Caratterizzazione della probabilità di fuori servizio in una rete radiomobile cellulare

PREFAZIONE X
disponibilita. Ma se daunlato cioha impostoun accresciuto impegno di
ricerca, dall'altro sta creando una fortetendenza ad accettare, come contro-partitadella maggiore possibilitaoperativa, un rilassamentodegli obiettivi didisponibilita; si chiedesostanzialmente all'utente di rassegnarsi ad accettare
condizioni di fuori servizio meno stringenti per il gestore, in cambio di una
grossa capacita trasmissiva a disposizione.L'obiettivochesiintende raggiungere con il seguentelavoro di tesi e prorio
legato a questi aspetti di disponibilita impostidalla sempre crescente doman-da di servizi, che gli odierni e i futuri sistemi radiomobili devono cercare di
soddisfare. In modo particolare ci si riferiranel prosieguo ad una importante
classe di questi sistemi, ossia quella che si basa sulla losoa cellulare per la
copertura del territorio, nell'ambitodella quale unadelle piu importanti areedi interesse e quella che riguardalagestionedell'utenza attiva(\handover").Si cerchera, allora, di caratterizzare la probabilita di fuori servizio (o, se sivuole, la disponibilita) nell'ambitodiun sistemamulticellulare, in cui vengo-no naturalmente coinvolte le procedure atteamantenere il collegamento anchequando l'utente si spostadauna cella all'altra durante la conversazione.Cio posto, nel primo capitolo si intendechiarire il concetto di mobilita,
come oggi vieneinteso e come lo saranei futuri sistemi di comunicazionemobile e personale. Questoalne di comprendere quali possono essere ledicolta cui va incontro il progettistadiun sistema di comunicazioni ra-
PREFAZIONE XI
diomobili. Dopo un breve excursus storico sull'evoluzionedei sistemi nellediverse generazioni, nel secondo capitolo si vogliono mettere in risalto alcunidegli aspetti peculiari di un sistema radiomobile cellulare, quelli chesembra-no essere i piuattinenti per gli sviluppi successivi. Si parte con il descrivere iblocchi funzionali di unatipica rete radiomobile, per arrivare subitoadenire
il problemadella suddivisione cellulare del territorio e della sua giusticazione
in termini di ecienza spettrale. Quindi, si passa a descrivere le caratteri-
stichedel canale di propagazione radiomobile, ssando l'attenzione su quegli
aspettichemaggiormenteinteressano per gli sviluppi futuri. Il capitolo viene
concluso introducendo due concettiche saranno trattatiinmodoesteso nei
successivi capitoli: l'interferenza co-canale e le procedure di \handover".
Il terzo capitolo aronta le problematiche connesse all'interferenza co-
canale, chee senza dubbio uno dei fattori maggiormente limitantidella capa-
cita trasmissiva oertadai sistemi radiomobili cellulari. In relazione a questo
aspettosidaladenizione di probabilita di fuori servizio. Quindi, si mette
in evidenza l'opportunita di sommare in modo incoerenteivari contributi
interferenziali che giungono sull'antennadel terminale mobile e si arontailproblemadella caratterizzazionestatistica di tale somma.Nel quarto capitolo si discutediuna particolare classe di algoritmi di
\handover", basati sul confronto tra le intensitadei segnali cheilterminalemobile ricevedalle stazioni circostanti. Dopo aver fattoun rapido cenno al
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problemamodellistico, si cerca di descrivere, procedendo per gradi, lo sce-nario di riferimento a cui si einteressati come obiettivoultimo del presente
lavoro. Ci si rendera contoche, in un sistemamulticellulare limitatodal-
l'interferenza (nel quale si vuole operare per caratterizzare la probabilitadi
fuori servizio), enecessario tenere conto non solo dell'intensitadel segnale,ma anchedella sua qualita, stabilitaintermini di rapporto fra la potenza del
segnale utile e quella degli interferenti(ovvero del \bit error rate").
Il quinto capitolo ededicatoadun'analisi dei risultatiottenuti, prendendo
in esameuna serie di parametri prestazionali precedentementeintrodotti,quali la probabilita di fuori servizio, il ritardo medio di \handover"eilnumeromedio di \handover".
Inne, si traggono le conclusioni e si mettono in evidenza i possibili
sviluppi futuri.
Capitolo 1
Introduzione
Fin dall'inizio dei suoi esperimentiditelegraa senza li, Marconi hapensatoche fosse necessario un sistemaditelecomunicazioni in grado di ef-
fettuare collegamenti a grandedistanza e haoperato, per questo, dal 1895no al 1901: il 12 Dicembre di quell'anno segnaladatadella prima trasmis-
sione transatlantica. In quel momento la radio e uscitadaun primo periodopioneristico e si eavviataverso la fase del suo grande sviluppo.Marconi ha sempre avutouna particolare attenzione all'uso della radionelle comunicazioni mobili, sia perche in quel periodo era particolarmente
avvertito il problemadel collegamento con le navi (che sono mezzi mobili per
eccellenza), sia perche era amantedel mare e ha trovatonaturale fare parecchidei suoi esperimentiinun \laboratorio galleggiante", il suo panlo Elettra.Moltidegli esperimenti di Marconi, dunque, sono stati eettuatinell'ambitodelle comunicazioni mobili. A questo riguardo egli aveva presagito (anchese
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 2
e dicile stabilire no a chepunto) l'importanza chepotevaavere la radio nel
campo delle comunicazioni mobili personali.Poco primadella sua scomparsa,
in un radiomessaggio al Chicago TribuneForum, ha proprio messo in evidenza
l'importanza chepotevaavere la radio nello scambio di comunicazioni, nonutile soltanto per una diusione a senso unico [1].
In questo periodo, si sta assistendo ad unaesplosione di comunicazionimobili chee, in una certa misura, la realizzazionedel sogno di Marconi. Spin-
te inizialmentedanecessita di carattere bellico e dasituazioni di emergenza,
la nuovaondatadelle comunicazioni mobili e oggi rivolta allo sviluppo delle
funzioni relative alla mobilita. Sono tre i tipi di mobilitache possono essere
identicati e ai quali si devedare rispostaattraverso un sistemaditelecomu-nicazione[2]: quella personale, quella di accesso e quella del terminale.Lamobilitaditipo personale e quella che consentedicomunicare indipenden-
tementedall'apparatoutilizzatoedalla borchia telefonica alla quale questoe
connesso. Essa esostanzialmenteottenuta con funzioni di rete e la sua rea-
lizzazione su grande scala comportalagestione dinamica di imponenti basidi datiedunaltrettanto forte traco di segnalazione (diretto ad eseguire inecessari protocolli per stabilire il collegamento con l'utentedesiderato). Lamobilitadiaccesso consistenel poter comunicare daun luogo qualunque, in-dipendentementedal fattodiavere un lo checolleghi con unpunto di accesso
alla rete ssa. Essa puo essere conseguita con l'uso esclusivoditecnologie
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 3
radio: di fattositrattadisostituire una porta radio a quella materiale costi-
tuitadal lo, liberandosi dai vincoli conseguenti, ma senza aggiungere alcuna
altra prestazione supplementare. Per orirla a grandi masse,sideve disporre
comunque di rilevanti risorse di frequenza chevanno gestite in modo ecien-
te. Ma, rispetto a quest'ultima, nel campo dei sistemi radiomobili c'eunamobilita ancora piu pienache puo essere ottenuta, e cioe quella del termi-nale; cio signica non solo poter comunicare da qualunque posto, ma anche
in movimento (su unauto, su un aereo, su un treno ad altavelocita ecc.).Per ottenerla si devono mettere in campo tecnologie radio e di rete; basti
l'esempio dello \handover": la retedeve predisporre unanuova connessione,dasostituire alla vecchia quando l'utente transitadalla zona servitadauna
stazione radio base ad un'altra. Ma perche cio si possa prima comprendere
e poi realizzare in tempi rapidi, enecessario un continuo monitoraggio dellaqualitadel collegamentoattuale e di altri potenziali. Questotipo di mobilita
e quella cheinmaniera piu completa viene fornitadai sistemi radiomobili
attuali e ad essa si fa piu spesso riferimento; anche se non vanno assoluta-mente trascurateleprimedue e in particolare la mobilita personale che, se
fosse fornitandaadesso dalle nostre reti, sarebbe un grosso vantaggio per
gli utenti.
I sistemi che sono attualmente in piena fase di sviluppo, generalmente no-
ti come sistemi di seconda generazione, possono essere divisi in due grandi
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 4
classi: i sistemi \cordless", adatti per gli utenti di limitata mobilita, e le reti
cellulari, che rispondono alle esigenze di utenti con elevata mobilita. Come
conseguenza di questasituazione l'utentee costretto a scegliere un ben preci-
so sistema in base alle proprie necessita, senza che gli sia permesso di evolveredall'uno all'altro a meno di non cambiare il terminale. I sistemi futuri (co-
siddettiditerza generazione) dovranno rispondere a questanuova esigenzadi mobilitaintroducendo unnuovo servizio, detto \Universal Personal Tele-
communications" (UPT), in base al quale le nuove retidovranno essere in
grado di instradare unachiamata non al terminale (come accade ora) ma allapersona. Ciascunutente saraidenticatodaunnumero personale che potra
essere associato a qualunque terminale, mobile o sso che sia.
In ambito europeo l'ETSI (European Telecommunications Standard Insti-
tute) si sta occupando dell'emanazione di normeche porteranno alla denizio-nediunnuovo sistemacheva sotto il nome di Universal Mobile Telecommu-nication System (UMTS), proprio con il compito di raggiungere l'obiettivoUPT. Con lo stesso intento, ma a livello internazionale, l'International Tele-
communication Union (ITU)sta promuovendo delle attivitadistandardizza-
zione per denire un sistema largamente compatibile con il precedente, ossia
il Future Public Land Mobile Telecommunication System (FPLMTS). En-
trambi daranno la disponibilitaditerminali piccoli e leggeri, con la piu ampia
libertadimovimento anchedurantelecomunicazioni; oriranno la copertura
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 5
pressoche completadituttiitipi di ambiente e l'accessibilitaamolti servizi,
con qualita equiparabile a quella della rete ssa (almeno a basse velocitadi
spostamentodei terminali). In essi con
uiranno, percio, sia caratteristichedei sistemi cellulari, sia caratteristichedei \cordless". Per esempio, la coper-
tura sara articolatainvari tipi di celle per smaltire ecientementedensitadi
traco moltovarie e servire terminali con caratteristiche di mobilita diverse
evariabili nel tempo.Gli scenari evolutivi verso le comunicazioni personali possono essere ipiuvari, in base alle diverse condizioni iniziali che si riscontreranno nelle
singole realta regionali [3]. Echiaro, comunque, chesesivuole fornire lapossibilita a ciascunutentedicollegarsi con ogni altro utente, medianteun
terminale mobile ed in qualunque puntodel globo si trovi, si deveandare
ancheverso l'integrazionedelle comunicazioni di tipo cellulare con quelle di
tipo satellitare [4]. Sono, infatti, in fase abbastanza avanzata di sviluppo dei
sistemi cellulari in cui le comunicazioni avvengono fra stazioni mobili a terra
ecostellazioni di satelliti in orbita non geostazionaria; questisatelliti, essendo
in numero molto grande e con orbite scelteopportunamente, permetteranno di
coprire tutto il mondo con servizi di comunicazione mobile (\Mobile SatelliteServices", MSS) direttiastazioni piccole e posizionateovunque.Per arrivare ad un prodottocos innovativo e per fornire la mobilitaditipopersonale enecessario poter dominare la propagazioneattraverso unmezzo
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 6
trasmissivochee estremamente sfuggente e soggettoadeperimento (in questo
senso il segnale normalmente vienemoltodeteriorato, sia per quanto riguar-da la sua ampiezza che il contenuto informativo, qualora il progettista non
sia in grado di mettere in attoleopportune contromisure); inoltre lo spet-
tro radio deve essere utilizzato ecientemente perche le bande di frequenze
costituiscono una risorsa naturale limitata; la mobilitadei terminali e degliutentiedinuovi servizi chesivogliono orire richiedono appositi organi di
gestionecheutilizzano protocolli complessi e prestazioni di reteintelligente,nonche l'interconnessione di reti diverse. Rispetto ai sistemi mobili di se-
conda generazione, ci dovrebbe essere la possibiltacheleretitipo UMTS
o FPLMTS siano progettateinmaniera tale da essere completamenteinte-
grateinunafutura rete ssa quale la BroadbandIntegrated Services DigitalNetwork(B{ISDN) o la \Intelligent Network"(IN), le cui caratteristiche so-no in via di denizione e, cometali, possono ancora essere in
uenzate [5].
In eetti i sistemi mobili di terza generazione saranno caratterizzatidaunvastospettro di servizi disponibili. Questo, comunque, non dovra imporre
costiinaccettabili per l'utentemedio, al nedipoter garantire unaadeguatadiusionedei nuovi sistemi; allora non sara possibile fornire tutti i servizi in
tutti gli ambienti: ad esempio non saranno disponibili servizi cherichiedonoun elevato 
usso informativo in quegli ambientimacrocellulari in cui gli eettidei camminimultipli sono moltoseveri. Si assistera, dunque, ad unarichiesta
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 7
di servizi diversicati e personalizzati per far fronte alle speciche esigenze di
ciascunutente. Cos, piuttostoche pregurare unaapparente competizione
tra sistemi radiomobili e rete ssa, dopo un periodo transitorio dovra pre-valere una visioneunicata, in mancanza della quale l'aascinante scenariodelle comunicazioni personali avrebbe serie dicolta a realizzarsi.
Capitolo 2Generalita sui sistemi radiomobili
Al ne di inquadrare in maniera organica il problemachesiintende aron-
tare con il presentelavoro di tesi, non si puo prescindere dall'illustrazionedi
alcuni aspetti signicativi che caratterizzano un sistema radiomobile (in par-
ticolare di tipo cellulare). Si e cercato di ssare l'attenzione su quelli che sono
sembratipiuattinentialfuturo sviluppo del lavoro.Dopo aver ripercorso brevemente l'evoluzione seguitadai sistemi radiomo-bili, evidenziando alcune scelte sistemistiche adottatenelle retiattualmente
in uso in Italia e in Europa (dando ancheuno sguardo ai possibili sviluppi
futuri), si passa ad illustrare l'architettura di unatipica rete radiomobile cel-
lulare; in particolare si vuole mettere in risalto l'azioneintegratasvoltadaimezzi di comunicazione radio e via portante sico.Successivamente si passa ad illustrare la losoa cellulare, al ne di sot-
tolineare quali siano gli elementicritici chetale scelta comporta: interferenza
CAPITOLO 2. GENERALITA SUI SISTEMI RADIOMOBILI 9
co-canale e procedure di \handover". Cionostante esisteun grandevantag-
gio dovuto all'incremento di ecienza spettrale (di cui si daunadenizione
generale che consenta di confrontare le diverse scelte sistemistiche) e, di con-
seguenza, ad unariduzionedei costichedevono essere sostenutidai gestoridel servizio e che si ri
ettono sugli utenti.Un altro aspettointeressanteche viene trattato riguardalemodalitadipropagazionedel segnale in untipico ambiente radiomobile macrocellulare; inparticolare si pone l'accento sulla sua caratterizzazioneintermini statistico-
sperimentali, giacchee questo l'approccio cheverra usato in seguito. Il mo-dello di canale di cui si dispone viene quindi adoperato per caratterizzare laprobabilita di fuori servizio, denita in base al livello del segnale utile chedeve essere garantito rispetto a quello dell'interferenza co-canale.Uno degli aspettipiu importantidiuna rete radiomobile cellulare ela
gestionedell'utenza attiva (a cui ci si riferiranel seguito con il termine an-
glosassonedi\handover"o\hando"), da cui non si puo prescindere. Tantopiuche scopo del seguentelavoro di tesi e di caratterizzare il fuori servizio diun sistemamulticellulare, quando si tenga contodella mobilitadiunutentenon nell'ambitodiunasingola cella, masututta l'area di servizio. Vengono
cos coinvolte le procedure di \handover", alle quali si dedica l'ultima partedel capitolo. Fermo restando il fattoche questiultimi due aspetti troverannounpiu ampio spazio nei successivi capitoli.
CAPITOLO 2. GENERALITA SUI SISTEMI RADIOMOBILI 102.1 L'Evoluzionedei sistemi verso la \terza ge-nerazione"
I sistemi radiomobili hanno lo scopo di mettere in comunicazioneunutentedotatodiunterminale mobile con la retetelefonica pubblica (Public SwitchedTelephone Network, PSTN). Nel corso degli anni si e assistitoadunaevolu-
zionetecnica (che corrispondeva ad esigenze di mercato sempre piu pressanti),di cui ebene ripercorrere brevementelastoria [6].
2.1.1 I sistemi cellulari di prima generazione
I sistemi cosiddettidiprima generazione risalgono attorno alla metadegli
anni '70; in Italia il primo sistema prese il nome di Radio Telefono Mobile
Integrato(RTMI) e consentivalacomunicazione tra terminale mobile e retessa usando canali nella banda VHF (attorno ai 160 MHz ). Pensatoperpochi utenti(autorita), si estendevasoprattutto in aree urbane di grandidimensioni e per chiamare unutente mobile dalla rete ssa era necessario
conoscerne l'ubicazione all'interno dell'area di servizio; inoltre non esisteva
la continuitadel collegamento: quando unutente mobile uscivadall'areadi copertura perdevalacomunicazione [7]. Caratteristica comunedei primi
sistemi radiomobili era quella di massimizzare le aree coperteda ogni stazione
radio base per minimizzare i suddetti inconvenienti.Un notevole miglioramentodelle prestazioni si ebbe con l'introduzionedi
CAPITOLO 2. GENERALITA SUI SISTEMI RADIOMOBILI 11
nuovi sistemi quali il TACS (Total Access Communications System, di origi-neinglese ma comunque in uso ancheinaltri paesi, fra i quali l'Italia), basati
su un accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA)eunamodulazione
analogica di tipo FM (Frequency Modulation). Si assisteadun progressivo
spostamentoverso frequenze sempre piu elevate (primaattorno ai 450 MHz
e poi attorno ai 900 MHz nella banda UHF). Questaeunatendenza cheha
caratterizzato, in tutta la sua storia, l'evoluzionedelle radiocomunicazioni; in
eetti, l'uso eciente dello spettro radioelettrico, visto come risorsa natura-
le limitata, e sempre da perseguire. Per questo motivoestata adottatala
tecnicacellulare per la distribuzionedelle risorse spettrali sul territorio, con-
sentendo cosunaumentodell'oerta di traco. Ciononostante, le crescenti
esigenze di comunicare hanno spintoverso quella di unapiuestesa disponi-bilitaditale risorsa (e quindi verso l'uso di frequenze sempre piu elevate). Inquestinuovi sistemi e presentelafunzione di \roaming", cioe la possibilitadi rintracciare l'utente mobile senza conoscerne a priori l'ubicazionemedian-
te l'aggiornamento continuo della sua posizionenell'ambitodell'insiemedelle
celle; nonche la procedura di handover, che assicura la continuitadel collega-mento radio, ossia il passaggio di unachiamata in corso daunastazione base
ad un'altra, senza interruzionedel servizio e in modo trasparente all'utente
[7], [8]. Cioha aperto la strada alla riduzionedelle dimensioni delle celle
stesse, con la conseguente possibilita di migliorare l'ecienza spettrale.