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Tecnologia UMTS

1. Il Sistema UMTS

Il sistema UTMS (Universal Mobile Telecommunication System), è un sistema di telecomunicazione radiomobile di “terza generazione (3G)”, e in questa pagina per tale sistema verrano descritte le principali caratteristiche. Attualmente, il sistema UMTS, ormai caratterizzato da standard quasi mondiali che definiscono le principali proprietà, è in una fase di sviluppo tale, grazie al lancio commerciale in Europa di alcuni gestori, da permettere di poter usufruire dei servizi offerti dalla nuova tecnologia con un’affidabilità pari a sistemi globalmente diffusi, quali il GSM e il GPRS.

Un Sistema Radiomobile è un sistema che permette una connessione tra due terminali, di cui almeno uno può essere in movimento. E’ possibile, per l’utente, eseguire e ricevere chiamate in qualunque zona coperta dal sistema stesso con un elevato grado di qualità. La copertura dell’area da parte della rete radiomobile è effettuata attraverso dei punti d’accesso chiamati Stazioni Radio Base (SRB). Ogni SRB può fornire l’accesso alla stazione mobile se è possibile instaurare un collegamento radio con il mobile stesso e se è disponibile almeno un canale radio libero. I primi sistemi radiomobili (anni ‘20 - ’30) facevano uso delle frequenze più basse dello spettro radioelettrico, trasmettendo nella gamma MF (Media Frequenza: 0.3 ÷ 3 MHz).

L’incremento della conoscenza dei fenomeni elettromagnetici e l’evoluzione della tecnologia hanno permesso di utilizzare una sempre più ampia porzione dello spettro, potendo così passare alle gamme di frequenza superiori, giungendo oggi all’uso della banda UHF (300 MHz ÷ 3 GHz) e delle Microonde.

Negli Stati Uniti, in Giappone, e in Europa sono introdotti i primi sistemi commerciali (come AMPS, TACS e NMT). Tutti questi sistemi sono basati su tecniche d’accesso e d’accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA – Frequency Division Multiple Access) (FDD – Frequency Division Duplex). Con questa tecnica è assegnata una determinata frequenza per le trasmissioni verso la SRB (Uplink), ed una frequenza diversa per le trasmissioni verso il terminale mobile (Downlink). Trasportando esclusivamente servizi voce, la modulazione utilizzata era di tipo analogico (FM) e la banda utilizzata per ciascun canale era di circa 30 KHz.

I problemi che questi sistemi incontravano erano prevalentemente dovuti ad effetti di fading (effetto di evanescenza del segnale) e d’interferenza tra gli altri utenti, i quali erano risolti con la trasmissione del segnale a potenze relativamente alte, e con il riutilizzo delle stesse frequenze nelle celle non adiacenti. Le difficoltà incontrate nei sistemi della prima generazione hanno fatto crescere l'interesse per lo sviluppo dei sistemi di seconda generazione.

Con questi sistemi è introdotto l'uso delle tecniche digitali per la trasmissione del segnale, abbinando alle tecniche di codifica della voce anche sistemi per la correzione d’errore e la sicurezza nelle comunicazioni.

Ecco quindi che intorno agli anni '90 si affaccia sul mercato la seconda generazione (2G)dei sistemi per telefonia mobile: GSM, D-AMPS, PCS e PDC. Utilizzando tecniche digitali di modulazione s’introducono i vantaggi di una maggiore efficienza spettrale e la possibilità di combinare le trasmissioni dati insieme alle trasmissioni di tipo vocale. I primi sistemi sviluppati negli Stati Uniti utilizzavano tecniche d’accesso a divisione di tempo (TDMA- Time Division Multiple Access), dove ciascuna portante di 30 KHz era divisa in tre Time-Slot, e ciascuno di questi costituiva un canale d’utente.

In Europa era standardizzato il GSM che, utilizzando tecniche di modulazione GMSK, consente di dividere una portante di 200 KHz in 8 Time Slot, con conseguente aumento degli utenti che possono essere connessi contemporaneamente con una sola cella. Per far fronte alle esigenze di maggiori velocità nella trasmissione dati, in questi anni la seconda generazione si è evoluta verso la generazione 2,5. Un esempio è l'introduzione del GPRS sulle reti GSM, il quale consente una maggiore velocità di trasmissione dati, e una più vasta gamma di servizi offerti (Packet Data).

Con questo sistema è ora possibile realizzare delle trasmissioni dati fino a 171 Kbit/s in modalità Always On (sempre connesso). Questo è reso possibile dalla possibilità di adattare il traffico di tipo Packet Data Switched sull’attuale rete GSM, che per sua natura è di tipo Circuit Data Switched. La differenza consiste nel fatto che, rispetto al sistema GSM tradizionale, un collegamento dati GPRS utilizza le risorse di rete solamente quando i dati sono effettivamente trasmessi, ed un utente potrà quindi avere tariffe più orientate verso la quantità dei dati trasmessi indipendentemente dal tempo effettivo della connessione.

Nel 1992 la WARC (World Administrative Radio Conference) ha individuato la banda dei 2 GHz per l'utilizzo dei sistemi della terza generazione, e dal 1997 i sistemi che vi operano sono standardizzati da uno specifico gruppo di lavoro in ambito ITU prendendo il nome di IMT-2000.

UMTS è il nome dei sistemi di terza generazione. Le bande utilizzate nei vari paesi sono pressoché le stesse, ma l'idea originale di realizzare un’unica interfaccia radio standardizzata a livello mondiale non ha avuto seguito, pertanto, anche se i sistemi di questa generazione presentano in ogni caso molte similitudini, più che uno standard, l’IMT-2000, è da considerarsi come una famiglia di sistemi alla quale l’UMTS appartiene.

Le bande individuate dal WARC verranno utilizzate in Europa e in Asia con tecniche W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) e TD-CDMA (Time Division -Code Division Multiple Access), mentre negli USA queste bande sono già utilizzate dal sistema PCS, pertanto gli operatori dovranno condividere con questo sistema le risorse radio disponibili. L’UMTS inizialmente è standardizzato in Europa dall’ETSI fino al 1998, poi nasce il 3GPP (3^rd Generation Partnership Project), associazione dei maggiori enti di standardizzazione internazionali (europei, giapponesi, americani, coreani, ecc.).

L'UMTS sarà allocato nelle bande di frequenza simmetriche (per il duplex) di 1920 ¸ 1980 MHz per l'Uplink, e 2110 ¸ 2170 MHz per il Downlink (modo FDD – Frequency Division Duplex), nonché nelle bande asimmetriche da 1900 ÷ 1920 MHz e 2010 ÷ 2025 MHz (modo TDD – Time Division Duplex). In entrambi i casi, le bande sopra riportate sono suddivise in portanti da 5 MHz.

In particolare in Italia le frequenze assegnate ad H3G (3), primo gestore di telefonia mobile ad aver lanciato Europa la rete UMTS a livello commerciale, in sono le seguenti:

- 1900 ¸ 1905 per la banda asimmetrica (TDD)

- 1955 ¸ 1970 per la banda simmetrica in Uplink (FDD)

- 2145 ¸ 2160 per la banda simmetrica in Downlink (FDD)

La decisione di utilizzare modalità diverse per l'accesso radio comporta la necessità per i terminali mobili di dover supportare i differenti standard. I primi terminali UMTS supportano anche il sistema di seconda generazione GSM e solo in futuro potranno supportare anche le altre reti 3G.

La possibilità per i terminali di potersi collegare anche alle reti della seconda generazione consentirà una maggiore mobilità, specialmente nelle prime fasi d’implementazione della rete UMTS giacché non sarà coperta da subito la totalità del territorio.

I servizi che un utente sottoscrive con un operatore saranno mantenuti anche in condizione di mobilità verso altri operatori UMTS (servizio chiamato roaming), sfruttandone le capacità di "Virtual Home Environment" (VHE). È inoltre allo studio una modalità di trasmissione a più portanti che consentirà di creare una compatibilità tra i sistemi UMTS e quelli CDMA-2000.

L'introduzione della tecnica W-CDMA, combinata alle tecniche di codifica variabile (OVSF) utilizzate per le canalizzazioni (di cui sarà discusso in un'altra pagima) e all'utilizzo di opportuni algoritmi per il controllo della potenza (Power Control), consentono di realizzare delle connessioni a differenti velocità per ciascun utente, e sarà possibile utilizzare servizi multipli in contemporanea, garantendo la qualità del servizio in ogni momento della connessione pur utilizzando un’unica risorsa fisica (Bearer Channel).

L'obiettivo è in ogni modo quello di poter realizzare connessioni a 128 Kbit/s in condizioni di mobilità veicolare (fino a 500 Km/ora), connessioni a 384 Kbit/s in condizioni di mobilità pedestre, per arrivare fino a 2 Mbit/s in condizioni di ridotta mobilità. Per rendere più flessibili i servizi che una rete UMTS può offrire, le interconnessioni dei vari elementi di rete saranno realizzate con la tecnica ATM (interfacce Iu, e Iur come specificato nella pagina "Architettura della rete UMTS" ). Questa soluzione consente di interfacciare la rete ad accesso radio con la rete centrale in modo molto dinamico, e darà la possibilità di introdurre futuri cambiamenti nella struttura della rete senza dover intervenire direttamente sull'UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), permettendo così uno sviluppo graduale ed in linea con le varie strategie adottate dai singoli operatori.