Comunicazioni Wireless
Ultima modifica: 19/04/06
Questo documento è una rielaborazione di alcuni appunti presi durante un seminario introduttivo sulle comunicazioni wireless. Gli appunti sono stati integrati con alcune informazioni reperite in rete.
Il documento è ancora in fase di elaborazione e chiunque volesse collaborare allo sviluppo oppure segnalare eventuali errori non esiti a contattarmi.
Plinio Gatto - p l i ( at ) a u t i s t i c i . o r g
Si ringraziano per la collaborazione:
Roberto Cesco Fabbro - i l c e s c o f a b b r o ( at ) y a h o o . i t
Questo documento è pubblicato sotto una Licenza Creative Commons.
Indice
Introduzione ai sistemi wirelessWireless e Digital-Divide
Sistemi Cellulari
WiFi
WPAN
GSM
UMTS e WLAN
HDSPA, WiMAX, HyperLAN, WiONE e WiBRO
Trasmissione, ricezione e stazione radio mobile
Problemi
Antenne
Servizi e convergenza
Introduzione ai sistemi wireless
Fanno parte dei sistemi wireless i sistemi radio terrestri, i sistemi radio satellitari e i sistemi ottici. Tutti questi sistemi permettono di realizzare una trasmissione senza fili con una buona copertura, una buona mobilità e con costi di installazione relativamente bassi.Per quanto riguarda i sistemi wireless terrestri ci si trova di fronte ad un compromesso tra il data rate e la mobilita. I sistemi caratterizzati da un'alta mobilità e che quindi presentano un basso data rate sono i sistemi radiomobili. A differenza di questi ultimi, sistemi come Wireless LAN, MAN e PAN, presentano un data rate superiore ma una minore mobilità. Data rate ancora maggiori vengono raggiunti con i sistemi radio broadcast e poi video broadcast a scapito di una minore mobilità.
Ad esempio, il sistema Fixed Wireless Access, fornisce servizi di base voce/dati con copertura fino a 25 Km e le ultime miglia di collegamento sono realizzate attraverso trasmissioni radio; questa tecnologia utilizza una frequenza compresa tra 400 Khz e 2 Mhz con un bit rate massimo di 128 Kbps.
Infine i ponti radio offrono un il data rate più elevato ma essendo fissi presentano una mobilità nulla.
La tecnologia che viene utilizzata è la RUB (Radio Broadcast Digitale) che permette di trasportare l'informazione come un segnale digitale.
Si hanno quindi sistemi che sfruttano l'One-Way Digital Radio oppure la Two-Way Digital Radio.
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Wireless e Digital-Divide
Il Digital-Divide è il termine utilizzato per fare riferimento alle "disuguaglianze tecnologiche" tra diverse realtà sociali. Ad esempio la mancanza di connettività e la mancanza della banda larga in diverse zone. Il Digital-Divide legato alla mancanza di connettività può essere colmato portando la banda larga dalla rete cablata, nella la zona in cui non è disponibile, attreverso un collegamento wireless per poi offrire servizi sempre attraverso tecnologie wireless.Torna all'indice
Sistemi Cellulari
I sistemi cellulari sono caratterizzati dalla suddivisione dell'area che deve essere coperta dal servizio in celle, ogni cella viene controllata da una Rtazione Radio Base (SRB) e l'utente è la Stazione Radio Mobile. Questi sistemi sono multiutente e offrono un'alta copertura e un'alta mobilità. Inoltre è opssibile realizzare l'handoff ovvero la gestione del passaggio, di un utente mobile, da una Stazione Radio Base di una cella ad quella di una cella adiacente; si ha inoltre la possibilità di roaming tra due operatori e si può utilizzare la tecnica del riuso in frequenza. Solitamente l'utente si connette alla SRB che presenta il minor errore.In particolare il riuso di frequenza viene implementato dividendo un certo numero di portanti tra le varie celle e l'attenuazione dovuta alla propagazione delle onde nell'aria fa si che i segnali radio restino confinati. Con questa tecnica si riesce a sfruttare al meglio lo spettro disponibile ed è importante perché lo spettro è la risorsa che presenta un costo elevato.
La condivisione dello spettro disponibile può essere implementata attraverso diverse tecniche che permettono l'accesso multiplo al sistema:
TDMA (Time Division Multiple Access)
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
CDMA (Code Division Multiple Access)
In un sistema wireless è sempre presente una sorgente e un circuito che opera una modulazione in modo tale da permettere la trasmissione del segnale sorgente attraverso l'antenna; la modulazione del segnale può essere analogica o numerica.
L'introduzione di diversi tipi di modulazione ha portato all'evoluzione della telefonia cellulare che è in grado di offrire servizi sempre migliori:
1G
La prima generazione di telefoni cellulari poteva offrire una mobilità di base ma il servizio vocale e i vari sistemi di prima generazione non erano tutti compatibili tra loro. Questi sistemi erano sistemi analogici e lavoravano con modulazione FM, FDMA a 450-800 MHz. In Europa erano presenti questi sistemi: RTMS, TACS, ETACS.
2G
Con la telefonia di seconda generazione è stata introdotta la mobilità avanzata, cioè in grado di permettere il roaming, inoltre sono stati inseriti nuovi servizi: voce e dati. Abbiamo il passaggio da sistemi analogici a sitemi digitali con modulazione TDMA, FDMA, CDMA su frequenze 800-900 Mhz, 1,8-1,9 GHz. Questi sono i primi sistemi GSM.
2.5G
A questa generazione appartengono i sistemi GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).
3G
I sistemi di terza generazione permettono il seamless roaming, offrono servizi avanzati ad alto rate e un accesso globale. La modulazione in questo caso e del tipo CDMA su 1,9-2,2 GHz. A questa generazione appartengono i sistemi UMTS.
3.5G
A questa generazione appartengono i sistemi HDSPA (High-Speed Downlink Packet Access).
4G
La quarta generazione dovrebbe offrire ulteriori servizi avanzati e permettere l'integrazioni di vari sistemi.
Per quanto riguarda il data rate e la mobilità i sistemi di seconda generazione arrivano ad un data rate di 10 Kbit/s, i sistemi Evolved 2G permettono di raggiungere i 144 kBit/s. Il data rate può essere ulteriormente aumentato passando a tecnologie Edge GSM diminuendo però la mobilità. Passando a tecnologie 3G come l'IMT2000 si arriva ad avere la stessa mobilità e copertura del GSM ma con un data rate di 2 Mbit/s.
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WiFi
WiFi sta per Wireless Fidelity ed è il nome dato alle WLAN (Wireless Local Area Network). La distribuzione all'interno dei locali avviene tramite Access Point. La ricezione di un eventuale link esterno avviene tramite un'antenna posta all'estenro dell'abitazione questo perchè la potenza massima che può essere irradiata va dai 100 mW a 1 W, a seconda della frequenza, e questo non permette la ricezione del segnale direttamente all'interno delgli edifici. Una stazione base GSM arriva ad irradiare fino a 60 W. La velocità delle WLAN 1G arrivano fino a 2 Mb/s con una banda di 2,4 GHz mentre la WLAN 2G arrivano fino a 54 Mb/s con banda a 5 GHz.Teconologia definita dallo standard IEEE 802.11b.
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WPAN (Wireless Personal Area Network)
Le WPAN di prima generazione (Bluetooth) arrivano fino a 1 Mb/s mentre le WPAN 2G superano i 10 Mb/s.Tecnologia definita dallo standard IEEE 802.15, ad esempio: Bluetooth (comunicazioni nel raggio di 10 m anche se puo' arrivare fino a 100 m) oppure UWB (Ultra Width Band, comunicazioni con velocità superiore a 10 Mbit/s)
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GSM
Come abbiamo già visto il GSM fa parte dei sistemi di 2° generazione (2G), questo, a differenza dell'UMTS (3G) che utilizza la commutazione a pacchetto, utilizza una commutazione a circuito. Ogni cella è identificata da una Stazione Radio Base mentre, per l'UMTS, si hanno i Radio Network Controller.La GSM Core Network è il cuore del sistema GSM, questa rete è installata dall'operatore di telefonia mobile e permette all'utente di connettersi agli altri utenti attraverso una rete di telecomunicazioni più estesa.
Quando un utente, per aumentare la sua connettività, passa ad utilizzare una rete che non è di proprietà dell'operatore a cui è registrato si parla di roaming.
Ad esempio quando un utente GSM non è coperto dal servizio dal proprio provider allora fa un roaming attraverso un altro provider.
La rete GSM è strutturata in questo modo: la stazione radio mobile si connette attraverso l'interfaccia radio al Base Station System; questo è costituito da una rete di Base Transceiver Station collegate ad un Base Station Controller. Il Base Station System a sua volta è collegato al Network Subsystem; questo e formato dai seguenti sistemi:
Mobile Switching Center ( MSC )
Visitor Location Register ( VLR )
Home Location Register ( HLR )
Equipment Identity Register ( EIR )
Il Network Subsistem è a sua volta collegato all'esterno, verso la rete telefonica, cablata attraverso reti del tipo: PSTN, PSPDN, CSPDN, ISDN, X.25.
In particolare l'HLR è un database che contiene le informazioni sull'utente che è autorizzato ad utilizzare la GSM Core Network. Per ridurre il carico di lavoro destinato all'HLR è stato sviluppato il VLR ovvero un database temporaneo degli utenti che, ad esempio, hanno effettuato un roaming in una particolare area (in questo caso l'utente passa da un VLR ad un altro). Ogni SRB è servita da un VLR e quindi un utente non può essere presente in più di un VLR nello stesso momento.
(aggiungere uno schema)
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UMTS e WLAN
UMTS e WLAN funzionano in contesti diversi: WLAN funziona all'interno di una struttura e non permette il roaming; l'UMTS è un sistema cellulare di terza generazione e funziona sul territorio con un sistema a calle.In particolare l'UMTS offre la possibilità di effettuare trasmissioni vocali e video e trasmissioni dati ad alta velocità (fino a 2 Mbps teorici). Inoltre verranno sviluppati ulteriori servizi che l'utente riterrà utili come ad esempio il broadcasting, l'interattività e l'instant messaging. Si stà spostando quello che c'è sulla rete fissa sulla rete mobile.
Queste tecnologie in futuro verranno utilizzate insieme: la tecnologia WLAN verrà utilizzata all'interno delle strutture e le varie reti WLAN saranno connesse tramite tecnologia UMTS permettendo in questo modo di estendere la connettività. Tuttavia per fare questo è necessario creare una infrastruttura appropriata (nodi che gestiscono la rete).
La rete UMTS R99 è strutturata in questo modo: la Stazione Radio Mobile si connette all'UTRAN (Umts Terestrial Radio Access Network) che è costituita da una Stazione Base e un Radio Network Controller, il Network Subsystem, che nella rete GSM era a commutazione di circuito, è a commutazione di pacchetto ed è costituito da un Serving GPRS Support Node e da un gateway GPRS Support Node; il Network Subsystem è collegato verso l'esterno alla rete dati o ad Internet.
Questa struttura comunica con la rete GSM in questo modo: il Radio Network Controller comunica con il Mobile Switching Center e il Visitor Location Register; inoltre il Serving GPRS Support Node comunica con il Base Stration Controller.
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HDSPA
HDSPA è l'acronimo di high-speed downlink packet access. Questa tecnologia viene considerata come la Generazione 3,5 (3,5G); è simile all'umts ma orientata alla trasmissione dati. Oggi la velocità teorica massima è arrivata a 1,8 Mbps ma le previsioni sono per 14 Mbps.WiMAX
A differenza del WiFi che lavora nello spettro libero il WiMAX lavora su frequenze licenziate e di conseguenza più protette; per questo possono essere offerti servizi migliori e servizi per un'utenza più esigente.HyperLAN
Anche in questo caso la comunicazione avviene tra un apparato ricevente posto sul tetto perchè le potenze che possono essere emesse sono basse.WiONE
Questa tecnologia consente la realizzazione di reti ad ampia copertura e in grado di offrire servizi quali connettività ad Internet, VOIP, telesorveglianza e videosorveglianza.Rispetto aglia altri sistemi offre una maggiore propagazione, una banda più larga e la capacità di gestire più utenti.
Inoltre questa tecnologia è compatibile con la tecnologia WiFi ma la velocità raddoppia.
Presentando dei costi per l'infrastruttura relativamente bassi il WiONE si presta bene come tecnologia per colmare il Digital-Divide.
Quando WiMAX sarà una tecnologia comune sarà possibilie realizzazre WiMAX per le connessioni a grande distanza e WiONE per la distribuzione dei servizi agli utenti.
WiBRO
E' come il WiMAX ma per la telefonia mobile con velocità intorno ai 20 - 30 Mbps. Questa tecnologia sarà offerte nel 2007.Torna all'indice
Trasmissione, ricezione e stazione radio mobile
La distinzione principale tra i blocchi che costituiscono il sistema di ricezione, quello di trasmissione e la stazione radio mobile, è fatta tra quelli che lavorano in banda base e la banda passante:
Lo schema di principio della trasmissione si divide in due blocchi: banda base e banda passante. In banda base si ha un codificatore di sorgente, un codificatore di canale e un modulatore numerico; dopo la modulazione si passa in banda passante dove si ha un modulatore RF, un amplificatore lineare e l'antenna.
Lo schema di principio della ricezione si divide in due blocchi: banda passante e banda base. In banda passante abbiamo l'antenna, l'amplificatore LNA (Low Noise Amplifier) e il demodulatore RF; dopo la demodulazione si passa in banda base dove si ha un demodulatore numerico, un decodificatore di canale e un decodificatore sorgente.
La stazione radio mobile è il telefono cellulare, questo presenta i seguenti blocchi fondamentali: la parte radio, la parte che lavora in banda base dove sono presenti DSP (Digital Signal Processing) e ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) e tutto è supervisionato da una parte di controllo (microprocessore). (estendere)
Aspetti critici del sistema in banda passante
Gli aspetti critici per quanto riguarda la parte in banda passante sono: il progetto degli amplificatori, il progetto del modulatore RF e il progetto delle antenne.
In particolare il progetto degli amplificatori consiste nel progettare un dispositivo che eroghi potenza, con un'amplificazione lineare, deve presentare un bassa figura di rumore, deve consumare poco e inoltre si ha un vincolo sulle dimensioni e sul costo.
Per quanto riguarda il progetto del Modulatore RF si devono progettare filtri analogici, oscillatori di precisione, DAC e ADC.
Gli algoritmi di ricezione sono costituiti da una stima di canale e un'equalizzazione; inoltre utilizzano tecniche di cancellazione dell'interferenza. E' necessario progettare i codici e l'analisi di sistemi nel caso si abbiano antenne multiple.
Nel progetto delle antenne si deve tenere presente l'impatto ambientale e la dimensione. Quest'ultimo è un parametro critico nel caso di schiere di antenne.
Aspetti critici del sistema in banda base
Gli aspetti critici per quanto riguarda la parte in banda base sono: il progetto della codifica del canale e della modulazione e il progetto della codifica di sorgente.
In particolare nella la progettazione della codifica del canale e della modulazione, si deve studiare l'efficienza spettrale dei canali wireless ovvero analizzare la robustezza al rumore e quindi la possibilità di una maggiore copertura. Inoltre è necessario studiare e la robustezza all'interferenza che permette di aumentare la capacità del canale(La capacita' del canale e' un limite che indica la massima quantita' di informazione che si puo' mandare su un canale non si puo' aumentare. Con una codifica opportuna ci si puo' avvicinare o meno a questo limite); inoltre è utile tenere presente la complessità computazionale.
Il progetto della codifica di sorgente consiste nel progettare una buona codifica in modo da avere un basso rate ed un'alta qualità e anche in questo caso è utile tenere presente la complessità computazionale.
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Problemi
Scattering
lo scattering è un fenomeno che comporta ridistribuzione della radiazione quando si incontra un ostacolo.
Se la lunghezza d'onda è maggiore delle dimensioni dell'ostacolo, l'energia incidente viene diffusa in tutte le direzioni generando cammini multipli.
Da questo fenomeno si ottiene un vincolo sul dimensionamento della lunghezza d'onda del sistema.
Può dare origine a diffusione e quindi la stazione base può ricevere molte onde diffuse.
Fading
L'utente in movimento da luogo ad un effetto doppler sul segnale e quindi il ricevitore riceve una serie di echi sovrapposti del segnale, ognuno caratterizzato da una certa fase ed ampiezza.
Il fenomeno descritto prende il nome di Fading ed è tipico dei sistemi wireless. A seconda della velocità con cui si muove l'utente si hanno diversi tipi di fading:
Fading lento: quando si cammina
Fading veloce: dovuto alla diffusione (in auto a 100 Km/h)
Flat fading: quando si hanno ritardi piccoli
In particolare, nel caso del Flat fading si considera il canale con sola attenuazione senza echi.
Sistemi a banda stretta
La banda in cui il canale è considerato piatto, si ha tempo varianza, assenza di interferenza all'intersimbolo. Si riscontrano dei problemi quando si cambia il canale e la risposta in frequenza è stretta.
Sistemi a banda larga
Un sistema a banda larga è l'UMTS (5 Mhz). In questo caso si ha il problema di intersimbolo, in compenso non vede i cambiamenti del canale.
In genere si utilizzano sistemi multiportante come OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) in cui si puo' considerare il sottocanale a banda piatta. Sistemi a banda larghissima come gli UWB invece non suddividono la banda in sottocanali.
Il canale inserisce un'attenuazione, per migliorare questo aspetto si può utilizzare una schiera di antenne dove ogni antenna vede il suo canale. L'idea è quella di avere la diversita' di canale: se le antenne sono sufficientemente distanti tra loro, si puo' considerare il segnale ricevuto dalle singole antenne come indipendente da quello delle altre. Se se l'SNR di un'antenna il e' pessimo può darsi che sulle altre sia abbastanza buono da consentire la ricezione. Si deve tenere in considerazione anche il modo in cui vengono elaborati i segnali ricevuti dalle varie antenne.
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Antenne
Per le applicazioni GSM vengono utilizzate schiere di antenne aumentando in questo modo le prestazioni del sistema. Inoltre, a parità di banda e aumentando il numero delle antenne viene aumenta linearmente la Capacità (Dipende: non sempre viene sfruttato uno streaming di dati differente per ogni antenna) ovvero il massimo rate che si può supportare garantendo una probabilità d'errore piccola.
Smart Antennas
Il sistema Smart Antenna è costituito da antenne a schiera combinate con il signal-processing per orientare automaticamente la radiazione a seconda dei segnali presenti.
Adaptive Antennas
Possono raccogliere informazioni sul segnali e possono eliminare le interferenze dovute agli altri trasmettitori.
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Servizi e convergenza
I servizi offerti in futuro dalla telefonia mobile saranno i più svariati: giochi, musica, intrattenimento, strumenti per la produttività, instant messaging, trasmissioni tv.
In particolare la TV sul telefonino oggi è possibilie vederla in streaming, in futuro sarà presente, integrato in ogni telefono, un ricevitore di TV digitale terrestre; si parla di tecnologia DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld) una tecnologia he permette di svincolare dalla rete telefonica le trasmissioni TV verso telefoni evitando in questo modio di sovraccaricre la rete telefonica.
Per quanto riguarda la connettività mobile i costi sono ancora elevati e se il costo di un servizio non viene tarato nel modo giusto si rischia che gli utenti non lo reputino interessante.
Per l'offerta di contenuti stà diventando sempre più importante la questione del Digital Rights Management (DRM).
I telefoni sui quali si stanno sperimentando servizi innovativi sono gli smartphone e in questo ambito stà diventando sempre più importante il sistema operativo utilizzato.
Sono stati presentati chip grafici per telefoni che hanno la stessa potenza di quelli utilizzati sulle console e hard disk da 12 Gb per telefoni.
Si sta andando verso la convergenza dell'informatica e della telefonia, ad esempio il WiFi permette collegamenti in ambito locale e per le connessioni a grande distanza poù essere utilizzato il WiMAX che è ancora in fase di sperimentazione.
Le reti informatiche e quelle telefoniche entrano ad operare nello stesso ambito.
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