Facoltà di Ingegneria

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1 Facoltà di Ingegneria Anno accademico Lauree specialistiche in Ingegneria informatica e Ingegneria gestionale e dell automazione Corso di SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONE Prof. Alessandro NERI neri@uniroma3.it

2 GSM -ARCHITETTURA MSC MSC BSC BSC B T S BSC B T S B T S B T S

3 GSM - ARCHITETTURA B T S VLR HLR AUC B T S B T S BSC MSC Gateway MSC PST/ PST/ ISDN ISDN BSC VLR EIR SMSC MSC SMS Gateway MSC

4 Handover MSC BSC B T S MSC BSC BSC B T S B T S B T S

5 MS Change location area 3.Provide IMSI 4. Identification request 6.IMSI ACK Send Parameters BSS 1.a Radio connection establishment 1.b Location Update request 5. Identification response Location update 2 VLR new MSC HLR VLR old 8.Authentication parameters 9. Authenticate 10. Aut Req. 11.Authentication Res 12. Update location 13. Cancel Location 14.Cancel Location ACK 15.Update Location ACK

6 MS Mobile-terminated call BSS BSS BSS VLR 8 7 MSC a. Invio (IAM) Initial Address Message (1) b. GMSC: Individuazione HLR + richiesta info (2) c. HLR: Controllo esistenza numero e abilitazione servizi + richiesta MSRN (3) d. VLR: Invio MSRN (4) e. HLR: Determinazione dell MSC HLR GMSC 2 1 Public network f. GMSC: Invio richiesta all MSC (6) g. MSC: Richiesta stato di disponibilità (7 h. HLR: Controllo disponibilità MS e invio notifica (8) i. MDC+BSS: inoltro nella Location Area dell avviso di chiamata (paging) (9) j. MS: Risposta (10) k. MSC+VLR: procedure di sicurezza (11),(12) l. MSC+BSS+MS: Connessione sul canale radio

7 Mobile-originated call MS BSS BSS 6 VLR 3 4 MSC 5 HLR GMSC 5 Public network BSS

8 \ S BSS-A MSC BSS-B MS A-HO-REQUIRED A-HO-REQUEST RI-HO-COMMAND A-HO-COMMAND A-HO-REQUEST ACK RI-HO-Access A-HO-Detect RI-HO-Complete A-CLEAR -COMMAND A-HO-Completed A-CLEAR -COMPLETE

9 Mobile-originated call HLR MS/BSS-A MSC-A A-HO-REQUIRED MAP-Prep- HO Req. BSS-B/MS MSC-B VLR-B MAP-Allocate HO-Number Req. A-HO-REQUEST A-HO-REQUEST ACK

10 GSM Pila protocollare MS BTS BCS MSC CM CM MM MM RR RR BSSAP BSSAP RR BTSM BTSM SSCP SSCP LAPD m Layer 1 LAPD m Layer 1 LAPD Layer 1 LAPD Layer 1 MTP Layer 1 MTP Layer 1 U m A bis A

11 GSM - Multiple access and timeslot structure The access scheme is Time Division Multiple Access (TDMA) with eight basic physical channels per carrier. The carrier separation is 200 khz. A physical channel is therefore defined as a sequence of TDMA frames, a time slot number (modulo 8) and a frequency hopping sequence. The basic radio resource is a time slot lasting 576,9 µs (15/26 ms) and transmitting information at a modulation rate of kbit/s (1625/6 kbit/s). This means that the time slot duration, including guard time, is 156,25 bit durations.

12 GSM - Multiple access and timeslot structure

13 GSM - Uso dei canali fisici

14 GSM - Struttura della trama

15 GPRS Il sistema GPRS permette ad un utente di trasmettere e ricevere dati a pacchetto senza utilizzare risorse di rete in modalità a circuito. Quindi la trasmissione dati a pacchetto sfrutta sia sull'interfaccia di accesso radio U sia su quella G all'interno della core network. I servizi e le modalità di trasferimento che sono state standardizzate hanno lo scopo di adattarsi a traffici dati che hanno le seguenti caratteristiche. Traffici intermittenti o non periodici in cui il tempo fra due trasmissioni consecutive sia maggiore del ritardo di trasferimento medio end to end. Frequenti trasmissioni di piccoli volumi di dati: trasmissioni di meno di 500 ottetti con numerose trasmissioni al minuto. Trasmissioni non frequenti di grandi volumi di dati; esempio di questo tipo di traffico può essere un trasferimento di alcuni kbyte di dati con una frequenza di alcune richieste per ora.

16 GPRS - Servizi portanti punto-punto Servizi di reperimento di informazioni su database remoti (es. WWW). Servizi di messaggistica per la comunicazione attraverso unità di memorizzazione (es. service). Servizi che prevedono una comunicazione con trasferimento dati bi-direzionale in tempo reale (es. Telnet). Servizi caratterizzati dal trasferimento di piccole quantità di dati (es. validazione di carte di credito, monitoraggio di un sistema remoto).

17 GPRS - Servizi portanti punto-multipunto Servizi di distribuzione da un punto centralizzato all'interno della rete verso destinatari sparsi sul terriorio (es. trasmissione di informazioni meteo o di traffico automobilistico). Servizi di conferenza che consentono il trasferimento in tempo reale ed in modalità multidirezionale di dati fra utenti sparsi sul territorio.

18 GPRS - Servizi Per utilizzare i servizi forniti dall'architettura GPRS è previsto che l'utente registri l'attivazione del servizio mediante sottoscrizione esplicita e che identifichi il tipo di servizio richiesto mediante un profilo che definisce la qualità del servizio che deve essere garantita. I parametri necessari all'identificazione del profilo sono parte integrante del contratto e vengono successivamente mappati sulle connessioni fra gli elementi logici all'interno del sistema. Visto che lo scenario di mobilità degli utenti cambia le condizioni radio su cui opera un servizio (copertura, interferenza, ecc.) i parametri si riferiscono a condizione di copertura "accettabile" (senza entrare nel merito di tale definizione) e di carico normale della rete. In caso di congestione, tali parametri sono indicativi e la rete è tenuta solo a garantire la priorità fra i vari servizi.

19 GPRS Quality of Service (QoS) Il GPRS prevede esplicitamente servizi con Qualità del Servizio (QoS) definita sulla base dei seguenti indicatori: Priorità Affidabilità Ritardo Capacità

20 Area concepts

21 Mobile IP Home agent host datagram tunnel Registration Registration relay request Agent Discovery Foreign agent Mobile node advertisement

22 Mobile IP Home agent Binding update host Binding request Binding warning tunnel Foreign agent Mobile node

23 Separate CN architecture

24 Integrated CN Architecture

25

26 Routing area update

27 Periodic registration

28 Mobile IP in UMTS/GPRS

29 Attivazione contesto PDP + registrazione Mobile IP

30 UMTS (da UMTS Forum) Concepito come sistema globale composto da sottosistemi terrestri (a livello nazionale) e componenti satellitari globali. Impiego dei sistemi di 2 a generazione per estendere la copertura dei servizi base (terminali multimodo e multibanda) Obiettivo primario: comunicazioni personali con terminali in grado di migrare da una rete radio privata o da una rete fissa a reti pubbliche basate su pico/micro celle, macro celle (quali quelle dei sistemi di 2 a generazione) nonché alla rete satellitare, in ogni caso con interruzioni minime nel trasferimento dei flussi informativi. Zone 4: Satellite Zone 3: Zone 2: Zone 1: In building World cell Macro cell Micro cell Pico cell 2Gs: Satellite networks public mobile & fixed networks privat residential & fixed networks

31 Bande assegnate MHz ITU Allocations IMT 2000 IMT 2000 Europe 1885 MHz 2025 MHz GSM 1800 DECT MSS UMTS 1880 MHz 1980 MHz 1850 MHz WLL WLL 2110 MHz 2170 MHz UMTS MSS 2170 MHz China GSM 1800 IMT 2000 MSS 1885 MHz 1980 MHz IMT 2000 MSS 1885 MHz 1918 MHz Japan Korea (w/o PHS) North America PHS 1895 MHz IMT 2000 PCS A D B E F C A D B E F C MSS MSS IMT 2000 Reserve MSS 2160 MHz M D S

32 SERVIZIO Voce Servizi Velocità di Probabilità trasmissione d errore [Kbps] (Bit Error Ratio) 8 / 32 1e-3 / 1e-4 Ritardo di trasmission e [ms] 40 Audio qualità alta / 64 1e-5 1e / 200 Accesso WWW >64 1e Dati digitali 64 / e / 200 Video telefonia 64 / 384 1e-7 40 / 90

33 Quality of Service (QoS) Sono definite quattro classi: Conversational class è la classe più sensibile ai tempi di trasferimento e viene utilizzata per il trasporto di traffico real time. I servizi principali di tale classe sono costituiti dalle comunicazioni tra due o più persone, pertanto i requisiti qualitativi sono strettamente determinati dalle percezioni umane, essi devono sottostare a vincoli più severi rispetto a tutte le altre classi di QoS. le caratteristiche principali della conversational class sono pertanto il basso ritardo di trasferimento, la limitata variazione di esso e il mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dei dati.

34 Quality of Service (QoS) Streaming class: viene utilizzata per il trasporto di un flusso di dati real time e unidirezionale sia di tipo video che audio. Questa classe, come la precedente, è caratterizzata dal mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati e da una limitata variazione dei ritardi del flusso end-to-end. La variazione ammessa per i ritardi di trasferimento, però, risulta essere molto più grande di quella data dai limiti della percezione umana e quindi da quella richiesta al punto precedente.

35 Quality of Service (QoS) Interactive class: È relativa in cui l utente richieda dati ad un nodo remoto. Alcuni esempi possono essere il Web Browsing, la ricerca su data base e l accesso ad un determinato server. Questa classe è caratterizzata dal fatto che l utente finale attende un messaggio in risposta all interrogazione effettuata all apparato remoto. Risulta quindi di primaria importanza il round trip

36 Quality of Service (QoS) Background class: viene utilizzata nel caso in cui l utente finale, in genere un computer, stia effettuando un trasferimento di file in background. Esempi: , sms, trasferimento file. Per questa classe è importante sottolineare il fatto che l utente non ha la necessità di ricevere i dati in tempo reale, e quindi è quella meno sensibile ai tempi di consegna. Però è quella che richiede maggiormente la massima affidabilità e integrità

37 Architettura UMTS B node B node RNC I u cs 3G MSC/VLR PST/ ISDN B node B node G s HLR B node RNC B node UTRAN I u ps 3G SGSN G n GGSN CORE NETWORK Packet data data networks

38 Architettura UMTS UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network ) è l entità dedicata al controllo dell accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio disponibili. L UTRAN è l unità che maggiormente differenzia il sistema UMTS rispetto al GPRS, principalmente a causa dell introduzione della tecnica di multiplazione a divisione di codice al posto di quella a divisione di tempo utilizzata nei sistemi cellulari GSM/GPRS. La connessione con la core network avviene tramite l interfaccia. CN (Core Network) è l entità che si occupa di fornire agli utenti i vari servizi richiesti. Può essere connessa con reti di tipo

39 UTRAN: funzioni Funzioni relative al controllo dell accesso al sistema permettono all utente di connettersi alle rete UMTS per poter usufruire dei servizi offerti. L accesso al sistema può essere effettuato sia dal terminale mobile, in seguito ad una chiamata originata dal mobile, che dalla rete nel caso di una chiamata verso il mobile. Controllo dell accesso svolge il compito di accettare o rifiutare nuovi utenti, cercando di evitare situazioni di sovraccarico sulla base di misurazioni di interferenza e valutazione delle risorse utilizzate. Questa funzione è svolta dal serving RNC attraverso l interfaccia e viene utilizzata ogni volta che un utente effettua un accesso alla rete, oppure durante gli handover e durante l assegnazione o riconfigurazione dei radio bearer. Controllo della congestione svolge il compito di monitorare, rilevare e gestire situazioni in cui il sistema è prossimo alla congestione. Per questo motivo dovranno essere decise in breve tempo contromisure in grado di riportare il sistema ad uno stato di stabilità.

40 UTRAN: funzioni Trasmissione delle informazioni di sistema questa funzione fornisce ai vari terminali mobili tutte le informazioni riguardanti l access stratum ed il non access stratum di cui ogni UE si serve per svolgere le operazioni all interno della rete. Criptazione (e decriptazione) dei canali radio assicura la protezione dei dati trasmessi sull interfaccia radio da intercettazioni non autorizzate. Funzioni relative alla mobilità : Handover è la funzione che gestisce la mobilità degli utenti sull interfaccia radio. Si basa sulle misurazioni dei livelli di potenza ricevuti e serve a garantire il mantenimento della qualità di servizio richiesta dalla core network. L handover può essere controllato dalla rete ma anche dal mobile. Rimpiazzo del SRNS, coordina le attività della rete quando il ruolo di un SRNS sta per essere preso da un altro RNS e gestisce la connessione sull interfaccia nel passaggio da un RNS ad un altro.

41 UTRAN: funzioni Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio : protocolli radio: forniscono la possibilità di trasferire dati d utente e segnalazione attraverso l interfaccia radio della rete UMTS adattando il servizio alla trasmissione radio. Questa funzione include la multiplazione dei diversi servizi e dei diversi utenti sui radio bearer, la segmentazione ed il riassemblaggio dei dati e la trasmissione in modalità acknowledged o unacknowledged a seconda della QoS richiesta. Controllo della potenza sui canali radio: realizza il controllo dei livelli di potenza sul canale per minimizzare i segnali interferenti e garantire una adeguata qualità della trasmissione. Codifica e decodifica di canale Controllo della codifica di canale: generazione delle informazioni di controllo (schema di codifica, rate del codice ) richieste dalle funzioni di codifica e decodifica. Gestione dell accesso con controllo distribuito: si occupa di rilevare i vari tentativi di accesso alla rete di un particolare mobile e di rispondere a tali richieste in modo adeguato risolvendo eventuali contese verificatesi sul canale radio. Nel caso in cui l accesso vada a buon fine, a tale risposta seguirà, a seconda delle necessità di trasmissione del mobile, la richiesta di allocazione delle risorse.

42 UTRAN: funzioni Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio : Configurazione delle risorse radio: gestisce le risorse radio della rete all interno delle singole celle. Monitoraggio dei canali radio: misurazioni sui canali radio della cella di interesse e su quelle adiacenti (livelli di potenza ricevuti, stima del BER, livelli di interferenza, spostamento doppler,ecc.) poi tradotte in stime della qualità del canale. Controllo della divisione e della ricombinazione dei flussi informativi, permette la trasmissione e la ricezione dello stesso flusso di informazioni attraverso più canali fisici da o verso un determinato terminale mobile, introducendo quindi nel sistema la macrodiversità e la possibilità di effettuare soft-handoff. A seconda del contesto, questa funzione può essere svolta da diverse entità come i SRNS, i DRNS e i NODE B. Instaurazione e rilascio dei radio bearer, lo scopo di questa funzione è contribuire all instaurazione e al rilascio delle connessioni end-to-end. Allocazione e deallocazione dei radio bearer, permette di gestire i canali fisici in base alla QoS del radio access bearer.

43 UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access ) UTRA / FDD UTRA / TDD Tecnica d accesso Canalizzazione Chip rate Data rate massimo Spreading factor Ricevitore Trama Handover Controllo di potenza W-CDMA 5 [MHz] 3.84 [Mchip/s] 384 kb/s Rake 0.667/10/720 [ms] soft Veloce: ogni [ms] TD-CDMA 5 [MHz] 3.84 [Mchip/s] 2 Mb/s 1,2,4,8,16 Joint Detection 0.667/10/720 [ms] hard lento: ogni 10 [ms] Modulazione Down-link: QPSK Up-link: Doppio codice BPSK QPSK

44 CDMA: concetti di base Tutti gli utenti hanno a disposizione simultaneamente l intera banda In ricezione, la separabilità tra i singoli segnali è basata sull impiego da parte di ciascun utente di un proprio codice per il quale viene moltiplicata in trasmissione l informazione d utente (operazione di espansione dello spettro o spreading ) Se i codici impiegati sono ortogonali tra loro, il ricevitore è in grado di isolare e ricostruire nuovamente i flussi informativi dei diversi utenti, con operazioni semplici. A causa del rumore, delle distorsioni introdotte nel canale di propagazione e delle proprietà non ideali dei codici, il numero massimo di segnali che si possono sovrapporre è limitato.

45 Spreading Nell operazione di espansione, la sequenza d informazione con intervallo di ripetizione dei simboli T b viene modulata sui livelli antipodali +1 e 1 e moltiplicata per una sequenza binaria con valori {-1,1}, con intervallo di ripetizione T c tra i simboli elementari detti chip. Il rapporto G s =T b /T c è definito come guadagno del processo, in assenza di codifica, o fattore d espansione (spreading factor).

46 Spreading Segnale a spettro espanso [fattore d espansione pari a 64 ottenuto con una sequenza PN (pseudonoise)]. Segnale originale

47 Ricostruzione L operazione di ricostruzione prevede, che la sequenza ricevuta venga moltiplicata chip a chip, per lo stesso codice usato nel processo di espansione, mediando sul periodo di bit e campionando si ricostruisce in questo caso esattamente la sequenza d informazione.

48 Modello del canale α 1 ritardo ritardoτ τ 1 1 ritardo ritardoτ τ L L α L ΣΣ Indoor Office Test Environment (ETSI TR ) Ritardo Canale A Canale B Doppler Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Spectrum FLAT FLAT FLAT FLAT FLAT FLAT

49 Modello del canale Outdoor to Indoor and Pedestrian Test Environment Ritardo Canale A Canale B Doppler Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Spectrum CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC Vehicular Test Environment, High Antenna, Tapped- Ritardo Canale A Canale B Doppler Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Rel. Delay (nsec) Avg. Power (db) Spectrum CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC CLASSIC

50 Ricevitore Rake α 1 Ritardo Ritardo ττ L -τ L -τ 1 1 ΣΣ α L ΣΣ Ritardo Ritardo ττ L -τ L -τ L L ΣΣ

51 QoS Servizi a commutazione di circuito Un utente è definito come soddisfatto se: La richiesta non viene bloccata T user <T block La qualità desiderata (BER)della comunicazione è mantenuta per una certa frazione della sessione Pr{BER > BER Threshold }< Qual Threshold La chiamata non viene abbattuta. Una chiamata viene terminata automaticamente se BER > BER Threshold per più di T drop secondi (tipico 1 s)

52 Outage Probability In generale per la probabilità di fuori servizio si ha P out E b = Pr µ 2 I0 +λσn I N = user 1 krx, 0 k k G ρ ν spread k = 1 R = k in cui il contributo relativo all interferenza vale P N G interf spread E b N interf N 1 user = ρkν E b k = 1 k P k, rx R k

53 Outage Probability - Uplink Pertanto per un livello di QoS assegnato si ha E N >µ E +λσ interf 2 b b N Gspread E b µλσ > N 1 µ G 2 N interf spread Poichè E b = G Ant Ant Tx G Rx γ R G Spread T c P Tx P Tx > T R γ µ 2 1 λσn Ant Ant c GTx GRx Gspread µ Ninte rf si ha

54 Outage Probability P Tx > 2 1 R γ µ λσ N Ant Ant c GTx G Rx G spread µ N interf T Quindi una riduzione della potenza media richiesta può essere ottenuta Diminuendo la rumorosità del ricevitore Aumentando il guadagno d antenna (DBF) Migliorando le prestazioni del ricevitore ricorrendo alla diversità (in spazio, in polarizzazione, in angolo, DBF) Riducendo il numero efficace di interferenti tramite Alto grado di settorializzazione delle celle (DBF) Riduzione dell interferenza residua tramite algoritmi di rivelazione congiunta Aumentando il fattore di espansione min W G = G picco Spr = f W Spread ead medio b fb

55 Fattori chiave: diversità Migliora le prestazioni del ricevitore in presenza di cammini multipli Può ridurre l effetto dell interferenza Diversità in spazio: a causa della correlazione spaziale del fading dovuto ai cammini multipli è necessaria una diversità in spazio paria ad almeno ¾ λ (difficile da realizzare su terminali portatili) Diversità di polarizzazione: uso contemporaneo della polarizzazione orizzontale e verticale per ottenere una coppia di segnali affetti da rumori e distorsioni indipendenti senza separazione spaziale. Diversità in angolo: due o più fasci sono impiegati simultaneamente

56 Fattori chiave: signal tracking Inseguimento della posizione del mobile: determinazione della direzione d arrivo del segnale desiderato tramite phased arrays per determinare quale fascio utilizzare ed aggiustarne i pesi in modo da massimizzare il rapporto segnale/(interferenza + rumore) in uscita. Disponibili algoritmi basati su MUSIC o ESPRIT Sono necessari miglioramenti per renderli più robusti rispetto alla dispersione angolare e migliorarne la risoluzione Per antenne adattative sono necessari miglioramenti degli algoritmi di inseguimento del sottospazio, poiché l incremento del ritmo binario comporta l incremento dell ordine dell equalizzatore, con conseguente incremento delle sequenze di addestramento e maggiore sovraccarico.

57 Uso del DBF in UMTS: uplink In Up Link i canali dati DPDCH sono trasmessi congiuntamente all informazione necessaria per adattare il ricevitore alle caratteristiche del canale. DPDCH Data N data bits T slot = 2560 chips, N data = 10*2 k bits (k=0..6) DPCCH Pilot N pilot bits TFCI N TFCI bits FBI N FBI bits TPC N TPC bits T slot = 2560 chips, 10 bits Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14 1 radio frame: T f = 10 ms RACH Data Data N data bits Control Pilot N pilot bits T slot = 2560 chips, 10*2 k bits (k=0..3) TFCI N TFCI bits

58 UMTS: Down Link I canali fisici trasmessi contemporaneamente trasportano sia i canali logici relativi alle informazioni d utente (dati) sia i canali di per adattare il ricevitore alle caratteristiche del canale (Common Pilot Channel) Ch 1 Ch 2 G 1 ΣΣ Ch M G 2 P-SCH ΣΣ G M S-SCH G P G S

59 CPICH Common Pilot Channel Il CPICH è un canale fisico di downlink con una velocità costante pari a 30 Kbps e con uno SF=256. Vi sono due tipi di Canale CPICH: P-CPICH ovvero Primary Common Pilot Channel S-CPICH ovvero Secondary Common Pilot Channel Pre-defined symbol sequence T slot = 2560 chips, 20 bits = 10 symbols Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14 1 radio frame: T f = 10 ms

60 UMTS: Down Link D 2dl,n (t) m(t) S P C SF (t) j codice di canalizzazione codice di scrambling Numero di canali Trasmissione P-CPICH unico primario 1 Intera cella S-CPICH arbitrario con SF=256 Primario o uno dei 15 secondari 0,1, o più intera cella o parte di essa

61 Downlink: Scrambling code Numero complessivo = 262,143 (numerati da 0 a 262,142) Impiegabili 512 insiemi composti da 1 codice primario [n=16i (con i=0 511)]. 15 codici secondari [n=16 i+k, ( k=1 15)]. A ciascuna cella è allocato uno ed un solo codice primario. Uso Solo primario Primario secondario CCPCH primario, CPICH primario, PICH, AICH, AP-AICH, CD/CA-ICH, CSICH e S- o Canali CCPCH rimanenti (con PCH)

62 Canali logici Broadcast control channel (BCCH) carries system and cell specific information Paging channel (PCH) for messages to the mobiles in the paging area Forward access channel (FACH) for massages from the base station to the mobile in one cell. In addition, there are two dedicated channels: Dedicated control channel (DCCH) covers the two dedicated control channel stand-alone dedicated channel (SDCCH) and associated control channel

63 Canali fisici