Le reti Mobili Università aperta 13 feb 13 Quarta Lezione Le reti Mobili Federico Marcheselli 1
Argomenti del Corso: sistemi di comunicazione: schema a blocchi schema a blocchi di una corretta comunicazione teoria di base sulla propagazione delle onde lo spettro elettromagnetico i sistemi analogici e digitali (digitalizzazione del segnale) gli apparati per le comunicazioni radio e le antenne tipi di antenne (marconiana, stilo, yagi, telaio, parabola,ecc.) Evoluzione dei sistemi mobili dall ETACS all LTE Reti di emergenza: la Rete Radiomobile Regionale ERretre architettura della rete digitale ERretre dell Emilia-Romagna (a standard Tetra) i vantaggi della rete ERretre Programma tipologie ed utilizzo degli apparati digitali 2
Sistema di comunicazione Scopo di un sistema di comunicazione è trasmettere informazioni da una sorgente (trasmettitore) ad uno o più destinatari (ricevitore) Trasmettitore Codifica Feed-back come è costituito un sistema di comunicazione ed il processo di comunicazione Canale Ricevitore Decodifica Trasmettitore: chi invia il messaggio Codifica: operazione necessaria per preparare il messaggio all invio Canale: mezzo attraverso il quale viene inviato il messaggio Decodifica: operazione necessaria per leggere il messaggio Ricevitore: chi riceve il messaggio Feed-back: operazione necessaria per comunicare al trasmettitore l avvenuta ricezione del messaggio 3
Teoria di base sulla propagazione Le trasmissioni radio avvengono tramite le onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio prevalentemente in linea retta ma, a seconda della frequenza e degli ostacoli incontrati, possono subire riflessioni. Cosa caratterizza le onde elettromagnetiche? La lunghezza d onda O: la distanza tra una cresta e la successiva (in stretta relazione con la dimensione dell antenna); L ampiezza: il valore massimo assunto dal campo elettrico e da quello magnetico; La perpendicolarità dei campi: campo elettrico e campo magnetico sono sempre perpendicolari tra loro; La direzione di propagazione: è sempre perpendicolare sia al campo magnetico che al campo elettrico; L energia: è sempre proporzionale alla frequenza; La velocità: nel vuoto è 3x10^8 m/s (in altri mezzi varia a seconda della loro densità) 4
Lo spettro elettromagnetico Tabella delle frequenze utilizzate nelle trasmissioni via etere Lunghezza d onda= velocità della luce/frequenza di trasmissione (= c/f) 5
Lo spettro elettromagnetico Lo spettro delle onde elettromagnetiche (lunghezze d onda ed interazione con le dimensioni degli oggetti) 6
Sistemi analogici e digitali I sistemi di telecomunicazione possono essere: Analogici : trasmettono e ricevono forme d onda analogiche (segnale che varia con continità nel tempo). Un segnale analogico è caratterizzato da un andamento continuo nell intervallo di definizione: in tale intervallo esso può assumere con continuità tutti gli infiniti valori Digitali : trasmettono e ricevono segnali digitali (segnale che può assumere solo i valori Segnale analogico 0 e 1) Di seguito è riportato il processo di digitalizzazione di un segnale Campionamento Quantizzazione Codifica 7
Digitalizzazione di un segnale Per digitalizzare un segnale... CAMPIONAMENTO: si estraggono ad intervalli regolari dei campioni del segnale. La frequenza con cui si estraggono i campioni è detta frequenza di campionamento. QUANTIZZAZIONE: permette di ridurre le ampiezze del segnale, variabili in origine in un intervallo continuo, a un numero finito di valori. CODIFICA: il segnale, dopo essere stato campionato e quantizzato, viene convertito in digitale, secondo un opportuna codifica. 8
Apparati Radio ricetrasmittenti Struttura di un sistema di telecomunicazioni Radio Portatile Radio Veicolare Radio Fissa Ponte Radio 9
La Sala Radio 10
Le antenne Antenne: hanno il compito di irradiare o captare le onde elettromagnetiche. Generalmente troviamo due grandi distinzioni: antenne omnidirezionali (irradiano ugualmente in tutte le direzioni sul piano orizzontale) ed antenne direttive (irradiano in determinate direzioni). Antenna direttiva Antenna Omnidirezionale (ad esempio di una radio su una vettura) (ad esempio televisiva) Ponte Radio (tipicamente installato in zona dominante) 11
Le antenne Antenne Direttive (parabola, antenna TV, Ponti radio, etc..) parabola TV antenna TV Antenne Settoriali (copertura cellulare, etc..) parabola ponte radio 12
Evoluzione dei sistemi mobili
Comunicazione nelle reti cellulari 14
Fondamentali delle reti cellulari Reti cellulari costituite da: base station: alcune sono collegate alla rete in modo wired (es CDN, fibra ottica, etc.) altre in modo wireless (es. ponti radio); end point mobili, si trovano in celle, ciascuna associata ad una base station. Questa organizzazione favorisce il riuso delle frequenze di trasmissione in celle geograficamente distanti. 15
TACS: sistemi di prima generazione AMPS (Advanced Mobile Phone Standard), sviluppato negli USA (1979 a Chigago). NMT (Nordic Mobile Telephone), realizzato in Svezia nel 1981 e subito dopo in Norvegia, Danimarca e Finlandia. TACS (Total Access Communications System), una versione modificata del sistema AMPS, nel 1985 nel Regno Unito, introdotta poi in Italia nel 1990. ETACS (Extended TACS), che assegna 1320 canali nella banda 872-950 MHz. Caratteristiche o o o o o Singolo canale per portante Limite d utenti dovuto alle interferenze cocanale No crittografia e riconoscimento sul numero di serie del ME (possibile clonazione) No trasmissione dati Standard nazionale
GSM: sistemi di seconda generazione Nel 1982 fu creato il gruppo di studio Groupe Speciál Mobile (GSM) per siluppare un sistema radiomobile cellulare comune per tutti i paesi dell'europa occidentale. Criteri : buona qualità audio, sicurezza delle comunicazioni e bassi costi di gestione possibilità di roaming internazionale; supporto per nuovi sevizi (soprattutto dati); compatibilità con il sistema digitale ISDN. Vantaggi: più utenti per canale (Time Division Multiplexing); capacità maggiore (minor rumore ed interferenze); riservatezza, le informazioni trasmesse sono cifrate direttamente dall'apparato utente; sicurezza: l'identità del ME può essere controllata tramite un opportuno algoritmo; supporta la trasmissioni dati (il segnale vocale stesso viene digitalizzato e poi trasmesso).
GSM: cenni di architettura (1/2) (Global System for Mobile Communications) 18
GSM: cenni di architettura (2/2) Ogni cella è servita da una stazione ricetrasmittente BTS (Base Transceiver Station), che fornisce la trasmissione e la ricezione radio per e dalla stazione mobile o MS. Ogni MS consiste in un terminale mobile o ME (Mobile Equipment), e di una SIM (Subscriber Identity Module) netta distinzione tra il cellulare e i dati dell'abbonato. 19
GSM: il funzionamento (1/2) Un gruppo di più BTS (cluster) è controllato da una BSC (Base Station Controller), che si occupa del mantenimento della chiamata, ovvero controlla la gestione e distribuzione dei canali e la funzione di handover. Un gruppo di BSC è gestito da una centrale di commutazione MSC (Mobile Services Switching Center): essa costituisce il cuore del sistema radiocellulare, è responsabile dell'indirizzamento delle chiamate dalla fonte alla loro destinazione. Il MSC agisce anche come interfaccia tra la rete GSM e le reti pubbliche di telefonia e dati, e può anche essere collegato ad altri MCS sulla stesa rete e su altre reti GSM. 20
GSM: il funzionamento (2/2) Il Registro Ubicazioni Locali (HLR) contiene i dati relativi agli utenti di un gestore. Il Centro di Autenticazione (AUC) fornisce i codici per l'autenticazione e per la cifratura. Il Registro dell'ubicazione dei Visitatori (VLR) contiene e mantiene aggiornate le informazioni relative alle MS che sono presenti, nell'area da esso servita. Il Registro Identità degli Apparecchi (EIR) contiene informazioni sulle MS. 21
SIM Card La SIM card contiene: IMSI (International Mobile Subscriber Identity) una chiave segreta di autenticazione Ki un algoritmo di autenticazione (A3) un algoritmo di cifratura una lista degli operatori GSM preferenziali SMS 22
Vantaggi / svantaggi del GSM z Gestione della potenza: se riduco la dimensione delle celle aumento il numero di utenti supportati. z Gestione della larghezza di banda: più utenti su di un canale maggiore la capacità. z Gestione della mobilità e scalabilità z handover z location tracking Il numero e la dimensione delle celle dipende dal numero dei clienti in una certa zona, da rumori ed interferenze. Max 35 Km di raggio, dovuto al massimo ritardo di 233x10-6 del TDMA per comunicazioni MS-BTS-MS (233x10-6 x 3x10 5 = 70 Km) 23
FDMA FDMA (Frequency Division Multiple Access): la banda assegnata è divisa in canali centrati su una frequenza (portante) diversa per ognuno: la risorsa elementare è la portante radio. Usata nei sistemi 1G. 24
TDMA Con TDMA la banda assegnata è divisa in frazioni temporali, i time slot, che rappresentano quindi la risorsa elementare. Una tecnica mista TDMA/FDMA è utilizzata in sistemi 2G. 25
FDMA vs TDMA TDMA: I segnali sono separati nel tempo ma si sovrappongono in frequenza) FDMA: viceversa 26
2G: TDMA + FDMA Ogni canale (frame) è diviso in 8 frazioni temporali di circa 0,577 ms. Il time slot k-esimo di un frame è un canale: con il Dual Band abbiamo quindi 548 portanti e 4384 canali. 27
GPRS ed EDGE (1/2) Il GPRS, General Packet Radio Service, è un nuovo servizio non vocale, evoluzione del GSM, che permette l interconnessione reti a commutazione di pacchetto esterne a partire da un accesso wireless. Caratteristiche:. gestione flessibile ed efficiente della risorsa radio più connessioni possono condividere la medesima risorsa di rete (il canale trasmissivo). servizio connectionless sempre disponibile diversi livelli di qualità di servizio (QoS), tra cui la trasmissione da 20 a 100 Kbps i canali a pacchetto (PDCH, insieme di timeslot) sono allocati dinamicamente su richiesta tra i canali fisici GSM disponibili nella cella, da 1 a 8 time slot ad utente. Il servizio GPRS, pertanto, è molto efficiente per applicazioni con le seguenti caratteristiche: trasmissione poco frequente di piccoli o grossi volumi di dati (applicazioni interattive); trasmissione intermittente di traffico dati bursty (applicazioni in cui il tempo medio tra due transazioni consecutive è di gran lunga superiore alla durata media di una singola transazione).
GPRS ed EDGE (2/2) EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution): è nato come soluzione temporanea in USA a fronte del ritardo nell avvio della telefonia di terza generazione (UMTS) a causa del mancato rilascio delle frequenze (ancora destinate all uso militare). Non ha avuto grande diffusione in Europa. Tramite un nuovo schema di modulazione nella struttura radio GSM, l 8-PSK (il segnale digitale è diviso in gruppi di di tre bit: ognuna delle 8 possibili configurazioni è convertita analogicamente variando la fase della portante da 0 a 315 ad incrementi di 45 ), aumenta il bit rate offerto. E sufficiente aggiungere un ricetrasmettitore EDGE ad ogni cella esistente della rete GSM. Ha una capacità trasmissiva di 384 Kbps e cioè in grado di sostenere un buon segnale di videofonino.
UMTS (1/2) L Universal Mobile Telecomunications System ha come scopo quello di fornire un unico sistema in grado di supportare tutti i servizi, voce dati e video, in vari formati e combinazioni. Caratteristiche : una banda utilizzabile più larga; l interoperabilità di soluzioni base su molteplici tecnologie; l offerta di servizi multimediali ad alta velocità servizi Circuit- and Packet-Oriented diverse QoS roaming globale capacità elevate (50% popolazione mondiale) Oggi l UMTS è W-CDMA based, supporta tre modalità operazionali: direct sequence FDD (basilare per UTRA) multi-carrier FDD (cdma2000) TDD (compatibile con lo standard cinese).
Capacità di trasmissione dati: UMTS (2/2) ¾ 144 Kbps: massima mobilità e qualsiasi ambiente ¾ 384 Kbps: mobilità limitata in micro e macro celle ¾ 2 Mbps: bassissima mobilità in pico celle Il CDMA è uno schema di modulazione ad accesso multiplo basato su Spread Spectrum: gli utenti trasmettono alla stessa frequenza e nello stesso istante. La separazione è ottenuta assegnando a ciascun utente un codice (sequenza) diverso. Lo spreading moltiplica ciascun segnale con una sequenza numerica, il codice, diverso per ogni utente, in modo che in condizioni ideali, il despreading, annulli l effetto delle mutue interferenze. Il limite della capacità del sistema è dato dal livello di interferenza residua dopo l operazione di despreading. La codifica CDMA diffonde il segnale in una banda più ampia, ma il livello medio di potenza del segnale si è notevolmente ridotto. Ciò perché il livello di energia dei singoli Bit non varia con la codifica, e tale energia viene distribuita sui singoli Chip che sono in quantità ben maggiore.
LTE è l acronimo di Long Term Evolution è una recente evoluzione della telefonia cellulare e può essere considerato come una fase transitoria tra il 3G (UMTS) ed il 4G (in fase di sviluppo) nato per offrire accesso mobile a banda larga velocità download in mobilità circa 330Mb/s ed upload 86 Mb/s circa 3 volte più veloce dell UMTS in situazione di bordo cella utilizza la modulazione OFDM per il downlink e Single-Carrier FDMA per l uplink (al posto del W-CDMA dell UMTS) A differenza dell HSPA che utilizza la rete UMTS, con LTE è necessario predisporre una nuova rete dedicata
La rete radiomobile digitale ERretre è estesa su tutto il territorio della regione Emilia-Romagna
Rete Erretre: informazioni di base è una rete privata digitale a standard europeo Tetra (opera sulla banda 450 470 MHz) è appositamente concepita per i servizi di emergenza (ad esempio Protezione Civile, Emergenza Sanitaria, Polizia Municipale, Sistemi di monitoraggio ambientale, etc..)
Distribuzione dei siti sul territorio Oltre 80 siti garantiscono una copertura veicolare della regione superiore al 98%
La sicurezza come punto di forza cifratura delle chiamate (a protezione delle comunicazioni da possibili intercettazioni) autenticazione dei terminali (a protezione dall accesso in rete di apparati non autorizzati) ridondanza dei collegamenti e dei relativi apparati funzionalità avanzata di disaster recovery ed operatività dei terminali in modalità locale (fall-back)
Architettura della rete ERretre Sito I Sito L Sito N Sito A Sito O Sito M Sito B Sito C Sito P Sito F Sito D Sito E Sito Q Sito H Sito G Sito R
La copertura radiomobile
interoperabilità fra Enti/Servizi diversi sull intera regione trasmissione voce e dati anche simultanea radiolocalizzazionedegli apparati invio/ricezione di stati operativi da/verso le centrali operative attivazione di gruppi dinamici e unioni di gruppo chiamate di emergenza o a priorità (con abbattimento forzato delle chiamate attive) realizzazione di applicazioni specifiche (interrogazione banche dati, ecc..) I principali servizi offerti chiamate di gruppo ed individuali
Traffico chiamate voce
Traffico SDS (con radiolocalizzazione)