Comunicazione e interfaccia radio

 

INDICE GENERALE
Multiplazione FDMA/TDMA
Handover
I canali logici
Struttura di un burst
Controllo dinamico della potenza
Misure sul canale radio
Il codificatore vocale
Modulazione
Equalizzazione
Trasmissione discontinua (DTX)
Ricezione discontinua (DRX)

Rumori ed interferenze

Un canale radio di un sistema radiomobile può essere degradato da due cause:

• il rumore;
• l'interferenza

Il rumore risulta essere costituito da fenomeni ambientali come i fulmini ad esempio, e da cause come i motori elettrici. Per ciò che concerne l'interferenza possiamo dire che ne esistono di due tipi:

• interferenza da canale adiacente
• interferenza co-canale

Un fascio di onde elettromagnetiche può essere riflesso da ostacoli interposti sul suo cammino. Nel caso di un ambiente radiomobile tale fenomeno viene definito cammino multiplo. La propagazione per cammini multipli, crea i seguenti svantaggi:

• diffusione ritardata del segnale ricevuto
• cambiamenti di fase casuali, che generano veloci evanescenze del livello del segnale (fading di Rayleigh)
• modulazione di frequenza casuale, dovuta a differenti spostamenti, (effetto Doppler) su diversi cammini

Interferenza di cocanale

Se la distanza tra due trasmettitori che operano sulle stesse frequenze non è sufficientemente grande, può accadere che ad una MS arrivino, sullo stesso canale, i segnali di due o più celle, dando così origine ad un fenomeno di interferenza noto come interferenza di cocanale. La capacità di un sistema radiomobile è quindi limitata dalla capacità di riutilizzo delle frequenze.

Interferenza di canale adiacente

Questo tipo di interferenza deriva dal fatto che i filtri utilizzati negli apparati, per eliminare i segnali ed i disturbi che cadono fuori banda, non sono ideali. Al ricevitore, dopo il filtro, giungono sia la frequenza attesa sia le frequenze adiacenti. Ciò limita la possibilità di utilizzare frequenze adiacenti in una stessa cella.

Effetto Doppler

Il continuo spostarsi delle MS rispetto alle BTS provoca, in sede di ricezione, un vero e proprio spostamento della frequenza di ricezione, questo effetto è detto comunemente Doppler. Se una MS che si trovi in conversazione si sposta alla velocità di 50 km/h, la compensazione Doppler media è di circa 30 Hz.

Il fading

La propagazione delle onde elettromagnetiche, non avvenendo in uno spazio libero ideale, è influenzata da diversi fenomeni: riflessione (contro ostacoli di dimensioni maggiori della sua lunghezza d'onda), rifrazione (nel passaggio da un mezzo trasmissivo ad un altro, ad es. aria-cemento) e diffrazione. Di particolare interesse il fenomeno della riflessione che può provocare degli improvvisi e momentanei affievolimenti del segnale ricevuto che vengono indicati come fading (evanescenza). Possono essere di diversi tipi:

• fading lento, dovuto alla presenza di grossi ostacoli (colline o grossi edifici) che creano delle zone d'ombra;

• fading veloce, dovuto alla presenza di numerose superfici riflettenti che fanno giungere all'antenna ricevente numerosi segnali, tutti con fasi diverse. Quando questi sono in opposizione di fase determinano un fading profondo;

• fading di Rice, quando all'antenna giunge un segnale diretto (l'antenna trasmittente è in visibilità ottica) e diversi segnali riflessi.

Diversità

Per ridurre gli effetti del fading vi sono due metodi.

• Diversità nello spazio (Antenna diversity). Si utilizzano due antenne riceventi, poste ad una distanza pari ad un multiplo dispari di un quarto di lunghezza d'onda (a 900 MHz la lunghezza d'onda é di 30 cm). Dato che i segnali ricevuti dalle due antenne compiono percorsi diversi è meno probabile che entrambe sia affette contemporaneamente da fading.

• Diversità di frequenza (Frequency diversity). Si trasmette lo stesso segnale a frequenze diverse; infatti se una frequenza è soggetta a fading, ad un'altra frequenza essa non si verifica (cambiano le fasi). E' anche nota come frequency hopping.

Multiplazione FDMA/TDMA

International Telecommunication Union (ITU) ha assegnato al sistema GSM, per l'Europa, la banda 890-915 MHz per la comunicazione tra MS e BTS (Uplink) e 935-960 MHz per la comunicazione tra BTS e MS (Downlink). Successivamente sono stati concessi altri 10 MHz per soddisfare le crescenti richieste di traffico (Extended GSM). Il sistema GSM utilizza una combinazione delle tecniche di multiplazione a divisione di frequenza (FDMA) e di tempo (TDMA) per la gestione della risorsa radio.

Multiplazione FDMA e riutilizzo delle frequenze

Il GSM utilizza la tecnica FDMA per dividere l'ampiezza di banda concessa in frequenze portanti o canali, la spaziatura tra le portanti è di 200 kHz. Ad ognuna di queste è associato un numero di canale, detto ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number), per identificarle in modo univoco.
Riassumiano di seguito l'intero spettro di frequenze previsto nelle normative ETSI all'uso GSM nelle bande 900 MHz (P+E+R), 450-480 MHz, 850 MHz, 1800 MHz (DCS) e 1900 MHz (PCS).

Banda operativa GSM standard o primary (P-GSM)
Banda di 25 MHz é divisa in 124 portanti, numerate da 1 a 124:

uplink	890 MHz - 915 MHz
downlink	935 MHz - 960 MHz

L'n-esima portante (ARFCN n) è definita come segue:

• F_Uplink(n) = 890 + n * 0.2 (MHz), 1 <= n <= 124
• F_Downlink(n) = 890 + n * 0.2 + 45 (MHz), 1 <= n <= 124

Banda operativa Extended GSM (E-GSM)
Banda di 35 MHz, comprendente anche la banda P-GSM, é divisa in 174 portanti:

uplink	880 MHz - 915 MHz
downlink	925 MHz - 960 MHz

Canali con ARFCN da 0 a 124 come banda P-GSM.
I canali con ARFCN da 975 a 1023 sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 890 + (n - 1024) * 0.2 (MHz), 975 <= n <= 1023
• F_Downlink(n) = 890 + (n - 1024) * 0.2 + 45 (MHz), 975 <= n <= 1023

Banda operativa GSM Railway (GSM-R)
Infine vi é anche la banda Railway (GSM-R), riservata gli usi ferroviari, a cui sono riservati 4 MHz (19 portanti) posti sotto la banda E-GSM:

uplink	876 MHz - 880 MHz
downlink	921 MHz - 925 MHz

I canali con ARCFN da 955 a 974 sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 890 + (n - 1024) * 0.2 (MHz), 955 <= n <= 974
• F_Downlink(n) = 890 + (n - 1024) * 0.2 + 45 (MHz), 955 <= n <= 974

Mappa frequenza-canali GSM, banda complessiva (Standard+Estesa+Railway)

Banda operativa DCS 1800
La banda DCS 1800 MHz, 1710-1785 MHz per la comunicazione tra MS e BTS (Uplink) e 1805-1880 MHz per la comunicazione tra BTS e MS (Downlink), divide la banda di 75 MHz in 374 portanti:

uplink	1710 MHz - 1785 MHz
downlink	1805 MHz - 1880 MHz

I canali con ARFCN da 512 a 885 sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 1710.2 + (n - 512) * 0.2 (MHz), 512 <= n <= 885
• F_Downlink(n) = 1710.2 + (n - 512) * 0.2 + 95 (MHz), 512 <= n <= 885

Mappa frequenza-canali DCS

Banda operativa PCS 1900
La banda PCS 1900 MHz, 1850-1910 MHz per la comunicazione tra MS e BTS (Uplink) e 1930-1990 MHz per la comunicazione tra BTS e MS (Downlink), divide la banda di 60 MHz in 299 portanti:

uplink	1850 MHz - 1910 MHz
downlink	1930 MHz - 1990 MHz

I canali con ARFCN da 512 a 885 sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 1850.2 + (n - 512) * 0.2 (MHz), 512 <= n <= 810
• F_Downlink(n) = 1850.2 + (n - 512) * 0.2 + 80 (MHz), 512 <= n <= 810

Banda operativa GSM 450-480 MHz
ETSI ha riservato al GSM anche parte della banda 450-480 MHz (35+35 canali):

uplink	450.4 MHz - 457.6 MHz
downlink	460.4 MHz - 467.6 MHz
uplink	478.8 MHz - 486 MHz
downlink	488.8 MHz - 496 MHz

I canali con ARFCN da 259 a 293 (GSM 450 MHz) sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 450.6 + (n - 259) * 0.2 (MHz), 259 <= n <= 293
• F_Downlink(n) = 450.6 + (n - 259) * 0.2 + 10 (MHz), 259 <= n <= 293

I canali con ARFCN da 306 a 340 (GSM 480 MHz) sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 479 + (n - 306) * 0.2 (MHz), 306 <= n <= 340
• F_Downlink(n) = 479 + (n - 306) * 0.2 + 10 (MHz), 306 <= n <= 340

Banda operativa GSM 850 MHz
ETSI ha riservato al GSM anche parte della banda 850 MHz (124 canali):

uplink	824 MHz - 849 MHz
downlink	869 MHz - 894 MHz

I canali con ARFCN da 128 a 251 (GSM 850 MHz) sono definiti come segue:

• F_Uplink(n) = 824.2 + (n - 128) * 0.2 (MHz), 128 <= n <= 251
• F_Downlink(n) = 824.2 + (n - 128) * 0.2 + 45 (MHz), 128 <= n <= 251

All'interno di una stessa nazione, le frequenze portanti sono suddivise tra i vari operatori sia GSM che di eventuali sistemi analogici già esistenti. In Italia, ad esempio, la situazione è complicata per la compresenza del sistema analogico ETACS (Assegnazione delle frequenze GSM in Italia).

Gli N canali (frequenze portanti) assegnati ad un operatore sono divisi in M gruppi in modo che ognuno disponga di N/M canali. Ad ogni cella è assegnato un gruppo di canali in modo da diversificare le frequenze utilizzate da celle geograficamente adiacenti. Si definisce cluster l'insieme delle M celle adiacenti in cui si utilizzano tutti gli N canali disponibili.

Multiplazione TDMA

Ogni singola portante viene divisa nel tempo, secondo la tecnica TDMA, in 8 intervalli (time slot) della durata di 0,577 ms. e l'insieme di 8 time slot, della durata di 4,616 ms. (0,577x8), viene definito trama o frame. Il time slot k-esimo di ogni trama della i-esima portante costituisce un canale, in tutto sono 992 (124x8). A loro volta anche la sequenza delle trame è divisa periodicamente tra più canali, con una sorta di TDMA di secondo livello, assegnando una o più trame ad un singolo canale.

I canali di traffico, quindi, sono organizzati in base a gruppi di 26 trame, quelli di controllo in base a gruppi di 51 trame. Questi gruppi costituiscono una multitrama (multiframe). Le due multitrame di durata rispettivamente 120 ms. e 235,4 ms. sono inserite in una supertrama (superframe) di 6.12 s che contiene rispettivamente 51 e 26 multitrame (per un totale di 1326 trame) unificando la struttura dei due canali. A loro volta 2048 superframe formano una ipertrana (hyperframe) composta di 2²²=2715648 trame numerate progressivamente (frame number, FN) e in modo ciclico su una periodicità di 3 ore, 28 min, 53 s e 773 ms. In definitiva un canale fisico è identificato dal proprio numero di time slot (TS), di trama (FN) e di frequenza portante.

Per semplificare l'elettronica necessaria in una MS in modo da non avere simultaneamente trasmissione e ricezione, i canali di uplink e downlink sono separati nel tempo da 3 time slot. Così una MS che riceva nel timeout T_k della portante F_i MHz, ritrasmetterà nel time slot T_(k+3) sulla frequenza F_i - 45 MHz, nei restanti 6 time slot può così ascoltare gli altri canali che riesce a ricevere, in modo da pilotare efficacemente le procedure di handover.

Il numero totale dei canali fisici disponibili risulta essere di 992 da distribuire all'interno del cluster di celle. I canali logici devono essere inseriti "fisicamente" nella struttura TDMA. Un canale logico viene associato ad un time slot di una frequenza su cui si alterna con gli altri canali nella successione delle trame.

Ai canali di segnalazione (BCCH, SCH, FCCH, AGCH, PCH, RACH, SDCCH) è di norma riservato il time slot 0 di una sola delle frequenze assegnate ad una cella in entrambe le direzioni. Tale frequenza prende il nome di portante fondamentale o portante BCCH. Nella direzione downlink i canali FCCH, SCH e BCCH devono sempre essere trasmessi per consentire alle MS di "agganciarsi" alla rete.

Il Frequency-Hopping

Un'altra caratteristica della gestione dell'interfaccia radio è il salto di frequenza (frequency hopping, FH). Consiste nel trasmettere messaggi successivi di una stessa comunicazione su frequenze portanti diverse, mantenendo però sempre lo stesso time slot assegnato inizialmente. In questo modo si riescono a combattere efficacemente quei problemi legati direttamente alla propagazione radio, ad esempio fenomeni di fading o battimenti che si possono verificare, temporaneamente, solo su una certa frequenza. Questa tecnica presenta due vantaggi:

• Riduzione del fading di Rayleigh, se una frequenza è soggetta a questo tipo di fading "saltando" in maniera pseudo-casuale su varie frequenze è difficile che tutte siano soggette allo stesso fading. Così facendo si riducono le interferenze dovute a questo fenomeno.
• Riduzione delle interferenze co-canale, se due MS in due celle vicine che utilizzano lo stesso TS e viaggiano su frequenze identiche se implementiamo il FH vedremo ridursi le interferenze fra le due MS.

L'algoritmo di FH è trasmesso sul canale BCCH (Broadcast Control Channel). Proprio per questo motivo il timeslot 0 (che trasporta il canale BCCH) non è soggetto a frequency-hopping.

Nel caso di implementazione del FH, un canale fisico è identificato, oltre che dal numero di trama (FN) e di timeslot (TS), anche da una traiettoria nel tempo che evidenzia le frequenze portanti su cui si sposta il timeslot ad ogni trama.

Perché la distanza tra BTS e MS non può superare i 35 Km ?

Per comunicare, la distanza tra stazione trasmittente (BTS) e terminale mobile (MS) non può superare i 35 km anche quando le condizioni morfologiche del terreno lo permetterebbero (ad esempio in una vasta zona pianeggiante). Infatti, quando la stazione base invia un messaggio ad un terminale, può aspettare da questo una risposta solo per un breve periodo prima di dover passare ad analizzare le altre MS sullo stesso canale, in base alla tecnica TDMA. Se il terminale si trova a più di 35 Km dalla stazione base la sua risposta arriva troppo tardi e l'utente risulta quindi non raggiungibile.

In particolare il sistema GSM riesce a compensare fino ad un ritardo massimo di 233 microsecondi tra l'invio di un messaggio e la ricezione della risposta, che corrispondono ad un viaggio BTS - MS - BTS di circa 70 km (233x10^-6x300.000=70 circa, 300.000 km/s è la velocità del luce) e quindi ad una distanza massima di 35 km tra BTS e MS.

Alcuni dati:
Il tempo di propagazione del segnale RF é: 3.3 microsecondi/km
Il tempo di bit della tramatura GSM sull'interfaccia Um é: 3.692 microsecondi
Se il mobile distanza 10 km dalla BTS il tempo di propazione di andata e ritorno é di 66 microsecondi corrispondenti a 18 bit!

Handover

Una delle caratteristica peculiari dei sistemi cellulari è la possibilità di mantenere attiva una comunicazione pur continuando a spostarsi liberamente nel territorio. Questa mobilità può causare la necessità di cambiare frequentemente cella di servizio oppure canale di trasmissione per continuare a garantire all'utente una buona qualità del segnale. Questa commutazione automatica senza interruzione nel collegamento è chiamato handover.

Esistono quattro tipi differenti di handover nel sistema GSM, che coinvolgono il trasferimento di una comunicazione tra:

• canali (o TDMA timeslot) diversi di una stessa cella, cioè di una stessa BTS;
• 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 timeslot di inattività, la stazione mobile sonda i canali di broadcast (Broadcast Control Channel) delle 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 co-canale, fuori dai naturali confini della cella a cui è agganciato (e quindi dentro ad una cella adiacente).

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.

I canali logici

Canali di segnalazione

Traffic CHannel (TCH)

I canali di traffico trasportano le informazioni di tipo fonia e dati generati dall'utente. Sono definiti in base a gruppi di 26 trame della durata di 120 ms. Di queste, 24 sono usate per trasportare il traffico, 1 per il SACCH e 1 è ancora inutilizzata. Possono essere di tipo:

• TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech
• TCH/FS: Full rate Speech
• TCH/HS: Half rate Speech
• TCH/F9.6: dati a 9.6 kbps (FR)
• TCH/F4.8: dati a 4.8 kbps (FR)
• TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR)
• TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR)

Struttura TDMA del canale TCH

Broadcast CHannels (BCH)

Sono canali che trasportano informazioni di interesse generale. Sono trasmessi in modo monodirezionale downlink (da BTS a MS) punto-multipunto.

Broadcast Control Channel (BCCH)
Per ciascuna cella trasporta informazioni a tutti gli utenti serviti da quella BTS. Trasmesso in continuazione e in modo downlink. E' costituito da 184 byte che trasportano numerosi parametri, tra i quali: l'identità della cella (Cell Identity), dell'area di localizzazione (Local Area Code), dell'operatore di rete (MCC e MNC), oltre ai parametri richiesti dall'algoritmo di Frequency-Hopping.

Frequency Correction Channel (FCCH) e Synchronization Channel (SCH)
Entrambi sono monodirezionali downlink. Il canale FCCH trasporta alla MS informazioni per la correzione di frequenza. Il canale SCH trasporta in 25 bit le informazioni per la sincronizzazione della stazione mobile attraverso un Reduced Frame Number di 19 bit (dai quali è possibile ricavare il FN di 22 bit) e l'identificazione della BTS attraverso il Base Station Identity Code (BSIC) di 6 bit. Ogni cella irradia un solo canale FCCH (trama 0) e un solo canale SCH (trama 1) nel time slot 0 della portante fondamentale (la stessa del canale BCCH).

Common Control CHannels (CCCH)

Canali che portano informazioni di controllo relativa ad una data connessione in una fase preliminare cui non corrisponde una associazione di un canale di sistema per la connessione. Sono monodirezionali ma non tutti downlink.

Paging Channel (PCH)
E' usato dalla BTS per segnalare ad un terminale mobile l'arrivo di una chiamata. Downlink in tutte le celle di una Location Area.

Random Access Channel (RACH)
Canale di uplink, ad accesso slotted-aloha, usato da un terminale mobile per richiedere l'accesso alla rete e rispondere alle chiamate e alle richieste della rete (ad es. ai location update).

Access Grant Channel (AGCH)
Canale downlink utilizzato dalla rete per rispondere ad una richiesta RACH allocando alla MS il canale richiesto.

Dedicated Control Channels (DCCH)

Canali assegnati ad una connessione per lo scambio di informazioni di segnalazione relative alla specifica connessione.

Slow Associated Control Channel (SACCH)
Trasporta informazione di segnalazione tra MS e rete all'interno di una comunicazione. Nella direzione downlink trasporta i messaggi di testo SMS (recapitati durante una chiamata), le informazioni sulle misurazioni effettuate dalla BTS (PwrLev, TimeAdv) e tutte le informazioni del BCCH che altrimenti andrebbero perse dalla MS che si è assestata sul proprio canale di traffico. Nella direzione uplink, invece, trasporta le misurazioni effettuate dalla MS (RxLevFull, RxLevSub, RxQualFull, RxQualSub e i parametri relativi alle Adjacent Cells) necessarie per un corretto link monitoring.

Fast Associated Control Channel (FACCH)
Utilizzato per trasmettere le segnalazione time-critical che non possono attendere di essere inserite nel canale SACCH. Ad esempio una segnalazione di handover. Viene mandato in modo asincrono "sopprimendo" l'informazione che avrebbe dovuto essere trasmessa.

Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH)
Canale assegnato ad una MS mediante una segnalazione sul canale AGCH in risposta ad una richiesta RACH accolta. E' utilizzato per il trasporto dei messaggi di testo SMS (in fase di standby) e per lo scambio delle segnalazioni durante la fasi di identificazione, di registrazione, di location update e di call-setup prima dell'assegnazione definitiva di un canale di traffico TCH. Quando non è combinato con altri canali è detto SDCCH/8.

Esistono poi dei canali "ibridi" che sono il risultato della combinazione di più canali di controllo:

• SDCCH/4: SDCCH combinato con CCCH
• SACCH/C8: SACCH combinato con SDCCH
• SACCH/C4: SACCH combinato con SDCCH/4

Cell Broadcast Control Channel (CBCH)
Il canale di Cell Broadcast viene usato solo in downlink per trasportare il cosiddetto SMSCB (Short message service Cell Broadcast). Viene implementato utilizzando lo stesso canale fisico degli SDCCH.

Mappatura canali logici su portante faro

Radio Link Failure

Nel caso in cui la qualità della connessione radio raggiunga un livello estremamente basso, il mobile può decidere di disconnettere. Il criterio del Radio Link Failure si basa sull'utilizzo di un contatore. Ogni qualvolta la MS non é in grado di decodificare correttamente il contenuto di un messaggio SACCH il contatore é decrementato di 1; in caso di successo invece questo é incrementato di 2 unità. Il contatore non può comunque superare il valore limite RADIO_LINK_TIMEOUT, trasmesso dalla BTS alla MS via BCCH. Quando il contatore raggiunge il valore di zero allora ci troviamo nella condizione di Radio Link Failure e viene attivata la procedura di disconnessione. Fino ad allora la MS si comporta in uplink in modo normale.

Random Access

Quando due mobili tentano di accedere contemporaneamente allo stesso slot del canale RACH, possono succedere due cose: il segnale ricevuto dalla BTS é significaticamente più alto per uno dei due burst, consentendo la sua corretta decodifica (in questo caso si parla di "cattura"), oppure non é possibile ricevere correttamente nessuno dei due. In questo caso entrambe le MT ritenteranno la trasmissione del burst dopo aver aspettato un certo intervallo di tempo.
Le collissioni e le conseguenti ritrasmissioni generano una perdita di messaggi ed aumentano il traffico sul canale radio rischiando di favorire una situazione di congestione. Per ovviare a ciò, nel sistema GSM sia il numero delle ritrasmissioni (MAX_RETRANS) che l'intervallo medio di tempo tra loro (TX_INTEGER) é controllato attraverso alcuni parametri trasmessi in broadcast sul canale BCCH.
TX_INTEGER può assumere valori da 3 a 50 slots, MAX_RETRANS da 1 a 7.

Access Class

Il metodo più efficace per evitare situazioni di congestione del canale RACH é basato sul concetto delle "classi di accesso" (Access class). In pratica consiste nello sbarrare l'accesso alle risorse di una cella ad una certa classe di utenti. Gli utenti sono divisi in 10 classi in base a criteri specifici per ciascun operatore. L'access class é memorizzata nella SIM e reso disponibile al mobile. In condizioni di congestione, il BSC può decidere di bloccare l'accesso alla cella, eccetto che per alcuni casi (ad es. per le chiamate di emergenza), ad una o più classi di utenti riducendo il carico di richieste. Il BSC può cambiare regolarmente le classi a cui é proibito l'accesso in modo da fornire a tutti gli utenti una possibilità per connettersi alla rete. Le informazioni sono trasmesse sul canale BCCH.
Onde evitare di bloccare categorie speciali di utenti, sono definite anche cinque "Very Important GSM Subscribers", che godono di un controllo dedicato a parte:

11. libera per le esigenze dell'operatore
12. servizi di sicurezza
13. servizi di pubblica utilità
14. servizi di emergenza
15. staff dell'operatore PLMN

Struttura del burst

Le informazioni da trasmettere vengono inserite nel time slot opportuno per mezzo di pacchetti, chiamati burst. Esistono quattro tipi differenti di burst:

• Normal burst, trasporta le informazioni utente (TCH) o di segnalazione (BCCH, SACCH, FACCH, SDCCH)
• Frequency correction burst (FB), utilizzato dal canale FCH
• Synchronization burst (SB), utilizzato dal canale SCH
• Access burst (AB), utilizzato dal canale RACH
• Dummy burst (DB), usato quando nessun altro canale richiede un burst da inviare. Non trasporta informazioni

I burst period FB e SB hanno la stessa lunghezza di un burst normale (156,25 bit) ma una differente struttura interna; il burst AB è invece più corto degli altri (88 bit).

Struttura del normal burst period

Il normal burst rappresenta l'unità fondamentale di riferimento per la struttura di una trama TDMA. I 156,25 bit sono trasmessi in 0,577 ms., quindi con una velocità media di 270.833 kbps. L'informazione è inserita il due blocchi (payload) da 57 bit a cui si aggiunge uno stealing flag per indicare se è il blocco contiene dati TCH oppure segnalazioni SACCH o FACCH. Le sequenze start e stop sono fissate a zero e servono a reinizializzare la memoria dell'equalizzatore di Viterbi. I 26 bit di training sequence rappresentano la sequenza utilizzata dall'equalizzatore per determinare i parametri dell'algoritmo di decodifica. Gli 8,25 bit finali non vengono effettivamente trasmessi, ma rappresentano un guard period durante il quale l'assenza di segnale consente un margine di sicurezza al fine di evitare sovrapposizioni tra burst appartenenti a time slot adiacenti (8,25 bit vengono trasmessi in 0,03046 ms. consentendo una composizione fino a 9 Km).

Struttura di tutti i burst period

Base Station Color Code

Il Base Station Identity Code è un codice di 6 cifre, diffuso nel SCH, che ha lo scopo di distinguere le frequenze beacon (sulla quale é irradiato il BCCH) di BTS diverse, nel caso in cui usino la stessa frequenza portante e le rispettive aree di copertura radio si sovrappongano, anche parzialmente.

Ad ogni BTS è associato un BSIC (base station identity code) definito come:

BSIC = NCC + BCC

dove:
NCC = Network Color Code
BCC = Base station Colour Code

Ad ogni cella è assegnato un BSIC, tra 64 valori. In ogni cella il relativo BSIC è diffusione in broadcast sul canale SCH ed allora è conosciuto da tutte le MSs che si sincronizzano con questa cella. La MS usa il BSIC per diversi scopi, cerca di evitare l'ambiguità o l'interferenza che possono presentare quando una MS in una data posizione può ricevere il segnale proveniente da due celle che usano la stessa portante BCCH. In modo di utilizzazione del BSIC é nei casi in cui la MS è fissata ad una delle celle. Altre utilizzazioni nei casi dove la MS è fissata ad una terza cella, solitamente in qualche luogo fra le due celle in questione. Il primo caso include: - i tre bit meno significativi del BSIC indicano quale delle 8 sequenze di addestramento sono inviate nei bursts trasmessi sul canali comuni del downlink della cella. Le sequenze differenti di addestramento permettono una trasmissione migliore in caso di interferenza. I tre bit meno significativi sono chiamati BCC (Base Station Color Code). Il BSIC è usato per modificare i bursts trasmessi dalle MS sui bursts di accesso.

Il secondo caso include: - in modo dedicato, la MS misura e segnala il livello che riceve su un certo numero di frequenze, corrispondente alle frequenze di BCCH delle celle vicine nella stessa rete della cella usata. Con il risultato della misura, la MS fornisce alla rete il BSIC che ha ricevuto sulla frequenza. Ciò permette alla rete di discriminare fra più celle che sembrano usare la stessa frequenza di BCCH. La distinzione non corretta potrebbe provocare handovers non vokuti. Il rapporto sulle misure è limitato a 6 celle contigue. È allora utile limitare le celle segnalate a quelle su cui é possibile eseguire handovers. A questo scopo, ogni cella fornisce una lista dei valori dei tre bit più significativi dei BSIC che sono assegnati alle celle, utili da considerare per gli handovers (solitamente a parte le celle di un altro PLMNs). Queste informazioni permettono alla MS di mettere da parte le celle con BSIC non conformi e di non segnalarle. Il gruppo dei tre bit più significativi del BSIC è chiamato il NCC (Network Color Code). Da notare che quando la MS é in idle, questa identifica una cella (per il cell reselection) in base all'identità CI inviata in broadcast sul BCCH e non in base al codice BSIC.

Controllo dinamico della potenza (Dynamic Power Control, DPC)

I terminali GSM sono suddivisi in cinque classi in base alla massima potenza con cui possono trasmettere sul canale radio (MSMaxTxPwr, Mobile Station Maximum Transmission Power), da un massimo non specificato ad un minimo di 0.8 Watt (i cellulari palmari odierni sono di classe 4). La seguente tabella riassume queste cinque classi.

CLASSE	MSMaxTxPwr 900 MHz	MSMaxTxPwr 1800 MHz	MSMaxTxPwr 1900 MHz
1	20 Watt (43 dBm)	1 Watt (30 dBm)	1 Watt (30 dBm)
2	8 Watt (39 dBm)	0.25 Watt (24 dBm)	0.25 Watt (24 dBm)
3	5 Watt (37 dBm)	4 Watt (36 dBm)	2 Watt (33 dBm)
4	2 Watt (33 dBm)
5	0.8 Watt (29 dBm)

Per minimizzare le interferenze tra canali attigui e risparmiare potenza, sia il terminale mobile sia la stazione base operano al valore minimo di potenza che assicura ancora un accettabile livello del segnale ricevuto (RxLev). La potenza di emissione sul canale radio può variare in modo dinamico su 32 livelli dal valore massimo per la classe di appartenenza ad un minimo di 5 dBm a step di 2 dB.

La MS misura l'intensità e la qualità del segnale, e trasferisce queste informazioni alla stazione base (attraverso il canale SACCH) che decide se e quando cambiare il livello di potenza. In particolare la BTS, tramite il parametro MSTxPwr, informa la MS della massima potenza che può utilizzare nella comunicazione (anche se quest'ultima potrebbe trasmettere a potenza maggiore). Ad esempio nelle zone urbane dove le celle sono piccole e ravvicinate MSTxPwr riporta solitamente 33 dBm (2 Watt) così da evitare che gli apparati con potenza superiore ai 2 Watt (ad es. i veicolari) trasmettano a pieno regime creando forti interferenze di cocanale.

Di seguito sono riassunte le tabelle riepilogative sui livelli, valori di potenza e kiri tolleranza. Si ricorda che se il livello di potenza corrisponde alla classe di potenza di un telefono cellulare, è comunque consentita una tolleranza pari a ± 2.0 dB.

GSM 900 - GSM 850 - GSM 400 MHz
Power control level	0-2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19-31
Nominal Output Power (dBm)	39	37	35	33	31	29	27	25	23	21	19	17	15	13	11	9	7	5
Nominal Output Power (Watt)	8.0	5	3.2	2.0	1.26	0.80	0.50	0.32	0.20	0.13	0.08	0.05	0.03	0.02
Tolerance (dB)	±2	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±5	±5	±5	±5

DCS 1800 MHz
Power control level	29	30	31	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15-28
Nominal Output Power (dBm)	36	34	32	30	28	26	24	22	20	18	16	14	12	10	8	6	4	2	0
Tolerance (dB)	±2	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±4	±4	±4	±4	±4	±5	±5

PCS 1900 MHz
Power control level	22..29	30	31	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16-21
Nominal Output Power (dBm)	reserved	33	32	30	28	26	24	22	20	18	16	14	12	10	8	6	4	2	0	reserved
Tolerance (dB)	reserved	±2	±2	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±3	±4	±4	±4	±4	±4	±5	reserved

Le richieste sul canale RACH vengono sempre effettuate dalle MS sfruttanto il massimo livello di potenza concesso in quella cella (MS_TXPWR_MAX_CCH irradiato sul BCCH). La MS può variare la propria potenza in trasmissione di un solo step per volta (+2dB oppure -2dB). L'informazione sul livello di potenza viene trasmesso sul canale SACCH, ricevuto dalla MS ogni 13 trame TDMA, circa 60 ms (4,6x13), quindi un salto di 15 livelli necessità di circa 900 ms (60x15) per essere eseguito.

Questo argomento è trattato nelle specifiche ETSI GSM 05.05 e 05.08.

Misure sul canale radio (Radio Link Measurement)

Misure sul canale radio vengono eseguite durante i processi di handover e power control. La misura è effettuata sulla multitrama SACCH. I risultati di questa operazione sono due indici RxLev che misura la potenza del segnale ricevuto, e RxQual che misura la qualità dello stesso.

Entrambi possono essere calcolati su un insieme completo di trame SACCH (100 per un canale TCH fullrate), ed in questo caso si parla di RxLevFull e RxQualFull, oppure su un sottoinsieme di 4 trame SACCH, in questo caso si parla di RxLevSub e RxQualSub.

RxLev

Il livello R.M.S. del segnale ricevuto, su una intera multitrama SACCH, può essere misurato dalla MS e dal BSS su un range tra -100 dBm e -48 dBm. Il livello del segnale misurato viene quindi mappato in un indice di 6 bit, detto RxLev, secondo l'associazione seguente.

RxLev	Livello R.M.S. segnale ricevuto
0	< -110 dBm
1	tra -110 dBm e -109 dBm
2	tra -109 dBm e -108 dBm
3	tra -108 dBm e -107 dBm
. .	. .
62	tra -49 dBm e -48 dBm
63	> 48 dBm

RxQual

La qualità del segnale ricevuto si può esprimere per mezzo di una parametro che tenga conto del BER medio, cioè del Bit Error Rate, prima della decodifica di canale (in modo da non sommarvi gli errori dovuti alla decodifica stessa) e misurato su una multitrama SACCH.

BER =

Numero bit errati Numero totale bit trasmessi

Il BER è mappato nell'indice RxQual di 3 bit secondo l'associazione della tabella seguente. Ad ogni valore di RxQual è associato un BER medio presunto (BER assumed value).

RxQual	BER misurato	BER assumed value
0	< 0.2%	0.14%
1	tra 0.2% e 0.4%	0.28%
2	tra 0.4% e 0.8%	0.57%
3	tra 0.8& e 1.6%	1.13%
4	tra 1.6% e 3.2%	2.26%
5	tra 3.2% e 6.4%	4.53%
6	tra 6.4% e 12.8%	9.05%
7	> 12.8%	18.10%

Il codificatore vocale

Dato che il GSM è un sistema digitale, la voce, che è interamente analogica, deve essere digitalizzata. Poiché il sistema veniva a inserirsi in una struttura di rete fissa in parte preesistente (ISDN e sistemi telefonici ad alta velocità e su fibra ottica) il metodo scelto doveva essere compatibile con la modulazione PCM (Pulse Coded Modulation) da essi utilizzata. Però questa produce una sequenza digitale in uscita a 64 kbps, troppo veloce per essere trasmessa via radio.

Dato che il segnale vocale contiene una grande ridondanza, si sono studiati diversi algoritmi di codifica del segnale audio per ottimizzare la qualità del servizio e la complessità realizzativa (in termini di costi di implementazione, potenza elettrica assorbita e tempi di ritardo per la compressione). I prerequisiti erano: suono di alta qualità con bit rate al di sotto dei 16 kbps, campionamento alla frequenza di Nyquist di 8 kHz, protezione contro gli errori fino anche in presenza di un tasso dell'1%, ritardo di codifica e decodifica complessivo al di sotto dei 65 ms. (per non introdurre eccessivi echi nella rete).

Dopo accurati studi, la struttura scelta è stata quella di un codificatore a tre stadi LPC-LTP-RPE (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder - Long Term Predictor loop) in grado di fornire una qualità di poco inferiore a quella dello standard PCM e superiore a quella media dei sistemi telefonici cellulari analogici con solo 13 kbps. Tale codificatore è in grado di sfruttare sia le correlazioni di breve periodo tra campioni successivi del segnale vocale (filtro LPC), sia quelle tra segmenti di parlato adiacenti (filtro LTP).

Il sistema di funzionamento si basa sulla predizione dei campioni attuali dalle informazioni contenute nei campioni precedenti. La differenza tra il campione predetto e quello vero rappresenta il segnale da trasmettere. La voce è divisa in campioni di 20 ms., ognuno dei quali è codificato in blocchi di 260 bit, per una velocità di 13 kbps.

Codec/Decodec

Il CODEC riceve in ingresso un segnale analogico in banda base. Per prima cosa il segnale é filtrato per limitarne con precisione la massima frequenza, e poi passato al blocco campionatore. Il campionatore preleva ad intervalli successivi e regolari (con frequenza f_c) un campione del segnale in ingresso producendo in uscita una sequenza di campioni del segnale, ciascuno separato dal precedente di un tempo pari a T_c (con Tc_c=1/f_c). Se la frequenza f_c di campionamento è almeno doppia della frequenza massima del segnale da campionare, in ricezione, partendo proprio dal segnale campionato, è possibile ricostruire un segnale proporzionale a quello originariamente in ingresso al campionatore.

Ogni campione viene quindi codificato in un numero adeguato di bit, numero sufficiente ad esprimere il valore massimo che un campione può assumere. La sequenza prodotta viene infine compressa sfruttando opportuni algoritmi per ridurne la lunghezza.

Il DECODED svolge la funzione inversa, partendo dalla sequenza di bit prodotti dal CODEC ricostruisce il segnale analogico originario. La sequenza prima viene espansa, quindi decodificata ed infine passata al blocco interpolatore che produce in uscita un segnale analogico proporzionale al segnale originario, prima del passaggio per il CODEC. Tranne il casi molto particolari il campione ricostruito in ricezione differisce di una certa quantità dal campione che si aveva in ingresso al codificatore. Infatti il processo di codifica e decodifica introduce normalmente un errore sui campioni ricostruiti, noto come errore di quantizzazione.

Lo schema a blocchi sotto riportato riassume il funzionamento di un CODEC e di un DECODEC.

Diagramma a blocchi di un CODEC/DECODEC

Enhanced Full Rate (EFR)

La modalità Enhanced Full Rate permette di ottenere una qualità del segnale audio superiore a quella usualmente offerta dal normale protocollo GSM. Ciò è ottenuto grazie all'utilizzo della nuova tecnologia di compressione dei dati Algebraic Code Excitation Linear Prediction. ASELP riesce, nello stesso numero di bit utilizzati dalla modalità LPC-RPE (Linear Prediction Coding with Regular Pulse Excitation), a migliorare la qualità della voce. Il risultato tangibile è un miglioramento nella qualità della conversazione, che in teoria potrebbe avvicinarsi a quella offerta dalla rete fissa.

Come contropartita la conversazione in EFR in situazioni di BER elevato risulta più frammentata rispetto al classico FR. Una stessa sequenza di bit originale da luogo ad una sequenza compressa in modalità EFR più corta rispetto al caso FR proprio per la maggiore compressione utilizzata. I bit errati hanno così un peso maggiore.
Per approfondimenti: Mini-FAQ su Enhanced Full Rate.

Half Rate (HR)

La codifica Half Rate, come dice la parola stessa, permette di inviare un stesso segnale sfruttando solo metà della banda disponibile portando la codifica a soli 6.5 kbps. HR consente così di raddoppiare i canali di traffico sfruttabili per le conversazioni, con enormi vantaggi nel caso di congestione della rete. Una felice conseguenza del minore bit rate utilizzato è un risparmio considerevole della batteria del terminale, con un incremento di autonomia di quasi un 50% in conversazione. Il pegno da pagare è per; una riduzione della qualità del segnale audio.

Modulazione

Nei sistemi radiomobili la tecnica di modulazione deve offrire un buon compromesso tra efficienza spettrale, complessità del trasmettitore e limitazione delle emissioni spurie. La complessità del trasmettitore è strettamente legata alla potenza assorbita che dovrebbe essere la minima possibile per un terminale mobile. E' poi fondamentale limitare le emissioni spurie fuori banda per limitare le interferenze con i canali adiacenti.

La modulazione digitale più comune, FSK (Frequency Shift Keying), trasmette i simboli variando la frequenza della modulante: al simbolo 0 corrisponde una precisa frequenza f₀, al simbolo 1 una differente frequenza f₁. Nella transizione da f₀ a f₁ o viceversa si possono generare dei salti di fase che provocano una discontinuità del segnale con conseguente allargamento dello spettro in frequenza utilizzato. Proprio questo allargamento della banda rende la modulazione FSK non adatta alle trasmissioni radiomobili.

Si rende necessario allora ricorrere ad una tecnica che garantisca la continuità di fase nel passaggio da un simbolo ad un altro. La modulazione scelta per il sistema GSM e che soddisfa questo requisito è la GMSK (Gaussian-filtered Minimum Shift Keying). GMSK deriva dalla modulazione MSK (Minimum Shift Keying) con l'introduzione di un filtro passa basso di premodulazione che riduce ulteriormente la componente fuori banda (lobi laterali). La modulazione GMSK offre i seguenti vantaggi:

• inviluppo costate
• spettro compatto
• interferenza tra canali adiacenti molto ridotte anche senza utilizzare filtri dopo la modulazione.

Equalizzazione

A 900 MHz, le onde radio rimbalzano ovunque, palazzi, macchine, aeroplani, etc. Così una antenna può captare molti segnali riflessi, ognuno con una fase differente. L'equalizzazione è usata per separare il segnale desiderato dalle riflessioni spurie. Per questo un segnale conosciuto viene sempre trasmesso nei 26 bit riservati appositamente in ogni burst period. Così l'equalizzatore può cercare di scoprire come il segnale è stato modificato dal percorso, e quindi costruire un filtro inverso per estrarre la parte del segnale desiderata.

Trasmissione discontinua (DTX)

Nel corso di una normale conversazione, la comunicazione in una direzione può occupare meno del 50% del tempo totale. Per il resto il trasmettitore continuerebbe a codificare e inviare il rumore di fondo. La trasmissione discontinua DTX (Discontinuous Transmission) sfrutta questo risultato disattivando la trasmissione durante i periodi di silenzio. Si ottiene così di minimizzare le interferenze di co-canale e di risparmiare potenza. Questa funzione è implementata "obbligatoriamente" nelle MS.

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.

Un apposito bit nel burst period del canale BCCH è riservato al DTX. Impostato ad 1 notifica alla MS che la rete implementa il servizio di trasmissione discontinua.

Ricezione discontinua (DRX)

Un altro metodo per risparmiare la potenza dell'unità mobile è la ricezione discontinua. Il canale di paging, usato dalla stazione base per segnalare l'arrivo di una chiamata, è strutturato in sotto-canali. Ogni unità mobile basta che monitori solo il proprio sotto-canale. Nell'intervallo di tempo tra due paging successivi, il terminale può andare in sleep mode, senza assorbire potenza; si può arrivare ad un risparmio in stand-by fino al 90%.

Il valore di DRX della rete è inviato in modo broadcast sul canale BCCH, ed è talvolta indicato con la sigla BS_PA_MFRM (Base Station-PAging-MultiFRaMe). E' un numero di 4 bit che esprime la distanza tra due messaggi di paging successivi sul canale PCH in multipli di 51 trame (Multiframe). Ogni Multiframe ha una durata di 235.4 ms., quindi un valore di DRX pari a 4 indica che i messaggi di paging verso una MS si susseguono ogni 235.4x4=941,6 ms.; con DRX pari a 9 si susseguono ogni 235.4x9=2118.6 ms.