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Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza fisso-mobile ed i servizi La Storia nel Futuro a Torino Politecnico di Torino, 27 maggio 2008 Pietro.

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1 Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza fisso-mobile ed i servizi La Storia nel Futuro a Torino Politecnico di Torino, 27 maggio 2008 Pietro Porzio Giusto

2 2 Comunicazioni personali e infomobilità Sommario Affinché i servizi abbiano successo occorre che: –soddisfino bisogni profondamente sentiti –rispondano a desideri reali –abbiano prezzi abbordabili Levoluzione tecnologica offre tecniche sempre più sofisticate, che migliorano le prestazioni e riducono i costi Le tecniche che si applicano richiedono competenze teoriche e specialistiche sempre più profonde, per le quali occorre una preparazione di base solida e aperta allinnovazione Per gli utenti la distinzione fra rete fissa e rete mobile è sempre meno comprensibile, ma la struttura dei costi dei due tipi di rete è diversa e occorre trovare una conciliazione delle tariffe per arrivare a uneffettiva convergenza fisso-mobile

3 3 Comunicazioni personali e infomobilità Servizi e sviluppi da perseguire

4 4 Comunicazioni personali e infomobilità Servizi Fonia Trasmissione di testi –SMS –chat – Accesso ad Internet Trasferimento di file Trasmissione di immagini –MMS –videotelefonia Intrattenimento –giochi –radio –televisione Telepresenza Immersiva Virtuale: solo con telecomunicazioni fisse? Servizi di infomobilità

5 5 Comunicazioni personali e infomobilità I servizi di infomobilità Gestione di flotte di veicoli e del trasporto merci Pagamento automatico dei pedaggi Controllo del veicolo e navigazione Protezione dei veicoli (antifurti) (LBS) Location Based Services: servizi e informazioni correlate al luogo in cui il viaggiatore si trova (allertamenti e notizie su ingorghi, mezzi di trasporto pubblici, farmacie, ristoranti, alberghi, pubblicità, giochi,...) Gestione delle emergenze e degli incidenti; eCall (Emergency Call) I servizi di infomobilità immaginabili sono numerosi. Pochi richiedono bande di trasmissione larghe.

6 6 Comunicazioni personali e infomobilità Gli argomenti di studio e di sviluppo individuare i servizi che possono soddisfare bisogni sentiti progettare prodotti confacenti con i desideri reali dei potenziali clienti verificare che i potenziali clienti si potranno permettere ciò che si intende proporre al tempo in cui il prodotto sarà immesso sul mercato ottimizzare la tecnologia Fra i servizi già sperimentati, alcuni hanno avuto successo, altri hanno fatto fiasco. Per stabilire su quali ricerche e su quali sviluppi conviene investire occorre:

7 7 Comunicazioni personali e infomobilità Levoluzione delle reti per comunicazioni personali

8 8 Comunicazioni personali e infomobilità La crescita della banda di trasmissione Sistema Bit rate di picco teorica (kbit/s) Efficienza di trasmissione (Bit/s/Hz) Efficienza cellulare (Bit/s/Hz /cella) DownlinkUplink TACS2,4 0,10,005 GPRS (4+1 time slot)57,614,40,580,064 EDGE (4+1 time slot)237592,370,13 UMTS384 0,46 HSPA (attuale) ,39 WiMax (TDD, 5 MHz) ,820,45 HSPA evolved ,25 LTE (20 MHz) ,75 I valori della tabella sono indicativi e per condizioni ideali di utilizzo

9 9 Comunicazioni personali e infomobilità Due motivi per la crescita della banda di trasmissione a)Fornire servizi a larga banda e migliorare la qualità percepita dagli utenti (tempi di risposta della rete, interattività) b)Ridurre i costi di rete (numero di ricetrasmettitori, branching) TX 1TX 2TX 3 TX 4 TX n RX 1RX 2RX 3 RX 4 RX n Sistema di branching...

10 10 Comunicazioni personali e infomobilità La Core Network Cresce il numero di servizi di telecomunicazioni basati sullIP Con lIP si possono impiantare su una base comune i protocolli di tutti i servizi e rendere semplice e flessibile la gestione delle reti LIP consente generalmente di ridurre i costi di rete Si possono applicare tecniche ROHC ( Robust Header Compression ) che rendono accettabile luso dellIP anche per la voce sullinterfaccia radio Le nuove reti mobili (WiMax, LTE) sono completamente basate sullIP (IPv6)

11 11 Comunicazioni personali e infomobilità Tecniche radio Tecniche di accesso: –FDMA (Frequency Division Multiple Access) –TDMA (Time Division Multiple Access) –CDMA (Code Division Multiple Access)Code Division Multiple Access –OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)Orthogonal Frequency Division Multiple Access –SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)Single Carrier-Frequency Division Multiple Access Modulazioni fino a 64 stati (64QAM) Codificazioni per la rivelazione e la correzione degli errori di trasmissione (codici convoluzionali, turbo codici,...) Adattatività di modulazione e codificazione HARQ ( Hybrid-Automatic Repeat reQuest ) e soft combining Hybrid-Automatic Repeat reQuest Sistemi dantenna MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) Multiple Input Multiple Output Multiuser Detection ( Joint Detection- Interference Cancellation )

12 12 Comunicazioni personali e infomobilità Propagazione e antenne

13 13 Comunicazioni personali e infomobilità I cammini multipli di propagazione

14 14 Comunicazioni personali e infomobilità La variabilità del canale radio La rapidità delle evoluzioni del canale può essere dellordine del tempo che il terminale impiega per percorrere una distanza pari un quarto della lunghezza donda della portante radio (la rapidità di adattamento dei ricevitori è cruciale) Gli errori di trasmissione capitano tendenzialmente a folate Ampiezza della funzione di trasferimento del canale Frequenza Canale radio I cammini multipli di propagazione creano forti distorsioni della funzione di trasferimento del canale radio.cammini multipli Le distorsioni mutano con il movimento del terminale e degli oggetti circostanti

15 15 Comunicazioni personali e infomobilità Sistemi dantenna MIMO (Multiple-Input/Multiple-Output) Banda base R 1 = T 1 H 11 + T 2 H 21 R 2 = T 1 H 12 + T 2 H 22 TX1TX2RX1 RX2 H 11 H 21 H 22 H 12 Inviando appositi segnali pilota si stimano le funzioni di trasferimento H xy e, risolvendo il sistema di equazioni, si ricavano i segnali T 1 e T 2 : sul canale radio distorcente si trasmettono più segnali

16 16 Comunicazioni personali e infomobilità Principi dellHARQ (Hybrid-Automatic Retransmission reQuest) a)Linformazione da trasmettere è suddivisa in blocchi e ogni blocco è codificato con un a codifica molto robusta e ridondate b)Il blocco codificato è suddiviso in sottoblocchi, il primo dei quali contiene il codice madre e un minimo di ridondanza per la rivelazione degli errori di trasmissione. c)Sul canale si trasmette il primo sottoblocco da cui il ricevitore tenta il recupero dellinformazione; in caso di decodificazione corretta, linformazione risulta trasmessa con la massima efficienza d)Se gli errori di trasmissione impediscono di estrarre linformazione, il ricevitore chiede la trasmissione di un altro sottoblocco e tenta il recupero dellinformazione combinando ciò che ha ricevuto fino al momento (ridondanza incrementale) e)Si ripete il punto d), anche con la ritrasmissione di sottoblocchi già trasmessi, finché la decodifica non ha successo o finché non si supera un limite massimo di trasmissioni di sottoblocchi

17 17 Comunicazioni personali e infomobilità IL DS-CDMA (Direct Sequence – Code Division Multiple Access)

18 18 Comunicazioni personali e infomobilità Generazione di un segnale CDMA AxB: segnale codificato A: bit di modulazione bit chip B: codice di spreading

19 19 Comunicazioni personali e infomobilità Ricezione di un segnale CDMA A: prodotto AxB B: clodice di spreading C: segnale ricevuto D: codice di spreading ortogonale AxD: valor medio nullo

20 20 Comunicazioni personali e infomobilità Codici ortogonali A B C D AB x Il prodotto di ogni elemento per ciascuno degli altri ha valor medio nullo AC x AD x

21 21 Comunicazioni personali e infomobilità Sovrapposizione e trasmissione (I) Segnale n Codice n Segnale 1 Codice 1 Segnale 2 Codice 2 Sommatore Dalla base ai terminali Segnale x Codice x

22 22 Comunicazioni personali e infomobilità Sovrapposizione e trasmissione (II) Segnale x Codice x Dai terminali alla base Segnale 1 Codice 1 Segnale 2 Codice 2 Segnale n Codice n

23 23 Comunicazioni personali e infomobilità Il ricevitore a rastrello Ritardo Somma Codice x Coeff. 1 Codice x Coeff. 2 Codice x Coeff. 3 Ritardo Segnale decodificato ed equalizzato Per velocità di bit e di chip elevate il ricevitore Rake comporta un rilevante carico elaborativo

24 24 Comunicazioni personali e infomobilità Il CDMA entra nei sistemi cellulari 1978: prima idea di utilizzare il CDMA per sistemi cellulari (Cooper e Nettleton) 1985:fondazione della Qualcomm (QUALity COMMunication) da parte di Jacbos, Viterbi e altri 1989: la Qualcomm fa una prima dimostrazione del CDMA per sistemi cellulari 1989:lEuropa inizia gli studi sulla 3G con il COST 231, considerando lalternativa fra TDMA e CDMA. In una riunione del 1991 Viterbi presenta il CDMA 1992: avvio del programma europeo di ricerche RACE II, con studi sul CDMA e il TDMA 1992:In ambito ETSI/SMG (Special Mobile Group) si costituisce il gruppo SMG5 per la standardizzazione di un sistema cellulare di terza generazione 1992: la DoCoMo inizia gli studi sul CDMA

25 25 Comunicazioni personali e infomobilità Il primo sistema CDMA 1993: completamento dello standard IS-95 (cdmaOne) 1995: Hutchison Telecom lancia commercialmente a Hong Kong la prima rete cdmaOne Canalizzazione 1,25 MHz Cip rate 1,2288 Mchip/s Spreading code 64 chip Modulation rate 19,2 kbit/s Data Rate 14,4 kbit/s Caratteristiche del cdmaOne

26 26 Comunicazioni personali e infomobilità Lavvio dello standard UMTS 1996: la DoCoMo sperimenta il CDMA a 2 Mbit/s Nel frattempo in Europa vi era stata la liberalizzazione dei servizi mobili e gli operatori avevano drasticamente ridotto gli investimenti in ricerca, cosicché gli studi sulla 3G erano passati quasi completamente nelle mani delle manifatturiere. Si costituirono due campi contrapposti sulla tecnica di accesso, simboleggiate dal modo di combinare i due versi di trasmissione: FDD (Frequency Division Duplex) TDD (Time Division Duplex) 1997:MoU fra TIM e NTT DoCoMo, la prima posizione di un operatore europeo a favore del CDMA

27 27 Comunicazioni personali e infomobilità Gli standard del 3GPP e del 3GPP2 3GPP3GPP2 WCDMA (Wideband-CDMA) TD-CDMA (Time Division-CDMA; inutilizzato) TD-SCDMA (Time Division-Synchronous CDMA, lo standard cinese, per ora non utilizzato) cdma2000 1x (per canali da 1,25 MHz) cdma2000 3x (3 canali 1x in parallelo; inutilizzato) cdma2000 1xEV-DO (EVolution-Data Optimized) cdma2000 1xEV-DV (EVolution-Data and Voice)

28 28 Comunicazioni personali e infomobilità Scrambling Schema semplificato del trasmettitore di una stazione base Codifica della voce Codifica per la correzione degli errori di trasmissione Interleaving (Disordinamento) Sequenza pseudocasuale Inserzione della regolazione della potenza di trasmissione del mobile Codici ortogonali Codice di identificazione della cella Spreading Modulatore

29 29 Comunicazioni personali e infomobilità Linterleaving A parità delle altre condizioni (tasso di errore medio, quantità di ridondanza, tempo di osservazione, ecc.), le codifiche sono tanto più efficaci quanto più gli errori sono distribuiti uniformemente nel tempo Per sparpagliare gli errori che capitano a folate si usa linterleaving, ovvero il disordinamento dei bit prima della trasmissione con il corrispettivo riordinamento dopo la ricezione Linterleaving è semplice e poco costoso, ma comporta un ritardo di trasmissione, perciò deve essere limitato in profondità per i servizi conversazionali

30 30 Comunicazioni personali e infomobilità Canali fondamentali delle stazioni Pilota (acquisizione iniziale) Sincronismo (aggancio e sincronizzazione dei terminali sui segnali delle stazioni) Paging (chiamate ai terminali) Controllo (gestione delle risorse) Traffico (voce e dati)

31 31 Comunicazioni personali e infomobilità Canali fondamentali dei terminali Accesso (richiesta del terminale di un canale di comunicazioni) Controllo (gestione delle risorse) Traffico (voce e dati)

32 32 Comunicazioni personali e infomobilità Il Soft Handover Nei sistemi CDMA celle adiacenti possono utilizzare le stesse frequenze, cosicché, nel passaggio da una cella ad unaltra, il terminale, con un solo ricetrasmettitore dotato di più correlatori, può stabilire connessioni con più stazioni contemporaneamente ed attuare un soft handover Affinché il terminale possa combinare i segnali di più stazioni occorre che ci sia un certo allineamento (sincronizzazione) fra tali segnali –nel cdma2000 le stazioni sono sincronizzate mediante i riferimenti temporali del GPS (Global Positioning System) –nel WCDMA il mobile misura la differenza fra i tempi di arrivo dei segnali, riporta la misura alla stazione base, e la rete provvede allallineamento fra i segnali trasmessi verso il terminale

33 33 Comunicazioni personali e infomobilità LOFDMA e lSC-FDMA

34 34 Comunicazioni personali e infomobilità IL principio dellOFDM Suddivi- sione in N flussi in parallelo Flusso numerico da trasmettere Modulazione su f1Modulazione su f2Modulazione su f3Modulazione su f N Sommatore Frequenza Spettro di frequenza del segnale OFDM f2 f1f1 f3f3 f4 fNfN

35 35 Comunicazioni personali e infomobilità La variabilità del canale OFDM Ampiezza della funzione di trasferimento del canale Frequenza Canale radio Sugli segnali a banda stretta componenti il segnale OFDM i cammini multipli di propagazione non creano distorsioni significative ma solo variazioni di ampiezza Inseguire variazioni di ampiezza è molto più facile che equalizzare distorsioni a banda larga, ma generare e demodulare in parallelo centinaia o migliaia di canali, anche se sono a banda stretta, implica pesanti carichi elaborativi

36 36 Comunicazioni personali e infomobilità Schema di trasmettitore OFDM Convertitore serie/parallelo Associazione degli N sotto- simboli a N sottoportanti Campioni complessi che rappresentano le sottoportanti modulate (dominio della frequenza) N campioni complessi che rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo N sottosimboli di k i bit (il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo). Il numero di bit del simbolo OFDM è M = k i Trasformata inversa di Fourier Aggiunta del prefisso ciclico Convertitore digitale/ analogico Traslazione di frequenza Flusso binario da trasmettere (°) Il numero di bit può essere diverso da sottosimbolo a sottosimbolo

37 37 Comunicazioni personali e infomobilità Schema di trasmettitore SC-FDMA Costellazione per portante singola Conv. serie/ parall. N campioni complessi che rappresentano N sottoportanti modulate (dominio della frequenza) N campioni complessi che rappresentano il segnale nel dominio del tempo entro un periodo di simbolo N sotto- simboli di k bit ciascuno Trasformata inversa di Fourier Aggiunta del prefisso ciclico Convertitore digitale/ analogico Traslazione di frequenza Flusso binario da trasmettere Trasformata di Fourier Associazione a N sotto- portanti OFDM

38 38 Comunicazioni personali e infomobilità Associazione delle componenti SC-FDMA alle sottoportanti OFDM Frequenza Associazione a gruppi di sottoportanti contigue Utente aUtente b Utente cUtente d Frequenza Associazione a sottoportanti uniformemente distribuite Utente aUtente b Utente cUtente d

39 39 Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza fisso-mobile dal punto di vista di costi e tariffe

40 40 Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza: che cosa vorrebbe lutente? Un solo telefonino personale da tenere sempre con sé, con i propri menu personalizzati, rubrica, agenda, memoria per messaggi, foto, musica,... Un PC portatile con la disponibilità di connessione ad alta velocità ovunque Prezzi abbordabili Buona qualità delle comunicazioni Sicurezza Semplicità di utilizzo Ma cè una divergenza fra le reti

41 41 Comunicazioni personali e infomobilità Escluso il costo della terminazione (dove si applica), investimenti e costi operativi sono largamente indipendenti dalluso I costi della rete fissa Linea fissa di accesso: costi indipendenti dalluso Linea fissa di accesso: costi indipendenti dalluso, eccetto la terminazione della telefonia Trasporto: costi lievi Rete locale Rete di trasporto Rete locale

42 42 Comunicazioni personali e infomobilità Trasmissione dati sulla rete fissa A chi invia non cè bisogno di far pagare i costi della consegna né per cose di valore né per cose fastidiose (virus compresi) Tariffe flat con uso illimitato Costi indipendenti dalluso Percezione di gratuità della trasmissione di qualunque cosa, del download (volontario) di qualunque cosa e della ricezione (volontaria o no) di qualunque cosa

43 43 Comunicazioni personali e infomobilità I costi della rete Mobile Rete locale Collegamento radio condiviso: costi dipendenti dalluso Trasporto: costi lievi Rete di trasporto Investimenti e costi operativi dipendono dalluso Collegamento radio condiviso: costi dipendenti dalluso

44 44 Comunicazioni personali e infomobilità La convergenza fisso-mobile richiede una conciliazione dei piani tariffari Trasmissione dati sulla rete mobile Preoccupazione dellutente Tariffe a consumo con conteggio della quantità di byte che si trasmettono e che si ricevono Canone mensile con limite sulla quantità di byte che si trasmettono e che si ricevono Canone mensile con limite delle ore di connessione, in cui si cumula anche il tempo che si impiega per ricevere Se i costi dipendono dalluso non si possono offrire tariffe con uso illimitato

45 45 Comunicazioni personali e infomobilità Note finali

46 46 Comunicazioni personali e infomobilità Tecnologie critiche Fonti di alimentazione elettrica Amplificatori di potenza lineari Filtraggi a radiofrequenza Circuiti integrati (velocità di elaborazione e consumi bassi) SDR (Software Defined Radio) Tecniche per la sicurezza (virus, clonazioni) e la riservatezza (intercettazioni)

47 47 Comunicazioni personali e infomobilità Commenti Le comunicazioni personali, con nuovi servizi ed in particolare con i servizi di infomobilità, prospettano ancora di importanti sviluppi Dal punto di vista dellutente è altamente auspicabile laconvergenza fisso-mobile, ma vi sono problemi tariffari da risolvere Alcuni aspetti critici riguardano le tecnologie, che diventano sempre più sofisticate; esse richiedono una solida preparazione di base insieme con approfondimenti specialistici mirati I progressi tecnologici combinati con le economie di scala faranno ridurre i costi e daranno agli operatori più flessibilità sulle tariffazioni


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