GM Le trame sui canali uplink e downlink sono sincronizzate (su base slot) e sfasate di slot, in modo da consentire la separazione tra trasmissione e ricezione DM Frame 4.65 ms B ransmits M ransmits FDM/DM frequenza Avanzamento temporale (timing advance) downlink 45 MHz ms I terminali a distanza diversa dalla B subiscono ritardi di propagazione diversi uplink tempo Il non perfetto sincronismo tra M produce interferenza tra time-slot vicini

5 Avanzamento temporale (timing advance) Avanzamento temporale (timing advance) La B ordina al terminale di anticipare la trasmissione di una quantità di tempo che compensa il ritardo di propagazione B tx M rx enza M tx A B rx M tx Con A B rx r a B rx iming advance Il timing advance riesce a compensare un ritardo fino a 2 µs (5 Km*2/c) Limitato dal turnaround time del tranceiver ecnica di Accesso e truttura dei Canali Per risparmiare le batterie e ridurre l interferenza, il trasmettitore RF viene spento quando non trasmette e anche quando non vi è informazione da trasmettere (soppressione dei silenzi) ecnica di Accesso e truttura dei Canali pegnimento e accensione del trasmettitore RF pongono notevoli problemi di ramping, cioè di transitorio per portare l amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati Ramp-up e inviluppo Gli amplificatori hanno dei tempi non nulli di accensione e spegnimento (ramp-up/down) La trasmissione deve avvenire a inviluppo costante e senza interferenza con lo slot precedente e successivo

6 Ramp-up e inviluppo Ramp-up e inviluppo +4dB +db -db -6dB -0dB 48 bit 549 µs Nei time-slot si devono prevedere opportuni tempi di guardia ervono dei periodi di guardia prima e dopo la trasmissione dell informazione utile -70dB 28 µs 28 µs tempo Nei periodi di guardia i segnali si possono sovrapporre Ramp-up e inviluppo Frequency hopping +4dB +db -db -6dB -0dB -70dB 48 bit 549 µs 28 µs 28 µs tempo In GM è previsto di poter trasmettere messaggi consecutivi della stessa comunicazione su frequenze diverse FH serve a ridurre gli effetti del fading da percorsi multipli: si guadagnano circa 2 db Frequency hopping Frequency hopping Il FH usato in GM è lento perché il cambio di frequenza avviene con cadenza di trama (8 slot=4.65 ms) e non di pochi bit come in altri sistemi M deve essere in grado di re-sintonizzare x ed Rx in circa ms f f2 f

7 FH - Modalità L uso o meno di FH è una scelta dell operatore e la rete indica al M di andare in modalità FH questo deve essere in grado di farlo FH - Modalità Le sequenze di hopping sono calcolate da B ed M in base ad algoritmi di generazione di sequenze pseudo-casuali, in alternativa si può seguire un più semplice hopping ciclico Le modalità e i parametri per il calcolo della sequenza di hopping sono decise da B e trasmesse al M Parametri dell algoritmo di FH MA (Mobile Allocation) Vettore delle frequenze disponibili MAIO (MA Index Offset) Valore di sfasamento del salto di frequenza Parametri dell algoritmo di FH HN (Hopping generator Number) eme della sequenza pseudocasuale che pilota l algoritmo FN (Frame Number) Numero assoluto della trama GM Parametri dell algoritmo di FH FH: l algoritmo memorized locally received from BC (B) FN HN RNABLE algorithms RNABLE combine Vettore di 28 (0-27) numeri disposti in modo pseudo-casuale MAIO combine MA(C 0,...,C N- ) combine RFCHN = MA(MAI)

8 5 tipi di burst Normali: Burst di rasmissione (ovvero cosa si trasmette suicanalifisicigm) Per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo Accesso: Usati nelle fasi di setup quando M non è ancora sincronizzato con B (solo uplink) 5 tipi di burst 5 tipi di burst incronizzazione: Inviati da B per la sincronizzazione dei M (solo downlink) Correzione della frequenza: Inviati periodicamente da B per consentire la correzione degli oscillatori dei M (solo downlink) Dummy: Inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante (usati solo dalla B) truttura dei burst normali 48 bit = µs truttura dei burst normali 48 bit = µs raining 26 raining 26 : Bit di utente (voce, dati etc.), 4 bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a kbit/s netti per la voce, a 9.6 kbit/s o meno per i dati (codifica di canale più ridondante) raining : Bit di controllo usati per la sincronizzazione e per l equalizzazione

9 truttura dei burst normali 48 bit = µs truttura dei burst normali 48 bit = µs raining 26 raining 26 -bits: Indicano se il burst contiene dati utente o di segnalazione (bit di stealing) -bits: Posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore truttura dei burst normali 48 bit = µs raining 26 : Periodo di guardia per consentire l accensione e lo spegnimento dei trasmettitori truttura dei burst di accesso Ext - 8 ync 4 6 Ext. 6 -bits: Ext posti a 0000; posti a 0 Usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore, notare la sequenza estesa a 8 bit all inizio del burst truttura dei burst di accesso truttura dei burst di accesso Ext - 8 ync 4 6 Ext. 6 Ext - 8 ync 4 6 Ext. 6 ync-bits: equenza nota; consente il calcolo del timing advance : Bit di utente (dati) Extended : Periodo di guardia allungato per garantire che il burst, trasmesso come se ci si trovasse alla massima distanza da B, non sbordi sullo slot successivo

10 truttura dei burst di accesso Ext - ync Ext bit ms incronizzazione e Dimensione delle celle In mancanza di altre informazioni M si comporta come se il ritardo di propagazione tra M e B fosse il massimo ammesso trasmettendo per un tempo ridotto incronizzazione e Dimensione delle celle truttura dei burst di sincronizzazione Ne consegue: 9 Ext. raining 64 9 R max = (C. )/2 = 7.5 km In realtà, per convenzione il raggio massimo è: 5 km -bits: Posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore truttura dei burst di sincronizzazione truttura dei burst di sincronizzazione 9 Ext. raining Ext. raining 64 9 Extended training sequence-bits equenza nota; Usata per l equalizzazione : Bit di segnalazione per la trasmissione dei dati relativi alla sincronizzazione globale. Contengono anche informazioni per identificare la rete (operatore) cui appartiene la cella e la cella stessa (codice di cella)

11 truttura dei burst di sincronizzazione truttura dei burst di correzione di frequenza 9 Ext. raining 64 9 equenza di tutti 0 42 : Periodo di guardia -bits: Posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore truttura dei burst di correzione di frequenza truttura dei burst di correzione di frequenza equenza di tutti 0 42 equenza di tutti 0 42 : Periodo di guardia La sequenza di tutti zero, data la modulazione GMK, equivale a trasmettere una sinusoide pura per tutta la durata del burst truttura dei burst dummy truttura dei burst dummy All zero 58 raining 26 All zero 58 All zero 58 raining 26 All zero 58 ono burst normali in cui al posto dei dati vengono trasmessi tutti zero I bit di stealing sono eliminati Vengono usati solo dalle B per l individuazione (potenza elevata) del canale C0 che è il canale principale della cella

12 Assegnazione delle risorse alle celle Ciascuna cella GM può avere da a 6 tranceiver Assegnazione delle risorse alle celle Lo slot 0 di una portante è sempre usato per un canale di broadcast su cui vengono trasmessi i burst di correzione della frequenza e di sincronizzazione. Questa portante è chiamata C0 ed è la portante principale della cella Assegnazione delle risorse alle celle u C0 la B trasmette in modo continuo, usando burst dummy se non ha dati da trasmettere Interleaving 20 ms di voce 260 bit 456 bit (260+codifica di canale) 4 bit 4 bit 4 bit 4 bit ulla portante C0 non si fa frequency hopping e ci sono più di tre tranceiver in una cella è possibile abilitare la funzione di Frequency Hopping (FH) per ridurre gli effetti del fading veloce 4 Mapped on the transmission bursts Canali fisici GM Un po di conti Un canale fisico è dato da un time-slot ogni trama La velocità di trasmissione media (lorda) è 48bit/4.65ms = ~ 2kbit/s

13 Canali fisici GM Nei burst normali i bit utili (a valle della codifica) sono 4 ~ 24.7kbit/s I dati utente sono protetti da codici, la velocità di trasmissione utile per l utente dipende dallo schema di codifica Canali fisici GM Esempio Codificatore voce : kbit/s + codifica = ~ 22.8 kbit/s I restanti =.9 kbit/s sono usati per la segnalazione Canali fisici GM ui canali fisici sono mappati i canali logici Canali fisici GM Lo schema di codifica usato dipende dal canale logico La mappatura dei canali logici sui canali fisici fa riferimento ad uno schema di temporizzazione assoluto che definisce trame, supertrame (di traffico e controllo) e ipertrame ramatura GM rama 8 slot in DMA (4.65 ms) Multitrama di traffico 26 trame (20 ms) Multitrama di segnalazione 5 trame (25.4 ms) ramatura GM upertrama 26 multitrame di controllo, ovvero 5 multitrame di traffico (6.2 s) Ipertrama 2048 supertrame (h 28m 5s 760ms)

14 ramatura GM IPERRAMA 2048 supertrame (h 28m 5s 760ms) UPERRAMA (6.2 s) 26 multitrame di controllo 5 multitrame di traffico Multitrama di traffico 26 trame (20ms) RAMA 4.65ms slot 7 µs Multitrama di controllo 5 trame (25.4 ms) emporizzazione GM Il modulo di FN è: 26 x 5 x 2048 = 2,75,647 supertrame multitrame di traffico multitrame di controllo FN viene trasmesso da B nei burst di sincronizzazione bit.69 µs emporizzazione GM Il quanto di tempo in GM è un quarto del tempo di bit Il tempo è misurato in: Quarter-bit Number QN Bit Number BN 0-56 ime slot Number N 0-7 Frame Number FN 0-2,75,647 emporizzazione GM QN, BN e N sono calcolati localmente dal M, inizializzandoli sugli slot in cui viene trasmesso FN Utilità della tramatuta GM Mappatura dei canali logici su quelli fisici incronizzazione tra M e B Cifratura Usa FN Il FN è ripetuto solo circa ogni ore -> diventa più difficile intercettare una chiamata Utilità della tramatuta GM Accesso iniziale a una B o durante un handover M manda una richiesta alla B su un certo frame con FN=Y B risponde assegnando un canale M trova la risposta tra le altre perchè l assegnazione del canale fa riferimento a Y

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