I semestre 04/05 Tecnologie Radio Cellulari Reti Cellulari Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/ Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica 1 La tecnologia radio cellulare è la base di tutti i sistemi di communicazione wireless mobile Telefonia mobile, sistemi di comunicazione personale, wireless Internet Area in grande crescita negli ultimi 15 anni La tecnologia radio cellulare è stata sviluppata per incrementare la capacità disponibile per servizi di telefonia mobile su collegamenti radio Precedentemente utilizzati trasmettitori/ripetitori ad alta potenza per coprire raggi di decine di km Sostituiti da trasmettitori/ripetitori a bassa potenza per coprire aree più piccole Organizzazione di una Rete Cellulare Forma e Dimensione delle Celle 2 L area da coprire viene divisa in zone (celle) Ogni cella viene servita da una stazione base (BS) trasmettitore, ricevitore e unità di controllo La potenza del trasmettitore è tarata per coprire solo l area della cella (in genere < 100 W) Ad ogni cella viene assegnata una gamma di frequenze su cui trasmettere Celle adiacenti hanno frequenze differenti per evitare interferenze Celle sufficientemente distanti possono utilizzare le stesse frequenze 3 Le celle ideali sono di forma esagonale e di uguale dimensione Garantiscono che la BS sia equidistante dalle BS di tutte le celle adiacenti Nella realtà la forma e la dimensione dipende dalla morfologia del terreno, dalle condizioni di propagazione del segnale e dalle limitazioni sul posizionamento delle antenne
Riutilizzo delle Frequenze Parametri Caratteristici 4 Ad ogni cella vengono assegnate 10-50 frequenze in funzione del traffico atteso uno schema di riutilizzo delle frequenze consente a celle distanti di usare le stesse frequenze definisce distanza minima tra due celle con le stesse frequenze dipende dalla distanza, dalla potenza del segnale e dalle condizioni di propagazione del segnale 5 D = distanza minima tra centri di celle che usano le stesse frequenze (cocanali) R = raggio della cella d = distanza tra centri di celle adiacenti (d = 3 R) N = numero di blocchi di frequenze utilizzate N = I 2 + J 2 D/R = sqrt(3n) I, J = 0, 1, 2, 3, Esempio Schema di Riutilizzo Tecniche per Incrementare la Capacità 6 In reti AMPS (USA) le frequenze sono 395 e la distanza è 7 57 frequenze utilizzate in media in ogni cella N = 4 N = 7 N = 19 7 Aggiunta di nuovi canali Alcuni canali vengono lasciati inutilizzati per successive espansioni Prestito delle frequenze Celle congestionate prendono in prestito frequenze dalle celle adiacenti Allocazione delle frequenze fatta dinamicamente
Tecniche per Incrementare la Capacità Divisione delle celle Celle in aree ad alto traffico vengono spezzate in celle più piccole Raggio delle celle tra 6,5 e 13 km Raggio minimo di una cella 1,5 km Microcelle Celle che coprono aree più piccole Antenne poste in posizioni particolari Sezionamento delle celle Si divide la cella in settori ed ogni settore usa un sottoinsieme delle frequenze 8 La BS usa antenne direzionali 9 Architettura di un Sistema Cellulare Al centro di ogni cella c è una BS Gestisce le comunicazioni radio con tutti gli utenti mobili che si trovano nell area della cella Ogni BS è collegata ad un MTSO (Mobile Telecommunications Switching Office) In genere il collegamento è su filo L MTSO è collegato alla rete telefonica Funzioni dell MTSO connette le chiamate tra utenti mobili e tra utenti mobili e utenti fissi Alloca i canali vocali Monitorizza le chiamate per il pagamento Esegue gli handoff 10 Esempio di Architettura 11 Funzionamento di un Sistema Cellulare 1 All accensione l utente mobile seleziona il canale di controllo per il setup con il segnale migliore La BS invia continuamente segnali sul canale di setup L utente mobile esegue un handshake con l MTSO attraverso la BS L utente viene identificato e localizzato L MTSO memorizza la sua posizione
12 Funzionamento di un Sistema Cellulare 2 l utente mobile invia il numero del destinatario al MTSO sul canale di setup verso la BS aspetta che il canale di setup dalla BS sia idle L MTSO invia un messaggio di paging alle BS delle celle dove dovrebbe trovarsi il destinatario la BS ritrasmette il messaggio di paging sul suo canale di setup 13 Funzionamento di un Sistema Cellulare 3 l utente mobile riconosce il suo numero sul canale di setup e risponde alla BS Il messaggio viene passato al MTSO L MTSO deve instaurare il circuito tra sorgente e destinazione allocare il canale su cui la BS e l utente mobile devono comunicare Utenti mobili e BS si sintonizzano sul canale assegnato 14 Funzionamento di un Sistema Cellulare 4 Durante la chiamata l utente mobile può cambiare cella L MTSO deve localizzare la nuova posizione e assegnare un nuovo canale alla chiamata Per effettuare l handoff senza interrompere la comunicazione l utente effettua continuamente l operazione di setup 15 Altre Funzioni Rifiuto di chiamata (call blocking) Se tutti i canali assegnati ad una BS sono occupati la chiamata viene rifiutata L utente mobile fa un numero fissato di tentativi per avviare la connessione Interruzione di chiamata (call dropping) Se la BS non può garantire un livello minimo di forza del segnale interrompe la comunicazione e avvisa l MTSO Interconnessione fisso/mobile
Codifica del Segnale Diffusione di Spettro 16 Il segnale utilizzato nel collegamento radio tra utente e BS viene codificato utilizzando tecniche a diffusione di spettro Si trasmette il segnale in uno spettro più ampio di quello necessario Se una parte dello spettro è inutilizzabile a causa di interferenze solo una parte del segnale va persa 17 Tipo di codifica utilizzata per collegamenti wireless Utilizzata per trasmettere dati analogici o digitali con segnali analogici Distribuisce il segnale contenente l informazione in uno spettro più grande Vantaggi Rende più difficile l intercettazione Diminuisce l effetto delle interferenze e della distorsione multipercorso Consente di condividere la banda tra più stazioni (CDMA) Idea Base Schema Generale 18 modula il segnale con un segnale generato in modo apparentemente casuale (pseudocasuale) distribuisce il segnale su una banda più ampia non è possibile prevedere la larghezza di banda del segnale trasmesso Generatore di numeri pseudocasuale Algoritmo che a partire da un valore iniziale (seme) genere una sequenza di numeri Se conosco il seme posso costruire la sequenza Se non conosco il seme la sequenza sembra generata a caso 19 L input è passato ad un codificatore produce un segnale analogico con piccola larghezza di banda centrato su una frequenza fissata Il segnale viene modulato utilizzando uno spreading code Sequenza pseduocasuale di bit Il ricevente se conosce lo spreading code fa processo inverso
20 Tecniche di Diffusione di Spettro Due tecniche maggiormente utilizzate Salto di Frequenza Utilizzata da GSM e Wi-Fi Sequenza Diretta Utilizzata da UMTS 21 Salto di Frequenza La banda disponibile viene divisa in 2 k canali Ogni canale è centrato su una frequenza distinta ed ha larghezza sufficiente a trasportare il segnale Il segnale viene diffuso in un solo canale per volta A istanti fissati il trasmettitore salta da un canale ad un altro La sequenza dei canali è fissata dallo spreading code Il ricevitore deve conoscere gli istanti di cambio canale e la sequenza dei salti In Wi-Fi si cambia canale ogni 300 ms Esempio di Salto di Frequenza Sequenza Diretta utilizzo dei canali Allocazione dei canali Ogni bit da trasmettere viene rappresentato da una sequenza di bit La conversione è definita dallo spreading code La larghezza di banda del segnale prodotto è proporzionale alla lunghezza dello spreading code In genere si effettua lo XOR tra il bit da trasmettere e lo spreading code 22 23
Esempio di Sequenza Diretta CDMA Tecnica di multiplexing utilizzata in sistemi a diffusione di spettro Ad ogni stazione viene assegnato un chip code di k bit Per trasmettere 1 si spedisce il chip code, per trasmettere 0 il suo complemento Se il tasso dei dati è D il tasso dei chips è kd Es. A = (1,-1,-1,1,-1,1) B = (1,1,-1,-1,1,1), M =101 A spedisce 1-1 -1 1-1 1-1 1 1-1 1-1 1-1 -1 1-1 1 B spedisce 1 1-1 -1 1 1-1 -1 1 1-1 -1 1 1-1 -1 1 1 24 25 Decodifica Codici Ortogonali 26 Il ricevitore moltiplica ogni chip ricevuto per il chip code corrispondente In base al risultato decodifica Es: il ricevitore cerca di decodificare con il codice di A (1,-1,-1,1,-1,1) Se riceve 1,-1,-1,1,-1,1, la moltiplicazione da 6 ricevuto 1 Se riceve -1 1 1-1 1-1, la moltiplicazione da -6 ricevuto 0 Se riceve 1 1-1 -1 1 1 la moltiplicazione da 0 trasmissione relativa ad altra stazione 27 I chip code assegnati agli utenti devono essere ortogonali Moltiplicando un chip con il codice di un altra stazione il risultato deve essere 0 I chip code ortogonali sono in numero limitato Il numero dei cellulari collegati ad una stazione base non può essere superiore al numero dei chip code disponibili Nella realtà si utilizzano anche codici quasi ortogonali
28 Generazioni di Reti Cellulari Prima generazione TACS, AMPS Seconda generazione GSM Seconda generazione e ½ GPRS Terza generazione UMTS 29 Prima Generazione Utilizza due bande di frequenza differenti per trasmissione e ricezione Ogni canale ha larghezza di banda di 30 KHz ed è utilizzato da un solo utente Utilizza segnali analogici con codifica a modulazione di frequenza Il sistema prevede un numero limitato di operatori Negli USA solo 2 Tasso di trasmissione fino a 10 kbps Seconda Generazione Seconda Generazione e ½ 30 Gestisce solo dati digitali il segnale vocale viene prima digitalizzato con la tecnica PCM il collegamento radio BS-utente utilizza sempre segnali analogici Supporta multiplexing (TDMA o CDMA) trasmissioni crittate uso di codici di individuazione e correzione degli errori Rete a commutazione di circuito 31 Sfrutta stessa infrastruttura di rete ma utilizza trasmissione a commutazione di pacchetto Più adatta per trasmissione dati
Terza Generazione Obiettivi di Reti 3G Caratteristiche principali (fissate da ITU-T) Qualità della voce confrontabile con POTS Tasso di trasmissione di 144 kbps per utenti in movimento veloce 384 kbps per utenti in movimento lento 2,084 Kbps per utenti fermi configurazioni simmetriche e asimmetriche Supporto per commutazione di circuito e commutazione di pacchetto Uso più efficiente dello spettro disponibile Supporto per una ampia gamma di terminali utente Fornire comunicazioni wireless ad alta velocità per supportare voce, dati e multimedia Telecomunicazioni personali universali Un solo account per identificare una persona in un area molto vasta (nazione, continente) e accedere ad un qualsiasi sistema di comunicazione Accesso universale alla comunicazione Un solo dispositivo terminale che consente di accedere a servizi di informazione in tutti gli ambienti (strada, ufficio, aereo, casa, ecc.) 32 33 Interfacce 3G Caratteristiche Sistemi CDMA 34 Sono state proposte 5 standard alternativi per interfaccia radio Soddisfano esigenze differenti IMT-DS (UMTS, Europa) e IMT-MC (USA) W-CDMA IMT-TC TD-CDMA (upgrade per sistemi TDMA) IMT-SC TDMA IMT-FT FDMA (upgrade per DECT) 35 La larghezza di banda del segnale è di 5 MHz riduce problemi di multipath garantisce i tassi specificati nello standard assicura un numero sufficiente di canali Tasso di trasmissione dei chip variabile In funzione del tasso di trasmissione, delle limitazioni di banda e delle esigenze di controllo degli errori Utilizzo di canali a tasso differenziato L utente può utilizzare canali differenti per comunicazioni dati e voce contemporaneamente Per ogni comunicazione utilizza il canale con il tasso più adatto