Università degli studi di Perugia
Il mondo della
telefonia mobile:
1G, 2G, 3G...
Anticaglia Stefano
1
Storia
• 1973 Martin Cooper, dipendente della Motorola, inventa il cellulare ed
effettua la prima telefonata della storia.
• ’80 Introdotto il TACS in Italia (Prima generazione)
• 1987 Definite le specifiche di base del GSM
• 1989 l'ETSI assume il controllo del progetto GSM.
• 1998 creato il consorzio 3GPP (3rd Generation Partnership Project), con lo
scopo iniziale di definire le specifiche tecniche dei dispositivi mobili di terza
generazione. Il 3GPP si occupa anche della manutenzione e dello sviluppo
delle specifiche GSM. ETSI è uno dei partner del consorzio 3GPP.
• 1999 Gli operatori di rete stipulano un contratto commerciale e
sperimentale per l'infrastruttura GPRS.
• 2000 Incorporazione dell'infrastruttura GPRS nella rete GSM.
• 2001 Messi in commercio i primi terminali base GPRS. Lanciati i primi
servizi commerciali.
• 2002/2003 Entra in commercio l'UMTS.
• Fine 2005 Primi test del 4G
2
Generazioni a confronto
Generazione
Tecnologia
Tipo
Anno
0G
Radiotelefoni
1G
TACS
Analogici
1980
2G
GSM
Digitali
1990
2.5 G
EDGE
GPRS
Digitali ad alta velocità di
trasmissione dati
2000
3G
UMTS
Multimedia
2002
HSDPA
Multimedia ad alta
velocità di trasmissione
dati
2005
...
...
2010?
3.5 G
4G
3
TACS 1
(Total Access Communications System)
Il TACS è uno standard di rete per i telefonini di prima generazione
basato su tecniche di accesso e di duplexing a divisione di frequenza
(FDMA FDD).
Con questa tecnica viene assegnata una determinata frequenza per le
trasmissioni di uplink, ed un'altra frequenza viene assegnata per le
trasmissioni di downlink.
Trasportando esclusivamente servizi voce, la modulazione utilizzata
era di tipo analogico FM, e la banda utilizzata per ciascun canale era
di circa 30 Mhz.
4
TACS 2
Il sistema è affetto da alcune sostanziali limitazioni:
• Effetti di fading e di interferenza tra altri utenti.
• Limitato numero di chiamate contemporanee veicolabili da ciascuna
stazione radio base.
• Non è in grado di fornire servizi diversi dalla comunicazione vocale, come
SMS, fax ed e-mail.
• I terminali sono facilmente clonabili mediante contraffazione del codice
identificativo.
• Dimensioni tali da non consentire una facile trasportabilità.
• Consumo di potenza che non consentiva utilizzo di batterie di ridotte
dimensioni
• Non opera sulle stesse bande di frequenza: no roaming.
Il TACS smetterà di funzionare nella notte tra il 31 dicembre 2005 e il 1
gennaio 2006 e cederà le sue frequenze al GSM.
L'importanza di questo sistema è quella di aver consentito la rapida
diffusione iniziale della telefonia mobile in Italia.
5
GSM 1
(Global System for Mobile Communications)
GSM: standard aperto di telefonia mobile sviluppato dal consorzio 3GPP.
Per la comunicazione fra stazioni radio base il GSM utilizza la tecnologia
TDMA (Time Division Multiple Access), basata su una coppia di canali radio in
duplex, con frequency hopping fra i canali, tecnologia che consente a più
utenti di condividere lo stesso set di frequenze cambiando automaticamente
la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al secondo.
La funzione di modulazione utilizzata è la GMSK, che consente di dividere
una portante di 200 KHz in 8 Time-Slot, con conseguente aumento degli
utenti che possono essere connessi contemporaneamente con una sola cella.
CDMA (Code division multiple access) è una tecnica digitale che permette agli
utenti di condividere lo stesso canale di frequenza. Ogni segnale viene
suddiviso in diversi "Chip" di dati ciascuno dei quali è etichettato con il codice
dell'utente. Durante la trasmissione, i chip sono dispersi su una banda di
6
frequenze e vengono poi riassemblati all'estremità ricevente.
GSM 2
Vantaggi:
• Possibilità, da parte degli utenti, di accedere ad una serie di nuovi servizi a
costi molto contenuti. Es. SMS.
• Roaming.
• Canali di identificazione e conversione digitali.
• Aumento del grado di sicurezza e riservatezza nelle comunicazioni.
• Riduzione delle dimensioni dei terminali, dovuti alla possibilità di utilizzare
un processo di controllo della potenza in trasmissione abbinata a tecniche di
trasmissione discontinua (DTX), che salvaguardano il consumo delle
batterie.
Svantaggi:
• Tecnologia TDMA, meno avanzata e performante rispetto alla concorrente
tecnologia CDMA.
Pur essendo lo standard in costante evoluzione, i sistemi GSM hanno
sempre mantenuto la piena compatibilità con le precedenti versioni.
890 – 915 MHz per uplink
935 – 960 MHz per downlink 7
GPRS 1
(General Packet Radio Service)
Tecnologia progettata per realizzare il trasferimento di dati a media velocità,
usando i canali TDMA non utilizzati dalla rete GSM.
Inizialmente si era pensato di ampliare il GPRS per integrarvi altri sistemi; ciò
non è avvenuto, anzi sono stati gli altri sistemi, con le relative reti di
trasmissione, ad essere modificati per renderli compatibili con lo standard
GSM, cosi ché attualmente la rete GSM è l'unica all'interno della quale lo
standard GPRS è utilizzato.
Trasferimento di dati pacchettizzato, che sfrutta la possibilità di poter
condividere la larghezza di banda non occupata da altre comunicazioni
contemporanee.
Per ottenere le massime velocità di trasmissione teoriche è necessario
utilizzare più di un time slot contemporaneamente all'interno del cosiddetto
time frame TDMA.
8
GPRS 2
Configurazione 4R1T: particolarmente adatta alle applicazioni in cui i dati
sono prevalentemente ricevuti; esempio: in una connessione a internet in cui
l'utente si limita a navigare consultando pagine web o se riceve molte più email di quelle che invia. Configurazione impostata di default sui terminali
mobili che utilizzano il GPRS.
Configurazione 3R2T: adatta ai casi in cui lo scambio di dati è all'incirca
bilanciato nelle 2 direzioni; esempio: applicazioni di instant messaging.
La velocità di trasmissione dipende anche dal tipo di decodifica utilizzato. Il
migliore algoritmo di decodifica è il CS-4, utilizzabile quando ci trova nelle
vicinanze della stazione radio base, mentre il peggiore è il CS-1, usato
quando il terminale è molto lontano dalla stazione.
Con il CS-4 si può ottenere una velocità massima di trasmissione di 21,4
Kbps per ogni time slot, ma la copertura radio è limitata al 25% delle
dimensioni della cella. Con il CS-1 si arriva fino a 9,05 Kbps per time slot e la
copertura raggiunge il 98% delle dimensioni della cella. Ciascun time slot può
consentire di realizzare velocità di 14,4 Kbps.
9
GPRS 3
Alcuni gestori telefonici hanno adottato per il GPRS una politica di tariffe
basse rispetto ai precedenti sistemi di trasferimento dati attraverso reti GSM,
noti con le sigle CSD (Circuit Switched Data) e HSCSD (High Speed Circuit
Switched Data). Per l'accesso a internet, molti di questi gestori non offrono
tariffe di tipo flat. Le tariffe applicate variano enormemente (da 1 a 20 € per
MB). La massima velocità di una connessione GPRS è circa uguale a quella
ottenibile tramite modem collegato alla normale rete telefonica analogica, e
cioè fra 4 e 5 KBps, a seconda del modem impiegato. Il tempo di latenza è
piuttosto alto: per averne un ordine di grandezza si consideri che un
operazione di ping dura di solito 600-700 ms (a volte anche 1 s).
Normalmente viene data una priorità più bassa al GPRS rispetto al canale
audio, e per questo motivo, la qualità effettiva della connessione varia
grandemente. La maggior parte delle limitazioni non sono di natura tecnica,
quindi le connessioni GPRS potrebbero, in teoria, essere molto più
performanti di quanto non siano nelle attuali implementazioni nel mondo
reale.
10
GPRS 4
Vantaggi:
•
Trasmissione dati massima 171 Kbps (in media 60 Kbps).
•
Costo in base ai Kb rice-trasmessi a differenza delle reti commutate.
•
Pacchettizzazione occupa, per la trasmissione, le frequenze che sono
inutilizzate, in un dato momento, in una cella radio.
Svantaggi:
•
I terminali impostano il canale da utilizzare per lo scambio dell'audio o dei
dati, quindi la larghezza di banda si riduce all'aumentare delle comunicazioni in
corso. Di conseguenza in una cella già satura, la velocità di trasmissione dati è
più bassa.
•
Maggiore velocità, minore possibilità di correggere errori automaticamente.
•
La velocità decresce esponenzialmente all'aumentare della distanza dalla
stazione radio base. Ciò non costituisce una limitazione in aree densamente
popolate, coperte da un fitta maglia di celle radio, ma può diventare un
problema serio in aree scarsamente abitate, come, ad esempio, le zone rurali.
11
EDGE
(Enhanced Data rates for GSM Evolution)
Evoluzione del modo in cui il GPRS utilizza le frequenze, consente di
raggiungere velocità maggiori, fra 20 e 200 Kbps.
La velocità dipende in scarsa misura dal modello di terminale usato,
pesantemente dal numero di utenti collegati per cella fra cui è frazionata la
banda, che a sua volta è funzione della densità abitativa del posto e della
fascia oraria, dalla distanza fra terminale e antenna più vicina.
Viene sfruttato nelle zone ancora non raggiunte dal più veloce UMTS, anche
se l'EDGE, a differenza del GPRS, non è disponibile in tutta Italia ed è una
tecnologia proprietaria per la quale i gestori pagano royalties al consorzio di
costruttori.
La connessione è stabile a una velocità fra i 150 e i 200 Kbps, accessibile
tramite cellulari EDGE/GPRS. Indispensabile che il modello sia
EDGE/GPRS. Con EDGE sono accessibili le normali funzionalità di Internet,
l'uso di protocolli FTP e del P2P. In caso di chiamata, la rete ristabilisce la
connessione senza addebitare un nuovo scatto alla risposta una volta chiusa
12
la chiamata.
HSCSD 1
(High-Speed Circuit-Switched Data)
L’HSCSD è uno sviluppo del Circuit Switched Data, il meccanismo originale
di trasporto dei dati del sistema di telefoni cellulari GSM. Come con il CSD,
l'allocazione dei canali è fatta in modalità circuit switched. La differenza viene
dalla capacità di utilizzare differenti metodi di codifica e time slot multipli per
aumentare la velocità di trasferimento dei dati.
La prima innovazione nell' HSCSD fu il permettere l'utilizzo nella
trasmissione di differenti metodi di correzione degli errori. Il metodo utilizzato
nel GSM è progettato per funzionare ai limiti della copertura e nei casi
peggiori che possono essere gestiti dal GSM. Questo significa che una gran
parte della capacità di trasmissione del GSM è utilizzata dai codici di
correzione degli errori. L' HSCSD fornisce parecchi livelli possibili di
correzione degli errori che possono essere utilizzati a seconda della qualità
del collegamento radio. Questo significa che nelle condizioni migliori
14.4 Kbps possono essere trasmessi durante uno slot di tempo che
13
altrimenti, usando il CSD, avrebbe normalmente trasmesso solo 9.6 Kbps.
HSCSD 2
Vantaggi:
• Utilizzo di time-slot multipli nello stesso momento
aumento della velocità
di trasferimento massima (usando 4 time-slot) fino a 57.6 Kbps, quattro volte
superiore di quella del CSD, anche in cattive condizioni radio dove c’è bisogno
del massimo livello di correzione degli errori.
• Latenza media più bassa del GPRS, perché l’utente non deve aspettare il
permesso della rete per inviare un pacchetto.
• Tutta la banda allocata è disponibile all’utente.
Nei sistemi EDGE e UMTS velocità di trasmissione molto superiore (opzione).
Svantaggi:
• Nei sistemi UMTS, vantaggio inferiore del HSCSD sulla trasmissione a
pacchetti, poiché l'interfaccia radio è specificamente progettata per sostenere
connessioni a pacchetti a banda elevata e bassa latenza. Quindi per usarlo
bisognerebbe accedere ai vecchi sistemi di connessione telefonica analogica.
• Slot temporali riservati completamente ad un singolo utente. La rete è spesso
configurata per dare la precedenza alle normali chiamate vocali rispetto alla
richiesta di time-slot aggiuntivi per gli utenti HSCSD; può accadere, all'inizio o
durante una chiamata, che non sia possibile soddisfare completamente la
richiesta dell'utente.
14
• Tariffa superiore a quella di una normale telefonata.
UMTS 1
(Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS tecnologia che impiega lo standard base W-CDMA come interfaccia di
trasmissione, è compatibile con lo standard 3GPP e rappresenta la risposta
europea al sistema ITU di telefonia cellulare 3G.
Il sistema UMTS supporta un transfer rate massimo di 1920 kbps.
Tuttavia da misure in campo in mobilità su reti scariche si sono raggiunti 300
Kbps. Valore decisamente superiore ai 14,4 Kbps di un singolo canale GSM
con correzione di errore ed anche al transfer rate di un sistema a canali
multipli in HSCSD. UMTS è quindi è in grado, potenzialmente, di consentire
per la prima volta l'accesso, a costi contenuti, di dispositivi mobili al World
Wide Web di Internet.
APPLICAZIONI
TRANSFER RATE
Voce
12.2 Kbps
Videoconferenza
64
Trasmissione dati a pacchetto
384 Kbps
Kbps
15
UMTS 2
Alcuni operatori del settore stanno lanciando sul mercato dispositivi portatili
in grado di connettersi sia a reti 3G che a reti Wi-Fi. In un primo momento le
reti Wi-Fi erano considerate concorrenti dei sistemi 3G, ma ora ci si è convinti
che la combinazione delle due tecnologie consente di offrire prodotti molto
più competitivi di quelli che utilizzano unicamente l'UMTS.
UMTS è una combinazione delle seguenti interfacce trasmissive:
•W-CDMA (Wideband Code Divison Multiple Access) Evoluzione della
tecnologia CDMA che consente una velocità di trasmissione dati simmetrica
da 384 Kbps a 2 Mbps, utilizzando codici distinti tra gli utenti di una cella. I
chip del segnale wireless sono distribuiti su una banda di frequenze più
ampia rispetto al CDMA. Sistema ampio spettro che consente trasmissioni ad
alta velocità di sessioni multiple contemporanee a bit rate variabile.
•MAP (Mobile Application Part) protocollo che fornisce funzionalità varie ai
dispositivi mobili, come l'instradamento delle chiamate da e per i gestori.
•La famiglia di codec del GSM (es. protocolli MR e EFR, che definiscono il
modo in cui il segnale audio è digitalizzato, compresso e codificato).
Da un punto di vista tecnico il W-CDMA è solo l'interfaccia trasmissiva,
mentre l'UMTS è l'insieme completo dello stack di protocolli di comunicazione
16
progettati per i sistemi 3G.
UMTS 3
Due canali da 5 MHz
1885-2025 MHz uplink
2110-2200 MHz downlink
Al contrario il sistema CDMA2000 utilizza uno o più canali con 1,25 MHz di
larghezza in range di frequenza non predefiniti sia per UL che DL. L'UMTS
viene spesso criticato per la grande larghezza di banda di cui necessita.
Una delle principali differenze rispetto al GSM è la configurazione
dell'interfaccia trasmissiva GRAN (Generic Radio Access Network). Sono
possibili connessioni con le dorsali (backbone) di varie altre reti, come
Internet, ISDN, GSM o altre reti UMTS. L'interfaccia GRAN utilizza i 3 layer di
più basso livello del modello OSI. Il layer di rete del protocollo OSI
rappresenta il cosiddetto protocollo RRM (Radio Resource Management).
L'insieme di questi protocolli ha la funzione di gestire i canali portanti fra i
dispositivi mobili e le reti fisse, compresa la gestione delle commutazioni fra
reti diverse.
17
HSDPA
(High Speed Dowlink Packet Access)
HSDPA grazie ad opportuni aggiornamenti degli attuali software consentirà agli
utenti mobili di raggiungere velocità di download molto superiori a quelle
attualmente garantite dai sistemi appartenenti alla terza generazione (dai
384Kbps dell’UMTS fino a 2/3Mbps), a fronte di investimenti decisamente
ridotti. I principali costruttori nel campo (Siemens, Ericsson, Motorola, Alcatel)
hanno annunciato che già dalla fine di quest’anno avverrà il lancio commerciale
dei primi sistemi HSDPA, con la conseguenza che sarà finalmente possibile
ottenere dal telefono cellulare le stesse prestazioni raggiungibili con il proprio
PC in termini di velocità di download, consentendo il passaggio dalla fase
teorica a quella pratica per tutta una serie di servizi innovativi quali lo
“streaming” video ed il download di file musicali. L’HSDPA è di fatto una
versione aggiornata e potenziata dell’UMTS. I paesi europei dovranno
selezionare una banda “comune” se si vuole recuperare terreno nei confronti
dei paesi asiatici (Giappone, Cina e Corea del Sud) che hanno ormai da tempo
fatto fronte comune per lo sviluppo dei sistemi di quarta generazione
individuando una banda di frequenza collettiva.
18 e
Richiesta del mercato: maggiore copertura di rete, con prezzi più accessibili
velocità di trasferimento dati maggiori.
Trasmissione dati
GSM
9.6
Kbps
HSCSD
14.4
Kbps
GPRS
171
Kbps
EDGE
384
Kbps
UMTS
2
Mbps
HSDPA
14
Mbps
19
Tempi stimati di scaricamento per un file di 1 Mbyte
4G
Nel settembre 2005 NTT DoCoMo, il più importante operatore mobile
giapponese, è riuscita a testare lo streaming video di ben 32 filmati ad alta
definizione su un nuovo terminale connesso ad un mini-network 4G. L'aspetto
curioso è che i test sono stati effettuati all'interno di una macchina in
movimento che si spostava alla velocità di 20 km/h. Segno evidente che,
almeno a piedi e in bicicletta, la riproduzione non potrà essere interrotta. I
tecnici giapponesi hanno dichiarato che i nuovi terminali sono in grado di
ricevere fino ad un massimo di 100 Mbps in movimento e 1 Gbps in posizione
statica (1 DVD / minuto).
Sebbene il progetto 4G sia ancora in fase sperimentale l'utilizzo della
tecnologia Variable-Spreading-Factor Spread Orthogonal Frequency Division
Multiplexing ( VSF-Spread OFDM) ormai sembra essersi dimostrata una
scelta vincente. La notevole velocità di download è permessa, infatti,
dall'utilizzo di frequenze radio-mobili multiple, in grado di veicolare lo stesso
segnale dati. L'incremento della capacità, invece, è il frutto dell'utilizzo della
tecnologia multiple-input-multiple-output (MIMO), in grado di far ricevere ad
uno stesso terminale mobile dati provenienti da più centraline.
20
NTT DoCoMo spera di poter proporre la 4G a livello commerciale dal 2010.
Conclusioni
Nell’arco di 20 anni si è avuta una vera e propria espansione del fenomeno
cellulare in termini di mercato, questo fattore ha reso possibile una
rapidissima evoluzione tecnologica, che ha portato alla luce terminali sempre
più veloci e capaci di offrire agli utenti sempre più servizi.
Ormai quando si parla di cellulare non ci si limita più a pensarlo come uno
strumento per effettuare una chiamata, perché le sue funzionalità sono
diventate sempre più numerose.
Avere un cellulare è come portare in tasca un telefono, un calendario, un
orologio, un computer, un walkman, un’agenda, un televisore...
Le scommesse per le generazioni di telefonia mobile a venire, non sono solo
quelle di integrare sempre più servizi, ma anche di garantire la velocità dei
servizi stessi con un costo contenuto.
21
Bibliografia
Wikipedia: http://it.wikipedia.org
22