comunicazioni personali e infomobilità la convergenza fisso-mobile ed i servizi la storia nel...

Comunicazionipersonali

e infomobilitàLa convergenza fisso-mobile

ed i servizi

La Storia nel Futuro a Torino

Politecnico di Torino,27 maggio 2008

Pietro Porzio Giusto

2Comunicazioni personali e infomobilità - 27.05.2008 - [email protected]

Sommario

• Affinché i servizi abbiano successo occorre che:– soddisfino bisogni profondamente sentiti– rispondano a desideri reali– abbiano prezzi abbordabili

• L’evoluzione tecnologica offre tecniche sempre più sofisticate, che migliorano le prestazioni e riducono i costi

• Le tecniche che si applicano richiedono competenze teoriche e specialistiche sempre più profonde, per le quali occorre una preparazione di base solida e aperta all’innovazione

• Per gli utenti la distinzione fra rete fissa e rete mobile è sempre meno comprensibile, ma la struttura dei costi dei due tipi di rete è diversa e occorre trovare una conciliazione delle tariffe per arrivare a un’effettiva convergenza fisso-mobile


Servizi e

sviluppi da perseguire


Servizi

• Fonia• Trasmissione di testi– SMS– chat– email

• Accesso ad Internet• Trasferimento di file• Trasmissione di immagini– MMS– videotelefonia

• Intrattenimento– giochi– radio– televisione

• Telepresenza Immersiva Virtuale:solo con telecomunicazioni fisse?• Servizi di “infomobilità”


I servizi di infomobilità

• Gestione di flotte di veicoli e del trasporto merci

• Pagamento automatico dei pedaggi

• Controllo del veicolo e navigazione

• Protezione dei veicoli (antifurti)

• (LBS) Location Based Services: servizi e informazioni correlate al luogo in cui il viaggiatore si trova (allertamenti e notizie su ingorghi , mezzi di trasporto pubblici, farmacie, ristoranti, alberghi, pubblicità, giochi, ...)

• Gestione delle emergenze e degli incidenti; eCall (Emergency Call)

I servizi di infomobilità immaginabili sono numerosi.Pochi richiedono bande di trasmissione larghe.


Gli argomenti di studio e di sviluppo

• individuare i servizi che possono soddisfare bisogni sentiti• progettare prodotti confacenti con i desideri reali dei potenziali

clienti• verificare che i potenziali clienti si potranno permettere ciò che

si intende proporre al tempo in cui il prodotto sarà immesso sul mercato• ottimizzare la tecnologia

Fra i servizi già sperimentati, alcuni hanno avuto successo, altri hanno fatto fiasco.

Per stabilire su quali ricerche e su quali sviluppi conviene investire occorre:


L’evoluzione delle

reti per comunicazioni personali


La crescita della banda di trasmissione

Sistema

Bit rate di piccoteorica (kbit/s) Efficienza di

trasmissione (Bit/s/Hz)

Efficienza cellulare

(Bit/s/Hz /cella)Downlink Uplink

TACS 2,4 2,4 0,1 0,005

GPRS (4+1 time slot) 57,6 14,4 0,58 0,064

EDGE (4+1 time slot) 237 59 2,37 0,13

UMTS 384 384 0,46 0,46

HSPA (attuale) 7.200 2.080 1,39 1,39

WiMax (TDD, 5 MHz) 5.200 3.900 1,82 0,45

HSPA evolved 21.000 11.500 3,25 3,25

LTE (20 MHz) 100.000 50.000 3,75 3,75

I valori della tabella sono indicativi e per condizioni ideali di utilizzo


Due motivi per la crescitadella banda di trasmissione

a) Fornire servizi a larga banda e migliorare la qualità percepita dagli utenti (tempi di risposta della rete, interattività)

b) Ridurre i costi di rete (numero di ricetrasmettitori, branching)

TX 1 TX 2 TX 3 TX 4 TX n

RX 1 RX 2 RX 3 RX 4 RX n

Sistema di branching

...

...


La “Core Network”

• Cresce il numero di servizi di telecomunicazioni basati sull’IP

• Con l’IP si possono impiantare su una base comune i protocolli di tutti i servizi e rendere semplice e flessibile la gestione delle reti

• L’IP consente generalmente di ridurre i costi di rete

• Si possono applicare tecniche ROHC (Robust Header Compression) che rendono accettabile l’uso dell’IP anche per la voce sull’interfaccia radio

Le nuove reti mobili (WiMax, LTE) sonocompletamente basate sull’IP (IPv6)


Tecniche radio

• Tecniche di accesso:– FDMA (Frequency Division Multiple Access)– TDMA (Time Division Multiple Access)– CDMA (Code Division Multiple Access)– OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)– SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)

• Modulazioni fino a 64 stati (64QAM)• Codificazioni per la rivelazione e la correzione degli errori di

trasmissione (codici convoluzionali, turbo codici, ...)• Adattatività di modulazione e codificazione• HARQ (Hybrid-Automatic Repeat reQuest) e “soft combining”• Sistemi d’antenna MIMO (Multiple Input Multiple Output)• Multiuser Detection (Joint Detection- Interference Cancellation)


Propagazione e antenne


I cammini multipli di propagazione


La variabilità del canale radio

• La rapidità delle evoluzioni del canale può essere dell’ordine del tempo che il terminale impiega per percorrere una distanza pari un quarto della lunghezza d’onda della portante radio (la rapidità di adattamento dei ricevitori è cruciale)

• Gli errori di trasmissione capitano tendenzialmente a folate

Ampiezza della funzione di trasferimento del canale

Frequenza

Canaleradio

I cammini multipli di propagazione creano forti distorsioni della funzione di trasferimento del canale radio.

Le distorsioni mutano con il movimento del terminale e degli oggetti circostanti


Sistemi d’antenna MIMO(Multiple-Input/Multiple-Output)

Bandabase

Bandabase

R1 = T1 H11 + T2 H21

R2 = T1 H12 + T2 H22

TX1

TX2

RX1

RX2

H11

H21H22

H12

Inviando appositi segnali pilota si stimano le funzioni di trasferimento Hxy e, risolvendo il sistema di equazioni, si ricavano i segnali T1 e T2:

sul canale radio distorcente si trasmettono più segnali


Principi dell’HARQ(Hybrid-Automatic Retransmission reQuest)

a) L’informazione da trasmettere è suddivisa in blocchi e ogni blocco è codificato con un a codifica molto robusta e ridondate

b) Il blocco codificato è suddiviso in sottoblocchi, il primo dei quali contiene il “codice madre” e un minimo di ridondanza per la rivelazione degli errori di trasmissione.

c) Sul canale si trasmette il primo sottoblocco da cui il ricevitore tenta il recupero dell’informazione; in caso di decodificazione corretta, l’informazione risulta trasmessa con la massima efficienza

d) Se gli errori di trasmissione impediscono di estrarre l’informazione, il ricevitore chiede la trasmissione di un altro sottoblocco e tenta il recupero dell’informazione combinando ciò che ha ricevuto fino al momento (ridondanza incrementale)

e) Si ripete il punto d), anche con la ritrasmissione di sottoblocchi già trasmessi, finché la decodifica non ha successo o finché non si supera un limite massimo di trasmissioni di sottoblocchi


IL DS-CDMA(Direct Sequence – Code Division Multiple Access)


Generazione di un segnale CDMA

AxB: segnale codificato

A: bit di modulazionebitchip

B: codice di spreading


Ricezione di un segnale CDMA

A: prodotto AxB

B: clodice di spreading C: segnale ricevuto

D: codice di spreading ortogonale

AxD: valor medio nullo


Codici ortogonali

A

B

C

D

A Bx

Il prodotto di ogni

elemento per

ciascuno degli altri ha valor medio nullo

A Cx

A Dx


Sovrapposizione e trasmissione (I)

Segnale n

Codice n

Segnale 1

Codice 1

Segnale 2

Codice 2

Sommatore

Dalla base ai terminali

Segnale x

Codice x


Sovrapposizione e trasmissione (II)

Segnale x

Codice x

Dai terminali alla base

Segnale 1Codice 1

Segnale 2Codice 2

Segnale nCodice n


Il ricevitore “a rastrello”

Ritardo

Somma

Codice x

Coeff. 1

Codice x

Coeff. 2

Codice x

Coeff. 3

Ritardo Ritardo

Segnale decodificato

ed equalizzato

Per velocità di bit e di chip elevate il ricevitore Rake comporta un rilevante carico elaborativo


Il CDMA entra nei sistemi cellulari

1978: prima idea di utilizzare il CDMA per sistemi cellulari (Cooper e Nettleton)

1985: fondazione della Qualcomm (QUALity COMMunication) da parte di Jacbos, Viterbi e altri

1989: la Qualcomm fa una prima dimostrazione del CDMA per sistemi cellulari

1989: l’Europa inizia gli studi sulla 3G con il “COST 231”, considerando l’alternativa fra TDMA e CDMA.In una riunione del 1991 Viterbi presenta il CDMA

1992: avvio del programma europeo di ricerche RACE II, con studi sul CDMA e il TDMA

1992: In ambito ETSI/SMG (Special Mobile Group) si costituisce il gruppo SMG5 per la standardizzazione di un sistema cellulare di terza generazione

1992: la DoCoMo inizia gli studi sul CDMA


Il primo sistema CDMA

1993: completamento dello standard IS-95 (cdmaOne)

1995: Hutchison Telecom lancia commercialmente a Hong Kong la prima rete cdmaOne

Canalizzazione 1,25 MHz

Cip rate 1,2288 Mchip/s

Spreading code 64 chip

Modulation rate 19,2 kbit/s

Data Rate 14,4 kbit/s

Caratteristiche del cdmaOne


L’avvio dello standard UMTS

1996: la DoCoMo sperimenta il CDMA a 2 Mbit/s

Nel frattempo in Europa vi era stata la liberalizzazione dei servizi mobili e gli operatori avevano drasticamente ridotto gli investimenti in ricerca, cosicché gli studi sulla 3G erano passati quasi completamente nelle mani delle manifatturiere.

Si costituirono due campi contrapposti sulla tecnica di accesso, simboleggiate dal modo di combinare i due

versi di trasmissione:FDD (Frequency Division Duplex)

TDD (Time Division Duplex)

1997: MoU fra TIM e NTT DoCoMo, la prima posizione di un operatore europeo a favore del CDMA


Gli standard del 3GPP e del 3GPP2

3GPP 3GPP2

WCDMA(Wideband-CDMA)

TD-CDMA(Time Division-CDMA;inutilizzato)

TD-SCDMA(Time Division-Synchronous CDMA,lo “standard cinese”,per ora non utilizzato)

cdma2000 1x(per canali da 1,25 MHz)

cdma2000 3x(3 canali “1x” in parallelo;inutilizzato)

cdma2000 1xEV-DO(EVolution-Data Optimized)

cdma2000 1xEV-DV(EVolution-Data and Voice)


Scrambling

Schema semplificato del trasmettitore di una stazione base

Codifica della voce

Codifica per la correzione degli errori di trasmissione

Interleaving(Disordinamento)

Sequenza pseudocasuale

Inserzione della regolazione

della potenza di trasmissione

del mobile

Codici ortogonali

Codice di identificazione

della cella

Spreading

Modulatore


L’interleaving

• A parità delle altre condizioni (tasso di errore medio, quantità di ridondanza, tempo di osservazione, ecc.), le codifiche sono tanto più efficaci quanto più gli errori sono distribuiti uniformemente nel tempo

• Per sparpagliare gli errori che capitano a folate si usa l’interleaving, ovvero il disordinamento dei bit prima della trasmissione con il corrispettivo riordinamento dopo la ricezione

• L’interleaving è semplice e poco costoso, ma comporta un ritardo di trasmissione, perciò deve essere limitato in profondità per i servizi “conversazionali”


Canali fondamentali delle stazioni

• Pilota (acquisizione iniziale)

• Sincronismo (aggancio e sincronizzazione dei terminali sui segnali delle stazioni)

• Paging (chiamate ai terminali)

•Controllo (gestione delle risorse)

•Traffico (voce e dati)


Canali fondamentali dei terminali

•Accesso (richiesta del terminale di un canale di comunicazioni)

•Controllo (gestione delle risorse)

•Traffico (voce e dati)


Il “Soft Handover”

Nei sistemi CDMA celle adiacenti possono utilizzare le stesse frequenze, cosicché, nel passaggio da una cella ad un’altra, il terminale, con un solo ricetrasmettitore dotato di più correlatori, può stabilire connessioni con più stazioni contemporaneamente ed attuare un “soft handover”

Affinché il terminale possa combinare i segnali di più stazioni occorre che ci sia un certo allineamento (sincronizzazione) fra tali segnali– nel cdma2000 le stazioni sono sincronizzate mediante i riferimenti

temporali del GPS (Global Positioning System)

– nel WCDMA il mobile misura la differenza fra i tempi di arrivo dei segnali, riporta la misura alla stazione base, e la rete provvede all’allineamento fra i segnali trasmessi verso il terminale


L’OFDMA

e

l’SC-FDMA


IL principio dell’OFDM

Suddivi-sione in

N flussi in parallelo

Flusso numerico da trasmettere

Modulazione su f1

Modulazione su f2

Modulazione su f3

Modulazione su fN

Sommatore

Frequenza

Spettro di frequenza del segnale OFDM

f2

f1

f3

f4

fN


La variabilità del canale OFDM

Ampiezza della funzione di trasferimento del canale

Frequenza

Canaleradio

Sugli segnali a banda stretta componenti il segnale OFDM i cammini multipli di propagazione non creano distorsioni significative ma solo variazioni di ampiezza

Inseguire variazioni di ampiezza è molto più facile che equalizzare distorsioni a banda larga, ma generare e demodulare in parallelo centinaia o migliaia di canali, anche se sono a banda stretta, implica pesanti carichi elaborativi


Schema di trasmettitore OFDM

Convertitoreserie/parallelo

Associazione degli N sotto-simboli a N

sottoportantiCampioni complessi che rappresentano le

sottoportanti modulate (dominio della frequenza)

N campioni complessi che rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo

N sottosimboli di ki bit (il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo).

Il numero di bit del simbolo OFDM è M = ki

Trasformata inversa di Fourier

Aggiunta del prefisso ciclico

Convertitore digitale/

analogico

Traslazione di frequenza

Flusso binario da trasmettere

(°) Il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo


Schema di trasmettitore SC-FDMA

Costellazioneper portante

singola

Conv. serie/

parall.

N campioni complessi che

rappresentano N sottoportanti

modulate (dominio della frequenza)

N campioni complessi che

rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo

N sotto-simboli di k bit

ciascuno

Trasformata inversa di Fourier

Aggiunta del prefisso ciclico

Convertitore digitale/

analogico

Traslazione di frequenza

Flusso binario da

trasmettere

Trasformata di Fourier

Associazione a N sotto-portanti OFDM


Associazione delle componenti SC-FDMAalle sottoportanti OFDM

FrequenzaAssociazione a gruppi di sottoportanti contigue

Utente a Utente b Utente c Utente d

FrequenzaAssociazione a sottoportanti uniformemente distribuite

Utente a Utente b Utente c Utente d


La convergenza fisso-mobile

dal punto di vista di costi e tariffe


La convergenza:che cosa vorrebbe l’utente?

• Un solo telefonino personale da tenere sempre con sé, con i propri menu personalizzati, rubrica, agenda, memoria per messaggi, foto, musica, ...

• Un PC portatile con la disponibilità di connessione ad alta velocità ovunque

• Prezzi abbordabili

• Buona qualità delle comunicazioni

• Sicurezza

• Semplicità di utilizzo

Ma c’è una “divergenza” fra le reti


Escluso il costo della terminazione (dove si applica), investimenti e costi operativi sono

largamente indipendenti dall’uso

I costi della rete fissa

Linea fissa di accesso:costi indipendenti dall’uso

Linea fissa di accesso:costi indipendenti dall’uso,

eccetto la terminazione della telefonia

Trasporto:costi lievi

Retelocale

Rete ditrasporto

Retelocale


Trasmissione dati sulla rete fissa

A chi invia non c’è bisogno di far pagarei costi della “consegna”

né per cose di valorené per cose fastidiose (virus compresi)

Tariffe “flat” con uso illimitato

Costi indipendenti dall’uso

Percezione di gratuitàdella trasmissione di qualunque cosa,

del download (volontario) di qualunque cosa edella ricezione (volontaria o no) di qualunque cosa


I costi della rete Mobile

Rete locale Rete

locale

Collegamento radio condiviso:costi dipendenti dall’uso

Trasporto:costi lievi

Rete di trasporto

Investimenti e costi operatividipendono dall’uso

Collegamento radio condiviso:costi dipendenti dall’uso


La convergenza fisso-mobile richiede una conciliazione dei piani tariffari

Trasmissione dati sulla rete mobile

Preoccupazione dell’utente

• Tariffe a consumo con conteggio della quantità di byte che si trasmettono e che si ricevono• Canone mensile con limite sulla quantità di byte che

si trasmettono e che si ricevono• Canone mensile con limite delle ore di connessione, in

cui si cumula anche il tempo che si impiega per ricevere

Se i costi dipendono dall’usonon si possono offrire tariffe con uso illimitato


Note finali


Tecnologie critiche

• Fonti di alimentazione elettrica

• Amplificatori di potenza lineari

• Filtraggi a radiofrequenza

• Circuiti integrati (velocità di elaborazione e consumi bassi)

• SDR (Software Defined Radio)

• Tecniche per la sicurezza (virus, clonazioni) e la riservatezza (intercettazioni)


Commenti

• Le comunicazioni personali, con nuovi servizi ed in particolare con i servizi di infomobilità, prospettano ancora di importanti sviluppi

• Dal punto di vista dell’utente è altamente auspicabile la “convergenza fisso-mobile”, ma vi sono problemi tariffari da risolvere

• Alcuni aspetti critici riguardano le tecnologie, che diventano sempre più sofisticate; esse richiedono una solida preparazione di base insieme con approfondimenti specialistici mirati

• I progressi tecnologici combinati con le economie di scala faranno ridurre i costi e daranno agli operatori più flessibilità sulle tariffazioni

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