COMUNICAZIONI MOBILI 1

1. COMUNICAZIONI MOBILI 1 Aldo Roveri, Lezioni dell� a.a. 2006-2007

3. Contenuti II.1 Tecniche di accesso multiplo II.2 Gestione delle risorse radio II.3 Gestione della mobilit�

4. II. Funzioni di base nelle reti mobili II.1 Tecniche di accesso multiplo

5. Accesso multiplo (1/3) Per ogni canale di comunicazione attivo, la soglia minima del rapporto C/I deve essere rispettata nella trasmissione sia da stazione radio-base a terminale mobile (down-link), sia nel verso contrario (up-link). Limitando la considerazione agli interferenti legati ad altri canali di comunicazione contemporaneamente attivi, la distinzione dell�informazione utile da quella interferente richiede l�introduzione di una chiave di canale, e cio� l�impiego di una opportuna tecnica di accesso multiplo.

6. Accesso multiplo (2/3) L�accesso multiplo, essendo applicato a comunicazioni inizializzate su base chiamata, � di tipo statico e pu� essere dei tipi FDMA, TDMA o CDMA o di tipo misto tra queste tre tecniche. I tre schemi FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Call Division Multiple Access) utilizzano con modalit� diverse le risorse nei domini del tempo, della frequenza e della potenza.

7. Accesso multiplo (3/3)

8. Sistemi TDMA/FDMA (1/2) Nel caso di utilizzazione di schemi TDMA, FDMA o misti l�interferenza isocanale � usualmente troppo forte se a produrla sono terminali mobili di celle adiacenti; non � allora possibile il riuso immediato dei canali ma si devono formare gruppi (cluster) di celle adiacenti, tra cui gli M canali contemporaneamente attivi vengono divisi, in modo che ogni canale sia utilizzato una sola volta dentro il gruppo; la geometria di base che si ripete sul territorio � allora costituita dal cluster.

9. Sistemi TDMA/FDMA (2/2) Se m sono le celle di un cluster (cluster size), ogni cella dispone di un numero n di canali dato da n = M / m ; in queste condizioni e con opportune ipotesi semplificative, si pu� dimostrare che il rapporto C/I cresce con legge monotona al crescere del numero m (come del resto ci suggerisce l�intuizione).

10. Sistemi CDMA (1/7) L�accesso CDMA appartiene alla famiglia delle tecniche a dispersione di spettro (Spread Spectrum) e costituisce uno dei principali elementi di svolta rispetto alle tecniche finora usate nella comunicazione mobile.

11. Sistemi CDMA (2/7) La formula di Shannon, C = B log2 (1+S/N) esprime la capacit� del canale in funzione della banda utilizzata (B) e del rapporto segnale/rumore (S/N), in condizioni di rumore bianco Gaussiano. Dalle variabili in gioco si pu� notare come una data capacit� di canale pu� essere raggiunta: assegnando al canale una banda stretta e perseguendo alti valori di S/N ; assegnando al canale una banda elevata ed ammettendo valori di S/N molto pi� bassi .

12. Sistemi CDMA (3/7) Il secondo caso � quello adottato nella tecnica CDMA: tutti gli utenti mobili trasmettono e ricevono sulle stesse frequenze ed ogni comunicazione percepisce tutte le altre come rumore. La discriminazione tra le diverse comunicazioni � assegnata a �codici�, in grado ognuno di caratterizzare univocamente una singola comuni-cazione. Ogni codice � usato nella fase di trasmissione sul segnale originario e in ricezione nella fase di decodifica.

13. Sistemi CDMA (4/7) In trasmissione, il segnale digitale originario b(t) viene moltiplicato per un segnale digitale a larga banda c(t) che rappresenta il codice assegnato a quella sorgente (connessione); ci� disperde il segnale originario sullo spettro disponibile. il segnale risultante viene quindi modulato e trasmesso.

14. Sistemi CDMA (5/7) In ricezione, dopo la demodulazione, il segnale viene ancora moltiplicato per il codice c(t) per recuperare il segnale originario; un rumore a banda stretta presente sul canale viene spettralmente disperso in ricezione e pu� cos� essere eliminato.

15. Sistemi CDMA (6/7) Il rapporto Rc/Rb tra la banda del segnale c(t) e la banda del segnale originario b(t) � detto guadagno di processo; esso indica il fattore di riduzione della potenza interferen-te rispetto a quella del segnale originario.

16. Sistemi CDMA (7/7)

17. II. Funzioni di base nelle reti mobili  II.2 Gestione delle risorse radio

18. Assegnazione dei canali (1/4) I singoli canali da assegnare alle celle di copertura sono individuati da una portante nel caso FDMA; da un intervallo temporale nel caso TDMA; da un codice nel caso CDMA. Nella pratica molti sistemi adottano una tecnica di accesso mista, che �, ad esempio, FDMA/TDMA nei sistemi GSM e DECT: in questo caso un canale fisico � individuato da una portante e da un intervallo temporale.

19. Assegnazione dei canali (2/4) Per i sistemi che adottano la tecnica CDMA, la banda a disposizione viene assegnata a tutte le celle, per cui tutti i mobili trasmettono sulla stessa frequenza e per tutta la durata della comunicazione; i segnali sono per� distinti tra loro perch� ai vari mobili sono assegnati codici di espansione dello spettro diversi.

20. Assegnazione dei canali (3/4) Se si assegnano rigidamente le frequenze alle celle si opera la cosiddetta FCA (Fixed Channel Allocation). Una soluzione alternativa � rappresentata dalla modalit� DCA (Dynamic Channel Allocation); la differenza sostanziale della DCA rispetto alla FCA � che ciascuna stazione radio base pu� operare su tutti i canali disponibili e non solo su un gruppo pre-assegnato; quando il terminale si aggancia ad una base, richiede l�utilizzo di un canale su cui avendo effettuato misure sulla potenza ricevuta, ha avuto modo di valutare che esiste una bassa interferenza.

21. Assegnazione dei canali (4/4) Un altro terminale, che si trovi ad una distanza tale da misurare una bassa potenza ricevuta su quel canale, potr� richiederlo ad un�altra stazione base; ne consegue che il sistema stabilisce istante per istante l�assegnazione dei canali, adattandosi automaticamente alle condizioni interferenziali anche nel corso della comunicazione. Nei sistemi futuri si prevede meno netto il confine tra FCA e DCA, nel senso che lo stesso sistema potr� utilizzarle entrambe.

22. Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (1/3) Nel sistema GSM l�handover � sempre di tipo �hard�, dove con questo termine si intende la necessit� di cambiare la frequenza portante, utilizzata dal mobile (MS) durante il passaggio da una cella all�altra;

23. Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (2/3) il terminale mobile non pu� collegarsi contempora-neamente con due diverse stazioni base (BS), trasmettendo su due portanti distinte; quindi la procedura di handover prevede sempre un breve intervallo di tempo (circa 100 ms) durante il quale la connessione MS-BS viene interrotta; tale interruzione � minimizzata grazie alla presenza, lato rete, di una doppia connessione (bridge) controllata dal Mobile Switching Center (MSC), il quale svolge una funzione di commutazione per tutta la durata della procedura di handover.

24. Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (3/3) Nel sistema DECT l�handover � ancora di tipo �hard� ma viene realizzato in maniera �seamless�, cio� senza alcuna interruzione; il terminale mobile � infatti in grado di stabilire due connessioni simultanee verso due diverse BS, realizzando cos� un bridge anche sull�interfaccia radio (oltre a quello presente, anche in questo caso, sul lato rete) e gestito dal controllore di stazione radio base.

25. Strategie di handover nei sistemi UMTS/CDMA (1/4) In un sistema UMTS CDMA, a causa dell�utilizzo da parte di tutte le BS della stessa banda di frequenza, ogni stazione mobile ha la possibilit� di stabilire, in modo semplice e naturale, connessioni in parallelo con pi� BS contemporaneamente; � sufficiente che le diverse BS coinvolte utilizzino lo stesso codice, su una stessa comunicazione in corso, per consentire la ricezione del segnale inviato dal mobile; la trasmissione simultanea verso il mobile stesso.

26. Strategie di handover nei sistemi UMTS/CDMA (2/4) Naturalmente, il terminale da un lato e il controllore di stazione radio base (RNC) dall�altro dovranno farsi carico del controllo di tali connessioni, assicurandosi, innanzi tutto, che su tutte le connessioni simultanee vengano sempre scambiate esattamente le stesse informazioni. Ogni mobile sar� quindi connesso, in un certo istante, ad un insieme di BS, detto �active set�.

27. Strategie di handover nei sistemi UMTS/CDMA (3/4) Al variare delle condizioni di propagazione, a causa, ad esempio, della mobilit� della stazione mobile, entreranno a far parte di questo insieme le BS, il cui segnale venga ricevuto sopra una soglia detta �ADD�. Al contrario, nel caso in cui il segnale ricevuto scenda per un certo margine di tempo ( in modo da evitare false transizioni , a causa di piccole oscillazioni del segnale) sotto una soglia detta di �DROP�, la BS relativa verr� eliminata dall� �active set�. Il numero massimo di BS, che possono entrare a far parte dell� �active set� dipende dal tipo di ricevitore utilizzato nel mobile.

28. Strategie di handover nei sistemi UMTS/CDMA (4/4) Questa caratteristica (peculiare dei sistemi CDMA), permette la realizzazione della funzione di macro diversit�, in cui vengono, di volta in volta, scelti i migliori blocchi di informazione ricevuti dal mobile e dallo RNC, attraverso tutte le BS coinvolte, di una particolare e molto efficace procedura di handover, detta di �soft handover�. Infatti l�handover avviene in modo automatico, attraverso la sequenza di BS che vengono via via inserite e poi rimosse dall��active set�, senza la necessit� di alcun cambiamento nella ricezione o nella trasmissione da parte del mobile o delle BS.

29. II. Funzioni di base nelle reti mobili  II.3 Gestione della mobilit�

30. La gestione della mobilit� (1/2) Si descrivono brevemente le principali caratteristiche funzionali delle procedure di localizzazione e di paging del sistema GSM che possono essere considerate rappresentative degli attuali meccanismi per individuare in modo continuo la posizione dell�utente mobile; reperire quest�ultimo in caso di chiamata rivolta al mobile stesso.

31. La gestione della mobilit� (2/2) La localizzazione consente alla rete di conoscere istante per istante l�area di chiamata in cui si trova la stazione mobile. Tale informazione � aggiornata ogni qualvolta si verifica un passaggio di confine tra aree di localizzazione diverse, definite da insiemi fissi e disgiunti di celle.

32. Aggiornamento della localizzazione (1/5) La procedura di aggiornamento della localizzazione � originata dalla stazione mobile in tutti i casi nei quali la stazione mobile, attestata al canale diffusivo di una data cella, si sposta sul canale equivalente di una cella appartenente ad un�area di localizzazione diversa da quella a cui apparteneva la cella precedente.

33. Aggiornamento della localizzazione (2/5) L�indicativo dell�area di localizzazione � rilevato dalla stazione mobile attraverso la lettura di un messaggio di sistema presente sul canale diffusivo della nuova cella. La stazione mobile confronta tale indicativo con quello memorizzato precedentemente e se lo trova diverso inizia la procedura di aggiornamento.

34. Aggiornamento della localizzazione (3/5) Non appena il terminale mobile registra un cambiamento di localizzazione, esso effettua un accesso alla nuova stazione radio-base: se l�accesso va a buon fine, la stazione base assegna al mobile un canale di segnalazione; su tale canale la stazione mobile invia una richiesta di aggiornamento della localizzazione; in base a questa richiesta, il centro di commutazione � in grado di compiere le opportune operazioni verso i registri di localizzazione.

35. Aggiornamento della localizzazione (4/5) In genere si richiede l�autenticazione del terminale mobile soltanto quando il cambio di localizzazione coincide con il passaggio tra aree controllate da centri di commutazione diversi.

36. Aggiornamento della localizzazione (5/5) Normalmente, nei sistemi cellulari di concezione avanzata, � presente una procedura di registrazione periodica, innescata dallo scadere di una temporiz-zazione. Essa ha la funzione di confermare l�informazione relativa alla posizione del mobile (area di chiamata) ed in particolare modo di ripristinarla nel caso in cui si sia verificata una perdita di informazione nei registri di localizzazione.

37. Evento di paging Alle aree di localizzazione in genere corrispondono quelle di �paging� all�interno delle quali l�utente viene chiamato nel caso di chiamata entrante nel sistema cellulare. In questa eventualit�, la centrale, che controlla l�area di localizzazione in cui il mobile � registrato, comanda a tutte Stazioni Radio Base dell�area stessa (celle) di irradiare il numero dell�utente chiamato. L�evento di �paging� innesca la procedura attraverso cui il mobile si connette con la rete.