Le Reti Cellulari. Ing. Daniele Tarchi. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 1

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1 Le Reti Cellulari Ing. Daniele Tarchi Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 1 Sistemi cellulari Nei primi sistemi radiomobili ogni terminale di utente operava trasmettendo su un certo intervallo di frequenza, canale. Essendo la banda radio disponibile per tale servizi limitata, il numero di utenti contemporaneamente attivi è limitato. La svolta si ebbe con l'introduzione dei sistemi cellulari. L'idea base fu concepita negli anni '40, sperimentata negli anni '60, introdotta in sistemi commerciali negli anni '80. I sistemi cellulari applicano la tecnica del riutilizzo delle frequenze: un canale, viene utilizzato più volte in luoghi diversi sufficientemente lontani tra loro. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 2 1

2 Sistemi cellulari Il territorio da servire viene suddiviso in celle idealmente esagonali Una Base Station (BS) gestisce i collegamenti all interno di 1 cella o al massimo 3 celle MS BS Ogni BS sfrutta un certo set di canali radio, diversi da quelli utilizzati nelle celle adiacenti, per evitare interferenze. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 3 Sistemi cellulari Per ogni connessione richiesta la BS deve instaurare due distinti collegamenti: UPLINK: Mobile Base DOWNLINK: Base Mobile Collegamenti UPLINK e DOWNLINK sfruttano intervalli di frequenza distinti Es. prima assegnazione di banda GSM: UPLINK: MHz DOWNLINK: MHz MS BS Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 4 2

3 Sistemi cellulari Ciascuna cella opera con potenza ridotta e ciò consente di riutilizzare le frequenze in celle non adiacenti. Se durante gli spostamenti l'utente passa da una cella ad un'altra, è necessario che il terminale mobile si sintonizzi su una nuova frequenza, fra quelle disponibili e libere nella nuova cella. Ciò è indispensabile durante una conversazione per evitare la caduta della comunicazione; la procedura con la quale si effettua il cambio di frequenza nel passare da una cella all'altra viene detta handover. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 5 GSM (Global System for Mobile communication) Standard radiomobile di II generazione sviluppato in ambito europeo durante gli anni 80 per poter sostituire i preesistenti sistemi di I generazione limitati a poter operare solo in ambito nazionale (TACS). Requisiti richiesti al sistema: assicurare una buona qualità audio della conversazione bassi costi per i terminali e per la gestione del servizio supporto per il Roaming internazionale supporto per terminali palmari supporto per un ampio ventaglio di nuovi servizi compatibilità con il sistema digitale ISDN garantire un eccellente grado di sicurezza e riservatezza nelle comunicazioni. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 6 3

4 GSM E stata selezionata per il GSM la tecnologia digitale consente di utilizzare una frequenza per servire più utenti, tramite l'utilizzo di tecniche TDM (Time Division Multiplexing). i sistemi digitali sono meno sensibili a rumore ed interferenze. consente alto grado di riservatezza, in quanto le informazioni trasmesse sulla tratta radio possono essere cifrate direttamente dall'apparato utente. consente elevato grado di sicurezza: l'identità dell'apparato che chiede l'accesso alla rete può essere controllata tramite l'applicazione di un opportuno algoritmo e di una chiave di autenticazione segreta. consente di effettuare trasmissioni dati (il segnale vocale stesso viene digitalizzato e poi trasmesso). Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 7 GSM Il metodo di accesso è un misto FDMA/TDMA FDMA: l intervallo viene suddiviso in sottointervalli, ognuno disponibile per una singola trasmissione Time Frequency FDMA/TDMA: sullo stesso sottointervallo (200 khz) si possono trasmettere fino ad 8 utenti utilizzando slot temporali differenti. Time Intervallo di frequenza riservato per il servizio radiomobile Banda del canale GSM = 25 KHz Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 8 4

5 GSM f... Frame Banda 200 khz SLOT t 156,25 bit / 0,577 ms Gli slot sono riempiti con i bit informativi codificati Ciclicamente ogni 13 frame 1 slot viene utilizzato per i bit di controllo Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 9 GSM Servizi offerti: Servizio voce Servizio dati Velocità massima di trasmissione 9,6 kbps con codifica classica Recentemente la codifica di canale è stata migliorata, riducendo la quantità di dati necessari alla correzione degli errori e consentendo di avere velocità di trasmissione fino a 14.4 kbps Rete a commutazione di circuito L utente sfrutta lo stesso canale (portante radio e slot temporale) per tutta la connessione, resource reservation La tariffazione avviene in base alla durata della connessione, a prescindere dal fatto che si scambino dati oppure no. Telematica nei Sistemi di trasporto - L

6 GSM Negli ultimi anni si è assistito ad un forte incremento nella richiesta del traffico dati. Il GSM evidenzia limiti nella trasmissione dati: La commutazione di circuito: è l'ideale nel caso in cui due utenti si scambino una mole significativa di dati (in caso di trasferimento di file). Essa non è indicata, invece, nel caso in cui la quantità di dati sia modesta o il traffico dati sia interattivo (ad esempio la navigazione di internet tramite World Wide Web). Velocità di trasmissione troppo limitata Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 11 Miglioramenti previsti per i servizi dati su GSM Connessioni ISDN Riduzione dei tempi di instaurazione della chiamata di circa 5 s HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) TRASPARENTE Da 1 a 8 slot allocati in maniera statica per ogni utente NON TRASPARENTE Fino a 4 slot allocabili per ogni utente, diversi per uplink e downlink Canali allocati e rilasciati dinamicamente in base al traffico della cella GPRS (General Packet Radio Service) Telematica nei Sistemi di trasporto - L

7 GPRS (General Packet Radio Service) introdotto dall'etsi (European Telecommunication Standard Institute) per la fase 2+ del sistema GSM il servizio GPRS consente la trasmissione a commutazione di pacchetto. una volta che un pacchetto é stato trasmesso sull'interfaccia radio, vengono rilasciate le risorse, che possono essere così utilizzate da qualche altro utente. Il pacchetto successivamente viene rilanciato di nodo in nodo verso la sua destinazione finale. Nei servizi GSM le risorse sono gestite secondo la modalità resource reservation, ossia sono impegnate fino al momento in cui la richiesta di servizio non é stata espletata. Nel GPRS, invece, si adotta la tecnica del context reservation le risorse radio sono effettivamente richiesta solo quando c'è la necessita di inviare o ricevere dati. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 13 GPRS Il servizio GPRS é rivolto ad applicazioni che esibiscono le seguenti caratteristiche: trasmissione poco frequente di piccoli o grossi volumi di dati (ad esempio applicazioni interattive) trasmissione intermittente di traffico dati bursty (es. accesso ad internet usando il WWW (World Wide Web)) La commutazione a pacchetto offre i seguenti vantaggi: Poter multiplexare più connessioni su un unico canale trasmissivo il canale diviene mezzo condiviso da più connessioni. Nessuna risorsa di rete, in questo modo, viene assegnata in maniera esclusiva Non è necessario instaurare un circuito dedicato tra mittente e destinatario, in tal modo la fase di set-up della connessione risulta essere notevolmente velocizzato Tariffazione a pacchetto (in base ai dati effettivamente scambiati). Telematica nei Sistemi di trasporto - L

8 GPRS Le differenti caratteristiche suggeriscono un sistema integrato GSM/GPRS Sulla stessa portante radio, possono coesistere simultaneamente sia time slots riservati alla commutazione di circuito, GSM classico, che time slots riservati all'uso del GPRS. L'ottimizzazione dell'utilizzo delle risorse si ottiene attraverso la condivisione dinamica dei canali riservati alla commutazione di circuito e quelli riservati al GPRS. Una chiamata a commutazione di circuito, traffico voce, ha priorità maggiore. Se necessario risorse GPRS possono essere rilasciate per servire il traffico voce. Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 15 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Durante gli anni 90 nasce l esigenza di sviluppare uno standard per telefonia mobile capace di supportare requisiti multimediali Nel 1996 ITU avvia un progetto (IMT-2000) che comprende i principali istituti di standardizzazione, con il quale definisce i requisiti minimi per una tecnologia radio di III generazione. All interno di IMT-2000 l ETSI ha proposto lo standard UMTS scegliendo per l interfaccia radio, le tecniche di accesso : WCDMA per le bande appaiate (FDD) TD-CDMA per le bande spaiate (TDD) Nel 1999 ETSI, ARIB, TTA e TTC creano una partnership (3GPP) per l UMTS, mirata all utilizzo di una Core Network che sia l evoluzione naturale di quella GSM. Telematica nei Sistemi di trasporto - L

9 UMTS ANSI ETSI ARIB + TTC TTA CWTS ITU non è riuscita a definire un unico standard a livello mondiale, si sta arrivando ad una soluzione in cui IMT2000 sarà costituita da un insieme di standard, tra cui la soluzione Europea UMTS, in grado di assicurare il Roaming mondiale attraverso terminali multimodo in grado di operare su reti diverse Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 17 UMTS - Obiettivi Fornire servizi simili alla rete fissa, specialmente multimediali e basati su Internet, con requisiti tecnici di trasmissione diversi (ritardo, tasso d errore, segretezza); Prestazioni simili alla rete fissa: velocità 2Mbit/s per clienti a bassa mobilità, 144KBit/s per clienti ad elevata mobilità; Supporto di servizi asimmetrici (web browsing, download, ) I Terminali UMTS dovranno poter operare nelle due modalità previste e come terminali GSM nelle aree non coperte; Utilizzo della tecnica CDMA per un uso più efficiente della risorsa spettrale, fattore di riutilizzo delle frequenze pari ad uno. Telematica nei Sistemi di trasporto - L

10 UMTS - Obiettivi per il rate 144 Kbps 500 Km/h 2 Mbps 10 Km/h 384 Kbps 120 Km/h Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 19 UMTS In Europa è prevista l implementazione della sola modalità di accesso WCDMA: Tutte le trasmissioni sono sovrapposte sulla stessa banda (5 MHz) Le comunicazioni contemporaneamente attive risultano sovrapporsi anche temporalmente Le varie comunicazioni possono essere recuperate in quanto criptate con un codice privato diverso per ogni utente. Il numero di codici disponibili è talmente elevato da garantire l univocità dei codici in aree interagenti. La non idealità dei codici (non perfettamente ortogonali) e le difficoltà dello scenario radiomobile impediscono l eliminazione totale dell interferenza provocata dagli altri utenti. Telematica nei Sistemi di trasporto - L

11 UMTS Power FDMA (TACS) Time Power Frequency TD-FDMA (GSM) Numero di utenti limitato dal numero di portanti radio Time Frequency CDMA (UMTS) Power Numero di utenti limitato dall interferenza mutua che si crea fra le varie connessioni Time Frequency Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 21 UMTS Per supportare al meglio traffici di diversa natura diventa centrale il problema della QoS Sono state individuate 4 possibili tipologie di traffico: CONVERSATIONAL: modella un interazione tra 2 utenti umani e presenta, pertanto, i tipici vincoli percettivi (delay sensitiveness, error tolerance); esempi: fonia, VoIP; STREAMING: modella un interazione tra l utente umano e un dispositivo, i vincoli imposti sono meno stringenti; esempi streaming video; INTERACTIVE: modella un interazione tra un utente generico e un dispositivo remoto (modello client-server) in cui è presente un request-response pattern con vincoli di sincronizzazione e di bassa BER; esempi: tutti i traffici via Web; BACKGROUND: modella l invio e la ricezione di dati da parte di un computer; presenta requisiti di BER minima ma tollera qualsiasi ritardo; All inizio di ogni connessione è possibile andare a specificare alcuni parametri Gli intervalli di variazione dei parametri sono dettati dallo standard e si differenziano a seconda della tipologia di traffico. Telematica nei Sistemi di trasporto - L

12 UMTS Bit rate massimo Bit rate garantito Ritardo di trasferimento Bit error rate residuo Conversational Streaming Interactive.... Background 30 Kbps Downlink Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 23 GSM-R Fino alla fine degli anni 90 ogni paese utilizzava un proprio sistema per le comunicazioni fra treni In particolar modo con l introduzione delle reti ferroviarie armonizzate ad alta velocità si rende necessario tale passo La scelta è ricaduta sul GSM essendo questo ormai una tecnologia consolidata e di ampio utilizzo Telematica nei Sistemi di trasporto - L

13 Requisiti ferroviari La necessità era di integrare i servizi già esistenti: Applicazioni primarie (ATC, ) Collegamento punto-punto ad alta affidabilità fra un centro manutenzione e un treno che si muove fino a 500 km/h Applicazioni secondarie (manutenzione, informazioni, prenotazioni, ) Collegamento fra treni o all interno del treno comprese chiamate di emergenza e di gruppo Servizi ai passeggeri (fax, voce, dati) Gateway verso il GSM dei passeggeri Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 25 L approccio GSM-R L approccio utilizzato è stato quello di non discostarsi dal GSM e aggiungere ove necessario opportune modifiche Prestazioni ad alta velocità Il GSM è utilizzabile fino a 250 Km/h ma in ambienti con riflessioni Nel GSM-R le riflessioni sono limitate e, con antenne a maggior guadagno, si può raggiungere 500 Km/h Si prevede anche algoritmi di handover più efficienti considerando anche che il tragitto del treno è prevedibile Automatic Train Control La copertura non è un problema poiché le linee ferroviarie sono note Si deve prevedere che tali comunicazioni abbiano maggiore priorità e che una parte di risorse siano riservate per gli handover Telematica nei Sistemi di trasporto - L

14 L approccio GSM-R Applicazioni secondarie Estensione alle chiamate di gruppo E previsto l utilizzo di più livelli di priorità con la possibilità di terminare chiamate a priorità più bassa Si deve anche prevedere un canale a set-up veloce per chiamate di emergenza Servizi agli utenti Ripetitori sui treni Telematica nei Sistemi di trasporto - L08 27 Il sistema GSM-R Utilizza le bande: MHz (uplink) MHz (downlink) Sono adiacenti al GSM pubblico Fa parte del più ampio sistema telematico ERTMS Telematica nei Sistemi di trasporto - L