Dal GSM al 5G, Sistemi Wireless

Procedure: Sommario

Accensione, Registrazione

BER - Roaming e Location Update

Problemi di propagazione intra LA, Tipi di rete inter LA, intra MSC/VLR, Multipath Fading inter LA e MSC/VLR

Potenza Tx, Rx, Guadagno

Chiamata da mobile, Path Loss, Delay Spread - Chiamata da fisso

Energy efficient

• Chiamata con handover
• Fisico intra cella
• Mac inter BTS, intra BSS
• Data Link inter BTS, BSS intra MSC
• Routing inter BTS, BSS, MSC

Cellular system

• Spegnimento
• Traffico Medio

Fase 2+

• Call Blocking EFR, AMR, TFO, Number
• Reuse Distance Portability, LCS, CTS (HBS)

Segnali analogici, digitali

• MExE, Camel, Dati a 14400
• PCM

EDGE

• ADPCM

GPRS

• Vocoder
• Unità Funzionali: SGSN, GGSN, Ibridi PCU

Architettura GSM

• Protocolli: SNDCP, LLC, RLC
• Caratteristiche MAC
• BSS, BTS, BSC
• Canali: PDCH, PNCH, PACCH
• SMSS, MSC/VLR, PTCCHHLR, AuC, EIR, GCR
• Mobility Management
• OMSS, OMC, NMC

UMTS

Aree GSM, PLMN, MSC/VLR, LA, 4G, LTE Cella - OFDMA

MS

• Multiple Antenna Technology
• Elementi
• Packet Switched Radio
• Tipi Interface
• Sim
• Network Architecture

Procedure

• Core Network
• Autenticazione
• RRC
• Cifratura

5G

Canali

• Fisici
• Logici: Traffico, Controllo, BCH (PCCH, SCH, BCCH), CCCH (PCH, RACH, AGCH), DCCH (SACCH, FACCH, SDCCH)
• Burst: Normal, Access, Dummy, Frequency Correction, Synchronization

Numeri

• MSISDN, MSRN, Handover Number, IMSI, TMSI, IMEI, LAI, CGI, BSCI

Sistemi wireless

I sistemi wireless sono stati progettati per permettere la comunicazione ovunque e sempre. Deve essere supportata la mobilità e la portabilità deve dipendere da sorgenti di energia esterni come esempio la batteria. Rispetto ad una rete con filo, le comunicazioni wireless sono meno affidabili e comportano vari problemi:

• Il BER (Bit Error Rate) non è più trascurabile ed è più alto rispetto a quelle con filo (dove TCP assumeva che se un pacchetto non arrivava era per congestione). Si può risolvere con:
  • FEC (Forward Error Correct) se ci sono pochi "bit flip" si possono scoprire e correggere quelli sbagliati con la teoria dell'informazione.
  • Interleaving, invece di inviare pacchetti questi vengono spezzati e assemblati in un altro pacchetto in modo che se uno di questi si perde, è solo una porzione del pacchetto originale a perdersi ed è più facile ricostruirlo.
  • ARR (Automatic Repeat Request) si rinvia il pacchetto perso.
• Il BER è alto a causa dell'attenuazione di segnale che può accadere per la distanza tra trasmittente e ricevente. Più è grande e più è basso il segnale che arriva.

Altri tipi di problemi di propagazione del segnale

• Line of sight, propagazione ideale senza ostacoli;
• Shadowing, blocco delle onde dovute agli ostacoli;
• Reflection, la propagazione incide su una superficie più grande e viene riflessa;
• Diffraction, l'onda si scontra con una superficie più piccola viene deviata;
• Scattering, l’onda si scontra con una superficie che spezza il segnale in più onde.

Broadcast medium, una trasmissione è intercettabile da chiunque aumentando così il problema della sicurezza e anche del MAC (Medium Access Control) che non rileva il problema dell’"hidden terminal" ovvero se A e B comunicano ad un terzo nodo C ma entrambi non si vedono, si crea collisione che non viene rilevata. Quindi non si può fare "collision detection".

Supporto alla mobilità, il dispositivo deve essere raggiungibile anche se si sposta; Efficienza energetica, I dispositivi sono alimentati con batteria a energia limitata.

I tipi di rete sono:

• Rete con infrastruttura, quando i dispositivi comunicano tra loro tramite un access point o base station;
• Ad Hoc Wireless Network, la comunicazione avviene tramite i dispositivi stessi (P2P) e ogni nodo può operare come sorgente o destinazione o semplicemente come un relay. L'antenna non può trasmettere e ricevere contemporaneamente e la topologia della rete cambia spesso in base alla mobilità dei nodi. Si usa il multihop per la comunicazione. Il Routing dipende dallo spostamento dei dispositivi e dal controllo dell'energia dato che non ti possono spegnersi, si introduce latenza.

Multipath fading: questo si verifica quando il destinatario riceve più copie dello stesso segnale con diversa intensità e quindi diversi percorsi. Il ricevente deve saper modellare il tutto e deve valutare il numero di repliche, le fasi, l'ampiezza e la frequenza.

Supponendo che si usi un'antenna a radiazione isotropica

Cioè trasmette il segnale uniformemente in tutte le direzioni la densità di potenza è: dove P è la potenza di trasmissione t 24πd è l'area di una sfera con raggio d. Le antenne reali ovviamente hanno problemi di deviazione e sono antenne direzionali quindi raggiungono una sola direzione con la massima potenza.

Guadagno

Espresso in dB G = densità di potenza con massima radiazione / F. È una quantità sempre maggiore di uno. Quindi la densità di potenza si può scrivere con: dove P_g è EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). L'equazione di Friis si applica in situazione di LOS e valuta la densità di potenza del ricevente: dove P_t è la potenza del trasmittente g_t e g_r sono i guadagni del trasmittente e ricevente λ è la lunghezza d'onda misurata in c/f d è la distanza tra trasmittente e ricevente L è l’Hw loss e sarà >=1. Il rapporto tra due potenze può essere espresso in decibel con la seguente formula 10log(P₁/P₂).

Path Loss si può esprimere in decibel rappresenta la perdita di segnale. In decibel la formula è la seguente 20logd+20logf-147,56 si può osservare come dipende sia da frequenza che dalla distanza. Le basse frequenze subiscono basse attenuazioni e la potenza ricevuta dipende dal luogo e dal tempo. Con il multipath fading si verifica il delay spread ovvero diverse copie arrivano con vari ritardi. Il modello per quantificarlo è RMS (Root Mean Square) Delay Spread.

Coherence Bandwidth

Quantità approssimata inversa al RMS e indica l’intervallo di banda sopra cui il canale è FLAT (fading paragonabile). Se è molto maggiore del bandwidth del segnale il canale è piatto altrimenti si causa il delay spread.

Tecniche per comunicazioni energy-efficient

I dispositivi portatili si basano su sorgenti di energia per essere in grado di comunicare tra loro. La batteria però ha una vita limitata e si richiedono delle operazioni di ricarica del dispositivo per essere sempre operativo. Nonostante il miglioramento della tecnologia, il problema non è stato risolto. Dato l'incremento della domanda di energia, le aspettative degli utenti, la crescita delle prestazioni della batteria rimanente lenta rispetto a domanda. Sono state sviluppate quindi tecniche di energy efficient perché il consumo energetico è un aspetto critico per la progettazione di wireless.

Network lifetime è il tempo fino a quando il primo nodo della rete cade a causa dell'esaurimento della sua batteria. Si può anche dire che è il tempo prima che la rete si disconnetta o fallisca un compito. I laptop consumano molta energia per lo schermo e per le wireless network interface card. Nel tempo, dagli anni ’90 ad oggi, c'è stato un incremento notevole delle prestazioni di molti componenti della batteria.

Il consumo di energia di una rete è dovuto al:

• Computing, trattamento dei dati, aggregazione e operazioni di protocollo;
• Commutazioni, trasmettitore wireless consuma notevole energia per inviare e ricevere dati anche quando inattivo perché sempre pronto a ricevere.

Trade-off tra computazione e comunicazione deve essere ottimizzato e i protocolli ad alta efficienza energetica hanno questo compito. Ci sono vari parametri da valutare come la posizione del sistema, il tipo di dati da inviare.

Livello fisico

Il consumo energetico dovuto all'energia necessaria per attivare circuiti ricevere o inviare il segnale. Si può ridurre in caso di comunicazione a lungo raggio con l'applicazione del controllo di potenza. Le tecnologie wireless possono cambiare la modulazione nel tempo. Se si usano modulazione ad alta velocità si riduce il tempo di trasmissione e quindi consumo. Ottimizzazione e selezione dell'hardware a causa delle scelte di progettazione questo può avere prestazioni e consumi diversi con impatto significativo sull’energia.

È sbagliato usare tecnologie promiscue per esempio inviare pacchetti a livello alto nonostante non sia il nodo destinatario perché questo porta sempre a mantenere accesa la scheda. Si può impostare uno stato di riposo dove il consumo è basso ma non viene trasmesso e ricevuto niente. Si può fare quando il nodo non è interessato per lungo tempo alla comunicazione, ecco perché il primo campo del pacchetto è sempre l’indirizzo.

Livello MAC

• Awake/asleep schedule, dove i nodi si alternano tra gli stati ad alto consumo, in cui il nodo è attivo(ON), e quelli in cui è spento dove i pacchetti non sono inviati né ricevuti e il consumo in basso.
• Duty cycle, tempo in cui il nodo sta acceso su tutto il tempo totale T_on/ (T_on + T_off).
• Protocollo sincrono, dove i nodi si scambiano informazioni di coordinamento quando sono svegli. Ogni tanto si inviano pacchetti di controllo per verificare vicini svegli.
• Protocolli asincroni, non si conosce lo schedule dei vicini che non si sovraccarica la rete di controlli. Per rendere la comunicazione affidabile viene inviata la sequenza di pacchetti finché il nodo non risponde. Oppure i nodi devono inviare ad uno già sveglio.

I nodi non coinvolti in comunicazione devono spegnersi e tutti devono minimizzare le collisioni. L’header del pacchetto va compresso per inviare meno bit. Riduce l'energia anche limitare il controllo delle informazioni. La ricezione ovviamente consuma di più della trasmissione perché non si può prevedere quando i pacchetti arrivano.

Lo stato di un'antenna può essere:

• tx, sveglio e trasmette
• rx, sveglio e riceve
• idle, sveglio ma non riceve e trasmette
• asleep, non opera e quindi ha energia bassa

Livello data link

Se il canale è in uno stato cattivo conviene ritardare l’invio dei pacchetti per evitare sprechi.

Livello routing

Dipende dallo scenario può essere efficiente e trasmettere su un alto numero di piccoli collegamenti o minimizzare il numero di hop. Ridurre l’overhead per scoprire e/o aggiornare una rotta e bilanciare quindi il carico della rete. Le soluzioni energy aware tengono conto dell'energia residua per le operazioni successive alla selezione del miglior hop. Bisogna evitare le ritrasmissioni e si possono combinare tutte le varie soluzioni sopraindicate.

Cellular system

La risorsa radio è da dividere lungo le base station (bs). Esse sono le unità funzionali che si occupano della copertura e comunicazione con le mobile station (ms). La quantità di risorsa (detta anche larghezza di banda) è limitata e non è possibile dedicargli un solo canale o una particolare cella. Nella divisione delle risorse radio lungo le celle, le stesse risorse (quindi stessa frequenza di banda o canale), vengono utilizzate più volte in quelle celle sufficientemente distanti, per evitare interferenze. Un aspetto critico è il riuso della frequenza che determina il numero dei canali da assegnare ad ogni cella e la qualità dei canali. Indipendentemente dal modo in cui è divisa la cella il numero dei canali è limitato e spesso fisso che porta quindi ad un limitato numero di chiamate contemporanee, effetto chiamato call blocking. Per valutare il call blocking bisogna caratterizzare il traffico esaminando i processi in arrivo, il tasso di arrivi e la durata media delle chiamate.

Scenario

• Le richieste di servizio arrivano al services system in modo casuale;
• Ogni richiesta ha un tempo di servizio non nullo, tempo necessario per eseguirla dal server;
• Sistema di attesa (o coda) è luogo dove le richieste attendono che il nodo si liberi.

Un utente rimane nel sistema per il seguente tempo t = queue delay + time service. Un service system è caratterizzato da:

• Una popolazione di utenti finita o infinita;
• Un numero S di server (numero di canali) e una coda;
• Processi in arrivo, caratterizzati da tempo di arrivo (t_ai) e tempo di servizio (t_si) sono variabili indipendenti distribuite uniformemente;
• Schema di servizio;
• Regole per la coda (FIFO, LIFO, priorità, casuale) la quale all'inizio vuota.

Per identificare una coda si usa la notazione di Kendall:

• A, descrive la distribuzione di probabilità dell'intervallo di tempo di arrivo;
• B, descrive la distribuzione di probabilità dell'intervallo di tempo di servizio;
• s, è il numero dei server in nodo;
• c, è la capacità della coda;
• p, è la dimensione delle chiamate che si possono servire;
• z, è la regola della coda. s e c se non sono settate valgono infinito e insieme a p sono numeri interi non negativi. La regola FIFO non viene specificata. La notazione usata è A/B/s.

Traffico medio A = λX dove λ sono le chiamate in arrivo e X è la durata della chiamata. I valori che A e B possono assumere sono:

• M, indica la distribuzione esponenziale;
• D, indica la distribuzione costante;
• E_k, indica la distribuzione di Erlang di ordine k;
• G, indica la distribuzione generica.

Call Blocking Probability

Il traffico è bloccato se A = AB(n,A)p. Il traffico trasportato A = A(1-B(n,A)). Coefficiente di utilizzo del canale p = A_s/n, 0 <= p <= 1.

Architettura di un sistema cellulare

La cella è una porzione di territorio coperta da una stazione radio o base station (bs) che ha uno o più canali. Gli utenti mobili usano una connessione full duplex con le BS. Un MSC (Mobile Switching Center) controlla molti BS ed è una centrale di commutazione per i servizi radiomobili che si occupa di tutti gli aspetti per il controllo delle chiamate e l'interworking verso altre reti. I vari MSC sono connessi tra loro tramite i Public Switching Telephone Network (PSTN).

Il segnale è ok quando P_rx > -x dBm dove P_rx = cP_tx quindi dipendente da d. Coprire una larga area geografica non è possibile. Una cella si può approssimare con un esagono. Se usiamo tante BS avremo una bassa potenza e quindi illimitata capacità aumentando però i costi di infrastruttura e la gestione della mobilità. Se incrementiamo il tutto tramite frequency reuse siamo soggetti alle interferenze e quindi abbiamo bisogno di avere una separazione sufficiente tra le celle.

La capacità del sistema cellulare dipende da:

• Complessivo numero di canali (largo spettro)
• Tecnica del frequency reuse
• Dimensione delle celle

Reuse Distance

Co-Channel Interference (CCI) Sectorization

Si usa quando abbiamo delle antenne direzionali e le celle sono chiamate settori. Ogni settore usa differenti frequenze e questo porta ad evitare interferenze ai bordi del settore stesso. Si riduce così il CCI ma aumenta l’handover rate.

GSM

Caratteristiche dei segnali analogici e numerici

Un segnale elettrico è analogico quando varia di continuo nel tempo e nelle ampiezze. Questo tipo di segnale può essere manipolato per rendere la trasmissione più efficiente. L’informazione da trasferire è associata alla forma del segnale che può essere trasmessa con sistemi analogici e digitali.

Sistemi analogici

Si opera direttamente sul segnale analogico in ingresso e può essere manipolato sia prima della trasmissione che dopo la ricezione. La forma di uscita è molto simile a quella avuta in ingresso. Il segnale però può subire variazioni dovuti a distorsioni e rumori. La qualità del segnale si misura in S/N (Signal/Noise Ratio) dove S/N=10log P₁₀/P_SN.

Il rumore si somma al segnale ecco perché ne rovina la qualità in modo irreparabile. Più è lungo il collegamento, più rumore si somma, minore è la potenza di ricezione e peggiore sarà la qualità del segnale ricevuto. Bisogna avere S/N molto elevato e la potenza del segnale deve essere molto maggior di quella del rumore cosa non sempre possibile.

Segnale digitale

È una sequenza di impulsi elettrici, temporizzati, che possono assumere un limitato numero di ampiezze. Il temporizzatore è un “clock”, un segnale ad onda quadra che dura quanto un bit. Il segnale viene letto a metà del tempo di bit, i clock di trasmissione e ricezione devono essere sincronizzati.

Se si supera la soglia si assegna il valore 1 altrimenti 0. In questo modo non è importante conservare la forma esatta del segnale ma è importante che il rumore o la distorsione non modifichi notevolmente l’onda da portare un’errata lettura, solitamente questi non hanno effetti su questo tipo di segnale. In questo tipo di sistemi la qualità del segnale si misura in BER (Bit Error Rate). Si calcola con: BER = numero di bit errati / numero di bit trasmessi.

Un segnale digitale può essere rigenerato e non solo amplificato. Per migliorare il BER si possono fare rigenerazioni anche a percorsi intermedi. L’effetto delle distorsioni simboliche è detto ISI (InterSymbol Interference) e per contrastarlo...