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Telefonia cellulare
Tratto dal Testo
Ettore Panella - Giuseppe Spalierno
Corso di Telecomunicazioni 2
Edizioni Cupido
TELEFONIA CELLULARE
1. Generalità
Si indicano con il nome di telefonia cellulare i sistemi radiomobili terrestri, in
grado di consentire telefonia, segnalazioni e trasmissione dati
utilizzando
apparecchiature portatili ed autoalimentate che ricevono e trasmettono segnali elettrici
mediante onde elettromagnetiche.
Chi utilizza tale apparecchiatura è libero di muoversi ovunque e può collegarsi con
un utente della rete telefonica generale o con un altro utente dotato di portatile.
Tipico esempio di apparecchio radiomobile terrestre divenuto un autentico
fenomeno di massa è il telefono cellulare, noto soprattutto col nomignolo telefonino.
L’affermarsi di queste apparecchiature ha determinato profondi cambiamenti nella
gestione di numerose attività: un vantaggio evidentissimo è l’immediata reperibilità
dell’utente gestore del portatile. Si pensi ad un medico, ai titolari di imprese, a uomini
d’affari o viaggiatori con cui si desidera urgentemente comunicare.
Anche per persone senza particolari responsabilità professionali il portatile può
rappresentare uno strumento importante e decisivo: si pensi alle telefonate di emergenza
in caso di necessità (auto in panne, segnalazioni tempestive di incidenti, incendi,
calamità, ecc.).
L’enorme successo di massa ottenuto dalla telefonia cellulare in questi ultimi anni è
dovuto alle solite due cause concomitanti: progresso tecnologico e basso costo.
In fig.1 si mostra lo schema a blocchi semplificato di un apparecchio radiomobile.
antenna
microfono
trasmettitore
alimentazione
altoparlante
ricevitore
Fig.1 - Schema a blocchi di un apparecchio radiomobile.
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2. Tipi di apparati
Gli apparati radiotelefonici si possono classificare nelle seguenti categorie:
• portatili;
• veicolari;
Gli apparecchi portatili sono di piccole dimensioni per cui l’autonomia e la portata
sono limitati. L’apparecchio incorpora, in un unico contenitore, batteria, antenna,
microfono, altoparlante ed i relativi stadi ricevitore e trasmettitore.
Gli apparecchi veicolari vengono installati su mezzi mobili. Le dimensioni sono
relativamente modeste. L’alimentazione è prelevata dalla batteria di bordo per cui la
potenza di trasmissione può essere relativamente elevata; è senz’altro superiore a quella
degli apparecchi portatili.
Il microfono e l’altoparlante, spesso, sono separati dall’apparecchio. L’antenna,
leggera e flessibile, è installata sulla carrozzeria del veicolo.
Nella seguente tabella 1 si riportano i valori della potenza massima consentita per
gli apparecchi GSM.
Tabella 1 – Potenza massima degli apparecchi GSM
Classe
Potenza
Tipo
1
20W – 43 dBm
Veicolare
2
8 W – 39 dBm
Portatile
3
5W – 37 dBm
Portatile
4
2W – 33dBm
Portatile
5
0.8W – 29dBm
Portatile
3. Sistemi cellulari
I primi sistemi radiomobili furono introdotti negli anni ’60 e operavano con
tecniche analogiche a modulazione di frequenza. Ricordiamo il sistema di prima
generazione RTMI (Radio Telefono Mobile Integrato) operante in banda VHF a 160
MHz e quelli di seconda generazione RTMS450 funzionante a 450 MHz e RTMS900
secondo lo standard E-TACS (Extend Total Acces Communication System) funzionante
a 900 MHz. I limiti dei sistemi radiomobili analogici sono:
• impiego di trasmettitori ad elevata potenza
• limitato numero di canali radio disponibili
• limitati servizi accessori
Nel 1982 la Conferenza Europea delle Poste e Telecomunicazioni (CEPT) istituì un
gruppo di lavoro denominato GSM (Global System for Mobile Communications) col
compito di studiare un sistema di radiotelefonia cellulare basato su tecniche digitali in
grado di adattarsi facilmente alla rete telefonica numerica.
Nel mondo, sono numerosi i gestori di telefonia cellulare che adottano lo standard
GSM e il loro numero è in continua crescita. Gli impianti di un dato gestore possono
essere utilizzati dagli altri gestori (Roaming) permettendo, così, la trasparenza delle
comunicazioni per quanto riguarda l’utente. Il Roaming permette di poter utilizzare il
telefonino sia nelle aree servite dal proprio gestore che in quelli di altri gestori dei
diversi paesi che impiegano il sistema GSM. Tra i vantaggi del sistema digitale GSM
annoveriamo:
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• la trasmissione numerica consente l’utilizzo di tecniche per la rivelazione e la
correzione di errori. Il rapporto S/N, dovuto principalmente alla distorsione cocanale nella telefonia cellulare, può essere più alto rispetto ai sistemi analogici. Ciò
permette di ridurre la distanza tra le celle aventi la stessa frequenza con conseguente
aumento del numero di canali disponibili per l’utenza;
• la trasmissione numerica consente, oltre alla fonia, la trasmissione dati con
utenti di reti telefoniche fisse (POTS Plain Old Telephone Service), reti ISDN
(Integrated Service Digital Network), reti pubbliche a commutazione di pacchetto e
di circuito basate su vari protocolli come X.25 e X.32. In particolare si può accedere
ad internet e si può trasmettere e ricevere fax, come descritto nella raccomandazione
T.30 dell’ITU-T. Per far ciò occorre un apparecchio mobile (telefonino) idoneo alla
trasmissione dati, una scheda di interfaccia PCMCIA per il collegamento al personal
computer, un cavo di collegamento e, ovviamente, il software di comunicazione;
• elevato grado di sicurezza sulla privacy grazie all’implementazione di
tecniche di crittografia sul canale radio;
• possibilità di ampliare e integrare molteplici servizi avanzati di
telecomunicazioni;
• possibilità di personalizzare l’apparecchio radiomobile con la carta SIM
(Subscriber Identity Module). È una scheda, dotata di un particolare circuito
integrato, che contiene i dati identificativi ed i codici di accesso noti solo al titolare.
Tale scheda può essere utilizzata su un qualsiasi apparecchio GSM, di modello e
marca diversi, e garantisce le stesse prestazioni e tariffazioni stipulate tra l’utente e il
gestore GSM. La carta SIM può immagazzinare i numeri telefonici più
frequentemente utilizzati. La SIM è protetta, dall’uso non autorizzato, digitando un
numero di identificazione personale PIN (Personal Identity Number). Viene fornito,
dal gestore di rete, anche un PIN2 che controlla la sicurezza delle selezioni fisse
memorizzate, la tariffazione delle chiamate e il blocco delle tastiera. Se i PIN/PIN2
sono inseriti per tre volte in modo errato la carta SIM si blocca. Per sbloccarla è
necessario digitare il codice PUK/PUK2 (PIN Unblocking Key). Se si tenta di
inserire per dieci volte un PUK/PUK2 errato il telefonino si blocca definitivamente;
• possibilità di trasmettere e ricevere SMS (Short Message Service).
L’idea di base della telefonia cellulare consiste nel suddividere il territorio in
piccole aree denominate celle gestite da una Stazioni Radio Base BTS (Base
Transcevier Station) a bassa potenza. Ciò consente di applicare la tecnica del
riutilizzo delle frequenze. Ogni BTS gestisce un numero limitato di frequenze per la
comunicazione con gli utenti che vengono riutilizzate da altri BTS in modo da poter
gestire un numero elevato di utenti con il limitato spettro di frequenza concesso alle
reti radiomobili. La sensibilità tipica di una BTS è di circa -100dBm. Si definisce
cluster l’insieme delle celle adiacenti che utilizzano le stesse portanti radio
La rete GSM occupa due bande di frequenza ognuna di larghezza 25 MHz, come
mostrato in fig.2.
UPLINK – 25MHz
890 MHz
DOWNLINK – 25MHz
915 MHz
935 MHz
Fig.2 - Bande di frequenza in una rete GSM.
Le bande si classificano:
960 MHz
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•
Up-link compresa tra 890 e 915 MHz per le comunicazioni tra apparecchio
mobile e BTS e contiene 124 canali radio da 200KHz.
• Down-Link compresa tra 935 e 960 MHz per le comunicazioni tra BTS e
apparecchio mobile e contiene 124 canali radio da 200KHz.
Normalmente la banda di frequenza assegnata per l’uplink è quella inferiore
poiché è noto che le frequenze più basse subiscono un’attenzione minore e quindi
l’apparecchio mobile può operare a potenze d’irradiazione più basse.
In questo modo si ottengono 124 canali bidirezionali poiché si utilizzano per la
trasmissione e per la ricezione due portanti diverse.
La distanza tra le portanti di uplink e downlink è detta passo di duplice vale
45MHz (935-890 = 960-915 = 45 MHz). Le 124 portanti radio si possono
determinare applicando le formule:
fuplink(n) = [890 +0.2n] MHz;
fdownlink(n) = [fuplink(n) + 45] MHz
dove n è un numero intero compreso tra 1 e 124.
Per aumentare il numero di canali è stata resa operativa anche la Extend GSM
in grado di gestire 174 canali radio da 200 KHz nelle bande 880 – 915 MHz per
l’up-link e 925 – 960 MHz per il down-link.
Per sviluppare un esempio pratico si faccia riferimento alla fig.3 che mostra un’area
urbana coperta da 49 celle. Supponiamo che la banda complessiva sia suddivisa in 7
sottobande. Pertanto, ci sono 7 celle che utilizzano il canale 1, 7 che utilizzano il canale
2 e così via. In ciascuna sottobanda sono disponibili 124/7 = 17 canali ( parte intera
della divisione). Nell’area urbana considerata vi sono un totale di 49 celle per cui il
numero complessivo di canali è pari a 833 (49 ⋅ 17 = 833).
Si comprende come la tecnica cellulare unita al metodo del riuso delle frequenza
aumenta notevolmente il numero di canali disponibili all’utenza.
Il gruppo costituito dalle 7 celle numerate da 1 a 7 viene denominato cluster.
2
7
3
6
4
5
2
7
3
4
5
6
3
4
3
4
5
3
1
6
4
5
2
7
1
6
2
7
5
2
4
5
1
6
7
3
1
2
7
1
6
2
7
1
3
1
6
4
5
Fig.3. - Suddivisione del territorio in celle per il riuso delle frequenze.
I calcoli sviluppati sono indicativi in quanto si deve tener conto che la banda
disponibile deve essere suddivisa tra i diversi operatori di telefonia mobile.
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Inoltre, si deve tener conto del fatto che il sistema GSM impiega oltre che il metodo
della divisione in frequenza della banda in 124 canali radio (FDMA-Frequency
Division Multiple Access) anche il metodo a divisione di tempo (TDMA- Time
Division Multiple Access). Ogni canale radio da 200KHz è suddiviso in 8 time slot
(Full Rate) o in 16 time slot (Half Rate). Pertanto il numero di canali disponibili diventa
992 (124⋅8) per il Full Rate e 1984 (124⋅16) per l’Half Rate.
La copertura radio è realizzata mediante antenne omnidirezionali o antenne direttive
poste nella stazione radio base. Nel primo caso la BTS è collocata al centro della cella e
l’antenna irradia in tutte le direzioni. Tale soluzione è impiegata nelle celle di grandi
dimensioni come quelle rurali extraurbane. Nel secondo caso la BTS è posta ai vertici
delle celle esagonali di fig. 3 e contiene tre antenne direttive che irradiano a 120°
ciascuna in modo da coprire tutta l’area circostante. Tale soluzione è impiegata nelle
celle di piccole dimensioni come quelle dei centri urbani.
4. La rete radiomobile GSM
La rete GSM si può ritenere costituita da un insieme di componenti hardware e
software secondo lo schema a blocchi di fig.4.
OSS
NMC
ALTRE
RETI
OMC
MS
BSS
BTS
NSS
BSC
VLR
EIR
XCDR
HLR
AUC
MSC
Fig.4 - Schema a blocchi di un sistema GSM.
Il sistema è normalmente suddiviso in quattro sottosistemi:
•
•
•
•
MS – Mobil Station
BSS – Base Station Subsystem
NSS – Network Switching Subsystem
OSS – Operation and Support Subsystem
4.1. Mobile Station
La stazione mobile rappresenta il telefonino con cui l’utente si interfaccia alla rete
GSM. È costituita dall’apparecchio telefonico (ME Mobil Equipment) e da una scheda
denominata SIM card (Subscriber Identity Module). La SIM è distinta dall’apparecchio
e viene fornita dal gestore della rete. Si inserisce nell’apparecchio e consente di
memorizzare e gestire tutte le informazioni relative all’abbonato. La SIM è costituita da
un microprocessore, tipicamente a 8 bit, e da una memoria da 8 o da 16 Kbyte di tipo
ROM ed EEPROM per il funzionamento del software fornito dal gestore.
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Ciascuna SIM card è identificata da un numero detto International Mobil Subscriber
Identity IMSI, mentre ciascun apparecchio mobile è identificato da un numero detto
International Mobile Equipement Identity IMEI cablato dal costruttore. I numeri di
identificazione IMSI e IMEI sono indipendenti tra loro.
Con la sola stazione mobile, senza SIM, si possono effettuare solo le chiamate di
emergenza.
4.2. BSS – Base Station Subsystem
È l’unità che presiede le funzioni radio come la valutazione della copertura radio
entro la cella e il sistema di antenna per la comunicazione con MS. La BSS si
interfaccia con l’MSC del sottosistema NSS, tramite canali PCM a 2Mbps. Si compone
di tre blocchi:
•
•
•
BTS Base Transcevier Station: consente il collegamento aereo tramite
antenna con MS e gestisce numerose funzioni di controllo come la ricezione
di una chiamata, la crittografia del codice binario, la misura del campo
elettromagnetico, ecc;
BSC Base Site Controller: gestisce le funzioni di controllo e di
commutazione di una o più BTS. Effettua misure sulla qualità del
collegamento per decidere l’handover a celle adiacenti. Per handover si
intende la procedura automatica attuata dal sistema GSM per trasferire una
comunicazione da una cella a quella adiacente durante i normali spostamenti
dell’abbonato. In tal modo si garantisce sempre la migliore qualità della
comunicazione.
XCDR Transcoder: gestisce la conversione dei segnali vocali numerici e
dati da trasmettere sull’interfaccia aerea nel formato stabilito dallo standard
GSM. In particolare effettua la compressione dei dati da un formato a
64Kbps a quello a 13 Kbps.
4.3. NSS – Network Switching Subsystem
È l’unità che gestisce la commutazione tra il terminale mobile e le altre reti fisse e
mobili, il controllo delle chiamate e i database per la localizzazione delle chiamate. Si
compone di cinque blocchi:
•
•
•
MSC Mobile Switching Center: rappresenta la centrale di commutazione e
pertanto gestisce la localizzazione degli utenti e l’instradamento delle
comunicazioni sia verso altri cellulari che verso apparecchi di rete fissa. Si
avvale dei database VLR e HLR per la memorizzazione delle informazioni.
Inoltre, è compito dell’MSC la gestione della tariffazione;
VLR Visitor Location Register: è il database che contiene i dati relativi agli
utente che si trovano momentaneamente nell’area gestita dall’MSC.
Individua lo stato operativo del telefonino (occupato, libero, ecc), il numero
d’identità dell’abbonato (TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identità), il
numero associato all’abbonato per il roaming con altro gestore (MSRN Mobile Subscriber Roaming Number), ecc.;
HLR Home Location Register: è il database che contiene tutte le
informazioni relative agli abbonati di un dato gestore e quelle per il
collegamento al VLR. Contiene diversi numeri per l’identificazione e
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•
•
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l’autenticazione dell’utente come il codice IMSI e i servizi supplementari
forniti;
EIR Equipment Identy Register: è il database dei codici hardware IMEI di
identificazione del telefonino. È utile per impedire l’utilizzo di telefonini
rubati o non omologati. I codici IMEI si classificano in tre liste: White,
Black e Grey. L’MSC controlla a quale lista appartiene il codice IMEI. La
lista White contiene i codici autorizzati, la Black quella relativa a telefonini
rubati, mentre nella lista Grey sono inseriti i codici dei telefonini non
autorizzati alla connessione (credito esaurito, ecc)
AUC Autentication Center: gestisce l’autenticazione degli utenti mediante
la verifica dei parametri della SIM card per evitare, ad esempio, che un
telefonino clonato passa accedere alla rete.
4.4. OSS – Operation and Support Subsystem
È l’unità che governa la gestione, l’esercizio e la manutenzione della rete GSM.
Si compone di due blocchi:
•
•
OMC Operation and Maintenance Center: è utilizzato dall’operatore del
servizio GSM per controllare e monitore il sistema. Gestisce le
configurazione dei diversi componenti (BSC, MSC, ecc), i sistemi di
sicurezza, gli allarmi, i guasti e le informazioni per la fatturazione del
traffico utente;
NMC Network Management Center: gestisce tutte le attività di controllo del
traffico dell’intera rete. Il personale dell’NMC è così in grado di avere una
visione complessiva dell’intero sistema GSM e fornire le necessarie
direttive per l’ottimizzazione del traffico.
5. Effetti dell’ambiente sulla trasmissione
Il problema più grosso che affligge la radiotelefonia è legato alla variabilità del
campo elettromagnetico generato dai trasmettitori fissi.
Infatti le cause che influenzano la propagazione delle onde elettromagnetiche
(o.e.m.) sono da ricercarsi nell’altezza ridotta dell’antenna del mezzo mobile, nei
percorsi multipli delle onde per riflessione contro edifici, colline, ecc.
Il rapporto Segnale/Rumore S/N della rete telefonica su cavo raggiunge valori di
46dB. Quando tale rapporto subisce variazioni superiori a ±4dB a causa di evanescenza
1
(fading), il sistema telefonico genera dei segnali di allarme.
Per le o.e.m. un fading di 40dB è del tutto normale ed il sistema radiomobile ne
deve tenere in conto; ciò per non vanificare le buone caratteristiche di soglia e cattura,
tipiche della modulazione di frequenza.
L’ambiente ideale per una ottima propagazione delle o.e.m. è l’aperta campagna,
pianeggiante e senza alberi.
Le variabile di cui tenere conto per la pianificazione di un sistema radiomobile
sono:
•
•
1
topografia del territorio
caratteristiche della vegetazione
Improvvisa riduzione dell’ampiezza del segnale utile.
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•
•
•
condizioni atmosferiche
edifici costruiti dall’uomo
disturbi elettromagnetici indotti
5.1. Canale radio
La portante modulata in frequenza occupa una banda di frequenza definita canale
radio.
Un canale radio può essere degradato per due cause:
•
•
rumore;
interferenza.
Il rumore è la somma di cause ambientali che generano o.e.m.: accensioni di motori,
fulmini, ecc.
L’interferenza è generata da altre trasmissioni radio e si dividono in:
•
•
interferenza di un canale adiacente;
interferenza co-canale.
L’interferenza col canale adiacente si ha quando una parte dello spettro relativo al
canale principale si sovrappone a quello del canale adiacente.
L’interferenza co-canale si ha quando due canali radio operano sulla stessa
frequenza.
Si mostrano, in fig.5, le due interferenze citate.
P(W)
P(W)
Canale 1
Canale 2
Canale 1
Canale 2
f1
f2
f(Hz)
Interferenza di canale adiacente
f1
f(Hz)
Interferenza co-canale
Fig.5 - Spettri di interferenza.
5.2. Condizioni ambientali e fisiche del territorio
La presenza di costruzioni nei centri urbani e di ostacoli come monti e colline
rappresentano delle zone d’ombra per la stazione mobile. In alcuni casi si ottiene un
fading di -20dB semplicemente transitando da una strada a quella adiacente.
Gli ostacoli presenti sul percorso delle o.e.m. provocano riflessioni. Il segnale
riflesso è notevolmente attenuato rispetto a quello diretto. L’effetto complessivo è la
ricezione di numerosi segnali con ampiezze tra loro differenti. Il fenomeno, noto come
propagazione multipath, è uno dei maggiori problemi della propagazione nei sistemi
radiomobili.
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La riflessione, però, non è un fenomeno fisico sempre negativo: esso viene
utilizzato per superare ostacoli collinari.
Le alte frequenze meglio si adattano alla riflessione. Le onde a 900MHz, ad
esempio, riescono a seguire il percorso di un tunnel, che si comporta come guida
d’onda, decisamente meglio rispetto alle onde a 160MHz utilizzate nei sistemi
radiomobili di prima generazione.
5.2.1. Diffusione ritardata
I cammini multipli portano a destinazione messaggi ritardati tra di loro a causa del
diverso percorso effettuato dai vari fasci. Nei sistemi che utilizzano le tecniche
numeriche il fenomeno provoca la sovrapposizione di un bit col successivo producendo,
così, errori di trasmissione.
5.2.2. Fading di Rayleigh
Un fascio riflesso può subire una rotazione di fase oltre che attenuazione. Nel caso
di due o.e.m. di stessa frequenza, uguali in ampiezza ma che arrivano in opposizione di
fase, il segnale ricevuto è zero. In genere la situazione reale non è così drastica ma è
sicuramente molto più complessa per la presenza di numerosi fasci riflessi.
Alcune zone del territorio, quindi, presentano zone di fader molto elevato rispetto
ad altre, distanti di soli pochi centimetri, esenti da fader.
I fader rientrano nella distribuzione di Rayleigh, di tipo statistico.
In fig.6 si mostra la rappresentazione tridimensionale della distribuzione di
Rayleigh.
I vari “buchi” sono i fader.
Fig.6 - Distribuzione di Rayleigh.
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La conformazione di questa distribuzione si genera tenendo presente che la stazione
radio base BTS è fissa e l’apparecchio mobile può spostarsi nel territorio e gli ostacoli
sul cammino delle o.e.m. generano dei fasci riflessi.
La distribuzione può modificarsi in funzione della frequenza utilizzata, dalla
dinamicità degli ostacoli (aerei, camion ed auto in movimento), ecc.
Nei sistemi cellulari si ha un ulteriore problema. Passando da una cella all’altra,
cambia la BTS collegata all’apparecchio mobile. La nuova BTS è ubicata diversamente
rispetto alla precedente per cui la distribuzione di Rayleigh del territorio è diversa.
Infatti cambia la prospettiva degli ostacoli visti dalle o.e.m. generate dalla nuova BTS.
In generale, per ridurre gli effetti del fading si utilizza la tecnica della diversità
spaziale.
Essa consiste nell'impiegare due antenne riceventi poste ad una distanza di circa
5m. I segnali ricevuti dalle due antenne hanno, statisticamente, fading diverso che può
differire anche di 10dB. Il ricevitore elabora i due segnali ricevuti generando un segnale
complessivo con un migliore rapporto S/N.
5.2.3. Effetto Doppler
Si manifesta soprattutto se la stazione mobile si muove ad una certa velocità.
Se la stazione mobile si avvicina alla stazione radio base BTS il segnale ricevuto ha
una frequenza leggermente superiore a quella trasmessa. Viceversa se si allontana.
Variando la velocità si ottiene una leggera modulazione di frequenza.
Nel caso di una stazione mobile viaggiante a 50Km/h, operante nel campo delle
UHF a 900MHz, la variazione di frequenza si aggira su 30Hz. Se l’apparato mobile
subisce repentine variazioni di velocità, si possono indurre, per effetto Doppler, segnali
udibili indesiderati.
6. Struttura dei canali GSM
Si è detto che la rete GSM occupa 2 bande di frequenza ognuna di larghezza
25MHz.
La prima è compresa tra 890 e 915 MHz e contiene 124 canali da 200KHz
ciascuno; la seconda è compresa tra 935 e 960 MHz e contiene anch’essa 124 canali da
200KHz ciascuno.
La prima banda consente la comunicazione tra l’apparecchio mobile e la stazione
radio base; la seconda, invece, consente la comunicazione opposta. In questo modo si
ottengono 124 canali bidirezionali.
La distanza tra le due portanti (passo di duplice) è di 45MHz. In questo modo è
possibile il full-duplex utilizzando, per la ricezione e trasmissione, due frequenze
portanti diverse.
La modulazione impiegata è nota come GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying);
essa è una modulazione digitale del tipo FSK a spostamento minimo di frequenza con
indice di modulazione m = 0.5. Si utilizzano due frequenze diverse per distinguere il bit
1 dal bit 0 facendo in modo che la fase del segnale portante non vari nella
commutazione dei bit.
E’ detta gaussiana perché il segnale binario con codifica NRZ, prima di subire la
modulazione, viene elaborato da un filtro di tipo gaussiano che consente di “addolcire”
le transizioni. La caratteristica fondamentale è il prodotto tra la banda passante del
filtro e la durata di un bit. Tale quantità, nella pratica, assume il valore costante pari a
0.3. In questo modo si riesce a ridurre lo spettro del segnale di uscita dal filtro.
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Telefonia cellulare
Su ogni canale radio da 200KHz si allocano 8 canali telefonici con la tecnica
dell’accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA= Time Division Multiple Access).
Il segnale elettrico analogico generato dalla capsula microfonica subisce la
conversione analogico-digitale. Ogni dato digitale è costituito da 13 bit ed è generato ad
una frequenza di campionamento di 8KHz. In questo modo in ogni secondo si
ottengono 8000·13=104Kbit. Questo flusso di dati viene ridotto a 13Kbit/sec. da un
particolare circuito codificatore-compressore in grado di non alterare le caratteristiche
del suono.
Il flusso di dati a 13 Kbps è detto bit rate di sorgente e nel tempo di 20 msec.
genera una sequenza di 13 ⋅ 20 = 260 bit denominata blocco. I 260 bit sono divisi in 3
classi di importanza decrescente:
•
•
•
classe 1a (50 bit) dal bit 1 al bit 50
classe 1b (132 bit) dal bit 51 al bit 182
classe 2 (78 bit) dal bit 183 al bit 260
molto importanti
importanti
poco importanti
I bit delle classi 1a e 1b sono elaborati, dal microprocessore interno al telefonino, in
modo da generare, complessivamente, ben 378 bit necessari per la gestione della qualità
e del controllo degli errori di trasmissione. Ai 378 bit vengono aggiunti i 78 della classe
2 ottenendo un flusso di 456 bit in 20 ms.
La velocità di trasmissione dell’informazione, nota come bit rate di canale vale:
v=
456
= 22.8 Kbps
20 ⋅ 10 −3
L’efficienza della codifica è di circa il 57% (260/456).
Questo flusso numerico è suddiviso in 8 sottoblocchi di 57 bit ciascuno (456/8=57)
ed elaborati da particolari circuiti rimescolatori (scrambler).
Ad ogni 2 sottoblocchi si aggiungono dei bit per la gestione degli errori e delle
segnalazioni ottenendo un burst (raffica di bit) della durata di 577µsec, denominato
time slot. In fig.7 si mostra la struttura del burst del sistema GSM.
3bit
57 bit
1 bit
26 bit
1 bit
57 bit
3 bit
8.25 bit
Intestazione Informativi Selezione Sincronismo Selezione Informativi Intestazione Guardia
577 µs
Fig. 7 - Struttura del burst di trama del sistema GSM.
I 3 bit di intestazione, detti tail bit (bit di coda) indicano l’inizio e la fine di
ciascun burst di trama.
I bit informativi, 57 nel secondo campo e 57 nel sesto, possono essere o di fonia o
di segnalazione.
La selezione è indicata dallo stato logico del bit S. In particolare per S=0 i campi
informativi sono di fonia, per S=1 di segnalazione.
I 26 bit di sincronismo garantiscono la formazione del collegamento e sono noti
come bit di training.
I rimanenti bit sono detti bit di guardia e generano un tempo di guardia necessario
per gestire la commutazione tra lo stato di riposo e lo stato di funzionamento. Il tempo
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di guardia corrisponde a 8.25 bit. Pertanto, ciascun time slot di 577 µsec è costituito da
156.25 bit.
Si definisce trama l’insieme di 8 time slot. La durata della trama e di:
Ttrama = 8 ⋅ 577 ⋅10-6 = 4.616 msec
La sequenza delle trame viene divisa tra più canali associando una o più trame ad
un singolo canale.
Si definisce supertrama l’insieme di 51 multitrame di traffico (1326 trame della
durata di 6.2 s) e di 26 di controllo (1326 trame della durata di 6.2 s). In tal modo viene
unificata l’organizzazione dei canali di traffico e controllo.
Si definisce ipertrama l’insieme di 2048 supertrame per un totale di 2715648
trame.
Tutte le trame vengono numerate associando a ciascuna un Frame Number FN.
La numerazione riparte da zero dopo un tempo pari a 3 ore, 28 min, 53 s e 773 ms
poiché si ritiene che una conversazione al telefonino sia minore di tale tempo tenendo
anche conto della durata della batteria di alimentazione.
Da quanto detto si deduce che un canale fisico GSM è completamente determinato
se sono note le numerazioni associate al numero di trama, al numero del time slot e a
quello relativo alla portante radio.
Le informazioni scambiate tra stazione mobile e stazione radio base sono
fondamentalmente di due tipi: fonia e segnalazioni. Si definiscono canali di traffico
quelli relativi alla fonia e canali di controllo quelli relativi alle segnalazioni.
Canali di traffico
I canali dedicati alle conversazioni sono denominati canali di traffico TCH (Traffic
Channels), e sono organizzati a gruppi di 26 trame della durata di:
TT = 26 ⋅ 4.616 ⋅10-3 = 120 msec
Tale gruppo è denominato multitrama di traffico. In fig.8 si riporta la struttura della
multitrama di traffico.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-SACCH 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-NU
Fig.8 – Multitrama di traffico
Delle 26 trame, 24 sono utilizzate per la trasmissione del traffico telefonico, la
trama 12, detta Slow Associated Control Channel SACCH, è utilizzata per la valutazione
della qualità del collegamento mentre la trama 25 non è utilizzata ed è riservata al
gestore per applicazioni future.
Canali di controllo
I canali dedicati alla gestione della comunicazione sono detti canali di controllo
CCH (Control Channels) e sono organizzati a gruppi di 51 trame della durata di:
TC = 51 ⋅ 4.616 ⋅10-3 = 235.4 msec
Tale gruppo è denominato multitrama di controllo.
Telefonia cellulare
13
I canali di controllo sono utilizzati per le segnalazioni e si dividono in:
•
•
•
BCCH (Broadcast Control Channel);
CCCH (Common Control Channel);
DCCH (Dedicated Control Channel).
Il canale BCCH porta informazioni in modo unidirezionale dalla BTS alla stazione
mobile. In particolare consente:
1. l’identificazione della BTS;
2. la regolazione della frequenza del canale (FCCH-Frequency Correction
Channel);
3. la sincronizzazione della struttura della trama TDMA e la temporizzazione
del singolo time slot;
4. le procedure per le fasi di “roaming”;
5. il Frame Number FN.
Il canale CCCH consente di rintracciare la stazione mobile chiamata da un altro
utente e di inoltrare una chiamata alla stazione radio base.
Il canale CCCH è costituto da:
1. Paging Channel (PCH). Utilizzato dalla BTS per trasferire una chiamata ad
un cellulare;
2. Random Access Channel (RACH). Utilizzato dalla MS per accedere alla
rete;
3. Access Grant Channel (AGCH). Utilizzato come canale di segnalazione
della MS;
4. Cell Broadcast Channel (CBCH). Utilizzato per trasmettere messaggi SMS
dall’operatore a tutti gli utenti.
Il canale DCCH viene utilizzato per inviare le segnalazioni di connessioni
specifiche che si realizzano sui canali di traffico TCH.
Il DCCH è costituito da:
1. Stand Alone Dedicated Control Channel (SDCCH). Utilizzato per
l’autenticazione dell’abbonato. Una volta autenticato si assegna un canale
per il traffico. Viene utilizzato anche per l’invio di messaggi SMS;
2. Slow Associated Control Channel (SACCH). Utilizzato in associazione a
SDCCH o TCH per il trasporto di informazioni aggiuntive tra stazione
mobile e BTS. Viene utilizzato anche per la ricezione di messaggi SMS;
3. Fast Associated Control Channel (FACCH). Sostituisce il canale SACCH
per la trasmissione veloce di informazioni tra stazione mobile e BTS come,
ad esempio, nell’handover tra celle adiacenti.
6.1. Frequency Hopping
Per diminuire la probabilità che eventuali bit errati si concentrino tutti nel
medesimo time slot il sistema di trasmissione provvede a cambiare continuamente la
frequenza della portante radio (cioè il canale radio utilizzato) nel passare da un burst al
successivo. Tale metodo di trasmissione è noto come frequency hopping (saltellamento
Telefonia cellulare
14
di frequenza). Il salto di frequenza non è casuale ma deve seguire determinate regole
per garantire il sincronismo nella trasmissione.
6.2. Distanza tra stazione radio base e terminale mobile
Affinché il sistema TDMA e il metodo del frequency hopping possano funzionare
correttamente è necessario che la distanza tra la stazione radio base e la stazione mobile
sia inferiore ad un determinato valore atto a garantire il perfetto sincronismo nelle
comunicazioni. È stato calcolato che il sistema funziona correttamente se il tempo t che
impiega il segnale radio per propagarsi dalla BTS a MS risulta minore di circa 115 µs.
Assumendo come velocità di propagazione quella della luce, c = 3⋅108 m/s, si
ricava che la distanza massima Dmax tra BTS e MS vale:
D max = c ⋅ t = 3 ⋅ 10 8 ⋅ 115 ⋅ 10 −6 ≅ 35Km
6.3. Servizi del sistema GSM
Per concludere la trattazione sul sistema GSM si ritiene utili riportare alcune delle
funzioni fornite dai gestori che hanno reso così popolare la telefonia cellulare.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Compatibilità tra tutte le reti e tutti i gestori che hanno aderito nel mondo al
sistema GSM. Roaming nazionale e internazionale.
Basso tasso di errore di trasmissione grazie alle tecniche di codifica
numerica;
Elevato grado di sicurezza e riservatezza nella trasmissione grazie ad un
efficiente sistema di crittografia e di autenticazione dell’abbonato;
SMS. Possibilità di inviare e ricevere brevi messaggi di testo fino a 160
caratteri. L'operatore GSM può inviare contemporaneamente a tutti o ad
alcuni gruppi di abbonati degli SMS. Tale procedura è detta Short Message
Broadcast;
Chiamate di emergenza. Un utente GSM può chiamare i numeri di
emergenza ( polizia, carabinieri, vigili del fuoco,ecc.) senza addebito.
Avviso di chiamata e tenuta della conversazione. Avverte l’utente
impegnato in una telefonata dell’arrivo di un’altra telefonata;
Sbarramento delle chiamate. Esclude alcuni tipi di chiamata;
Chiamata in attesa. Mette in attesa una telefonata per effettuarne un’altra o
per rispondere ad una chiamata che sopraggiunge;
Visualizzazione del numero chiamante Visualizza sul display nome e
numero dell’utente chiamante;
Ripetizione automatica del numero occupato;
Credito residuo. Componendo un particolare numero sul telefonino è
possibile conoscere il credito residuo disponibile. Ad esempio, il numero
4916 per TIM e *123# per WIND;
Codice IMEI. Componendo la sequenza *#06# appare sul telefonino il
codice IMEI di identificazione dell’apparecchio;
Si elencano altri servizi disponibili a richiesta:
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Telefonia cellulare
•
•
•
•
•
•
•
•
Dettaglio delle chiamate. Elenco dettagliato del traffico telefonico mensile
per gli abbonati che non utilizzano le schede prepagate;
Trasmissione dati e fax. Trasmissione di file di testo, immagini e fax ad un
telefono collegato ad un PC. Ci si può collegare anche ad Internet;
Numero chiamato più frequentemente. Con un canone supplementare
relativamente basso è possibile telefonare ad un numero di rete fissa e ad
cellulare con tariffa ridotta;
Servizio informazioni. Visualizza sul display informazioni relative al
servizio meteorologico, oroscopo, borsa, voli , ecc;
Assistenza tecnica. Contratto di manutenzione dell’apparecchio mobile;
Trasferimento di chiamata. Consente di trasferire le chiamate in arrivo ad un
altro numero telefonico o alla segreteria telefonica;
Segreteria telefonica centralizzata. Consente la registrazione delle telefonate
in arrivo quando il telefono è spento, occupato, non raggiungibile o non si
desidera rispondere;
Addebito chiamata. All'abbonato viene assegnato un numero telefonico di
un altro utente su cui caricare l’addebito del traffico telefonico.
7. DCS 1800 – Digital Cellular System
Il sistema DCS 1800 è del tutto simile al GSM. L’unica differenza consiste nella
diversa gamma di frequenza utilizzata che è di 1800MHz anziché 900MHz come nel
GSM. Il DCS rappresenta un’evoluzione del GSM per cui gli apparecchi mobili sono di
tipo dual band cioè funzionano secondo i due standard.
La frequenza più elevata consente di ottenere due fondamentali miglioramenti
rispetto al GSM:
• si superano meglio gli ostacoli per cui il DCS è particolarmente indicato
nelle aree urbane e metropolitane;
• maggior disponibilità di canali telefonici particolarmente utile nei centri
urbani;
• maggior numero di servizi offerti all’utenza.
Le celle del sistema DCS sono più piccole e quindi occorrono più stazioni radio
base per coprire la zona da servire. Anche per questo motivo il sistema si sviluppa
pressoché in ambito urbano. In fig. 9 si mostrano le bande di frequenza assegnate al
DCS1800.
UPLINK – 75MHz
1710 MHz
DOWNLINK – 75MHz
1785 MHz
1805 MHz
1880 MHz
Fig. 9. – Bande di frequenza del DCS 1800.
Il passo di duplice è di 95 MHz. Ciascuna banda contiene 374 canali radio da
200KHz (FDMA) e ciascun canale radio è suddiviso in 8 time slot (TDMA) per un
totale di 2992 ( 374 ⋅ 8 = 2992) canali fisici per l’utenza.
Alcuni telefonini possono operare in un sistema a tre bande (900, 1800, 1900MHz)
e in tal caso sono denominati tri bande. Il DCS 1900 è prevalentemente utilizzato negli
Telefonia cellulare
16
Stati Uniti con bande tra 1850 ÷1910 MHz per l’uplink e 1930 ÷1990 MHz per il
downlink.
I terminali dual band o tri band sono in grado di selezionare la rete migliore:
normalmente la GSM 1800/1900 nei grandi centri urbani e la GSM 900 nelle zone
periferiche. La commutazione è trasparente all’utente.
Tecnologia WAP
Oltre ad i normali servizi tipici del GSM i telefonini DCS1800 spesso dispongono
di un browser WAP (Wireless Application Protocol) ovvero di un software di
navigazione che consente di accedere a particolari siti internet supportati dalla rete
telefonica a cui si appartiene e con restrizioni dovute alle ridotte capacità grafiche e di
memoria dei terminali. Tipici servizi WAP sono i notiziari, le previsioni del tempo, le
notizie sportive, ecc. È possibile anche inviare o ricevere e-mail di posta elettronica
tramite un server che supporti il protocollo standard POP3/SMTP.
Per poter accedere ai servizi WAP è necessario che la scheda SIM sia abilitata e che
il telefonino sia opportunamente configurato secondo le specifiche fornite dal
costruttore. Il sistema WAP è stato sviluppato da Ericsson e Nokia basandosi su
protocolli IP ed XML.
8. Sistemi di terza generazione
Il sistema GSM descritto nei precedenti paragrafi è classificato come di seconda
generazione. È ampiamente utilizzato ma soffre di alcuni limiti soprattutto per quanto
concerne la velocità della trasmissione dati a 9.6 Kbps, e il numero di servizi aggiuntivi
disponibili multimediali alquanto ridotti.
I servizi vocali sono a commutazione di circuito per cui un canale è occupato per
tutta la durata della connessione anche se non c’è nessuno scambio di informazioni.
I servizi di messaggistica SMS utilizzano, invece, la più efficiente commutazione di
pacchetto anche se a bassa velocità.
La crescente richiesta di servizi multimediali sempre più spinti ha portato alla
nascita di sistemi cellulari ad alta velocità detti di terza generazione.
A tale categoria appartengono i sistemi:
•
•
•
•
HSCSD
GPRS
EDGE
UMTS
High Speed Circuit Switched Data
General Packed Radio Service
Enhanced Data Rate for GSM Evolution
Universal Mobile Telecomunication System
I primi tre sistemi sono alcune volte detti di generazione 2.5G lasciando al sistema
UMTS il nome di sistema di terza generazione ad indicare una transizione tra il GSM di
seconda generazione e l’UMTS.
8.1. HSCSD - High Speed Circuit Switched Data
Tale sistema si può considerare una variante del GSM. Utilizza la tecnica della
commutazione di circuito e le stesse portanti radio del GSM ma un diverso metodo per
la gestione dei time slot. La velocità per la trasmissione dati può raggiungere i 56 Kbps.
Questa tecnologia è stata abbandonata dagli operatori appena sono apparsi i sistemi
GPRS e UMTS.
Telefonia cellulare
17
8.2. GPRS - General Packed Radio Service
Il GPRS è una evoluzione del sistema GSM con un forte potenziamento dei servizi
dedicati alla trasmissione dati. Il sistema di comunicazione, che si avvale della rete
GSM esistente, è a commutazione di pacchetto per cui i dati, divisi in pacchetti, possono
seguire, sulla rete, percorsi diversi in modo da ottimizzare la trasmissione. A differenza
della commutazione di circuito il canale di comunicazione viene assegnato all’utente
solo quando c’è trasmissione pur rimanendo attiva la connessione. Ciò consente una
ottimizzazione delle risorse e la possibilità di gestire un maggior numero di utenti. Il
GPRS impiega una particolare codifica di canale in modo da poter utilizzare anche tutti
e 8 i time slot della trama. La velocità di trasmissione dati massima è di 171.2 Kbps.
Il GPRS integra completamente i servizi Internet con i telefoni cellulari e supporta i
protocolli di comunicazione IP e X25. Pertanto, Browser Web, FTP, Email, Telnet, ecc,
sono disponibile sui telefoni cellulari grazie al GPRS.
Alcune possibili applicazioni del GPRS sono:
•
•
•
•
Home automation: telesorveglianza e comando a distanza di apparecchiature
elettriche;
Applicazioni GPS (Global Position System): posizionamento e
localizzazione di mezzi tramite satellite;
Telemedicina;
Telemarketing.
Per supportare i servizi del GPRS la rete GSM deve integrare nuovi componenti
per la gestione della trasmissione dati a commutazione di pacchetto.
Il GPRS si è sviluppato sulla rete GSM esistente aggiungendo nuovi componenti
denominati nodi GSN (GPRS Support Node) che svolgono la funzione di router IP per
l’instradamento dei pacchetti e la gestione dei protocolli di comunicazione. Il GSN si
occupa delle connessioni ad un server RADIUS (Remote Access Dial-In User Service)
per l’accesso a internet, della tariffazione e dell’autenticazione degli abbonati. Il GSN è
costituito dai seguenti nodi:
•
•
SGSN Service GPRS Support Node: gestisce le risorse radio, la crittografia
dei dati, la mobilità e l’autenticazione degli abbonati. Si avvale dei database
HLR e VLR per la memorizzazione di tutte le informazioni relative
all’utente;
GGSN Gateway GPRS Support Node: gestisce la commutazione e il
trasferimento dati verso le reti fisse, il protocollo TCP/IP, la definizione
degli indirizzi IP del terminale mobile, la qualità del servizio QoS (Quality
of Service), la funzione di protezione firewall della rete., ecc.
All’unità BSC (Base Site Controller) della rete GSM viene aggiunto un modulo
denominato PCU (Packed Control Unit) per la gestione della commutazione di
pacchetto. La PCU si interfaccia alla stazione radio base BTS per rilevare la qualità e il
livello di potenza del segnale. Inoltre, gestisce l’allocazione dei canali fisici assegnati
all’utente, la rivelazione degli errori di trasmissione, ecc.
Il collegamento tra le diverse unità SGSN e GGSN è realizzato con una rete fisica
ad alta velocità denominata rete IP o Backbone IP. Si tratta di una rete a commutazione
di pacchetto che supporta la Qualità di Servizio QoS. Cioè la rete è in grado di gestire
diversi livelli di qualità del servizio in funzione delle richieste dell’utenza.
Telefonia cellulare
18
L’ITU-T ha definito diverse classi di qualità QoS legate a vari parametri come la
velocità di trasmissione dati, i ritardi di propagazione, la capacità di rilevare e
correggere gli errori di trasmissione, ecc.
In generale l’utente stipula un contratto con il gestore e può, in tale sede, definire i
livelli di prestazioni desiderati SLA (Service Level Agreement), i servizi aggiuntivi, le
tariffe, ecc.
Il terminale GPRS si connette alla rete GSM attraverso il nodo SGSN che ha il
compito di ricevere e inviare dati. Il nodo SGSN comunica con il nodo GGSN per
assicurare i collegamenti con le altre reti come ad esempio la rete internet. Il nodo
GGSN ha il compito di convertire i pacchetti dati nel formato richiesto dalla rete di
destinazione. Viceversa i pacchetti dati che da internet devono raggiungere il terminale
mobile sono prima ricevuti dal nodo GGSN poi inviati a nodo SGSN e quindi al
telefonino. In fig. 10 si mostra l’architettura della rete GPRS.
Fig. 10. - Architettura della rete GPRS
I diversi nodi della rete sono collegati tra loro mediante interfacce standard
•
•
•
•
•
•
•
•
Ga: connette SGSN e GGSN tramite il CGF (Charging Gateway Function)
Gb: connette i BSC al SGSN con protocollo Frame Relay
Gd: connette SGSN a Centro SMS per l’inoltro degli SMS sul GPRS
Gi: connette GGSN ad altre reti IP
Gn:connette i nodi SGSN con GGSN appartenenti alla stessa PLMN
(Pubblic Land Mobile Network)
Gp: connette i nodi SGSN di differenti PLMN per consentire il roaming
Gr: connette SGSN a HLR per l’autenticazione e la registrazione degli
utenti
Gs: connette SGSN con MSC per realizzare il Mobily Management
Lo scambio delle informazioni sia di controllo che dati PDP-PDU (Packet Data
Protocol – Protocol Data Unit) tra il terminale mobile e le diverse componenti del
sistema GPRS avviene attraverso particolari protocolli di comunicazione a livelli.
19
Telefonia cellulare
In fig.11 si riporta una schematizzazione dei protocolli GPRS. I protocolli per
l’interfaccia tra MS e BSS sono denominati protocolli Um, quelli tra BSS e SGSN
protocolli Gb e quelli tra SGSN e GGSN protocolli Gn.
MS
BSS
SGSN
Livello
Applicaz
GGSN
Relay
SNDCP
SNDCP
GTP
GTP
LLC
LLC
TCP UDP
TCP - UDP
BSSGP
IP
IP
Layer 2
Relay
RLC
RLC
BSSGP
MAC
MAC
Network
Service
Network
Service
Layer 2
Layer 2
GSM RF
GSM RF
Layer 1
bis
Layer 1
bis
Layer 1
Layer 1
Um
Gb
Layer 1
Gn
Fig.11 - Struttura del protocollo GPRS.
Si descrivono brevemente le caratteristiche funzionali dei diversi protocolli.
GSM RF. È il protocollo del livello fisico. Gestisce la modulazione e la
demodulazione del segnale radio, le congestioni sui canali fisici, le prestazioni del
trasmettitore e del ricevitore, il rilevamento e la correzione degli errori ( FEC
Forward Error Correction).
MAC (Medium Access Control). Gestisce la condivisione del canale fisico, rivela
le contese per l’accesso alla rete, implementa un meccanismo per la ritrasmissione
dei frame errati.
RLC (Radio Link Control). Gestisce l’arbitraggio per l’accesso al canale fisico in
modo da garantire un collegamento sicuro ed affidabile.
LLC (Logical Link Control). È un protocollo analogo a quello di secondo livello
del modello ISO/OSI (HDLC High Data Link Control). Si occupa della
ricetrasmissione dei pacchetti relativi ai dati e alle segnalazioni tra MS e SGSN.
SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol). Gestisce il colloquio tra
i dati provenienti dal livello superiore delle applicazione con il livello LLC.
Organizza la segmentazione, il riassemblaggio e la compressione delle trame del
livello LLC.
BSSGP (BSS GPRS Protocol). Opera il trasferimento delle informazioni relative al
QoS richiesto.
GTP (GPRS Tunneling Protocol). Incapsula e trasferisce i pacchetti IP tra le
diverse GSN della rete.
TCP – UDP. Sono i protocolli che gestiscono il trasporto dei pacchetti IP o X25
dell’utente all’interno della rete. Il protocollo UDP è usato per trasferimento dati
ad alta velocità ma con scarso controllo degli errori. Il TCP consente trasferimenti
affidabili e possibilità di rilevazione e correzione degli errori.
Telefonia cellulare
20
LAYER. Sono i livelli che si occupano della connessione Backbone IP tra i nodi
GSN e della rivelazione e correzione degli errori che avvengono sulla linea di
collegamento.
Tutte le operazioni sono trasparenti all’utente che appare sempre collegato anche
se si muove sul territorio. In realtà quando l’utente chiede servizio deve innanzitutto
inviare una richiesta di accesso denominata GPRS attach. Il sistema riconosce
l’identificativo del telefonino IMSI, aggiorna i database VLR e HLR e verifica se è
possibile associare le risorse in base al QoS richiesto. I pacchetti IP vengono incapsulati
in un frame LLC e trasferiti ai livelli inferiori RLC e MAC che producono dei pacchetti
di dati che vengono codificati e inseriti nei time slot delle trame TDM. Si definiscono
funzioni di relay l’insieme delle operazioni necessarie a trasferire i pacchetti dati tra i
diversi nodi operando le conversioni di protocollo necessarie.
Gli SGSN aggiornano continuamente i database per gestire anche la mobilità
dell’utente sul territorio (Mobility Management) aggiornando le cosiddette tabelle di
routing.
Il GPRS dispone di due topologie di servizio:
•
•
PTM (Point To Multipoint)
PTP (Point to Point)
Nel primo caso i pacchetti raggiungono più di un destinatario. La trasmissione si
dice di Broadcast se i dati sono inviati a tutti gli utenti di una certa area geografica e di
Multicast se inviati ad un particolare gruppo di utenti di una certa area.
Nel PTP l’utente invia i pacchetti dati ad un unico destinatario. In questo caso i
servizi si distinguono in CLNS (ConnectionLess) e CONS (Connection Oriented).
Il CLNS è un servizio noto come datagramma; due pacchetti successivi sono
indipendenti fra loro ossia ogni pacchetto è come se fosse oggetto di una trasmissione a
sè stante. Nel CONS s’instaura una relazione logica tra chi invia e chi riceve i pacchetti,
che resta attiva fin tanto che permane attiva la connessione (circuito virtuale). Ciò
significa che nella fase di set-up della connessione viene stabilito un percorso per il
routing dei pacchetti. La differenza con la commutazione di circuito risiede nel fatto che
le risorse fisiche vengono rilasciate quando un singolo pacchetto è stato spedito, mentre
la connessione logica cessa solo dopo il trasferimento dell'ultimo pacchetto di dati.
Un servizio di questo tipo si rivela utile in applicazioni interative con frequente
scambio di dati. Durante una comunicazione PTP il terminale mobile può assumere uno
dei seguenti stati.
•
•
•
Idle. La stazione mobile non ha attivato richiesta di servizio è solo
sintonizzata sui canali di controllo. Non può trasmettere o ricevere dati.
Standby. Il terminale richiede accesso alla rete GPRS per essere autenticato
e localizzato nel SGSN;
Ready. In questo stato vengono raccolte le informazioni relative alla
tariffazione e si possono attivare le procedure per il trasferimento dati.
21
Telefonia cellulare
In fig. 12 si mostra il relativo diagramma degli stati.
Inizio
Invio/Ricezione
Log On
IDLE
ACTIVE
STANDBY
Log Off
Invio/Ricezione
Fine
Invio/Ricezione
Fig. 12. - Diagramma degli stati per una comunicazione PTP.
8.2.1 Tecnologia i-mode
Molti dei comuni telefonini GPRS integrano la tecnologia i-mode. Si tratta di una
sistema che consente di navigare in particolari siti internet mediante il cellulare con una
velocità di trasferimento dati tipica di 36Kbps. Il sistema i-mode è compatibile anche
con la tecnologia UMTS. L’i-mode è stato inventato da Mari Matsunaga della Nippon
Telecom e sviluppato ed applicato per la prima volta in Giappone con marchio
DoCoMo.
Successivamente è stato adottato da numerosi gestori in tutto il mondo. Il sistema imode riconosce il protocollo http ed è in grado di interpretare una particolare versione
del linguaggio HTML nota come cHTML. Chi dispone di un telefonino con tecnologia
i-mode otre ad effettuare le classiche telefonate può navigare in un web ristretto con
possibilità di visualizzare testo, immagini, scaricare file mp3, filmati ecc. Aspetto non
trascurabile è la possibilità di disporre di una propria casella di posta elettronica e
quindi inviare e ricevere e-mail direttamente dal telefonino.
I telefonini che supportano la tecnologia i.mode sono, a tutti gli effetti, dei normali
cellulari GPRS che dispongono sulla tastiera di un tasto con la lettera “i” che consente
di accedere ad un menu per la navigazione internet.
Per fare un paragone con la tecnologia WAP si deve tener presente che WAP è un
protocollo separato dal web e dal linguaggio HTML per cui è possibile accedere ad
internet solo attraverso particolari pagine fornite dal gestore. Inoltre, non è possibile
implementare un proprio un sito WAP compatibile. La tecnologia i-mode sfrutta il
linguaggio HTML per cui qualunque webmaster può realizzare un proprio sito in
tecnologia i-mode.
Per maggiori dettagli si può visitare il sito: http://www.imodeitalia.com.
Il sistema GPRS soffre di alcuni limiti. Le risorse radio sono limitate e la richiesta
contemporanea di più servizi da più utenti simultaneamente può ridurre la velocità di
trasferimento dati. Inoltre, la tecnica della commutazione di pacchetto impiegata può
provocare la perdita di qualche pacchetto con la conseguente necessità di ritrasmissione.
Telefonia cellulare
22
8.3. EDGE- Enhanced Data Rate for GSM Evolution
Il sistema EDGE rappresenta una evoluzione del sistema GSM/GPRS che, mediante
l’uso ottimizzato delle stesse frequenze radio del GSM, consente una velocità di
trasmissione dati di 384Kbps.
L’aumento della capacità di trasmissione è ottenuta grazie all’utilizzo della
modulazione 8PSK, invece della GSMK, lasciando inalterate le altre caratteristiche
della rete GSM/GPRS.
Il vantaggio fondamentale di tale sistema risiede nel fatto che esso sfrutta
completamente la rete GSM esistente. Si richiede solo una modifica della stazione radio
base che deve implementare un codificatore per la modulazione 8PSK e una modifica
del relativo software di gestione.
Il sistema EDGE supporta la funzione Link Adaptation: la stazione radio base e il
terminale mobile si scambiano ad intervalli regolari di tempo delle informazioni relative
alla qualità del collegamento per decidere dinamicamente la codifica binaria più
opportuna per realizzare il più alto bit rate possibile.
Un’altra interessante caratteristica riguarda un evoluto sistema per la ritrasmissione
dei pacchetti dati danneggiati denominato ARQ ibrido (Automatic Retrasmission
reQuest) o anche Incremental Rendundancy. È noto che in una rete a commutazione di
pacchetto se si verifica un errore nella trasmissione di un pacchetto dati questo deve
essere ritrasmesso occupando risorse. La funzione ARQ ibrido prevede che se un
pacchetto dati è danneggiato la ritrasmissione avviene utilizzando dei bit di ridondanza
durante la normale trasmissione.
Il sistema EDGE potenzia sia i servizi multimediali, come gli MMS e il video
streaming, che quelli relativi alla navigazione internet, all’invio di e-mail, ecc.
I telefonini in tecnologia EDGE sono di tipo dual mode in grado cioè di operare
anche con il sistema GSM/UMTS.
8.4. UMTS - Universal Mobile Telecomunication System
La forte richiesta dell’utenza per servizi multimediali sempre più spinti richiede
strategie globali e innovative che portano a quella che viene definita la Wireless
Infomation Society. In questa ottica si pone il sistema di comunicazione UMTS lo
standard di terza generazione nel quale la trasmissione della fonia è solo una delle
molteplici attività disponibili. Le caratteristiche salienti si possono riassumere
brevemente nei seguenti punti:
•
•
•
•
•
Trasmissione dati da minimo di 144Kbps fino a 2Mbps. La velocità di
trasmissione dati dipende dalla velocità del terminale mobile sul territorio.
Ad esempio se la stazione mobile si trova su di un treno ad alta velocità
(300Km/h) il trasferimento dati si attesta intorno ai 144Kbps, mentre se si è
fermi o ci si muove a velocità ridotte si può operare fino a 2Mbps;
Servizi multimediali avanzati per ricetrasmissione di testi, immagini, filmati,
suoni, ecc;
Servizi di comunicazione avanzata come la video-telefonia e la video
conferenza;
Collegamento e utilizzo di tutti i servizi internet;
Intrattenimento: funzioni di audio, video e giochi on demand, visione di
video clips, di itinerari turistici, ecc;
23
Telefonia cellulare
•
Possibilità di utilizzare on-line librerie, laboratori scientifici e linguistici,
ecc;
•
Possibilità di operare in più modalità con il sistema GSM/GPRS/EDGE.
Il sistema UMTS è conforme alle specifiche dell’ITU-T note come IMT-2000
(International Mobile Telecomumication 2000) relative ai sistemi mobili ad alta velocità
che prevedono collegamenti sia terrestri che satellitari.
Gli organismi che si occupano della standardizzazione dei sistemi di terza
generazione 3GPP ( 3 Generation Partnership Project ) sono:
•
•
•
•
•
ETSI (European Telecomunications Standards Institute, Europa)
Committee T1 (Standards Committee T1 Telecomunications, USA)
ARIB (Association Radio Industries and Business, Giappone)
TTC (Telecomunications Technology Committee, Giappone)
TTA (Telecomunications Technology Association, Corea del Sud)
La bande di frequenza operative del sistema UMTS sono state definite dal WARC
(Word Administrative Radio Conference) ente mondiale preposto a tale compito.
Per quanto concerne l’Europa le bande assegnate per le comunicazioni terrestri o
satellitari con cellulare UMTS sono:
•
1900 – 1980 MHz comunicazione terrestre
•
1980 – 2010 MHz comunicazione satellitare
•
2010 – 2025 MHz comunicazione terrestre
•
2110 – 2170 MHz comunicazione terrestre
•
2170 – 2200 MHz comunicazione satellitare
In fig. 13 si mostra la distribuzione delle bande espresse in MHz per il segmento
terrestre T e satellitare S.
S
T
1900
1980
T
2010
S
T
2025
2110
2170
2200
Fig. 13. – Spettro di frequenza dell’UMTS
I terminali mobili UMTS dispongono di una particolare carta SIM che consente
elevati gradi personalizzazione e di sicurezza, disponibilità di CPU potenti e con elevata
capacità di memoria, algoritmi raffinati per la criptazione e la codifica delle
informazioni.
I terminali dotati di USIM (UMTS-SIM) possono, mediante collegamento a internet,
scaricare nuovi plug-in per aggiornare il software di gestione del terminale mobile. Le
carte USIM presentano delle versioni avanzate dei codici PIN e PUK denominati UPIN
e UPUK. Il codice UPIN protegge la carta da un utilizzo non autorizzato mentre il
codice UPUK serve per sbloccare il codice UPIN.
Telefonia cellulare
24
L’architettura della rete UMTS è una evoluzione della GSM/GPRS con l’impiego di
nuovi apparati hardware e software e si può ritenere composta da due parti. Una di
accesso alla rete denominata UTRAN ( UMTS Terrestrial Radio Access Network) e
l’altra per il trasporto dati denominata Core Network. L’interfaccia tra UTRAN e Core
Network è definita interfaccia Iu mentre l’interfaccia radio tra terminale mobile e
UTRAN è definita interfaccia Uu. In analogia con la rete GSM/GPRS l’UTRAN si
compone di:
•
•
•
RNS (Radio Network Subsystem). Sostituisce la BSS
RNC (Radio Network Controller). Sostituisce la BSC
Node B (Stazione Radio Base). Sostituisce la BTS
I Node B sono responsabili della copertura radio nelle celle assegnate. Un Node B
contiene una o più stazioni radio (BTS – Base Transceiver Station) controllate da un
controllore di sito. Il Radio Network Controller è responsabile del controllo locale degli
handover.
I database e gli altri apparati del GSM/GPRS sono stati ampliati e potenziati e la
loro denominazione viene preceduta dalla E (Enhanced) per indicarne l’evoluzione. Ad
esempio il nodo SGSN viene chiamato E-SGSN e così via. Inoltre, viene introdotto un
ulteriore sottosistema detto IMS (IP Multimedia Subsystem) per la gestione delle
attività multimediali basate sul protocollo IP (Ipv4 e Ipv6).
In fig. 14 si riporta una schematizzazione a grandi blocchi della rete UMTS.
Fig. 14. – Rete UMTS
8.4.1. Tecnica CDMA – Code Division Multiple Access
Nel sistema GSM per massimizzare il numero di canali disponibili all’utenza si
utilizzano due tecniche di multiplazione: la FDMA e la TDMA. Nella FDMA la banda
di frequenza assegnata è divisa in un certo numero di canali radio (124 canali da
200KHz), mentre nella TDMA ciascun canale radio è multiplato nel tempo in un certo
numero di time slot ( 8 time slot della durata di 577µs).
Telefonia cellulare
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Nel sistema UMTS si utilizza, insieme alle precedenti, una ulteriore tecnica di
multiplazione del tipo CDMA. La tecnica CDMA consente trasmissioni contemporanee
utilizzando le stesse frequenze radio. Essa si basa sul seguente metodo. Il segnale
numerico relativo a ciascun utente viene moltiplicato per una prefissata sequenza
binaria nota come sequenza di spreading. Il risultato è una sequenza numerica di bit
denominati chip. La sequenza di spreading possiede una velocità di trasmissione, detta
chip rate, molto più elevata di quella del segnale. Tale velocità è di 3.84Mbps.
Il segnale numerico così ottenuto è sommato a tutte le altre sequenze degli altri
utenti operanti nella stessa cella. In tal modo si ottiene un’unica sequenza numerica, con
velocità di trasferimento pari a quella del chip rate, che costituisce la multiplazione di
codice CDMA. L’apparato ricevente, conoscendo il codice di spreading associato a
ciascun utente è quindi in grado di estrarre e separare le relative informazioni
(operazione di despreading). I codici che soddisfano a tale proprietà sono detti codici
ortogonali.
La trasmissione radio della sequenza numerica è realizzata con modulazione QPSK,
con impulso di tipo coseno rialzato e fattore di roll-off di 0.2.
In fig. 15 si riporta uno schema di principio per la generazione del codice CDMA.
Si è indicata con S la sequenza numerica relativa all’utente e con C quella di spreading.
Fig. 15. – Mutiplazione CDMA.
La tecnica CDMA produce una sequenza numerica a velocità molto più grande di
quella del segnale informativo e di conseguenza un allargamento della banda del
segnale radio che diviene di circa 5MHz. Ciò potrebbe sembrare uno svantaggio che
viene però compensato dalla possibilità di multiplare un numero molto elevato di utenti
con ridotta interferenza. Per tale motivo nei sistemi UMTS si usa parlare di
multiplazione WCDMA (Wideband Code Divison Multiple Access).
L’accesso radio è stato standardizzato dal gruppo 3GPP con il nome di UTRA
(UMTS Terrestrial Radio Access) e prevede due modi distinti di operare:
•
•
FDD Frequency Division Duplexing
TDD Time Division Duplexing
In fig. 16 si mostra lo spettro di frequenza del sistema UMTS, per i collegamenti
terrestri, con evidenziate le bande operative FDD e TDD.
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Telefonia cellulare
TDD
1900
FDD - Up-Link
1920
FDD – Down-Link
TDD
1980
2010
2025
2110
2170
Fig. 16. – Spettro di frequenza dell’UMTS. I valori sono espressi in MHz.
Le bande relative al sistema TDD, la prima di 20 MHz e la seconda di 15 MHz,
sono note come bande non appaiate (Unpaired Band), mentre quelle relative al sistema
FDD, ciascuna di 60 MHz, sono note come bande appaiate (Paired Band).
Con il metodo FDD un canale radio FDMA è codificato in tecnica WCDMA e la
trasmissione di up-link (dal telefonino alla centrale) e quella inversa di down-link
utilizzano due bande distinte. Un canale utente è, pertanto, univocamente determinato
dalla frequenza centrale di banda e dal codice di spreading.
Il metodo TDD è una combinazione della multiplazione di tempo TDMA e di quella
di codice WCDMA. In questo caso il canale radio è diviso in time slot (come nel GSM).
Ciascun time slot non è più dedicato ad una solo utente, come nel GSM ma, grazie
al metodo WCDMA, si possono multiplare più utenti nello stesso time slot. Inoltre nel
TDD la bande di up-link e down-link non sono distinte per cui il terminale mobile deve
alternativamente usare la stessa banda per la trasmissione e la ricezione. Ciò è possibile
associando time slot diversi per l’up-link e per il down-link. Un canale utente è,
pertanto, univocamente determinato dalla conoscenza della frequenza di centro banda,
dal time slot e dal codice di spreading. Il metodo TDD consente velocità di trasmissione
diverse per l’up-link e il down-link associando un numero diverso di time slot per i due
versi di trasmissione. Si dice che la velocità di trasmissione è asimmetrica. Tale
caratteristica risulta interessante nella navigazione internet dove si richiede,
normalmente, una maggiore velocità di trasferimento dati nel collegamento centrale –
utente.
In fig. 17 si mostra la divisione del territorio in celle per il sistema UMTS.
Fig. 17. – Suddivisioni in celle nel sisiema UMTS
Telefonia cellulare
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Le celle dell’UMTS sono di dimensioni diverse per assicurare una efficiente
copertura. Si classificano in :
•
•
•
•
Word cell. Sistema satellitare
Macro cell. Zona extraurbana con celle di elevata estensione e con utenti ad
alta mobilità. Trasferimento dati tipico a 144Kbps;
Micro cell. Zona suburbana con celle di media estensione e con utenti a
bassa mobilità. Trasferimento dati tipico a 384 Kbps;
Pico cell. Zona urbana con celle di bassa estensione e con utenti a bassa
mobilità. Trasferimento dati tipico a 2 Mbps;
Per concludere si riportano le caratteriste salienti di un telefono multimediale
cellulare di medie prestazioni in grado di operare su reti GSM 900/GSM1800/UMTS e
che supporta anche i servizio GPRS e HSCSD. Il telefono cellulare seleziona
automaticamente la rete GSM o UMTS in base ai parametri della rete e ai contratti
stipulati con gli operatori.
La maggior parte dei telefonini GSM/UMTS possiedono una porta USB per il
trasferimento rapido dei dati tra cellulare e computer tramite un opportuno cavo di
collegamento e anche la possibilità di sfruttare la tecnologia Bluetooth per effettuare
connessioni wireless del cellulare ad un dispositivo Bluetooth.
I cellulari di questa categoria, normalmente, supportano la tecnologia Java per cui è
possibile installare giochi e applicazioni Java tramite un PC ed un opportuno software
di gestione.
Dimensioni
Caratteristiche fondamenti di un cellulare GSM/UMTS
Messaggistica
Peso: 141 g (con batteria al litio)
Messaggi multimediali con combinazione di
video/foto, testo e voce
Dimensioni: 133 x 52 x 25 mm, 123 cc
Display e Interfaccia utente
Possibilità di inviare MMS a telefoni cellulari o PC
compatibili
Display grafico a colori a matrice attiva
Messaggi concatenati e messaggi con immagini
4096 colori
Funzioni vocali
Interfaccia utente grafica
Chiamata a riconoscimento vocale, fino a 50 nomi e
numeri memorizzati in rubrica**
Vivavoce incorporato per audio e toni di chiamata
polifonici
Registratore vocale
Camera VGA digitale integrata
Risoluzione immagine 640x480 e video 128x96
Registrazione video a più di 10 fotogrammi al
secondo
Display del telefono con funzione di mirino
7 MB memoria dinamica per video clip, immagini,
rubrica, agenda, messaggi e applicazioni aggiuntive
Trasferimento dati
Fino a 57,6 kbps su reti dati che supportano la
commutazione di circuito
Altoparlante vivavoce integrato
Navigazione
Browser xHTML
WAP 2.0 via GPRS con trasferimento dati sia su reti
GSM che WCDMA
Giochi
Giochi Java™
Possibilità di scaricare nuovi giochi
Connettività wireless
Infrarossi
Fino a 128 kbps (download) e 64 kbps (upload) in reti
che supportano la trasmissione WCDMA
Multitasking: per scattare e inviare foto durante la
conversazione
Bluetooth
Invio/ricezione di immagini, video clip, grafica e giochi
Telefonia cellulare
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9. Codice convoluzionale e algoritmo di Viterbi
La trasmissione delle informazioni su un canale reale è sempre affetto da errori
dovuti a vari fattori come rumore, interferenze, attenuazioni, ecc.
Le trasmissioni numeriche consentono l’impiego di tecniche in grado di rivelare e
correggere gli errori.
Tutte le tecniche utilizzate per il controllo degli errori si basano sul concetto di
ridondanza cioè sull’inserimento di bit aggiuntivi alla sequenza dati da trasmettere.
Nel caso delle comunicazioni vocali la ridondanza è insita nel parlato e le capacità
intellettive umane consentono implicitamente la correzione. Se durante una telefonata
qualche parola non giunge correttamente è molto probabile che dal contesto del discorso
si riesce a comprendere il significato. Nel caso di canale disturbato si può richiedere la
ritrasmissione della parola o della frase.
Nella trasmissione dati gli apparati in comunicazione sono sistemi computerizzati
che devono utilizzare opportuni algoritmi per estrarre dai bit di ridondanza le
informazioni necessarie alla gestione degli errori. La ridondanza se da un lato consente
la rivelazione e la correzione degli errori, dall’altra riduce la velocità di trasmissione
effettiva del codificatore di canale in trasmissione. Inoltre, la codifica impiegata
condiziona fortemente la complessità dell’algoritmo del decodificatore del ricevitore.
I metodi più utilizzati nelle trasmissione dati sono:
• ARQ (Automatic Repeat Request). Il decodificatore esamina la sequenza
ricevuta e se vi sono errori chiede la ritrasmissione della sequenza. Questa tecnica
necessita di un canale di ritorno verso il trasmettitore.
• FEC (Forward Error Correction). Il decodificatore utilizza degli algoritmi
complessi che consentono di ripristinare la sequenza corretta utilizzando quella
errata senza necessità di ritrasmissione.
I codici di tipo ARQ appartengono alla categoria della codifica a blocchi in quanto i
bit di ridondanza, introdotti dal codificatore, dipendono solo dal blocco di bit generato
dalla sorgente. La codifica a blocchi è realizzata con circuiti digitali combinatori. Nei
sistemi ARQ il ricevitore invia un segnale di riconoscimento ACK (Acknowledgement)
al trasmettitore. Se l’esito di tale riscontro è positivo PACK (Positive ACK) il
messaggio è corretto, se negativo NACK (Negative ACK) la sorgente ritrasmette il
messaggio.
Potrebbe succedere che il segnale ACK non giunga correttamente al trasmettitore
che resterebbe bloccato. Per superare questo inconveniente il trasmettitore aspetta al più
un tempo detto di time out superato il quale ritrasmette l’ultimo pacchetto.
La maggior parte di questi codici deriva dal metodo del controllo di parità. Esempi
di codici a blocchi sono il codice CRC e il codice di Hamming sviluppati nel primo
volume di questo Corso di Telecomunicazioni.
Nei sistemi di trasmissione dati di ultima generazione, come nella telefonia cellulare
e nelle trasmissioni satellitari, si utilizza il metodo FEC. Nei più efficienti sistemi FEC
il codificatore di trasmissione impiega la codifica convoluzionale mentre il
decodificatore in ricezione sfrutta il famoso algoritmo di Viterbi.
Nella codifica convoluzionale i bit generati dal codificatore dipendono dall’intera
sequenza da trasmettere piuttosto che limitarsi a singoli blocchi. Essi sono realizzati
mediante reti digitali sequenziali.
Telefonia cellulare
29
9.1. Codifica convoluzionale
In fig. 18 si mostra lo schema a blocchi di un sistema di trasmissione dati con
codifica convoluzionale e decodifica di Viterbi.
Fig. 18. - Schema a blocchi del sistema di trasmissione dati con tecnica FEC.
Un codice convoluzionale viene generato facendo attraversare la sequenza
informativa della sorgente attraverso una rete sequenziale formata da un registro a
scorrimento.
Alcune uscite del registro a scorrimento vengono elaborate da una rete a XOR che
comanda un multiplexer sulla cui uscita si preleva la sequenza da inviare al modulatore
di canale.
In generale un codificatore binario convoluzionale (n, k) è un sistema sequenziale che
genera n cifre binarie per ogni k cifre di messaggio presentate al suo ingresso con n>k.
In fig. 19 si mostra lo schema logico di un codificatore convoluzionale (2,1) ad
indicare che ad 1 bit di entrata corrispondono 2 bit in uscita. La velocità di trasmissione
è quindi doppia rispetto a quella di sorgente.
Fig. 19. – Codificatore convoluzionale.
Telefonia cellulare
30
Nel caso del codificatore di fig. 19 il registro a scorrimento, costituito da due flip-flop
tipo D in cascata, è sincronizzato con una frequenza di sorgente di k bps e il multiplexer
di uscita commuta a n = 2k bps per consentire che a 1 bit di entrata siano associati 2 bit
in uscita.
Ricordiamo che la porta XOR fornisce in uscita la somma modulo 2 delle entrate: se i
bit di entrata sono diversi l’uscita dell’XOR vale 1 altrimenti vale 0.
Ad ogni impulso di clock il primo flip-flop trasferisce su Q1 il livello logico di
entrata e su Q2 quello di Q1. Il multiplexer fornisce, durante il periodo di clock, la
coppia di bit Y1Y2.
Si osservi che ciascun bit di entrata ha effetto su tre coppie successive di bit di uscita.
Ciò è estremamente importante ai fini della correzione degli errori. Nello stato
iniziale il registro si suppone azzerato e il segnale di ingresso a livello basso. In tali
condizioni l’uscita del codificatore fornisce continuamente coppie 00. La sequenza di
ingresso viene memorizzata, passo dopo passo, nel registro e alla fine si pone
nuovamente l’ingresso a 0 per ripristinare lo stato iniziale.
In fig. 20 si mostra il diagramma degli stati del codificatore che riassume il
funzionamento globale del sistema. Ogni stato è rappresentato da un cerchio al cui
interno sono indicati gli stati Q1Q2. L’arco orientato a tratto pieno rappresenta una
transizione quando l’ingresso vale 0, mentre l’arco tratteggiato rappresenta la
transizione per ingresso 1. Sull’arco orientato sono indicati i valori del codice di uscita
Y1Y2.
Fig. 20. – Diagramma degli stati del codificatore convoluzionale.
Supponiamo di inviare in entrata la sequenza: 01011100. L’uscita si può determinare
dall’analisi della rete sequenziale o dal diagramma degli stati.
Si ricava la seguente tabella 2.
Telefonia cellulare
Tabella 2.
I Q1 Q2 Y1 Y2
0 0 0 0 0
1 0 0 1 1
0 1 0 1 0
1 0 1 0 0
1 1 0 0 1
1 1 1 1 0
0 1 1 0 1
0 0 1 1 1
31
Y
00
11
10
00
01
10
01
11
Riepilogando si ha:
INPUT
OUTPUT
0 1 0 1 1 1 0 0
00 11 10 00 01 10 01 11
Oltre che con il diagramma degli stati il funzionamento del codificatore può essere
descritto con altre strutture come la struttura ad albero e la struttura a traliccio (trellis).
In fig. 21 si riporta la struttura ad albero che risulta ripetitiva e, pertanto, non è
necessario espanderla all’infinito. Da ogni nodo partono due rami verso l’alto se il bit di
entrata è 0, verso il basso se 1. Come al solito si suppone di partire dallo stato iniziale
con registro azzerato e ingresso 0.
Fig. 21. – Diagramma ad albero di un codificatore convoluzionale.
La struttura a traliccio si può considerare un ibrido tra quella ad albero e il
diagramma degli stati, come mostrato in fig. 22. Anche la struttura a traliccio è
ripetitiva e nella figura si mostra una parte del trellis. La linea a tratto pieno rappresenta
l’ingresso 0, quella tratteggiata l’ingresso 1.
Telefonia cellulare
32
Fig. 22. – Struttura a traliccio
9.2. Algoritmo di Viterbi
L’algoritmo di Viterbi consente la decodifica di un codice convoluzionale mediante
un procedimento probabilistico detto della stima della massima verosimiglianza o
MLSE (Maximum Likelihood Sequenze Estimation). Nella decodifica si sfrutta la
conoscenza del diagramma a traliccio o del diagramma degli stati. La strategia di
decisione non tiene conto del singolo simbolo ma della intera sequenza di ingresso.
Simboli errati vengono associati a quelli teorici più simili. Tale associazione viene
fatta minimizzando la distanza di Hamming. Come è noto la distanza di Hamming
rappresenta il numero di bit per cui due sequenze differiscono tra loro.
Ad esempio, considerando le sequenze 0010 e 1000 esse hanno distanza 2 poiché
differiscono per 2 bit; il primo e il terzo.
Tale procedura implica che per poter conoscere la sequenza corretta si devono
prendere in considerazione tutti i possibili percorsi e scegliere quello a massima
verosimiglianza. Per sequenze molto lunghe, o se si utilizzano codificatori con un
elevato numero di stati, il decodificatore deve possedere una elevata memoria e
l’algoritmo deve poter esaminare un numero notevole di cammini. Ciò si traduce in un
evidente appesantimento del software. L’algoritmo di Viterbi supera questo problema
impiegando un efficiente metodo di analisi della struttura a traliccio determinando il
cammino ottimo per la ricerca della sequenza corretta.
Assegnata una struttura a traliccio, che descrive tutti i possibili cambiamenti di stato,
ad ogni sequenza di simboli di ingresso corrisponde un cammino. In assenza di errori è
possibile determinare immediatamente la sequenza decodificata.
Ad esempio, riferendoci al precedente codificatore convoluzionale, supponiamo che
la sequenza di entrata al decodificatore di Viterbi sia: 001110.
In fig. 23 si mostra, a tratto marcato, il cammino relativo alla sequenza assegnata.
Si ricava immediatamente che la sequenza decodificata vale: 010.
Telefonia cellulare
33
Fig. 23. - Decodifica della sequenza 001110.
Se la sequenza in entrata al decodificatore è affetta da errori non è possibile seguire
un cammino unico. Raggiunto uno stato si devono provare tutti i possibili cammini e a
ciascuno di essi viene associato un peso detto anche metrica, come ad esempio la
distanza di Hammig. Ad ogni passo sul traliccio viene valutata una metrica
incrementale che si aggiunge alla metrica cumulata nei passi precedenti. In tal modo si
ricava una metrica complessiva del cammino. Il software, percorrendo a ritroso il
traliccio, elimina tutti i cammini tranne quello con metrica migliore. In altre parole tra
tutti i possibili cammini sopravvive solo quello con massima verosimiglianza rispetto
alla sequenza ricevuta fino a quella transizione.
Ad esempio supponiamo che la sequenza di entrata al decodificatore di Viterbi sia:
100011. La sequenza è errata e non corrisponde ad un cammino sul traliccio.
Si riportano i possibili cammini e le relative distanze di Hamming rispetto al codice
ricevuto.
Cammino
00 00 11
11 01 01
11 01 10
11 10 11
Distanza di Hamming
1
3
3
2
La sequenza con massima verosimiglianza è quella con distanza di Hamming 1 ed è
l’unica a sopravvivere nel cammino. In tal caso, analizzando il traliccio di fig. 22 e
ricordando che le linee a tratto pieno indicano ingresso 0 e quelle tratteggiate ingresso
1, si ha:
Sequenza MLSE
Decodifica
00 00 11
0 0 1
Nell’esempio si è considerata una sequenza molto breve. Nella pratica le cose sono
più complicate e per ottenere il cammino finale sopravvissuto si deve attendere la fine
dell’intera sequenza di entrata.
Negli apparati commerciali il software relativo all’algoritmo di Viterbi è
memorizzato in un sistema a microprocessore integrato nel decodificatore.