Telefonia Wireless

SISTEMI TELEFONICI WIRELESS

Introduzione

Comunicazione tra utenti mobili -> cavi sostituiti da onde radio.

Multiplazione tra tantissimi canali full-duplex-> sviluppi tecnologici

Telefonia cellulare analogica TACS; E-TACS

Telefonia cellulare digitale GSM

Telefonia satellitare (digitale)

TELEFONIA ANALOGICA CELLULARE

Sistemi di I generazione

Negli anni '70 si é cominciato in Italia a studiare un servizio di telefonia radio-mobile suddiviso in servizio radio mobile di avviso (SRMA), e servizio radio mobile di comunicazione (SRMC).

L'SRMA era un servizio di avviso di chiamata dove un utente provvisto di apparato radio ricevente mobile riceveva un segnale acustico in caso di chiamata. La comunicazione doveva poi avvenire da un normale apparecchio telefonico fisso.

L'SRMC era il primo precursore del telefonino; l'utente mobile alzando la cornetta dell'apparato azionava una ricerca automatica di un canale radio disponibile se la ricerca aveva esito positivo l'apparecchio rispondeva con il segnale libero ed inviava una segnalazione radio all'RX della centrale (SRB Stazione radio base). Tale stazione tramite linea dedicata rimandava la segnalazione al centro di conversazione CCV che aveva funzione di richiedere il numero dell'apparato mobile per identificare l'utente ed addebitargli la chiamata (addebito all'apparato chiunque lo stia utilizzando); richiedere il numero telefonico desiderato per innoltrarlo alla PSTN

Il sistema permetteva la comunicazione automatica MS->PSTN ma non viceversa (Chiamare il 119 e parlare con un centralinista)

Sistema a 160 MHz (VHF) 32 canali full-duplex modulati FM (25 kHz intercanale) per ciascuna area di servizio.

Problemi:

Pochi canali

Degrado conversazione nel passaggio tra aree di servizio

Chiamata automatica unidirezionale (nella stessa area di servizio)

Sistemi di II generazione

RTMS 450 (TACS = Total Access Communications System)

Per incrementare il traffico si é introdotta la tecnica della copertura cellulare.

Invece di utilizzare un singolo TRX di grande potenza con n canali in una data area di servizio (cluster) si suddivide tale area in m celle utilizzanti ciascuna un sott'insieme n/m di tali canali in modo che cellule adiacenti di uno stesso cluster non abbiano mai le stesse frequenze di canale, ma celle disgiunte possano riutilizzare gli stessi canali (tecnica del riuso).

	Singola area di servizio	Sistema cellulare
vantaggi	Un solo impianto	incremento canali impianti poco potenti
svantaggi	impianto potente pochi canali gestione traffico tra aree	complessitá sistema frequenti passaggi tra celle

Il problema del passaggio tra due celle adiacenti di una stazione mobile (MS) viene risolto con la tecnica dell'hand-off.

Quando la MS si trova in una zona di confine il segnale rispetto la relativa SRB di cella si degrada: automaticamente si avvia una ricerca di un canale forte della successiva SRB

RTMS 900 (E-TACS)

La necessitá di realizzare nuove funzioni e servizi tra cui l'hand-off tra centrali, ha portato alla realizzazione del sistema RTMS 900 operante nelle UHF (900 Mhz).

Vantaggi:

Maggiori disponibilitá di banda

Miniaturizzazione componenti elettronici (piccoli telefonini).

Lo standard adottato da diversi paesi europei é l'E-TACS (Extended Total Access Communication System) e si basa su 4 parti:

MSC (Mobile Service Switching Centre) = Centro di commutazione del servizio radiomobile; interfaccia tra sistema radio e rete telefonica e gestice la connessione cellulere.

SRB = stazione radio base rappresenta il sistema radio che collega l'apparato mobile. Piú SRB determinano l'area di servizio di un MSC collegandosi in analogico o numerico.

MS (Mobile Station) = é il telefonino (interfaccia rete-uomo); una sorta di Walkie-Talkie.

AXE = centrali telefoniche che fanno parte della rete PSTN.

In conclusione la MS cellulare analogica altro non é che una semplice RTX ed il sistema di multiplazione canali é totalmente di tipo FDM.

TELEFONIA DIGITALE CELLULARE

Introduzione alla tecnologia digitale

Nelle reti cellulari le risorse spettrali dell'unico mezzo trasmissivo condiviso (etere) sono limitate per 2 motivi:

mezzo trasmissivo "costante" se banda limitata;

ogni nazione necessita di banda per cui organismi internazionali assegnano una quantitá definita di spettro radio.

Incremento di traffico nella telefonia wireless => esigenze di banda => sfruttare al meglio la banda disponibile => tecnica di multiplazione TDM.

Il sistema GSM (Global Mobil System) attua un mix tra tecniche FDM e tecniche TDM al fine di utilizzare efficientemente lo spettro.

La banda disponibile di 25 MHz viene suddivisa (FDM) in 124 canali di 200 kHz.

In ogni cella si utilizzano 62 canali up-link e 62 canali down-link lasciando quindi 200 kHz di interbanda.

Ciascuna portante viene modulata digitalmente (alla velocitá di 271 [kbit/s]) suddividendola nel tempo in 8 canali TDM definiti come time slot. 8 time slot sono un Frame TDMA.

Ogni sottocanale allora é definito dalla sua frequenza portante (indicata dall'Absolute Radio Frequency Channel Number ARFCN) e dal suo numero di Time Slot.

Ogni utente quindi trasmette per un brevissimo tempo una raffica di dati trasmissione burst.

Stuttura rete GSM

L'architettura di rete GSM si compone di quattro parti principali:

MS = Mobil station = é il terminale DTE e svolge funzione di interfaccia: rete-uomo;

rete-altri DCE (PC, FAX, ...).

prevede due modi di funzionamento:

Idle: ascolta ma non ha un canale;

Dedicated Mode: canale bidirezionale.

Il "telefonino" puo essere scomposto nelle due parti:

Mobile Equipment = l'apparecchio portatile;

Smart Card (Sub Scriber Identity Mudule) = registra le informazioni relative all'utente identificando l'utente (cioé l'utente é la sua SIM card non il suo telefonino).

BSS = Base Station Subsystem = insieme dei dispositivi che realizzano la trasmissione di tipo cellulare. Si compone di tre unitá:

BTS = base transciever station: in contatto con la MS attraverso l'air interface realizza la codifica; interlacciamento; criptazione; adattamento di data rate; modulazione; amplificazione di potenza; e trasmissione ad RF mantenendo sincronismi tra MS e BTS, e realizzando alcune misure sulla qualitá del canale.

BSC = Base Station Controller = configura e dirige l'air interface da un lato, e dal altro accede agli switches della NSS attraverso il TC. Controlla la collocazione del traffico di piú BTS connessi in base alla qualitá del canale che i vari BTS hanno misurato.

Gestisce il paging, l'hand-over, ed il frequency hopping, (per evitare la cancellazione del segnale per cammino multiplo si decide di trasmettere saltando su un'altra frequenza).

Partecipa alla gestione interfaccia BSC-MSC.

TC = Transcoder = gestisce la codifica\decodifica e l'adattamento di bit rate (16 - 64 [kbit/s]). Puó essere installato nel BTS come nel BSC o MSC.

NSS = Network and Switching Subsystem = Gestisce la comunicazione della rete GSM con altre reti ed é composta da 2 parti piú una opzionale:

1) Exchange Subsysterm:

MSC = Mobil-Services Switching Centre;

SMSC = Short Message Services Centre.

2) Subscriber and Terminal Equipment Database:

VLR = Visitor Locater Register;

HLR = Home Locater Register;

AuC = Authentication Centre;

EIR = Equipment Identity Register.

3) Voice Mail System VME (opzionale).

MSC é il "centralino" che realizza lo switching ed il routing della NSS e principalmente gestisce le chiamate da e per gli utenti della rete GSM nell'area servita. Rispetto ad una normale rete telefonica si collacano le risorse radio e si effettuano le registrazioni di luogo, parametri criptazione, segnalazione multifrequency (DTM).

L'NSS ha piú MSC: sicché uno piú MSC sono designati come gateway verso altre reti attraverso la funzione Internetworking Function IWF che adatta le caratteristiche dati della rete GSM a quelle delle altre reti (ISDN, PSTN, ecc...).

SMSC é l'equivalente della MSC per i messaggi scritti (non é ancora standard) e fa uso dei canali dello stream tipo SDCCH e SACCH.

HLR é il database di rete che contiene tutte le informazioni amministrative relative ad ogni abbonato a quella rete GSM. Esso verifica se un dato servizio puó essere fornito all'utente.

L'HLR contiene in particolare due numeri:

1) MSISDN (Mobil Station International ISDN) chiamato per contattare una MS identifica un servizio di un utente e non il suo telefonino (cioé l'utente puó avere piú MSISDN per differenti servizi).

2) IMSI (International Mobil Station Identity). é unico ed é il numero identificatore della SIM Card, viene fornito (riferito al MSISDN) e registrato in HLR, AuC, e nella SIM Card all'atto della sottoscrizione iniziale.

L'HLR abilitá chiamate dirette con i MSC\VLR della service area in cui é temporaneamente presente l'utente, memorizzando gli indirizzi degli ultimi MSC\VLR visitati nelle celle precedentemente attraversate.

VLR é il data base che registra le informazioni riguardanti gli utenti temporaneamente presenti nell'area di servizio gestita dagli MSC corrispondenti e registra gli indirizzi della loro locazione in modo piú "dettagliato" del HLR.

Nelle reti GSM le celle sono raggruppate a comporre locazioni d'area. Ogni volta che una MS attraversa il confine tra due locazioni d'area o viene commutata su una differente locazione d'area rispetto quella precedentemente visitata, tenta di registrarsi attraverso una procedura di location updating ed il risultato del tentativo viene registrato nella SIM. Durante l'updating il sistema controlla, tramite l'HLR, la validitá dell'utente e se questo é autenticato ritorna le informazioni sull'utente dall'HLR al nuovo VLR.

AuC é il centro responsabile della autentificazione dell'utente contro un utilizzo non autorizzato della rete e delle funzioni di rete GSM. L'autentificazione dell'utente puó essere applicata per ogni operazione (registrazione, set-up di chiamata, attivazione\deattivazione di servizi).

Il principio di funzionamento del centro AuC é la comparazione di un numero chiave utente, Ki number, dal lato rete con il Ki number memorizzato sulla SIM Card.

L'AuC é l'elemento di rete che memorizza il Ki number del lato rete: esso contiene i parametri di criptazione ed un generatore casuale. Funzionalmente é una sottodivisione dell'HLR ma puó essere un distinto elemento di rete.

EIR é il data base che contiene le informazioni sulla MS. Quí le MS sono identificate in modo univoco attraverso il numero IMEI (International Mobile Equipment Identity).

Nell'EIR vengono realizzate 3 liste per l'IMEI:

1) la lista bianca che include il range di IMEI assegnati ai telefonini di tipo approvato;

2) la lista grigia per i terminali che per qualche motivo debbono essere tenuti sotto osservazione;

3) la lista nera che include gli IMEI degli apparecchi che debbono essere sbarrati perché rubati o seriamente danneggiati.

VMS é la casella vocale per memorizzare messaggi di segreteria (non ancora standardizzato)

OSS = Operation Subsystem = abilita l'operatore della rete a monitorare e controllare la rete GSM é l'interfaccia uomo-macchina tra l'operatore e gli elementi di rete MSC, BSC, HLR, e gli altri.

Gli elementi di rete che sono in contatto con BSS, ed NSS sono chiamati Operation & Manteinance Centre (OMC). Un OMC é costituito da una coppia di workstations connesse agli altri elementi di rete con l'incarico di dirigere il database con i dati di rete.

Una rete GSM puó includere paracchi OMC che sono interconnessi tra loro.

L'OSS abilita l'operatore a verificare la qualitá del servizio fornito agli utenti attraverso la misura dei parametri quali traffico, congestioni, interferenze, ecc... Queste analisi aiutano a trovare i colli di bottiglia e i problemi di sistema d'area. Inoltre provvede a modificare la rete una volta che la soluzione ad un problema viene trovata.

Struttura dello stream digitale e sua modulazione

Il canale base half-duplex di un utente é quello determinato fissato l'ARFCN dalla successione di un time-slot ogni 8. L'up-link ed il down-link sono spaziati di 45 MHz nelle frequenze e di 3 time-slot nei tempi in modo che TX ed RX non possano mai essere contemporanei tra loro.

Non tutti i frame TDMA sono utilizzati per il trasporto della parola (canali TCH). Vi sono canali riservati a segnalazioni di controllo (SACCH Slow Associated Control Channel) per cui la struttura si ripete perfettamente in un pacchetto composto di 26 frame TDMA della durata complessiva di 120 [ms].

Si ottiene che il burst di un canale dura 0.577 [ms] (quanto di trasmissione) che a 271 [kbit/s] corrisponde a 156.25 bit: 148 realmente trasmessi ed il tempo rimanente é il cosiddetto Time-Guard utilizzato per migliorare l'interferenza intersimbolica. Dei 148 bit disponibili 26 sono riservati a caratteri di sincronizzazione (Training sequence), 6 sono l'header di testa e coda, e 2 di separazione.

Il segnale analogico viene campionato in blocchi temporali digitalizzato ed elaborato con tecniche DSP al fine di ottenere il basso bit-rate di 13 [kbit/s]; cioé 260 [bit] in uscita al codec per ogni blocco temporale di 20 [ms] in ingresso.

Il segnale cosí compresso viene successivamente codificato e modulato con modulazione GMSK (portato in frequenza e trasmesso). Le operazioni che in sequenza vengono effettuate sono:

Codifica;

Codifica di canale;

Interlacciamento;

Cifrazione;

Modulazione.

In ricezione il "telefonino" esegue le operazioni inverse.

Un'ultima operazione é tipica degli apparecchi mobili nelle reti GSM: quello del monitoraggio ed adeguamento della potenza trasmessa. Si definiscono 8 classi di potenza ed in base al "campo" ricevuto dalla MS e dalla BTS si esegue un operazione di amplificazione del segnale RF trasmesso dalle due interfacce.

Classe di Potenza	Max Pot. MS [W]/(dBm)	Max Pot. BS [W]/(dBm)
1	20 / (43)	320 / (55)
2	8 / (39)	160 / (52)
3	5 / (37)	80 / (49)
4	2 / (33)	40 / (46)
5	0.8 / (29)	20 / (43)
6	/	10 / (40)
7	/	5 / (37)
8	/	2.5 / (34)

Altri sistemi di telefonia digitale (cenni) [C.Galli]

DCS1800 (Europa) PCS1900 (USA) simile ai corrispondenti standard GSM 900 funzionano su piú alte frequenze (1.8 ed 1.9 Ghz) e realizzano strutture cellulari a micro-celle (50-300m).Nel DCS1800 up-link1710-1785 Mhz Down-link 1805-1880 Mhz.Stazioni mobili di classe 5 (0.8 W).

DECT (Digital European Cord-less Terminal) pico celle

GPRS dati

HSCSD dati

UTP.