CAPITOLO 3 EVOLUZIONE DEI SISTEMI CELLULARI DAL TACS ALL UMTS

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1 CAPITOLO 3 EVOLUZIONE DEI SISTEMI CELLULARI DAL TACS ALL UMTS 3.1 EVOLUZIONE DEI SISTEMI CELLULARI Nel campo della comunicazione wireless si individuano successive generazioni di sistemi che si distinguono in base ad un particolare salto di qualità, o di prestazioni, o di tecnologia. Nel campo specifico della comunicazione radiomobile è considerato sistema radiomobile di prima generazione l europeo TACS (Total Access Comunication System), caratterizzato da un interfaccia radio di tipo analogico. La seconda generazione nasce dalla forte necessità di un utilizzo più efficiente delle risorse spettrali e dal desiderio di utilizzare nuove tecnologie numeriche: ETSI in Europa standardizza GSM (Global System for Mobile Communication). Oltre che dal trattamento numerico della fonia, la seconda generazione è caratterizzata da maggior riservatezza e protezione dell informazione e da una migliorata efficienza spettrale. La prima e seconda generazione sono state progettate principalmente per utilizzo fonico, ma offrono anche servizi di trasmissione dati a bit-rate piuttosto limitati. La terza generazione cellulare si sviluppa come evoluzione del GSM, studiata per permettere la convergenza tra mondo del radiomobile e mondo Internet: in Europa questo scenario viene indicato con il termine UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). 3.2 CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEL TACS In Italia lo standard TACS (Total Access Communication System) è stato adottato a partire dall aprile del 1990 da SIP. La tecnica di accesso multiplo utilizzata è la di SCPC FDMA (Single Channel Per Carrier Frequency Division Multiple Access). Opera nella banda dei 900 MHz. Le soluzioni tecniche riguardanti le 47

2 stazioni radio, le centrali di commutazione e le relative interfacce sono individuate su base nazionale, dato che lo standard offre specifiche solo nei confronti del terminale radiomobile e dell interfaccia tra questo e la stazione radiobase. 3.3 SISTEMI DI SECONDA GENERAZIONE: GSM Nel 1982 la CEPT (Conference of the European Postal and Telecommunication Administrations) istituì il comitato tecnico denominato GSM (Global System for Mobile Communications) con lo scopo di sviluppare un sistema di telecomunicazione radiomobile da applicare su base europea. Nel luglio del 1991 in Finlandia viene messa in campo la prima rete GSM. Il GSM in Italia fu introdotto il 1 Ottobre 1992 e, grazie agli ottimi risultati raggiunti con questo standard, un gran numero di nazioni nel mondo ha deciso di adottarlo. L aspetto più innovativo introdotto dal GSM è l impiego di tecnologia numerica nell interfaccia radio che rivoluziona in modo totale le precedenti soluzioni della tecnologia analogica, con risultati ampiamente migliorativi sia in termini di efficienza spettrale, sia ai fini di una decisiva sicurezza e protezione dell informazione, sia riguardo alla resistenza a condizioni sfavorevoli di propagazione ed interferenza INTERFACCIA RADIO L interfaccia radio rappresenta l aspetto più innovativo dello standard GSM ed ha richiesto il maggior impegno di coordinamento tra le dodici Nazioni che hanno partecipato alla sua estensione. I parametri di dialogo tra l apparato radiomobile e la stazione radio base sono: - l organizzazione della trama e dei time-slot nell accesso TDMA (Time Division Multiple Access); - l organizzazione dei canali fisici; - la spartizione del segnale di informazione nei burst ; - l assegnazione dei canali di controllo. 48

3 In tabella 4 sono riassunte le principali caratteristiche e funzionalità dell interfaccia radio. FREQUENZE DI TRASMISSIONE (MHz) GSM900 up-link: down-link: DCS1800 up-link: down-link: Tabella 4 PASSO DI MODULAZIONE TECNICA DI CANALIZZAZIO ACCESSO NE MULTIPLO 200 khz GMSK 2 TDMA 8 time-slot per portante LIVELLO SOGLIA MINIMA DI RICEZIONE (dbm) MS: -102 BTS CANALI FISICI E LOGICI I canali fisici sono identificati con gli 8 time-slot della trama TDMA: ciascuno è gestito senza interferenze con gli altri ed ad esso è associato un singolo utente. I canali fisici disponibili in ogni cella corrispondono al numero di portanti radio moltiplicato per 8 time-slot. La rete necessita di canali riservati alla gestione del sistema: non tutti i canali dunque sono disponibili per il traffico generato dagli utenti. Le porzioni di spazio, ricavate sui canali fisici e finalizzate a specifiche funzioni di gestione della rete stessa realizzano una molteplicità di canali logici, con caratteristiche, tempi e funzionalità ben definite dallo standard GSM. I canali logici sono suddivisibili in due categorie: 2 La modulazione GMSK offre una distribuzione d energia spettrale particolarmente concentrata attorno alla portante, minimizzando il problema dell interferenza sui canali adiacenti. 49

4 1. canali di traffico (TCH = Traffic Channel): utilizzati per la trasmissione di informazioni generate dagli utenti, siano esse fonia o dati; 2. canali di controllo (CCH = Control Channels): utilizzati per le segnalazioni, i sincronismi ed in generale per la gestione del sistema CLASSI DI POTENZA Lo standard GSM definisce classi di potenza sia per i terminali mobili che per le stazioni radio fisse. Gli apparati MS sono suddivisi in 5 classi, in funzione della potenza che erogano a pieno regime ed inoltre sono soggetti alla funzione di controllo dinamico della potenza trasmessa (PC = Power Control). Tabella 5 Tabella 6 Terminali di utente (MS) Classe Potenza max 1 20 W +43 dbm 2 8 W +39 dbm 3 5 W +37 dbm 4 2 W +33 dbm W +29 dbm trasmettitori fissi (BTS) Classe Potenza max W +55dBm W +52dBm 3 80 W +49dBm 4 40 W +46dBm 5 20 W +43dBm 6 10 W +40dBm 7 5 W +37dBm 8 2 W +34dBm 50

5 3.3.4 LA GERARCHIA DI AREE La struttura del sistema GSM è caratterizzata da un insieme di aree territoriali diversificate da codici e gestite da strutture di esercizio gerarchiche. Figura 18 La gerarchia di aree nello standard GSM Si distinguono: BTS Area (Base Station Area ): è la singola cella, cioè l area servita da almeno un ricetrasmettitore. Area di chiamata (LA = Location Area): è l insieme di celle entro cui una MS può effettuare spostamenti senza segnalarli alla rete, dato che la sua presenza è registrata già nel VLR e quindi la rete ne conosce la localizzazione. Area di controllo (MSC Area): è l insieme delle LA gestite dallo stesso MSC e dal rispettivo registro VLR. Public Land Mobile Network (PLMN area): è realizzata con una rete di MSC interconnessi a maglia ed è l area servita da un Operatore GSM. Possono esistere una o più PLMN di tipo GSM di Operatori diversi in ogni Stato aderente allo standard GSM. Area GSM (Roaming Area): è l intera area costituita dalle singole reti di tutti gli Operatori delle Nazioni che aderiscono allo standard GSM. 51

6 3.4 SISTEMI DI TERZA GENERAZIONE: UMTS I sistemi radiomobili di terza generazione (viene usata correntemente l abbreviazione 3G) nascono dall esigenza di annullare la distinzione tra comunicazioni riguardanti fonia, immagini o dati. Si parla di servizi multimediali ai quali la gente può accedere indipendentemente dal luogo in cui si trova: è il concetto di comunicare sempre e ovunque. Le ricerche per la definizione dell UMTS iniziano nel 1988 con il programma RACE 1 (Research in Advanced Communications for Europe), segue poi RACE 2 ( ) ed infine ( ) ACTS (Advanced Communications Technologies Services). La funzionalità innovativa più conosciuta dell UMTS è sicuramente la possibilità di disporre di bit rate più elevati che possono arrivare al valore di 2 Mbit/s. Gli elevati bit-rate facilitano la fornitura di alcuni servizi quali la videotelefonia ed il downloading veloce dei dati. Per le applicazioni UMTS possono essere identificate quattro classi di traffico: - Conversazionali (servizio voce e videotelefonia); - Streaming (tecnica per il trasferimento dati sottoforma di flusso informativo costante e continuo); - Interattiva (l utente finale è online e richiede dati ad un apparato remoto, web browsing, reperimento di dati); - Background (traffico dati relativo ad , SMS, ricezione di , download di database e ricezione di record) INTERFACCIA RADIO Nell ambito degli organismi di standardizzazione, la tecnologia WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) è risultata quella più diffusamente adottata per la realizzazione dell interfaccia radio di terza generazione. Le sue specifiche sono state elaborate dal 3GGP (il 3 rd Generation Partnership Project), il progetto comune 52

7 degli organismi di standardizzazione europeo, giapponese, coreano, statunitense e cinese. Il WCDMA è un sistema a banda larga a divisione di codice (Direct Sequence Code Division Multiple Access), in cui i bit di informazione relativi agli utenti del sistema sono trasmessi su tutta la banda disponibile moltiplicando i dati d utente per una sequenza pseudo-casuale derivata dai codici di spreading. La lunghezza della parola di codice è detta Spreading Factor (SF) e determina l allargamento spettrale del segnale. Tutti gli utenti condividono la stessa frequenza portante (riuso unitario delle frequenze). La tecnologia WCDMA supporta due modalità operative: il WCDMA/TDD (Time Division Duplexing) e WCDMA/FDD (Frequency Division Duplexing). Nel primo caso (WCDMA/FDD), i segnali in up-link e downlink si trovano in differenti bande di frequenza; nel secondo caso (WCDMA/TDD) i segnali in up-link e down-link utilizzano la stessa frequenza ma sono localizzati in differenti intervalli di tempo. Per quanto riguarda le prestazioni relative alle due modalità, il TDD raggiunge velocità di dati fino a 2048 kb/s, mentre la massima velocità realizzabile con il modo FDD è pari a 384 kb/s. L interfaccia radio è stata progettata in modo che gli operatori di rete possano utilizzare soluzioni avanzate di ricevitori CDMA ad alte prestazioni (come le antenne intelligenti adattive) per aumentare la capacità e/o la copertura della rete. La tecnologia WCDMA viene pensata per appoggiarsi al GSM: perciò, per poter usare la copertura GSM come base per l introduzione del WCDMA, sono supportati gli handover tra le due tecnologie. TABELLA 7 PRINCIPALI PARAMETRI DEL WCDMA TECNICA DI ACCESSO MULTIPLO DS-CDMA CHIP-RATE 3.84 Mchip/s PASSO DI CANALIZZAZIONE MHz LUNGHEZZA DI TRAMA 10 ms N TIME-SLOT PER TRAMA 15 53

8 PRINCIPI DELLA TRASMISSIONE WIDEBAND CDMA SORGENTE VOCALE (8-13 kbit/s) 80 bit CODIFICA A CORREZIONE D ERRORE ALLARGAMENTO IN BANDA CON LA SOVRAPPOSIZIONE DI UN CODICE DI 256 CHIP (SF = 256) 150 bit bit ogni 10 ms Spreading factor (SF) = 38400/150 = 256 Guadagno di processo = 38400/80 = ALLOCAZIONE DELLE FREQUENZE UMTS Nel 1992 nella riunione planetaria il WARC (World Administrative Radio Conference) riserva due segmenti dello spettro a radiofrequenza per i sistemi di terza generazione: MHz e MHz comprendente sia i sistemi terrestri che satellitari. In Europa i primi 20 MHz di banda sono assegnati al sistema DECT (Digital European Cordless Telephone), quindi la banda esclusiva per l UMTS è compresa tra 1900 e 2025 MHz MHz e MHz Componente FDD MHz e MHz Componente TDD TDD FDD Uplink SATELLITE TDD MHz FDD Downlink 54 SATELLITE

9 3.4.3 CANALI FISICI E LOGICI I canali fisici presenti in una cella corrispondono al numero di codici che possono essere associati ad ogni utente: il limite al numero di canali è determinato dal degrado della qualità della comunicazione. UMTS prevede un unico tipo di canale logico dedicato, detto DPDCH (Dedicated Physical Data Channel), utilizzato sia in up-link che in down-link per scambiare l informazione d utente e dati di controllo tra il mobile e la rete. Il DPCCH (Dedicated Physical Control Channel), utilizzato anch esso in entrambe le tratte, porta le segnalazioni di livello fisico che non interessano i livelli superiori CLASSI DI POTENZA La suddivisione dei terminali in classi specificata nel GSM non è direttamente applicabile all UMTS; un terminale UMTS in particolare trasmette alla rete un significativo insieme di parametri che descrivono le sue caratteristiche. Nella tabella 9 è definita per ciascuna classe la potenza nominale massima in uscita per i mobili, secondo le indicazioni ETSI TS V3.9.0 ( ) pag. 11. Per potenza nominale si intende la potenza trasmessa a larga banda dall apparato d utente. Tabella 8 Power Class Nominal maximum output power Tolerance dbm (= 2 W) +1/-3 db dbm (= 0.5 W) +1/-3 db dbm (= 0.25 W) +1/-3 db dbm (= W) ± 2 db Nella tabella 10 è definito per ciascuna classe il Rated Output Power, PRAT (il livello di potenza medio per portante che il fabbricante ha dichiarato essere disponibile al connettore 55

10 d antenna) in uscita dalla Base Station, secondo le indicazioni ETSI TS V6.8.0 ( ) pag 14. Tabella 9 BS Class PRAT Wide Area BS -* Medium Range BS + 38 dbm (= 6.3 W) Local Area BS + 24 dbm (= 0.25 W) * Non c è alcun limite superiore richiesto per il Rated Output Power della wide area BS CONTROLLO DI POTENZA La presenza di un controllo di potenza preciso e veloce è probabilmente l aspetto più importante della tecnologia WCDMA, soprattutto per la tratta di Uplink. Senza questo meccanismo un singolo mobile che trasmette ad una potenza maggiore di quella prevista potrebbe mandare fuori servizio tutta una cella. Due terminali mobili che operano nella stessa banda di frequenza hanno segnali identificabili e separabili alla stazione radio base grazie ai rispettivi codici di spreading utilizzati. Se uno dei due terminali mobili è più vicino alla SRB, ad esempio MS1 si trova in prossimità della SRB e MS2 si trova ai confini della cella, MS1 potrebbe facilmente oscurare MS2 ed un ampia porzione della cella. Mediante il meccanismo di controllo di potenza ad anello chiuso (fast power control), le due potenze dei terminali mobili possono essere ricevute allo stesso livello dalla SRB. La SRB effettua frequenti stime, sulla tratta uplink, del rapporto Segnale/Interferente (SIR) e lo confronta con un valore di riferimento. Se il SIR rilevato è maggiore del SIR di riferimento, la SRB ordina al terminale mobile di ridurre la propria potenza; se invece il valore è troppo basso, la stazione radio base richiede al mobile di aumentare la propria potenza. Il ciclo misura comandoreazione è eseguito 1500 volte al secondo per ogni SRB; il controllo 56

11 di potenza ad anello chiuso è quindi in grado di prevenire ogni possibile squilibrio di potenza tra tutti i segnali che la SRB riceve SPREADING E DESPREADING Figura 19 Le procedure di spreading e despreading nei sistemi DS-CDMA Nella figura 19 sono evidenziate le principali operazioni in fase di spreading e despreading per un sistema DS-CDMA. Si assume che i dati d utente siano una sequenza di bit (di valore ±1) con bit-rate pari ad R. L operazione di spreading consiste nella moltiplicazione di ogni bit dei dati d utente con una sequenza pseudocasuale di 8 bit, detti chip (fattore di spreading pari a 8). La sequenza di dati d utente risultante ha un rate pari a 8 R (chip-rate) ed è caratterizzata dallo stesso andamento (pseudocasuale) del codice di spreading. Il segnale a larga banda ottenuto viene a questo punto trasmesso all entità ricevente mediante un canale radio. Nella procedura di despreading la sequenza di chip d utente ricevuta è moltiplicata bit a bit con la stessa sequenza di 8 chip utilizzata per effettuare lo spreading. La sequenza originale dei dati d utente è recuperata integralmente a condizione che vi sia perfetta 57

12 sincronizzazione tra il segnale ricevuto ed il codice di despreading. In seguito all aumento del rate di segnalazione di un fattore 8, si verifica un aumento equivalente della banda occupata dallo spettro dei dati d utente trasmessi in aria dopo la procedura di spreading. I sistemi CDMA, in base a tale caratteristica, vengono denominati anche a spread spectrum (a spettro espanso). L operazione di despreading riconduce il segnale d utente alla sua banda originaria, proporzionale al Rate R. Figura 20 Principi del ricevitore CDMA a correlazione In figura 20 è rappresentato il principio di funzionamento del ricevitore CDMA a correlazione. Nella metà superiore della figura è mostrata la ricezione del segnale desiderato, mentre nella metà inferiore gli effetti dell operazione di despreading su un segnale CDMA di un altro utente, ovvero quando il despreading è effettuato con un codice diverso da quello utilizzato per lo spreading. Il risultato dei prodotti tra il segnale interferente ed il codice di despreading e della loro successiva integrazione è un segnale di disturbo vicino allo 0. L operazione di correlazione amplifica il segnale desiderato di un fattore pari al fattore di spreading (in 58

13 questo caso 8) rispetto al segnale interferente presente nel sistema CDMA. Il process gain, termine con cui è denominato l effetto sopra descritto, è uno degli aspetti fondamentali dei sistemi CDMA ed è la componente che garantisce la robustezza nei confronti dei segnali interferenti e che consente di riutilizzare le stesse bande di frequenza da 5 MHz in aree geograficamente vicine. Per comprendere questo principio si può fare un esempio con i parametri reali della tecnologia WCDMA. Un servizio voce con un bit rate da 12.2 Kbit/s ha un process gain (PG) pari a 25 db PG=10 log 10 ( / ). Dopo le operazioni di despreading la potenza del segnale utile deve essere superiore di qualche decibel all interferenza ed al rumore; il rapporto tra la densità spettrale di potenza del segnale utile e quella del segnale interferente, dopo le operazioni di despreading, è indicato come E b /N 0, dove E b è l energia per bit d utente ed N 0 è la densità spettrale di potenza relativa alle interferenze e al rumore. Per i servizi voce il rapporto E b /N 0 è tipicamente di 5.0 db ed il rapporto segnale/interferente richiesto è quindi pari a 5.0 db meno il process gain, 25 db: la potenza del segnale utile può quindi essere inferiore di 20 db rispetto all interferenza o rumore bianco, ma il ricevitore è ancora in grado di demodulare e codificare il segnale. Il rapporto segnale interferente a banda larga è anche detto rapporto segnale/interferente (C/I). Oltre allo spreading, una significativa parte delle procedure di trasmissione è costituita dalle operazioni di scrambling, necessarie per separare le stazioni radio base od i terminali gli uni dagli altri. Le operazioni di scrambling sono effettuate dopo quelle di spreading, per cui non modificano la larghezza della banda del segnale e consentono di separare i segnali provenienti da sorgenti diverse. Lo scrambling permette l effettuazione dello spreading di diversi segnali tramite uno stesso codice di canalizzazione. 59

14 Channelization code Scrambling code DATA Bit rate Chip rate Chip rate Figura 21 Relazione tra operazione di spreading e scrambling ARCHITETTURA DI RETE UMTS La rete UMTS utilizza la stessa architettura già impiegata da tutti i sistemi di seconda generazione e da alcuni sistemi di prima generazione. Gli elementi di rete possono essere raggruppati in base alle loro funzionalità o in base alla sottorete alla quale appartengono. L UMTS Radio Access Network (UTRAN) è l insieme degli elementi di rete che gestisce tutte le funzionalità radio, mentre la Core Network (CN) è responsabile della commutazione e dell instradamento delle chiamate e della connessione con le reti esterne. Con il termine UE (User Equipment) si fa riferimento agli apparati d utente che si interfacciano con l utente e con l interfaccia radio della rete di accesso. Uu Iu UE UTRAN CN Figura 22 Architettura di alto livello della rete UMTS 60

15 Per quanto riguarda specifiche e standard, sia gli apparati d utente (UE) sia la rete UTRAN implementano protocolli assolutamente nuovi, progettati sulla nuova tecnologia di accesso radio WCDMA, mentre la definizione ed i protocolli della Core Network (CN) sono per la maggior parte ricavati dal GSM. Lo UE è costituito da due parti: Il Mobile Equipment (ME) è il terminale utilizzato per le comunicazioni radio. L UMTS Subscriber Identity Module (USIM) è la smart card che immagazzina e gestisce l identità del sottoscrittore, esegue gli algoritmi di autenticazione, memorizza le chiavi di autenticazione e crittografia ed alcune altre specifiche informazioni di sottoscrizione necessarie per l operatività del terminale. Core Network Iu Iu Iu RNC RNC RNC Iur Iur Node B Iub Node B Node B Uu Iub Iub UE Figura 23 Architettura di rete UMTS e relative interfacce La figura 23 mostra l architettura della rete di accesso UTRAN, delimitata da due interfacce: Uu è l interfaccia verso il terminale mobile mentre Iu connette l UTRAN alla Core Network. Gli elementi denominati Node B, simili alle BTS del sistema GSM, sono connessi attraverso un interfaccia standard (Iub) ad un RNC (Radio Network 61

16 Controller); generalmente un RNC controlla parecchi Node B. Tutti gli RNC sono interconnessi tra loro tramite un interfaccia definita Iur, non presente nel sistema GSM, necessaria conseguenza dell introduzione della tecnologia CDMA sull air interface. Un Node B sovrintende ad un insieme di celle che possono essere FDD o TDD o miste. L architettura mostra una notevole capacità di gestire la mobilità all interno dell UTRAN: sia il Node B, che l RNC sono in grado di gestire l Handover ed implementano una nuova funzione, la macrodiversità. Dato che tutte le celle operano sulla stessa portante e la rete conosce i canali su cui operano in CDMA tutti gli utenti, il terminale mobile può accedere alla rete non unicamente su una BTS, come nei sistemi TDMA, ma contemporaneamente su un certo numero di stazioni base che siano nel raggio di un collegamento con sufficiente qualità. Il mobile riceve quindi in tal modo la stessa informazione utile da più sorgenti ed alla rete rimane il compito di gestire l uno o l altro dei possibili link paralleli, in funzione della qualità del collegamento e degli spostamenti del mobile. La macrodiversità migliora dunque la qualità della comunicazione sul down-link, scegliendo ad ogni trama il segnale migliore che può provenire da celle appartenenti a Node B o RNC diversi. In up-link, il segnale trasmesso dal mobile viene ricevuto da tutte le Stazioni Base in contatto con il mobile e viene ricombinato a livello gerarchico superiore. Nei sistemi CDMA si parla di soft-handover dato che sono sempre disponibili una o più vie con qualità migliore di quella in fase di degradamento ed il passaggio dall una all altra può avvenire con commutazione seamless, senza interruzione. La macrodiversità ha riflessi positivi sulla capacità del sistema, che infatti può operare con livelli di potenza mediamente inferiori che in assenza di macrodiversità e, dato che il CDMA viene disturbato da livelli elevati e non uniformi di potenza, emerge un miglioramento della capacità complessiva della rete. 62

17 La Core Network è la componente del sistema UMTS che, attraverso le sue funzioni di commutazione e di routing, mette in comunicazione le varie sezioni della rete di accesso, rappresentata da UTRAN. Due principi hanno guidato lo studio dell architettura della Core Network prevista per UMTS. Da un lato si è cercato di riutilizzare al meglio la preesistente struttura di rete in modo da salvaguardare gli investimenti già effettuati; dall altro si è esteso l uso della commutazione a pacchetto e di protocolli IP (Internet Process). 63