Una tecnica per la riduzione di emissioni elettromagnetiche da telefoni cellulari verso il corpo umano
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI STUDI DI GENOVA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Anno accademico 2002/03
TESI DI LAUREA
Una tecnica per la riduzione di emissioni elettromagnetiche da
telefoni cellulari verso il corpo umano
mo
Relatori : Chiar. Prof. Franco Davoli
Allievo : Diego Balestra
Dipartimento di Informatica Sistemistica e Telematica
0_________________________________________________________________Indice
INDICE
CAP 1 Introduzione
CAP 2 I sistemi radiomobili cellulari
• I sistemi cellulari
• I sistemi cellulari analogici
• Il sistema GSM
• L'evoluzione futura
• Il telefono cellulare
• Le stazioni radio base
• La storia della telefonia mobile in Italia
• Mobile Station (MS)
• SIM Card
• La SIM card Phase II nel dettaglio (aspetti tecnici)
• SIM locking
• Mobile Equipment (ME)
• Base Station Subsystem (BSS)
• Base Transceiver Station (BTS)
• Base Station Controller (BSC)
• Network Subsystem (NS)
• Mobile services Switching Center (MSC)
1___________________________________________________________________________________Indice
• Gateway Mobile Switching Center (GMSC)
• Home Location Register (HLR)
• Visitor Location Register (VLR)
• Authentication Center (AuC)
• Equipment Identity Register (EIR)
• Operation and Support Subsystem (OSS)
• Operation and Maintenance Center (OMC)
• Network Management Center (NMC)
• Le interfacce GSM
CAP 3 : Effetti biologici dei campi elettromagnetici
• Cellulari e effetti biologici
• Energia assorbita dall’uomo per irradiazione elettromagnetica
• Onde elettromagnetiche
• I sistemi radiomobili cellulari
• I problemi dell'interferenza elettromagnetica
• Problemi fisiologici dei campi elettromagnetici
• Antenne per telefonia mobile e salute
• Le normative
CAP 4 : Progetto realizzato
• Stato dell’arte antecedente alla tesi
• Il progetto realizzato
2____________________________________________________________________________________________cap 1 Introduzione
CAP 1
Introduzione
Il progetto da me realizzato riguarda un metodo innovativo per diminuire l’irradiazione
elettromagnetica prodotta durante la trasmissione radio nei sistemi cellulari.
Infatti, per la trasmissione via etere è necessario irradiare campi elettromagnetici opportunamente
modulati e opportunamente trasmessi.
Durante questa modulazione, avviene che il campo magnetico irradiato interagisca con il corpo
umano, che si trova nella direzione di propagazione del campo generato dall’antenna. Il corpo
umano, essendo un organismo biologico, risente quindi di questa irradiazione, in forme che possono
eventualmente comportare alterazioni del normale funzionamento o della stessa riproduzione
cellulare, qualora la quantità di energia assorbita sia troppo elevata. Questo problema, relativamente
trascurabile in passato, ha assunto un aspetto sempre più rilevante, perché i telefoni cellulari che
abbiamo attualmente in dotazione sono progettati per irradiare campi sostanzialmente
omnidirezionali e sono posti a distanza esigua dal corpo umano durante la trasmissione.
Il problema che nasce è dovuto a due aspetti contrastanti: se, da un lato, si dovrebbe diminuire il più
possibile l’interferenza con il corpo umano, dall’altro la presenza di campo insufficiente non genera
un adeguato segnale radio e quindi la trasmissione non viene assicurata . Una possibile soluzione al
problema consiste nel ricorrere allo stratagemma di propagare in direzione opposta a quella della
testa il campo elettromagnetico irradiato e quindi assicurare la trasmissione radio verso la stazione
base che meglio risulta ricevere il segnale radio.
Nel progetto realizzato in questa tesi si mostra come sia possibile, tramite un sistema incrociato di
ponti radio, irradiare in direzione opposta alla testa e nel contempo mantenere la comunicazione con
il ponte radio tramite la direzionalità del fascio prodotto, che ha il beneficio addizionale di
incrementare il guadagno di antenna.
3______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
CAP 2
I sistemi radiomobili cellulari
I sistemi cellulari
La svolta nella telefonia mobile si ebbe con l'introduzione dei sistemi cellulari. L'idea base fu
concepita negli anni '40, sperimentata negli anni '60, introdotta in sistemi commerciali negli anni
'80.
I sistemi non cellulari effettuano trasmissioni di tipo broadcast (come radio e TV): utilizzano
trasmettitori di potenza elevata per coprire una vasta area. Se il numero di utenti non è ridottissimo
si ha così un enorme fabbisogno di frequenze radio, tale da impedirne l'effettiva realizzazione.
I sistemi cellulari che realizzano le reti radiomobili applicano la tecnica del riutilizzo delle
frequenze: una frequenza (canale) viene utilizzata piú volte in luoghi diversi sufficientemente
lontani tra loro.
Si suddivide il territorio, l'area di servizio, in sottoaree, di dimensioni limitate, denominate celle.
Ogni cella è servita da una stazione radio base che trasmette su un certo set di canali radio, diversi
da quelli utilizzati nelle celle adiacenti, per evitare interferenze.
Ciascuna cella opera però con potenza ridotta e ciò consente di riutilizzare le frequenze in celle non
adiacenti. Generalmente vengono utilizzate forme regolari di celle per coprire un'area di servizio.
Teoricamente si possono immaginare di forma esagonale, anche se in realtà la loro forma risulta poi
irregolare a causa della non omogenea propagazione del segnale radio, dovuta principalmente alla
presenza di ostacoli.
Se durante gli spostamenti l'utente passa da una cella ad un'altra, è necessario che il terminale
mobile si sintonizzi su una nuova frequenza, tipicamente quella ricevuta meglio tra le frequenze
della
4______________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
nuova cella. Ciò è indispensabile durante una conversazione per evitare la caduta della
comunicazione; la procedura con la quale si effettua il cambio di frequenza nel passare da una cella
all'altra viene detta handover.
Nei sistemi cellulari, aumentando il numero delle celle che coprono una certa area e perciò
riducendo la loro dimensione, aumenta la capacità del sistema cioè il numero di utenti gestiti, ma
diminuisce la distanza di riuso delle frequenze (cioè la distanza tra due celle che usano lo stesso
canale) ed aumenta perciò l'interferenza tra canali che utilizzano la stessa frequenza (interferenza
cocanale); di conseguenza, aumenta il numero di handover che il sistema deve effettuare durante
una conversazione. Perciò la dimensione delle celle non può scendere al di sotto di certi valori e si
ripresenta il problema del limitato numero di frequenze disponibili.
I sistemi cellulari analogici
I primi sistemi cellulari introdotti (primi anni '80) sono di tipo analogico, utilizzano la modulazione
FM e presentano le seguenti limitazioni:
• ad ogni utente che effettua una richiesta di connessione viene assegnata una frequenza, che
rimane impegnata per tutta la durata della conversazione non potendo così essere utilizzata
da altri terminali (SCPC Single Channel Per Carrier)
• la capacità, numero di utenti, è limitata e dal numero delle frequenze disponibili e dal limite
imposto alle dimensioni delle celle dalla interferenza cocanale,
• non si possono applicare direttamente algoritmi di crittografia se non utilizzando apparati ad
hoc scrambler molto costosi,
• la sicurezza dell'accesso alla rete si basa solo sul riconoscimento di un numero di serie che
identifica il terminale mobile; non è impossibile clonare il terminale,
• non sono adatti a trasmissioni dati.
Il primo sistema introdotto, detto AMPS Advanced Mobile Phone Standard, fu sviluppato negli
USA e introdotto nel mercato nel 1979 a Chigago. La soluzione nord europea fu il sistema NMT
Nordic Mobile Telephone, avviato per la prima volta in Svezia nel 1981 e subito dopo in Norvegia,
Danimarca e Finlandia.
5______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Successivamente è stato sviluppato, nel Regno Unito, lo standard TACS (Total Access
Communications System), una versione modificata del sistema AMPS. La prima rete TACS ha
iniziato la sua attività commerciale nel 1985 nel Regno Unito.
Le specifiche iniziali, che assegnavano al sistema 1000 canali centrati nella banda 890-960 MHz,
sono state evolute successivamente nello standard ETACS Extended TACS, che assegna 1320
canali nella banda 872-950 MHz.
Il sistema GSM
Nei primi anni '80 vi fu una rapida crescita dei sistemi cellulari analogici in Europa. Ogni paese
sviluppò però il proprio sistema, incompatibile con ogni altro sia in termini di software che di
hardware. Il terminale mobile era limitato ad operare entro i confini nazionali.
La definizione di uno standard paneuropeo avrebbe consentito di operare in regime di concorrenza,
per effetto della standardizzazione delle interfacce e delle funzioni che consente ai gestori di
utilizzare impianti forniti da diversi costruttori. Si sarebbe potuto: aprire un vasto mercato in grado
di permettere significative economie di scala nella produzione di terminali e apparati con
conseguente diminuzione dei loro costi, e creare un servizio internazionale privo di confini.
Nel 1982 la Confèrence Europèenne des Postes et des Tèlèlecommunications (CEPT) creò, su
proposta, un gruppo di studio Groupe Speciál Mobile (GSM) con lo scopo di studiare e sviluppare
un sistema radiomobile cellulare paneuropeo comune a tutti i paesi dell'Europa occidentale.
Il sistema proposto doveva rispettare dei precisi criteri:
• Assicurare una buona qualità audio della conversazione
• Bassi costi per i terminali e per la gestione del servizio
• Supporto per il Roaming internazionale
• Supporto per terminali palmari
• Supporto per un ampio ventaglio di nuovi servizi
• Compatibilità con il sistema digitale ISDN
• Garantire un eccellente grado di sicurezza e riservatezza nelle comunicazioni.
6______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Tre anni, dal 1982 al 1985 furono dedicati alla scelta tra la tecnica analogica e quella numerica. La
decisione finale fu quella di adottare la seconda. Si scelse perciò una tecnologia digitale non ancora
testata, in netta antitesi con la tecnologia dei già sperimentati sistemi cellulari analogici come
AMPS e TACS.
A favore della tecnologia digitale, la rapida evoluzione tecnologica dei settori dell'elaborazione
numerica dei segnali e l'integrazione dei componenti elettronici per effetto della disponibilità dei
circuiti integrati VLSI. Un sistema cellulare basato su sistema numerico offre numerosi vantaggi:
• consente di utilizzare una frequenza per servire piú utenti, tramite l'utilizzo di
tecniche TDM (Time Division Multiplexing),
• ha una capacità maggiore sia per quanto sopra detto, sia perchè i sistemi digitali sono
meno sensibili a rumore ed interferenze e quindi consentono di ridurre le dimensioni
delle celle, aumentando il numero di utenti che possono essere serviti
contemporaneamente,
• consente alto grado di riservatezza, in quanto le informazioni trasmesse sulla tratta
radio possono essere cifrate direttamente dall'apparato utente,
• consente elevato grado di sicurezza: l'identità dell'apparato che chiede l'accesso alla
rete può essere controllata tramite l'applicazione di un opportuno algoritmo e di una
chiave di autenticazione segreta,
• consente di effettuare trasmissioni dati (il segnale vocale stesso viene digitalizzato e
poi trasmesso).
Vi era inoltre la prospettiva di garantire la compatibilità fra la rete ISDN e la rete di supporto al
sistema radiomobile. Un accordo tra i paesi aderenti portò alla decisione di riservare per questo
sistema due bande di frequenza: 890-915 e 935-960 MHz.
Nel 1987 superati i problemi tecnici e politici affrontati per uniformare i diversi punti di vista dei
paesi coinvolti e dei numerosi studiosi che portavano avanti progetti e sperimentazioni, si arrivò alla
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stesura di un accordo (Memorandum of Understanding, MoU) per l'introduzione coordinata del
sistema GSM. Fu indicata come apertura del servizio il primo luglio 1991.
Nel 1989, la responsabilità del progetto GSM venne trasferita allo European Telecommunication
Standards Institute, specificatamente a un Comitato Tecnico di ETSI. In quella sede venne
ridefinito l'acronimo GSM come Global System for Mobile Communications. Il Comitato Tecnico
ha elaborato normative, standard e specifiche tecniche descritte in dodici serie di raccomandazioni.
La prima parte delle specifiche venne pubblicata nel 1990 (PHASE 1).
Dopo la fase iniziale terminata nel 1991, in cui si è provveduto alla definizione delle specifiche
relative ai servizi base essenziali e ad alcuni servizi supplementari, si è passati ad una seconda fase
conclusasi nel 1993 (PHASE 2) durante la quale si sono integrati servizi base e supplementari.
Le quasi 6000 pagine delle raccomandazioni ETSI lasciano spazio a flessibilità e innovazioni
competitive da parte dei produttori, ma forniscono una sufficiente standardizzazione per garantire
l'effettivo interlavoro tra le componenti del sistema.
Il servizio venne commercializzato per la prima volta verso la metà del 1991, e nel 1993 esistevano
già 36 reti GSM in 22 paesi. Sebbene GSM sia stato standardizzato in Europa, non è uno standard
europeo: il sistema GSM (incluso DCS 1800 e PCS1900) è stato progressivamente adottato in oltre
80 paesi sparsi in tutto il mondo.
L'evoluzione futura
La naturale evoluzione del sistema GSM è il protocollo Personal Communications Network (PCN).
Ad esso l'ETSI ha assegnato 75 MHz nella banda 1800MHz. Un nuovo standard, chiamato
DCS1800 ( Digital Cellular System), è stato sviluppato appositamente per queste frequenze.
Virtualmente il DCS1800 utilizza le stesse specifiche del GSM, il che significa che i componenti di
una rete GSM possono essere usati in reti DCS1800. Solo i trasmettitori radio e i telefoni palmari
necessitano di apposite specifiche. Il vastissimo successo riscontrato da entrambi i sistemi ha
consentito e consentirà delle importanti economie di scala, riducendo i costi delle infrastrutture dato
che, parzialmente, possono essere condivise.
Le proprietà che differenziano il DCS1800 dal GSM sono:
• Frequenze di lavoro piú alte, che comportano caratteristiche di propagazione diverse:
generalmente hanno un raggio d'azione piú corto e penetrano meglio all'interno degli
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edifici (il che lo rende un sistema ideale per le zone ad alta densità abitativa come le
città).
• L'ampiezza di banda di 75 MHz, triplicata rispetto ai 25 MHz del GSM, che permette
sostanzialmente di raddoppiare gli 800 utenti massimi per cella.
• Una minore potenza di trasmissione che garantisce meno interferenze e un migliore
sfruttamento delle batterie del telefono palmare.
Con la standardizzazione delle procedure che permettono l’interlavoro tra le reti GSM e DCS1800,
una SIM card GSM può essere usata su un telefono DCS1800 e viceversa. La prima rete DCS1800
(la rete Mercury One-2-One) è entrata in servizio nel 1993 nel Regno Unito.
Negli Stati Uniti, dove non esiste una rete GSM, sono stati riservati 140 MHz nella banda
1900MHz (1850-1990 MHz) per il sistema PCN. Questa ulteriore variante del GSM, chiamata
PCS1900 (Personal Communications Service), continua ad essere GSM compatibile se non per la
frequenza di lavoro e la potenza di trasmissione.
I servizi forniti dal sistema GSM
Fin dall'inizio si volle che il sistema GSM fosse compatibile con il sistema ISDN, sia in termini di
servizi offerti che di segnali di controllo adottati. Purtroppo le limitazioni delle trasmissioni radio,
sia di banda che di costi, non hanno permesso di raggiungere la velocità di un canale ISDN-B di
64Kbps.
Usando le definizioni ITU-T (International Telecommunication Union), i servizi di
telecomunicazioni possono essere divisi in: servizi portanti, teleservizi e servizi suplementari.
Il teleservizio fondamentale supportato dal sistema GSM è la comunicazione telefonica. La voce
viene codificata in forma digitale e trasmessa attraverso la rete GSM come un flusso di bits. Vi è
poi il teleservizio relativo alle chiamate di emergenza (cioè dei numeri di emergenza) che viene
considerato un servizio distinto, in quanto l'operatore può consentire ai terminali anche privi di SIM
di effettuare chiamate di emergenza.
9______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Gli utenti GSM possono ricevere e trasmettere dati, a velocità fini a 9600 bps, con utenti di reti
telefoniche fisse (Plain Old Telephone Service, POTS), reti ISDN, reti pubbliche a commutazione
di pacchetto, a commutazione di circuito basate su diversi metodi di accesso e protocolli, come
X.25 e X.32. essendo GSM una rete digitale, non è richiesto un modem tra l'utente e la rete GSM. È
possibile inviare e ricevere fax, come descritto nella raccomandazione T.30 di ITU-T, utilizzando
un appropriato adattatore fax.
Una funzionalità particolare di GSM , non offerta dalla vecchie reti analogiche, è il servizio Short
Message Service SMS. SMS è un servizio bidirezionale che consente di trasmettere e ricevere brevi
messaggi (fino a 160 bytes) alfanumerici. I messaggi vengono gestiti dalla rete secondo una
strategia store-and-forward. Il servizio SMS può essere usato in modalità punto-punto per mandare
una messaggio ad un altro utente GSM, o in modalità cell-broadcast per mandare messaggi di
aggiornamento sul traffico e notizie.
Già nelle specifiche della PHASE 1 sono poi previsti servizi supplementari quali: il trasferimento di
chiamata (Call Forwarding), il blocco delle chiamate entranti o uscenti (Call Barring). Altri servizi
supplementari della PHASE 2 sono: l'identificazione del chiamante (Call Line Identity) e tutte le
eventuali applicazioni possibili, l'avviso di chiamata (Call Waiting). conversazione multiparty,
creazione di gruppi chiusi di utenti, informazioni sui costi del servizio ed altri ancora.
Caratteristiche dei principali sistemi radiomobili
GSM
Banda operativa GSM standard (P-GSM):
uplink 890 - 915 MHz
downlink 935 - 960 Mhz
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La trasmissione da terminale mobile a stazione radio base (BTS) è detta di uplink, da BTS a
terminale mobile downlink. Le frequenze portanti sono 124.
Banda operativa Extended GSM (E-GSM):
uplink 880 - 915 MHz
downlink 925 - 960 Mhz
Per far fronte alle crescenti necessità delle reti moderne la banda è stata ampliata di 2x10 MHz
(Extended GSM) aumentando le frequenze portanti da 124 a 174.
Banda operativa GSM Railway (GSM-R):
uplink 876 - 880 MHz
downlink 921 - 925 Mhz
Il GSM-R è una variante del sistema GSM specifica per le esigenze ferroviarie. Le frequenze
portanti disponibili sono 10.
Banda operativa DCS 1800:
uplink 1710 - 1785 MHz
downlink 1805 - 1880 Mhz
Le frequenze portanti sono 374.
Banda operativa PCS 1900:
uplink 1850 - 1910 MHz
downlink 1930 - 1990 Mhz
11______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Le frequenze portanti sono 299.
Banda operativa 900 MHz in Italia:
In Italia la banda operativa Extended GSM è suddivisa tra le reti GSM e la vecchia rete analogica
ETACS di TIM.
Caratteristiche GSM 900 MHz.
Accesso alla rete di tipo FDMA e TDMA (Frequency Division Multiple Access e Time Division
Multiple Access):
Frequenze portanti: 124 (da 890,2 a 914,8 MHz e da 835,2 a 859,8 MHz).
Time Slot: 8.
Spaziatura di canale 200 kHz.
Passo di duplice 45 MHz.
Numero totale canali vocali full-rate (16 Kbps) per 124 portanti: 992 (124x8)
Velocità del canale radio (Channel rate): 270,833 kbps.
Durata di un Time Slot: 0,577 ms.
Durata di una trama TDMA (TDMA frame): 4,615 ms (0,577x8).
Frequenca di Hopping: 217 salti/secondo (1/0,577/8=217).
Modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) digitale, a inviluppo costante con
prefiltraggio gaussiano B.T.= 0,3.
Compensazione del ritardo di propagazione (Time Advance) fino a: 233 microsecondi, che consente
un percorso massimo BTS - MS - BTS di 70 km (233x10-6x300.000=70 circa, con 300.000 km/s
velocità di propagazione delle onde radio) e un raggio massimo di 35 km per una cella.
Recupero di dispersione (equalizzazione del canale radio) tipicamente fino a 20 microsecondi.
Codifica della voce con algoritmo RPE-LTP (Regular Pulse Exitation - Long Term Prediction) con
LPC (Linear Predictive Coding) loop e campionamento a 13 kbit/s.
Controllo dinamico della potenza (DPC) trasmessa sul canale radio su 16 livelli diversi dal valore
massimo per la classe del terminale mobile (da 20 Watt a 0,8 Watt) fino a 20 mWatt a step di 2 dB.
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Trasmissione (DTX) e ricezione di tipo discontinuo.
DECT
Banda operativa: 1880 - 1900 MHz.
Accesso alla rete di tipo: TDMA e TDD (Time Division Duplex).
Frequenze portanti: 10
Time Slot: 24 (12 uplink, 12 downlink).
Spaziatura di canale 1.728 MHz.
Velocità del canale radio (Channel rate): 270,833 kbps.
Durata di un Time Slot: 0,417 ms.
Durata di una trama TDMA (TDMA frame): 10 ms (0,417x24).
Modulazione: GFSK con B.T.= 0,5.
Potenza massima di uscita: 250 mWatt.
Codifica della voce: ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation).
TETRA (TErrestrial Trunked RAdio)
Banda operativa: 380 - 400, 410 - 430, 450 - 470 MHz MHz.
Accesso alla rete di tipo TDMA.
Frequenze portanti: 10
Time Slot: 4.
Spaziatura di canale: 25 KHz.
Velocità del canale radio (Channel rate): 36 kbps.
Durata di un Time Slot: 14,167 ms.
Durata di una trama TDMA (TDMA frame): 56,67 ms (14,167x4).
Modulazione: pi/4-DQPSK con B.T.= 0,35.
Potenza massima di uscita: da 15 a 45 dBm.
Codifica della voce: A-CELP (Algebraic code-excited linear predictive).
13______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
UMTS è l'acronimo di Universal Mobile Telephone System e sta ad indicare la terza generazione di
servizi telefonici mobili. La rete analogica rappresentava la prima generazione di telefonia mobile,
la rete GSM, tuttora attiva, rappresenta la seconda. La nuova tecnologia UMTS cerca di migliorare
ed ampliare la capacità attuale delle tecnologie mobili, radio e satellitari, fornendo una capacità
maggiore e una gamma di servizi superiori. Attraverso la nuova tecnologia UMTS saranno
disponibili una serie di servizi multimediali individuali, ad esempio l'associazione del numero alla
persona, e non ad un'utenza o un ufficio. Questo consente l'introduzione di un numero di prodotti e
servizi concepiti espressamente per la comunicazione mobile. Inoltre significa la possibilità di usare
telecomunicazioni a voce e non in qualunque luogo, di mandare e ricevere fax ed e-mail in
movimento, di accedere ad Internet e di “scaricare” o trasmettere pacchetti di dati senza aver
bisogno di cercare un terminale fisso.
Caratteristiche
Accesso Rapido. L’UMTS supera i sistemi di seconda generazione per la sua capacità di
supportare una velocità di 2Mbit/s di trattamento dei dati. Questa possibilità, insieme all’utilizzo
dell’Internet Protocol, permetteranno di ricevere servizi multimediali interattivi e nuove
applicazioni di banda larga (videotelefono e videoconferenze).
Trasmissione di pacchetti e velocità dei dati on demand. L’UMTS utilizza un tipo di
trasmissione basata sulla trasmissione di pacchetti con benefici come: connessione virtuale alla rete
24 ore su 24, modalità alternative di pagamento (pay-per-bit, per sessione ecc.).
Ambiente di servizio “user friendly”. I servizi UMTS sono basati su possibilità comuni a tutti gli
utenti UMTS e agli ambienti radio. In una operazione di roaming dal proprio network ad altri
operatori UMTS, un utente sperimenterà una consistente quantità di servizi, pur tuttavia “sentendosi
a casa” (fenomeno ribattezzato VHE, Virtual Home Environment). VHE assicurerà la consegna
dell’intero set di servizi del provider.
Mobilità e copertura. L’UMTS è concepito come un sistema globale, comprendente componenti
terrestri e satellitari. Terminali operanti secondo modalità multiple (anche tramite sistemi 2G, cioè
GSM 900 e 1800) estenderanno ulteriormente la portata dei servizi UMTS. Attraverso questi
terminali un abbonato potrà effettuare operazioni di roaming da un network privato a uno pubblico
14______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
di tipo pico/micro-cellulare, quindi a un network di tipo macrocellulare (cioè uno di terza
generazione) e infine a un network satellitare mobile, il tutto con minime ricadute sulla
comunicazione.
Tecnologia radio per tutti gli ambienti. L’interfaccia radio UTRA sosterrà le operazioni con alta
efficienza di spettro e qualità di servizio. Nelle applicazioni pratiche, i terminali UMTS potrebbero
essere incapaci di operare costantemente alle velocità più alte, ed in zone remote o congestionate i
sistemi di servizio potrebbero garantire velocità basse per problemi economici. Allo scopo di
impedire che gli utenti utilizzino in continuo i loro terminali, i servizi saranno adattati alla velocità
di trasmissione disponibile e ad altri parametri QoS (Quality of Service).
Servizi UMTS disponibili via satellite. L’UMTS sarà in grado attraverso il satellite di offrire una
copertura mondiale, è in via di standardizzazione proprio per offrire efficienza per quanto riguarda
le operazioni di roaming e di hand-over tra il satellite e i network terrestri.
GPRS (General Racket Radio Service): La via intermedia verso l’Umts
Se i servizi di un tempo, tra cui SMS e WAP lento (a 9.6 kbit/s), sembravano l’avanguardia della
tecnologia, l’evoluzione ha compiuto un ulteriore passo in avanti, in attesa dell’UMTS. Il GPRS è la
tecnologia di passaggio tra i vecchi cellulari e l’UMTS. Si appoggia ancora alla rete GSM, ma ne
incrementa la velocità fino a 67 volte permettendo di collegarsi ad Internet alla velocità di 64 kbit/s
(simile a quella delle rete ISDN), destinata a raggiungere i 171.2 kbit/s quando i network
funzioneranno a pieno regime.
Il nodo di questo sistema è la trasmissione di dati a pacchetto: non si paga più a tempo ma a
quantità, in base al numero di dati ricevuti e spediti. Mentre collegarsi con un wap comporta una
tariffazione al minuto, con il GPRS invece si può restare sempre on-line pagando solo il consumo di
byte.
15___________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Anche per il GPRS resta il problema dei contenuti. «Il futuro sarà segnato dal concetto di
interazione globale. Dovunque si dovrà avere la possibilità di accedere a qualsiasi tipo di
informazioni: voce, filmati, notizie, web. E tutto in tempo reale, utilizzando un unico dispositivo»,
diceva Ferdinand Kuznik, vice presidente del gruppo Motorola, presentando il Timeport 260, il
primo cellulare GSM tribanda che supporta la tecnologia GPRS.
La tecnologia GPRS può sfruttare al massimo 8 slot con 4 livelli di controllo degli errori a cui
corrispondono 4 velocità diverse: 9.6, 13.4, 15.6 fino a 21.4 kbit/s.
Il Timeport 260 sfruttava due slot, quindi le velocità vanno da un minimo di 19.2 kbit/s (9.6 kbit/s x
2 slot) ad un massimo di 42.8 kbit/s (21.4 kbit/s x 2 slot). Aumentando la velocità, aumentano in
proporzione le possibilità di errore: una velocità elevata, a cui corrisponde un livello "basso" di
controllo, è utile per trasmettere immagini di parecchi Mbit in cui l’occhio umano difficilmente
coglie gli errori (pixel errati) che si possono verificare nella riproduzione delle immagini; mentre
per la trasmissione di testi, che di solito occupano poco spazio e in cui un errore ortografico pesa,
conviene optare per un livello di controllo maggiore a cui corrisponde una velocità più bassa. Con il
GPRS si possono mandare più "pacchetti" nello stesso momento e quando si è conclusa la
trasmissione dei dati (si tratti di email, di file musicali, voce, filmati in Mpeg4) il canale utilizzato si
libera ed è a disposizione di un altro cliente. Ma l’altra grande novità, quella di maggiore impatto
presso i consumatori, è che si ha la possibilità di essere sempre collegati ad Internet e di pagare,
appunto, solo la quantità di bit scaricati.
16______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Il telefono cellulare
La direttive internazionali regolamentano anche le procedure da seguire per valutare la conformità
dei terminali (MTE, Mobile Terminal Equipment) ai limiti di SAR prefissati. In particolare, i test
sulla distribuzione di SAR indotta nella testa umana dall'irraggiamento dei telefonini vengono
effettuati seguendo delle direttive internazionali che accomunano gli studi dei più autorevoli
laboratori del mondo; ciò rende possibile e valido il confronto fra i risultati ottenuti dai diversi
centri di ricerca.
Ad esempio il posizionamento del telefono rispetto alla testa viene effettuato seguendo le direttive
internazionali elaborate da un apposito gruppo di lavoro dell'ente di normazione CENELEC.
Dalla sperimentazione su cavie animali e su fantocci (analisi effettuate sempre nel caso peggiore di
esposizione, cioè con il terminale funzionante in modalità a massima emissione di potenza) risulta
che i terminali radiomobili conformi alle normative vigenti non inducono, in alcuna parte del corpo,
valori di SAR riconducibili ad incrementi della temperatura maggiori di 0,2 - 0,4 °C.
Il rispetto dei limiti fissati è dunque sufficiente a garantire l'assenza di effetti termici indesiderati.
Le stazioni radio base
Analogamente a quanto fatto per i terminali, sono stati definiti i limiti di esposizione a campi
elettromagnetici prodotti dalle stazioni radio base. A partire dai valori di sicurezza del SAR sono
stati definiti dei limiti relativi al campo elettrico, al campo magnetico ed alla densità di potenza. I
valori indicati da CENELEC e ICNIRP sono i seguenti:
Frequenza in MHz 900 1800
Campo Elettrico 41,2 V/m 58,3 V/m
Campo Magnetico 0,10 A/m 0,15 A/m
Densità di potenza 4,5 W/m2 9 W/m2
Questi limiti, che scaturiscono da una attenta politica di tutela della popolazione e tendono a
salvaguardarla da eventuali rischi per la salute, sono stati internazionalmente riconosciuti dalle
17______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
comunità scientifiche e fatti propri dalle legislazioni di molti paesi. In Italia è stato recentemente
emanato un Decreto Interministeriale , entrato in vigore il 2 gennaio 1999, che fissa limiti molto più
restrittivi.
Il Decreto, per le frequenze comprese nell'intervallo 3 MHz - 3 GHz, fissa i seguenti limiti di campo
elettrico, campo magnetico e densità di potenza.
Campo Campo Densità
Elettrico Magnetico di potenza
20 V/m 0,05 A/m 1 W/m2
Per edifici adibiti a permanenze non inferiori a 4 ore i limiti diventano:
Campo Campo Densità
Elettrico Magnetico di potenza
6 V/m 0,016 A/m 0,1 W/m2
Tali limiti risultano 45 volte più severi rispetto a quelli indicati da ICNIRP e CENELEC.
ENTE Limiti di densità di potenza (W/mq)
900 MHz 1800MHz
ICNIRP (Svizzera, Austria, Francia) 4,5 9
CENELEC 4,5 9
DIN VDE (Germania) 4,5 9
ANSI (USA) 6 12
NRPB (Gran Bretagna) 33 100
ITALIA
- limite generale 1 1
- Luoghi con permanenza di 4 o più ore 0,1 0,1
Il rispetto di queste normative per le stazioni radio base viene ottenuto mediante la definizione del
cosiddetto "volume di rispetto". Si tratta dello spazio più vicino all'antenna, all'interno del quale i
limiti potrebbero essere superati. All'esterno di questo volume i limiti sono sicuramente rispettati.
Tale volume può avere forme differenti in base al tipo di antenna utilizzata. Nell'immagine
sottostante è rappresentato quello tipico di forma cilindrica per le installazioni più comuni.
18_____________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Questi volumi vengono calcolati tramite appositi programma di simulazione che, considerando il
tipo di antenna utilizzata, riescono a calcolare la distribuzione del campo intorno all'installazione.
Dopo aver acceso l'impianto vengono comunque effettuate delle misurazioni, in modo da accertare
anche sperimentalmente il rispetto dei limiti.
La storia della telefonia mobile in Italia
1985 Viene istituito in Italia, con il D.M. 3 agosto 1985, il servizio radiomobile terrestre pubblico
veicolare (450 MHz) che ha fatto seguito ad un precedente sistema radiomobile operante a 160
MHz.
1990 E' stato introdotto in Italia il sistema di comunicazioni mobili di prima generazione E-TACS
Extended Total Access Communication System (900 MHz) che ha contribuito all’avvio della
telefonia mobile di tipo analogico.
1992 Viene avviato in Italia, dapprima con la fase di sperimentazione seguita poi dalla fase
commerciale iniziata nel 1995, l’attuale sistema di comunicazioni mobili di seconda
generazione GSM Global System Mobile (900 MHz) che ha contribuito ed ancora
contribuisce alla inattesa espansione della telefonia mobile di tipo digitale che ha portato, in
pochi anni, l’Italia al primo posto tra i Paesi europei con i suoi 22 milioni di terminali mobili
alla fine del 1998 e con una penetrazione vicina al 50%. Con il GSM possono aggiungersi alla
telefonia mobile digitale anche servizi dati come il fax e la posta elettronica.
1998 E' stato introdotto in Italia il sistema di comunicazioni mobili GSM 1800 che offre le stesse
prestazioni del sistema GSM 900 pur operando su una diversa banda di frequenze.
2002 Verranno avviati in Italia e nella maggior parte degli altri Paesi dell’Unione europea, sistemi di
comunicazioni mobili di terza generazione (lo standard europeo è chiamato UMTS Universal
Mobile Telecommunications System) in grado di fornire dati a velocità molto superiori a
quelle dei sistemi attuali, di fornire servizi, oltre a quelli convenzionali di voce e fax, anche
multimediali ad alta risoluzione, quali quelli di ufficio mobile, di banca virtuale, di pagamento
automatico, di commercio elettronico, di videoconferenza, di intrattenimento, di accesso ad
Internet e di trasmissione di musica di alta fedeltà. I nuovi terminali d’utente della 3ª
generazione consentiranno l’accesso a diverse reti del servizio mobile di Terra e via satellite.
19__________________________________________________________________-____________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Una rete GSM é composta di numerose entità funzionali che possono essere raggruppate in quattro
sottosistemi:
• La Stazione Mobile (Mobile Station) é il terminale mobile usato
dall'abbonato.
• La Stazione Base (Base Station Subsystem) controlla la trasmissione radio
con il terminale.
• Il Sottosistema di rete (Network Subsystem), la cui parte principale é il
Centro di Commutazione (Mobile services Switching Center) realizza la
connessione tra l'utente della rete mobile e gli utenti delle altre reti, fisse o
mobili.
• Il Sottosistema di esercizio e manutenzione (Operation and Support
Subsystem) sovrintende al corretto funzionamento e settaggio della rete.
La comunicazione tra le diverse entità del sistema GSM è assicurata da specifiche interfacce. La
possibilità di effettuare il roaming, cioè di potersi spostare liberamente sul territorio servito dal
proprio gestore, ed anche su quello servito dagli altri gestori delle nazioni che aderiscono al GSM,
richiede di memorizzare in un database la posizione degli utenti ed aggiornarla man mano che
questi si spostano. A tal scopo l'area geografica di servizio del sistema GSM è suddivisa
gerarchicamente in diverse aree, dette Network service areas. Un operatore GSM è quindi sempre
in grado di conoscere la posizione di ciascun suo abbonato.
Mobile Station (MS)
La mobile station (MS) rappresenta la stazione mobile con la quale un utente può usufruire dei
servizi offerti dal GSM. Consiste di un terminale mobile (Mobile Equipment, ME) e di una smart-
card intelligente, detta SIM (Subscriber Identity Module), che permette ad un utente di
caratterizzare come proprio un qualsiasi terminale mobile GSM. Vi è infatti una netta distinzione tra
20_____________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
l'apparecchio mobile vero e proprio e la SIM che contiene tutti i dati dell'abbonato. Quest'ultima è
distinta rispetto al terminale ed è, da esso, rimovibile.
SIM Card
La SIM card contiene una memoria seriale, nella quale vengono memorizzate diverse informazioni,
e un processore in grado di eseguire alcuni algoritmi di cifratura (Encryption algorithms). Le
possibilità offerte da queste smart-card possono variare notevolmente da operatore a operatore, in
dipendenza delle specifiche implementazioni.
La SIM card contiene le seguenti informazioni (obbligatorie):
• IC card identification: codice seriale identificativo della SIM;
• SIM service table: indica i servizi opzionali disponibili nella SIM;
• International Mobile Subscriber Identity (IMSI);
• Location information: Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), Location Area
Information (LAI), valore corrente del Periodic Location Updating Timer (T3212)
e del Location update status;
• Individual subscribers authentication key (Ki)
• Chiave di crittografia (Kc) e cipher key sequence number;
• Ciphering key generating algorithm (A8)
• Authentication algorithm (A3)
• Informazioni BCCH: lista delle portanti che é possibile utilizzare per il cell-
reselection;
• Access control class
• Forbidden PLMNs: reti vietate;
• HPLMN search period: timer di ricerca della propria rete quando si é il roaming;
21______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
• Language preference: linguaggio preferenziale;
• Phase della SIM;
• Personal Identity Number (PIN);
• Indicatore PIN attivo/disattivo;
• Contatore errori di digitazione PIN;
• PIN Unblocking Key (PUK);
• Contatore errori di digitazione PUK;
Inoltre, può contenere le seguenti informazioni opzionali:
• PLMN selector: Selezione automatica dell'operatore di rete;
• Lista dei canali di Cell Broadcast selezionati;
• Abbreviated Dialling Numbers: lista numeri brevi;
• Fixed Dialling Numbers: lista soli numeri chiamabili;
• MSISDN number: numero MSISDN dell'abbonato;
• Last numbers dialled: lista ultimi numeri chiamati;
• Short messages: lista messaggi SMS ricevuti ed inviati;
• Rubrica telefonica dell'abbonato
• Contatori relativi al servizio di Advice of Charge
• Personal Identity Number 2 (PIN2);
• Contatore errori di digitazione PIN2;
• PIN Unblocking Key 2 (PUK2);
• Contatore errori di digitazione PUK2;
22______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
E' la SIM card che fornisce l'abilitazione al servizio e viene attivata (per evitarne un uso non
autorizzato) tramite un numero di identificazione personale di 4 o 8 cifre, denominato PIN
(Personal Identity Number). Per garantire una sicurezza ancora maggiore, se il codice PIN viene
digitato erroneamente per 3 volte consecutive la carta si blocca. In questo caso sarà necessario
utilizzare il codice PUK di 8 cifre (PIN Unblocking Key) per sbloccarla. Se anche quest'ultimo
venisse digitato erroneamente per 10 volte consecutive la carta andrebbe in blocco totale e sarebbe
necessario sostituirla.
L'introduzione di alcuni nuovi servizi nella fase 2 di sviluppo del sistema GSM ha richiesto
l'introduzione di un secondo PIN (PIN2) per proteggere il contenuto di alcuni nuovi campi e
differenziare così l'accesso (ad esempio un abbonato può prestare la propria SIM card ad un amico
fornendogli il solo PIN. Sarà così sicuro che questo, pur potendo telefonare, non potrà usufruire di
tutti i servizi che richiedono invece il PIN2). Chiaramente, esiste anche un PUK2 con le stesse
funzionalità del PUK.
La SIM card contiene un codice per identificare l'utente, denominato IMSI (International Mobile
Subscriber Identity), una chiave segreta di autenticazione Ki (Individual subscribers authentication
key), un algoritmo di autenticazione (Authentication algorithm), detto A3, e uno di cifratura
(Encryption algorithm), detto A8 (questi ultimi possono riuniti in un solo algoritmo dello A38).
Può memorizzare inoltre 100 numeri telefonici e per ognuno 12 caratteri alfanumerici descrittivi, 10
messaggi SMS (queste quantità possono variare secondo le specifiche implementazioni delle case
produttrici) e una lista degli operatori GSM preferenziali dell'abbonato. ogniqualvolta non é più
presente il segnale della rete su cui si é registrati, il sistema GSM provvede in modo automatico a
chiedere l'accesso alla prima delle reti indicate in questa lista; se la registrazione ha esito negativo,
provvede a rieseguire la stessa operazione con la successiva, e così via. La procedura continua
ciclicamente fino alla avvenuta registrazione su una rete.
Il codice IMSI e la chiave di autenticazione Ki costituiscono le credenziali di identificazione
dell'abbonato, equivalenti al numero seriale ESN (Equipment Serial Number) dei sistemi analogici
(il codice ESN é un numero di 11 cifre: le prime tre identificano il costruttore, quindi due cifre sono
di uso riservato (spesso sono poste a zero), le restanti sei cifre sono un numero seriale che identifica
il terminale). Il codice IMSI è quindi associato all'utente che ha sottoscritto l'abbonamento al GSM,
23______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
mentre è svincolato dall'apparato mobile (ME) utilizzato. Il codice IMSI, che ha una lunghezza
massima di 15 cifre, ha la seguente struttura:
MCC MNC MSIN
3 cifre 2 cifra______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
La SIM card é progettata per lavorare tra le temperature di -25°C e +70°C con punte occasionali di
+85°C, ed una umidità fino al 85%.
La Read Only Memory (ROM) contiene il sistema operativo, il sistema amministrativo (che gestisce
i servizi GSM Phase II) e gli algoritmi di sicurezza A3 e A8. La Random Access Memory (RAM) é
usata per l'esecuzione degli algoritmi e come buffer per la trasmissione dei dati. La Electrically
Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM) contiene tutti i dati dell'abbonato (già
elencati in precedenza).
Ad oggi le smart card offrono le seguenti capacità: ROM 6-16 Kbytes, RAM 128-256 bytes,
EEPROM 2-8-16 Kbytes. Le SIM di Phase I hanno 3 Kbytes di memoria EEPROM, mentre quelle
di Phase II 8-16 Kbytes; queste ultime offrono quindi una capacità di memorizzazione superiore. 6
Kbytes di ROM sono sufficienti per la gestione di tutti i servizi Phase II. La quantità della memoria
EEPROM determina direttamente la quantità di memoria offerta all'utente per i vari servizi. Per
esempio, 1Kbyte di EEPROM può memorizzare circa 6 messaggi SMS oppure 40 numeri telefonici
completi.
Un grosso problema per le tutte le smart-card è rappresentato dal degrado subito dalle EEPROM nei
fasi di lettura/scrittura che ne consente un utilizzo limitato nel tempo (solitamente viene garantito il
funzionamento corretto di una SIM card GSM per circa due anni). Le celle di memoria contenute
nelle normali EEPROM attualmente in commercio possono infatti sopportare al massimo 10.000
cicli di lettura/scrittura. Per particolari applicazioni sono state sviluppate delle smart-card che
riescono ad elevare questa soglia a 100.000 cicli.
Interfacciamento elettrico e contatti
SIM card e ME si interfacciano mediante otto pin, denominati da C1 a C8. La loro posizione sulla
SIM e le loro dimensioni sono specificate sempre in ETSI 11.11.
• C1: La tensione di alimentazione Vcc (pin C1) di una SIM Card può essere 5 volt,
3.3 volt o 1.8 volt.
25______________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
• SIM 5 volt: la tensione di alimentazione Vcc é 5 volt (può variare da 4.5 a 5.5 volt).
L'assorbimento di corrente massimo è di 10mA; in idle-mode a 25°C a 1 MHz non
deve superare i 200microA.
• SIM 3.3 volt: la tensione di alimentazione Vcc é 3.3 volt (può variare da 2.7 a 3.3
volt). L'assorbimento di corrente massimo è di 6mA; in idle-mode a 25°C a 1 MHz
non supera i 200microA.
• SIM 1.8 volt: la tensione di alimentazione Vcc é 1.8 volt (può variare da 1.62 a 1.98
volt). L'assorbimento di corrente massimo è di 4mA; in idle-mode a 25°C a 1 MHz
non supera i 200microA.
• C2: pin di RESET
• C4: non é al momento utilizzato nello standard GSM, lasciato libero per sviluppi
futuri
• C5: il segnale di clock é fornito alla SIM dal ME sul pin C5, può variare da 1 a 5
MHz. La SIM non dispone di un suo clock interno.
• C6: il pin C6 fornisce la tensione Vpp di programmazione. Dal momento che nel
sistema GSM non é prevista l'operazione di riprogrammazione della SIM
direttamente dal terminale, il pin C6 può o meno essere connesso a Vcc, mai a
massa.
• C7: data in/out
• C8: non é al momento utilizzato nello standard GSM, lasciato libero per sviluppi
futuri
SIM Stop Clock Mode
La SIM può supportare una funzione aggiuntiva che consente di ridurre ulteriormente il consumo in
idle: il SIM Stop Clock Mode. Ad una precisa richiesta di ME, SIM risponde con Clock Stop
Allowed. ME può così inibire il segnale di clock alla SIM, ad esempio un periodo di inattività della
SIM stessa, riducendone il consumo medio a soli 100microA (rispetto ai 200microA prima
menzionati).
26______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
SIM locking
Il SIM locking è una funzione supportata da molti telefoni. Essa consente ad un operatore di inibire
l'utilizzo del telefono con tutte le SIM che non siano le proprie. In questo modo un operatore si
assicura che il nuovo l'utente rimanga suo abbonato per un dato periodo. Allo stesso tempo l'utente
ha la possibilità di acquistare un telefono ad un prezzo spesso più conveniente. Alcuni operatori
trascorso un certo lasso temporale, uno o due anni, forniscono un codice con cui sbloccare il
telefono. Questo codice è diverso da telefono a telefono ed è calcolato in base all'IMEI.
Il SIM locking è proibito in molti paesi, ad esempio in Danimarca, ma viene utilizzato dagli
operatori inglesi, svedesi (Comviq), e spagnoli (Airtel e Movistar).
Mobile Equipment (ME)
I codici IMEI (International Mobile Equipment Identity) e IMEISV (International Mobile
Equipment Identity Software Version) identificano in modo univoco il vostro telefonino. Sono
distinguibili dal numero di cifre di cui sono composte, 15 oppure 16 cifre. Sono memorizzati nel
cellulare, in modo sicuro, direttamente dal costruttore. IMEISV, rispetto al normale IMEI, fornisce
anche un'informazione relativa alla versione software installata nel terminale GSM.
I codici IMEI e IMEISV sono strutturati nel seguente modo:
TAC FAC SNR SP
6 cifre 2 cifra 6 cifre 1 cifre
Codice IMEI (15 cifre)
TAC FAC SNR SVN
6 cifre 2 cifra 6 cifre 2 cifre
Codice IMEISV (16 cifre)
dove
TAC Type Approval Code, fornito da una Autorità Centrale del GSM,
identifica il corpo base del terminale, il modello (6 cifre).
FAC Final Assembly Code, identifica il luogo di costruzione o
assemblaggio finale (2 cifre).
SNR Serial Number, numero seriale (6 cifre).
sp Cifra supplementare di riserva (1 cifra).
SVR Software Version Number, Numero della versione software (2
cifre). 99 é riservato per scopi futuri.
27______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
I terminali GSM sono suddivisi in cinque classi in base alla massima potenza con cui possono
trasmettere sul canale radio. Possono inoltre variare la potenza di emissione in modo dinamico su
15 livelli (Dynamic Power Control) per mantenere una ottima qualità di trasmissione limitando al
massimo le interferenze di cocanale e i consumi.
In base alla potenza di picco emessa i terminali sono stati suddivisi in 5 classi:
Classe 1: 20W; Classe 2: 8W; Classe 3: 5W; Classe 4: 2W; Classe 5: 0,8W.
La trasmissione e la ricezione radio avvengono in realtà in tempi diversi (3 timeslot di ritardo
nominale). Ciò elimina la necessità del filtro di duplice (duplexer) indispensabile invece nei sistemi
analogici per separare i segnali di trasmissione e ricezione che sono attivi in maniera continuativa e
contemporanea.
Le principali funzioni che il terminale radiomobile deve svolgere sono le seguenti:
• trasmissione e ricezione radio
• selezione della cella migliore (cella servente), in termini di qualità di
conversazione, sulla quale accamparsi
• registrazione nell'area di localizzazione
• misure trasmissive sul canale radio utilizzato e sui canali adiacenti
• controllo della potenza in trasmissione
• esecuzione dell'handover
• dichiarazione del proprio IMEI
• interfaccia uomo/macchina (display e tastiera)
• autenticazione e cifratura delle conversazioni
28______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
Base Station Subsystem (BSS)
Il sottosistema BSS (Base Station Subsystem) si occupa della parte radio del sistema e di
conseguenza comprende le unità funzionali che consentono di fornire la copertura radio di un'area
costituita da una o più celle.
La stazione base é composta di due unità: una Base Transceiver Station (BTS) e una Base Station
Controller (BSC). L'interfaccia di comunicazione tra le due entità, detta A-bis, è standardizzata. In
questo modo non si è vincolati a soluzioni proprietarie e si possono utilizzare componenti prodotti
da fornitori diversi.
Base Transceiver Station (BTS)
Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita dall'insieme dei transceiver
(ricetrasmettitori) e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella.
Solitamente ci si riferisce alle BTS anche con il termine Stazioni Radio Base (SRB).
Base Station Controller (BSC)
La stazione base di controllo (BSC) governa il funzionamento di uno o più BTS, gestisce il
settaggio dei canali radio (instaurazione e rilascio delle connessioni), il frequency-hopping, gli
handover interni e altro ancora. Fornisce la connessione tra una unità mobile (MS) e il centro di
commutazione (MSC). In una grande area urbana ci sono un gran numero di BTS controllate da una
o poche BSC.
La connessione BTS-BSC, quando non sono co-locati, è assicurata da una linea dedicata PCM a
2,048 Mbit/s che mette a disposizione 32 canali a 64 kbps. 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 kbps netti; 16
kbps compresa la ridondanza per la codifica di linea) alla codifica PCM (64 kbps).
La transcodifica può avvenire nel BSC (TRAU installato nel BSC) in modo da infilare multiplati
quattro canali di traffico GSM in un canale PCM e quindi fruttare in modo migliore la connessione
29______________________________________________________________________________cap. 2 Sistemi radiomobili cellulari
BTS-BSC (transcodifica remota); oppure direttamente nella BTS (TRAU installato nella BTS),
conveniente solo nel caso di co-locazione BTS-BSC (transcodifica locale).
La trama PCM ha una durata pari a 0,125 ms. E' suddivisa mediante la tecnica TDM (Time Division
Multiplexing) in 32 canali, ognuno da 64 kbps (TS pari a 0,125/8=3,9 microsec). La capacità
complessiva del canale è quindi 64x32=2,048 Mbit/s. Il TS 0 è riservato al sincronismo, il TS 16
alle segnalazioni, i restanti 30 sono a disposizione dei canali di traffico. E' necessario un canale di
segnalazione per ogni portante radio (TRXC), cioè 8 canali TCH. Analizziamo ora le prestazioni
nei due casi. Transcodifica locale: il canale PCM trasporta fino a 3 portanti radio (TRXC), cioè 24
canali TCH, usando (8+1)x3=27 TS. Transcodifica remota: il canale PCM trasporta fino a 10
portanti radio (TRXC), cioè ben 80 canali TCH, usando (2+1)x10=30 TS (in questo caso per una
portante TRXC occorrono 2 TS per i canali TCH e 1 per le segnalazioni).
Transcodifica LOCALE TS Transcodifica REMOTA
Sincronismo 0 Sincronismo
Segnalazione TRXC 1 1 Segnalazione TRXC 1
2 Canali di traffico 1-8 TRXC 1
3 TRXC 1
4 Segnalazione TRXC 2
TRXC 1 Canali di traffico 1-8 5 Canali di traffico 1-8 TRXC 2
TRXC 1 6 TRXC 2
7 Segnalazione TRXC 3
8 Canali di traffico 1-8 TRXC 3
9 TRXC 3
Segnalazione TRXC 2 10 Segnalazione TRXC 4
11 Canali di traffico 1-8 TRXC 4
12 TRXC 4
TRXC 2 Canali di traffico 1-5
TRXC 2 13 Segnalazione TRXC 5
14 Canali di traffico 1-8 TRXC 5
15 TRXC 5
Segnalazione 16 Segnalazione
17 Segnalazione TRXC 6
Canali di traffico 6-8
TRXC 2 18 Canali di traffico 1-8 TRXC 6
TRXC 2
19 TRXC 6
Segnalazione TRXC 3 20 Segnalazione TRXC 7 TRXC 7
TRXC 3 21
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