5
Tale architettura permette di illuminare zone abbastanza piccole con
potenze dell’ordine dei mW, e quindi abbassando notevolmente i limiti di
campo che potrebbero raggiungere una persona umana. Nella presente
architettura cellulare GSM, dove le potenze in gioco sono dell’ordine dei
Watt, sono stati misurati in prossimità delle antenne valori di campi che sono
ben al di sotto dei limiti di legge, valori che tendono ad aumentare, come ci
avviciniamo all’antenna. Quindi in base ai limiti di emissioni, è possibile
racchiudere l’antenna all’interno di un volume di rispetto abbastanza
contenuto dell’ordine di 120
3
m , al di fuori del quale vengono rispettati i
limiti di legge. Quindi tale volume deve essere posto lontano dalla
popolazione umana. Però sono stati misurati valori di campo in prossimità del
telefonino, mentre si parla, che toccano i valori dei 30 V/m, quando il limite
stabilito dalla legge è di 20 V/m.
L’architettura microcellulare, se da un lato fa aumentare il numero delle
antenne, che sono più compatte dell’attuale architettura, da un lato fa sì che
l’utente si trovi in prossimità della SRB (Stazione Radio Base), e quindi può
comunicare con la SRB ad una potenza minore, rispetto ad un utente che si
potrebbe trovare nell’attuale architettura, ad una distanza dell’ordine dei Km,
con un enorme vantaggio sulla salute umana.
Compito dell’ingegnere è quella di adattare il nuovo sistema, all’attuale
sistema cellulare. Quindi nei prossimi paragrafi, verrà spiegato l’attuale
6
architettura GSM, che ci permetterà di introdurre il nuovo sistema
microcellulare e di analizzare le differenze. Verrà, inoltre analizzato il nuovo
ambiente microcellulare, illustrando dei modelli di propagazione che ci
consentono di studiare la potenza del segnale ricevuto in un qualsiasi punto
del ambiente microcellulare, e quindi di analizzare i livelli di campi che si
possono avere, con questa nuova architettura. Infine verranno, mostrati dei
grafici che illustrano l’andamento del campo elettrico calcolati medianti i
modelli illustrati in una prefissata zona, che ci permetterà di osservare quali
sono i valori di campo in gioco nel sistema microcellulare e di confrontarli
con quelli stabiliti dalla legge.
7
LA STRUTTURA CELLULARE.
Il territorio nazionale, per poter raggiungere l’utente in ogni luogo, è
stato diviso in celle. In ciascuna cella viene posta un’antenna trasmettitore e
una o più antenne ricevitori che formano la stazione radio base(RBS), per
servire gli abbonati di quella cella.
La forma della cella è determinata dalla potenza dell’antenna e dalla
configurazione dell’ambiente (palazzi, colline ecc.). In questa maniera si ha
un efficiente riuso di una risorsa che con l’aumentare degli abbonati potrebbe
scarseggiare: la frequenza. Infatti, se la potenza con cui si illumina una cella
risulta essere bassa , è possibile riusare le stesse frequenze ad una distanza che
risulta essere tanto più piccola, quanto più piccola risulta essere la cella.
Quindi le frequenze usate in una cella possono essere riusate in altre
cella, e la distanza tra le celle che usano le stesse frequenze deve essere tale
8
da limitare le interferenze dette di cocanale. Il riuso delle frequenze permette
di incrementare la capacità del sistema in termini di utenti [1].
La forma ottimale della cella è quella esagonale in fig.1, in quanto in
questo modo è possibile coprire in maniera uniforme tutto il territorio visto
che l’esagono risulta essere la forma che approssima meglio il cerchio e che
risulta essere l’area di copertura ideale.
La dimensione della cella dipende dall’area in cui la cella è allocata. In
aree urbane, dove ci sono più utenti rispetto ad aree rurali, c’è la necessità di
avere più canali, per soddisfare le esigenze della maggior parte di questi. Se il
numero di canali per celle è fissato, la dimensione della cella in aree urbane
dovrà essere più piccola delle celle in zone rurali, e dovremmo ridurre la
potenza della SRB al fine di evitare di ascoltare la conversazione di un altro
utente (interferenza cocanale) . Questo risulta essere il principio su cui si basa
il sistema microcellulare che verrà illustrato in maniera più dettagliata in uno
dei prossimi capitoli [2].
Fig. 1. Possibili celle.
9
In realtà la forma della cella risulta essere irregolare a causa di ostacoli
che impediscono alle onde elettromagnetiche (o.e.m.) di raggiungere
determinati punti, soprattutto nelle zone urbane ove palazzi abbastanza alti
creano delle zone d’ombra.
Ecco perché è necessario un approfondito studio sulla propagazione delle
o.e.m. in ambiente urbano che verrà affrontato nei prossimi capitoli.
1. ARCHITETTURA DELLA RETE GSM.
La rete GSM è suddivisa in due sistemi: Network Switching System
(NSS) e Base Station System (BSS). Ognuno di essi è suddiviso in un certo
numero di entità funzionali dove vengono realizzate tutte le funzioni del
sistema stesso (fig.2) [3].
Fig. 2. Architettura della rete GSM
10
Il NSS o sistema di commutazione contiene le seguenti unità
funzionali:
• Mobile services Switching Center (MSC): componente centrale del
sottosistema di rete. Esso svolge le funzioni di un nodo di commutazione,
instaura, controlla, tassa le chiamate da/verso gli utenti presenti nell’area
geografica da essa servita. Inoltre L’MSC fornisce la connessione con le
reti fisse: Public State Telephone Network (PSTN), Integrated Services
Digital Network (ISDN). . Il territorio nazionale risulta essere diviso in
aree di servizio ciascuna controllata da un MSC . Ogni area di servizio è
suddivisa in diverse aree di localizzazione (fig.3). Un’area di
localizzazione è l’area dove viene diffuso un messaggio di chiamata
(paging message) al fine di trovare l’utente mobile chiamato. A sua volta
l’area di localizzazione viene suddivisa in un certo numero di celle (fig.4).
Fig.3. Aree di localizzazione
Fig. 4. Struttura cellulare.
11
• Home Location Register: è un database ove vengono memorizzati in
modo permanenti dal gestore della rete tutti i dati degli utenti che
appartengono all’area coperta dall’MSC, nonché i servizi supplementari
richiesti. Può essere anche unico per l’intera rete, quindi si possono avere
delle MSC prive di HLR.
• Visitor Location Register (VLR): è un database che contiene
informazioni relative agli utenti presenti temporaneamente nell’area da
esso servita. Il territorio nazionale risulta essere diviso in aree di servizio
ciascuna controllata da un MSC, dotato di un proprio VLR. Quando un
utente si sposta in un’altra area di servizio coperta da un nuovo MSC,
viene inserito nel VLR di quel MSC e verrà contemporaneamente
aggiornato l’HLR che memorizza la posizione geografica dell’utente.
• Authentication Center (AUC): ha il compito di fornire al HLR i
parametri di autenticazione e le chiavi di sicurezza, entrambi utilizzati per
ragioni di sicurezza.
• Equipmnent Identify Register (EIR): è un database che memorizza gli
IMEI un codice che identifica unicamente l’apparato mobile. Un IMEI può
essere invalido quando l’apparato risulta essere rubato.
La Base Station System (BSS) si occupa della parte radio del sistema e
di conseguenza contiene tutte le unità che consento di avere la copertura radio
12
di un’area costituita da una o più celle per poter raggiungere i propri utenti
(Mobile Station, MS). Essa comprende:
• Base Transceiver Station (BTS)
• Base Station Controller (BSC)
2. BASE TRANSCEIVER STATION.
Ogni cella ha una BTS che opera su un set di canali radio che sono diversi
dai canali utilizzati dalle celle adiacenti. Un gruppo di BTS è controllato da
un BSC . Con il termine BTS o RBS (op. SBR: stazione radio base) si indica
l’unità funzionale costituita dall’insieme dei ricetrasmettitori e degli apparati
che consentono di fornire la copertura radio di una cella. Una stazione radio
base è costituita da un traliccio sul quale sono montate diverse antenne a
seconda del tipo di configurazione. In genere si cerca di usare strutture già
esistenti tipo edifici, torri e addirittura nel sistema microcellulare i pali della
luce. Le possibili configurazioni di una SRB sono illustrate in figura 4.
Fig. 4
13
La configurazione più semplice prevede due antenne omnidirezionali a
frusta (fig. 5.1), una utilizzata per ricevere e l’altra per trasmettere, in grado di
illuminare uniformemente in tutte le direzioni la cella. Quindi la BTS si trova
al centro della cella, e questa configurazione viene usata per coprire zone a
bassa intensità di traffico come autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.
Fig. 5.1 Fig. 5.2 Fig. 5.3
Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate si cerca di
suddividere una cella in più zone (settori), in genere tre, illuminate da tre
antenne direttive poste a 120° l’una dalle altre, in maniera da avere una
copertura omnidirezionale (fig. 5.2). Questa configurazione tipica del sito
tricellulare viene detto clover.
14
In figura 5.2 notiamo tre pannelli (antenne direttive costituite da schiere
di dipoli posti all’interno dei pannelli) per settore, di cui uno per trasmettere, e
gli altri due per ricevere.
Essi sono posti a distanza pari ad una lunghezza d’onda, implementando
così in ricezione la tecnica della diversità nello spazio, ossia se il segnale
ricevuto da una antenna, risulta essere affetto da affievolimenti profondi,
difficilmente il segnale ricevuto dall’altra antenna che compie un percorso
diverso, risulterà essere affetto da attenuazioni profonde.
Anziché tre pannelli per settore, se ne potrebbero trovare quattro, per
quei gestori che implementano sia la rete GSM sia la rete analogica E-TACS
dove due sono le antenne in ricezione condivise, e le altre due sono antenne
dedicate per ciascun sistema.
Un’altra configurazione usata è quella bicellulare (fig. 5.3), in cui si
hanno due settori per cella con le antenne disposte back-to-back lungo la
stessa direzione. Le funzioni principali dell’RBS sono :
• Effettuare la diversità di antenna
• Cifratura
• Allineamento temporale
• Frequency hopping
• Trasmissione discontinua
15
2.1 Frequency hopping.
Per migliorare la qualità del segnale viene utilizzata la tecnica della
diversità in frequenza: se un segnale ad una determinata frequenza è soggetta
ad affievolimenti profondi (fading), difficilmente sarà affetta da gli stessi
affievolimenti su un’altra frequenza. Per beneficiare di ciò, durante una
chiamata viene cambiata la frequenza della portante, scegliendo tra un certo
numero di frequenze, e quindi, se soltanto una di esse subisce un fading
profondo, perderemo solo una parte dell’informazione. Con una elaborazione
numerica del segnale è possibile ripristinare del tutto l’informazione.
2.2 Trasmissione discontinua (DTX)
Nel corso di una normale conversazione, solo il 50% del tempo totale di
una comunicazione è occupata da informazioni importanti (voce). Per il resto
il trasmettitore continuerebbe a codificare e inviare il rumore di fondo. La
trasmissione discontinua sfrutta questo risultato disattivando la trasmissione
durante i periodi di silenzio, con ciò si minimizzano le interferenze di
cocanale e si risparmia potenza consentendo di avere telefonini abbastanza
compatti. Un vantaggio ancora più evidente, che riguarda la nostra salute, è
quello che diminuisce l’elettrosmog. Se si pensa che vicino all’antenna dei
telefonini, dove solitamente giace la testa di un utente, sono stati valutati un
valore di campo elettrico pari a 30 V/m, valore che supera abbondantemente il
16
valore stabilito dal D.P.R 10 settembre 1998 n.381 di 20 V/m, si può
immaginare come questa funzione sia molto utile.
E' stato verificato però che la soppressione di qualsiasi segnale risulta
sgradevole all'utente ricevente così durante i periodi di non trasmissione, la
MS del ricevitore introduce del rumore (detto comfort noise) che sia simile a
quello dell'ambiente del trasmettitore in modo che l'ascoltatore non abbia la
sgradevole sensazione di interruzione della comunicazione.
La più importante funzione di un DTX è la Rilevazione di Attività
Vocale (Voice Activity Detection). Il sistema deve essere in grado di
distinguere tra la voce e il rumore di fondo, compito che non è semplice come
sembra. Se il segnale voce è male interpretato come rumore, il trasmettitore è
spento e un effetto fastidioso di clipping (letteralmente di taglio) è percepito
dal ricevente. Se, d'altra parte, un rumore è interpretato troppo spesso come
voce, l'efficienza del DTX diminuisce drasticamente.
3. BASE STATION CONTROLLER.
La stazione base di controllo (BSC) governa il funzionamento di uno o
più BTS (fino a 256), gestisce il settaggio dei canali radio (instaurazione e
rilascio delle connessioni), fornisce la una unità mobile (MS) e il centro di
commutazione (MSC). La connessione BTS-BSC, quando non sono co-locati,
è assicurata da una linea dedicata PCM a 2.048 Mbit/s che mette a
17
disposizione 32 canali a 64 Kbit/s. Dato che la codifica vocale utilizzata dal
GSM è diversa da quella PCM, occorre un particolare dispositivo, detto
TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit), che realizzi un adattamento o
transcodifica dalla codifica GSM (13 Kbit/s; 16 Kbit/s compresa la
ridondanza per la codifica di linea) in codifica PCM (64 Kbit/s).
La funzione principale effettuata dalla BSC risulta essere l’handover.
3.1 Handover.
Una delle caratteristiche della rete GSM è quella di mantenere attiva la
comunicazione, sia che l’utente si trovi fermo, sia che stia viaggiando su un
auto. Quindi può capitare che l’utente spostandosi, vada a finire in una zona
(cella) coperta da un’altra stazione base, facente capo al MSC e al BSC
iniziale, o addirittura vada a finire in una cella appartenente ad un MSC e/o
BSC diverso da quello iniziale. Per garantire una buona qualità del servizio è
necessario che l’utente sia servito dalla SRB più vicino a lui, o dalla SRB che
gli dia la migliore qualità del segnale (Non è detto che la SRB più vicina, sia
quella che ci da il miglior segnale a causa dell’ambiente di propagazione).
Esistono quattro tipi differenti di handover nel sistema GSM, che
coinvolgono il trasferimento di una comunicazione tra:
• canali (o TDMA time-slot) diversi di una stessa cella, cioè di una stessa
BTS;
18
• celle diverse ma controllate da una stessa BSC;
• celle di diverse BSC, ma controllate da uno stesso MSC;
• celle controllate da diversi MSC.
I primi due tipi, chiamati handover interni, coinvolgono solo una
stazione base (BSC). Sono gestiti direttamente dalla BSC senza coinvolgere
l'MSC, eccetto che per notificargli il completamento del handover, così da
non sovraccaricare inutilmente la rete.
Gli ultimi due tipi, chiamati handover esterni, sono invece trattati dagli
MSC direttamente coinvolti. Nell'ultimo caso, l'MSC originale, detto anchor
MSC, continua a rimanere responsabile della maggior parte delle funzioni
relative alla chiamata in corso mentre gli handover interni (inter-BSC) che
dovessero eventualmente verificarsi saranno gestiti dal nuovo MSC, detto
relay MSC.
Gli handover possono venire richiesti sia da un terminale che da un MSC
(per bilanciare il carico del traffico). Durante i time-slot di inattività, la
stazione mobile sonda i canali di broadcast (Broadcast Control Channel),
segnale inviato continuamente a tutti gli utenti di una determinata cella, che
contiene informazioni importanti quali l'identità della cella (Cell Identity),
dell'area di localizzazione (Local Area Code), dell'operatore di rete (MCC e
MNC, il primo identifica la nazione e il secondo il gestore della rete, oltre ai
parametri richiesti dall'algoritmo di Frequency-Hopping e di Handover) delle
19
celle geograficamente adiacenti che riesce a ricevere (al massimo di 16 celle).
Queste informazioni sono passate, almeno una volta al secondo, al BSC che
prepara una lista delle 6 migliori candidate per un handover in base alla
potenza del segnale ricevuto. Esistono due algoritmi di base utilizzati per
decidere quando effettuare un handover, entrambi sono strettamente
vincolati al controllo della potenza. Spesso la stazione base non sa quando
una bassa qualità del segnale sia imputabile alle eccessive riflessioni raccolte
lungo il percorso oppure al terminale mobile che si è avvicinato ai confini di
copertura della cella. Questo è vero soprattutto quando le celle sono molte e
geograficamente vicine, ad esempio nelle zone urbane.
L'algoritmo Minimum Acceptable Performance dà la precedenza al
controllo della potenza sugli handover, così quando la qualità del segnale
degrada oltre un certo valore, il livello di potenza del terminale viene
aumentato. Se questo aumento non produce nessun beneficio, allora si prende
in considerazione la possibilità di effettuare per forza un handover. Questo
metodo è il più semplice e il più comunemente adottato, però, continuare ad
incrementare la potenza, può portare ad avere un terminale che trasmette con
elevata potenza, producendo una elevata interferenza di cocanale, fuori dai
naturali confini della cella a cui è agganciato l’MS (e quindi dentro ad una
cella adiacente).
20
L'algoritmo Power Budget invece usa gli handover per mantenere o
migliorare la qualità del segnale senza aumentare, o addirittura cercando di
diminuire, il livello di potenza. Così facendo non si hanno problemi di
sconfinamenti e viene anche ridotta l'interferenza tra canali. Purtroppo è un
metodo molto più complicato da implementare.
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
